CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS

Đề tài : CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, nghiên cứu sinh sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) giữa lớp MAC và lớp định tuyến. Tiếp cận phân tích hiệu năng bằng 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. Vì vậy,nghiên cứu này phát triển một mô hình giải tích mới phản ánh chất lượng liên kết và sử dụng như một thành phần dự báo chất lượng liên kết kết hợp với thành phần đo chủ động sẵn có của giao thức OLSR để đề xuất một tham số định tuyến mới, cải thiện được các thông số hiệu năng WMN.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG HOÀNG TRỌ MINH 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: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - 1/2014 Công trình hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Quốc Bình 2. PGS. TS. Nguyễn Tiến Ban Phản biện 1: GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Doãn Phước Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Linh Trung Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 9.00 giờ ngày 04 tháng 4 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) được 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. Bên cạnh các ưu điểm về cấu hình và ứng dụng, chính cơ chế truyền thông đa bước không dây và các yêu cầu cung cấp chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) đã cho thấy một số thách thức mà WMN cần phải vượt qua về mặt hiệu năng mạng. Trong đó, ảnh hưởng của hiện tượng tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lượng liên kết là một trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu năng. Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, nghiên cứu sinh sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) giữa lớp MAC và lớp định tuyến. Tiếp cận phân tích hiệu năng bằng 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. Vì vậy,nghiên cứu này phát triển một mô hình giải tích mới phản ánh chất lượng liên kết và sử dụng như một thành phần dự báo chất lượng liên kết kết hợp với thành phần đo chủ động sẵn có của giao thức OLSR để đề xuất một tham số định tuyến mới, cải thiện được các thông số hiệu năng WMN. 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, nghiên cứu này đề xuất một tham số định tuyến mới và được tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR nhằm cải thiện các thông số hiệu năng chính của mạng cụ thể 2 như: thông lượng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Tính đúng đắn và hiệu quả của đề xuất được xác định qua các phân tích lý thuyết, phân tích số và mô phỏng. Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt được mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã nêu ở trên, nhiệm vụ nghiên cứu được nghiên cứu sinh tập trung vào các vấn đề sau: Các đặc tính cơ bản ảnh hưởng tới hiệu năng mạng WMN; mô hình giải tích biểu diễn cơ chế hoạt động của IEEE 802.11 DCF; Đề xuất một tham số định tuyến mới cải thiện hiệu năng WMN. 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 như lý thuyết xác suất, chuỗi Markov, các phương pháp tính để xác minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết. Công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc được 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 của luận án sẽ được trình bày trong các chương, mục theo cấu trúc sau: Chương 1: Khái quát các vấn đề liên quan tới hiệu năng mạng hình lưới không dây Chương 2: Bài toán mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phương tiện trong điều kiện bão hòa Chương 3: Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lượng liên kết Chương 4: Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây Hà nội, tháng 1 năm 2014 3 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 Giải pháp mạng kết nối hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) đã được hình thành như một giải pháp then chốt cho mạng truy nhập không dây băng rộng với vùng phủ rộng [61], [63], [69]. Dưới góc độ ứng dụng công nghệ, WMN được phát triển mạnh mẽ nhờ một số ưu điểm chính như sau: triển khai nhanh, khắc phục hiện tương che tầm nhìn thẳng, công nghệ truyền thông tầm ngắn, truyền thông đa đường và hỗ trợ nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến. Vì vậy, công nghệ WMN có nhiều ưu điểm nổi trội và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. 1.1.1 Kiến trúc mạng hình lƣới không dây Công nghệ truyền dẫn nền tảng cho WMN được xây dựng trên các chuẩn công nghiệp thông dụng của Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE như: IEEE 802.11 [45], IEEE 802.15 [44] và IEEE 802.16 [46]. WMN thực hiện truyền thông đa chặng không dây giữa các thiết bị đầu cuối di 4 động thông qua các thiết bị định tuyến bố trí tĩnh theo hình lưới. Mạng hình lưới không dây được tổ chức theo các kiểu kiến trúc như: WMN phẳng, WMN phân cấp và WMN lai ghép tùy theo từng kịch bản ứng dụng. 1.1.2 Một số ứng dụng điển hình Nhờ vào các ưu điểm về mặt cấu hình và công nghệ ứng dụng cho mạng WMN, một số các ứng dụng điển hình của WMN thể hiện sự bổ sung thiết yếu cho các công nghệ hiện thời như: mạng truy nhập băng rộng, mạng cộng đồng, mạng công sở, mạng vùng nhỏ, mạng giao thông và mạng cảm biến. 1.2 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ 1.2.1 Khái quát về chất lƣợng dịch vụ Mục này chỉ ra các vấn đề cốt lõi của vấn đề cung cấp, đảm bảo QoS dưới khía cạnh chung. Đồng thời chỉ ra mục tiêu cung cấp và đảm bảo QoS trong WMN luôn gắn liền với mục tiêu tối ưu tài nguyên mạng và là mục tiêu cấp thiết của các nhà nghiên cứu và khai thác mạng [17], [49]. 1.2.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp trong WMN Cấu trúc mạng hình lưới không dây đã đem tới một số vấn đề đặc thù khiến kiến trúc phân lớp không hoạt động hiệu quả. Mặt khác biến thời gian điều hành khác biệt trên từng lớp đã dẫn tới mô hình kiến trúc phân lớp không đạt được điểm tối ưu hiệu năng tổng thể của mạng WMN, việc cung cấp QoS trong WMN phụ thuộc vào tham số động của mạng và môi trường điều khiển phân tán. Vì vậy, hướng tiếp cận xuyên lớp là 5 không tránh khỏi để gắn kết sự tối ưu điều khiển giữa các lớp nhằm cung cấp QoS và tối ưu hiệu năng mạng [56]. 1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS 1.3.1 Kỹ thuật định tuyến Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tài nguyên mạng, và tối thiểu hoá giá thành mạng. Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật định tuyến được tóm tắt theo ba khía cạnh: thủ tục trao đổi và cập nhật thông tin, thuật toán tính toán đường dẫn và tham số định tuyến. 1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS Kỹ thuật định tuyến QoS được coi là bài toán có các quyết định tìm đường tối ưu thỏa mãn các điều kiện ràng buộc. Thông qua bài toán chung đặt ra cho kỹ thuật định tuyến QoS, các phân tích chỉ ra là rất khó tìm ra một lời giải cho trường hợp nhiều điều kiện ràng buộc như WMN. Vì vậy, cách tiếp cận khả thi để giải bài toán định tuyến QoS là sử dụng tham số tổ hợp gồm các thành phần mang tính lõm với tính cộng hoặc tính nhân hoặc sử dụng lời giải kinh nghiệm (heuristic) để giảm thiểu độ phức tạp tính toán. 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM Một trong số các chuẩn công nghệ phổ biến nhất được ứng dụng rộng rãi cho WMN là họ chuẩn IEEE 802.11. Tuy nhiên, họ chuẩn IEEE 802.11 được thiết kế cho các truy nhập đơn chặng không dây thay vì cho truyền thông đa chặng không dây. Nhằm sáng tỏ cách tiếp cận luận án, 6 vấn đề hiệu năng và các giải pháp cải thiện của các nghiên cứu trước trong lĩnh vực này sẽ được trình bày vắn tắt. 1.4.1 Hiệu năng và các tham số phản ánh Hiệu năng mạng, thước đo năng lực của mạng trong hoạt động điều hành, không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của mạng mà còn phụ thuộc rất lớn vào các ứng dụng triển khai trên đó. Để đánh giá hiệu năng, các nghiên cứu sử dụng các tiêu chí hiệu năng mạng cụ thể như: thông lượng, trễ từ đầu cuối tới đầu cuối hoặc tỷ lệ tổn thất gói tin. 1.4.2 Các tiếp cận cải thiện hiệu năng Nhằm sáng tỏ cách tiếp cận học thuật của nghiên cứu, mục này khảo sát và đánh giá các nghiên cứu trước trên thế giới và tại Việt nam dưới góc độ sử dụng các công cụ toán học lý thuyết đồ thị, quy hoạch tuyến tính và mô hình giải tích Trong đó, mô hình giải tích là tiếp cận mô hình hóa có khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính toán không cao. Tuy nhiên, mô hình giải tích tập trung chính vào mục tiêu đánh giá và phân tích hiệu năng và đặc biệt là độ chính xác của mô hình phụ thuộc trực tiếp vào các giả thiết. Vì vậy, hướng tiếp cận này hoàn toàn phù hợp cho mục tiêu đánh giá chất lượng liên kết dưới các tác động của nhiễu liên luồng khi các thông số vật lý thực tiễn được phản ánh vào mô hình. Để nâng cao tính chính xác và phù hợp với mục tiêu của đề tài nghiên cứu, mô hình giải tích mới được xây dựng với các điều kiện bổ sung mới như lưu lượng mạng không bão hòa và kênh không lý tưởng. Đó là cơ sở để xây dựng thành phần tham số định tuyến phản ánh nhiễu, cung cấp thông tin chất lượng liên kết tới lớp định tuyến nhằm cải thiện hiệu năng mạng. 7 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Nội dung của chương 1 đã thể hiện khái quát cấu trúc, ứng dụng của WMN nhằm nổi bật các đặc tính riêng biệt của đối tượng cần quan tâm nghiên cứu. Sự khác biệt về cấu trúc chức năng của mạng truyền thông không dây với mạng hữu tuyến truyền thống cho thấy tiếp cận xuyên lớp là hướng đi tất yếu cho bài toán cung cấp chất lượng dịch vụ của WMN. CHƢƠNG 2: BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP PHƢƠNG TIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN BÃO HÒA Tóm tắt: Hiệu năng hoạt động của giao thức điều khiển truy nhập phương tiện luôn là tiêu điểm nghiên cứu do sự ảnh hưởng trực tiếp của nó tới năng lực kênh truyền dẫn. Mô hình hóa các giao thức điều khiển truy nhập bằng mô hình giải tích là công cụ phổ biến của các nghiên cứu nhằm phân tích và đánh giá hiệu năng lớp liên kết dữ liệu. Điều kiện lưu lượng mạng bão hòa là điều kiện mấu chốt để xác định giá trị thông lượng tối đa của liên kết. Chương này khái quát các giải pháp mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập đã đề xuất của các tác giả trước, từ đó đưa ra điều kiện bổ sung nhằm hoàn thiện mô hình giải tích cho thủ tục đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột CSMA/CA trong điều kiện bão hòa. 2.1 MỞ ĐẦU Cơ chế hoạt động và hiện tượng xung đột tại lớp MAC được coi là nguyên nhân chính gây suy giảm hiệu năng các phiên truyền dẫn [13], 8 [54], [82]. Đặc biệt, với cơ chế đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA trong mạng đa chặng, hiệu quả sử dụng kênh tiếp tục suy giảm do sự ảnh hưởng của nhiễu do chính các truyền dẫn đồng thời trong mạng gây ra. Các mục dưới đây trình bày và đánh giá thông lượng liên kết của các cơ chế điều khiển truy nhập điển hình của các tác giả trước và từ đó đưa ra các bổ sung cần thiết nhằm hoàn thiện mô hình giải tích cho giao thức CSMA/CA trong điều kiện lưu lượng mạng bão hòa. 2.2 CÁC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP PHƢƠNG TIỆN 2.2.1 Giao thức truy nhập kênh ALOHA Giao thức truy nhập ngẫu nhiên đầu tiên được sử dụng cho các mạng máy tính có tên gọi là ALOHA [2]. Cơ chế hoạt động của giao thức ALOHA được coi là đơn giản nhất trong các cơ chế đa truy nhập. 2.2.2 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang 1-persistent CSMA 1-persistent CSMA chỉ ra xác suất chiếm khe thời gian chắc chắn để truyền dẫn (bằng 1) sau khi cảm nhận kênh rỗi. CSMA có thể sử dụng cơ chế phân khe hoặc không phân khe thời gian để xác định cách thức tranh chấp tài nguyên. Hiệu năng hoạt động của các biến thể 1-persistent CSMA được tóm tắt trong mục này. 2.2.3 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang p-persistent CSMA Giao thức 1-CSMA được coi là trường hợp đặc biệt của giao thức p- persistent CSMA. Trong giao thức p-CSMA, một nút phát thực hiện truyền dẫn với xác suất 1p  khi cảm nhận được kênh rỗi. Hoạt động [...]