Luận án tiến sĩ công nghệ thông tin nâng cao hiệu năng mạng manet sử dụng kỹ thuật định tuyến cân bằng tải đảm bảo chất lượng truyền dẫn

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Trong xu phát triển công nghệ mạng, truyền thông không dây giải pháp chủ đạo cho cơng nghệ mạng viễn thơng nói chung, mạng truyền liệu mạng máy tính nói riêng Trong thời đại công nghệ mạng hệ thứ (5G) Internet vạn vật (Internet of Things - IoT), xuất số mơ hình mạng khơng dây để cung cấp ứng dụng thực tế Cơ mạng cảm biến khơng dây, mạng khơng dây hình lưới [32, 47, 49], mạng tùy biến di động (Mobile Ad-Hoc Network - MANET) Trong đó, MANET mơ hình mạng hoạt động theo nguyên lý mạng ngang hàng, không phụ thuộc vào kết cấu hạ tầng cố định Việc triển khai mơ hình mạng đơn giản linh hoạt, cần nút di động có hỗ trợ giao diện kết nối khơng dây tạo thành mơ hình mạng MANET đâu Vì vậy, MANET ngày ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, quân sự, y tế, giáo dục, giao thông, hàng không, vận tải tàu biển, nghiên cứu thám hiểm [66] Để mở rộng phạm vi ứng dụng mạng MANET, cần phải nâng cao tốc độ truyền dẫn kênh truyền, tăng phạm vi vùng phủ sóng nút, mở rộng vùng diện tích sử dụng Tuy nhiên, điều gặp phải số khó khăn mặt cơng nghệ Vì việc tăng tốc độ truyền dẫn, phạm vi phủ sóng vùng diện tích sử dụng hiệu ứng vật lý xảy lộ trình truyền liệu tăng lên, làm ảnh hưởng đến hiệu mạng [26, 29, 30, 61, 65] Các hiệu ứng bao gồm: suy giảm công suất qua mơi trường khơng khí, nhiễu tích lũy dọc theo lộ trình truyền liệu, nhiễu giao thoa kênh truyền dẫn đồng thời, tượng mờ dần (fading) Các hiệu ứng vật lý tác động lên kênh truyền, làm suy giảm chất lượng tín hiệu truyền dẫn (Quality of Transmission - QoT), làm tăng xác suất gói liệu bị lỗi không đảm bảo QoT, dẫn đến suy giảm hiệu mạng, đặc biệt mơ hình mạng có vùng diện tích rộng, mật độ nút cao, sử dụng kênh có băng thơng lớn Để đảm bảo hiệu mạng MANET trường hợp vùng diện tích rộng, mật độ nút cao, tốc độ liệu lớn, cần phải tìm giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng vật lý Về mặt công nghệ, hiệu ứng vật lý đề cập thường giải cơng nghệ lớp vật lý Ví dụ hiệu ứng suy hao công suất thường giải cách lắp đặt thêm tái tạo tín hiệu (repeater) sử dụng anten để khuếch đại cơng suất tín hiệu Với hiệu ứng gây lỗi bit nhiễu môi trường, nhiễu nhiệt, nhiễu giao thoa kênh thường giải phương pháp sửa lỗi trước (FEC - Forward Error Correction) sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số Tuy nhiên, thực tế, việc bù công suất tái tạo tín hiệu, việc xử lý lỗi đường truyền kỹ thuật FEC thực cách tuyệt đối, mà luôn tồn phần nhỏ hiệu ứng vật lý sau xử lý Phần nhỏ thường không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống tuyến truyền dẫn điểm - nối - điểm, tuyến truyền dẫn qua vài bước truyền (hop) Trong trường hợp mạng MANET có vùng diện tích sử dụng rộng, mật độ nút cao, có trường hợp liệu phải truyền qua nhiều nút trung gian, nghĩa qua nhiều bước truyền với tổng khoảng cách lớn Trong trường hợp này, phần nhiễu tồn sau xử lý lớp vật lý tích lũy dọc theo lộ trình truyền liệu, làm ảnh hưởng đến QoT hệ thống mạng Mức độ ảnh hưởng nhiễu tích lũy phụ thuộc vào lộ trình truyền liệu, mà lộ trình truyền liệu định thuật tốn định tuyến Vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán định tuyến ràng buộc QoT mạng MANET, nhằm tìm thuật tốn định tuyến đảm bảo QoT lộ trình truyền liệu điều cần thiết, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng việc ứng dụng mạng MANET cho trường hợp vùng diện tích lớn, tốc độ liệu mật độ nút cao Vấn đề nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm thời gian gần [5, 24, 33, 35, 46, 51, 53] Các cơng trình nghiên cứu đề xuất thuật toán định tuyến với mục tiêu lựa chọn lộ trình có QoT tốt để truyền liệu Tuy nhiên, vấn đề đặt với kỹ thuật định tuyến theo QoT tốt tăng tình trạng nghẽn cục (bottleneck) tải lưu lượng phân bố khơng đồng kết nối tồn mạng Nghẽn cục vấn đề ảnh hưởng lớn đến hiệu mạng, đặc biệt hệ thống mạng có tải lưu lượng lớn Vấn đề thường giải kỹ thuật định tuyến cân tải (load balancing routing) Trong mạng MANET, định tuyến cân tải nhiều nhóm nghiên cứu triển khai [34, 39, 41, 44, 67, 70] Các cơng trình nghiên cứu đề xuất thuật toán định tuyến cân tải lưu lượng qua kết nối