Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng định tuyến trong mạng WMN

MỞ ĐẦU Trong một số năm gần đây, truyền thông không dây đã và đang phát triển rất mạnh mẽ trong cả mạng tế bào và mạng không dây cục bộ, hứa hẹn đem tới rất nhiều các ứng dụng dựa trên k

-

Đinh Vương Long

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU NĂNG ĐỊNH TUYẾN

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: ………PGS TS Nguyễn Quốc Bình …………

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Trong một số năm gần đây, truyền thông không dây đã và đang phát triển rất mạnh

mẽ trong cả mạng tế bào và mạng không dây cục bộ, hứa hẹn đem tới rất nhiều các ứng dụng dựa trên kết nối không dây Tuy nhiên, sự khác biệt về công nghệ giữa hai kiểu mạng này đã nảy sinh một số hạn chế về yêu cầu kết nối và dịch vụ Mạng tế bào cung cấp một vùng bao phủ lớn nhưng các dịch vụ thường có giá thành cao và tốc độ dữ liệu thấp Trong khi đó mạng cục bộ không dây có thể đưa ra tốc độ truyền dữ liệu cao với chất lượng dịch

vụ đảm bảo Tuy nhiên, nhược điểm chính của các mạng cục bộ không dây xuất phát từ sự hạn chế tính di động và yêu cầu tầm nhìn thẳng giữa thiết bị đầu cuối với trạm thu phát

Vì vậy, mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) nổi lên như một giải pháp mở rộng vùng phủ, cung cấp đa dạng loại hình kết nối với tốc độ cao, đem lại hàng loạt ứng dụng mới Công nghệ WMN đang phát triển nhanh chóng và thu đuợc sự chú

ý của các nhà nghiên cứu trong các năm gần đây Nhiều tập đoàn lớn đã nhận ra tiềm năng của công nghệ này và đưa ra các sản phẩm của mạng hình lưới không dây Các tổ chức tiêu chuẩn công nghiệp cũng đang tích cực đưa ra các tiêu mới cho mạng hình lưới Các thử nghiệm đã và đang tiếp tục được tiến hành trong các phòng thí nghiệm của các trường đại học trên thế giới

Do rất nhiều lợi điểm của mạng WMN để xuất phát từ năng lực của quá trình định tuyến, nên phần lớn các nghiên cứu cải thiện hiệu năng mạng tập trung rất lớn vào vấn đề cải thiện các hiệu năng định tuyến Hiệu năng định tuyến và các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng định tuyến trong mạng WMN sẽ là nội dung chính sẽ được nghiên cứu trong luận văn

Cấu trúc luận văn gồm ba chương Chương 1 giới thiệu về kiến trúc, đặc điểm và các ứng dụng của mạng WMN; Vấn đề hiệu năng chung của mạng cũng được xem xét Chương

2 nghiên cứu lý thuyết bài toán định tuyến trong mạng WMN cùng với các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng định tuyến trong mạng WMN Chương 3 khảo sát hiệu năng một số giao thức định tuyến thông qua mô phỏng trên nhiều kịch bản với các yếu tố đầu vào khác nhau Từ kết quả thu được, đưa ra các kiến nghị trong các trường hợp cụ thể

Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức bản thân, luận văn không thể tránh khỏi các khiếm khuyết Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, các học viên quan tâm để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Bình đã hướng dẫn em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WMN

Mạng hình lưới không dây (WMN) đã nổi lên như là một công nghệ chủ chốt dể cung cấp các dịch vụ cho các mạng không dây thế hệ kế tiếp: mạng băng rộng tại nhà, các mạng cộng đồng, mạng doanh nghiệp v.v WMN đang nhận được sự quan tâm lớn như là phương tiện để cung cấp các dịch vụ không dây băng rộng tin cậy với chi phí đầu tư thấp và vùng phủ mở rộng [22]