... lượng mạng 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với mục tiêu cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS, luận án đã tiếp cận trực tiếp tới bài toán xây dựng một tham số định tuyến cung cấp chất lượng dịch vụ trong mạng hình lưới không dây dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.11 Tham số định tuyến đề xuất có cấu trúc lai ghép nhằm khai thác điểm mạnh của phương pháp dự đoán trên cơ sở mô hình. .. sẽ được phản ánh thông qua một tham số định tuyến phục vụ cho mục tiêu nâng cao hiệu năng mạng trong chương tiếp theo CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN QOS CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY Tóm tắt: Sự phổ biến của các ứng dụng đa phương tiện hiện nay đã dẫn tới sự thay thế các kỹ thuật định tuyến truyền thống bằng các kỹ thuật định tuyến cung cấp QoS nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao... tham số định tuyến được đề xuất gần đây nhằm phân tích các ưu nhược điểm và các vấn đề mở cần giải quyết 4.2.1 Giao thức định tuyến Thuộc vào lớp mạng truyền thông đa bước không dây, phần lớn các giao thức định tuyến trong WMN được kế thừa từ giao thức định tuyến trong mạng tùy biến không dây (Ad-hoc) Các giao thức định tuyến được phân thành: giao thức định tuyến theo yêu cầu, giao thức định tuyến theo... thác mạng, vấn đề hiệu năng mạng luôn là một mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu và triển khai Vì vậy, nội dung chương này sẽ trình bày một tham số định tuyến QoS mới dựa trên mô hình giải tích trong chương trước nhằm cải thiện một số tham số hiệu năng cơ bản của mạng hình lưới không dây Các phân tích lý thuyết và kết quả mô phỏng số sẽ được trình bày chi tiết để góp phần khẳng định khả năng. .. mức cải thiện hiệu năng WMN của tham số định tuyến QoS đề xuất 4.1 MỞ ĐẦU Vấn đề cung cấp chất lượng dịch vụ QoS được đặt ra như một điều kiện then chốt nhằm đảm bảo sự phát triển thành công của WMN trong các môi trường ứng dụng đa phương tiện hiện nay Để cung cấp QoS cho 17 các ứng dụng, các kỹ thuật định tuyến trong WMN hiện nay không sử dụng định tuyến từng chặng mà thay vào đó là các kỹ thuật định. .. tham số định tuyến QoS mới cho mạng hình lưới không dây Tính hợp lý của đề xuất đã được trình bày trong các phân tích lý thuyết Tham số định tuyến IARM được tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR và được mô phỏng bằng công cụ NS-2 để đánh giá ưu điểm của tham số đề xuất Các kết quả mô phỏng cho thấy OLSR-IARM có được mức cải thiện hiệu năng đáng kể so với OLSR nguyên gốc trên các khía cạnh hiệu năng như... trong mô hình giải tích biểu diễn trạng thái hoạt động của nút trong điều kiện lưu lượng mạng bão hòa của các tác giả trước, xác định xác suất tranh chấp thắng qua một mệnh đề toán học đề xuất 25 2 Đề xuất tham số định tuyến cung cấp QoS cải thiện hiệu năng mạng hình lƣới không dây Dựa trên mô hình giải tích đề xuất và kiểm chứng bằng phương pháp phân tích số, luận án đề xuất một tham số định tuyến phản... thuật định tuyến dựa trên chất lượng liên kết [60] Nghiên cứu sinh đề xuất một tham số định tuyến QoS mới và chứng minh khả năng cải thiện hiệu năng mạng WMN thông qua các tham số cụ thể như: thông lượng, độ trễ trung bình của gói tin, tỷ lệ tổn thất gói tin và tỷ lệ tổn thất gói tin ứng dụng 4.2 ĐỊNH TUYẾN TRONG WMN Mục này tóm tắt các đặc điểm chính của các giao thức định tuyến điển hình trong mạng WMN... Giải pháp kết hợp thành phần tham số cho phép cải thiện độ chính xác của bài toán xác định chất lượng liên kết không dây và không gia tăng độ phức tạp tính toán khi tận dụng thủ tục sẵn có của giao thức định tuyến OLSR Tham số định tuyến IARM đã được chứng minh tính tương thích khi kết hợp với giao thức định tuyến OLSR và cho thấy các kết quả cải thiện hiệu năng trên các khía cạnh như trễ trung bình,... với tham số định 20 tuyến IARM theo mô hình tổ chức thông tin xuyên lớp Dựa trên bộ công cụ và mã nguồn mở sử dụng để cải thiện giao thức OLSR trong NS-2, các nội dung sửa đổi và tính toán phù hợp với tham số định tuyến IARM đề xuất được trình bày trong hình 4.3 Khai báo, định dạng tham số mới (i) Gửi và nhận bản tin định tuyến (ii) Cập nhật thông tin định tuyến Tính toán tuyến (iv) (iii) Hình 4.3: Các . tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây Hà nội, tháng 1 năm 2014 3 CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY Tóm. 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: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT . thông qua một tham số định tuyến phục vụ cho mục tiêu nâng cao hiệu năng mạng trong chương tiếp theo. CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN QOS CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY