Tối ưu hoá quản lý di động trong mạng vô tuyến hỗn hợp đa dịch vụ tt

Cơng trình hồn thành Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG LÊ NGỌC HƯNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Xuân Quỳnh Phản biện 1: TỐI ƯU HÓA QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN HỖN HỢP ĐA DỊCH VỤ Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 9.48.01.04 Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện Họp tại: Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào hồi ngày tháng năm 2020 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Hà Nội - 2020 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mạng vô tuyến hỗn hợp đa dịch vụ (BcN) cho phép người dùng sử dụng dịch vụ đồng thời lúc, nơi, thông qua loại đầu cuối khác mà không cần quan tâm tới cơng nghệ mạng kết nối, cần ký thoả thuận với nhà cung cấp dịch vụ (SLA) Do vậy, có nhiều Viện nghiên cứu, trường đại học, tổ chức nước, nghiên cứu tìm giải pháp tối ưu xử lý HO để đáp ứng tính mạng BcN Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án đề xuất phương pháp quản lý HO linh hoạt nhằm tối ưu hóa quản lý HO mạng Vơ tuyến hỗn hợp đa dịch vụ Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chế quản lý HO mạng BcN Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn việc nghiên cứu giao thức giải thuật quản lý HO Luận án tập trung vào việc phân tích hiệu suất HO dựa giao thức có MIP, TCPM, SIP từ xây dựng tham số có ảnh tới chất lượng dịch vụ thực HO, xây dựng phương thức dự báo đặt trước băng thông để đến việc đề xuất phương pháp quản lý HO linh hoạt nhằm tối ưu hóa quản lý HO mạng BcN Mọi vấn đề khác liên quan đến quản lý vị trí ứng dụng, cập nhật thống kế thông tin liên quan đến hướng di chuyển người dùng, coi giải cơng cụ khác nằm ngồi phạm vi nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp phân tích yếu tố liên quan đến vấn đề quản lý di động mạng BcN, qua đề xuất giải pháp linh hoạt nhằm tối ưu hóa quản lý di động mạng BcN Luận án sử dụng cơng cụ tốn học lý thuyết hệ thống, điều khiển, xác suất, logic mờ để giải yêu cầu nghiên cứu Do chưa có chuẩn chung thống kết cấu, giao thức công nghệ BcN, nên trước tiên luận án đưa mơ hình chung chấp nhận rộng rãi mạng BcN, lấy làm sở để xây dựng đề xuất chế điều khiển HO Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học đề tài thể qua ba đóng góp luận án, bao gồm: Thơng qua phân tích hiệu suất HO dựa giao thức có để xây dựng tham số ảnh hưởng nhiều tới QoS -1- HO; Sử dụng lý thuyết Bayes để xác định xác suất HO, từ xây dựng phương pháp đặt trước băng thông nhằm đảm bảo QoS nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng; Cuối dựa việc xác định yếu tố ảnh hưởng tới QoS phương pháp đặt trước băng thông, luận án đề xuất phương pháp quản lý HO linh hoạt, tùy thuộc vào loại ứng dụng để đạt mục tiêu tối ưu hóa quản lý HO CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Mạng thông tin vô tuyến băng rộng đa dịch vụ BcN Trong năm gần đây, với phát triển vượt bậc công nghệ truy nhập vô tuyến thiết bị đầu cuối di động (như máy tính xách tay, Smart phone, IOT, ) làm cho ứng dụng di động đa dạng hơn, nhu cầu kết nối, tốc độ, băng thông tăng nhanh thoại dịch vụ Public Internet Gateway Router Common Core Network Servers BS or AP Vertical Handover Overlapped Coverage Area Horizontal Handover Micro Mobility Macro Mobility Hình 1.1: Cấu trúc ví dụ hệ thống vơ tuyến tích hợp Hình 1.1 đưa cấu trúc ví dụ kết hợp hệ thống vô tuyến, bao gồm mạng 3G/LTE/5G/NR, vệ tinh, WLAN,… kết