Trong [1] đã định nghĩa: “Một mạng hình lưới không dây WMN là một mạng truyền thông được tạo thành từ các nút vô tuyến được tổ chức theo cấu trúc hình lưới”

Chương này của luận văn sẽ trình bày các khái niệm cơ bản về WMN bao gồm kiến trúc chung hệ thống, các ứng dụng của WMN Sau đó tổng hợp các hướng đề xuất cải thiện hiệu năng mạng trên từng lớp cụ thể

1.1 Kiến trúc và đặc điểm của WMN

a Kiến trúc phân cấp: các mạng WMN có cơ sở hạ tầng

Kiến trúc được trình bày ở hình 1.1, nơi các đường đứt và liền mô tả các đường truyền không dây và có dây riêng rẽ Cơ sở hạ tầng hình lưới này cung cấp thành phần lõi không dây cho các khách truyền thống và cho phép tích hợp WMN với các mạng không dây đang tồn tại, thông qua các chức năng cổng/cầu nối trong các WMR

b Kiến trúc phẳng: các mạng WMN khách

Mạng hình lưới các khách cung cấp các mạng ngang hàng (peer-to-peer) giữa các thiết bị khách Ở loại kiến trúc này, các nút khách tạo thành mạng thực tế để thực hiện các chức năng định tuyến và cấu hình, cũng như cung cấp các ứng dụng đầu cuối cho khách Bởi vậy, một WMR là không cần thiết cho loại mạng này

c Kiến trúc lai ghép: các mạng WMN lai ghép

Kiến trúc này là sự kết hợp của hình lưới cơ sở hạ tầng và hình lưới khách như được trình bày ở hình 1.3 Các WMC có thể truy cập mạng thông qua các WMR hoặc các kết nối hình lưới qua các WMC khác Trong khi cơ sở hạ tầng cung cấp tính kết nối với các mạng

khác như Internet, WiFi, WiMax, di động tế bào và các mạng cảm biến; khả năng định tuyến của các khách cung cấp các kết nối và cải thiện vùng phủ sóng bên trong WMN Kiến trúc lai ghép sẽ là trường hợp áp dụng nhiều nhất trong thực tế

Hình 1.3: Kiến trúc lai ghép [6]

1.1.2 Các đặc điểm của mạng WMN

• Mạng không dây đa điểm Một trong các mục tiêu để phát triển mạng WMN là mở

rộng phạm vi của các mạng không dây hiện tại mà không giảm dung lượng kênh truyền

• Hỗ trợ mạng tùy biến và có khả năng tự định hình, tự khôi phục và tự tổ chức

WMN nâng cao hiệu năng mạng, bởi vì kiến trúc mạng mềm dẻo, dễ dàng triển khai và cấu hình, khôi phục lỗi và đặc tính kết nối hình lưới

• Tính di động phụ thuộc vào kiểu nút Các WMR thường có tính di động thấp nhất

trong khi đó WMC có thể là nút cố định hoặc di động

• Hỗ trợ nhiều kiểu truy nhập mạng Trong WMN, cả truy nhập đến Internet và

truyền thông ngang hàng đều được hỗ trợ Hơn nữa, sự tích hợp của WMN với các mạng không dây khác và cung cấp các dịch vụ tới người dùng của những mạng này có thể được thực hiện thông qua mạng WMN

• Giới hạn về công suất tiêu thụ phụ thuộc vào kiểu nút Các WMR thường không

hạn chế nghiêm ngặt về công suất tiêu thụ Tuy nhiên, WMC cần phải các giao thức hiệu quả về năng lượng

• Sự tương thích và khả năng tương thích với các mạng không dây hiện có Ví dụ các

mạng WMN được xây dựng dựa trên các công nghệ 802.11, cần được tương thích với các chuẩn trong trường hợp hỗ trợ khả năng hình lưới và khách WiFi thông thường WMNs

cũng cần thiết hoạt động tốt với các mạng không dây khác như WiMAX, Zig- Bee và mạng

1.2.2 Mạng cộng đồng

Trong một kịch bản mạng cộng đồng, truy nhập Internet thường dựa trên công nghệ cáp quang hoặc công nghệ DSL (Digital Subcriber Line) Thành phần cung cấp khả năng truy nhập không dây được kết nối tới cáp hoặc modem DSL Phương pháp truy nhập mạng này có một số nhược điểm Các mạng WMN sẽ khắc phục được những nhược điểm trên bằng việc sử dụng các kết nối hình lưới linh hoạt giữa các ngôi nhà

1.2.3 Mạng đô thị

Sử dụng WMN trong khu vực đô thị có một số ưu điểm Tốc độ truyền dẫn lớp vật lý của một nút của mạng WMN lớn hơn nhiều so với tốc đô một nút trong bất cứ mạng di động nào Ví dụ một nút chuẩn IEEE 802.11g có thể truyền ở tốc độ 54Mbps Hơn nữa, việc truyền tin giữa các nút không cần thành phần lõi hữu tuyến

1.2.4 Một số ứng dụng khác

Các hệ thống giao thông

Thay vì sử dụng các công nghệ theo chuẩn IEEE 802.11 hay IEEE 802.16, chỉ cung cấp truy nhập đến các bến đỗ, công nghệ mạng WMN có thể mở rộng truy nhập đến trên xe buýt, bến phà, hay trên tàu hỏa Do đó, có thể cung cấp các dịch vụ như dịch vụ thông tin hành khách, điều khiển từ xa bằng cách sử dụng video an ninh đặt trong xe, hay thông tin liên lạc với lái xe

Các hệ thống giám sát an ninh

Vấn đề an ninh đang ngay càng được quan tâm hơn nên các hệ thống giám sát an ninh trở nên cần thiết cho các tòa nhà doanh nghiệp, các khu mua sắm nhỏ, các cửa hàng tạp hóa v.v Để triển khai các hệ thống này, sử dụng WMN là giải pháp khả thi hơn cả với việc

cung cấp kết nối không dây, cho phép triển khai dễ dàng, chi phí đầu tư ban đầu không quá tốn kém trong khi vẫn cung cấp băng thông rộng phục vụ cho nhu cầu truyền hình ảnh và video, vốn là lưu lượng chủ yếu cần phải truyền trong kịch bản ứng dụng này

1.3 Tiêu chuẩn hóa

1.3.1 WMN dựa trên chuẩn 802.11s

Tất cả các chuẩn họ 802.11 đều xây dựng trên cơ chế truyền thông đơn bước không dây, không phù hợp với các mô hình truyền thông đa bước, đa kênh và đa thu phát vô tuyến

Vì vậy, IEEE thiết lập nhóm làm việc 802.11s để tiêu chuẩn hóa cài đặt, cấu hình và điều hành các mạng hình lưới dựa trên chuẩn 802.11 Trong tiêu chuẩn 802.11s, tất cả các thiết

bị đều được định nghĩa là điểm hình lưới MP (Mesh Point) Một hệ thống phân bổ không dây WDS (Wireless Distributed System) là một tập gồm các MP và các liên kết không dây Điểm truy nhập hình lưới MAP (Mesh Access Point) là một MP đặc biệt hoạt động như một điểm truy nhập AP và điểm kết nối cổng hình lưới MPP (Mesh Portal Point)

1.3.2 WMN dựa trên chuẩn 802.15

Nhóm làm việc IEEE 802.15 được thiết lập để phát triển tiêu chuẩn cho các mạng cá

nhân không dây WPAN Để chỉ ra các giải pháp tốc độ cao trong WPAN, IEEE 802.15.3 thiết lập tiêu chuẩn hóa các đặc tính lớp truy nhập phương tiện MAC (Medium Access Control) và lớp vật lư PHY (Physical Layer) vào năm 2003 Chuẩn IEEE 802.15.4 tập trung vào các cơ chế cần có tại lớp MAC và PHY để cho phép kết nối hình lưới, đồng thời cung cấp một khung làm việc để mở rộng và liên điều hành giữa các thiết bị trong WPAN Các mạng hình lưới dựa trên chuẩn IEEE 802.15 đem lại một số lợi điểm chính yếu như: mở rộng vùng phủ, tăng độ tin cậy và kéo dài thời gian hoạt động mạng

1.3.3 WMN dựa trên chuẩn 802.16

Để đưa ra tiêu chuẩn hóa cho truy nhập không dây băng rộng trong mạng đô thị, nhóm làm việc IEEE 802.16 được thiết lập năm 1999 Tiêu chuẩn ban đầu IEEE 802.16

được thiết kế để điều hành trong băng tần cấp phép (10-66 GHz) và phát triển cấu trúc điểm – đa điểm PMP (Point to Multipoint), nơi mỗi một trạm cơ sở BS (Base Station) phục vụ một số thiết bị đầu cuối trong vùng phủ Tuy nhiên, kiến trúc này yêu cầu tầm nhìn thẳng giữa các thiết bị do giới hạn của lượng nhiễu đa đường có thể cho phép tại tần số cao Để hoạt động trong môi trường không có tầm nhìn thẳng thực sự, 802.16a được mở rộng vào năm 2003 Tiêu chuẩn 802.16a hoạt động tại vùng tần số 2-11GHz, cho phép các truyền

thông không có tầm nhìn thẳng và các chức năng kết nối hình lưới được bổ sung vào chế độ kết nối điểm - đa điểm PMP

1.4 Các yêu cầu hiệu năng của các mạng WMN

Các công nghệ không dây

Được thúc đẩy bởi sự phát triển nhanh của chất bán dẫn, các công nghệ vô tuyến, lý thuyết thông tin, các thiết bị không dây đang trải qua một cuộc cách mạng thực sự Hiện nay, rất nhiều tiếp cận đã được đề xuất nhằm tăng dung lượng cũng như sự linh hoạt của các

hệ thống không dây Chẳng hạn như việc sử dụng các anten có hướng, anten thông minh,

các hệ thống MIMO, các hệ thống đa kênh đa sóng (multi-radio/multi-channel)

Khả năng mở rộng

Truyền thông đa điểm là kiểu truyền thông phổ biến trong các mạng WMN Đối với các mạng sử dụng kiểu truyền thông này luôn gặp vấn đề khi mở rộng Khi kích thước mạng tăng, hiệu năng mạng sẽ suy giảm đáng kể Nguyên nhân là do độ tin cậy của các kết nối đầu cuối đến đầu cuối giảm mạnh khi kích thước mạng tăng lên Với kiến trúc tùy biến trong các mạng WMN, các phương pháp đa truy nhập tập trung như TDMA và CDMA khó thực hiện được bởi sự phức tạp và các yêu cầu về đồng bộ thời gian cho TDMA cũng như việc quản lý mã cho CDMA

Tính kết nối hình lưới

Nhiều ưu điểm của các mạng WMN bắt nguồn từ kết nối hình lưới, đây là một yêu cầu quan trọng trong khi thiết kế giao thức cho các lớp, đặc biệt là các giao thức MAC và

định tuyến

Băng thông rộng và QoS

Khác với các mạng tùy biến khác, hầu hết các ứng dụng của các mạng WMN là các

dịch vụ băng rộng với các yêu cầu QoS đa dạng

mạng WLAN nhưng chúng vẫn chưa thực sự thích hợp cho các mạng WMN Ví dụ, không

có nút tập trung để phân phối khóa chung trong WMN do đặc điểm kiến trúc phân tán

Tính dễ sử dụng

Các giao thức cần được thiết kế để có các khả năng tự trị cao về công suất, tự tổ chức, điều khiển cấu hình động, đối phó với việc mất liên kết tạm thời, xác thực nhanh chóng