mạng, giảm thiểu tình trạng nghẽn cục Tuy nhiên, đặc trưng kỹ thuật định tuyến cân tải thuật toán định tuyến chọn "lộ trình dài", nghĩa lộ trình qua nhiều nút trung gian, nhiều bước truyền để cân tải lưu lượng Điều làm giảm QoT hệ thống mạng Các cơng trình nghiên cứu kỹ thuật định tuyến cân tải mạng MANET đề cập chưa xét đến vấn đề Thông qua việc phân tích tình hình nghiên cứu kỹ thuật định tuyến đảm bảo QoT định tuyến cân tải trên, tác giả nhận thấy rằng, công trình nghiên cứu cơng bố định tuyến đảm bảo QoT không xem xét đến vấn đề cân tải lưu lượng Ngược lại, vấn đề QoT lộ trình truyền liệu khơng xem xét cơng trình nghiên cứu định tuyến cân tải Vì vậy, vấn đề đặt cần có kết hợp hài hịa định tuyến cân tải định tuyến đảm bảo QoT nhằm nâng cao hiệu mạng MANET Đặc biệt hệ thống mạng MANET có vùng diện tích rộng, mật độ nút cao, sử dụng kênh có băng thơng lớn Vì vậy, đề tài luận án này, tác giả tập trung nghiên cứu kỹ thuật định tuyến cân tải, đồng thời đảm bảo QoT lộ trình truyền liệu nhằm nâng cao hiệu mạng MANET Mục tiêu nghiên cứu Từ việc phân tích tính cấp thiết đề tài trên, tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu đề tài tập trung phân tích, đánh giá QoT lộ trình truyền liệu ảnh hưởng đến hiệu mạng MANET theo thuật toán định tuyến khác Trên sở đó, đề xuất thuật toán định tuyến cải tiến nhằm cân tải lưu lượng, đồng thời đảm bảo QoT lộ trình truyền liệu, nâng cao hiệu mạng MANET Mục tiêu cụ thể hóa sau: (i) Phân tích, đánh giá QoT lộ trình truyền liệu ảnh hưởng đến hiệu mạng MANET theo giao thức định tuyến khác nhau, tập trung vào lớp giao thức định tuyến theo yêu cầu định tuyến cân tải (ii) Đề xuất thuật toán định tuyến cải tiến giao thức DSR AODV sử dụng kỹ thuật định tuyến cân tải đảm bảo chất lượng truyền dẫn, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng vật lý, nâng cao hiệu mạng MANET Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài luận án tập trung vào thuật toán định tuyến cân tải định tuyến đảm bảo QoT lộ trình truyền liệu Trong mạng MANET, có nhiều nhóm giao thức định tuyến khác nhau, nhóm giao thức định tuyến theo yêu cầu nghiên cứu sử dụng rỗng rãi thời gian gần Đây nhóm giao thức có nhiều ưu điểm mặt hiệu năng, vấn đề điều khiển quản lý Vì vậy, phạm vi nghiên cứu đề tài tập trung vào nhóm giao thức định tuyến Cụ thể giao thức DSR, AODV giao thức định tuyến cân tải cải tiến từ hai giao thức Nội dung phương pháp nghiên cứu * Nội dung nghiên cứu: Để đạt mục tiêu nghiên cứu đề trên, tác giả xác định nội dung nghiên cứu đề tài luận án tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu kỹ thuật định tuyến cân tải ràng buộc QoT mạng MANET, cụ thể sau: (i) Xây dựng phát triển điều kiện ràng buộc QoT theo thuật toán định tuyến khác mạng MANET Cụ thể thuật tốn DSR AODV (ii) Phân tích, đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng vật lý đến hiệu mạng MANET giao thức định tuyến DSR, AODV định tuyến cân tải (iii) Đề xuất thuật toán định tuyến cải tiến giao thức DSR AODV, nhằm cân tải lưu lượng toàn mạng, đồng thời đảm bảo QoT lộ trình truyền liệu, nâng cao hiệu mạng MANET * Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp sử dụng xuyên suốt trình học tập, nghiên cứu thực luận án nghiên cứu lý thuyết, phân tích mơ hình tốn học thống kê kỹ thuật mô - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tiến hành nghiên cứu, khảo sát, tổng hợp, đánh giá cơng trình nghiên cứu liên quan ngồi nước để phân tích vấn đề chưa giải quyết, vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu theo hướng đề tài Từ đó, lựa chọn nội dung, vấn đề nghiên cứu, đề xuất giải Hệ thống hóa vấn đề cần thực hiện, đề xuất mơ hình tốn, đưa vấn đề để phân tích, đánh giá thực - Phân tích mơ hình tốn học: Sử dụng lý thuyết hàng đợi, lý thuyết xác suất thống kê để xây dựng mơ hình giải tích tham số hiệu mạng MANET Hàng đợi áp dụng luận án M/M/1/K [19] kết hợp với lý thuyết xác suất thống kê để xây dựng mơ hình tính tốn xác suất chặn gói liệu lộ trình, thời gian trễ từ nguồn đến đích Mơ hình tốn học sử dụng để phân tích tham số QoT lộ trình truyền liệu tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR), tỷ lệ bit lỗi (BER) Ngoài ra, lý thuyết quy hoạch tuyến tính quy hoạch phi tuyến sử dụng để mơ hình hóa thuật tốn định tuyến đề xuất - Phương pháp mơ phỏng: Xây dựng mơ hình mơ thuật tốn định tuyến mạng MANET phần mềm mơ mạng OMNeT++ [10] Mơ hình mơ sử dụng cho việc đánh giá hiệu thực thi thuật toán định tuyến mạng MANET, cho trường hợp có khơng có ràng buộc ảnh hưởng hiệu ứng vật lý thuật toán định tuyến đề xuất Các kết nghiên cứu cần đạt Với mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu trên, luận án cần đạt kết sau đây: (i) Phân tích, đánh giá được ảnh hưởng QoT đến hiệu mạng MANET theo giao thức định tuyến khác nhau, tập trung vào lớp giao thức định tuyến theo yêu cầu cân tải (ii) Đề xuất thuật toán định tuyến cân tải đảm bảo chất lượng truyền dẫn, nâng cao hiệu mạng MANET trường hợp mạng có vùng diện tích rộng, mật độ nút cao, sử dụng kênh có băng thơng lớn Bố cục luận án Với kết nghiên cứu thực hiện, luận án trình bày bố cục bao gồm phần mở đầu, chương nội dung phần kết luận, hướng phát triển đề tài Cụ thể sau: Phần mở đầu: Tập trung phân tích tính cấp thiết đề tài nghiên cứu, từ xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu phương pháp nghiên cứu đề tài luận án Chương 1: Tổng quan MANET yếu tố ảnh hưởng đến hiệu mạng Nội dung chương trình bày vấn đề mạng MANET yếu tố ảnh hưởng đến hiệu mạng, kỹ thuật định tuyến mạng MANET sâu phân tích Tác giả tập trung phân tích kỹ tình hình nghiên cứu nước giới liên quan đến kỹ thuật định tuyến mạng MANET Đánh giá kết mà nhà nghiên cứu nước giới đạt được, vấn đề tồn cần phải tiếp tục nghiên cứu Phần cuối chương trình bày đóng góp luận án Chương 2: Đánh giá chất lượng truyền dẫn mạng MANET sử dụng giao thức định tuyến theo yêu cầu cân tải Nội dung chương trình bày kết nghiên cứu hiệu ứng xảy lớp vật lý mà ảnh hưởng lớn đến hiệu mạng MANET, bao gồm: suy giảm cơng suất tín hiệu, tỷ lệ tín hiệu nhiễu tỷ lệ lỗi bit Từ đó, đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng đến hiệu mạng sử dụng giao thức định tuyến khác nhau, tập trung vào giao thức định tuyến theo yêu cầu cân tải Các kết nghiên cứu chương sở để thiết lập điều kiện ràng buộc chất lượng truyền dẫn, việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp với mơ hình mạng cụ thể Đồng thời, làm sở cho việc đề xuất thuật toán định tuyến cân tài đảm bảo chất lượng truyền dẫn chương Chương 3: Định tuyến cân tải đảm bảo chất lượng truyền dẫn dựa tải lưu lượng qua lộ trình Nội dung chương trình bày nguyên lý thuật toán định tuyến cân tải đảm bảo QoT dựa tải lưu lượng qua lộ trình, đề xuất cho mạng MANET nhằm giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng vật lý, đồng thời cân tải lưu lượng tất kết nối, nâng cao hiệu mạng MANET Chương 4: Định tuyến cân tải đảm bảo chất lượng truyền dẫn dựa thông tin định tuyến nút nguồn Nội dung chương trình bày thuật tốn định tuyến cải tiến đề xuất cho mạng MANET sử dụng kỹ thuật cân tải dựa thông tin định tuyến nút nguồn, đồng thời đảm bảo QoT lộ trình chọn Kết luận hướng phát triển đề tài luận án: Phân tích kết đóng góp luận án, đồng thời đề vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, giải tương lai Các phần Phụ lục: Phụ lục A trình bày chi tiết số liệu tính tốn cho ví dụ minh họa Luận án Phụ lục B trình bày mã nguồn số mơ đun phần mềm mơ tác giả triển khai OMNeT++ suốt trình nghiên cứu, thực luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MANET VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG MẠNG Định tuyến chức thiếu kỹ thuật điều khiển lưu lượng mạng viễn thông Nhờ định tuyến mà gói liệu truyền thành cơng từ nguồn đến đích thỏa mãn u cầu đặt Để thấy rõ sở xác định mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu đề tài luận án, nội dung chương tập trung phân tích kỹ thuật định tuyến mạng MANET Phần 1.1 trình bày vấn đề mạng MANET Phần 1.2 trình bày kỹ thuật định tuyến mạng MANET Phần 1.3 phân tích tình hình nghiên cứu nước giới liên quan đến kỹ thuật định tuyến mạng MANET Đánh giá kết mà nhà nghiên cứu nước giới đạt được, vấn đề tồn cần phải tiếp tục nghiên cứu Phần 1.4 trình bày đóng góp luận án Cuối kết luận chương, trình bày Phần 1.5 1.1 Những vấn đề mạng MANET 1.1.1 Nguyên lý Nhu cầu ứng dụng hệ thống mạng không dây ngày tăng cao, đặc biệt thời đại internet vạn vật (Internet of Things - IoT) Hiện nay, có bốn mơ hình mạng không dây nhiều nhà nghiên cứu quan tâm, mạng tùy biến di động (MANET), mạng cảm biến không dây (wireless sensor