Thiết kế băng thông mạng truyền tải thông tin đo lường khi thử nghiệm và vận hành thiết bị bay không người lái

Mục tiêu của nghiên cứu này là giải quyết bài toán hoạch định băng thông kênh của mạng truyền số liệu khi thử nghiệm và vận hành thiết bị bay không người lái.

Nghiên ccứu ứu khoa học công nghệ THIẾT THIẾT KẾ BĂNG THÔNG MẠNG TRUYỀN TẢI THÔNG TIN ĐO LƯ LƯỜNG ỜNG KHI THỬ NGHIỆM V VÀ ÀV VẬN ẬN H HÀNH ÀNH THIẾT BỊ BAY KHÔNG NG THIẾT NGƯ ƯỜI ỜI LÁI Nguyễn Nguy ễn Tiến Phát1*, Nguy Nguyễn ễn Huy Ho Hoàng àng1, Ph Phạm ạm Ho Hoàng àng Long Tóm tắt: tắt: M Mục ục tiêu tiêu ccủa nghi nghiên ên ccứu ứu này gi giải ải bài toán ho hoạch ạch định băng thông kênh ccủa mạng truyền số liệu thử nghiệm vvàà vvận ận hhành ành thi thiết ết bị bay không người lái người lái Thời Thời gian truyền tải khung thông tin đo llư ường ờng đđược ợc mô tả phân bố Erlang rlang bbậc ậc hai với ự bổ sung th thành ành ph phần ần số Phân bố thời gian truyền tải khung thông tin đo lư lường ờng đ ợc tính tốn việc ứng dụng lý thuyết hhàm àm gi giải ải tích biến phức Giải pháp tối ưu biến tìm tìm bbằng ằng ứng dụng giải thuật di truyền gi giới ới hạn ạn thời gi gian an truy truyền ền tải khung liệu vvàà đđại ại lượng l ợng băng thông dự bị kkênh ênh Từ khóa: khóa Thiết hiết bị bay không nngười ời lái, Mạng truyền số liệu, B Băng ăng thông, gi giải ải thuật di truyền truyền M MỞ Ở ĐẦU Trong quá trìình nh thử th nghiệm nghiệm v vvận ận hàành nh cáác thiết thiết bbị hhàng ng khô không vàà vũ ũ tr trụ, ccácc thi bị bay di chuy thiết chuyển ển từ ùng ng theo dõõi ccủa trạm ạm đo o lư ường ờng nnày sang vùùng theo dõii vù tr trạm ạm khác V Vìì ậy lư ợng th thơng ng tin truyền truyền tải ải th thời ời gian th ưu lượng thực vềề trung tâm m đđiều ều hành h nh llà li liênn lục đ Sự ự ch chậm ậm trễ tr hay m máát thông th ng tin tr tràn ộ ục thay đổi nh cácc thi nhớ thiết ết bbị đđịnh ịnh tuyến tuyến llà kh khôông hềề mong mu muốn ốn vàà có ó thể th ddẫn ẫn tới ới gi gián n đooạn ạn qu trình tr nh th thử nghi nghiệm ệm vàà vận ận hành nh Nhiệm Nhiệm vụ đảm ảm bảo ảo băng b ng thông th ng cần ần thi thiết ết cho ccácc kêênh nh liêên llạc đểể phục ụ qu quáá trình nh vận vận chuyển chuyển kịp ịp th thời ời thông th ng tin đo ờng phục vụ đ lường làà hết ết sức ức cần cần thi thiết ết Mục tiêu Mục tiêu của nghiên ccứu ứu n ày xác đđịnh ịnh giá trị băng thông kkênh ênh truy truyền ền tải ải mạng thông tin phục vụ thử nghiệm, vận hhành ành thi thiết ết bị bay Quá tr trình ình đđảm ảm bảo ảo thông tin đđư ược ợc diễn thời gian thực ứng phó với thay đổi ma trận llưu ưu lượng tải gây thay đđổi lượng ổi quỹ đạo di chuyển thiết bị bay (TBB) (TBB) Cấu ấu trúc tổng quát mạng truyền tải thông tin đo llư ường ờng thử nghiệm vvàà vận ận hhành ành thiết thiết bị bay biểu diễn tr ên hình Thơng th thường, ờng, có dạng hhình ình vvới ới định ịnh tuyến linh động lẽ tọa độ địa llýý ccủa vật thể bay llàà liên tục tục thay đổi Hình Cấu ường ờng Cấu trúc mạng truyền tải thông tin đo llư Tạp ạp chí Nghi Nghiên ên cứu cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 53 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Từ hình nhận thấy TBB1 di chuyển theo quỹ đạo 1, lúc đầu theo dõi hai trạm đo (vùng 1), sau đó, bám sát hai trạm đo khác vùng cuối trạm đo vùng Ở vùng số số bố trí trạm đo để truyền tải thông tin di chuyển TBB2 Đối với kênh truyền tải mạng cần thiết phải tính tốn phân bố thời gian truyền khung liệu thông tin từ thiết bị định tuyến vùng trung tâm điều hành TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Phát triển hệ thống, phương pháp truyền tải thông tin chuyên dụng hướng nghiên cứu nhiều trung