hợp chung với Ngoài ra, mạng khác mạng Bluetooth, Home RF, MANETs, IOT,… tích hợp vào mạng hình 1.1 Trong cấu trúc mạng này, người dùng sử dụng thiết bị đa giao diện vơ tuyến, nên kết nối với loại mạng có cơng nghệ khác Bằng việc sử dụng thiết bị cho phép người sử dụng di động ln ln có kết nối tốt đến nhiều mạng Những vấn đề khó khăn tổ chức mạng BcN, là: - Cơng nghệ truy cập: mạng khác sử dụng công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau, ví dụ UMTS/LTE sử dụng cơng nghệ CDMA, WLAN sử dụng CSMA/CA - Các giao thức mạng: mạng khác sử dụng giao thức khác cho việc vận chuyển, định tuyến, quản lý di động, xác thực, … -2- - Dịch vụ cung cấp: mạng thuộc nhà cung cấp dịch vụ khác nên khó khăn việc xây dựng SLA - Yêu cầu lưu lượng cao: 5G đáp ứng yêu cầu cách thu hẹp phạm vi phủ sóng BS, số lượng người dùng BS giảm cải thiện hiệu suất tái sử dụng tần số Tuy nhiên nhu cầu di chuyển trao đổi liệu MT không ngừng tăng lên, làm cho yêu cầu xử lý HO tăng cao hơn, dẫn đến lưu lượng dành cho báo hiệu tăng, làm giảm lưu lượng dành cho MT 1.2 Yêu cầu chuyển giao mạng BcN Các yếu tố cần quan tâm xây dựng phương án xử lý HO: - MSE có vai trị quan trọng cải thiện hiệu suất HO Thơng qua MSE ta linh hoạt lựa chọn tập tham số HM, A3, TTT Sử dụng thông tin “số lần chọn lại tế bào”, “Suy hao tần số RSS” “mức độ di chuyển MT chậm, vừa hay nhanh” để làm tăng độ xác dự báo HO - Khi MT có kết nối vơ tuyến tốt, thủ tục HO u cầu kích hoạt EHOP EHO để giảm RLF trước thực HO - Ước lượng RSS biên tế bào tiến hành catching liệu để đề phòng việc hết tài nguyên vô tuyến đảm bảo QoS - Lựa chọn tế bào sử dụng số tế bào lân cận Việc giúp cho cân tải cách tự động - Kích hoạt chế độ DC kết nối tới tế bào Macro MT di chuyển tốc độ cao Ước lượng thời gian MT lưu trú tế bào Micro Khi có kết nối vơ tuyến tốt, thời gian MT lưu trú lớn ngưỡng tối thiểu chuyển kết nối MT sang tế bào - Đặt trước băng thông tế bào lân cận thừa tải để giảm thời gian thực HO có u cầu 1.3 Phân tích, đánh giá nghiên cứu liên quan đến Luận án Luận án so sánh cấu trúc quản lý di động bản, sử dụng để vận chuyển quản lý thay đổi gói số liệu chuyển tới MT Để minh hoạ, xem phần tử mạng tham gia vào q trình xử lý tin phần tử giao thức quản lí di động (ở MIP Home Agent (HA), Foreign Agent (FA) MT) Các nút mạng khác (như Router chuyển tiếp) nằm toàn tuyến kết nối với thực thể giao thức di động phần tử giao thức di động Sự giống phương pháp quản lý di động sử dụng sách chuyển hướng giao vận (relayed delivery) chế để phân phát tin báo hiệu, gói số liệu, ứng dụng người dùng đến MT Ngoài ra, điểm neo di động (mobility anchor) dùng để giám sát vị trí MT chuyển hướng truyền gói số liệu đến MT -3- 1.4 Các vấn đề tồn Chuyển giao trình đầu cuối di động (MT) di chuyển từ trạm phát (AP) tới AP khác mạng Về bản, phân thành loại HO: HO đồng (homogeneous - AP công nghệ) HO hỗn hợp (hetegeneous - AP có cơng nghệ khác nhau) 1.4.1 Phân loại chuyển giao Dựa hình thức di chuyển kiểu mạng AN, ta phân loại HO thành “Liên mạng - Intersubnet” “Nội mạng – Intrasubnet” HO Inter Subnet HO: - Công nghệ AN khác nhau, Domain khác nhau; - Khác công nghệ, Domain; - Cùng công nghệ, khác Domain; - Cùng công nghệ, Domain Cịn HO Intra Subnet HO: - Cùng công nghệ, Domain; - Khác công nghệ, Domain 1.4.2 Các yêu cầu hiệu suất Để đảm bảo QoS cho dịch vụ Multimedia cần phải giới hạn trễ kết cuối, jitter, suy hao số liệu ngưỡng định Ví dụ với trễ chiều, ITU-T G114 khuyến nghị giới hạn cho hầu hết ứng dụng 150ms, phải bé 400ms, Trễ kết