Tối ưu hóa quá trình quản lý vị trí thuê bao trong mạng di động thế hệ sau potx

Tối ưu hóa quá trình quản lý vị trí thuê bao trong mạng di động thế hệ sau An Optimal Solution to Location Management in Next Generation Wireless Networks Đinh Văn Dũng Abstract: The next generation wireless networks vision requires efficient handoff management schemes that support mobile users with seemless migration between mobile networks while providing high bit rate services. This paper proposes a Markov decision based model to location management optimization problems. The proposed optimal location management solution can be applied to the IP based or ATM based next generation wireless networks. In this paper, DMIP which is an application of the proposed model to Cellular IP- a micromobility proposal to IETF is also described. Finaly, it presents a performance analysis of the DMIP solution compared to the existing proposals such as Cellular IP, Hawaii, and HMIP. The evaluation has been archieved under NetSim- xG environment (x-Generation wireless Network Simulator). I. GIỚI THIỆU Mạng thông tin di động thế hệ sau với công nghệ ATM và IP là bước đột phá từ thế hệ di động 2G và 3G. Xu thế phát triển này đã đặt ra yêu cầu cho giới nghiên cứu là cần tìm ra phương pháp quản lý di động đáp ứng được nhu cầu của thuê bao với tốc độ di chuyển khác nhau, mạng có kích cỡ tế bào khác nhau và dịch vụ băng rộng. Trong những năm qua, nhiều trung tâm nghiên cứu và trường đại học đã đưa ra các phương pháp quản lý di động trong mạng ATM [1][5]. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào đề xuất các phương pháp quản lý di động trong mạng cục bộ nhằm hỗ trợ các dịch vụ phi kết nối [2]. Có thể điểm qua một số kết quả nổi bật như: Cellular IP, Hawaii và HMIP [3][7]. Các tổ chức tiêu chuẩn và dự án mạng di động thế hệ sau nh ư ITU-T, IETF, 3GPP và 3GPP2 đang chờ đợi các đề xuất quản lý di động hữu hiệu nhằm đáp ứng yêu cầu cao của mạng thế hệ sau: tích hợp công nghệ và dịch vụ đa dạng. Có thể phân loại các giao thức quản lý di động trong mạng IP thành 2 nhóm: quản lý di động diện rộng (Macro-mobility) và quản lý di động cục bộ (Micro-mobility). Năm 1996, phiên bản tiêu chuẩn RFC.2002 được IETF đưa ra có tên là Mobile-IP nhằm giải quyết v ấn đề quản lý di động thuê bao Internet trong diện rộng. Sau đó là đề xuất nhằm khắc phục nhược điểm không tối ưu của tuyến kết nối khi thuê bao chuyển vùng [1]. Nếu như lúc khởi điểm các nghiên cứu dành cho IPv4 thì sau này phiên bản IPv6 đã được hỗ trợ tối đa chức năng quản lý di động. Có thể phân loại các nghiên cứu về quản lý di động cục bộ (Micro-mobility) thành các nhóm con sau: − Phân cấp (Hierarchical Mobility) − Phân cấp kiểu Tunneling (Hierarchical Tunneling) − Quản lý di động tại tầng IP (Mobile-Specific Routing) Quản lý di động theo nguyên tắc phân cấp xử lý sự di động một cách cục bộ và độc lập với hệ thống mà thuê bao đăng ký HA (Home Agent) nhằm giảm ảnh hưởng của sự di động lên chất lượng dịch vụ. Vì vậy địa chỉ IP của thuê bao di động (MT) không còn phản ánh vị trí vật lý của nó. Thay vào đó, HA chỉ cần biết địa chỉ IP của bộ định tuyến gốc (Gateway) của các trạm gốc – vùng mà thuê bao đang di chuyển. Mạng không cần phải thông báo về vị trí của thuê bao với HA khi thuê bao đang di chuyển. Giao thức quản lý di động bảo đảm các gói tin gửi tới MT qua bộ định tuyến gốc được chuyển tới trạm gốc mà MT đang kết nối vào. Để có thể định tuyến như vậy, giao thức cần duy trì một cơ sở dữ liệu cục bộ giúp cho việc ánh xạ từ địa ch ỉ IP sang “địa chỉ IP cục bộ” trong mạng mà MT đang kết nối. Có thể phân loại tiếp 2 kiểu quản lý di động có cấu trúc quản lý theo nguyên tắc phân cấp này là: phân cấp kiểu Tunneling và quản lý di động tại tầng IP. Kết quả đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan đến quản lý vị trí thuê bao cho thấy vấn đề ra quyết định thực hiện cập nhật vị trí thuê bao di động vẫn chư a giải quyết được. Nói cách khác, còn thiếu những nghiên cứu nhằm đưa ra mô hình giải tích làm tiền đề cho các bài toán tối ưu về quản lý di động. Trong bối cảnh như vậy, tác giả đã chọn mục tiêu nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu quá trình quản lý di động cho mạng thế hệ sau và tìm lời giải. Bài báo được trình bày theo 7 phần. Phần đầu đưa ra tính cấp thiết của đề tài nghiên cứ u và phương pháp tiếp cận để giải quyết vấn đề. Phần 2-6 là những kết quả đã đạt được, bao gồm mô hình ra quyết định Markov, hệ phương trình tối ưu, thuật toán để giải, giải pháp DMIP và kết quả mô phỏng. Cuối cùng, phần Kết luận đưa ra phân tích các kết quả đã đạt được và hướng nghiên cứu tiếp. II. MÔ HÌNH CẬP NHẬT VỊ TRÍ THUÊ BAO Gọi thờ i điểm MT bắt đầu xử lý việc cập nhật vị trí thuê bao là: σ 0 σ 1 σ 2 , Tại các thời điểm này, thuê bao có thể cập nhật lại vị trí hiện thời của mình trong mạng ATM, hay cập nhật bảng định tuyến trong mạng IP di động. Gía trị σ 0 =0 nghĩa là σ 0 là thời điểm kết thúc cuộc gọi. Gọi thời điểm bắt đầu cuộc gọi tiếp là biến ngẫu nhiên T. Biến ngẫu nhiên d(T) biểu diễn thời điểm ra quyết định cuối cùng của MT, trước khi cuộc gọi tiếp được thiết lập vào thời điểm T. Gọi tập A={Y,N} là quyết định của thuê bao di độ ng. Ở đây, Y ký hiệu trạng thái thuê bao ra quyết định và N là trạng thái bỏ qua. Biểu diễn hành động của MT vào thời điểm n bằng biến ngẫu nhiên a n . Kiểu hành động mà MT chọn (ra quyết định) phụ thuộc vào vị trí thuê bao so với vị trí ra quyết định trước. Ta biểu diễn trạng thái này qua tập S. Trạng thái vị trí s ∈ S chứa các thông tin như: khoảng cách tới vị trí ra quyết định lần trước, khoảng cách tới vùng giáp ranh giữa hai tế bào, số tế bào vô tuyến đã đi qua, v.v Ta có thể biểu diễn quá trình quản lý vị trí thuê bao theo 2 mô hình: quá trình liên tục (mạng ra quyết định tại bất kỳ thời điểm nào) và quá trình rời rạc (giả thiết quá trình ra quyết định và xử lý chỉ xẩy ra tại các thời đ iểm rời rạc σ n ). Đối với quá trình rời rạc, ta biểu diễn trạng thái thuê bao tại thời điểm ra quyết định n qua biến ngẫu nhiên ; khoảng thời gian giữa hai thời điểm ra quyết định σ n s n và σ n+1 được ký hiệu qua τ n+1 . Đối với quá trình liên tục, ta biểu diễn trạng thái thuê bao tại thời điểm ra quyết định t qua biến ngẫu nhiên s t . Trên thực tế, thuê bao ở trạng thái sau đó mới chuyển sang s n s t . Hàm c(s,a) biểu diễn chi phí báo hiệu khi thuê bao ra quyết định a ở trạng thái s. Quy tắc miêu tả quá trình mạng lựa chọn phương pháp quản lý vị trí thuê bao thích ứng tại các thời điểm ra quyết định. Gọi quy tắc là hàm a t . Hàm này biểu thị quyết định cập nhật vị trí thuê bao tại thời điểm t và thuê bao đang ở trạng thái s. Gọi phương án là chuỗi các quy tắc π =( , , ). Ký hiệu 1 a 2 a Π là tập các phương án. Đặt là chi phí báo hiệu để thuê bao cập nhật vị trí khi MT ở trạng thái và có quyết định . Đặt là chi phí mạng tìm vị trí hiện tại của thuê bao trước khi sử dụng dịch vụ (thiết lập cuộc gọi cho dịch vụ có kết nối hoặc truy nhập dịch vụ phi kết nối). Gọi là chi phí quản lý vị trí thuê bao trung bình (LM-Location Management) để MT sử dụng phương án π ở trạng thái s để cập nhật vị trí thuê bao giữa hai lần sử dụng dịch vụ kề nhau (chi phí quản lý vị trí trong thời gian thuê bao rỗi). Có thể biểu diễn giá trị này như ở công thức (1). ),( nnu asc n s n a )( )(Tdp sc )(sC LM π ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ += ∑ = )(),()( )( )( 0 Tdp Td n nnusLM scascEsC ππ (1) Biểu thức (1) thể hiện sự thoả hiệp giữa chi phí cập nhật vị trí thuê bao (sử dụng kênh vô tuyến, kênh mạng cố định, cập nhật cơ sở dữ liệu tại các nút mạng, v.v ) và chi phí tìm kiếm vị trí thuê bao trong cơ sở dữ liệu tại các nút mạng. Nếu thường xuyên cập nhật vị trí thuê bao thì sử dụng nhiều tài nguyên khan hiếm của mạng (như kênh vô tuyến) song chi phí tìm kiếm giảm và ngược lại. )( )(Tdp sc Triển khai (1), tác giả đã tìm thấy như ở công thức sau: )(sC LM π )(sC LM π = (2) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ∑ ∞ = − 0 ),( n nnLMs asceE n µσ π ở đây: ),( nnLM asc = (3) )()1(),( 1 npnnu sceasc n+ − −+ µτ Như vậy chính là chi phí để quản lý vị trí thuê bao di động trong khoảng thời gian từ σ ),( nnLM asc n đến σ n+1 , cho biết thuê bao ra quyết định a n khi ở trạng thái s n . Biểu thức (2) là chi phí quản lý vị trí thuê bao di động trung bình của quá trình ra quyết định Markov với tốc độ 1/ µ và thời gian vô hạn. III. HỆ PHƯƠNG TRÌNH TỐI ƯU Gọi π opt là phương án điều khiển tối ưu thuộc tập . π Π opt là phương án tối ưu, nếu như: )(sC opt LM π ≤ với mọi π∈Π )(sC LM π Một phương án điều khiển được gọi là dừng nếu như các quy tắc điều khiển đều giống nhau tại bất kỳ thời điểm nào, hay a t =a với mọi t. Phương án điều khiển có tính dừng có thể biểu diễn dưới dạng: =(a, a, ). Mục tiêu là tìm ra phương án điều khiển tĩnh tối ưu để tổng chi phí quản lý vị trí thuê bao là bé nhất. 0 π )( 0 sC LM π Sử dụng (2) để xây dựng phương trình tối ưu dạng Bellman. Gọi là tổng chi phí quản lý vị trí thuê bao khi MT đang ở trạng thái s. Ta viết hệ phương trình tối ưu như sau: )(sC LM )(sC LM = (4) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ∑ ∞ = − 0 ),(min n nnLMs asceE n µσ π Như vậy, hàm mục tiêu là tổng chi phí để quản lý vị trí thuê bao. Khi thiết kế các giao thức quản lý di động, người ta đã xét đến các tiêu chí tối ưu về chất lượng dịch vụ cũng như một số chỉ tiêu liên quan đến chất lượng của quá trình chuyển vùng, vì vậy trong bài toán tối ưu quá trình quản lý vị trí thuê bao này, ta không xét đến các ràng buộc kèm theo. IV. THUẬT TOÁN Có nhiều phương pháp để giải bài toán tối ưu (4) nh ư: quy trình lặp theo giá trị hàm, quy trình lặp theo giá trị phương án và quy hoạch tuyến tính [4]. Tuy nhiên phương pháp quy trình lặp theo giá trị hàm thường được sử dụng để giải bài toán tối ưu quá trình ra quyết định Markov. Áp dụng quy trình này để xây dựng thuật toán giải bài toán tối ưu hoá quản lý vị trí thuê bao. Có thể mô tả thuật toán tìm được như sau: 1. Gán =0 cho mỗi trạng thái của thuê bao di động s∈S. Đặt ε>0 và n=0. )( 0 sC LM 2. Với mỗi trạng thái của thuê bao di động s∈S, tính : )( 1 sC n LM + )( 1 sC n LM + = ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ∑ ∞ = − 0 ),(min n nnLMs asceE n µσ π Ở đây = ),( nnLM asc )()1(),( 1 npnnu sceasc n+ − −+ µτ 3. Nếu ε <− + )()( 1 sCsC n LM n LM , thực hiện bước 4. Nếu không thoả mãn điều kiện này, tăng n lên 1 và quay lại bước 2. 