Luận án đã đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong phương thức truy nhập phân tán IEEE 802.11 EDCA. Luận án đã đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy Logic để điều khiển thông minh một số tham số trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LƯƠNG DUY HIẾU NÂNG CAO HIỆU NĂNG THÔNG LƯỢNG VÀ ĐỘ CÔNG BẰNG TRONG MẠNG KHÔNG DÂY AD HOC CỦA CHUẨN IEEE 802.11 EDCA LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LƯƠNG DUY HIẾU NÂNG CAO HIỆU NĂNG THÔNG LƯỢNG VÀ ĐỘ CÔNG BẰNG TRONG MẠNG KHÔNG DÂY AD HOC CỦA CHUẨN IEEE 802.11 EDCA Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho Tin học Mã số: 46 01 10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Thái Quang Vinh PGS TS Phạm Thanh Giang Hà Nội – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ với tiêu đề "Nâng cao hiệu thông lượng độ công mạng không dây AD HOC chuẩn IEEE 802.11 EDCA" cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS.TS Thái Quang Vinh PGS.TS Phạm Thanh Giang Các kết quả, số liệu trình bày luận án trung thực, phần cơng bố Tạp chí Kỷ yếu Hội thảo khoa học chuyên ngành Luận án có tham khảo sử dụng số thông tin từ nguồn sách, tạp chí luận án liệt kê danh mục tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2020 Lương Duy Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Nội dung luận án thực Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Nghiên cứu sinh xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Thái Quang Vinh PGS.TS Phạm Thanh Giang, người tận tình hướng dẫn, định hướng cho trình nghiên cứu thực luận án Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quý báu qua buổi seminar định kỳ hàng tháng quý Thầy Cô, chuyên gia, NCS nhóm nghiên cứu Cơng nghệ mạng Truyền thông Viện Công nghệ thông tin Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin, Phịng Tin học Viễn thơng tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu thực luận án Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Cục ứng dụng Phát triển công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành đề tài nghiên cứu Cuối biết ơn sâu sắc tới gia đình ln chia sẻ, cảm thơng, khích lệ tinh thần để tơi hồn thành luận án NCS Lương Duy Hiếu iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY ADHOC 1.1 1.2 1.3 Giới thiệu mạng adhoc 1.1.1 Định nghĩa mạng adhoc 1.1.2 Kiến trúc mạng adhoc 10 1.1.3 Công nghệ truyền thông 12 1.1.4 Một số đặc tính mạng adhoc 14 1.1.5 Ứng dụng mạng adhoc 15 Nhân tố ảnh hưởng đến hiệu mạng adhoc 18 1.2.1 Hiện tượng multipath fading đường truyền 18 1.2.2 Sự suy giảm tín hiệu dung lượng kênh 19 1.2.3 Biến động định tuyến 20 1.2.4 Tương tranh luồng liệu tầng LLC 21 1.2.5 Tương tranh luồng liệu tầng MAC 24 Phương pháp đánh giá hiệu mạng adhoc 25 1.3.1 Sử dụng mơ hình giải tích 25 1.3.2 Phương pháp thực mô 26 iv 1.3.3 1.4 Phương pháp thực nghiệm 26 Hướng tiếp cận giải toán hiệu mạng adhoc 27 1.4.1 Hướng tiếp cận giao thức định tuyến 27 1.4.2 Hướng tiếp cận chế xử lý hàng đợi 29 1.4.3 Hướng tiếp cận phương thức truy nhập môi trường truyền 30 1.4.4 Một số đánh giá, nhận xét 32 1.5 Hướng tiếp cận định hướng nghiên cứu luận án 32 1.6 Kết luận chương 38 CHƯƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BỘ THAM SỐ TRUY XUẤT KÊNH TRUYỀN PHÂN TÁN NÂNG CAO IEEE 802.11 EDCA 2.1 39 Phương thức truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA 39 2.1.1 Tổng quan IEEE 802.11 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) 39 2.1.2 Định dạng cấu trúc trường thông tin IEEE 802.11 EDCA 41 2.1.3 Cơ chế truy nhập kênh truyền IEEE 802.11 EDCA 42 2.1.4 Phân tích, đánh giá thơng lượng luồng liệu IEEE 802.11 EDCA 44 2.2 Xây dựng mô đánh giá ảnh hưởng tham số IEEE 802.11 EDCA 45 2.3 2.2.1 Thiết lập mơ hình mạng mơi trường mô 45 2.2.2 Các số đo lường mạng 46 2.2.3 Kịch đánh giá tham số TXOP 47 2.2.4 Phân tích kết mơ đánh giá tham số TXOP 47 2.2.5 Kịch đánh giá tham số CW 49 2.2.6 Phân tích kết mơ đánh giá tham số CW 49 Một số kết luận 51 v 2.4 Kết luận chương 51 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG LUỒNG DỮ LIỆU THEO MỨC ĐỘ ƯU TIÊN KHÁC NHAU DỰA TRÊN CƠ CHẾ ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ TXOP ĐỘNG 53 3.1 Đặt vấn đề 53 3.2 Giải pháp đề xuất 54 3.2.1 Ý tưởng phương pháp 54 3.2.2 Mơ hình đề xuất 54 3.2.3 Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP 60 3.3 Hàm mục tiêu số đo lường đề xuất 63 3.4 Thực mô 65 3.5 3.6 3.7 3.4.1 Mơ hình đơn chặng với tham số TXOP động 66 3.4.2 Mơ hình đa chặng với tham số TXOP động 66 Phân tích, đánh giá mơ 67 3.5.1 Phân tích kết mô 68 3.5.2 Đánh giá thông lượng 73 3.5.3 Đánh giá số công 75 3.5.4 Đánh giá số độ trễ 76 3.5.5 Đánh giá tải 78 3.5.6 Đánh giá tính khả thi ứng dụng 78 So sánh với số kết công bố 79 3.6.1 So sánh phương pháp thực 79 3.6.2 So sánh kết công bố: 83 Kết luận chương 85 vi CHƯƠNG ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG FUZZY LOGIC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MỘT SỐ THAM SỐ TRONG IEEE 802.11 EDCA NHẰM NÂNG CAO TÍNH CƠNG BẰNG CHO CÁC LUỒNG DỮ LIỆU 86 4.1 Đặt vấn đề 86 4.2 Cơ sở lý thuyết liên quan 87 4.3 4.2.1 Fuzzy logic 87 4.2.2 Điều khiển thông minh qua Fuzzy logic 90 4.2.3 Các nghiên cứu liên quan Fuzzy logic 91 Giải pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh tham số TXOP, CW 92 4.4 4.3.1 Ý tưởng đề xuất 92 4.3.2 Mơ hình Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP 92 4.3.3 Mô hình Fuzzy logic điều khiển tham số CW 97 4.3.4 Case-study: Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP 99 4.3.5 Case-study: Fuzzy logic điều khiển tham số CW 101 Phân tích đánh giá mô 102 4.4.1 Các số đo lường 102 4.4.2 Thực mô 103 4.5 So sánh kết hai mơ hình 106 4.6 So sánh số kết công bố 106 4.7 So sánh kết với đề xuất 110 4.8 Kết luận chương 111 KẾT LUẬN 113 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh AODV Adhoc On-demand Dis- Giao thức định tuyến vector tance Vector routing AIFS Nghĩa tiếng Việt khoảng cách theo yêu cầu Interframe Khoảng thời gian truyền Arbitration Space frame Adhoc Adhoc Network Mạng Adhoc BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BF Backoff Factor Hệ số trì hỗn BSS Basic Service Set Tập trạm dịch vụ sở CBR Constant Bit Rate Tôc đô bit không đổi CSMA.CA Carrier Sense Multiple Giao thức đa truy nhập cảm Access with Collision nhận sóng mang có dị tìm xung Avoidance đột CP Contention Period Khoảng xung đột CTS Clear To Send Gói tin thơng báo sẵn sàng để truyền chuẩn IEEE 802.11 CW Contention Window Cửa sổ tranh chấp DCF Distributed Coordination Chức điều phối phân tán Function DSSS Direct Sequence Spread Trải phổ trực tiếp Spectrum EDCA Enhanced Distributed Điều khiển truy nhập kênh Channel Access truyền phân tán nâng cao viii EDCAF Enhanced Distributed Chức điều khiển truy nhập Channel Access Function kênh truyền phân tán nâng cao EP Estimation Period Giai đoạn ước lượng FHSS Frequency Hopping Trải phổ theo phương thức nhảy Spread Spectrum tần FIFO First In First Out Vào trước trước FCFS First Come First Serve Vào trước phục vụ trước HCCA HCF Controlled Channel Truy nhập kênh truyền Access HCF Hybrid điều khiển HCF Coordination Chức cộng tác lai Function IEEE Institute of Electrical and Học viện Điện Điện tử Electronics Engineers IFS Inter Frame Space Khoảng cách khung tin LCFS Last Come First Serve Vào sau phục vụ trước MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường NS-2 Network Simulator OFDM Orthogonal Bộ mô mạng NS2 Frequency Phân chia kênh theo tần số trực Division Multiplexing giao PC Point Coordinator Điểm điều phối PCF Point Coordination Func- Chức điều phối điểm tion QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RTS Request To Send Gói tin gửi yêu cầu để truyền chuẩn IEEE 802.11 RT Real-Time Thời gian thực RR Round Robin Thuật tốn xoay vịng UDP User Datagram Protocol Giao thức tin người dùng ix SIFS Short Interframe Space Khoảng cách ngắn (thời gian khung tin chuẩn IEEE 802.11) TXOP Transmission Opportunity TCP Transmission Control Proto- Giao thức điều khiển việc col WLAN Cơ hội truyền truyền Wireless Local Area Net- Mạng cục không dây work x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng adhoc di động Hình 1.2 Mơ hình đơn chặng Hình 1.3 Mơ hình đa chặng 10 Hình 1.4 Mơ hình tham chiếu OSI IEEE 802.11 10 Hình 1.5 Kiến trúc logic IBSS [18] 11 Hình 1.6 Phương thức truy nhập kênh mạng adhoc 12 Hình 1.7 Mạng VANET [1] 16 Hình 1.8 Mạng FANET [2] 17 Hình 1.9 Mạng BAN [4] 17 Hình 1.10 Mơ hình hàng đợi có người phục vụ 20 Hình 1.11 Mơ hình đa chặng 22 Hình 1.12 Tương tranh băng thông IEEE 802.11 [30] 24 Hình 1.13 Các loại ACs hàng đợi IEEE 802.11 EDCA [30] 33 Hình 1.14 Cơ chế truy nhập kênh có xung đột bên 802.11 EDCA 35 Hình 1.15 Cơ chế truy nhập kênh có xung đột bên ngồi 802.11 EDCA 36 Hình 1.16 Phương pháp điều khiển truy nhập IEEE 802.11 [19] 36 Hình 2.1 Cấu trúc trường thơng tin EDCA [18] 41 Hình 2.2 Cấu trúc trường thông tin cho AC [18] 42 Hình 2.3 Thủ tục truy nhập kênh truyền IEEE 802.11 EDCA 42 Hình 2.4 Tham số TXOP limit IEEE 802.11 EDCA [30] 43 Hình 2.5 Mơ hình đơn chặng với luồng liệu 44 Hình 2.6 Throughput theo tham số chuẩn IEEE 802.11 EDCA 45 Hình 2.7 Throughput luồng BE cho kịch Bảng 2.5 48 Hình 2.8 Throughput luồng BE cho kịch Bảng 2.7 50 xi Hình 3.1 Mơ hình IEEE 802.11 EDCA 55 Hình 3.2 Mơ hình IEEE 802.11 EDCA với module đề xuất 56 Hình 3.3 Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn modun TXOP-Flow 57 Hình 3.4 Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn TXOP-Flow-Active-Time 58 Hình 3.5 Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn Adaptive-TXOP module 60 Hình 3.6 Kịch đơn chặng với luồng liệu 66 Hình 3.7 Kịch đa chặng với luồng liệu 66 Hình 3.8 Kịch đa chặng nút với luồng liệu 67 Hình 3.9 Kịch đa chặng hỗn hợp với luồng liệu 67 Hình 3.10 Throughput luồng theo tham số IEEE 802.11 EDCA 68 Hình 3.11 Throughput luồng theo phương pháp đề xuất 68 Hình 3.12 So sánh số Fairness hai phương pháp 69 Hình 3.13 So sánh tổng Throughput hai phương pháp 69 Hình 3.14 Tổng Throughput luồng theo IEEE 802.11 EDCA 70 Hình 3.15 Tổng Throughput luồng theo phương pháp đề xuất 70 Hình 3.16 Throughput luồng theo IEEE 802.11 EDCA 71 Hình 3.17 Throughput luồng theo phương pháp đề xuất 71 Hình 3.18 So sánh tổng Throughput hai phương pháp 72 Hình 3.19 So sánh số Fairness hai phương pháp 72 Hình 3.20 Phần trăm độ tăng Throughput luồng BE đơn chặng 74 Hình 3.21 Phần trăm độ tăng Throughput luồng BE đa chặng 74 Hình 3.22 Phần trăm độ tăng số Fairness đơn chặng 75 Hình 3.23 Phần trăm độ tăng số Fairness đa chặng 76 Hình 3.24 Độ trễ luồng mơ hình đơn chặng theo 802.11 EDCA 76 Hình 3.25 Độ trễ luồng mơ hình đơn chặng theo đề xuất 77 Hình 3.26 Tổng độ trễ luồng hai phương pháp 77 Hình 3.27 Tổng độ trễ luồng theo mơ hình đa chặng 78 Hình 3.28 Lưu đồ điều chỉnh tham số TXOP động [48] 80 Hình 3.29 Lược đồ phân bổ giá trị TXOP theo lưu lượng [51] 81 xii Hình 3.30 Lưu đồ điều chỉnh tham số TXOP động [51] 82 Hình 4.1 Cấu hình Fuzzy Control System 88 Hình 4.2 Bộ điều khiển mờ cho tham số TXOP 93 Hình 4.3 Hàm thành viên điều khiển tham số TXOP 94 Hình 4.5 Bộ điều khiển mờ cho tham số CW 97 Hình 4.6 Hàm thành viên điều khiển tham số CW 98 Hình 4.7 Fuzzy logic thực kịch 100 Hình 4.8 Fuzzy logic thực kịch 102 Hình 4.9 Kết số Fairness mơ hình đơn chặng 104 Hình 4.10 Kết số Fairness mơ hình đa chặng 105 xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật số chuẩn giao tiếp không dây 13 Bảng 2.1 Bảng luồng liệu theo thứ tự ưu tiên [30] 40 Bảng 2.2 Bảng ánh xạ UP AC [30] 41 Bảng 2.3 Tham số mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA [30] 44 Bảng 2.4 Các tham số mô 46 Bảng 2.5 Các kịch đánh giá tham số TXOP 47 Bảng 2.6 Bảng số công cho kịch Bảng 2.5 48 Bảng 2.7 Các kịch đánh giá tham số CW 49 Bảng 2.8 Bảng số công cho kịch theo Bảng 2.7 50 Bảng 3.1 Bảng phân mức số Fairness từ cao đến thấp 64 Bảng 3.2 Các tham số mô 65 Bảng 3.3 Bảng thơng lượng mơ hình nút 802.11 EDCA phương pháp đề xuất 73 Bảng 3.4 Bảng thơng lượng mơ hình nút hỗn hợp 802.11 EDCA phương pháp đề xuất 73 Bảng 3.5 Bảng kết thông lượng luồng ưu tiên thấp [48], [51] 83 Bảng 3.6 Bảng so sánh tỷ lệ tăng thông lượng luồng ưu tiên thấp Bảng 3.7 Bảng so sánh số công phương pháp 84 Bảng 4.1 Bảng luật mờ điều khiển tham số TXOP 96 Bảng 4.2 Bảng luật mờ điều khiển tham số CW 99 Bảng 4.3 Các kịch thử nghiệm điều khiển tham số TXOP 99 Bảng 4.4 Các kịch thử nghiệm điều khiển tham số CW 101 Bảng 4.5 Các tham số mô 103 84 xiv Bảng 4.6 Thông lượng luồng điều khiển tham số CW 104 Bảng 4.7 Thông lượng luồng điều khiển tham số TXOP 104 Bảng 4.8 Thông lượng luồng điều khiển tham số CW, đa chặng105 Bảng 4.9 Thông lượng luồng điều khiển tham số TXOP 106 Bảng 4.10 Bảng thông lượng số công đề xuất 106 Bảng 4.11 Bảng luật mờ [72] 107 Bảng 4.12 Bảng luật mờ [74] 108 Bảng 4.13 Bảng thông lượng [72] với đề xuất 109 Bảng 4.14 Bảng tỷ lệ tăng thông lượng [72] với đề xuất 109 Bảng 4.15 Bảng thông lượng [74] với đề xuất 110 Bảng 4.16 Bảng tỷ lệ tăng thông lượng [74] với đề xuất 110 Bảng 4.17 Bảng thơng lượng trung bình đề xuất đề xuất 110 Bảng 4.18 Bảng số công đề xuất đề xuất 111 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Ngày nay, công nghệ truyền dẫn không dây (Wireless Technology) phát triển nhanh chóng sử dụng hạ tầng sở phục vụ cho việc kết nối thiết bị, chí người với với mạng Internet Các công nghệ kết nối không dây tốc độ cao WiFi, 4G, 5G cho phép thiết bị kết nối dễ dàng, hiệu kinh tế Trong loại hình mạng không dây di động adhoc đánh giá cao tính tiện dụng có miền ứng dụng rộng lớn Các ứng dụng điển hình mạng adhoc trải rộng nhiều lĩnh vực đời sống từ quân đến dân với nhiều biến thể khác Tiêu biểu lĩnh vực quân với mạng FANET [1] cho phép thu thập thơng tin tình báo, xây dựng đồ tác chiến Trong lĩnh vực dân với mạng VANET [2, 3] cho phép triển khai dịch vụ cho giao thông thông minh, với mạng BAN [4] ứng dụng lĩnh vực y tế cho phép triển khai dịch vụ theo dõi chăm sóc sức khỏe cộng đồng Mạng adhoc với đặc tính tự trị, khơng cần có hạ tầng, định tuyến đa chặng, lượng hoạt động hạn chế, rủi ro an ninh, tô-pô mạng thường xuyên thay đổi Những đặc tính tạo nhiều thách thức tất tầng mạng Ví dụ, tầng vật lý phải xử lý tín hiệu với thay đổi nhanh đặc tính liên kết Tầng MAC phải đảm bảo khả truy nhập kênh công bằng, giảm thiểu xung đột gói tin, tầng mạng địi hỏi nút phối hợp để tính tốn đường tối ưu điều kiện phải thỏa mãn nhiều ràng buộc phức tạp Bên cạnh đó, đặc tính di động mạng khơng dây adhoc, nút tham gia mạng có đặc điểm khác việc truy nhập kênh truyền khác số luồng, số chặng Điều này, kéo theo hiệu mạng adhoc bị suy giảm nhanh thể qua thông số tỉ lệ lỗi, tỷ lệ gói cao, thơng lượng giảm tính cơng dễ bị phá vỡ Trong năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu mạng adhoc [5, 6, 7] nước [8, 9, 10, 11] giới nghiên cứu quan tâm, mang lại giá trị thực tiễn giá trị khoa học, giúp mở nhiều hội ứng dụng nâng cao tiềm lực công nghệ cho quốc gia Nhiều toán quan trọng nhà khoa học giải điều khiển truy nhập, vấn đề tìm đường đi, truyền thơng tin cậy, đảm bảo chất lượng dịch vụ [12, 13], Trong đó, phân lớp cộng đồng nghiên cứu quan tâm sâu giải toán then chốt tầng điều khiển truy nhập MAC chuẩn IEEE 802.11 nhằm cải thiện hiệu nâng cao chất lượng dịch vụ cho ứng dụng mạng khơng dây adhoc Bài tốn phân lớp này, bao hàm nhiều vấn đề cần giải với ràng buộc kỹ thuật phức tạp Đó vấn đề tranh chấp tài nguyên va chạm truyền phát nút mạng luồng liệu mạng Các liên kết khơng dây lỗi bít cao khiến gói tin phải truyền lại nhiều lần, làm hạ thấp băng thơng hiệu dụng Các yếu tố bên ngồi nhiễu kênh vô tuyến, giao thoa, fading ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu truyền Trong mạng adhoc đa chặng, trạm phải truyền luồng trực tiếp sinh trạm luồng chuyển tiếp sinh luồng hàng xóm, phải chia sẻ dung lượng kênh truyền với trạm khác Hiệu ứng tranh chấp làm ảnh hưởng đến hiệu mạng Trước gia tăng mạnh mẽ ứng dụng tảng mạng không dây, nhu cầu nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu cho mạng adhoc trở thành vấn đề cấp thiết Nắm bắt xu đó, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nâng cao hiệu thông lượng độ công mạng không dây adhoc chuẩn IEEE 802.11 EDCA” Để đảm bảo tính khả thi việc nghiên cứu với điều kiện giới hạn thời gian, hạ tầng trang thiết bị có, nghiên cứu sinh tập trung vào hướng nghiên cứu nâng cao hiệu thông lượng độ công tầng điều khiển truy nhập MAC theo phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA chuẩn IEEE 802.11 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Trên sở phân tích tính cấp thiết đề tài, nghiên cứu sinh xác định mục tiêu nghiên cứu luận án tập trung giải toán nâng cao hai số đo lường hiệu mạng thông lượng độ công Mục tiêu cụ thể hóa nội dung đây: (1) Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng liệu theo mức độ ưu tiên khác dựa chế điều chỉnh tham số TXOP động EDCA Trong đó, việc cải thiện chất lượng luồng liệu thể đề xuất cần đảm bảo cho luồng ưu tiên thấp không bị luồng ưu tiên cao sử dụng hết băng thơng có đồng thời giữ số công luồng liệu mức trung bình theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA đạt (2) Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy Logic để điều khiển thông minh số tham số IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính cơng cho luồng liệu Trong đó, tính cơng thể thông qua việc luồng ưu tiên thấp dành mức băng thơng theo tỷ lệ thích hợp với luồng ưu tiên cao Với việc phân chia tài ngun có theo phương pháp điều khiển thơng minh tham số IEEE 802.11 EDCA góp phần trì tính ổn định nâng cao chất lượng truyền tải liệu ứng dụng tảng mạng không dây adhoc Đối tượng nghiên cứu đề tài Luận án tập trung vào đối tượng sau mạng adhoc: (1) Tầng điều khiển truy nhập môi trường truyền MAC (Medium Access Control) (2) Phương thức điều khiển truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) Phạm vi nghiên cứu đề tài Nghiên cứu tham số chế truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao hiệu cho luồng liệu theo số đo lường gồm thông lượng số công Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu nghiên cứu đề ra, luận án xác định nội dung nghiên cứu cụ thể sau: (1) Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số TXOP IEEE 802.11 EDCA tới hiệu mạng adhoc (2) Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số CW IEEE 802.11 EDCA tới hiệu mạng adhoc (3) Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng liệu theo mức độ ưu tiên khác dựa chế điều chỉnh tham số TXOP động IEEE 802.11 EDCA (4) Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh số tham số IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính cơng cho luồng liệu Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sinh thực phương pháp nghiên cứu theo quy trình sau: (1) Nêu lên vấn đề tồn đối tượng nghiên cứu (2) Phân tích, khảo sát yếu tố có ảnh hướng đến đối tượng nghiên cứu để xác định ưu nhược điểm yếu tố (3) Tìm hiểu nghiên cứu nước đối tượng nêu để đưa phương pháp (4) Xây dựng thuật tốn, mơ hình để giải vấn đề nhận diện (5) Kiểm tra tính đắn kỹ thuật tin cậy 5 Kỹ thuật công cụ sử dụng (1) Công cụ mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô NS2 [14] để kiểm chứng tính hiệu đề xuất thơng qua kịch mơ điển hình, mang tính đại diện mạng adhoc (2) Kỹ thuật phân tích, nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp tổng hợp, so sánh, phân tích đánh giá cơng trình nghiên cứu liên quan nước để nhận dạng vấn đề chưa giải quyết, vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu theo định hướng đề tài Từ đó, lựa chọn thích hợp nội dung, vấn đề nghiên cứu Trên sở đó, thực cải tiến đề xuất phương pháp nhằm giải toán Ý nghĩa nghiên cứu đề tài (1) Giá trị thực tiễn: Ngày nay, công nghệ truyền dẫn khơng dây phát triển nhanh chóng sử dụng hạ tầng sở phục vụ cho việc kết nối thiết bị IoT [15] Các công nghệ kết nối không dây tốc độ cao WiFi, 3G, 4G cho phép thiết bị kết nối dễ dàng, hiệu kinh tế Nhiều ứng dụng tảng mạng không dây, đặc biệt mạng adhoc giao thông thông minh, y tế thông minh, nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh dự báo trở nên phổ biến có ảnh hưởng lớn tới đời sống xã hội nhiều thập kỷ tới Giải toán nâng cao hiệu cho mạng không dây adhoc vấn đề có tính thời sự, mang lại nhiều ý nghĩa việc triển khai ứng dụng đòi hỏi khắt khe thơng lượng, độ tin cậy tính sẵn sàng cao (2) Ý nghĩa khoa học: Kết nghiên cứu đề tài luận án góp phần hỗ trợ việc đào tạo cán trình độ cao, đẩy mạnh ứng dụng kết nghiên cứu bản, đóng góp thiết thực cho việc phát triển kinh tế - xã hội đất nước; góp phần nâng cao tiềm lực nghiên cứu lĩnh vực công nghệ cao, thúc đẩy đổi công nghệ lĩnh vực cách mạng cơng nghệ 4.0 Đóng góp vào tính đề tài luận án Đóng góp vào hướng nghiên cứu, luận án đề xuất hai nội dung có tính sau: (1) Luận án đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng liệu theo mức độ ưu tiên khác dựa chế điều chỉnh tham số TXOP động phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA (2) Luận án đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh số tham số phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính cơng cho luồng liệu (3) Ngoài hai đề xuất có tính mang tính lý thuyết, luận án thực khảo sát phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số IEEE 802.11 EDCA tới hiệu mạng adhoc qua việc xây dựng mô với tham số riêng Luận án giới thiệu kết thực nghiệm việc