Cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS

Cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS

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 Acknowledgement Báo nhận AIR Average Interference Ratio 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 Channel Available Fraction Tỷ lệ thời gian khả dụng kênh CBR Constant Bit Rate Tốc độ bít cố định CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CFP Contention Free Period Chu kỳ không có tranh chấp CP Contention Period Chu kỳ có tranh chấp CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Đa truy nhập cảm nhận sóng mang phát hiện xung đột CTS Clear-to-Send Xóa để gửi CW Contention Window Cửa sổ tranh chấp DCF Distributed Coordinated Function Hàm hợp tác phân tán DIFS DCF InterFrame Space Khoảng liên khung hàm phối hợp phân tán DS Distribution System Hệ thống phân bổ DSDV Destination Sequence Distance Vector (Giao thức định tuyến) vectơ khoảng cách tuần tự đích DSR Dynamic Source Routing (Giao thức) định tuyến nguồn động ELP Expected Link Performance Hiệu năng liên kết kỳ vọng ESS Extended Service Set Tập dịch vụ mở rộng ETSI European Telecomunications Viện nghiên cứu viễn thông Châu vii Standard Institute Âu ETT Expected Transmission Time Thời gian truyền dẫn kỳ vọng ETX Expected Transmission Count Tham số truyền dẫn kỳ vọng FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần 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 (Tham số) định tuyến phản ánh nhiễu IARM Interference Aware Routing Metric Tham số định tuyến phản ánh nhiễu IBSS Independent Basic Service Set Tập dịch vụ cơ bản độc lập IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineer Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử ILP Integer Linear Programming Quy hoạch tuyến tính nguyên IF(s) InterFrame space Khoảng thời gian liên khung ITU-T ITU-Telecommunication Standardization Sector Liên minh viễn thông quốc tế - Lĩnh vực tiêu chuẩn viễn thông LAETT Load Aware Expected Transmission Time (Tham số định tuyến) thời gian truyền dẫn kỳ vọng phản ánh tải LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phƣơng tiện MCOP Multi-Constrained Optimal Path Tối ƣu đƣờng dẫn đa ràng buộc MCP Multi Constrained Problem Bài toán đa ràng buộc MoS Mean of Score Thang điểm đánh giá trung bình MPR Multi Point Relay Chuyển tiếp đa điểm NAV Network Allocation Vector Vectơ chỉ định mạng NUM Network Utility Maximization Tối đa hóa lợi ích mạng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số trực giao viii OLSR Optimized Link State Routing (Giao thức) định tuyến trạng thái liên kết tối ƣu PCF Point Coordination Function Hàm hợp tác điểm PCS Physical Carrier Sense Cảm nhận sóng mang lớp vật lý PDF Packet Delivery Fraction Tỷ lệ chuyển phát gói thành công PDR Packet Delivery Ratio Tỷ lệ chuyển phát gói tin PIFS PCF InterFrame Space Khoảng liên khung hàm phối hợp điểm QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RREQ Route Request Yêu cầu tuyến RTS Request-to-Send Yêu cầu để gửi SIFS Short InterFrame Space Khoảng liên khung ngắn TC Topology Control Điều khiển cấu hình TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển giao vận TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian VANET Vehicular Ad-Hoc Network Mạng tùy biến xe cộ VCS Vitual Carrier Sense Cảm nhận sóng mang ảo WCETT Weighted Cumulative Expected Transmission Time (Tham số) thời gian truyền dẫn kỳ vọng trọng số tích lũy WLAN Wireless Local Area Network Mạng vùng cục bộ không dây WMN Wireless Mesh Network Mạng hình lƣới không dây WSN Wireless Sensor Network 