4. Với mỗi trạng của thuê bao di động s∈S, tính phương án tối ưu π opt . V. GIẢI PHÁP QUẢN LÝ VỊ TRÍ THUÊ BAO DMIP Các đề xuất quản lý di động như Cellular IP (CIP), Hawaii và HMIP đã khắc phục nhược điểm của Mobile IP là gửi thông tin quản lý di động về HA khi MT di chuyển trong mạng cục bộ nơi không đăng ký thuê bao [2][7]. Hơn nữa, CIP đưa ra hai dạng cơ sở dữ liệu: Routing Cache (RC) và Paging Cache (PC). RC dùng để cập nhật vị trí thuê bao nhằm định tuyến các gói tin đến đúng trạm gốc mà thuê bao đang kết nối khi thuê bao đang sử dụng dịch vụ (Active). Trong trường hợp thuê bao không sử dụng dịch vụ (Idle), thông tin cập nhật vị trí thuê bao sẽ ít thường xuyên hơ n RC và được ghi vào PC. Đây là giải pháp nhằm tiết kiệm tài nguyên mạng khi quản lý vị trí thuê bao. Tuy nhiên, CIP đã đưa ra các chu kỳ cập nhật PC và RC cố định trong suốt thời gian thuê bao truy nhập mạng. Điều này dẫn đến sự tiêu phí nguồn tài nguyên mạng không cần thiết khi thuê bao di chuyển. Nhằm khắc phục nhược điểm của các giao thức quản lý di động cục bộ trong đó có Cellular IP, tác giả đề xuất giả i pháp DMIP (Dynamic Mobile IP). Đây là một ứng dụng của giải pháp ra quyết định tối ưu Markov được trình bày ở phần trên để MT chọn thời điểm tối ưu gửi thông tin về vị trí thuê bao. Để xử lý bản chất ngẫu nhiên của mạng di động, DMIP chọn chu kỳ gửi thông tin báo hiệu là động, khi thuê bao không sử dụng dịch vụ. Với mục tiêu là tối thiểu tổng lưu lượng báo hi ệu để xử lý khi thuê di chuyển, ta có được tập quyết định tối ưu (chu kỳ gửi gói tin báo hiệu) cho mọi trạng thái của mạng (ví dụ như khoảng cách từ thuê bao tới vị trí gửi bản tin Paging Update lần trước). Kết quả mô phỏng ở phần sau khẳng định được khả năng của DMIP so với 3 giao thức đã được công bố là: Cellular IP, Hawaii và HMIP. VI. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để đánh giá n ăng lực của các giao thức quản lý di động, ta cần xét tới sự ảnh hưởng của các giao thức này lên các dịch vụ cơ bản của mạng hiện có. Việc đánh giá tập trung vào sự ảnh hưởng của phương pháp quản lý di động lên kết nối TCP, lên tổng lưu lượng mạng do phát sinh báo hiệu và khả năng triển khai dịch vụ trên diện rộng. Đối tượng được đánh giá là 3 giao th ức quản lý di động cục bộ Cellular IP, Hawaii, HMIP của IETF và giao thức được đề xuất DMIP. Công cụ được sử dụng là phần mềm NetSim-xG [6]. 1. Mô hình mô phỏng Mô hình Cellular IP được xây dựng dựa theo bản thảo draft-ietf-mobileip-cellularip-00, được đề xuất lên tổ chức tiêu chuẩn IETF gần đây nhất. Phần mềm có thể hỗ trợ hai chế độ chuyển vùng Hard Handoff và Soft Handoff. Mô hình Hawaii dựa theo bản thảo draft-ietf-mobileip-hawaii-00. Hai phương pháp UNF (Unicast NonFowarding) và MSF (Multiple Stream Fowarding) của đề xuất này cũng được mô hình hoá. Đề xuất HMIP được mô hình hoá theo cấu trúc mạng 2 tầng với các thành phần là GFA (bộ định tuyến gốc) và FA (trạm gốc). Trong mạng di động được mô phỏng, nút R0 là bộ định tuyến ở vị trí gốc của mạng di động hình cây. Các bộ định tuyến R1-5 nằm ở vị trí “lá” của mạng. Các trạm gốc BS1-4 là các điểm truy nhập của thuê bao di động MT. Để tạ o lưu lượng tới thuê bao di động, ta kết nối đầu cuối mạng cố định (CH) vào mạng di động. Trong cấu hình mô phỏng mạng Cellular IP, các trạm gốc BS(i) và bộ định tuyến R(i) đóng vai trò của nút mạng Cellular IP, R0 đóng vai trò nút kết nối ra mạng