tâm nhà khoa học giới Phát triển phương pháp cấu trúc tăng cường hiệu trao đổi thông tin hệ thống phân tán thu thập thông tin đo đạc [4] Đảm bảo độ tin cậy cần thiết vận chuyển kịp thời thông tin đo đạc đến trung tâm xử lý thời gian thực tăng số lần gửi gói liệu thực qua giao thức UDP lớp vận chuyển Có thể loạt cơng trình nghiên cứu sở hoàn thiện giao thức lớp thứ tư mơ hình OSI [5] Hiện nay, dung lượng truyền tải thông tin quỹ đạo, đo đạc, âm địa chấn loại thông tin khác ngày tăng Để truyền tải thông tin đo đạc thời gian thực, việc ứng dụng khái niệm mạng định nghĩa phần mềm (SDN) có triển vọng khả quan [6, 7, 8] Nhóm nhà khoa học đại học Princeton (Hoa Kỳ) Rexford J., Suchara M., Bresler M., Chiang M…đã phát triển giao thức định tuyến lưu lượng đa đường TRUMP (TRaffic-management Using Multipath Protocol) [9] Đây giao thức quản lý lưu lượng mang tính chất phân tán, thích nghi, tin cậy, mềm dẻo đơn giản quản lý định hướng chuẩn OpenFlow Giao thức TRUMP sử dụng hồi tiếp định tuyến đa đường đòi hỏi tương tác điểm bắt đầu nút trung gian từ đầu đến cuối chặng quy ước lưu lượng chồng chất truyền tải tin Sự khác biệt quan trọng mạng chuyên dụng so với mạng thông thường sử dụng công nghệ mạng đặc biệt trạm thuê bao lớn (trung tâm tính tốn, trạm xuất phát, khu vực kết thúc) Trong cơng trình cơng bố năm 1982 Valiant L.G mô tả phương pháp định tuyến hai trạm với phân bố tải lên tất tuyến song song (định tuyến VLB) [10] Nhờ mà nâng cao đặc tính xác suất thời gian độ tin cậy mạng lưới Định tuyến VLB sử dụng xây dựng thiết bị định tuyến [11]; quản lý lưu lượng mạng Internet [12]; điều khiển mạng lưới sở kịch hỏng hóc [13]… Hạn chế mạng VLB tăng dung lượng kết nối để đảm bảo hiệu suất độ tin cậy Tuy nhiên, sử dụng định tuyến VLB tăng cường chi phí mạng chuyên dụng hoàn toàn xứng đáng, lẽ hoạt động thử nghiệm thiết bị bay khơng người lái có tham gia nhiều người số lượng lớn phương tiện kỹ thuật Sự gián đoạn công việc liên quan đến việc tắc nghẽn thu thập thông tin không cho phép Liên quan đến vấn đề tối ưu mạng truyền tải thông tin chuyên dụng, thời gian gần số công bố nước nghiên cứu đề xuất phương pháp giảm độ trễ truyền tải giảm lượng tiêu hao trình hoạt động mạng lưới 54 N.T Phát, N H Hoàng, P H Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong cơng trình cơng bố năm 2016 hai tác giả Phạm Văn Trung Phạm Văn Tho đăng tạp chí khoa học cơng nghệ trường Đại học Phạm Văn Đồng đề xuất “Thuật toán tối ưu thời gian trễ tập hợp liệu dựa chế chống xung đột mạng cảm biến không dây” [14] Cấu trúc mạng cảm biến không dây gồm nhiều nút cảm biến không dây đặt khu vực xác định nhằm mục đích giám sát mơi trường, cứu hộ, cảnh báo cháy nổ… Các tác giả xây dựng thuật tốn để tính tốn lịch trình tập hợp liệu cho khơng xảy xung đột phiên truyền liệu Trên sở mô đánh giá hiệu phương pháp với mạng cảm biến bao gồm từ 150 đến 550 nút thiết lập ngẫu nhiên khu vực bán kính 50x50m, tác giả chứng minh phương pháp đề xuất sử dụng khoảng thời gian tập hợp liệu phương pháp dùng backbone [15] Thuật tốn đề xuất tối ưu hóa thời gian trễ tập hợp liệu cách giảm xung đột truyền thông tin nút mạng Trong báo “Giải thuật Heuristic di truyền giải toán định tuyến đa điểm mạng cảm biến khơng dây nhiệm vụ tuần hồn” nhóm tác giả Nguyễn Thái Dương, Huỳnh Thị Thanh Bình Ngơ Hồng Sơn tiến hành nghiên cứu vấn đề định tuyến đa điểm (multicast) cho mạng cảm biến không dây nhiệm vụ tuần hoàn (DC-WSN) [16] Đặc trưng loại mạng cảm biến không dây nút cảm biến hoạt động tuần hồn theo chu kỳ khơng bắt buộc phải hoạt động liên tục Quá trình truyền liệu đa điểm thực thường xuyên hoạt động mạng, đó, cần thiết phải thiết