networks WSN), mạng khơng dây hình lưới (wireless mesh networks - WMN) [48, 69] mạng không dây hỗn hợp (hybrid wireless networks) [72] Trong đó, mơ hình mạng MANET ngày ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, quân sự, y tế, giáo dục, giao thông, hàng không, vận tải tàu biển, nghiên cứu thám hiểm [66] Đặc trưng mạng MANET nút giao tiếp ngang hàng với qua môi trường truyền thơng khơng dây, khơng có trung tâm điều khiển Mỗi nút mạng hoạt động vừa máy chủ, vừa thiết bị đầu cuối, đồng thời thực vai trò thiết bị chuyển mạch, định tuyến Tô-pô mạng biến đổi thường xuyên theo di chuyển nút Vì vậy, bảng định tuyến nút phải cập nhật thường xuyên để đáp ứng nhu cầu truyền liệu tất nút mạng Hình 3.1 cho ta thấy ví dụ việc cập nhật lại tơ-pơ bảng định tuyến mạng MANET Giả sử thời điểm tại, tơ-pơ mạng Hình 3.1a, dựa thông tin lưu trữ bảng định tuyến nút, lộ trình từ A đến G xác định A → B → D → G Sau khoảng thời gian, nút G di chuyển đến vị trí mới, tơ-pơ mạng bảng định tuyến nút cập nhật lại Hình 3.1b Lúc này, lộ trình từ A đến G chuyển hướng thành A → C → E → F → G Des Next HC G D Des Next HC G G Des Next HC G B B D A G (a) C F E Des Next HC G C B A D (b) G C Des Next HC G E E Des Next HC G F F Des Next HC G G Hình 1.1 Một ví dụ cấu hình lại tơ-pơ bảng định tuyến mạng MANET 1.1.2 Đặc điểm Từ nguyên lý mạng MANET, thấy đặc điểm sau: Một là, mạng MANET khơng có kết cấu hạ tầng cố định: Mạng MANET tạo thành nút di động có hỗ trợ giao diện kết nối khơng dây Khi nút nằm vùng phủ sóng kết nối khơng dây nút hình thành mà khơng phụ thuộc vào kết cấu hạ tầng cố định Đặc điểm cho phép mạng MANET hình thành cách dễ dàng nơi đâu Đây ưu điểm bật mạng MANET so với mơ hình mạng khơng dây khác Hai là, mạng MANET hoạt động theo nguyên lý mạng ngang hàng: Với mạng MANET, khơng có nút trung tâm hay hệ thống server để điều khiển hoạt động toàn mạng Vì vậy, nút mạng MANET, ngồi chức gửi nhận liệu, nút phải thực chức để điều khiển trình truyền liệu, bao gồm chức chuyển mạch, định tuyến, xử lý báo hiệu, xử lý tắc nghẽn xử lý lỗi Ba là, tô-pô mạng bảng định tuyến nút không cố định: Trong trường hợp nút di chuyển, số kết nối nút bị hủy bỏ vùng phủ sóng khơng cịn đảm bảo Trong đó, số kết nối khác hình thành nút nằm vùng phủ sóng Kết tô-pô mạng thay đổi theo di chuyển nút Khi tô-pô mạng thay đổi, bảng định tuyến nút mạng phải cập nhật lại để đảm bảo việc truyền liệu mạng thơng suốt Bốn là, phạm vi phủ sóng băng thông phụ thuộc vào công nghệ WLAN: Mạng MANET sử dụng chuẩn IEEE 802.11 để thiết lập giao diện kết nối [25, 40] Do đó, vùng phủ sóng băng thông kênh phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật chuẩn Ví dụ, với chuẩn IEEE 802.11ac [20], chuẩn truyền thông không dây nay, vùng phủ sóng tối đa 100 m, tốc độ liệu lên đến 1.73 Gbit/s Năm là, lượng nút mạng hạn chế: Các nút mạng MANET sử dụng nguồn nuôi pin, nên tham gia vào mạng chúng bị hạn chế lượng Thời gian tồn nút phụ thuộc vào mức tiêu thụ lượng việc trì 10 [60] S Mallapur and S R Patil, “Route Stability Based on Demand Multipath Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networls,” in Prceedings of Interational Conference on Communication and Signal Processing, (India), pp 1859–1863, April 2014 [61] S G and R A., “Efficient and Secure Routing Protocol for Wireless Sensor Networks through SNR Based Dynamic Clustering Mechanisms,” Journal of Communications and networks, vol 15, no 4, pp 422–429, 2013 [62] S Khurana, S Kumar, and D Sharma, “Performance Evaluation of Congestion Control in MANETs using AODV, DSR and ZRP Protocols,” International Journals of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, vol 7, no 6, pp 398–403, 2017 [63] S B Ch., K G Rao, B B Rao, and K Chandan, “An Analytical Model for Evaluating Routing Performance of AODV Protocol for MANETs with Finite Buffer Capacity,” International Journal of Applied Engineering Research, vol 10, no 17, pp 37960– 37972, 2015 [64] S Kaur and M Kumar, “Review on Load Balancing in Mobile Ad-hoc Networks,” International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, vol 5, no 4, p 5, 2018 [65] S Khan, A.-S K Pathan, and N A Alrajeh, Wireless Sensor Networks - Current Status and Future Trends CRC Press, 2012 [66] S K Sarkar, T G Basavaraju, and C Puttamadappa, Ad Hoc Mobile Wireless Networks - Principles, Protocols, and Applications Taylor & Francis Group, LLC, 2008 [67] V Kalaiyarasi and M Tamilarasi, “Survey of load balancing routing protocols in MANET,” International Journal of communication and computer Technologies, vol 3, no 2, pp 58–62, 2015 [68] W Ji-Lu, “Research on survivability evaluation of ad hoc network connectivity,” in Proceedings of the 2nd International Conference On Systems Engineering and Nlodeling (ICSEM-13), pp 1092–1099, Atlantis Press, Paris, France, 2013 [69] Y Peng, X Gong, L Guo, and D Kong, “A Survivability Routing Mechanism in SDN Enabled Wireless Mesh Networks: Design and Evaluation,” China Communications, vol 17, no 7, pp 32–38, 2016 [70] Y Tashtoush, O Darwish, and M Hayajneh, “Fibonacci sequence based multipath load balancing approach for mobile ad hoc networks,” Ad Hoc Networks, vol 16, pp 237– 246, 2014 139 [71] Y M Tashtoush and O A Darwish, “A Novel Multipath Load Balancing Approach Using Fibonacci Series for Mobile Ad Hoc Networks,” International Journal of Computer Theory and Engineering, vol 4, no 2, pp 220–225, 2012 [72] Y Zhang, J Luo, and H Hu, Wireless Mesh Networking - Architectures, Protocols and Standards Taylor & Francis Group, LLC, 2007 140 PHỤ LỤC A TÍNH TỐN CHI TIẾT VÍ DỤ MINH HỌA NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THUẬT TOÁN LBRQT Trong phụ lục này, tác giả trình bày chi tiết việc tính tốn để thu số liệu Bảng 3.1, 3.2, 3.3 3.4 ví dụ khám phá lộ trình theo thuật tốn LBRQT, trình bày Phần 3.4 Theo giả thiết trình bày Phần 3.4, tô-pô mạng sử dụng Hình A.1, đó, giá trị ghi đầu kết nối không dây tương ứng với mật độ lưu lượng SNR kết nối thời điểm xét Ví dụ, với kết nối từ nút đến nút 2, tải lưu lượng phân phối đến kết nối 0.72, SNR 30 dB Xét trường Q2 = {3, 6} Q2 = {7, 9} 27 0.61 30 Q1 = {2, 3, 4} 0.92 0.51 0.72 32 0.63 30 0.72 0.69 28 0.63 0.62 29 Q3 = {2, 5, 7} 31 0.63 32 27 0.52 28 Q7 = {6} 0.65 29 Q4 = {5} 0.61 32 0.69 0.70 0.67 31 Q5 = {4, 8} 30 Q5 = {9} Gói RREQ tiếp tục quảng bá Gói RREQ bị loại bỏ Gửi phản hồi gói RREP Hình A.1 Một ví dụ khám phá lộ trình sử dụng thuật toán định tuyến LBRQT Nút xử lý RREQ (I) Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj(h) (dB)  sj(h) (s) B (h ) Nút láng giềng I (nút J) P1 30.00 29.00 31.00 0.00043627 0.00043621 0.00043616 hợp nút muốn khám phá lộ trình đến nút để truyền liệu Giả sử thời điểm tại, nhớ tạm tất nút rỗng, tham số kỹ thuật hệ thống mạng giả lập sau: • Hệ thống mạng sử dụng chuẩn 802.11g với băng thông kênh 20 MHz, tương ứng với tốc độ liệu 54 Mbit/s • SNR yêu cầu tối thiểu (βreq ) 23.5 dB • Thời gian trễ từ nguồn đến đích cho phép (τth ) 0.01s • Kích thước hàng đợi nút 20 gói • Kích thước gói liệu trung bình 1472 bytes Quy trình khám phá lộ trình từ nút đến nút sử dụng thuật toán định tuyến LBRQT (với nguyên lý hoạt động Hình 3.9) thực theo bước sau: - Bước 1: Nút (nút nguồn) tạo quảng bá gói RREQ: Để khởi đầu q trình khám phá lộ trình, nút tạo gói RREQ Trước phát quảng bá gói RREQ, SA nút dự đoán độ đo SNR, EED BPD đến nút láng giềng để xác định tập Q1 , tập nút láng giềng nút thỏa mãn điều kiện ràng buộc QoT EED Các độ đo SNR, EED BPD SA nút dự đoán theo bước Thuật toán 3.1 sau: (r) (r) + Bước 1.1: Đọc thông tin QoT EED từ nút S đến nút I (βsi τsi ) lưu trữ gói RREQ (Bước Thuật toán 3.1): S nút nguồn (nút 1), I (r) (r) nút xét Hiện nút xét nút nguồn, nên giá trị β11 τ11 giá (r) (r) trị khởi tạo ban đầu để đưa vào gói RREQ β11 = +∞ τ11 = + Bước 1.2: Khởi tạo giá trị ban đầu rỗng cho tập Q1 : Qi = 0/ (Bước Thuật toán 3.1) + Bước 1.3: Dự đoán độ đo QoT, EED BPD từ nút nguồn (nút 1) đến nút I láng giềng nút xét (hiện nút 1) , độ đo bao gồm: (r) (r) (r) (β1i ), (τ1i ) (B1i ) Công việc thực vòng lặp For (từ bước đến bước 18 thuật tốn 3.1) P2 Theo tơ-pơ Hình A.1, nút có nút láng giềng 2, Xét nút láng (r) (r) (r) giềng nút 1, nút Việc dự đoán độ đo (β12 ), (τ12 ) (B12 ) thực sau: (h) • Bước 1.3.1: Thu thập thông tin SNR từ đến (β12 ) lớp vật lý (Bước Thuật toán 3.1): Theo trạng thái mạng tơ-pơ Hình A.1, SA nút thua thập thơng tin SNR từ đến sau: (h) β12 = 30 (dB) (A.1) (h) • Bước 1.3.2: Dự đốn thời gian trễ bước truyền từ nút đến nút (τ12 ) (Bước Thuật toán 3.1) Theo phương trình (3.8) ta có: (h) (1) (1) (12) τ12 = τ p + τq + τt (1) (12) Như lập luận Phần 3.2.2, τ p τr (12) + τr (A.2) đủ nhỏ nên bỏ qua Do vậy, phương trình (A.2) trở thành: (h) (12) (1) τ12 = τq + τt (A.3) Theo phương trình (3.9) ta có: (1) τq = L (h) + λ12 (1 − B12 ) đó, L xác định theo phương trình (3.10)  L + 1) ρ12 (Lρ12 ρ12    − 1−ρ L+1 − ρ12 12 L=  L(L − 1)    2(L + 1) µ12 (A.4) ρ12 6= (A.5) ngược lại Theo giả thiết thiết lập tơ-pơ mạng Hình A.1, thời điểm tại, ρ12 = 0.72, kích thước hàng đợi nút L = 20 gói Do vậy, thay ρ12 L vào (A.5) ta có: L= 0.72 0.72 × (20 × 0.7220 + 1) − = 1.8305 − 0.72 − 0.7220+1 (h) Theo phương trình (3.4) ta xác định B12 sau: P3 (A.6)  L ρ12 )   ρ12 (1 −L+1 ρ12 6= (h) − ρ12 B12 =   ρ12 = L+1 0.7220 (1 − 0.72) = − 0.7220+1 = 0.000392868 (A.7) (A.8) (A.9) Theo giả thiết ví dụ, kích thước gói liệu trung bình 1472 bytes, tốc độ liệu m kênh l 54 Mbit/s, ú: 54 ì 106 à12 = = 4585.5978 (gói/giây) 1472 (A.10) Mặt khác ta có: ρ12 = 12 12 = 12 ì à12 à12 (A.11) = 0.72 × 4585.5978 (A.12) = 3301.630435 (gói/giây) (A.13) Thay (A.6), (A.7), (A.10) (A.11) vào (A.4) ta có: (1) τq = = L (h) λ12 (1 − B12 ) + à12 (A.14) 1.830497 + 3301.630435 ì (1 − 0.00039287) 4585.5978 = 0.000772714 (s) (A.15) (A.16) Thay (A.14) vào (A.3) ta có: (h) (1) (12) τ12 = τq + τt = 0.000772714 + (A.17) 1472 × 54 × 106 = 0.000990788 (s) (A.18) (A.19) (r) • Bước 1.3.3: Xác định thời gian trễ (EED) lộ trình từ nút đến nút (τ12 ) P4 (Bước Thuật tốn 3.1) Ta có: (r) (r) (h) τ12 = τ11 + τ12 (A.20) = + 0.000990788 = 0.000990788 (s) (A.21) (r) • Bước 1.3.4: Xác định SNR lộ trình từ nút đến nút (τ12 ) (Bước đến 11 Thuật toán 3.1) Vì nguyên lý chuyển tiếp liệu nút mạng AF, nên theo phương trình xác định SNR lộ trình (Phương trình (2.19) Chương 2) ta có:  1 −1 (r) β12 = + (A.22) (r) (h) β11 β12 Vì phương trình (A.22) sử dụng cho giá trị tuyến tính Vì vậy, giá trị thành phần (A.22) cần phải đổi sang giá trị tuyến tính trước tính tốn Đổi (r) β12 sang giá trị tuyến tính ta được: (h) β12 = 10 (h) β12 (dB) 10 30 = 10 10 = 1000 (A.23)  1 −1 = + = 1000 +∞ 1000 (A.24) Thay (A.23) vào (A.22) ta có: (r) β12 (r) Đổi giá trị β12 sang dB ta có: (r) (r) β12 (dB) = 10 ∗ log10 (β12 ) = 10 ∗ log10 (1000) = 30 (dB) (A.25) • Bước 1.3.5: Xác định điều kiện ràng buộc QoT, EED dự đoán xác (r) suất chặn gói liệu lộ trình từ nút đến nút (B12 ) (Bước 12 đến 17 Thuật tốn 3.1) Từ (A.22) (A.20) ta có:   β (r) ≥ βreq 30 ≥ 23.5 12 ⇔ τ (r) ≤ τ 0.000990788 ≤ 0.01 th 12 (A.26) Từ (A.26) ta thấy điều kiện ràng buộc QoT EED thỏa mãn Do vậy, nút đưa vào tập Q1 Để có sở lựa chọn lộ trình cân tải, SA tiếp tục dự (r) đốn xác suất chặn gói liệu lộ trình từ nút đến nút (B12 ) Theo (3.7) ta có: (r) (r) (h) B12 = − (1 − B11 )(1 − B12 ) = − (1 − 0)(1 − 0.000392868) = 0.000392868 P5 (A.27) (A.28) Từ (A.20), (A.25) (A.27) ta có độ đo QoT, EED BPD mà SA nút xác định nút là:  (r)   β12 = 30   (r) τ12 = 0.000990788    B(r) = 0.000392868 (A.29) 12 Lặp lại bước từ 1.1 đến 1.3 nút láng giềng lại nút 1, (nút nút 3), ta xác định độ đo QoT, EED BPD từ nút đến nút sau:  (r)   β13 = 29   (r) τ13 = 0.0009189274    B(r) = 0.0001855764 (A.30)  (r)   β = 31   14 (r) τ14 = 0.0007916460    B(r) = 0.0000267693 (A.31) 13 14 Từ kết thu (A.29), (A.30) (A.31) ta có kết dự đoán độ đo SNR, EED BPD nút láng giềng nút Bảng A.1 Ta thấy rằng, giá trị SNR EED từ nút đến nút 2, 3, thỏa mãn điều kiện ràng buộc QoT EED (βs j > βreq τs j < τth , s = 1, j = 2, 3, 4), nên tập Q1 = {2, 3, 4} Sau xác định tập Q1 , nút phát quảng bá gói RREQ đến tất nút thuộc tập này, cụ thể nút 2, Bảng A.1 Kết dự đoán SNR, EED BPD nút SA Bước 1: Các nút Nút xử lý phía trước RREQ (I) - Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj(h) (dB)  sj(h) (s) B sj(h ) Tập Q1 P6 Nút láng giềng I (nút J) 30.00 29.00 31.00 0.00099079 0.00091893 0.00079165 0.00039287  0.00018558  0.00002677  - Bước 2: Các nút nhận gói RREQ bước tiếp tục xử lý gói RREQ: Các nút nhận gói RREQ bước bao gồm nút 2, tiếp tục xử lý gói RREQ SA nút dự đoán độ đo SNR, EED BPD theo Thuật toán 3.1 Cụ thể, SA nút dự đoán SNR, EED BPD từ nút đến tất nút láng giềng Xét nút láng giềng nút 2, nút 3, việc dự đoán độ đo SNR, EED BPD từ nút đến nút thực sau: (r) (r) + Bước 2.1: Đọc thông tin QoT EED từ nút S đến nút I (βsi , τsi (r) Bsi ) lưu trữ gói RREQ (Bước Thuật tốn 3.1) S nút nguồn (nút 1), I nút Kết đọc từ gói RREQ là:  (r)   β12 = 30   (r) τ12 = 0.000990788    B(r) = 0.000392868 (A.32) 12 + Bước 2.2: Khởi tạo giá trị ban đầu rỗng cho tập Q2 : Q2 = 0/ (Bước Thuật toán 3.1) + Bước 2.3: Dự đoán độ đo QoT, EED BPD từ nút nguồn (nút 1) đến nút J láng giềng nút xét (hiện nút 2) , độ đo bao gồm: (r) (r) (r) (β1 j ), (τ1 j ) (B1 j ) Công việc thực vòng lặp For (từ bước đến bước 18 thuật tốn 3.1) Theo tơ-pơ Hình A.1, nút có nút láng giềng Xét nút láng giềng (r) (r) (r) nút 2, nút Việc dự đoán độ đo (β13 ), (τ13 ) (B13 ) thực sau: (h) • Bước 2.3.1: Thu thập thông tin SNR từ đến (β23 ) lớp vật lý (Bước Thuật toán 3.1): Theo trạng thái mạng tơ-pơ Hình A.1, SA nút thua thập thông tin SNR từ đến sau: (h) β23 = 32 (dB) (A.33) (h) • Bước 2.3.2: Dự đốn thời gian trễ bước truyền từ nút đến nút (τ23 ) (Bước Thuật toán 3.1) Theo phương trình (3.8) ta có: (h) (2) (2) (23) τ23 = τ p + τq + τt P7 (23) + τr (A.34) (2) (23) Như lập luận Phần 3.2.2, τ p τr đủ nhỏ nên bỏ qua Do vậy, phương trình (A.2) trở thành: (h) (2) (23) τ23 = τq + τt (A.35) Theo phương trình (3.9) ta có: (2) τq = L (h) λ23 (1 − B23 ) + đó, L xác định theo phương trình (3.10)  L + 1) ρ23 (Lρ23 ρ23    − 1−ρ L+1 − ρ23 23 L=  L(L − 1)    2(L + 1) µ23 (A.36) ρ23 6= (A.37) ngược lại Theo giả thiết thiết lập tơ-pơ mạng Hình A.1, thời điểm tại, ρ23 = 0.61, kích thước hàng đợi nút L = 20 gói Do vậy, thay ρ23 L vào (A.37) ta có: 0.61 0.61 × (20 × 0.6120 + 1) = 0.9535 L= − − 0.61 − 0.6120+1 (A.38) (h) Theo phương trình (3.4) ta xác định B23 sau:  L ρ23 )   ρ23 (1 −L+1 ρ23 6= (h) − ρ B23 = 23   ρ23 = L+1 0.6120 (1 − 0.61) = − 0.6120+1 = 0.0000198461 (A.39) (A.40) (A.41) Theo giả thiết ví dụ, kích thước gói liệu trung bình 1472 bytes, tốc độ liệu m kênh 54 Mbit/s, ú: à23 = 54 ì 106 = 4585.5978 (gói/giây) 1472 (A.42) Mặt khác ta có: ρ23 = 23 23 = 23 ì à23 à23 (A.43) = 0.61 × 4585.5978 (A.44) = 2797.21467 (gói/giây) (A.45) P8 Thay (A.38), (A.39), (A.42) (A.43) vào (A.36) ta có: L (2) τq = = + (h) λ23 (1 − B23 ) à23 (A.46) 0.9535 + 2797.21467 ì (1 − 0.0000198461) 4585.5978 = 0.0005589423 (s) (A.47) (A.48) Thay (A.46) vào (A.35) ta có: (h) (2) (23) τ23 = τq + τt (A.49) = 0.0005589423 + 1472 × 54 × 106 (A.50) = 0.0007770164 (s) (A.51) (r) • Bước 2.3.3: Xác định thời gian trễ (EED) lộ trình từ nút đến nút (τ13 ) (Bước Thuật tốn 3.1) Ta có: (r) (r) (h) τ13 = τ12 + τ23 (A.52) = 0.000990788 + 0.0007770164 = 0.0017678044 (s) (A.53) (r) • Bước 2.3.4: Xác định SNR lộ trình từ nút đến nút (τ13 ) (Bước đến 11 Thuật tốn 3.1) Vì nguyên lý chuyển tiếp liệu nút mạng AF, nên theo phương trình xác định SNR lộ trình (Phương trình (2.19) Chương 2) ta có:  1 −1 (r) + (h) (A.54) β13 = (r) β12 β23 Vì phương trình (A.54) sử dụng cho giá trị tuyến tính Vì vậy, giá trị thành phần (A.54) cần phải đổi sang giá trị tuyến tính trước tính tốn Theo (r) (h) (A.25) (A.33) ta có β12 = 30 dB β23 = 32 dB Đổi giá trị sang giá trị tuyến tính ta được: (r) β12 (h) β23 = 10 = 10 (h) β12 (dB) 10 (h) β23 (dB) 10 30 = 10 10 = 1000 32 = 10 10 = 1584.893 P9 (A.55) (A.56) Thay (A.55) (A.56) vào (A.54) ta có: (r) β13  −1 = = 613.137 + 1000 1584.893 (A.57) (r) Đổi giá trị β13 sang dB ta có: (r) (r) β12 (dB) = 10 ∗ log10 (β12 ) = 10 ∗ log10 (613.137) = 27.876 (dB) (A.58) • Bước 2.3.5: Xác định điều kiện ràng buộc QoT, EED dự đốn xác (r) suất chặn gói liệu lộ trình từ nút đến nút (B13 ) (Bước 12 đến 17 Thuật toán 3.1) Từ (A.58) (A.52) ta có:   β (r) ≥ βreq 27.876 ≥ 23.5 13 ⇔ τ (r) ≤ τ 0.0017678044 ≤ 0.01 th 13 (A.59) Từ (A.59) ta thấy điều kiện ràng buộc QoT EED thỏa mãn Do vậy, nút đưa vào tập Q2 Để có sở lựa chọn lộ trình cân tải, SA tiếp tục dự đoán (r) xác suất chặn gói liệu lộ trình từ nút đến nút (B13 ) Theo (3.7) ta có: (r) (r) (h) B13 = − (1 − B12 )(1 − B23 ) (A.60) = − (1 − 0.000392868)(1 − 0.0000198461) = 0.0004127063 (A.61) Từ (A.52), (A.58) (A.60) ta có độ đo QoT, EED BPD mà SA nút xác định nút là:  (r)   β13 = 27.876   (r) τ13 = 0.0017678044    B(r) = 0.0004127063 (A.62) 13 Lặp lại bước từ 2.1 đến 2.3 nút láng giềng lại nút 2, (nút 6), ta xác định độ đo QoT, EED BPD từ nút đến nút sau:  (r)   β16 = 25.236   (r) (A.63) τ16 = 0.0029203967    B(r) = 0.0186521816 16 P10 Lặp lại bước cho nút láng giềng lại nút (nút nút 4) Kết dự đoán Bảng A.2 Từ kết này, SA nút 2, 3, xác định tập nút láng giềng thỏa mãn điều kiện ràng buộc QoT EED tương ứng là: Q2 = {3, 6}, Q2 = {2, 5, 7} Q4 = {5} Các nút 2, tiếp tục quảng bá gói RREQ đến nút tập Q j tương ứng Bảng A.2 Kết dự đốn SNR, EED BPD nút nhận gói RREQ bước (a) Các nút phía trước Nút xử lý RREQ (I) Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj( h) (dB)  sj( h) (s) B sj( h ) Tập Q2 (b) Các nút phía trước Nút xử lý RREQ (I) Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj( h) (dB)  sj( h) (s) B sj( h ) Tập Q3 (c) Các nút phía trước Nút xử lý RREQ (I) Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj( h) (dB)  sj( h) (s) B sj( h ) Tập Q4 Nút láng giềng I (nút J) 27.88 25.24 0.00176780 0.00292039 0.00041271  0.01865218  Nút láng giềng I (nút J) 27.24 25.99 24.88 0.00172597 0.00175928 0.00172597 0.00022147  0.00024901  0.00022147  Nút láng giềng I (nút J) 28.46 0.00156866 0.00004662  - Bước 3: Các nút nhận gói RREQ bước tiếp tục xử lý gói RREQ: Các nút nhận gói RREQ bước bao gồm: (i) nút 3, nhận từ nút 2, (ii) nút 2, 5, nhận từ nút (iii) nút nhận từ nút Khi nút nhận gói RREQ từ nút 2, gói RREQ bị hủy bỏ nút nhận gói RREQ trước từ nút (ở bước 1), tương tự cho nút khác Các nút tiếp tục xử lý gói RREQ bước bao gồm 5, Kết dự đoán độ đo SNR, EED BPD Bảng A.3 Với kết này, trường hợp nút dự đoán SNR từ nút nguồn (nút 1) đến nút (Bảng A.3c), giá trị dự đốn 23.15 dB Giá trị khơng thỏa mãn điều kiện ràng buộc QoT, nhỏ SNR yêu cầu tối thiểu 23.5 dB Vì vậy, nút không đưa vào tập Q7 , nút láng giềng nút Từ kết này, SA nút 5, 6, xác định tập nút láng giềng thỏa P11 mãn điều kiện ràng buộc QoT EED tương ứng là: Q5 = {4, 8}, Q6 = {7, 9} Q7 = {6} Các nút 5, tiếp tục quảng bá gói RREQ đến nút tập Q j tương ứng Bảng A.3 BướcKết 3: dự đốn SNR, EED BPD nút nhận gói RREQ bước (a) Các nút phía trước Nút xử lý RREQ (I) 13 Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj( h) (dB)  sj( h) (s) B sj( h ) Tập Q5 (b) Các nút phía trước Nút xử lý RREQ (I) 12 Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj( h) (dB)  sj( h) (s) B sj( h ) Tập Q6 Các nút phía trước Nút xử lý RREQ (I) 13 (c) Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj( h) (dB)  sj( h) (s) B sj( h ) Tập Q7 Nút láng giềng I (nút J) 25.01 24.80 0.00270078 0.00263673 0.00048846  0.00035866  Nút láng giềng I (nút J) 23.98 23.71 0.00358350 0.00372743 0.01865286  0.01868741  Nút láng giềng I (nút J) 23.71 23.15 0.00271675 0.00239835 0.00061425  0.00022247 X - Bước 4: Các nút nhận gói RREQ bước tiếp tục xử lý gói RREQ: Bước 4: Các nút nhận gói RREQ bước bao gồm: (i) nút 4, nhận từ nút Nút láng giềng I7.(nút J) Nút xửđược lý Cácnút độ đo đến nút nhận 5, (ii) cácCác nútnút7, nhận từ từ vàS(iii) từ nút Trong đó, phía trước RREQ (I) láng giềng I (J) gói RREQ nhận nút 4,sj(h)6(dB) bị loại 23.65bỏ, trước nút ( h) nhận gói RREQ 8này Chỉ lại nút và0.00174477 tiếp tục xử lý gói RREQ sj (s) 13 5 B sj( h ) Tại nút 8, gói RREQ tiếp tục xử lý tương0.00054417 tự như nút Kết dự đoán Tập Q độ đo SNR, EED BPD Bảng A.4 Tập Q8 xác định là: Q8 = {9} Tại nút 9, nhận gói RREQ từ nút từ nút 6, nút đích, nên nút tạo gói RREP gửi phản hồi nút Kết lộ trình tìm thấy: → → → - Bước 5: Các nút nhận gói RREQ bước tiếp tục xử lý gói RREQ: P12 Bảng A.4 Kết dự đốn SNR, EED BPD nút nhận gói RREQ bước Các nút phía trước Nút xử lý RREQ (I) 13 5 Các độ đo từ S đến láng giềng I (J)  sj( h) (dB)  sj( h) (s) Nút láng giềng I (nút J) 23.65 0.00355565 B sj( h ) 0.00054417  Tập Q8 Tại bước này, lại nút nhận gói RREQ từ nút Vì nút đích, nên nút tạo gói RREP gửi phản hồi nút Kết lộ trình thứ tìm thấy: → → → → - Bước 6: Xử lý gói RREP nút nguồn: Qua q trình phát quảng bá gói RREQ, nút nguồn nhận gói phản hồi RREP, tương ứng với lộ trình thỏa mãn điều kiện ràng buộc QoT EED tìm thấy → → → → → → → Dựa kết dự đốn BPD SA q trình khám phá lộ trình, BPD lộ trình → → → 0.01868741 (kết Bảng A.3b), BPD lộ trình → → → → 0.00054417 (kết Bảng A.4) Như vậy, theo nguyên lý giải pháp định tuyến LBQT-R, lộ trình có giá trị BPD nhỏ chọn, → → → → Bằng việc chọn lộ trình → → → → 9, thuật toán định tuyến LBRQT tránh bước truyền có tải lưu lượng lớn (các bước truyền → → tô-pô Hình A.1) Kết qủa cho thấy rằng, giải pháp định tuyến LBQT-R tìm lộ trình thỏa mãn điều kiện ràng buộc QoT EED, đồng thời cân tải lưu lượng kết nối P13