Internet. Trong mô hình Hawaii, tất cả các nút định tuyến R1-R5, trạm gốc BS1-BS4 đều có chức năng Hawaii, nút định tuyến gốc là R0. Giả thiết nút di động đang ở trong mạng nơ i đăng ký thuê bao, như vậy không cần giao thức Mobile-IP khi CH truyền tin tới MT. Các bộ định tuyến được kết nối qua hệ thống cáp truyền dẫn song công có tốc độ 10Mbit/s. Thuê bao di động truy nhập vào mạng di động theo phương thức CSMA/CA (Carrier Sencse Multiple Access with Collision Avoidance). Các trạm gốc hoạt động ở các dải tần khác nhau. Kết quả mô phỏng có được nhờ việc quan trắc quá trình truyền tin từ CH tới một MT. Nhiều mô hình di động của MT đã được khảo sát. MT lấy dữ liệu từ CH qua kết nối FTP với CH. 2. Ảnh hưởng của di động lên kết nối TCP Phần này khảo sát sự ảnh hưởng của phương pháp điều khiển chuyển vùng lên chất lượng truyền tin của kết nối TCP qua tham số: thứ tự gói tin TCP ở đầu thu là MT. Nếu ta chọn chu kỳ gửi bản tin cập nhật vị trí thuê bao một cách động theo thuật toán nêu ở trên thì thời gian trễ chuyển vùng giảm chỉ còn 1s-1,5s (xem Hình 1). Việc chọn chu kỳ cập nhật bảng định tuyến động theo quá trình ra quyết định Markov đã nâng cấp Cellular-IP thành DMIP và giảm sự ảnh hưởng của phương pháp điều khiển chuyển vùng lên chất lượng dịch vụ. 250 270 290 310 330 350 370 390 4.55.56.57.58.59.510.5 Thêi gian (s) Sè thø tù gãi tin TCP Giao thøc c¶i tiÕn DMIP Giao thøc Cellular IP Hình 1. So sánh hai giao thức Cellular IP và giao thức cải tiến DMIP Quy luật tương tự xẩy ra với giao thức Hawaii. Tuy nhiên, giao thức Hawaii có thời gian trễ chuyển vùng trong khoảng 1-1,5s. Tương tự ta khảo sát giao thức HMIP. Quy luật tác động của quá trình thuê bao chuyển vùng lên số thứ tự gói tin TCP giống hai giao thức trên. Thời gian trễ chuyển vùng khoảng 1,5s. Tóm lại cả ba giao thức Cellular IP, Hawai và HMIP đều có quy luật: rơi gói tin TCP khi thuê bao chuyển vùng (kết nối sang trạm gốc khác). Thời gian trễ chuyển vùng của Hawaii thấp nhất, sau đ ó là HMIP, cuối cùng là Cellular IP. Trong khi đó, giao thức mới DMIP lại cho phép khả năng hồi phục kết nối nhanh hơn Cellular IP nhờ vào giải pháp chọn chu kỳ gửi bản tin Paging Update và Route Update động theo giải pháp tối ưu là nghiệm của phương trình Bellman. 3. Ảnh hưởng lên thông lượng TCP Để xác định sự ảnh hưởng của giao thức quản lý di động lên thông lượng của kết nối TCP của MT với mạng Internet, ta kh ảo sát các kịch bản mô phỏng với các tốc độ chuyển vùng khác nhau của thuê bao di động. Cho tốc độ chuyển vùng từ 0 lần/phút đến 29 lần/phút, ta xác định lưu lượng trung bình theo thời gian hay thông lượng của kết nối TCP giữa CH và MT khi chuyển tải dữ liệu từ CH tới MT bằng dịch vụ FTP. Nếu chỉ là kết nối vô tuyến tới mạng di động (tốc độ chuyển vùng =0), thông lượng kế t nối TCP có thể đạt tới 1Mbit/s. Nếu thuê bao tăng tốc độ tới 5 lần chuyển vùng/phút, tương đương với tốc độ chuyển động là 60 Km/h thì có thể nhận số liệu FTP với tốc độ khoảng 600 Kbit/s. Tuy nhiên thông lượng chỉ còn 200 Kbit/s nếu như tốc độ chuyển vùng của thuê bao trên 25 lần/phút. Nếu xét quan hệ giữa thông lượng kết nối TCP và thời gian, ta sẽ thấy không nhận được gói tin TCP nào trong lúc thuê bao chuyển vùng và chưa thông báo được thông tin trạm gốc mới tới các bộ định tuyến. Phần 2 đã phân tích hiện tượng này qua số thứ tự gói tin TCP mà MT nhận được. Đối với mạng Hawaii và HMIP ta cũng thu được quy luật tương tự như mạng Cellular IP. Nếu