cuối bao gồm trễ mạng, trễ OS, trễ CODEC, trễ ứng dụng Trễ mạng gồm trễ đường truyền, môi trường, hàng đợi router trung gian Trễ OS gồm trễ lập lịch cho gửi nhận Trễ CODEC trễ hình thành trình đóng gói mở gói phát nhận Do vậy, cần thiết phải có chế quản lý di động đáp ứng yêu cầu giảm việc số liệu ảnh hưởng trễ HO 1.4.3 Phân tích trễ chuyển giao Bất kỳ ứng dụng multimedia chạy trình HO chịu ảnh hưởng trễ bên lớp stack giao thức Trễ hình thành từ trễ lớp 2, lớp lớp ứng dụng Trễ lớp ứng dụng trễ cần để thiết lập lại sửa đổi tài nguyên lớp Quá trình cập nhật số liệu báo hiệu phiên trung gian xem trễ, địa IP thông số CODEC cho phiên trung gian bị thay đổi 1.4.3 Tối ưu hóa trễ HO Cần thiết phải có nghiên cứu lựa chọn mạng HO nhằm tối ưu hoá trễ nẩy sinh trình HO, đảm bảo QoS cung cấp cho ứng dụng MT mà người dùng thoả thuận với nhà cung cấp dịch vụ Hai -4- hướng nghiên cứu để giảm trễ HO nhiều chuyên gia quan tâm là: - xử lý song song nhiều trình chuyển dịch trạng thái, - thực trước số chuyển dịch trạng thái trước HO bắt đầu 1.5 Kết luận chương Theo kết phân tích đánh giá nghiên cứu quản lý di động (phần 1.3 1.4) cho thấy, nhiều vấn đề cần giải để vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ theo thoả thuận SP người dùng, vừa đảm bảo khai thác tối ưu tài nguyên mạng Việc tích hợp mạng di động cố định thông qua hạ tầng IP thuận lợi hiệu việc cải thiện kết nối chúng Do tồn nhiều loại mạng công nghệ khác nhau, với nhu cầu sử dụng dịch vụ di chuyển ngày tăng, dẫn đến yêu cầu HO tăng Đây nguyên nhân làm gia tăng tổng trễ suốt trình cung cấp dịch vụ, việc giảm tối đa trễ trình HO cần đặc biệt quan tâm Để trì đảm bảo chất lượng dịch vụ cho kết nối di động mạng BcN, tập trung nghiên cứu chế dự báo đăng ký trước băng thông, hỗ trợ cho việc điều khiển HO cho kết nối hữu điều khiển đăng nhập gọi cho kết nối Do đó, luận án tập trung nghiên cứu ba vấn đề sau: Phân tích hiệu suất kĩ thuật HO dựa MIP, TCP-Migrate, SIP Dự báo định trước băng thông Quản lý di động thích ứng cho ứng dụng mạng BcN CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG TẬP THAM SỐ PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CỦA MIP, TCP-M VÀ SIP 2.1 Mở đầu Trong chương luận án tập trung phân tích hiệu suất HO dựa giao thức quản lý di động lớp liên kết, lớp mạng, lớp giao vận lớp ứng dụng Đóng góp chương là: - Xác định tham số ảnh hưởng đến QoS - Sử dụng tham số nêu để xây dựng phương thức đánh giá hiệu suất HO ứng dụng dạng B, C, D E - Phân tích đặc điểm lớp ứng dụng A, B, C, D, E - Đề xuất giao thức lựa chọn tuyến HO, cân tiêu tiêu chí tiêu thụ lượng (Pin MT) hiệu suất mạng 2.2 Phân tích hiệu suất HO dựa giao thức quản lý di động Ảnh hưởng HO dạng ứng dụng cụ thể hóa tham số: Độ trễ HO; Mất gói liệu HO; Thời gian suy giảm -5- thông lượng; Độ trễ điểm đến điểm; Sự suốt lớp vận chuyển; Bảo mật; Tiêu hao lượng 2.2.1 Các giao thức quản lý di động lớp liên kết (Lớp 2) Các giao thức quản lý di chuyển lớp liên kết tập trung vào vấn đề HO mạng truy cập không đồng kĩ thuật quản lý mạng khác Hiệu suất làm việc giao thức di chuyển lớp liên kết tóm tắt sau: - Độ trễ trình HO cao làm tăng số lượng gói tin bị thất lạc Sau q trình HO hồn tất, MN kết nối đến hệ thống mà không cần đưa yêu cầu chuyển hướng - Yêu cầu độ trễ điểm đến điểm ứng dụng bảo đảm - Do MN kết nối đến địa hệ thống mới, nên kết nối lớp vận chuyển phải thiết lập lại sau HO nội mạng hoàn tất Các giao thức quản lý di chuyển lớp liên kết không suốt với ứng dụng TCP UDP - Việc xác thực thực q trình HO mạng, nên thơng tin liên quan đến HO bảo mật 2.2.2 Các giao thức quản lý di động lớp mạng (Lớp 3) Hiệu suất giao thức MIP tóm tắt sau: - MIP sử dụng lượng trễ lớn đăng kí HO - Do MIP có độ trễ lớn, nên trình HO làm thất lạc lượng đáng kể gói tin - Định tuyến vịng MIP gây nên đường không đối xứng CN MN, làm tăng trễ định hướng lại đường từ CN đến MN phía Trạm chủ (HA) - Thơng qua việc định hướng lại gói tin q trình HO, MIP không làm thay đổi địa IP ứng dụng Do đó, HO suốt đến ứng dụng, kết nối lớp vận chuyển bảo tồn q trình HO - Việc xác thực phần đăng kí MIP, nên thơng tin HO bảo mật 2.2.3 Các giao thức quản lý di động lớp giao vận (lớp 4) Hiệu suất giao thức quản lý di động lớp vận chuyển tóm tắt sau: - Do có điểm cuối truyền thơng với tham gia vào trình HO, nên độ trễ thường thấp so với MIP - Một kết nối TCP trì chung khối quản lý trạng thái, nên việc truyền lại số liệu cần phải tuân theo chuẩn, phục hồi gói tin bị thất lạc trình HO -6- - Do khơng định hướng lại gói tin, nên tuyến trạm chủ kết nối đối xứng Do đó, độ trễ điểm đến điểm không bị tăng sau HO, ứng dụng không bị ảnh hưởng khởi động lại kết nối lớp vận chuyển - Việc xác thực tích hợp hồn tồn vào q trình HO lớp vận chuyển làm tăng tính bảo mật 2.2.4 Các giao thức quản lý di động lớp ứng dụng (lớp 5) Hiệu suất giao thức di động SIP tóm tắt sau: - Độ trễ HO SIP tương đương với MIP lại cao so với giao thức quản lý di động lớp vận chuyển - Số lượng tin bị thất lạc thực thủ tục báo hiệu HO ngang sử dụng MIP - Độ trễ điểm đến điểm không tăng báo hiệu HO kết thúc - SIP hỗ trợ cho kết nối TCP, nên di động SIP không suốt với giao thức TCP - Các tin báo hiệu để quản lý di động SIP bảo mật phương pháp khác 2.3 Xác định tham số mơ hình phân tích 2.3.1 Xác suất gói tin bị thất lạc từ điểm đến điểm Định lý 2.1: Giao thức kết nối vô tuyến định chất lượng hệ thống, với xác suất thất lạc gói tin điểm tới điểm MH HA xác định sau: K (n +n) ⎤ ⎡ pr = − ⎢1 − p f ((2 − p f ) p f ) ⎥ (1 − pc ) ⎢⎣ ⎥⎦ Chứng minh: Theo định luật tổng xác suất, xác xuất lỗi gói tồn hệ thống là: (2.1) p = − (1 − pw )(1 − pc ) Trong thực tế, kết nối vô tuyến thường chịu ảnh hưởng hiệu ứng fading, shadowing thường mơ hình hóa phân bố Rayleigh, kết nối hữu tuyến mơ hình hóa kênh nhiễu trắng (AWGN), ta có pw m (2.15) TO1 RTT0 RTO RTT kết nối TCP MH ON 2.4.1.2 Thời gian giảm thông lượng Thời gian τs cần để kích cỡ cửa sổ nghẽn tăng từ lên CW2 xác định sau : τ s = [1+ log2 CW2 ]RTTn (2.16) RTTn RTT MH thuộc NN, RTTn = tch + thn + tn, tch trễ chiều CH HA, thn trễ chiều MH HA MH NN, tn trễ chiều MH CH MH NN Thời gian giảm thông lượng kết nối TCP (Ttl) là: ⎧ γ N +1 − + t o + [1 + log CW2 ]RTTn ⎪TO1 γ −1 ⎪ Tt1 = ⎨ m +1 ⎪TO γ − + ( N − m)γ mTO + t + [1 + log CW ]RTT o 2 n ⎪⎩ γ − Độ trễ truyền khung chiều MH BS: n ⎧ γ N +1 − + t o + t ch + t hn ⎪TO1 γ −1 ⎪ =⎨ m +1 ⎪TO γ − + ( N − m)γ mTO + t + t + t 1 o ch hn γ −1 ⎩⎪ Khi N ≤ m (2.17) Khi N > m 2.4.2 Đánh giá hiệu suất HO kết nối TCP sử dụng TCP Migrate ,i > m (2.11) Thay pi Ti từ (2.10) (2.11) vào (2.9) ta thu được: m ∞ D p = ∑ pi Ti = p1T1 + ∑ pi Ti + i i =2 ∞ ∑pT i i i = m +1 m = (1 − q ) B + ∑ q i −1 (1 − q)[Δ + γΔ + γ Δ + + γ i − Δ + B] + i =2 ∞ ∑ q i −1 (1 − q)[Δ + γΔ + γ Δ + + γ m−2 Δ + (i − m)γ m−2 Δ + B] i = m +1 m ∞ ⎧ ⎫ = (1 − q )⎨ B + A∑ q i −1 (γ i −1 − 1) + ∑ q i −1 A(γ m −1 − 1) + (i − m)γ m − Δ ⎬ i =2 i = m +1 ⎩ ⎭ [ ] A= Δ (2.12) 2.4 Xây dựng phương thức đánh giá hiệu suất chuyển giao ứng dụng dạng B dạng C (MIP TCP-Migrate) - Định nghĩa 2.1: Thời gian giảm thông