Dung lượng mạng WMN

Dung lượng (độ thông qua) của các mạng WMN bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như kiến trúc mạng, cấu trúc liên kết mạng, mô hình lưu lượng, mật độ các nút mạng, số kênh sử dụng cho mỗi nút, công suất truyền dẫn, và tính di động của các nút Việc hiểu rõ

sự ảnh hưởng của các yếu tố trên lên dung lượng của mạng sẽ giúp cho quá trình thiết kế kiến trúc mạng, phát triển các giao thức cũng như việc triển khai được tốt nhất

1.5 Kết luận chương

Trong chương này tác giả đã đưa ra các nhìn khá đầy đủ về mạng WMN, bao gồm kiến trúc mạng, đặc điểm, ứng dụng và các tiêu chuẩn đã được đưa ra Mạng WMN có thể cung cấp các ứng dụng như: mạng băng rộng tại nhà, các mạng cộng đồng, mạng doanh nghiệp, giao thông, y tế v.v với phạm vi phủ sóng rộng hơn so với các mạng tùy biến và các mạng Wifi Bài toán hiệu năng chung của mạng cũng được giới thiệu thông qua các yêu cầu hiệu năng cụ thể

CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU NĂNG ĐỊNH

Trong đó, rất nhiều các nghiên cứu cải thiện hiệu năng mạng tập trung vào vấn đề cải thiện các giao thức định tuyến, trên tất cả các khía cạnh như: thuật toán định tuyến, tham số định tuyến và các thủ tục định tuyến

2.1 Thuật toán định tuyến trong mạng WMN

2.1.1 Thuật toán định tuyến vector khoảng cách (distance vector)

Phương pháp này gán một con số, gọi là giá (hay trọng số), cho mỗi một liên kết giữa các nút trong mạng Các nút sẽ gửi thông tin từ điểm A đến điểm B qua tuyến có tổng chi phí thấp nhất (là tổng các giá của các kết nối giữa các nút được dùng) Khi một nút khởi động lần đầu, nó chỉ biết các nút kề trực tiếp với nó, và chi phí trực tiếp để đi đến đó (thông tin này, danh sách của các đích, tổng chi phí của từng nút, và bước kế tiếp để gửi dữ liệu đến đó tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách)

2.1.2 Thuật toán định tuyến trạng thái liên kết (link-state)

Khi áp dụng các thuật toán trạng thái liên kết, mỗi nút sử dụng cơ sở dữ liệu của nó như là một bản đồ của mạng dưới dạng một đồ thị Để làm điều này, mỗi nút phát đi tới toàn mạng những thông tin về các nút khác nó có thể kết nối được Sử dụng bản đồ này, mỗi bộ định tuyến sẽ chọn tuyến tốt nhất từ nó đến mọi nút khác trong mạng

2.1.3 Nhận xét về thuật toán định tuyến

Ưu điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là phản ứng nhanh nhạy hơn đối với sự thay đổi của các liên kết Ngoài ra, kích thước các gói được gửi qua mạng trong định tuyến bằng trạng thái kết nối thì nhỏ hơn những gói dùng trong định tuyến bằng vector khoảng cách Định tuyến bằng vector khoảng cách đòi hỏi bảng định tuyến đầy đủ phải được truyền đi, trong khi định tuyến bằng trạng thái kết nối thì chỉ có thông tin về “hàng xóm” của nút được truyền đi Khuyết điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là

nó đòi hỏi nhiều sự lưu trữ và tính toán để chạy hơn định tuyến bằng vector khoảng cách