truyền liệu đa phương tiện ứng dụng cho mạng VANET, trường hợp điển hình mạng adhoc Thực nghiệm này, thiết lập kênh truyền thơng kiểm sốt việc xử lý liệu đa phương tiện giúp mở hội việc triển khai ứng dụng mạng VANET với độ tin cậy cao nhằm sớm bắt kịp với công nghệ cách mạng 4.0 10 Bố cục luận án Bố cục luận án bao gồm phần Mở đầu, chương Nội dung, phần Kết luận hướng phát triển đề tài Cụ thể sau: Phần mở đầu: Tập trung phân tích, tính cấp thiết đề tài nghiên cứu, từ xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu phương pháp nghiên cứu đề tài luận án Chương 1: Tổng quan mạng không dây adhoc Nội dung chương hệ thống hóa lại kiến thức sở, tập trung phân tích yếu tố liên quan đến hiệu mạng adhoc, hướng tiếp cận chủ đạo việc giải toán nâng cao hiệu mạng Phân tích, đánh giá nghiên cứu nước nước đạt được, từ xác định vấn đề cịn tồn cần tiếp tục nghiên cứu 7 Chương 2: Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số IEEE 802.11 EDCA tới hiệu mạng adhoc Nội dung chương thực khảo sát chế điều khiển truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA thông qua việc phân tích tham số truy nhập mơi trường truyền IEEE 802.11 EDCA nhằm đánh giá tác động, ảnh hưởng đến chất lượng luồng ưu tiên cao luồng ưu tiên thấp Đây sở để đưa đề xuất với mục tiêu nâng cao hiệu năng, tăng chất lượng cho luồng liệu thực thi ứng dụng đòi hỏi khắt khe tiêu chí đảm bảo chất lượng QoS Chương 3: Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng liệu theo mức độ ưu tiên khác dựa chế điều chỉnh tham số TXOP động IEEE 802.11 EDCA Nội dung chương trình bày phương pháp mới, thông qua việc điều chỉnh tham số TXOP theo chế động IEEE 802.11 EDCA Mục tiêu đề xuất nhằm nâng cao độ công đảm bảo thông lượng cho luồng liệu phù hợp với độ ưu tiên loại liệu môi trường mạng adhoc Chương 4: Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh số tham số IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính cơng cho luồng liệu Nội dung chương trình bày phương pháp tiếp cận cho việc điều khiển tham số phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA theo hướng ứng dụng trí tuệ nhân tạo Giải pháp sử dụng Fuzzy logic để điều chỉnh thông minh tham số TXOP, CW IEEE 802.11 EDCA áp dụng môi trường mạng adhoc theo độ ưu tiên loại liệu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY ADHOC Trong chương này, luận án hệ thống hóa lại kiến thức sở liên quan đến mạng khơng dây adhoc, tập trung phân tích đặc tính, cấu trúc, ứng dụng, cơng nghệ truyền thơng mạng adhoc Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hiệu mạng, hướng tiếp cận chủ đạo việc giải toán nâng cao hiệu mạng adhoc, đồng thời đánh giá kết nghiên cứu nước nước đạt năm gần đây, từ xác định vấn đề tồn cần tiếp tục nghiên cứu Phần cuối chương trình bày hướng tiếp cận định hướng nghiên cứu luận án, xác định mục tiêu nội dung thực 1.1 Giới thiệu mạng adhoc 1.1.1 Định nghĩa mạng adhoc Thuật ngữ mạng adhoc đời từ năm 1972, thời điểm thường gọi với tên Packet Radio Networking (PRNET) phát triển dự án Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) [16] Đến năm đầu thập kỷ 1990, khái niệm adhoc thực phổ biến đề cập thiết bị dùng kết nối thông dụng notebook, computers Mạng không dây adhoc có nhiều định nghĩa, định nghĩa có cách diễn đạt khác thể đặc tính mạng adhoc tính độc lập tự kết nối Dưới trích dẫn hai định nghĩa mạng adhoc [17] Định nghĩa 1: Mạng adhoc network mạng khơng dây trạm liên lạc trực tiếp với trạm khác mà không cần dựa điểm truy nhập chung Các trạm mạng adhoc liên lạc trực tiếp chúng cung nằm vùng phủ sóng Định nghĩa 2: Mạng adhoc mạng tự cấu hình nút di động kết nối với thông qua liên kết không dây tạo nên mạng độc lập không phụ thuộc vào sở hạ tầng mạng Các thiết bị mạng di chuyển cách tự theo hướng Hình 1.1: Mạng adhoc di động Có thể hình dung mạng adhoc đồ thị, nút mạng biểu diễn đỉnh đồ thị Mỗi nút mạng thiết bị, máy tính riêng lẻ tham gia vào mạng Hai nút kết nối với liên kết chúng nằm phạm vi hoạt động (vùng phủ sóng / cự li truyền) Mạng adhoc có hai mơ hình đơn chặng đa chặng Mơ hình đơn chặng Hình 1.2 khoảng cách hai nút mạng S1 R nằm vùng truyền sóng Hình 1.2: Mơ hình đơn chặng Mơ hình đa chặng Hình 1.3 khoảng cách truyền sóng hai nút vượt 10 khỏi vùng truyền sóng Nút S2 muốn truyền liệu qua nút R phải qua nút S1 Trong mạng không dây quy định khoảng truyền khoảng cách trạm nhận nhận giải mã tín hiệu trạm gửi Hình 1.3: Mơ hình đa chặng Khu vực ngồi khoảng truyền, tín hiệu từ trạm gửi bị suy hao giải mã đúng, cảm nhận tồn trạm gửi 1.1.2 Kiến trúc mạng adhoc Mạng không dây adhoc thiết kế phức tạp so với trạm mạng khơng dây có sở hạ tầng trạm phải cài đặt kỹ thuật truy cập đường truyền thực chức định tuyến Hình 1.4: Mơ hình tham chiếu OSI IEEE 802.11 11 Hiện có nhiều chuẩn giao tiếp không dây đời để đáp ứng nhu cầu truyền thơng, chuẩn IEEE 802.11 sử dụng phổ biến mạng adhoc Trong kiến trúc giao thức, tham chiếu với mơ hình OSI (Open Systems Interconnection), chuẩn IEEE 802.11 đặc tả tương ứng hai tầng thấp Hình 1.4, tầng liên kết gồm hai tầng (1) MAC (Medium Access Control): Chịu trách nhiệm tạo khn dạng gói số liệu theo cấu trúc quy định Điều khiển việc truy nhập vào kênh truyền chung cách bình đẳng đồng thời phát giải xung đột (2) LLC (Logical Link Control): Chịu trách nhiệm thực biện pháp điều khiển lưu lượng điều khiển tắc nghẽn, đồng thời phát lỗi sửa lỗi Nhiệm vụ chung lớp LLC đảm bảo chuyển tiếp số liệu xác thực thể cuối giao thức trao đổi số liệu hỗ trợ ứng dụng mức chức cao LAN Ngoài ra, tầng LLC sử dụng dịch vụ tầng MAC để cung cấp dịch vụ vận chuyển giống cho tầng network bên Trong mạng adhoc, node mạng đóng vai trị trạm trung chuyển Hình 1.5: Kiến trúc logic IBSS [18] node khác Hình 1.5 mơ tả tập dịch vụ độc lập IBSS (Independent Basic Service Set) điển hình mạng adhoc, gồm nút không dây ngang hàng với nhau, chúng truyền thông trực tiếp với không thông qua điểm truy cập khác Các nút phải vùng phủ sóng để có 12 thể truyền thông Tầng MAC mạng adhoc hỗ trợ hai phương thức truy nhập môi trường truyền phương thức cộng tác điểm DCF (Distributed Coordination Function) phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) Hình 1.6 Trong chức tránh xung đột CA thực cách trạm chờ khoảng thời gian tính ngẫu nhiên (random back off time) phát xung đột, ngược lại cảm nhận môi trường rỗi trạm thực truyền tin Hai phương thức dựa vào giao thức truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) Trong phương thức DCF cung Hình 1.6: Phương thức truy nhập kênh mạng adhoc cấp dịch vụ kiểu Best-effort, khơng có chế đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) Phương thức EDCA phiên nâng cao DCF cho phép xử lý liệu dựa dịch vụ có phân biệt nhằm hỗ trợ QoS 1.1.3 Công nghệ truyền thông Chuẩn IEEE 802.11 phê chuẩn để trở thành chuẩn thực tế mạng không dây [19] Tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) thành lập nhóm WGs chuyên trách chịu trách nhiệm công bố mô tả thông số kỹ thuật đặc trưng cho tiêu chuẩn khác hai tầng thấp tầng liên kết liệu (data link layer) tầng vật lý (physical layer) theo mơ 13 hình tầng OSI Bảng tổng hợp đặc điểm số chuẩn IEEE 802.11 sử dụng phổ biến cho mạng adhoc Bảng 1.1: Đặc tính kỹ thuật số chuẩn giao tiếp không dây Công nghệ IEEE 802.11b Tốc độ 11 Mbit/s Tần số Phạm vi Kỹ thuật điều chế 2.4 GHz 124 m DBPSK, DQPSK, CCK/ DSSS IEEE 802.11g 54 Mbit/s 2.4 GHz 140 m DBPSK,DQPSK,16QAM,64QAM/OFDM IEEE 802.11a 54 Mbit/s GHz 120 m BPSK,QPSK,16QAM,64-QAM / OFDM IEEE 802.11n 600 Mbit/s 2.4 GHz 250 m 64-QAM/OFDM IEEE 802.11ac 1.73 Gbit/s GHz 140 m BPSK,QPSK,16QAM, 64-QAM,256QAM/OFDM (1) Tầng Vật lý (Physical Layer): Chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ ba công nghệ khác cho tầng vật lý Bảng 1.1 loại công nghệ sử dụng cho mạng WLAN [19] Trong chuẩn IEEE 802.11b [20] hoạt động băng tần 2.4 GHz, cho phép truyền liệu lên tới 11 Mbps, sử dụng công nghệ hồng ngoại (infrared IR) theo phương pháp trải phổ trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) nhảy tần FH (Frequency Hopping) Hai chuẩn IEEE 802.11a [21] IEEE 802.11g [22] sử dụng cơng nghệ sóng radio Với IEEE 802.11a hoạt động băng tần GHz cho phép truyền với tốc độ lên tới 54Mbps sử dụng phương pháp phân chia kênh theo tần số trực giao OFDM Chuẩn IEEE 802.11g mở rộng tốc độ truyền từ chuẩn IEEE 802.11b lên tới 54 Mbps (2) Tầng MAC (Medium Access Control): Tầng điều khiển truy nhập đường truyền có hai phương thức sử dụng giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang có tránh xung đột (CSMA/CA) cộng tác phân tán (DCF) cộng tác điểm (PCF) DCF phương thức truy nhập sử dụng mạng adhoc Chế độ adhoc không cần điểm truy nhập chung, 14 chế độ nút mạng tự động kết nối thiết lập theo cách tùy ý Toàn nút mạng hoạt động định tuyến tham gia vào việc trì đường tới nút khác Giao thức định tuyến thường sử dụng định tuyến theo yêu cầu (on-demand routing protocol) DSR [9], [23], AODV [10], OLSR [24], [11] Ngược lại, chức cộng tác điểm (PCF) chế truy nhập tập trung, địi hỏi có một trạm sở làm điểm tập trung sử dụng mạng dựa hạ tầng sở (infrastructure) Với kiến trúc hạ tầng sở dựa điểm truy cập mạng (AP) hoạt động hub mạng giúp kết nối thành phần lại với 1.1.4 Một số đặc tính mạng adhoc Bên cạnh ưu điểm vốn có, mạng adhoc tồn nhiều đặc tính ứng dụng vào thực tế phải đối diện với nhiều thách thức [8, 16, 17] (1) Tô-pô mạng động: Việc nút mạng thường xuyên gia nhập rời khỏi mạng nên mơ hình mạng ln biến động Việc thay đổi mơ hình kéo theo bảng định tuyến nút mạng phải cập nhật lại thường xuyên Những thách thức cho đặc tính phải bảo đảm truy nhập liệu trường hợp nút di chuyển với tốc độ nhanh Việc cấu hình phải biến đổi theo mức độ di chuyển nút mạng, phải tự tổ chức lại địa chỉ, định tuyến v.v (2) Năng lượng hạn chế: Năng lượng sử dụng thiết bị di động thường pin nên tham gia vào mạng adhoc bị hạn chế suy yếu lượng Thời gian tồn nút phụ thuộc vào mức tiêu thụ lượng thơng qua hoạt động xử lý gói liệu, gói điều khiển, xử lý chuyển mạch định tuyến, bên cạnh khả xử lý CPU kích thước nhớ hạn chế (3) Băng thơng hữu hạn bán kính phát sóng ngắn: Phạm vi phủ sóng băng thơng phụ thuộc vào cơng nghệ truyền thông mạng WLAN Các chuẩn 802.11 sử dụng chủ yếu cho mạng adhoc có vùng phủ sóng trung bình tối đa 100m nên nút mạng phải sử dụng chế đa chặng Các 15 liên kết khơng dây có băng thơng thấp so với đường truyền có dây, ngồi cịn chịu ảnh hưởng nhiễu, suy giảm tín hiệu điều kiện giao thoa nên làm giảm băng thông hiệu dụng, hao tốn tài ngun thơng tin tính tốn (4) Nhiều thách thức bảo mật: Đặc điểm mạng adhoc truyền sóng qua mơi trường khơng dây, điều khiến cho chế bảo mật so với mơi trường truyền có dây tiềm ẩn nhiều nguy bị công, nghe đường truyền, giả mạo, công kiểu DoS, Việc bảo vệ mạng adhoc khỏi cơng khó khăn Các chế ngăn ngừa thường sử dụng mã hóa Tuy nhiên, cịn nhiều bất cập khơng có trung tâm phân phối khóa tập trung (5) Đường truyền tin cậy: Công nghệ truyền thông tầng vật lý mạng adhoc kênh vô tuyến với nút mạng thường xuyên di chuyển Kênh truyền dẫn lại có cấu trúc đa chặng, chặng có chất lượng đường truyền khác Do đường truyền dẫn chịu ảnh hưởng hiệu ứng vật lý fading, doppler, can nhiễu v.v hiệu ứng multipath fading có ảnh hưởng tiêu cực đến độ tin cậy đường truyền Từ nhân tố phân tích, nhận thấy rằng, đặc tính mạng adhoc tô-pô mạng động, lượng hạn chế, băng thông hữu hạn đường truyền tin cậy nhân tố có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu mạng Để triển khai mạng adhoc đáp ứng yêu cầu thực tế cần giải thách thức tạo từ đặc điểm phân tích 1.1.5 Ứng dụng mạng adhoc Các ứng dụng tảng mạng không dây, đặc biệt mạng adhoc giao thông thông minh, y tế thông minh, nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh phát triển mạnh mẽ Mạng adhoc với đặc thù không dựa tảng hạ tầng có sẵn, phù hợp trường hợp triển khai sở hạ tầng mạng khó khăn mang tính tạm thời Việc tạo lập mạng tạm thời để giải vấn đề có tính cấp bách lựa chọn ưu tiên thích hợp Dưới 16 số ứng dụng điển hình (1) Lĩnh vực giao thông: Một biến thể mạng adhoc mạng VANET [1, 3] phát triển để ứng dụng lĩnh vực giao thông thông minh (ITS) Mạng VANET định nghĩa mạng di động tùy biến, ứng dụng lĩnh vực giao thơng, thiết bị không dây xe, trạm cố định tuyết đường tạo thành mạng, giao tiếp thực mạng VANET giúp xe liên lạc nhằm chia sẻ thông tin lẫn Xe tự hành Hình 1.7: Mạng VANET [1] ví dụ điển hình cho mạng VANET, hệ thống tự động kết nối, liên lạc tự thực tác vụ mình, phát đường, nhận dạng chướng ngại vật Trong nghiên cứu [CT3] tác giả xây dựng thực nghiệm xe tự hành với mục tiêu kiểm soát việc xử lý liệu đa phương tiện phục vụ điều khiển xe tự hành Trong cài đặt thuật tốn nhận diện đường, sử dụng logic mờ để định điều chỉnh tốc độ phù hợp trình di chuyển Kết nghiên cứu cho thấy việc xử lý liệu xe tự hành nhằm tối ưu hóa chức giúp cho việc điều khiển phương tiện tự động đường phức tạp tương đối hiệu Đây đóng góp hướng nghiên cứu nâng cao hiệu cho ứng dụng mạng adhoc nghiên cứu sinh thực công bố [CT3] [CT4] [CT8] (2) Lĩnh vực quân sự: Trong hầu hết hoạt động qn thường diễn nhanh, khơng có sẵn hạ tầng mạng cố định Do mạng adhoc đáp ứng nhu cầu tính linh hoạt trận chiến triển khai nhanh, kết nối di động 17 có chế chống gây nhiễu Một biến thể adhoc mạng FANET [2] phát triển để kết nối với máy bay không người lái (UAV).Mỗi phương tiện bay trao đổi thơng tin với có khả thu thập liệu điều khiển từ nút mạng mặt đất để thực nhiệm vụ thu thập thông tin tài nguyên rừng, tài ngun nước, biến đổi khí hậu, thơng tin tình báo xây dựng đồ khu vực Hình 1.8: Mạng FANET [2] (3) Lĩnh vực giáo dục, y tế: Hỗ trợ việc thiết lập nhóm làm việc tức thời qua mạng adhoc thiết lập ứng dụng có tính di động phạm vi nội cho bệnh viện Một biến thể mạng adhoc dành cho y tế mạng BAN [4] Tại nút mạng BAN nút cảm biến gắn thể người nhằm thu thập thông tin sức khỏe bệnh nhân Mạng BAN kết nối với mạng khác để trao đổi thông tin sức khỏe bệnh nhân sở y tế Hình 1.9: Mạng BAN [4] (4) Cứu hộ khẩn cấp: Các thảm họa thiên nhiên thường phá hủy hạ tầng thông tin liên lạc lập tức, để đáp ứng liên lạc cứu hộ điều kiện này, 18 mạng adhoc thích hợp cho tình đặc biệt Ví dụ hoạt động cứu hộ sa mạc, núi nơi khơng có hạ tầng thơng tin liên lạc thiết lập sẵn Ngồi lĩnh vực phân tích trên, lĩnh vực khác môi trường, giải trí gia đình, mạng cho cơng ty dịch vụ ứng dụng mạnh mẽ mơ hình mạng adhoc hoạt động 1.2 Nhân tố ảnh hưởng đến hiệu mạng adhoc Trong nhiều vấn đề tồn mạng adhoc cần nghiên cứu để giải quyết, đề tài luận án đề cập tới vấn đề nâng cao hiệu mạng Đây khái niệm bao hàm nhiều thành tố có liên quan đến độ đo hướng tới người dùng hệ thống Các độ đo thông dụng hướng tới người dùng thời gian đáp ứng (response time), thời gian phản ứng hệ thống (system reaction time) Các độ đo hướng tới hệ thống điển hình thơng lượng (throughput), số cơng (fairness), thời gian trễ (delay), tỉ suất lỗi (error rate), tính sẵn sàng (availability) Tùy theo hệ thống thiết kế, nghiên cứu, mà khái niệm hiệu sử dụng kết hợp từ nhiều nhân tố Dưới trình bày sơ lược yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hiệu mạng 1.2.1 Hiện tượng multipath fading đường truyền Mạng adhoc sử dụng kênh truyền vô tuyến nên chịu ảnh hưởng hiệu ứng vật lý đường truyền Các hiệu ứng bao gồm nhiễu kênh vô tuyến, nhiễu giao thoa kênh truyền, nhiễu tạp âm, nhiễu xuyên âm, nhiễu xung, tượng fading, hiệu ứng suy giảm công suất qua mơi trường khơng khí vv Trong hiệu ứng multipath fading có ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy đường truyền Hiện tượng xảy nơi phát nơi thu tồn vật thể cản trở truyền sóng trực tiếp Có nhiều nguyên nhân gây tượng multipath fading thăng giáng tầng điện ly hệ thống sóng ngắn; hấp 19 thụ gây phân tử khí, nước, mưa, tuyết, sương mù; khúc xạ gây không mật khơng khí; phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trường hợp có bề măt nước phản xạ sóng từ bất khí quyển; phản xạ, tán xạ nhiễu xạ từ chướng ngại đường truyền lan sóng điện từ, gây nên tượng trải trễ giao thoa sóng điểm thu tín hiệu nhận tổng nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiệu ứng multipath fading gây nhiều tác động tiêu cực đến chất lượng dịch vụ tín hiệu theo đường khác dài đường truyền trực tiếp trực tiếp gây trễ tín hiệu Trong hệ thống thông tin tốc độ cao, người ta thường sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang để khắc phục nhiễu xuyên ký tự gây tượng đa đường 1.2.2 Sự suy giảm tín hiệu dung lượng kênh Q trình truyền tín hiệu bị giảm dần lượng đường [13] Độ suy giảm tín hiệu đường truyền tính theo hàm logarit Thơng qua hàm suy hao tín hiệu đường truyền, ta định lượng mức lượng bị mất, qua xác định lượng cần thiết tín hiệu nguồn Đơn vị decibel (dB) dùng để xác định độ tương quan suy hao khuyếch đại tín hiệu nguồn tín hiệu đích Tính theo cơng suất, ta có cơng thức: (1.1): AT = 10log( P2 ) P1 (1.1) Trong đó, P cơng suất nguồn, P cơng suất đích Khi nút tiêu hao hết lượng, nút bị loại bỏ khỏi hệ thống mạng Mơ hình mạng thay đổi làm cho lộ trình qua nút mạng bị tắc nghẽn, buộc nút phải cập nhật lại bảng định tuyến để xác định đường Việc gói liệu bị lỗi buộc phải truyền lại nhiều lần làm hạ thấp băng thông hiệu dụng Dung lượng kênh tốc độ tối đa mà liệu truyền kênh 20 đường truyền liệu điều kiện cụ thể C.E.Shannon [25] đưa công thức xác định dung lượng kênh kênh truyền có nhiễu C = B × log2 (1 + SN R) (1.2) Trong đó, C dung lượng kênh truyền (bps), B băng thơng tín hiệu (Hz), SN R tỷ lệ cường độ tín hiệu cường độ nhiễu (Signal to Noise Ration) Trong SN R tính theo cơng thức: SN R = signal_power noise_power (1.3) Dung lượng kênh phụ thuộc vào bốn nhân tố bao gồm tốc độ truyền liệu (data rate), băng thông (bandwidth), nhiễu (noise), tỷ lệ lỗi (error rate) Các tham số dễ bị tác động làm thay đổi môi trường adhoc, ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền tin kênh 1.2.3 Biến động định tuyến Khi nút di chuyển, mơ hình mạng thay đổi, bảng định tuyến tất nút phải cập nhật lại Nếu nút di chuyển với tốc độ cao, số nút không kịp cập nhật lại bảng định tuyến để đáp ứng nhu cầu truyền liệu nút, làm tăng xác suất chặn gói liệu Xét kết nối không dây từ nút i đến nút j mạng không dây adhoc (cij ), kết nối (cij ) mạng khơng dây adhoc tương đương với mơ hình hàng đợi M/M/1/L Hình 1.10 với L tổng số gói liệu tối đa hàng đợi Hình 1.10: Mơ hình hàng đợi có người phục vụ Gọi λij tốc độ đến trung bình gói liệu muốn truyền qua kênh 21 (cij ) Thời gian phục vụ gói liệu theo phân phối hàm mũ với tốc độ trung bình µij Đối với gói liệu muốn truyền từ nút i đến nút j , gói liệu bị chặn trường hợp gói đến thời điểm đệm đầy kênh truyền (cij ) trạng thái bận Khi đó, xác suất gói liệu bị chặn Pij xác định sau: Pij = L ρ (1 − ρij ) ij , if ρij = L+1 − ρij , L+1 (1.4) if ρij = Trong đó, ρij = λij /µij mật độ lưu lượng phân phối đến kết nối từ nút i đến nút j Hơn nữa, việc thay đổi mơ hình dẫn đến việc nút phải gửi lại gói thông tin trạng thái cho làm tiêu tốn khoảng băng thông kết nối mạng Việc sử dụng giao thức định tuyến thích hợp tác động tới hiệu mạng thể qua chất lượng truyền dẫn, thời gian trễ xác suất tắc nghẽn 1.2.4 Tương tranh luồng liệu tầng LLC Tương tranh tầng LLC cạnh tranh luồng liệu không gian đệm Việc điều phối gói tin khơng gian đệm hữu hạn theo tốc độ truyền gói tin có ảnh hưởng trực tiếp tới tương tranh tầng LLC Hầu hết vấn đề liên quan đến hiệu tính tới thời gian mà gói số liệu phải xếp hàng chờ phục vụ Thời gian chờ phụ thuộc vào thời gian xử lý nút chiều dài gói số liệu Nó cịn phụ thuộc vào dung lượng đường truyền, tức khả truyền, đo packet/s, phụ thuộc vào chiến lược phục vụ áp dụng hàng đợi Các phương pháp lập lịch truyền thống FIFO, RR,.v.v gặp vấn đề việc bảo đảm cân thông lượng luồng Xét mơ hình mạng adhoc đa chặng Hình 1.11 Trong đó, ký hiệu S2, S1 nút gửi với tốc độ gửi gói tin G Gọi B băng thơng đường 22 Hình 1.11: Mơ hình đa chặng truyền tối đa B1, B2 tương ứng băng thông cấp phát cho trạm S1, S2 Ta có B=B1+B2 Nút nhận D nằm ngồi miền phát sóng nút S2 Gọi thơng lượng đầu cuối đạt trạm S2, S1 Th(flow2), Th(flow1) Các luồng sử dụng giao thức UDP để vận chuyển Xét ba trường hợp điển hình với lập lịch FIFO băng thông đủ, băng thông không đủ cho luồng trường hợp trạng thái bão hòa Với trường hợp băng thông đủ lớn, tổng thông lượng yêu cầu trạm nhỏ so với khả băng thông, lúc thông lượng đầu cuối luồng T h(f low2) = T h(f low1) = G, if G < B (1.5) Trường hợp thứ hai, băng thông không đủ cấp phát cho luồng, đó, luồng trực tiếp S1 nhận đủ thơng lượng theo u cầu, cịn luồng chuyển tiếp từ S2 nhận phần băng thơng cịn lại Thơng lượng đầu cuối cho luồng biểu diễn theo công thức 1.6 T h(f low1) = G T h(f low2) ≤ B − G , if G < B ≤ B1 − B2 (1.6) Xét trường hợp thứ ba trạng thái bão hịa, phần băng thông dành 23 cho trạm S1 B1 không đủ đáp ứng yêu cầu luồng liệu trực tiếp từ trạm S1 luồng liệu chuyển tiếp từ trạm S2 Giả sử kích thước đệm vơ hạn, tỷ lệ sử dụng đệm trạm S1 luồng liệu trực tiếp chuyển tiếp là: Qf low1 : Qf low2 = G : B2 (1.7) Trong đó, Qf low1 , Qf low2 tương ứng kích thước đệm dành cho luồng liệu f low1, f low2 trạm S1 Do thơng lượng đầu cuối đạt luồng liệu T h(f low1) = B1 G G + B2 T h(f low2) = B1 B2 , G + B2 (1.8) if G ≤ B1 − B2 Với thuật toán RR (Round Robin), tốc độ gửi gói tin G nhỏ trung bình, thơng lượng đầu cuối luồng liệu có kết tương tự với phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO (First In First Out) Khi tốc độ gửi gói tin lớn, trạm S1 sử dụng hàng đợi riêng biệt cho luồng liệu trực tiếp luồng liệu chuyển tiếp, tốc độ gửi gói tin luồng chuyển tiếp bị hạn chế B2 luồng liệu trực tiếp sử dụng hết băng thơng cịn lại Thơng lượng đầu cuối hai luồng liệu T h(f low1) = B1 − B2 T h(f low2) = B2, (1.9) if G ≥ B1 − B2 Thực nghiệm mô theo nghiên cứu [26] chứng minh thuật toán lập lịch FIFO, RR không đảm bảo việc cân thông lượng luồng liệu trực tiếp luồng liệu chuyển tiếp Vấn đề tương tranh tầng LLC đặt nhiều toán cần giải cân thông lượng luồng liệu lớn dành băng thông cho việc nhận luồng liệu nhỏ, giải toán độ trễ giảm tài nguyên đệm v.v 24 1.2.5 Tương tranh luồng liệu tầng MAC Tương tranh tầng MAC cạnh tranh trạm việc sử dụng kênh truyền thông không dây dùng chung Đối với mạng adhoc đặc biệt mạng adhoc đa chặng, liệu truyền qua nhiều chặng (hop) nút tham gia mạng có điều kiện khác việc truy nhập kênh truyền Sự tương tranh băng thông tầng điều khiển truy nhập (MAC) ảnh hưởng đến cân thông lượng luồng liệu trạm gần thường có nhiều lợi trạm xa [27, 28, 29] Khái niệm trạm gần hiểu khoảng cách từ nút gửi đến nút nhận có số trạm trung chuyển so với trạm xa Hình 1.12: Tương tranh băng thơng IEEE 802.11 [30] Trong sơ đồ Hình 1.12, trạm B có xu hướng dành băng thơng lớn trạm A trạm B giải mã gói tin từ trạm khác Như trạm gửi A chờ đợi lâu lần truy cập kênh truyền Li et al [27] chứng minh với mơ hình dung lượng băng thông trạm nhận C gấp lần trạm gửi A trạng thái bão hòa Điều dẫn đến cân việc chia sẻ băng thông trạm gửi A, B trạm nhận C Như vậy, từ việc phân tích yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hiệu mạng adhoc đưa lại số nhận xét chung sau: Mạng adhoc sử dụng kênh truyền vô tuyến nên chịu ảnh hưởng hiệu ứng vật lý đường truyền, hiệu ứng multipath fading có ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy đường truyền Bên cạnh đó, với tính chất băng thơng hữu hạn, lượng hạn chế, q trình truyền tín hiệu ln bị giảm dần lượng 25 đường đi, điều ảnh hưởng đến việc truyền tin kênh Ngồi ra, đặc tính tơ-pơ mạng động, nên việc lựa chọn thuật tốn định tuyến thích hợp đóng vai trị quan trọng việc nâng cao hiệu mạng Tính tương tranh luồng liệu tầng LLC tầng MAC đặt nhiều toán quan trọng cần giải nhằm đảm bảo tính cơng khơng gian đệm hữu hạn việc truy nhập môi trường truyền cách bình đẳng Việc chọn yếu tố để giải toán nâng cao hiệu mạng tùy thuộc vào cách chọn đối tượng nghiên cứu phương pháp tiếp cận tác giả 1.3 Phương pháp đánh giá hiệu mạng adhoc Có ba phương pháp phổ biến sử dụng để đánh giá hiệu mạng phương pháp đánh giá thực nghiệm, phương pháp đánh giá mơ hình giải tích phương pháp đánh giá mơ hình mơ 1.3.1 Sử dụng mơ hình giải tích Phương pháp sử dụng mơ hình khái niệm tốn học để mô tả tham số hiệu mối tương quan, tác động tham số Lý thuyết tảng thường sử dụng lý thuyết hàng đợi, lý thuyết xác suất thống kê, lý thuyết đồ thị Trong lý thuyết hàng đợi thường sử dụng đánh giá hiệu Hầu hết vấn đề liên quan đến hiệu liên quan tới thời gian mà gói số liệu phải xếp hàng chờ phục vụ hay phụ thuộc vào xác suất trạng thái hàng đợi Để tính xác suất trạng thái cần hội đủ tham số, trình đến gói số liệu; phân bố chiều dài gói số liệu; chiến lược phục vụ (FCFS, FIFO, LCFS) Đây tham số quan trọng thành phần thời gian trễ chuyển tiếp gói số liệu từ thực thể nguồn tới thực thể đích, gọi tắt thời gian trễ đầu cuối - đầu cuối, tham số quan trọng đánh giá hiệu Ưu điểm phương pháp chi phí thời gian thử nghiệm thấp, nhiên nhược điểm phương pháp nhiều giả thuyết đưa để giải toán áp dụng vào thực tế 26 không khả thi thiếu điều kiện cần thiết 1.3.2 Phương pháp thực mô Phương pháp sử dụng phần mềm mô để đánh giá hiệu mạng Các phần mềm thơng dụng có độ tin cậy cao thường sử dụng NS2, OMNet++, OPNET, QualNet, GloMoSim, Netsim, MATLAB Mơ q trình bắt chước hoạt động hệ thống thực thơng qua mơ hình ảo thực phần mềm Phương pháp mơ có ưu điểm tiết kiệm chi phí mềm dẻo việc thiết kế, thực nhiều lần nên thường sử dụng đánh giá hiệu mạng Nhược điểm phương pháp cần nhiều thời gian để kiểm nghiệm độ xác tin cậy kịch mơ phỏng, việc thiết lập tham số, cấu hình hệ thống địi hỏi nhiều kỹ liên quan đến phần mềm chuyên dụng 1.3.3 Phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm phương pháp đánh giá hiệu thiết bị mạng thực thông qua việc đo lường số để giám sát kiểm chứng kết Phương pháp thường sử dụng giai đoạn lắp đặt vận hành hệ thống để chọn tham số cấu hình phù hợp Phương pháp áp dụng hệ thống mạng thực tồn phép truy cập để đánh giá Phương pháp có nhược điểm tốn khó thực Việc thực nghiệm gặp khó khăn sử dụng cơng cụ đo lường Ưu điểm phương pháp đưa lại kết sát với thực tế, giúp đánh giá cách xác thơng số hiệu Đánh giá chung ba phương pháp nêu có ưu điểm, nhược điểm vấn đề đánh giá hiệu mạng Dựa vào điều kiện thực tế loại toán giải quyết, luận án sử dụng phương pháp đánh giá hiệu mô thông qua phần mềm NS2 Đây mô nhà nghiên cứu uy tín sử dụng rộng rãi nghiên cứu mạng truyền thơng nói chung mạng adhoc nói riêng 27 1.4 Hướng tiếp cận giải toán hiệu mạng adhoc Để giải toán nâng cao hiệu mạng adhoc, có nhiều hướng tiếp cận, lên ba hướng tiếp cận chủ đạo sau: Hướng tiếp cận giao thức định tuyến [31, 32, 33, 34, 35]; Hướng tiếp cận chế xử lý hàng đợi [28, 29, 36] Hướng tiếp cận phương thức truy nhập môi trường truyền [34, 37, 38, 39, 40, 41] Phần trình bày tóm tắt số phương pháp nghiên cứu phổ biến theo hướng tiếp cận nêu 1.4.1 Hướng tiếp cận giao thức định tuyến Do đặc tính biến động mơ hình mạng nút mạng di chuyển nên việc định tuyến khó khăn phức tạp so với mạng truyền thống Bài toán định tuyến mạng không dây adhoc phải thỏa mãn nhiều ràng buộc phức tạp, giảm tối đa gói tin điều khiển để tối ưu hóa phụ tải, thuật tốn đơn giản hiệu để nâng cao thời gian hoạt động thiết bị v.v Các tham số đo lường hiệu độ trễ, độ gói phụ thuộc nhiều vào thuật tốn định tuyến Đây hướng nghiên cứu, nhận quan tâm cộng đồng nhà nghiên cứu nước Nhiều nghiên cứu [31, 32, 33, 34, 35] theo hướng giới thiệu phương pháp cải tiến phương thức định tuyến thơng qua gói tin điều khiển hàm trọng số Nghiên cứu [31] đề xuất hàm trọng số phản ánh tỷ lệ tín hiệu nhiễu trung bình WSA (Weighted Signal to noise ratio Average) tầng vật lý cho giao thức định tuyến DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) Kết nghiên cứu cho thấy thông số độ trễ thông lượng cải thiện Nghiên cứu [32] đề xuất hàm trọng số phản ánh tỷ lệ nhiễu theo phương pháp thăm dị, sau điều chỉnh lại giao thức OSLR Kết nghiên cứu cho thấy hiệu cải thiện so với phương pháp gốc Nghiên cứu [33] đề xuất phương pháp cải tiến giao thức AODV (Ad hoc On Demand Distance 28 Vector) sử dụng mơ hình xuyên lớp cách thêm trường liệu LC (Link cost) để chọn lại lộ trình Kết đánh giá qua mô cho thấy thông số thời gian trễ, thơng lượng tỷ lệ truyền gói liệu thành công cao so với giao thức gốc Nghiên cứu [34] đề xuất giải pháp cải tiến giao thức định tuyến dựa thuật toán DSR AODV cách thêm trường SNR RP ( Received Power) vào gói tin RREP để lựa chọn tuyến đường thích hợp Các tham số đo lường tỷ lệ truyền gói tin thành cơng, trễ truyền tải trung bình chi phí hoạt động đưa lại kết tích cực Các nghiên cứu [42, 43, 44, 3, 45] đề xuất phương pháp định tuyến theo mật độ tải lưu lượng nhằm đảm bảo cân tải tất kết nối mạng nhằm giảm thiểu tình trạng nghẽn cục Kết mô cho thấy tham số đo lường thời gian trễ trung bình giảm việc thiết lập kết nối hiệu Ngoài phương pháp nêu trên, phương pháp sử dụng lý thuyết logic mờ để cải tiến thuật toán định tuyến mạng adhoc thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu Nghiên cứu [46] sử dụng logic mờ để đề xuất thuật toán định tuyến ERPN (Efficient Routing Protocol under Noisy Environment) Trong đầu vào xét hiệu ứng vật lý từ tham số cường độ tín hiệu hệ số nhiễu Giải pháp chứng minh thuật tốn định tuyến ERPN mang lại tỷ lệ truyền gói tin thành công thông lượng cao hơn, giảm tỷ lệ lỗi bit so với thuật toán định tuyến truyền thống Đánh giá chung, hướng tiếp cận nhằm xây dựng chiến lược tìm đường tối ưu thực chủ yếu tầng mạng Các giải pháp đề xuất tập trung vào cách thức thiết lập trì thơng tin định tuyến nút mạng nhằm đảm bảo tiêu chí giảm độ trễ, độ gói góp phần nâng cao hiệu mạng nói chung 29 1.4.2 Hướng tiếp cận chế xử lý hàng đợi Nhiều nghiên cứu phương pháp lập lịch công bố xoay quanh việc cải tiến phương pháp lập lịch truyền thống FIFO, Round Robin Cơ chế chung giải pháp nhằm kiểm sốt gói tin vào hàng đợi từ điều chỉnh lưu lượng luồng nút mạng cách thích hợp Nghiên cứu [28] đề xuất phương pháp cải tiến thuật toán lập lịch FIFO theo trọng số ưu tiên từ lớp MAC để nâng cao tính cơng Kết mơ mơ hình mạng adhoc đa chặng cho thấy thông lượng cải thiện Trong nghiên cứu [29] tác giả đề xuất phương pháp lập lịch cải tiến dựa theo hàng đợi RR với giả thiết tầng MAC bảo đảm cân việc chia sẻ băng thông Kết nghiên cứu cho thấy hiệu cải thiện giải pháp không phù hợp thực tế Nghiên cứu [36] đề xuất phương pháp lập lịch dựa xác suất với hàng đợi Round Robin nhằm đạt tính cơng luồng mạng adhoc đa chặng Ý tưởng chủ đạo phương pháp dựa việc quản lý hàng đợi RR để bảo đảm công đệm dựa vào thuật toán điều khiển số lượng gói tin đầu vào đến hàng đợi, thuật toán điều khiển lượt hàng đợi đọc, thuật tốn điều khiển gói tin khỏi hàng đợi Mô với số hiệu thông lượng tổng cộng công cải thiện Đánh giá chung phương pháp tiếp cận theo hướng hàng đợi, nghiên cứu cho thấy thực tầng liên kết với giải pháp cải tiến từ giải thuật có nhằm vào tiêu chí thơng dụng nâng cao thơng lượng, giảm độ trễ Đây hai tiêu chí quan trọng để giải toán nâng cao hiệu mạng adhoc Mặc dù, kết công bố gần cải thiện xét tiêu chí cơng hướng cần đầu tư nhiều nghiên cứu để đạt hiệu cho ứng dụng hỗ trợ QoS mạng adhoc 30 1.4.3 Hướng tiếp cận phương thức truy nhập môi trường truyền Các nghiên cứu theo hướng tập trung vào giải vấn đề tương tranh tầng MAC nơi có cạnh tranh kênh truyền thiết bị Trong có hai xu hướng nghiên cứu chính, xu hướng thứ cải tiến giao thức truy nhập phân tán (DCF, EDCA ) với việc tập trung xây dựng chế truy nhập thơng qua gói tin điều khiển Xu hướng thứ hai cải tiến tham số giao thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA, nhằm cải thiện hiệu gia tăng tính cơng cho luồng liệu Một phân lớp nhiều nghiên cứu quan tâm giải toán phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA phương thức chức cộng tác phân tán DCF khơng có chế bảo đảm QoS [34] Nằm xu hướng thứ nhất, số nghiên cứu [37] tập trung vào việc thiết kế thuật toán điều khiển truy nhập MAC nhằm chia sẻ hiệu kênh truyền nút có tranh chấp Mục đích giải pháp giải tốn xung đột thường gây chế BEB (Binary Exponential Backoff) thuật toán quay lui tương tranh nút có tốc độ truyền cao thấp Qua [37] đề xuất thuật tốn để giảm xung đột dựa vào đếm ngược thiết lập truy nhập thành cơng vào kênh Bộ đếm ngược có nhiệm vụ xác định giá trị DRV (Deterministic Reservation Value) để làm sở cho việc truyền liệu nút Thuật tốn [37] áp dụng cho thực thể IEEE 802.11 DCF IEEE 802.11 EDCA Kết mô cho thấy tham số thơng lượng tính cơng tốt tỷ lệ xung đột giảm Các nghiên cứu [38], [39], [40] đề xuất phương pháp cải tiến giao thức thiết lập kênh truyền từ gói tin điều khiển RTS/CTS/Data/ACK để giảm việc xung đột với trạm ẩn mạng Tuy nhiên phương pháp chưa giải triệt để vấn đề cân sử dụng băng thông trạm [41], [27] Với xu hướng thứ hai, nghiên cứu [46, 26, 36, 47] đề cập đến giải pháp điều chỉnh chế cửa số tương tranh CW phương thức truy nhập phân 31 tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Phần lớn nghiên cứu theo hướng tiếp cận qua mơ hình tốn học theo sơ đồ Markov Nhược điểm phương pháp chủ yếu chứng minh mặt toán học kèm nhiều giả thiết áp dụng vào thực tế khó khả thi Các nghiên cứu [48, 49, 50, 51] đề xuất chế cải tiến điều chỉnh tham số truyền TXOP Trong nghiên cứu [49] đề xuất điều chỉnh TXOP dựa tỷ lệ CBR (Channel Busyness Ratio) để giải vấn đề công Trong phương pháp này, CBR tính cách phân chia thời lượng kênh bận với thời lượng truyền khung Sau đó, dựa việc so sánh tỷ lệ kênh bận giá trị ngưỡng để tính tốn giá trị TXOP Nghiên cứu [49] đề xuất chế điều chỉnh tham số TXOP động, dựa trạng thái hàng đợi Mỗi hàng đợi so sánh với giá trị ngưỡng để điều chỉnh tham số TXOP tăng hay giảm tùy thuộc vào lưu lượng mạng Nghiên cứu [50] đề xuất thuật toán phân tán thích ứng để xác định TXOP cách linh hoạt dựa thông lượng yêu cầu nút mạng Mỗi trạm đo thơng lượng khung thời gian để so sánh với giá trị mong muốn nhằm thiết lập lại giá trị TXOP Nghiên cứu [51] đề xuất phương pháp điều chỉnh tham số TXOP theo chế động dựa vào trọng số công hàng đợi WFR (Weighted Fair Queuing) tốc độ lưu lượng trung bình luồng liệu để thiết lập giá trị TXOP Đánh giá chung hướng tiếp cận theo phương thức truy nhập môi trường truyền thực tầng MAC nơi diễn cạnh tranh kênh truyền thông không dây dùng chung nhiều nhà nghiên cứu quan tâm giải Các phương pháp giới thiệu gần cho thấy chủ yếu tập trung vào việc cải tiến giao thức truy nhập phân tán DCF EDCA Trong đó, hướng nghiên cứu cải thiện tham số phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm cải thiện chất lượng cho luồng liệu đa phương tiện nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Mặc dù nhiều kết mang tính tích cực đạt được, với mạng không dây adhoc nhiều số quan trọng tính cơng tính ổn định thơng lượng chưa có giải pháp tồn diện 32 1.4.4 Một số đánh giá, nhận xét Qua nhiều cơng trình nghiên cứu thuộc hướng tiếp cận giải toán hiệu cho mạng adhoc, nghiên cứu sinh rút số nhận xét sau: (1) Các tham số độ đo sử dụng đánh giá hiệu tập trung chủ yếu vào độ đo hướng tới hệ thống thông lượng, độ trễ, tỷ lệ truyền gói liệu thành cơng số cơng Phần lớn cơng trình cơng bố tập trung giải vài độ đo thành phần theo mục tiêu nghiên cứu mà chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu nâng cao đồng thời nhiều số độ đo Các giá trị tham số đầu vào mô cơng bố nên khó khăn cho việc so sánh giải pháp (2) Giao thức truyền thông IEEE 802.11 cho mạng adhoc đối tượng nhiều nghiên cứu giới thiệu đề xuất cải tiến nhằm nâng cao hiệu mạng Những đề xuất thực thi tầng vật lý, tầng điều khiển liên kết logic tầng điều khiển truy nhập (3) Phương pháp đánh giá hiệu phổ biến dùng phần mềm mô NS2, OMNet++ Các phương pháp sử dụng mơ hình giải tích thực nghiệm tính phức tạp hiệu áp dụng thực tế nên hạn chế 1.5 Hướng tiếp cận định hướng nghiên cứu luận án Trên sở phân tích hướng tiếp cận chủ đạo trên, luận án chọn hướng tiếp cận theo phương thức điều khiển truy nhập môi trường truyền nhằm cải tiến tham số phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Hướng tiếp cận lựa chọn dựa vấn đề tồn việc thiết lập giá trị tham số ưu tiên IEEE 802.11 EDCA cho mạng adhoc 33 (1) Vấn đề tính cố định tham số điều khiển truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Chuẩn IEEE 802.11e [30] dựa phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) để truy cập mơi trường truyền có phân biệt mức ưu tiên khác cho loại luồng liệu Năm 2012 [18] chuẩn IEEE 802.11e chấp thuận phần chuẩn IEEE 802.11 Cơ chế EDCA cài đặt thực thể chuẩn IEEE 802.11 sử dụng hàng đợi để nhận xử lý frame cần truyền đi, hàng đợi dựa tham số đặc trưng cho AC (Access Category) để tạo mức ưu tiên tranh chấp khác cho loại liệu (Voice, Video, Best-effort, Background) Hình 1.13 Trong khối Packet Reception có chức nhận gói tin tầng chuyển xuống Khối chức Access Category Mapping thực việc ánh xạ trọng số ưu tiên người dùng UP (User Priority) vào hàng đợi tương ứng Khối Access Category tương ứng với loại hàng đợi xử lý mức ưu tiên cho loại liệu Hình 1.13: Các loại ACs hàng đợi IEEE 802.11 EDCA [30] Cơ chế xử lý tranh chấp truy nhập đường truyền theo mức ưu tiên 34 IEEE 802.11 EDCA dựa vào tham số sau (i) Tham số AIFS (Arbitration Inter-Frame Space): khoảng thời gian chờ trước truyền gói tin khởi động thuật tốn quay lui Trong số AIFSN số khe thời gian (slotTime) sau khung tin SIFS Theo AC với giá trị AIFSN thấp có giá trị AIFS nhỏ, tương ứng với mức ưu tiên cao (ii) Tham số CWmin , CWmax : giới hạn nhỏ nhất, lớn cửa sổ tương tranh (CW), sử dụng thuật toán quay lui (back-off); Một AC có mức ưu tiên cao, giá trị CWmin , CWmax nhỏ so với AC có mức ưu tiên thấp Việc AC có độ ưu tiên cao chia sẻ phần băng thông lớn mạng trở nên tắc nghẽn điều làm giảm sút hiệu hoạt động AC có độ ưu tiên thấp (iii) Tham số TXOP (Tranmission Opportunity): khoảng thời gian truyền tối đa luồng quyền truyền liệu Khi giá trị 0, nghĩa chế độ CFB (Contention Free Bursting) khơng kích hoạt lần truyền liệu truyền khung tin Nếu giá trị khác 0, AC truyền khung tin từ hàng đợi tương ứng loại AC khơng vượt giá trị TXOP AC Một AC có độ ưu tiên cao giá trị TXOP lớn giá trị TXOP AC có độ ưu tiên thấp Vấn đề tồn với tham số phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA giới thiệu giá trị thiết lập theo giá trị mặc định chuẩn IEEE 802.11e Bảng 2.3 Bộ giá trị áp dụng cho tất loại kiến trúc mạng tỏ không phù hợp với đặc tính mạng adhoc, có cấu trúc thường xun thay đổi với mức độ chia sẻ, tương tranh băng thông nút láng giềng vào thời điểm khác Nhiều nghiên cứu [52, 53, 54] rằng, phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA đáp ứng phần việc đảm bảo QoS cho liệu đa phương tiện, nhiên nhiều số hiệu cịn hạn chế yếu tố cố định giá trị cho tham số IEEE 802.11 EDCA 35 (2) Vấn đề tính công phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Xét AC với hàng đợi, tương ứng cho loại liệu Voice, Video, Besteffort, Background Kích thước cửa sổ tương tranh CW giá trị Backoff cho luồng gán Hình 1.14 Dễ nhận thấy, AC có mức ưu tiên cao (AC[VI], AC[VO]) chờ khoảng thời gian có AIFS nhỏ Các AC có mức ưu tiên thấp (AC[BE], AC[BK]) phải chờ khoảng thời gian AIFS lớn Điều giúp cho đếm AC có mức ưu tiên cao sớm Hình 1.14: Cơ chế truy nhập kênh có xung đột bên 802.11 EDCA [55] Ví dụ này, cho thấy vai trò tham số IEEE 802.11 EDCA với luồng liệu ưu tiên có khác biệt Tức AC có mức ưu tiên cao hơn, chiếm nhiều băng thông hơn, truyền nhiều khung tin so với AC có mức ưu tiên thấp Điều cho thấy AC có mức ưu tiên thấp dễ bị “bỏ đói” mạng đạt trạng thái bão hịa Các mơ hình xung đột canh tranh kênh truyền bên AC trạm bên ngồi trạm Hình 1.15 dẫn đến cân thông lượng luồng Việc xảy xung đột bên giải thích có tình nhiều ACs trạm có đếm thời gian chờ trở lúc Trong trường hợp AC có mức ưu tiên cao truyền frame AC có mức ưu tiên thấp nhân đôi cửa sổ tương tranh thực khởi tạo lại đếm 36 Hình 1.15: Cơ chế truy nhập kênh có xung đột bên ngồi 802.11 EDCA [55] Sự cạnh tranh mơi trường truyền theo mức độ ưu tiên khác đặt thách thức tốn nâng cao tính cơng phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA mạng adhoc Trên sở phân tích trên, luận án xác định phạm vi tập trung nghiên cứu tham số chế truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA với mục tiêu hướng tới nhằm bảo đảm thông lượng cho luồng liệu điều kiện tải mạng tăng cao đồng thời nâng cao số công (fairness index) cho luồng liệu Để giải toán đặt ra, luận án nghiên cứu nội dung chủ yếu sau Hình 1.16: Phương pháp điều khiển truy nhập IEEE 802.11 [19] Nội dung 1: Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng số tham số IEEE 802.11 EDCA có ảnh hưởng đến thông lượng luồng liệu ưu tiên tới 37 hiệu mạng adhoc Trong nội dung này, luận án tiếp cận theo hướng khảo sát, đánh giá tham số phương thức truy nhập IEEE 802.11 EDCA có ảnh hưởng đến thơng lượng luồng Voice, Video Best-effort Đây sở để đưa đề xuất nhằm nâng cao hiệu theo hướng thích nghi cho nhiều tơ-pơ mạng khác Nội dung 2: Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng liệu theo mức độ ưu tiên khác dựa chế điều chỉnh tham số TXOP động IEEE 802.11 EDCA Trong nội dung này, luận án đề xuất thuật toán điều chỉnh hội truyền qua tham số TXOP động với luồng liệu có mức độ ưu tiên khác dựa theo trọng số Mỗi nút luồng liệu phát luồng liệu nút láng giềng để điều chỉnh tham số TXOP nhằm đạt băng thông theo trọng số ưu tiên Ý tưởng phương pháp ngăn chặn việc công xảy luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm tồn băng thơng luồng ưu tiên thấp Luận án đưa trọng số ưu tiên cho loại luồng liệu Trong trạng thái mạng bão hòa, luồng liệu yêu cầu thông lượng vượt khả băng thông, loại luồng liệu nhận thông lượng theo tỉ lệ phân chia thích hợp Nội dung 3: Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh số tham số IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính cơng cho luồng liệu Nội dung kế thừa phát triển kết hướng nghiên cứu lĩnh vực mạng khơng dây adhoc nhiều năm Trong đó, luận án giới thiệu mơ hình đơn giản để sử dụng kết liệu thực nghiệm qua mô nhằm xây dựng chế điều khiển thông minh tham số IEEE 802.11 EDCA phương pháp sử dụng Fuzzy logic môi trường mạng adhoc Mục tiêu phương pháp nhằm đưa lại công thông lượng loại liệu chuẩn IEEE 802.11 38 1.6 Kết luận chương Trong chương này, luận án hệ thống lại lý thuyết mạng khơng dây nói chung mạng adhoc nói riêng Trong sâu phân tích vấn đề ảnh hưởng đến hiệu mạng adhoc, đồng thời nhận diện vấn đề tồn Luận án điểm lại nghiên cứu liên quan theo hướng tiếp cận chủ đạo năm gần mà nhà nghiên cứu nước giới đạt Trên sở đó, luận án trình bày định hướng nghiên cứu để giải vấn đề lựa chọn Nội dung chương tổng hợp từ tài liệu chuyên ngành phần trích rút từ công bố báo khoa học chuyên ngành [CT3], [CT5], [CT8] 39 CHƯƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BỘ THAM SỐ TRUY XUẤT KÊNH TRUYỀN PHÂN TÁN NÂNG CAO IEEE 802.11 EDCA Trong chương này, luận án phân tích chế điều khiển truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA thông qua việc phân tích, khảo sát tham số điều khiển truy nhập môi trường truyền IEEE 802.11 EDCA nhằm đánh giá tác động, ảnh hưởng đến chất lượng luồng Voice, Video Best-effort Nội dung chương 2, bao gồm: Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số TXOP IEEE 802.11 EDCA tới hiệu mạng adhoc; Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số CW IEEE 802.11 EDCA tới hiệu mạng adhoc; Thiết lập kịch xây dựng mơ để đánh giá vai trị tham số IEEE 802.11 EDCA Việc đánh giá, xem xét dựa tiêu chí thơng lượng, số công qua công cụ mô NS2 Đây sở để đưa đề xuất nhằm nâng cao hiệu năng, tăng chất lượng cho luồng liệu thực thi ứng dụng địi hỏi khắt khe tiêu chí đảm bảo chất lượng QoS 2.1 Phương thức truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA 2.1.1 Tổng quan IEEE 802.11 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) Giao thức IEEE 802.11 trở thành chuẩn thực tế việc điều khiển truy cập kênh truyền thông mạng không dây Giao thức IEEE 802.11 có hai chế độ hoạt động Infrastructure mode adhoc mode Nhiều nghiên cứu [56, 57, 58] chức cộng tác phân tán DCF (Distributed 40 Bảng 2.1: Bảng luồng liệu theo thứ tự ưu tiên [30] Độ ưu tiên AC Kiểu liệu Thấp BK Background - BE Best-effort - VI Video Cao VO Voice Coordination Function) chuẩn IEEE 802.11 khơng có chế phân biệt luồng liệu để ưu tiên xử lý, khơng đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho ứng dụng đa phương tiện Khắc phục hạn chế đó, chuẩn IEEE 802.11e đời cho phép xử lý liệu dựa dịch vụ có phân biệt [59, 60, 61] Điểm bật IEEE 802.11e, có chức cộng tác lai HCF (Hybrid Coordination Function) kết hợp DCF PCF HCF bao gồm hai chế điều khiển truy nhập kênh truyền, gồm truy cập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) dựa chế có tranh chấp (Contention-based) chế điều khiển truy nhập tập trung tranh chấp HCCA (HCF Controlled Channel Access) dựa chế hỏi vòng Cơ chế EDCA cài đặt thực thể chuẩn IEEE 802.11 sử dụng hàng đợi để nhận xử lý frame cần truyền đi, phân loại tương ứng với AC (Access Categories) Để cung cấp chất lượng dịch vụ, chế IEEE 802.11 EDCA áp dụng bốn tham số độc lập cho hàng đợi IEEE 802.11 EDCA xem phiên nâng cấp IEEE 802.11 DCF, theo chế tranh chấp truy nhập môi trường truyền sử dụng CSMA/CA hàm quay lui (backoff), dựa tham số đặc trưng cho AC để tạo mức ưu tiên tranh chấp khác [62, 63] Có kiểu liệu với độ ưu tiên mô tả Bảng 2.1, Mỗi frame từ tầng chuyển xuống tầng MAC đánh trọng số ưu tiên người dùng (User Priority - UP) tùy thuộc vào ứng dụng sinh frame Có giá trị trọng số ưu tiên mô tả Bảng 2.2 41 Bảng 2.2: Bảng ánh xạ UP AC [30] Độ tiên ưu UP AC Kiểu liệu Thấp BK Background Thấp BK Background - BE Best-effort - BE Best-effort - VI Voice - VI Voice Cao VO Voice Cao VO Voice Các giá trị ánh xạ vào hàng đợi tương ứng với kiểu liệu Tùy thuộc vào tập tham số ưu tiên hàng đợi, gói tin thuộc luồng liệu ưu tiên cao truy nhập vào kênh truyền với xác suất cao 2.1.2 Định dạng cấu trúc trường thông tin IEEE 802.11 EDCA Cấu trúc trường thông tin cho tập tham số EDCA biểu diễn Hình 2.1 Trong đó, trường thông tin cho loại AC (AC _BE, AC _BK, AC _V I, AC _V O) sử dụng bytes, AC bao gồm trường chứa thông tin tập tham số EDCA Hình 2.2 Hình 2.1: Cấu trúc trường thơng tin EDCA [18] Trong đó, trường ACI sử dụng bits làm trường định danh AC Có loại AC tương ứng với bit định danh 00, 01, 10, 11 Trường AIFS sử dụng bits để quy định số khoảng cách frame Trường TXOP sử dụng bytes để chưa giá trị tham số hội truyền TXOP Trường ECWmin ECWmax sử dụng 42 byte để quy định hệ số mũ cho cửa số tương tranh Hình 2.2: Cấu trúc trường thơng tin cho AC [18] Trong đó, giá trị CWmin CWmax thể qua phương trình chứa giá trị hệ số mũ ECWmin ECWmax: ECW = 2ECW − (2.1) ECW max = 2ECW max − Trong trạm, tham số gán theo giá trị mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA Chức EDCAF chịu trách nhiệm gán quyền truy nhập lên môi trường truyền dựa vào giá trị ưu tiên thiết lập AC 2.1.3 Cơ chế truy nhập kênh truyền IEEE 802.11 EDCA Cơ chế truy nhập kênh truyền thực thông qua tham số thiết lập cho AC theo mức độ ưu tiên kiểu liệu Mỗi AC bao gồm tham số AIF S[AC], CWmin [AC], CWmax [AC] T XOP [AC] Hình 2.3: Thủ tục truy nhập kênh truyền IEEE 802.11 EDCA [30] Hình 2.3 thể mức độ ảnh hưởng tham số thủ tục truy nhập kênh truyền Tất luồng trạm gán quyền truy nhập kênh cảm nhận kênh rỗi khoảng AIF S[AC] biến đếm backof f Do đó, luồng có số AIF SN [AC] CW nhỏ có hội truy nhập kênh truyền lớn trạm khác Đặc điểm vai trò tham số IEEE 43 802.11 EDCA trình bày đây: (1) Tham số CWmin , CWmax : giới hạn nhỏ nhất, lớn cửa sổ tương tranh (CW) Trong tham số CWmin [AC], CWmax [AC] cho phép xác định hệ số Backoff[AC] theo công thức (2.2) Backof f [AC] = Random[0, min(2k (CWmin [AC] + 1) − 1, CWmax [AC])] (2.2) Với k số lần truyền xảy xung đột (2) Tham số AIFS[AC]: xác định khoảng thời gian tối thiểu trước thực truyền frame thực giảm đếm biến backof f AIF S[AC] = AIF S[AC] × Te + SIF S (2.3) Trong đó, Te biến thời gian cho slot time (3) TXOP(Tranmission Opportunity): khoảng thời gian truyền tối đa luồng quyền truyền liệu Luồng yêu cầu độ trễ nhỏ có thời gian truyền tối đa lớn ngược lại Hình 2.4: Tham số TXOP limit IEEE 802.11 EDCA [30] Theo Hình 2.4, TXOP tính khoảng thời gian thực truyền khung tin T XOP [AC] = TDAT A + × SIF S + TACK (2.4) Trong đó, thoảng thời gian truyền thơng báo gồm tồn q trình trao đổi frame, khoảng thời gian chờ SIFS, thời gian truyền ACK, thời gian truyền liệu thời gian gửi nhận RTS/CTS sử dụng chế RTS/CTS 44 2.1.4 Phân tích, đánh giá thơng lượng luồng liệu IEEE 802.11 EDCA Để đánh giá thông lượng luồng liệu IEEE 802.11 EDCA, luận án sử dụng mơ NS2 có cải tiến Mơ hình đánh giá mơ tả Hình 2.5, đó, lựa chọn loại liệu điển hình Voice, Video, Best-effort để xem xét, đánh giá thông lượng luồng liệu qua tham số IEEE 802.11 EDCA chuẩn Hình 2.5: Mơ hình đơn chặng với luồng liệu Bảng 2.3: Tham số mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA [30] AC CWmin CWmax AIFS TXOP AC[BK] 31 1024 0ms AC[BE] 31 1024 0ms AC[VI] 15 31 6.016ms AC[VO] 15 3.264ms Kết mơ thể Hình 2.6, tùy theo mức độ ưu tiên, phương thức truy nhập IEEE 802.11 EDCA đảm bảo luồng ưu tiên cao Voice nhận thông lượng nhiều luồng ưu tiên thấp 45 Hình 2.6: Throughput theo tham số chuẩn IEEE 802.11 EDCA Đồ thị Hình 2.6 cho thấy tải mạng nhỏ 1.5Mbps, thông lượng luồng tương đương nhau, tải mạng 1.5Mbps, mức độ ưu tiên thể rõ, luồng có mức ưu tiên theo thứ tự từ cao đến thấp Voice, Video, Best-effort thể qua tham số TXOP, CW, AIFS phân bổ thông lượng theo tỷ lệ xấp xỉ 3:2:1 2.2 Xây dựng mô đánh giá ảnh hưởng tham số IEEE 802.11 EDCA Với mục tiêu nhằm đánh giá tác động tham số phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA mạng adhoc Trong chương này, luận án tiến hành xây dựng kịch nhằm khảo sát, đánh giá tính tương tranh luồng ưu tiên cao luồng ưu tiên thấp theo số thơng lượng tính cơng mạng adhoc 2.2.1 Thiết lập mơ hình mạng mơi trường mô Công cụ mô sử dụng Network Simulator (NS-2) [14] Các tham số mô mô tả Bảng 2.4 Luận án sử dụng mơ hình đơn chặng với nút gửi nút nhận theo Hình 2.5 nhằm đánh giá tính cạnh tranh trực tiếp luồng nút Mô hình cho kịch đơn chặng, gồm nút phát S nút nhận D Nút phát S gửi luồng Best-effort, Video 46 and Voice tới nút D Bảng 2.4: Các tham số mô Thông số Giá trị Channel data rate 11 Mbps Antenna type Omni direction Radio Propagation Two-ray ground Transmission range 250 m Carrier Sensing range 550 m MAC protocol IEEE 802.11e Connection type UDP/CBR Buffer size 100 packet Simulation time 150s Trong đó, nguồn sinh lưu lượng CBR có thơng số bản, gồm packet size=1024bytes; packet interval= 1.0/lambda, với lambda bước tăng tải, dataRate=11mb 2.2.2 Các số đo lường mạng (1) Thông lượng tổng cộng (Total throughput): Giá trị thông lượng tổng cộng định nghĩa tổng thơng lượng tồn luồng theo cơng thức (2.5) n T otalT hroughput = xi (2.5) i=1 (2) Chỉ số công (Fairness Index): Chỉ số Fairness Index định nghĩa by R Jain [64] tính theo cơng thức (2.6): F airnessIndex = ( n× n i=1 xi ) n i=1 (xi ) Trong đó, n số luồng xi thơng lượng luồng liệu i (2.6) 47 2.2.3 Kịch đánh giá tham số TXOP Trong kịch này, tham số TXOP thiết lập cố định theo số liệu Bảng 2.5, giá trị thay đổi theo trường hợp Case đến Case Trong đó, kịch cho Case đến Case thực cố định tham số TXOP luồng Video Voice Riêng luồng Best-effort thực tăng dần giá trị theo mức thấp đến mức cao Các tham số AIFS, CW sử dụng theo giá trị mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA Bảng 2.3 Mục đích kịch nhằm đánh giá tác động tham số TXOP luồng có mức ưu tiên thấp luồng có mức ưu tiên cao Tốc độ lưu lượng tải G tăng dần theo bước nhẩy 0.4 [Mbps] đến đạt thơng lượng 8[Mbps] Trong đó, giá trị TXOP luồng VI luồng VO giữ nguyên theo giá trị mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA Bảng 2.5: Các kịch đánh giá tham số TXOP AC TXOP Case 1(ms) TXOP Case 2(ms) TXOP Case 3(ms) BE 3.264 6.016 10 VI 6.016 6.016 6.016 VO 3.264 3.264 3.264 Việc chọn tham số luồng BE theo nguyên tắc tăng dần giá trị ưu tiên Ở thông lượng luồng BE coi sở nhằm so sánh tỷ lệ thông lượng luồng Voice: Best-effort, luồng Video:Best-effort tải tăng dần đến trạng thái bão hịa 2.2.4 Phân tích kết mơ đánh giá tham số TXOP Kết thông lượng luồng theo kịch đánh giá tham số TXOP thể Hình 2.7 48 Hình 2.7: Throughput luồng BE cho kịch Bảng 2.5 Kết số công đánh giá tham số TXOP theo kịch thể Bảng 2.6 Bảng 2.6: Bảng số công cho kịch Bảng 2.5 802.11 EDCA TXOP Case TXOP Case TXOP Case 0.6 0.67 0.8 0.78 Từ hai số đo lường hiệu thông lượng độ công thu qua kịch mô phỏng, luận án đưa nhận xét sau: (1) Kết Hình 2.7 thực mô với giá trị TXOP theo kịch Case đến Case 3, cho thấy tải 2Mbps, thông lượng luồng tăng đều, tải mạng tăng lên 2Mbps thơng lượng luồng ưu tiên thấp giảm xuống có cạnh tranh với luồng ưu tiên cao (2) Kết số Fairness Index Bảng 2.6 với giá trị TXOP theo kịch Case đến Case 3, cho thấy số Fairness trường hợp Case đưa lại trọng số tốt Điều này, cho thấy giá trị thông lượng số công khơng tỷ lệ thuận với Việc tìm điểm cân thơng lượng số cơng địi hỏi phải tính đến tốn nâng cao hiệu cho mạng adhoc 49 2.2.5 Kịch đánh giá tham số CW Trong kịch này, tham số CW thiết lập cố định theo số liệu Bảng 2.7, bao gồm giá trị thay đổi theo trường hợp Case đến Case Trong đó, giá trị CW luồng VI luồng VO giữ nguyên, giá trị CW luồng BE giảm dần giá trị nhằm gia tăng hội truy nhập kênh truyền cho luồng Các tham số AIFS, TXOP sử dụng theo giá trị mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA Bảng 