Điều khiển tối ưu lưu lượng trên mạng lõi mạng viễn thông thế hệ sau

Điều khiển tối ưu lưu lượng trên mạng lõi mạng viễn thông thế hệ sau

1 MỞ ĐẦU 1. Lý do nghiên cứu Sự phát triển của hệ thống viễn thông theo hướng mạng thế hệ sau đã làm phát sinh yêu cầu nghiên cứu các cơ chế quản lý tài nguyên và điều khiển lưu lượng trên mạng. Vấn đề điều khiển lưu lượng trên mạng NGN đến nay vẫn đang còn là một vấn đề mở và chưa được giải quyết triệt để. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là đề xuất một cơ chế điều khiển lưu lượng mới, hiệu quả cho mạng lõi NGN. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là cơ chế điều khiển lưu lượng trên mạng lõi mạng viễn thông thế hệ sau. Phạm vi nghiên cứu của luận án là các th ủ tục (protocol) và các giải thuật (procedure, algorithm) điều khiển lưu lượng hoạt động trên lớp vận chuyển với mức làm việc là mức gói tin và đối tượng điều khiển là các luồng lưu lượng tổ hợp. Mọi vấn đề khác liên quan đến cơ chế định tuyến, phân mức gói tin, báo hiệu kết nối… coi như đã được giải quyết bằng các công cụ khác nằm ngoài ph ạm vi nghiên cứu của luận án này. 4. Phương pháp và công cụ nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp xây dựng mô hình cấu trúc hệ thống và mô hình hóa hệ thống thông qua công cụ toán học và các công cụ của lý thuyết hệ thống và lý thuyết điều khiển . Đồng thời, luận án tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có của các tác giả khác có liên quan đến đề tài; phân tích các yếu tố liên quan đến vấn đề điều khiển lưu lượng trên mạng lõi NGN, qua đó đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng hiệu quả trên mạng lõi NGN. 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học được thể hiện qua các đóng góp mới: - Đề xuất cơ chế điều khiển mới tại nút lõi của NGN dùng phương pháp điều khiển chuẩn tối ưu toàn phương tuyến tính (LQG) trên cơ sở cải tiến kỹ thuật lọc Kalman. - Đề xuất lọc Kalman cải tiến để ướ c lượng lưu lượng toàn trình. - Đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng toàn trình mới tại nút biên sử dụng phương pháp điều khiển chuẩn toàn phương tuyến tính cải tiến JLQG. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng làm cơ sở khoa học và định hướng công nghệ cho mạng viễn thông thế hệ sau tại Việt Nam. 6. Cấu trúc của Luận án Luận án gồm phần Mở đầu, phần Kết luận và 03 chương nội dung. Chương 1 trình bày tổng quan về các kết quả nghiên cứu đã có của các tác giả khác có liên quan đến đề tài, phân tích điểm mạnh và các hạn chế của các kết quả nghiên cứu đó, rút ra các vấn đề cần được giải quyết, các nhiệm vụ nghiên cứu và các đặc trưng của mạng lõi. Chương 2 đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng mới tại nút lõi của NGN sử dụng lọc Kalman cải tiến. Chương 3 đề xuất phương pháp cải tiến lọc Kalman để ước lượng lưu lượng toàn trình, đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng toàn trình mới cho nút biên sử dụng phương pháp điều khiển chuẩn toàn phương tuyế n tính cải tiến JLQG. 