2.2 Tham số định tuyến

2.2.1 Một số tham số định tuyến được đề xuất

a Tham số định tuyến bước nhảy

Tham số bước nhảy (hop count) là một tham số định tuyến đơn giản nhất nhằm cung cấp các đường dẫn có số bước nhảy tối thiểu Chất lượng liên kết được phản ánh qua khái niệm nhị phân: tồn tại hoặc không tồn tại liên kết

b Tham số truyền dẫn mong đợi ETX

Tham số truyền dẫn mong đợi ETX (Expected Transmission Count) được đề xuất để

cải thiện một số nhược điểm của tham số bước nhảy [4] ETX phản ánh đồng thời độ dài đường dẫn và tỷ số lỗi liên kết trong quá trình chọn đường ETX được định nghĩa như số

lượng truyền dẫn mong đợi của lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC cần thiết để chuyển phát thành công một gói tin unicast qua liên kết ETX của một liên kết đơn được xác định qua công thức sau:

d : xác suấtgói tin chuyển thành công theo ngược lại

c Tham số thời gian mong đợi ETT

Tham số thời gian mong đợi ETT (Expected Transmission Time) là tham số cải thiện

của ETX nhằm bổ sung để tính toán cho các liên kết có băng thông khác nhau và các gói tin

có kích thước khác nhau [5]

d Tham số thời gian truyền dẫn mong đợi trọng số tích lũy WCETT

Tham số WCETT (Weighted cumulative ETT) là tham số cải thiện từ ETT với sự bổ

sung đặc tính phân tập kênh [5]

Tham số định tuyến phản ánh nhiễu iAWRE

iAWARE (Interference AWARE) là tham số định tuyến nhằm phản ánh ảnh hưởng

do biến động tỉ lệ lỗi liên kết, sự khác biệt tốc độ truyền dẫn cũng như của nhiễu liên luồng

và nội luồng [20] iAWARE xác định thời gian trung bình bận của đường truyền do nhiễu từ

các lân cận iAWARE của một đường dẫn p được xác định qua công thức dưới đây:

Bảng 2.1: Đặc tính của các tham số định tuyến

Tham số /Đặc tính HOP ETX ETT WCETT iAWARE

2.3 Các giao thức định tuyến trong WMN

Để có thể đưa ra một giao thức định tuyến hiệu quả cho các mạng WMN, trước hết chúng ta cần có cái nhìn sơ bộ về các giao thức định tuyến đã có, so sánh và phân tích ưu nhược điểm các giao thức định tuyến này

Các giao thức định tuyến có thể được phân loại thành ba nhóm [19]: theo bảng

(proactive), theo yêu cầu (reactive), và lai ghép (hybrid)

2.3.1 Các giao thức định tuyến theo bảng (Proactive)

Trong phương pháp định tuyến theo bảng, các nút trong mạng liên tục đánh giá các tuyến tới các nút để duy trì tính tương thích, cập nhật của thông tin định tuyến Vì vậy, một nút nguồn có thể đưa ra một đường dẫn định tuyến ngay lập tức khi cần Trong các giao thức định tuyến theo bảng, tất cả các nút cần duy trì thông tin về cấu hình mạng Khi cấu hình mạng thay đổi, các cập nhật được truyền lan trong mạng nhằm thông tin sự thay đổi Một số các giao thức định tuyến theo bảng có thể kể đến: WRP, DSDV, OLSR, định tuyến trạng thái fisheye (Fisheye State Routing), v.v

Giao thức OLSR

OLSR (Optimized Link State Protocol) [7] là một giao thức định tuyến theo bảng

thường gặp nhất, khá nhiều nghiên cứu cải thiện giao thức định tuyến này được thực hiện trong thời gian qua OLSR với sự cải thiện của nó là một giải pháp định tuyến hứa hẹn cho mạng WMN

2.3.2 Các giao thức định tuyến theo yêu cầu (reactive)

Trong các giao thức định tuyến theo yêu cầu, các đường dẫn được tìm kiếm chỉ khi

có yêu cầu truyền dẫn lưu lượng Hoạt động định tuyến bao gồm cả thủ tục xác định tuyến Thủ tục tìm tuyến kết thúc khi một tuyến không được tìm thấy hoặc không có tuyến khả dụng sau khi xác minh toàn bộ tập hoán vị tuyến Ví dụ về một số giao thức định tuyến theo yêu cầu gồm DSR, AODV