kế giao thức multicast hiệu mặt lượng cho mạng cảm biến khơng dây Bài tốn MEM (Minimum-Energy Multicasting) chứng minh thuộc lớp NP-hard thường giải thuật tốn xấp xỉ Nhóm tác giả đề xuất giải thuật heuristic (HMEM) giải thuật di truyền (GAMEM) nhằm mang lại lời giải có mức lượng tiêu thụ tốt cho toán MEM Bản chất ý tưởng cực tiểu hóa độ trễ truyền tin từ nút gốc đến nút terminal cách tìm đường ngắn nút này, từ làm giảm tiêu hao lượng trình truyền nhận liệu Tuy nhiên, báo tập trung vào mục tiêu tối ưu hóa độ trễ truyền tải liệu mà chưa đặt ràng buộc phải tránh xung đột hai nhiều nút mạng gửi, nhận liệu đường truyền chia sẻ Chúng đề xuất xây dựng hệ thống truyền tải thông tin đo lường thử nghiệm vận hành thiết bị bay sở công nghệ SDN (Software Defined Networking) Hiện nay, công nghệ mạng hồn thiện mạng Internet nói chung hệ thống mạng chuyên dụng thời gian thực nói riêng Đối với SDN, máy chủ riêng biệt tăng cường độ tin cậy, chạy hệ điều hành NOS Máy chủ NOS thông qua nút mạng nhận cấu trúc mạng tổng thể biểu diễn để quản lý dạng sơ đồ Việc quản lý quy việc xác định sách làm việc nút mạng (tách biệt người dùng, kiểm sốt truy cập, QoS…) Hiện thực sách nhiệm vụ NOS Trên tầng quản lý tiến hành ảo hóa chức mạng NFV để xác định liên kết với mạng, chức mà người dùng tiếp cận… NFV thực thi thông qua sơ đồ mạng chức thông dịch địa chỉ, tham số tường lửa, nhận diện xâm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 55 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử phạm, DNS, nhớ đệm… trưng dụng chức phần cứng nút mạng Hiện chức cấu hình phần mềm Với trợ giúp giao thức OpenFlow, NOS chuyển cấu hình tổng thể cấu trúc mạng sang thiết bị vật lý thực tế (thiết bị định tuyến, chuyển mạch, tường lửa, controller…), tiếp nhận thông tin cấu trúc tổng quát mạng Tóm lại, mạng truyền thông tin đo lường chuyên dụng cần đặt yêu cầu cao tốc độ truyền tin độ ổn định điều kiện thay đổi liên tục lưu lượng tải sản sinh trình thử nghiệm vận hành thiết bị bay Giải vấn đề xây dựng mạng lưới để truyền tải khối lượng lớn thông tin, đặc biệt thơng tin hình ảnh gặp trở ngại lớn không sử dụng công nghệ mạng định nghĩa phần mềm SDN Sử dụng SDN cho phép người thiết kế mạng lưới thực thi phương pháp, thuật tốn chương trình dạng code controller hệ điều hành quản trị thiết bị định tuyến truyền số liệu Bản chất trình tách gói tin từ trạm đo gói để truyền tải song song, trình định tuyến đa luồng, tác vụ liên quan đến bảo đảm độ ổn định mạng lưới TÍNH TỐN LÝ THUYẾT 3.1 Mơ hình truyền liệu kênh đơn Thời gian truyền khung liệu thơng tin kênh đơn biểu diễn công thức: t  T   , đó, T – Thành phần số,  – Thành phần biến số, hay gọi “jitter” Để mô giá trị jitter sử dụng phân bố chuẩn Erlang, tức phân bố tổng k đại lượng ngẫu nhiên độc lập, đại lượng ngẫu nhiên lại có phân bố mũ với tham số k Hàm phân bố phân bố chuẩn Erlang xác định biểu thức [1]: i k 1 k x    k x (1) Fk  x    e  i! i 0 Hàm mật độ phân bố chuẩn Erlang xác định biểu thức [1]: k 1 k  k x  (2) fk  x   e  k x  k  1 ! Hình Mật độ phân bố Erlang 56 N.T Phát, N H Hoàng, P H Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trên hình biểu diễn mật độ phân bố Erlang tham số   giá trị tham số: k  1, k  2, k  16 Để mô thay đổi độ trễ gói liệu truyền kênh sử dụng giá trị   0,5 ,     để phù hợp với thực tế [17] Hàm sinh moment phân bố chuẩn Erlang [1]: k  k  (3) M s     k  s  Trên hình biểu diễn mơ hình mơ độ trễ biến thiên truyền tải gói liệu thơng qua nút mạng Hình Mơ hình biến thiên độ trễ truyền tải gói liệu thơng qua nút mạng Hàm sinh moment tương đương thời gian truyền tải: k  k  (4) M E  s   M1  s  M  s   e    k  s  Các đặc tính