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ CÓ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRÊN MẠNG LÕI 1.1 Mở đầu Trong những năm qua, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển lưu lượng trên mạng viễn thông, trong đó chủ yếu sử dụng các công cụ tối ưu hóa và điều khiển t ối ưu. Chương 1 trình bày tổng quan về các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài, các vấn đề còn tồn tại cần được giải quyết, các nhiệm vụ nghiên cứu và các đặc trưng của mạng lõi có ảnh hưởng đến việc xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng trên mạng lõi NGN. 1.2 Các cơ chế điều khiển tối ưu l ưu lượng đã có 1.2.1 Dạng bài toán quy hoạch lồi Cơ chế điều khiển được thực hiện dựa trên việc điều khiển tốc độ các nguồn tin (rate-based control) với giả thiết là tất cả các nguồn lưu lượng được mô tả bằng một hàm tiện ích, hoàn toàn đồng bộ với nhau và có khả năng liên lạc với nhau để chọn tốc độ truyền dữ liệu tối ưu. Các bài toán điều khiển tối ưu được xây dựng dưới dạng bài toán quy hoạch lồi bao gồm thành phần chính tại các nút mạng và các thành phần phân tán tại các nguồn tin, có mục tiêu là cực đại hóa lợi ích tổ hợp của các nguồn lưu lượng. Các bài toán loại này được xây dựng theo 3 dạng cơ bản: Phương pháp điều khiển lưu lượng max-min (max-min flow control); phương pháp điều khiể n công bằng theo tỷ lệ băng thông (bandwidth proportional fairness) và phương pháp điều khiển lưu lượng max- min theo trọng số (weighted max-min flow control). 4 1.2.2 Dạng bài toán sử dụng lý thuyết điều khiển và lý thuyết hệ thống Mạng được coi là một hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín có trễ. Hiệu suất của cơ chế điều khiển phụ thuộc vào trễ trên mạng, vì vậy thường phải bỏ qua trễ hoặc coi trễ là biết trước và không thay đổi. Mục tiêu điều khiển là c ực tiểu hoá mức độ tổn thất gói tin. Hàm mục tiêu thường có dạng LQG hoặc sử dụng một bộ điều khiển H ∞ hoặc H 2 . Hệ số phản hồi được xác định bằng phương pháp đặt cực. 1.2.3 Một số hạn chế và các tồn tại chưa được giải quyết Các cơ chế điều khiển lưu lượng hiện có vẫn còn một số hạn chế và một số vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết triệt để như sau: - C ơ chế điều khiển thường được xây dựng cho các mô hình mạng đơn giản, có đầy đủ thông tin trạng thái. Các nút mạng đều có chức năng như nhau và có thể liên lạc trực tiếp với các nguồn lưu lượng - Cho phép giảm mức độ phức tạp của bài toán, nhưng lời giải tối ưu toàn cục hầu như không thể đạt được. - Hàm tiện ích của các nguồn tin ph ải có dạng lõm chặt. - Hiệu quả của thuật toán giảm khi trễ chu trình vòng thay đổi. - Mô hình tối ưu hóa thường là các mô hình tĩnh. - Các mô hình thống kê hoặc mô hình dòng lỏng của lưu lượng không biểu diễn được sát thực các đặc tính động học của lưu lượng. - Các cơ chế điều khiển lưu lượng theo hướng tối ưu hóa chưa tính đến các yếu tố nhi ễu loạn trên mạng. 1.3 Đặc điểm cấu trúc của mạng lõi và ảnh hưởng của nó đến việc xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng Trong mạng lõi có 2 loại nút mạng: Các nút lõi (core node) có nhiệm vụ hủy gói tin và chuyển tiếp gói tin; các nút biên (edge node) 5 có nhiệm vụ tổ hợp và chuyển tải lưu lượng qua mạng; phân rã các dòng lưu lượng tổ hợp tại đầu ra cho các mạng truy nhập. Các đặc điểm của mạng lõi có ảnh hưởng đến việc xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng: - Các nút biên và nút lõi nội mạng có vai trò và chức năng hoàn toàn khác nhau đối với vấn đề điều khiển lưu lượ ng. Các nút mạng phải tự đưa ra các quyết định điều khiển dựa trên việc ước lượng trạng thái lưu lượng nhờ các số liệu giám sát - Lưu lượng trên mạng lõi là các dòng lưu lượng tổ hợp, được truyền như nhau và không phân biệt lớp dịch vụ. - Trên mạng lõi không có nút điều khiển trung tâm. Mạng không giám sát trạng thái của các dòng lưu lượng thành phần và không có cơ chế dành sẵn tài nguyên cho các kết nối. - Tắc nghẽn xảy ra trên mạng lõi chủ yếu là do giới hạn về độ lớn bộ đệm và năng lực xử lý gói tin của nút lõi. - Trễ chu trình vòng không thể xác định chính xác được. 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng trên lớp vận chuyển với đối tượng điều khi ển là các dòng lưu lượng tổ hợp của các gói tin rời rạc, đáp ứng được các biến đổi thường xuyên trên mạng. 1.5 Kết luận Kết quả của một số nghiên cứu đã có của các tác giả khác về điều khiển tối ưu lưu lượng trên mạng viễn thông không thích hợp để áp dụng cho mạnh lõi NGN do gặp phải một số vấn đề về mô hình lưu lượng, cơ chế điều khiển, phương pháp xây dựng bài toán… Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án là xây dựng một cơ chế điều khiển lưu lượng hiệu quả trên mạng lõi NGN phù hợp với các đặc trưng về cấu trúc và lưu lượng của mạng lõi. 6 Chương 2. ĐỀ XUẤT CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TẠI NÚT LÕI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỌC KALMAN CẢI TIẾN 2.1 Cơ chế quản lý bộ đệm tại nút lõi Mạng lõi NGN chủ yếu sử dụng phương pháp xếp hàng FIFO cho dòng lưu lượng tổ hợp đến nút mạng với một hàng đợi duy nhất có kích thước bộ đệm Q max . Tại khe thời gian thứ k, ta định nghĩa các tham số nút mạng thứ i như sau: )(kf i ( : số gói tin bị huỷ trong khe thời gian thứ k q i (k) : chiều dài bộ đệm tại khe thời gian thứ k )(kf i : số gói tin đến nút mạng trong khe thời gian thứ k ξ i (k) : tốc độ xử lý của nút mạng) trong khe thời gian thứ k 2.2 Xây dựng mô hình điều khiển Tốc độ mong muốn của dòng lưu lượng tổ hợp đến nút mạng và độ dài bộ đệm tại thời điểm k+1 được tính theo công thức : ∑ − = −−−+=+ 1 0 )1()()1( D d dd dkfSkqkq ξ (2.1) ∑∑ − = − = −−−−−=+ 1 0 1 0 0 )())(()()1( N n M m mn mkfQnkqkfkf βα (2.2) Ta định nghĩa một vecto trạng thái x bao gồm D+N+2 thành phần như sau : T 2ND21 xxxx ), ,,( ++ = , trong đó )()( 1iNjqjx i −+−≡ với i=1,…, N+1 )()( 1iDjfjx 1iN − +−≡ ++ với i=1,…,D+1 Bằng cách thay thế các giá trị của x theo i vào (2.1)-(2.2), ta được hệ phương trình ma trận trạng thái mô tả hệ thống: )()()()1( kwkukxkx cc + + = + BA (2.3) )()()( kvkxky c + = C (2.4) 7 Trong đó T nfnqny ))(),(()( = là vecto kết quả giám sát bộ đệm và tốc độ dòng lưu lượng tổ hợp; w(k) và v(k) là nhiễu quá trình và nhiễu giám sát của hệ thống. 