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  Tốc độ đến của gói tin  Khoảng bảo vệ xung quanh một nút tránh nhiễu B Trạng thái break trong mô hình kênh 4 trạng thái card( )A Lực lƣợng của tập A ij c Trọng số liên kết giữa nút i và nút j ij C Trọng số liên kết tối thiểu giữa nút i và nút j C Trạng thái contention trong mô hình kênh 4 trạng thái CW Kích thƣớc cửa sổ tranh chấp CW Kích thƣớc cửa sổ tranh chấp trung bình ij d Khoảng cách vật lý từ nút i tới nút j d Trạng thái defer trong mô hình nút 4 trạng thái []ET Độ dài khe thời gian ảo χ e Vector riêng tƣơng ứng với giá trị riêng  f Trạng thái failure trong mô hình nút 3,4 trạng thái ,iI Trạng thái idle trong mô hình nút và kênh 4 trạng thái packet L Độ dài của một gói tin m Số lần truyền dẫn lại cực đại M Số lƣợng nút trung bình trong miền cảm nhận của một nút H M Số lƣợng nút trung bình trong miền nút ẩn N Số lƣợng nút trung bình trong miền truyền dẫn của một nút c p Xác suất xung đột b P Xác suất lỗi bit packet L e P Xác suất lỗi gói tin có kích thƣớc L(bits) [...]... 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. .. là không tránh khỏi để gắn kết sự tối ƣu điều khiển giữa các lớp nhằm cung cấp QoS và tối ƣu hiệu năng mạng [59] 1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS 1.3.1 Kỹ thuật định tuyến Định tuyến là một tiến trình lựa chọn đƣờng cho các gói tin chuyển tiếp qua mạng Mục tiêu cơ bản của các phƣơng pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tài nguyên mạng và tối thiểu hoá giá thành mạng Dƣới góc độ tổng quát, kỹ thuật định tuyến. .. 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... 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... (nội luồng) Nhiễu không chỉ gây tác động đối với hiệu năng từng đƣờng dẫn mà còn ảnh hƣởng lớn đến hiệu năng tổng thể của mạng Vì vậy, tham số định tuyến dựa trên chất lƣợng liên kết cần phải phản ánh tác động của nhiễu nhƣ là một thành phần tham số định tuyến để có đƣợc các quyết định định tuyến tối ƣu 1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS Dƣới góc độ tổng quát, một kỹ thuật định tuyến QoS đƣợc coi là bài... 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... mặt hiệu năng hoạt động của mạng Vì vậy, vấn đề cải thiện hiệu năng mạng hình lƣới không dây trên cơ sở họ chuẩn 802.11 đã và đang là mục tiêu quan trọng của nhiều nghiên cứu Nhằm sáng tỏ cách tiếp cận luận án, vấn đề hiệu năng và các giải pháp cải thiện của các nghiên cứu trƣớc trong lĩnh vực này sẽ đƣợc trình bày vắn tắt dƣới đây 1.4.1 Hiệu năng và các tham số phản ánh Hiệu năng mạng, thƣớc đo năng. .. truyền thông đa chặng không dây giữa các thiết bị đầu cuối di động thông qua các thiết bị định tuyến bố trí tĩnh theo hình lƣới (hình 1.1) Tùy thuộc vào kịch bản ứng dụng khác nhau, kiến trúc WMN đƣợc tổ chức theo 3 kiểu: WMN phẳng, WMN phân cấp và WMN lai ghép [7] Hình 1.1: Kiến trúc điển hình của mạng hình lưới không dây [7] Kiến trúc mạng hình lƣới không dây phẳng còn đƣợc gọi là mạng hình lƣới khách... 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... loại: (i) giao thức định tuyến theo bảng (proactive), (ii) giao thức định tuyến theo yêu cầu (reactive) và (iii) giao thức định tuyến lai ghép (hybrid) Trong các giao thức loại (i), mỗi nút mạng duy trì thông tin cập nhật về cấu hình mạng trong bảng định tuyến thông qua quá trình trao đổi thông tin định tuyến định kỳ Thông thƣờng, thông tin về cấu hình mạng đƣợc gửi tới các nút thông qua phƣơng pháp tràn . 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. 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. 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