số phân bố, cụ thể moment bậc nhất, bậc hai phương sai tính theo cơng thức: 2T (5)  1I  T  ;  I  T   ;  I2    2 2 Đối với hàm M E  s  tiến hành đổi biến z   s , hàm nhận đặt tên sT ΦE  z  : k  k  (6) ФE  z   e    k  z  Nếu hàm ΦE  z  nửa mặt phẳng phức Re z  thỏa mãn điều kiện  zT bổ đề Jordan tích phân đường Bromwich tổng thặng dư hàm ΦE  z  tất điểm đặc biệt [1] Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền tải gói liệu kênh liên lạc: i n zt  t   e Φ z d z  Re s  e z tΦE  z    E    2πi  i  k 1 z  z k (7) Để thỏa mãn điều kiện bổ đề Jordan, nửa mặt phẳng phức bên trái, hàm ΦE  z  phải khả tích ngoại trừ số hữu hạn điểm cực tiến dần đến z   Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 57 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hàm Φ  z   λ  λ z  phân bố mũ hội tụ arg z z   , có điểm cực z    Hàm Φ  z   λ α λ  z α phân bố Erlang z   , có điểm cực bậc α điểm hội tụ arg z z    Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền tải gói liệu tính theo cơng thức [1]: i i k  k   t   e (8)   dz  2 i i   k  z  Trong tính tốn thực tiễn lấy giá trị k  để phù hợp với phân bố thời gian truyền tải gói liệu, vậy:  t   z  t T   i i  e z  t T   2    dz  2  z  (9)  2  Hàm   điểm z  2  có điểm cực bậc  2  z  Vì vậy: n zt n 1  d z  z e  z    k       t   c 1  lim n 1 z  z dz  n  1! k  2   z  t T   d  z  2  e      2  z    lim  4  t  T  e  2  t T  , t  T z  2 dz Hàm phân bố thời gian truyền tải gói liệu (10) t F  t     I  t  dt   e  2  t T    2  t  T   , t  T (11) T 3.2 Truyền liệu kênh hợp thể song song Hàm sinh moment thỏa mãn tính chất sau đây: Nếu đại lượng ngẫu nhiên  hàm đại lượng ngẫu nhiên  với   a  b , a b số M    M   a   e ib , với M   M    hàm sinh moment đại lượng ngẫu nhiên   tương ứng Nếu gói tin có độ dài quy ước truyền tải kênh liên lạc với thời gian t gói tin có độ dài nhỏ r lần độ dài quy ước truyền tải kênh với thời gian nhỏ xấp xỉ r lần t Kết luận phù hợp với đo đạc thực tế Đối với trường hợp truyền qua kênh liên lạc gói liệu có độ dài nhỏ r lần độ dài quy ước s có nghĩa thay s s r ( a  r ) vào biểu thức (4): 58 N.T Phát, N H Hoàng, P H Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.” Nghiên cứu khoa học công nghệ k sT r  rk  M r   s   e    rk   s  Thay M  r   s  vào biểu thức (6) biểu thức (8) ta thu được: Ф( r )  z   e  r   t    zT r i  i i  zt e  z d z   rk      rk   z  i  i i  e (12) k  T z t    r (13) k  rk    dz  rk  z  (14) Khi thay k  :  r  t   i  i i  e  T zt   r  2r    dz  2r  z  (15)  2r  z  2 r điểm cực bậc hàm   , mật độ phân bố thời gian  2r  z  truyền gói liệu có độ dài ngắn r lần độ dài quy ước: n zt n 1  d z  z e   z    k     r   t   c 1  lim  n  dz  n  1! z  z k (16)  T  2r   z  t  r   d  z  2r  e     T   2r  z   T   r  t  r  2  lim  r  t  e , z   r dz  r Hàm phân bố: T (17) F r   t    e  2  r t T   2  rt  T   1 , t   r Xem xét đặc tính kênh truyền song song Khi r  hàm phân bố thời gian truyền gói liệu giảm hai lần so với thời gian truyền gói liệu có độ dài quy ước ban đầu T (18) F 2  t    e  2  2t T   2  2t  T   1 , t   Trong trường hợp phân bố thông tin theo đường khác kênh hợp thể Đánh dấu ký tự I, II, III biểu thị tương ứng truyền tải một, hai hay ba đường kênh hợp thể Khi hai kênh truyền hoạt động song song thời điểm kết thúc việc truyền liệu xác định kết thúc việc truyền gói liệu cuối Thời gian thực thao tác định dạng lại gói tin bên nhận, coi nhỏ so với thời gian truyền gói tin kênh liên lạc Khi thời gian truyền ngẫu nhiên hai gói tin theo đường song song xác định lớn từ hai đại lượng ngẫu nhiên có hàm phân bố: T (19) FII  t   FI 22  t    e  2  2t T   2  2t  T   1 , t    Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018  59 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hàm mật độ phân bố xác suất tương ứng  II  t   16  2t  T  e  2  t T   1 e  2  t T  T   2  2t  T   , t   (20)  3.3 Truyền liệu qua N kênh nối tiếp Hàm mật độ phân bố thời gian truyền liệu qua N kênh nối tiếp tích hàm mật độ phân bố thời gian truyền tải qua kênh thành phần có dạng:  zT N N e i  i2  (z)    i ( z )  N  (21) i 1 i 1    z  i Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền gói liệu thơng tin đo lường từ N kênh ảo nối tiếp xác định theo biểu thức (22) thông qua tổng thặng dư tất điểm đặc biệt z  2 i : N f  t   i 1  zT  e i  i2  N zt   Res e  z  2  i  i    z   i   (22) 3.4 Xác định băng thông kênh Việc chọn lựa phương án tốt phân bổ băng thông cấu trúc mạng phức tạp, lẽ số phương án khả thi lớn Vì vậy, chúng tơi đề xuất sử dụng giải thuật di truyền để thiết kế băng thông mạng truyền tải thông tin đo lường theo mục tiêu báo [2] Mỗi liên kết (kênh vật lý) từ trạm đo đến trung tâm điều khiển đặt nhiều kênh ảo Để xác định tổng băng thông kênh mật độ phân bố thời gian truyền gói tin đo lường tính cần phải đưa dạng biểu thức phân phối vận tốc truyền (Mbit/s) Đối với tập hợp kênh ảo từ trạm đo tới trung tâm điều khiển thiết lập kênh vật lý chung cần xác định tổng băng thông kênh dự trữ băng thông kênh cần thiết cho việc xử lý tình tải, ngắt đường truyền, thiết bị hỏng, thi hành hồi tiếp, đảm bảo điều khiển kênh… Vận tốc truyền tải xác định giá trị nghịch đảo thời gian truyền gói liệu có độ dài quy ước Thời gian truyền nhỏ tương ứng với vận tốc truyền gói thơng tin lớn NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Bài toán tối ưu băng thông mạng truyền thông tin đo lường Cấu trúc liên kết mạng biểu diễn dạng đồ thị có hướng G = (V, E, C), V tập hợp nút mạng, E tập kênh (các liên kết), C tập hợp lực kênh giới hạn, ràng buộc gắn liền với kênh nút K biểu thị tập hợp kênh ảo k  K ,  sk , tk ,  k  kí hiệu nút đầu, nút cuối yêu cầu dung lượng kênh ảo tương ứng Nếu kênh ảo k chạy qua 60 N.T Phát, N H Hoàng, P H Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.” Nghiên cứu khoa học công nghệ kênh vật lý  i, j  x ikj  1, trường hợp ngược lại x ikj  Còn h k kí hiệu giới hạn số lượng kênh vật lý mà kênh ảo k chạy qua Mục tiêu toán tối ưu tối thiểu hóa hệ số tải kênh truyền tồn mạng hay nói cách khác tối thiểu hóa số giá trị trung bình băng thơng sử dụng kênh vật lý Khi đó, tải lưu lượng truy cập kênh tải chuyển hướng đến kênh có lưu lượng Khi số giá trị trung bình băng thơng sử dụng giảm thiểu có nghĩa tỷ lệ dự trữ băng thông kênh đạt đến mức tối đa Điều cho phép mạng có khả chịu biến động lưu lượng lớn mà không cần tái cấu trúc Cho c i j dung lượng kênh  i, j  ,  i j  tổng giá trị băng thông tập hợp kênh ảo liên kết  i, j  Lấy tập    1 ,  ,  M  liên kết mà có giá trị lớn  i j Mơ tả toán học toán tối ưu hoá phân bố tải mạng biểu diễn sau: - Mục tiêu tối ưu hóa để giảm thiểu giá trị trung bình tổng băng thơng M   kênh vật lý mạng truyền tải thông tin đo lường:      r M  r 1   - Các giới hạn: a) Tải đến tải nút phải trừ nút bắt đầu nút kết thúc  x ikj   xkji  0, k  K , i  sk , tk  i , j  E  j , i  E b) Tổng lưu lượng qua kênh vật lý không vượt dung lượng kênh:   k xikj  ci j ;  i, j   E kK c) Số lượng kênh vật lý mà kênh ảo qua giới hạn để không xảy trường hợp luồng liệu truyền qua nhiều kênh vật lý trung gian dẫn tới độ trễ cao:  x ikj  hk , k  K , h k biểu thị hạn chế số lượng phần kênh  i , j  E ảo k Tập hợp đường kênh ảo k với nút tận  sk , tk ,  k  thỏa mãn với điều kiện mơ tả sau: Qk   qk1 ,  , qkj ,  , qkNk  , k  K qkj đường có hình thành kênh ảo