0kwE =)]([ , )()()]()([ kkkwkwE T δ Q= 0kvE =)]([ , )()()]()([ kkkvkvE T δ R= 2.3 Ước lượng lưu lượng tổ hợp đến nút lõi Lưu lượng đến các nút lõi phải được ước lượng. Ta định nghĩa vecto trạng thái của nút lõi: T DkfkfkfQDkqQkqkx )](), ,1(),(,)(, ,)([)( 00 − − − − −= và xây dựng một lớp các mô hình của nút lõi theo D: ⎩ ⎨ ⎧ = += ++=+ ∑ )6.2( )5.2( , 2,1 )()()( )()()()1( :)( D kvkxky kwkukxkx c cc D C BA Trong đó: A c ∈ℜ (D+1)x(D+1) , B c ∈ℜ 2x(D+1) , C c ∈ℜ (D+1) là các ma trận có kích thước phụ thuộc vào D; w(k) và v(k) là các yếu tố nhiễu loạn, )( ~ kf , )( ~ kq là nhiễu loạn của tốc độ dòng lưu lượng và chiều dài bộ đệm, y(k) là giá trị giám sát độ dài bộ đệm và tốc độ lưu lượng. Hình 2.4. So sánh tốc độ lưu lượng ước lượng được với tốc độ đến 8 Kết quả mô phỏng cho thấy kỹ thuật lọc Kalman cho phép ước lượng chính xác trạng thái lưu lượng đầu vào trong trường hợp xác định được các hiệp phương sai nhiễu. Nếu hiệp phương sai của các yếu tố nhiễu loạn không thể xác định chính xác được thì kết quả ước lượng trạng thái bằng kỹ thuật lọc Kalman có thể không chính xác. 2.4 Phương pháp cải tiến kỹ thuật lọc H ∞ Ta cải tiến bộ lọc H ∞ bằng cách bổ sung các điều kiện ràng buộc vào thuật toán lọc để đảm bảo các giá trị ước lượng nằm trong vùng tuyến tính của mô hình nút lõi và sử dụng các hệ số hiệu chỉnh. Hiệp phương sai lỗi ước lượng trong điều kiện có ràng buộc được xác định: )()()()( kkkk T GPGP = trong đó G(k) là ràng buộc của nút lõi: max )()()( GBG ≤+ kukxk c (2.7) Hiệp phương sai lỗi ước lượng P được hiệu chỉnh bằng hệ số η ≥ 1 : ( ) WLAPAP += −+ T cc kk )()( η Giá trị của η được quyết định dựa trên đặc tính động học của hệ thống và mức độ chính xác của kết quả giám sát trạng thái. Phương pháp xác định η như sau: ∑ − = +− + ++ ++ ≥ 1D 0j T jDk T 1k 1jv1jv m 1 D 1 1kv1kv m 1 ))( ˆ )( ˆ ( )( ˆ )( ˆ η (2.8) Thuật toán cập nhật, hiệu chỉnh )(k + P : (1) Đặt γ(k) = 0 và tính giá trị 2 )( ˆ )( kxky c C− (2) Tăng γ(k) với mức tăng Δγ. (3) Cập nhật giá trị )( ˆ kx . (4) Tính giá trị 2 kxCky )( ˆ )( − mới. 9 (5) Tính )(k − P , xác định mức giảm của )(k − P . Nếu mức giảm đủ nhỏ thì dừng lại, chọn giá trị γ(k) cuối cùng. Ngược lại, quay lại bước (2). Thủ tục ước lượng trạng thái theo kỹ thuật H ∞ cải tiến: Tại mỗi chu trình vòng thứ k+1, thủ tục ước lượng trạng thái bằng kỹ thuật H ∞ cải tiến được thực hiện như sau: (1) Dự báo các giá trị ước lượng: )()( ˆ )1( ˆ kukxkx cc BA +=+ − 11 ))()(()( −−− +−= kkk c T c PCVCQPIL WALPAP +=+ −− T cc kkk )()()1( (2) Chọn ma trận G(k) thích hợp. Đặt )()1()(:)1( kkkk T GPGP +=+ −− (3) Tính hệ số η theo biểu thức (2.8). (4) Cập nhật giá trị ước lượng )1( + + kP : (a) Đặt γ(k) = 0 và tính giá trị 2 )( ˆ )( kxky c C− (b) Tăng γ(k) với mức tăng Δγ. (c) Cập nhật giá trị )( ˆ kx theo biểu thức: 11 ))1()1()(()( −−−− +++−= kkkk c T c PCVCQPIL γ 1 )()1()( −− += VCLPAH T cc kkk ))1( ˆ )()(()1( ˆ :)1( ˆ +−++=+ −−− kxkykkxkx c CH (d) Tính giá trị 2 )( ˆ )( kxky C− mới. (e) Cập nhật )1( + + kP WALPAP ++=+ −+ T cc kkk )()1()1( (f) Xác định mức giảm của )1( + + kP . Nếu mức giảm còn lớn thì quay lại bước (b). Ngược lại, thì chọn các giá trị )1( +kP và )( ˆ 1kx + cuối cùng. 10 (5) Tìm giá trị ước lượng )( ˆ 1kx + cuối cùng thỏa mãn điều kiện ràng buộc của hệ thống. Kết quả mô phỏng thuật toán H ∞ cải tiến với mạng lõi có D=2, hiệp phương sai nhiễu thay đổi theo thời gian và có ràng buộc (2.7) được thể hiện trên các hình từ 2.10 đến 2.14 cho thấy kết quả ước lượng trạng thái nút lõi khá chính xác với sai số không vượt quá 3 gói tin. Hình 2.10. So sánh tốc độ lưu lượng đến với tốc độ ước lượng Hình 2.13. So sánh lỗi ước lượng độ dài bộ đệm nút lõi [...]... viễn thông thế hệ sau dựa trên lý thuyết điều khiển , Kỷ yếu Hội nghị ITMath 06 Học viện Kỹ thuật Quân sự, tr 97-103 6 Ngô Đông Hải (2008), “Cải tiến thuật toán lọc Kalman để ước lượng lưu lượng toàn trình của mạng lõi mạng thế hệ sau , Chuyên san tạp chí CNTT và Truyền thông, Kỳ 3, số 19, trang 25-32 THÔNG TIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐƯA LÊN MẠNG Tên Luận án: Điều khiển tối ưu lưu lượng trên mạng lõi mạng viễn. .. bật để mô tả cơ chế điều khiển lưu lượng trên mạng lõi có cấu trúc lưới đầy đủ, cụ thể là cho phép đảm bảo cơ chế điều khiển lưu lượng không phụ thuộc vào số lượng và đặc tính lưu lượng đa dịch vụ Do đặc thù về cấu trúc của mạng lõi, phương pháp phân rã bài toán điều khiển lưu lượng riêng cho nút lõi và nút biên cho phép giải quyết yêu cầu điều khiển lưu lượng cụ thể tại hai loại nút mạng có chức năng... Điều khiển động tối ưu lưu lượng mạng TCP/IP”, Hội nghị toàn quốc lần thứ VI về tự động hóa (VICA 6), Hà Nội, 4/2005, tr 179-184 tuyển tập báo cáo 4 Ngô Đông Hải, Vũ Ngọc Phàn (2006), Điều khiển tối ưu lưu lượng mạng lõi thế hệ sau , Kỷ yếu hội thảo quốc gia “Một số vấn đề chọn lọc trong CNTT”- 2005, tr 278-284, Hải Phòng 5 Ngô Đông Hải (2006), “Xây dựng mô hình điều khiển tối ưu lưu lượng mạng viễn. .. hệ số điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu của hệ thống, đảm bảo điều khiển tối ưu dòng lưu lượng tổ hợp vào mạng Các định hướng nghiên cứu tiếp theo: - Phát triển áp dụng cơ chế điều khiển lưu lượng tại nút lõi cho trường hợp tốc độ xử lý của nút lõi thay đổi theo các chế độ hoạt động khác nhau của mạng - Xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng tại nút biên trong trường hợp trễ chu trình vòng trên mạng. .. vào tham số D - Đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng mới tại nút biên sử dụng phương pháp JLQG cải tiến từ cơ chế điều khiển chuẩn toàn