lượng thời gian cần thiết để kết nối TCP khôi phục lại hoạt động trạng thái ổn định sau HO - Định nghĩa 2.2: Trễ HO thời gian kể từ MH nhận gói số liệu cuối ON đến nhận gói số liệu NN 2.4.1 Đánh giá hiệu suất HO kết nối TCP sử dụng MIP 2.4.1.1 Trễ chuyển giao Khoảng thời gian gói tin thất lạc : T = C − A = τ L + τ a + τ m (2.13) Trễ HO : Th1 = D - C1 + C1 – A (2.14) -9- γ −1 Hình 2.1: Sơ đồ hoạt động TCP-M Hình 2.1 minh họa trình HO TCP-M kết nối TCP MH di chuyển từ ON sang NN 2.4.2.1 Trễ chuyển giao Từ hình 2.1 ta thấy trễ HO TCP-M xác định sau: Th = C − A = τ L + τ a + E[ L] + tn -10- (2.18) Ở τ L τ a thời gian cần thiết để MH HO lớp tới NN đăng nhập địa IP tn trễ chiều CH MH MH NN E[L] Trễ trung bình để chuyển tin báo hiệu TCP-M Trễ HO TCP-M trung bình là: E[ L] = N m −1N m −1N m −1 ∑ ∑ ∑ P (i, j, k ) L (i, j, k ) h h i =0 j =0 k =0 Trong RTO = (2.19) ξRTTo ON RTT0 RTT 2.4.2.2 Thời gian giảm thông lượng Như mô tả trên, TCP CH khôi phục lại trang thái khởi động chậm (low start) thời điểm C1 (hình 2.1) Từ thời điểm A đến D khoảng thời gian giảm thông lượng (kí hiệu Tt2) kết nối TCP, xác định sau: Tt = D − A = τ L + τ a + E[ L] + [1 + log2 CW2 ]RTTn Trong τ L τ a Th = D1 − A = τ L + τ a + 2Dmc (2.24) Với τ L τ a thời gian cần thiết để HO lớp MH đến mạng NN cấp phát địa IP từ mạng NN Dmc độ trễ chiều trung bình để truyền tin báo hiệu SIP MH CH m ⎧ Dmc = (1 − q2 )⎨ B2 + A2 ∑ q2i −1 (γ i −1 − 1) + i =2 ⎩ ∞ ∑q i −1 [ A2 (γ m−1 − 1) + (i − m)γ m−2 Δ i = m +1 (2.25) (2.20) thời gian cần để MH HO lớp tới NN đăng nhập địa IP NN tn trễ chiều CH MH MH NN RTTn RTT MH NN 2.5 Xây dựng phương thức đánh giá hiệu suất chuyển giao ứng dụng dạng D dạng E (MIP SIP) Do ứng dụng dạng C D sử dụng giao thức kết nối UDP MH CH, hiệu suất HO ứng dụng dạng D dạng E phụ thuộc vào hiệu suất HO kết nối UDP Ở đây, lưu ý đến việc phân tích ứng dụng VoIP sử dụng RTP UDP 2.5.1 Đánh giá hiệu suất HO kết nối UDP sử dụng MIP Độ trễ HO tính khoảng thời gian MH nhận tin cuối mạng ON MH nhận tin mạng NN Th3 = D − A = τ L + τ a + τ m + tch + thn Với 2.5.2 Đánh giá hiệu suất chuyển giao kết nối UDP sử dụng SIP Độ trễ HO sử dụng giao thức SIP tính sau: (2.21) τ L , τ a τ m định nghĩa phần 2.4.1 Số lượng gói tin thất lạc là: Ph = R(C − G) = R(τ L + τ a + τ m + t ho ) -11- W2 W3 W8 V2 V3 V8 W1 W4 V1 V4 W6 V6 (2.22) Độ trễ truyền gói tin từ điểm đến điểm gói tin liệu VoIP theo đường từ MH đến CH Dfm khơng có RLP Dfmnr có RLP Dfmnr = D + twcn (2.22) D fmr = D + ( K p − 1)τ + t wcn (b) (a) Hình 2.2: So sánh trễ HO MIP SIP khơng có RLP (a) có RLP (b) 2.6 Phân tích đánh giá tương quan tiêu hao nguồn điện hiệu suất chuyển giao 2.6.1 Mơ hình phân tích W5 V5 W 10 W7 W9 V7 V9 V10 Hình 2.3: Mơ hình mạng MANET Như hình 2.3 nút di động có trọng số biểu diễn dung lượng pin cịn lại Từ mơ hình hệ thống, ta xây dựng mơ hình mạng kết nối Đinh nghĩa G = (𝑉, 𝐸) đồ thị truyền tin MANET, V = (2.23) -12- {V1,…,Vn} tập hợp đầu cuối di động, E tập hợp kết nối, 𝐿𝑖, 𝑗 = (𝑉𝑖, 𝑉𝑗) chúng có kết nối trực tiếp 2.6.2 Mơ tả giao thức Hình 2.4: Thủ tục kiểm tra tiêu hao lượng Nút nguồn gửi gói RREQ với Header thay đổi {MinEnergy, AODV RREQ Header} Sau gói chuyển tiếp tới nút trung gian trước tới nút đích Điểm khác biệt với giao thức khác thực việc kiểm tra lượng (Energy-check) nút trung gian mơ tả hình 2.4 2.6.3 Thuật tốn tìm tuyến Thuật tốn lựa chọn tuyến EEMA tóm tắt sau: routeset=shortest-route(S,D) minhop=min(shortest-route(S,D)) maxhop=minhop+2; cons1valid=Ø // Equation (1) for i=1 to maxsizeof(routeset) if minhop ≤ numhop(routeset(i)) ≤ maxhop then cons1valid weight then 15 Cost=weight 16 selectedroute=cons1valid(i) 17 Endif 18 Endfor 19 Return (selectedroute, cost) 2.6.4 Mô đánh giá Hình 2.5 cho thấy hiệu suất mạng theo tiêu chí thời gian trì (sống) mạng Quan sát kết quả, chúng tơi thấy thời gian trì mạng -13- AERP cải thiện tốt giao thức EEMA AODV tất mô Hình 2.6 biểu diễn hiệu suất mạng theo tiêu chí tỷ lệ phân phối tin Kết mô cho thấy, lưu lượng mạng thấp (số lượng kết nối đầu cuối thấp), tỷ lệ phân phối tin giao thức cao không khác nhiều Hình 2.5: Thời gian trì mạng Hình 2.6: Tỷ lệ phân phối tin 2.7 Kết luận Trong chương này, luận án đã: - Phân tích đánh giá hiệu suất quản lý di động cho nhiều loại ứng dụng khác (A,B,C,D,E) giao thức có MIP, TCP-M, SIP Từ chứng minh định lý liên quan tới việc thất lạc gói tin độ trễ trung bình, làm tiền đề xác định yếu tố ảnh hưởng tới QoS HO, là: xác suất gói tin bị thất lạc; độ trễ truyền tin; trung bình độ trễ truyền tin báo hiệu - Đề xuất giao thức định tuyến theo yêu cầu - EEMA cho MANET EEMA chọn tuyến tối ưu cho HO dựa trên: số bước nhảy hàm chi phí, cân đối trễ lượng tiêu thụ CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC ĐỊNH TRƯỚC BĂNG THÔNG CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG BCN 3.1 Mở đầu Luận án phân tích hai tham số liên quan tới chất lượng dịch vụ mức kết nối, là: xác suất khóa yêu cầu kết nối PCB xác suất rơi kết nối HO PHD Việc đặt trước băng thông tất tế bào mà thuê bao qua cần thiết để kết nối không bị gián đoạn Vấn đề đặt đặt trước băng thông cho đủ Trong chương luận án đề xuất chế dự báo HO, đặt trước băng thông linh hoạt điều khiển đăng nhập để đảm bảo xác suất rơi kết nối HO thấp giá trị mong muốn PHD,Target (theo thiết kế) -14- 3.2 Xây dựng mơ hình hệ thống Việc điều khiển đăng nhập cho kết nối thực khi: ∑i bi + bnew ≤ C − Br (3.1) Với C dung lượng kết nối vô tuyến, Br băng thông định sẵn cho HO, bi băng thông kết nối thứ i sử dụng bnew băng thông kết nối yêu cầu 3.2.1 Kiến trúc trao đổi tin Cơ chế định trước băng thông đề xuất dựa thông tin từ tế bào lân cận, bao gồm số kết nối diễn băng thơng u cầu Có hai kiến trúc mạng kiến trúc kết nối hình MSC BS, khơng có kết nối trực tiếp BS, kiến trúc BS có kết nối trực tiếp với không qua MSC 3.2.2 Mơ hình hố di chuyển Chúng tơi nghiên cứu lưu lượng giao thơng qua ví dụ: Có hạn chế tốc độ hầu hết đường, tốc độ di chuyển thường không nhỏ lớn tốc độ hạn chế Tín hiệu giao thơng ảnh hưởng tới việc di chuyển tuyến phố Trong cao điểm, tốc độ di chuyển khu vực định tương quan với Có thể dự báo hướng di chuyển phương tiện thông qua lịch sử di chuyển trước Từ quan sát trên, chúng tơi thấy việc đáp ứng HO cho kết nối tế bào thời điểm khác tương tự Do đó, ta dự báo tế bào kết nối ước tính thời điểm HO thơng qua việc giám sát tế bào 3.2.3 Tính tốn xác suất chuyển giao Phần này, chúng tơi phát triển chế ước tính dự báo di chuyển Cơ chế thực BS tế bào theo phương thức phân tán Hàm ước tính HO thời điểm t0 với tham số (Tevent, prev, next, Tsoj) biểu diễn sau: t0 – Tint – nTday ≤ Tevent < t0 + Tint – nTday (3.1) Tint khoảng thời gian ước tính, tham số thiết kế, Tday khoảng thời gian ngày w0 w1 w2 t0-Tint – 2Tday t0+Tint – 2Tday t0-Tint – Tday t0-Tint t0+Tint – Tday -15- t0 Hình 3.1: Cửa sổ thời gian thu hàm ước tính HO với Nwin_days=2 Luận án hạn chế số tham số (1) sử dụng cho hàm ước tính HO (2) khơng sử dụng cho hàm ước tính HO ghi lại để sử dụng tương lai, ví dụ tham số khoảng t0 + Tint – Tday < Tevent < t0- Tint t ! + T!"# − T!"# < T!"!#$ < t ! − T!"# hình 3.1 để giảm nhớ tính tốn phức tạp 3.3 Thuật tốn định trước băng thơng điều khiển đăng nhập 3.3.1 Định trước băng thông không thông tin di chuyển Sử dụng lý thuyết Bayes, xác suất ph(C0,j → next) p! (C!,! → next) thời điểm t0 tính: ∑ FHOE (t0 , prev(c0, j ),next, t soj ) Text _ soj ( c0 , j )Text _ soj ( c0 , j ) , (t0 , prev(c0, j ),next , , t soj ) (3.2) prev(c0,j) prev(C!,! )là tế bào có c0,j C!,! cư trú trước di chuyển vào tế bào tại, Ai tập số tế bào bên cạnh tế bào i 3.3.2 Định trước băng thông với thông tin di chuyển Một BS sử dụng hàm ước tính HO theo cách: thứ phán đoán tế bào mà MT di chuyển tới, thứ hai ước tính thời gian cư trú tế bào Xác suất ước tính HO là: ∑ FHOE (t0 , prev(c0, j ),next, t soj ) ph (c0, j → next ) := Text _ soj ( c0 , j )Text _ soj ( c0 , j ) !!"! !"# ! (! ,!"#$ !!,! !!!"# !!!"! ! !!!"# !"# ! !"# !,! !!"# !!!"! if !"# (!!,! ) !!"# (!! ,!"#$ !!"# !!!"!!"# (!!,! ) F!"# (t ! , prev Với ph(C0,j 0, (t0 , prev(c0, j ),next , t soj ) !!,! ,!"#$,!!"# ) C!,! , next, t !"# ) ≠ , 0, Khác → next’) := 0, next’ ≠ next if next ! ≠ next, , !!,! ,!"#$,!!"# ) (3.3) p! C!,! → next ! ≔ 3.3.3 Điều khiển cửa sổ ước tính thời gian di chuyển Gọi kích thước cửa sổ tham chiếu w (= P!",!"#$%! gán cho kích thước cửa sổ quan sát wobs Mã giả thuật toán sau: 01 if(w=[1/PHD,target]) then wobs := w; 02 Test := Tstart; nH := 0; nHD:= 0; -16- ) xác định ∑ b(C 0, j ) + bnew ≤ C (0) − Br , !∈!! b C!,! + b!"# ≤ C − B!,! j∈S Nếu việc kiểm tra dương, kết nối đăng nhập Trong C(0) bnew dung lượng liên kết tế bào băng thông kết nối yêu cầu 3.3.5 Kết mô Ở hình 3.3a, tải tăng xác suất rớt gọi tăng, hình 3.3b, xác suất khóa gọi khơng đổi Hình 3.4 cho thấy, với số kênh bảo vệ hàng đợi xác suất rớt gọi HO khóa gọi tăng, tỷ lệ kênh bảo vệ gọi HO tổng số kênh hệ thống giảm 1.2 1 Blocking probability of new calls Dropping probability of handoff calls 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 25 -0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 30 10 15 20 25 30 -0.2 Traffic load (ρ) without priority with queue Traffic load (ρ) with queue and priority without priority (a) with queue (b) -17- with queue and priority 35 Hình 3.3: a) Xác xuất rớt gọi HO theo lưu lượng kênh b) Xác xuất khóa gọi theo lưu lượng kênh 1.2 Dropping probability of handoff calls Blocking probability of new calls 03 while (Thời gian tăng) { 04 if (HO cell tại) then { 05 nH := nH + 1; 06 if (rơi kết nối) then { 07 nHD := nHD + 1; 08 if (nHD > wobs/w) then { 09 wobs := wobs + w; 10 if (Test < Tsoj,max) then Test := Test + 1; 11 }} 12 else if (nH ≥ wobs) then { 13 if (nHD ≤ wobs/w and Test >1) then Test := Test - 1; 14 wobs := w; nH := 0; nHD := 0; 15 }}} Hình 3.2: Mã giả thuật toán điều chỉnh Test BS 3.3.4 Điều khiển đăng nhập Sau tính tốn băng thơng định trước mong muốn theo cơng thức (3.1) thực kiểm tra đăng nhập, cụ thể: Kiểm tra : 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 25 -0.2 30 0.8 0.6 0.4 0.2 0 35 10 15 20 25 30 35 -0.2 Traffic load (p) C=16, K=4 C=15, K=4 Traffic load (p) C=14, K=4 C=16, K=4 (a) C=15, K=4 C=14, K=4 (b) Hình 3.4: a) Xác suất khóa gọi theo lưu lượng kênh với C khác b) Xác xuất rớt gọi HO theo lưu lượng kênh với C khác 3.4 Kết luận Nội dung chương dựa thông tin di chuyển người dùng cập nhật định kỳ để xây dựng chế dự báo xác suất HO , từ đưa định đăng ký trước băng thơng cho kết nối nhằm đảm bảo QoS cam kết Để thực nội dung nêu trên, luận án tập trung xây dựng đánh giá phương pháp dự báo đặt trước băng thông linh hoạt để điều khiển HO thiết lập gọi mới, đảm bảo xác suất rơi gọi thấp giá trị định trước Luận án tập trung phân tích ba chế điều khiển tiếp nhận gọi phụ thuộc vào việc có BS liền kề tham gia vào định đăng nhập yêu cầu kết nối Thông qua việc so sánh hiệu suất độ phức tạp chế này, luận án đưa kết luận chế AC3 mang lại hiệu suất cao với độ phực tập chấp nhận Phương pháp dự báo HO đặt trước băng thông sở để xây dựng nên phương thức quản lý HO linh hoạt chương sau CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC QUẢN LÝ CHUYỂN GIAO LINH HOẠT 4.1 Mở đầu Khi HO, ứng dụng khác bị ảnh hưởng khác Để hiểu ảnh hưởng HO lên ứng dụng di động, dựa yêu cầu quản lý di động, luận án phân chúng thành loại khác A, B, C, D, E Ảnh hưởng HO lên lớp ứng dụng khác phân tích chương 2, thể thông qua tham số Trễ HO kết cuối; Tính suốt lớp giao vận; Bảo mật; Tiêu thụ lượng hiệu suất mạng 4.2 Phân tích hiệu suất giao thức định tuyến cho MANETs 4.2.1 Xu hướng nghiên cứu thời gian gần -18- PDR (%) OLSR DSDV 70 10 15 20 Vmax (m/s) Hình 4.1 Tỷ lệ phân phối gói – Di động OLSR DSDV AODV DSR OLSR DSDV DSDV Routing Load OLSR 0.2 10 15 20 10 Vmax (m/s) 15 20 Vmax (m/s) Hình 4.3: Trễ trung bình - Di động Hình 4.4: Tải định tuyến chuẩn hóa – Di động Kết mô cho thấy, mơi trường MANET, đặc tính di động nút mạng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu hệ thống Khi nút di chuyển với vận tốc cao, liên kết có xác suất ngắt cao hơn, tuyến định tuyến lại gói liệu truyền lại ngày nhiều Do đó, tỷ lệ phân phối gói (Hình 4.1) thơng lượng (Hình 4.2) giảm nhanh độ trễ (Hình 4.3) tải định tuyến (Hình 4.4) nhanh chóng tăng 4.3 Giải pháp Quản lý chuyển giao linh hoạt (AMMS) Ước lượng Τrs Ước lượng S s Ước lượng Τ rt Ước lượng S t Trễ ước lượng ETE B C D E NRT Ước lượng S m Kích hoạt CAMP Kích hoạt CTMP Kích hoạt CNMP CAMP Lớp ứng dụng Ước lượng RTT CTMP Lớp giao vận Ước lượng Τrm AODV DSR Throughput (Kbps) AODV DSR AODV DSR Delay (s) Kết khảo sát giao thức định tuyến đề xuất để cải thiện hiệu suất cho MANET giai đoạn 2011 – 2020, công bố sở liệu Thư viện số Xplore cho thấy khoảng 80% giao thức định tuyến đề xuất mười năm gần dựa cải tiến từ giao thức truyền thống Kết khảo sát cho thấy hầu hết giao thức định tuyến đề xuất dựa cải tiến từ giao thức định tuyến truyền thống biết 4.2.2 Các giao thức định tuyến truyền thống Bao gồm (i) Giao thức định tuyến theo nhu cầu hoạt động theo nguyên tắc cần liệu, nút nguồn khám phá tìm đường đến nút đích; (ii) Giao thức định tuyến chủ động sử dụng bảng định tuyến để xác định tuyến đến tất nút mạng Các nút cập nhật thường xuyên với thông tin định tuyến kiến trúc mạng trạng thái liên kết để làm bảng định tuyến 4.2.3 Mơ phân tích kết Bảng 4.1: Tham số mô Tham số Giá trị Vùng mô 1000m×1000m Số nút 200 Thời gian 600 (s) Loại lưu lượng CBR Băng thơng (Mbit/s) Kích thước gói 512 (byte) MAC Layer 802.11 Transport Layer UDP Mơ hình di động Random Way Point Tốc độ di chuyển [5-20] (m/s) Phạm vi truyền 150 (m) CNMP Lớp mạng Đo RSS Dự báo di chuyển Ước lượng tốc độ Ước lượng FER Lớp liên kết 360 260 10 15 20 Vmax (m/s) Hình 4.2: Băng thơng tr bình - Di động -19- Hình 4.5: Cấu trúc AMMS Hình 4.5 minh họa cấu trúc AMMS NRT ứng dụng khơng thời gian thực lớp D E, cịn RT ứng dụng thời gian thực lớp D -20- E Như hình 4.5, việc sử dụng thơng tin từ lớp khác cho phép hoạt động xuyên suốt lớp giao thức quản lý di động - Giao thức quản lý di động lớp ứng dụng (CAMP): Sử dụng fi (t ) ⎧ b2 + ( L − d )2 L−d L−d ,