k Bài tốn tối ưu quy việc tìm tập hợp kênh ảo chạy qua liên kết P   p , , pk , , pK  , pk  Qk giá trị  nhỏ Tải kênh  p  ij  mức sử dụng  p  ij  biểu diễn sau: K  p  ij    xijk  k  p  ij    / cij    p  ij  , (23) Khi giải tốn tối ưu hóa xem xét, điều quan trọng phải chọn giá trị biến pk Bài toán thuộc lớp NP-hard Do đó, giải thuật di truyền k 1 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 61 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử sử dụng để giải vấn đề Trong trường hợp này, cấu trúc nhiễm sắc thể xác định đường kênh ảo, chạy qua nút trung gian mạng Nhiễm sắc thể mô tả tập hợp phần tử xếp theo thứ tự tương ứng với nút kênh ảo theo đường từ nút ban đầu sk tới nút đích cuối tk Một thông số quan trọng nhiễm sắc thể kích cỡ nó, xác định số nút trung gian tuyến Tuy nhiên, có khả xảy nhiễm sắc thể khơng xác xuất số nút khơng có mạng Để khơi phục nhiễm sắc thể đến giá trị hiệu chỉnh sử dụng chế đột biến Khi sử dụng thuật toán di truyền cần phải đảm bảo điều kiện sau: - Cần phải loại bỏ tất nhiễm sắc thể mà không đáp ứng yêu cầu độ trễ trung bình việc truyền khung liệu độ sai lệch - Đối với kênh ảo phải thực chuyển đổi phân bố thời gian truyền khung liệu sang phân bố vận tốc truyền (theo Mbit/s) - Đối với kênh vật lý phân bố băng thông bị chiếm xác định tổng biến ngẫu nhiên băng thông kênh ảo chạy qua Băng thông bị chiếm dụng kênh vật lý đặt m  k , đó, m giá trị trung bình phân bố chồng chất đại lượng ngẫu nhiên băng thông kênh ảo chạy qua; k số nguyên;  độ lệch chuẩn - Xác định giá trị  giá trị trung bình băng thơng sử dụng toàn mạng Khi giải tốn cần sử dụng hàm hữu ích hay gọi hàm thích nghi (fitness function) để đánh giá độ “tốt” lời giải Hàm hữu ích tính công thức: M  f  exp( )  exp    r M  (24)  r 1  Phương án phân bố băng thông tạo nhiều băng thơng dự trữ có hàm hữu ích lớn 4.2 Chương trình thiết kế băng thông mạng truyền thông tin đo lường Chương trình thực ngơn ngữ lập trình C# Người sử dụng dựa hình ảnh tiêu chuẩn phần tử tạo sơ đồ mạng truyền tải thơng tin đo lường hình Các phần tử trạm đo, định tuyến, kênh, trung tâm điều khiển Các giá trị giới hạn băng thông kênh vật lý luồng đầu vào nhận từ trạm đo (Mbit/s) thiết lập Trọng số kênh đặt dựa thời gian truyền tải trung bình Để xây dựng liệu đầu vào cho giải thuật di truyền, tuyến truyền tải ngắn từ trạm đo đến trung tâm điều khiển xác định phương pháp Hoffman Pavlei [3] Những tuyến truyền tải hiển thị hình máy tính Mức tải kênh hiển thị tương ứng với cường độ màu sắc Mức tải kênh lớn cường độ màu cao ngược lại Khi trỏ chuột lên kênh, cửa sổ mở hiển thị đặc điểm chính: trọng số kênh, dung lượng kênh, tải thực, mức sử dụng theo phần trăm Có hiển thị báo cáo kênh bị tắc nghẽn 62 N.T Phát, N H Hồng, P H Long, “Thiết kế băng thơng … thiết bị bay không người lái.” Nghiên ccứu ứu khoa học công nghệ Đ Đểể đánh giá hiệu hoạt động ch chương ương tr trình, ình, đã ti tiến ến hành một loạt chuỗi thử th nghiệm tr ên máy tính cá nhân vvới ới cấu hhình ình vi xử xử lý Intel Core i7 2,0 GHz, RAM 8Gb Tham ssố ố giải thuật di truyền đđư ược ợc cài cài đđặt ặt nh sau: kích ccỡ ỡ quần thể – 40 cá th thể; ể; xác suất trao đổi chéo – 0,8; số số hệ – 150 Xác su suất ất đột biến biến thay đổi ổi khoảng từ 0,01 đến 0,5 Đ Đãã ssử dụng 10 giá trị xác suất đột biến llàà 0,01; 0,03; 0,05; 0,07; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 Xem xét th thử nghiệm tr ên cấu cấu trúc mạng khác cấu th mạng thành ành từ từ 5, 20 vvàà 50 nút m mạng ạng Đối với cấu trúc mạng tiến ến hhành ành 30 thử thử nghiệm Hình Sơ đồ ờng ờng đồ mạng truyền tải thông tin đo llường K Kết ết thử nghiệm cho thấy ứng dụng giải