so sánh đặc tính thông lượng – tốc độ chuyển vùng của 3 giao thức này với giao thức được đề xuất DMIP, ta sẽ thấy được sự khác nhau về tốc độ bi ến thiên thông lượng kết nối TCP (xem Hình 2). Giải pháp Cellular IP có đặc tuyến thông lượng kết nối TCP giữa MT và CH giảm nhanh hơn Hawaii và HMIP khi thuê bao tăng tốc độ chuyển vùng. Đây chính là điểm hạn chế của Cellular IP, mặc dù giao thức này có tính năng nổi trội hơn hai giao thức kia là phát triển khá đơn giản, chỉ sử dụng các gói tin IP thuần tuý để thực hiện báo hiệu cho quản lý di động. Khi áp dụng giải pháp ra quyết định tố i ưu kiểu Markov để tạo chu kỳ cập nhật vị trí thuê bao vào Cellular IP, ta có giao thức DMIP với tính năng nổi trội hơn về thông lượng. Mặc dù chỉ mới tiếp cận được mức thông lượng của Hawaii hay HMIP khi tốc độ chuyển vùng <20 lần/phút, nhưng đặc tuyến đã đạt mức như của hai giao thức này và có xu thế giảm chậm hơn khi tốc độ chuyển vùng > 25 lần/phút. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 Tèc ®é chuyÓn vïng (Handoff/phót) Th«ng l−îng kÕt nèi TCP (Kbit/s) Cellular IP Hawaii HMIP DMIP Poly. (DMIP) Poly. (Cellular IP) D MIP: tè i −u Cellular IP Cellular IP Hình 2. Thông lượng TCP và tốc độ chuyển vùng Nguyên nhân mà DMIP nổi trội hơn nguyên bản của nó Cellualar IP là vì đã chọn được quyết định tối ưu gửi bản tin Route Update khi thuê bao đang thực hiện cuộc gọi, hay Paging Update khi thuê bao ở chế độ không truy nhập dịch vụ. Cellular sử dụng chu kỳ cập nhật bảng định tuyến cố định: route-update- time=3s hay paging-update-time=3 phút tại bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ trạ ng thái nào của mạng. Trong khi đó, DMIP cho phép thuê bao di động gửi các bản tin báo hiệu trên tuỳ thuộc vào trạng thái của các nút mạng, để cuối cùng giảm thiểu nhất tổng tài nguyên mà mạng cần phải cung cấp khi thuê bao dịch chuyển. 4. Ảnh hưởng lên tỉ lệ mất gói tin Phần này là kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của di động lên tỉ lệ mất gói tin đối với 4 giao thức Cellular IP, Hawaii, HMIP và DMIP. Có 3 loại gói tin được quan trắc: gói TCP, gói phản hồi TCP Ack và gói tin báo hiệu phục vụ quản lý di động. Nếu như sự thất thoát hai loại gói tin đầu ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ sử dụng kết nối TCP thì loại gói tin báo hiệu sẽ ảnh hưởng đến sự phục hồi các cuộc gọi (thoại hoặc phi thoại) khi thuê bao chuyển vùng. 5. Ảnh hưởng lên tỉ lệ mất gói tin TCP Ảnh hưởng c ủa phương pháp quản lý di động lên tỉ lệ mất gói tin TCP được thể hiện ở hình 3. Để có hình 3 các đặc tuyến này, tác giả đã thực hiện mô phỏng các giao thức Cellular IP, Hawaii, HMIP và DMIP với các tốc độ chuyển vùng khác nhau từ 1 đến 29 lần /phút. Các đường liền nét là đặc tuyến theo quy luật hàm mũ e được xây dựng từ số liệu mô phỏng rời rạc. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 5 10 15 2 0 2 5 3 0 Tèc ®é chuyÓn vïng (Handoff/phót) TØ lÖ gãi TCP thÊt tho¸t (%) Cellualar IP Haw aii HMIP DMIP Poly. (Haw aii) Poly. (Cellualar IP) Poly . (HMIP) Poly . (DMIP) Hình 3. Ảnh hưởng lên tỉ lệ mất gói tin TCP Với loại thuê bao có tốc độ chuyển động để có <15 lần chuyển vùng/phút, giao thức Hawaii và HMIP mang lại tỉ lệ thất thoát gói tin TCP thấp hơn Cellular IP và DMIP. Điều này cho thấy khả năng cập nhật bảng định tuyến của hai giao thức này tốt hơn khi thuê bao chuyển vùng. Hơn nữa, hai giao thức này đã sử dụng bản tin báo hiệu riêng chứ không dùng gói IP dữ liệu thông thường để báo hiệu như Cellular IP và DMIP. Tuy nhiên, khi t ốc độ chuyển vùng lớn hơn 20 lần/phút thì xu thế lại ngược lại - Cellular IP và DMIP tốt hơn. Theo kết quả mô phỏng thì DMIP đã khắc phục được nhược điểm của Cellular IP khi tốc độ chuyển vùng <15 lần/phút và duy trì ưu thế của Cellular IP khi tốc độ >20 lần/phút. 6. Ảnh hưởng lên gói báo hiệu và phản hồi Ta so sánh tiếp sự ảnh hưởng của di động lên tỉ lệ thấ t thoát gói tin phản hồi TCP Ack giữa các phương thức quản lý di động (xem Hình 4). Hai giao thức Hawaii và HMIP thực sự mang lại tỉ lệ mất gói tin TCP Ack và báo hiệu thấp hơn nhiều so với Cellular IP, trung bình khoảng 1%. Như vậy hai giao thức này đã có cơ chế bảo vệ gói tin phúc đáp rất tốt. Để khắc phục nhược điểm này của Cellualar IP, DMIP chọn chu kỳ truyền gói tin báo hiệu từ MT theo nguyên tắc thống kê và giả i pháp ra quyết định Markov. DMIP đã làm giảm đáng kể tỉ lệ thất thoát gói tin TCP Ack và báo hiệu, từ 10% thành 1-5% khi tốc độ chuyển vùng tiến tới 30 lần/phút. 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 20 25 30 Tốc độ chuyển vùng (Handoff/phút) Tỉ lệ gói TCP Ack thất thoát (%) Cellular IP Hawaii HMIP DMIP Poly. (Hawaii) Poly. (Cellular IP) Poly. (HMIP) Poly. (DMIP) Hỡnh 4. nh hng lờn t l mt gúi tin TCP Ack Kho sỏt tip t l tht thoỏt cỏc bn tin bỏo hiu (xem Hỡnh 5). Vn l c ch truyn tin, Hawaii v HMIP vt tri Cellular trong vic bo v thụng tin bỏo hiu. cú c kh nng ny, hai giao thc trờn ó s dng ngay tng chuyn ti UDP chuyn thụng tin bỏo hiu trc khi qua tng IP, trong khi Cellular IP úng gúi ngay thụng tin vo gúi IP. Vi c ch gi bn tin bỏo hiu ng, DMIP ó lm gim t l tht thoỏt gúi tin bỏo hi u trung bỡnh l 30% xung cũn 10%. Tuy nhiờn vi c ch truyn tin thng qua gúi IP, cỏc b nh tuyn khụng phõn bit c gúi tin dng bỏo hiu hay khụng, nh vy cỏc nỳt cú quyn xoỏ gúi tin ra khi hng i. Vỡ vy DMIP vn cha mang li c cht lng truyn tin bỏo hiu nh Hawaii hay HMIP. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 Tốc độ chuyển vùng (Handoff/phút) Tỉ lệ gói tin báo hiệu thất thoát (%) Cellular IP Hawaii HMIP DMIP Poly. (Hawaii) Poly. (Cellular IP) Poly. (HMIP) Poly. (DMIP) Hỡnh 5. nh hng lờn t l mt gúi bỏo hiu VII. KT LUN Bi bỏo ó trỡnh by kt qu ti u hoỏ quỏ trỡnh qun lý v trớ thuờ bao trong mng th h sau vi cụng ngh ATM v IP. Vi vic ỏp dng mụ hỡnh ra quyt nh Markov, tỏc gi ó bin i hm mc tiờu v dng chớnh tc ca h phng trỡnh ti u Bellman. Tip ú, tỏc gi trỡnh by thut toỏn vũng lp theo giỏ tr hm cú th ỏp dng vo tớnh toỏn trong thc t. Ngoi ra, tỏc gi ó xu t phng phỏp DMIP nhm ti u kh nng hot ng ca giao thc Cellular IP (CIP) ca IETF. DMIP l h qu ca vic ỏp dng mụ hỡnh gii tớch nhm ti u quỏ trỡnh gi thụng tin cp nht v trớ thuờ bao di ng trong mng CIP. Kt qu mụ phng ó lm rừ kh nng ca gii phỏp ny so vi cỏc gii phỏp khỏc ó c xut lờn IETF. Giao thc Cellular IP hay DMIP cú tớnh nng ni tri hn Hawaii v HMIP v s n gin trong vic ng dng vỡ khụng cn thay i gỡ n cu hỡnh hin cú ca cỏc nỳt mng. Tuy nhiờn, kt qu mụ phng cho thy, giao thc Hawaii v HMIP ni tri hn v kh nng cung cp thụng lng TCP cho u cui vi tc chuyn vựng khỏc nhau. Hn na, hai giao thc ny cũn cú c ch bo v bn tin d liu dch v v bỏo hiu tt hn Cellular IP. Khi quan trc mi quan h gia lu lng bỏo hiu v chu k gi gúi tin bỏo hiu t thuờ bao Cellular IP, ta thy nu chu k bộ thỡ thi gian phc hi kt ni TCP sau khi thuờ bao chuyn kt ni sang trm gc khỏc nhanh hn. Tuy nhiờn s tn nhiu ti nguyờn mng x lý cỏc gúi tin ny. Trong mụi trng khan him kờnh nh truy nhp vụ tuyn thỡ õy l mt hin tng nờn trỏnh. Ngc li, nu gim chu k c p nht v trớ thuờ bao thỡ s nh hng n cht lng dch v vỡ cỏc gúi tin b nh tuyn sai n trm gc c s nhiu hn. Nhm khc phc nhc im ca Cellular IP v gi nguyờn tớnh n gin vn l kh nng ni tri ca nú, tỏc gi ó xut giao thc DMIP. õy l mt ng dng ca gii phỏp ra quy t nh ti u Markov c trỡnh by. x lý bn cht ngu nhiờn ca mng di ng, DMIP chn chu k gi thụng tin bỏo hiu l ng, khi thuờ bao ang s dng hay khụng s dng dch v. Vi mc tiờu l ti thiu tng lu lng bỏo hiu x lý khi thuờ bao di chuyn, ta cú c tp quyt nh ti u (chu k gi gúi tin bỏo hiu) cho mi trng thỏi ca m ng. Tuy nhiờn, vn cũn mt s vn sau cn nghiờn cứu tiếp: − Ứng dụng giải pháp quản lý vị trí thuê bao trong bài báo này cho các giao thức khác − Mở rộng bài toán tối ưu cho các mô hình di chuyển khác nhau của thuê bao và ràng buộc về chất lượng dịch vụ − Ứng dụng mạng Neuron để dự báo hướng chuyển động của thuê bao di động. Cùng với mô hình ra quyết định Markov để phát triển tiếp bài toán tối ưu hoá quản lý di động. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] AKYILDIZ F.I., J.MCNAIR, J. HO, H. UZUNALIOGLU, AND W. WANG, “Mobility Managemment in Next Generation Wireless Systems ,” Proc. IEEE, Vol. 87, No. 8, Aug. 1999, pp. 1347 84. [2] A. T. CAMPBELL ET AL., “IP Micro-Mobility Protocols, “ ACM SIGMOBILE Review. Vol. 4, No.4., pp. 45-54, Oct. 2001. [3] A. T. CAMPBELL ET AL., Comparison of IP Micro- mobility Protocols, IEEE Wireless Communications, pp. 72-82, Feb. 2002. [4] PUTERMAN M. L., Markov Decision Processes: Discrete Stochastic Dynamic Programming. John Wiley & Sons, Inc., 1994. [5] DINH V. D., “Mobility Management in Wireless ATM networks,” Master Thesis, School of Electrical Engineering, University of Technology, Sydney (UTS), Australia, November, 1996. [6] TRAN V. T., DINH V. D. ET AL., “NetSim-ATM: An Open ATM Network Simulation Suite,” it has been accepted for publishing in the Proceeding of the Joint 4 th IEEE International Conference on ATM and High Speed Intelligent Internet (ICATM2001), Apr. 23-25, 2001, Seoul, Korea. [7] DINH V. D., TRAN V. T. ET AL., “Mobile IP Technology and the Future Applications,” Proceeding of the 26 th Asian Info-Communications Conference (AIC-26), Doc. 60, Nov. 6-9, 2001, Hanoi, Vietnam. Ngày nhận bài: 9/12/2002 . SƠ LƯỢC TÁC GIẢ ĐINH VĂN DŨNG Tốt nghiệp kỹ sư Viễn thông khóa 1984-1989 tại Đại học Bưu điện Odessa (Liên Xô cũ). Tốt nghiệp Thạc sỹ Kỹ thuật Viễn thông khóa 1995-1996 tại Đại học Công nghệ Sydney, Australia Từ năm 1990 đến nay làm việc tại Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện. Hiện là nghiên cứu sinh khóa 5, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. H ướng nghiên cứu chính hiện nay: Mobility Management, Networks Performence Analysis, Simulation Optimization, and Network Design. Email: adlien@hn.vnn.vn. . cho các bài toán tối ưu về quản lý di động. Trong bối cảnh như vậy, tác giả đã chọn mục tiêu nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu quá trình quản lý di động cho mạng thế hệ sau và tìm lời giải Tối ưu hóa quá trình quản lý vị trí thuê bao trong mạng di động thế hệ sau An Optimal Solution to Location Management in Next Generation. biểu di n quá trình quản lý vị trí thuê bao theo 2 mô hình: quá trình liên tục (mạng ra quyết định tại bất kỳ thời điểm nào) và quá trình rời rạc (giả thiết quá trình ra quyết định và xử lý