phương tuyến tính Gassian, cho phép xác định được một cách dễ dàng hệ số điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu của hệ thống, đảm bảo điều khiển tối ưu dòng lưu lượng tổ hợp vào mạng Trong phương pháp này, nút biên được mô tả bằng một hệ thống tuyến tính rời rạc theo... thuật lọc H∞ cải tiến trong điều kiện trạng thái nút lõi bị ràng buộc bởi các giới hạn của tài nguyên hệ thống cho phép ước lượng tối ưu lưu lượng mạng và đảm bảo duy trì lưu lượng qua nút lõi xung quanh trạng thái ổn định mong muốn và không vượt quá các giới hạn tài nguyên mạng 15 Chương 3 ĐỀ XUẤT CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TOÀN TRÌNH TẠI NÚT BIÊN 3.1 Mô hình giám sát mạng Gọi y (k ) = ( y1 , y 2... viễn thông thế hệ sau Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Họ và tên nghiên cứu sinh: Họ và tên cán bộ hướng dẫn: Mã số: 62.52.70.05 Ngô Đông Hải 1 TS Mai Liêm Trực 2 TS Vũ Ngọc Phàn Cơ sở đào tạo: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tóm tắt những điểm mới của luận án: - Đề xuất một cơ chế điều khiển lưu lượng mới cho nút lõi sử dụng kỹ thuật lọc Kalman cải tiến để ước lượng lưu lượng đến trong điều. .. với mức độ cao nhất, và trên mạng có các giới hạn về tài nguyên mạng Kết quả mô phỏng ước lượng tốc độ lưu lượng đến đến nút mạng có giá trị chính xác với sai số chỉ nằm trong khoảng 0,2% giá trị tốc độ lưu lượng Cơ chế điều khiển lưu lượng tại nút lõi được xây dựng dựa trên cơ chế điều khiển chuẩn toàn phương tuyến tính Gaussian (LQG), đảm bảo độ dài xếp hàng tại bộ đệm nút mạng được duy trì xung quanh... lỗi ước lượng tốc độ lưu lượng đến nút lõi 2.5 Xây dựng bộ điều khiển chuẩn LQG Mô hình điều khiển LQG của nút lõi như sau (hình 2.15): w f + ( f u K v Nút lõi ˆ x z y Bộ ước lượng Hình 2.15 Sơ đồ khối điều khiển trạng thái của nút lõi Hệ thống: x(k + 1) = Ac x(k ) + Bc u (k ) + w(k ) z (k ) = C c1 x(k ) 12 y ( k ) = C c x( k ) + v( k ) trong đó z(k) là một tiêu chí chất lượng của mạng Bộ điều khiển: ... giá trị tốc độ lưu lượng; độ dài xếp hàng tại bộ đệm nút mạng được duy trì xung quanh giá trị cân bằng Q0 với 14 biên độ dao động không quá 1% giá trị Q0, và vùng hoạt động của hệ thống được duy trì trong giới hạn ổn định Hình 2.18 So sánh tốc độ lưu lượng theo cơ chế điều khiển Hình 2.20 So sánh độ dài bộ đệm theo cơ chế điều khiển 2.6 Kết luận Cơ chế điều khiển lưu lượng mới tại nút lõi sử dụng kỹ . của hệ thống viễn thông theo hướng mạng thế hệ sau đã làm phát sinh yêu cầu nghiên cứu các cơ chế quản lý tài nguyên và điều khiển lưu lượng trên mạng. Vấn đề điều khiển lưu lượng trên mạng. điều khiển lưu lượng mới, hiệu quả cho mạng lõi NGN. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là cơ chế điều khiển lưu lượng trên mạng lõi mạng viễn thông thế hệ. đề điều khiển lưu lượ ng. Các nút mạng phải tự đưa ra các quyết định điều khiển dựa trên việc ước lượng trạng thái lưu lượng nhờ các số liệu giám sát - Lưu lượng trên mạng lõi là các dòng lưu