thuật di truyền có tác dụng llàm àm giảm từ 1,5 đến 2,5 lần mức độ sử dụng kkênh giảm ênh v vật ật lý to toàn àn m mạng ạng (h hình ình 5)) Hình Mức Mức độ sử dụng kkênh ênh vật vật lý thay đổi ti tiến ến tr trình ình phân bbổ ổ lưu lưu lư lượng ợng ợng Tạp ạp chí Nghi Nghiên ên cứu cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 63 K Kỹỹ thuật điều khiển & Điện tử Trên hình hình biểu ểu diễn so sánh mức độ sử dụng trung bbình ình của kkênh ênh vvật ật lý tr trư ước ớc và sau ti tiến ành tối tối ưu bbằng ằng giải thuật di truyền Dễ ddàng àng nh nhận ận thấy ến hhành rằng, ằng, tr trư ước ớc can thiệ thiệp p trình định ịnh tuyến llưu ưu lượng lượng giải thuật di truyền nhi nhiều ều kênh kênh vvật ật lý mạng bị tải với mức sử dụng từ 90 90-100% 100% ((h hình ình 6a 6a), ), ttượng ợng này đư ợc chấm dứt ứng dụng giải thuật di truyền vvào ối ưu lưu ttối lượng mạng llưới lượng ới (h (hình ình 6b ) 6b) (b) b) (a) Hình Đồ thị mức sử dụng trung bbình ình ccủa kkênh ênh dữ liệu (a) trước trước tối ưu, (b) sau ttối ưu ưu K KẾT ẾT LUẬN Phương pháp ssử dụng đđãã xác đđịnh ịnh đđược ợc mức độ tải kkênh ênh vvật ật lý; xác định ịnh băng thơng dự trữ trung bbình ình ccủa to toàn àn bộ mạng truyền tải hệ thống; thống; xác định ịnh giá trị cần thiết để tăng băng thông dự trữ kkênh ênh truyền truyền nnào toàn bbộ ộ hệ thống mạng Việc dự trữ băng thông kkênh ênh vvật ật lý đđư ược ợc sử dụng ụng để giải vấn đề thực tiễn nh xử xử lý tình tình hu ống biến thi ên đột thiên đột ngột lưu llư ượng ợng mà mà không ccần ần phải định tuyến lại Trong báo đđã xem xét ccấu ấu trúc mạng mạng với nhiều trạm trạm đo, đo, bộ đđịnh ịnh tuyến tuyến kênh vật ật lý kết chúng Một Một hư hướng ớng nghi ên cứu kết nối chúng nghiên cứu tăng t ng ssốố llượng ợng mạng VLB (Valiant Load Balancing) tăng t ng ssốố llượng ợng đư đường ờng dẫn song song mạng truyền truyền tải thông tin đo llư ường ờng thử nghiệm vvận ận hành hành thiết thiết bị bay không người người lái TÀ TÀI LI LIỆU ỆU THAM KHẢO KHẢO [1] Морозова В.Д Теория функций комплексного переменного переменного:: Учеб для вузов / Под ред B B.C Зарубина, А.П Крищенко - ее изд., исправл - М.: Изд-во Изд во МГТУ им Н.Э Баумана, 2009 - 520 с (Сер Математика в техническом университете; Вып X X.) ) ISBN 978978-5-7038 7038-3189 70383189 64 N.T Phát, N H Hồng, P H Long, “Thi “Thiết ết kế băng thơng … thiết ết bị bay không ngư người ời lái lái.” ” Nghiên cứu khoa học công nghệ [2] Schmitt, Lothar M (2001), “Theory of Genetic Algorithms”, Theoretical Computer Science 259: 1–61 [3] Brander, Andrew William; Sinclair, Mark C “A comparative study of kshortest path algorithms” Department of Electronic Systems Engineering, University of Essex, 1995 [4] Новиков Ю.А “Модели и способы организации распределенных систем сбора измерительной информации”: Канд диссертация Рязань: РРТА, 2009 -173 с [5] James McCauley, Zhi Liu, Aurojit Panda, Teemu Koponen, Barath Raghavan, Jennifer Rexford, Scott Shenker “Recursive SDN for Carrier Networks” // http://arxiv.org/pdf/1605.07734v1.pdf [6] Xin Jin, Yiran Li, Da Wei, Siming Li, Jie Gao, Lei Xu, Guangzhi Li, Wei Xu, Jennifer Rexford “Optimizing Bulk Transfers with Software-Defined Optical” WAN // http://www.cs.princeton.edu/~jrex/papers/owan16.pdf [7] Naga Katta, Omid Alipourfard, Jennifer Rexford and David Walker “CacheFlow: Dependency-Aware Rule-Caching for Software-Defined Networks” // http:www.cs.princeton.edu/~jrex/papers/cacheflow16.pdf [8] Arpit Gupta, Robert MacDavid, Răudiger Birkner, Marco Canini, Nick Feamster, Jennifer Rexford, Laurent Vanbever “An Industrial-Scale Software Defined Internet Exchange Point” // http://sdx.cs.princeton.edu [9] Jiayue He, Martin Suchara, Ma’ayan Bresler, Jennifer Rexford, and Mung Chiang From Multiple Decompositions to TRUMP: “Traffic Management Using Multipath Protocol” //http:www.cs.princeton.edu/~jrex/papers/ToN.pdf [10] Valiant L.G “A scheme for fast parallel communication” SIAM Journal on Computing, 1982 11(2): 350-361 [11] Bernasconi P., Gripp J., Neilson D., Simsarian J., Stiliadis D., Varma A and Zirngibl M “Architecture of an integrated router interconnected spectrally (IRIS)” High PerformanceSwitching and Routing, 2006 Workshop on, pag [12] Kodialam M., Lakshman T.V., Orlin J.B and Sengupta S “A Versatile Scheme for Routing Highly Variable Traffic in Service Overlays and IP Backbones” In Proc IEEE INFOCOM, April 2006 [13] Zhang-Shen R and McKeown N “Designing a Fault-Tolerant Network Using Valiant Load-Balancing” Proc IEEE INFOCOM, 2008 pages 2360-2368 [14] Phạm Văn Trung, Phạm Văn Tho, “Thuật toán tối ưu thời gian trễ tập hợp liệu dựa chế chống xung đột mạng cảm biến khơng dây”, Tạp chí Khoa học Công nghệ – Số – Trường Đại học Phạm Văn Đồng, 04/2016 [15] Yousefi, H., Malekimajd M., Ashouri, M & Movaghar, A., “Fast aggregation scheduling in wireless sensor networks”, Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol 14, no 6, pp 3402-3414, June 2015 [16] Nguyễn Thái Dương, Huỳnh Thị Thanh Bình Ngơ Hồng Sơn, “Giải thuật Heuristic di truyền giải toán định tuyến đa điểm mạng cảm biến Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 65 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử không dây nhiệm vụ tuần hồn”, Tạp chí Tin học Điều khiển học, số (2014), tr 253-266 [17] Корячко В.П., Шибанов А.П., Сапрыкин А.Н., Фам Х.Л “Нахождение характеристик агрегированного канала передачи измерительной информации” // Вестник РГРТУ, 2015 №4 (выпуск 54) С 72-77 ABSTRACT DESIGNING MEASUREMENT INFORMATION COMMUNICATION NETWORK BANDWIDTH DURING TEST AND OPERATION OF UNMANNED AERIAL VEHICLES The purpose of research is to solve the problem of channel bandwidth scheduling of data communication network for testing and operating of unmanned aerial vehicles Transmission time of measurement information frame is modeled by normalized second-order Erlang distribution with the addition of constant component Distribution of transimission time of measurement information frame is calculated by applying the theory of analytic functions of a complex variable The optimum solution is found by using genetic algorithms with restrictions on the time of data frame transmission as well as the amount of the reserve channel bandwidth Keywords: Unmanned aerial vehicles, Data communication network, Bandwidth, Genetic algorithms Nhận ngày 19 tháng 12 năm 2017 Hoàn thiện ngày 25 tháng 01 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2018 Địa chỉ: 1Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật quân sự; Bộ tư lệnh Tác chiến Không gian mạng * Email: phat14hy@gmail.com 66 N.T Phát, N H Hoàng, P H Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.” ... mạng VLB (Valiant Load Balancing) tăng t ng ssốố llượng ợng đư đường ờng dẫn song song mạng truyền truyền tải thông tin đo llư ường ờng thử nghiệm vvận ận hành hành thiết thiết bị bay không người. .. tục lưu lượng tải sản sinh trình thử nghiệm vận hành thiết bị bay Giải vấn đề xây dựng mạng lưới để truyền tải khối lượng lớn thông tin, đặc biệt thơng tin hình ảnh gặp trở ngại lớn không sử dụng... th thử nghiệm tr ên cấu cấu trúc mạng khác cấu th mạng thành ành từ từ 5, 20 vvàà 50 nút m mạng ạng Đối với cấu trúc mạng tiến ến hhành ành 30 thử thử nghiệm Hình Sơ đồ ờng ờng đồ mạng truyền tải