2.3 Mục đích kịch nhằm đánh giá ảnh hưởng tham số CW luồng có mức độ ưu tiên thấp với luồng có độ ưu tiên cao Trong mơ này, tốc độ lưu lượng tải G tăng dần theo bước nhẩy 0.4 [Mbps] đến đạt tốc độ lớn 8[Mbps] Bảng 2.7: Các kịch đánh giá tham số CW CW Case CW Case CW Case Min Max Max Min Max Min BE 15 31 15 VI 15 31 15 31 15 31 VO 15 15 15 Việc chọn tham số CW luồng BE theo nguyên tắc tăng dần giá trị ưu tiên Ở thông lượng luồng BE coi sở nhằm so sánh tỷ lệ thông lượng luồng Voice: Best-effort, luồng Video:Best-effort tải tăng dần đến trạng thái bão hịa 2.2.6 Phân tích kết mơ đánh giá tham số CW Kết thông lượng luồng BE đánh giá tham số CW theo kịch thể Hình 2.8 50 Hình 2.8: Throughput luồng BE cho kịch Bảng 2.7 Kết số công luồng đánh giá tham số CW theo kịch thể Bảng 2.8 Bảng 2.8: Bảng số công cho kịch theo Bảng 2.7 802.11 EDCA CW Case CW Case CW Case 0.6 0.67 0.79 0.77 Từ hai số đo lường hiệu thông lượng độ công thu qua kịch mô phỏng, luận án đưa nhận xét sau (1) Kết Hình 2.8 mô với giá trị CW theo kịch Case đến Case 3, cho thấy tải 1.5Mbps, thông lượng luồng tăng đều, tải mạng tăng lên 1.5Mbps thơng lượng luồng phân hóa với ưu thuộc luồng Voice Video (2) Kết số Fairness Index Bảng 2.8 với giá trị CW theo kịch Case đến Case 3, cho thấy số Fairness trường hợp Case tốt Điều cho thấy giá trị thông lượng số cơng khơng tỷ lệ thuận với Việc tìm điểm cân thông lượng số công địi hỏi phải tính đến tốn nâng cao hiệu cho mạng adhoc 51 2.3 Một số kết luận (1) Tham số TXOP, CW phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA thiết lập theo giá trị mặc định IEEE 802.11 đưa không phù hợp với mạng adhoc [65, 66, 26, 67] tô-pô mạng biến đổi điều kiện có chia sẻ băng thơng với nút láng giềng (2) Nếu nâng cao số công giá trị thơng lượng bị thu hẹp lại Hai tham số xem tỷ lệ nghịch (3) Giá trị tham số TXOP, CW luồng ưu tiên tăng dần kéo theo việc tăng thông lượng số công băng phá vỡ việc đảm bảo thơng lượng số công cần điều chỉnh giá trị TXOP, CW cách linh hoạt 2.4 Kết luận chương Trong chương này, luận án tập trung phân tích chế hoạt động phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Xây dựng kịch mô khác cho hai tham số quan trọng phương thức truy nhập phân tán IEEE 802.11 EDCA để đánh giá tác động đến hiệu mạng Việc đánh giá nhằm xác định vai trò cụ thể tham số TXOP CW luồng Voice, Video Best-effort theo hai tiêu chí hiệu thông lượng độ công Việc phân tích chế hoạt động tham số phương thức truy nhập môi trường truyền phân tán nâng cao tầng MAC cho ta đánh giá cách khách quan mặt mạnh, mặt yếu tham số Thơng qua đề xuất xây dựng giải pháp nhằm hạn chế nhược điểm tồn Kết từ mô đưa nhiều kết luận quan trọng, xác định rõ vai trò tham số TXOP, CW IEEE 802.11 EDCA có yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng luồng liệu Nhược điểm tồn lớn tham 52 số thiết lập theo giá trị mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA không phù hợp mạng adhoc Nội dung chương công bố thảo luận Hội thảo quốc gia lần thứ XXII “Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông” CT[7] 53 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG LUỒNG DỮ LIỆU THEO MỨC ĐỘ ƯU TIÊN KHÁC NHAU DỰA TRÊN CƠ CHẾ ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ TXOP ĐỘNG Trên sở phân tích hạn chế tham số TXOP IEEE 802.11 EDCA chương Trong chương luận án, tác giả đề xuất phương pháp nhằm điều chỉnh tham số TXOP theo chế động phù hợp với độ ưu tiên loại liệu Nội dung bao gồm: Đặt vấn đề cho toán dựa vào vấn đề tồn đối tượng nghiên cứu; Đề xuất ý tưởng, xây dựng mơ hình, giải pháp thuật tốn cho phương pháp mới; Thiết lập mơ để kiểm chứng phương pháp đề xuất với phương pháp theo chuẩn mặc định IEEE 802.11 EDCA; Đánh giá kết mơ theo tiêu chí hiệu 3.1 Đặt vấn đề Giao thức IEEE 802.11 [19] chuẩn thực tế (de facto) việc điều khiển truy nhập kênh truyền thông mạng khơng dây adhoc Trong phiên IEEE 802.11e [30] phê duyệt trở thành phần giao thức IEEE 802.11 nhằm hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS cho ứng dụng đa phương tiện đòi hỏi ưu tiên thông lượng hay nhạy cảm độ trễ Chuẩn IEEE 802.11e dựa phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) để truy nhập mơi trường truyền có phân biệt mức ưu tiên khác cho loại luồng liệu Tham số TXOP IEEE 802.11 EDCA cho phép trạm ưu tiên phép truyền liên tục khoảng thời gian TXOP sau giành kênh 54 truyền Tuy nhiên, việc thiết lập giá trị tham số TXOP theo giá trị mặc định phương thức truy nhập IEEE 802.11 EDCA chưa đem lại hiệu tối ưu mạng adhoc Nhiều kết nghiên cứu [65, 66, 26, 67] tải mạng đạt trạng thái bão hòa, luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm tồn băng thông luồng ưu tiên thấp, dẫn đến công mạng Từ vấn đề nhận diện, toán đặt làm để lựa chọn giá trị tham số TXOP tối ưu phù hợp với đặc tính mơ hình mạng thường xuyên biến đổi mạng adhoc Tham số điều chỉnh phải đảm bảo thông lượng chung cho luồng liệu đồng thời cải thiện số công mức tốt 3.2 Giải pháp đề xuất 3.2.1 Ý tưởng phương pháp Ý tưởng phương pháp ngăn chặn không công xảy luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm tồn băng thơng luồng có độ ưu tiên thấp Để đạt mục tiêu vậy, luận án đề xuất thuật toán điều chỉnh tham số TXOP cho luồng liệu theo mức độ ưu tiên khác dựa vào trọng số thiết lập trước chế truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Trong trạng thái mạng bão hòa, luồng liệu yêu cầu thông lượng vượt khả băng thông, loại luồng liệu nhận thông lượng theo tỉ lệ phân chia theo trọng số 3.2.2 Mơ hình đề xuất Trong mơ hình đề xuất IEEE 802.11 EDCA [30], chế EDCA cài đặt thực thể chuẩn IEEE 802.11 sử dụng nhiều hàng đợi để nhận xử lý frame cần truyền đi, phân loại tương ứng với loại AC (Access Category) Mỗi hàng đợi gán tham số cố định đặc trưng cho AC để tạo mức ưu tiên tranh chấp khác Khi đồng thời có nhiều AC địi hỏi truy nhập đường truyền, AC ứng với mức ưu tiên cao 55 quyền truy nhập cịn AC có mức ưu tiên thấp phải khởi động thuật toán quay lui giống xảy xung đột ngoại trạm thông thường Hình 3.1: Mơ hình IEEE 802.11 EDCA Trong mơ hình đề xuất IEEE 802.11 EDCA, chức điều khiển truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao EDCAF (Enhanced Distributed Control Access Function) thực gán tham số TXOP AC có mức ưu tiên cao để truy nhập đường truyền Tuy nhiên, với chế tải mạng đạt trạng thái bão hòa, luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm tồn băng thơng luồng ưu tiên thấp, dẫn đến công mạng Để giải vấn đề luận án đề xuất cải tiến mơ hình IEEE 802.11 EDCA giải pháp tăng cường tổ hợp ba module có chức thực tính tốn lại giá trị TXOP trước hàm điều khiển truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCAF thực cấp phát giá trị TXOP truy nhập đường truyền Phương pháp đề xuất điều chỉnh tham số TXOP để thích nghi với tỷ lệ thơng lượng luồng Nhằm đạt trạng thái công lý tưởng cho mạng, luồng liệu đề xuất gán trọng số ki ứng với loại liệu có mức độ ưu tiên khác Tỷ lệ băng thông mong muốn 3:2:1 với thứ tự 56 ưu tiên Voice, Video, Best-effort Ba module đề xuất mơ tả chi tiết đây, gồm Hình 3.2: Mơ hình IEEE 802.11 EDCA với module đề xuất (1) TXOP-Flow module: Hoạt động tầng MAC, có chức đếm số luồng miền phát Một luồng xác định dựa vào địa IP nguồn, địa IP đích, địa MAC nguồn, địa MAC đích loại AC phần đầu frame Ký hiệu số luồng n, ki trọng số cho loại luồng liệu Trọng số luồng thiết lập kV O = 3, kV I = 2, kBE = Đầu module, biến W đưa lại tổng trọng số luồng nút khảo sát theo công thức n W = (ki ) (3.1) i=1 Trong đó, ki trọng số luồng, n số luồng Luồng liệu xác định dựa loại tham số bao gồm: địa MAC nguồn, địa MAC đích, địa IP nguồn, địa IP đích, loại liệu Sơ đồ luồng mơ đun thể Hình 3.3 đó, đầu vào biến W, k khởi tạo đầu tổng luồng có gán trọng số 57 Hình 3.3: Sơ đồ khối mơ tả thuật toán modun TXOP-Flow Điều kiện thu thập luồng thực thông qua việc phát gói tin miền truyền Việc thu thập tính với gói tin qua nút gói tin qua nút hàng xóm nằm phạm vi truyền Trong sơ đồ, hàm Decode(packet) trả thơng tin luồng liệu gói tin Hàm flow.weight trả giá trị trọng số k tương ứng với loại liệu Hàm now() trả thời gian (2) TXOP-Flow-Active-Time module: Có chức đánh giá hiệu suất liên kết thực luồng khoảng thời gian EP (Estimation Period) định nghĩa trước U [i] = TActime−time[i] EP (3.2) 58 Trong đó, U [i] hiệu suất liên kết thực luồng i, TActive−T ime[i] tổng thời gian gửi gói tin luồng i TActive[i] tổng thời gian gửi nhận gói tin trước luồng i Hình 3.4: Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn TXOP-Flow-Active-Time Hiệu suất liên kết xác định thơng qua việc phân tích thời gian dùng để phát gói tin luồng i với tỷ lệ 80% thời gian gửi nhận 20% thời gian gửi nhận trước Sơ đồ luồng biểu diễn hoạt động mô đun thể Hình 3.4 59 (3) AdaptiveTXOP: Module chứa thuật tốn điều chỉnh tham số TXOP dựa vào tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR (Real Share Ratio) tỷ lệ chia sẻ băng thông công FSR (Fair Share Ratio) Như vậy, trước gửi tham số truy nhập môi trường truyền 802.11 EDCA cho hàm ADCEF, giá trị TXOP tính tốn lại Giá trị điều chỉnh TXOP’[i] xác định công thức (3.3) T XOP [i] = F SR[i] × T XOP [i] RSR[i] (3.3) Trong đó, F SR[i] tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng, RSR[i] tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế, T XOP [i] giá trị hành chứa khoảng thời gian truyền tối đa luồng i Tham số T XOP [i] điều chỉnh theo nguyên tắc tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế lớn tỷ lệ chia sẻ băng thơng cơng module thực giảm giá trị T XOP [i] nhằm gia tăng hội truy nhập kênh truyền cho luồng khác Với chế kiểm sốt mức độ chia sẻ băng thơng linh hoạt dựa vào thông số đầu vào tỷ lệ chia sẻ băng thông công F SR tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR, giúp cho mạng đảm bảo mức phân chia băng thông cách hợp lý luồng tải mạng tăng cao Trong trường hợp có luồng có luồng có tải nhỏ, chúng truy cập kênh truyền dễ dàng băng thơng cịn lại chia sẻ luồng khác Điều cho phép sử dụng băng thông kênh truyền hiệu đảm bảo cấp phát băng thông công luồng Sơ đồ khối mô tả chế hoat động modun thể Hình 3.5 Trong hàm Flows.TXOP-Flow (flow) cho phép trả tổng trọng số luồng thu thập Hàm Flows.TXOP-Flow-Active-Time(flow) trả giá trị hiệu suất liên kết thực luồng Hàm Decode(packet) trả thơng tin luồng liệu gói tin Hàm Flow.append(flow) trả số luồng liệu Hàm now() trả thời gian 60 Hình 3.5: Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn Adaptive-TXOP module 3.2.3 Thuật tốn điều chỉnh tham số TXOP Thuật toán điều chỉnh tham số T XOP sử dụng kết đầu từ module mơ hình đề xuất Trong đó, module đóng vai trị hàm trả giá trị theo chức Một số thuật toán trình bày đây, bao gồm thuật tốn tính tổng số luồng nút i; Tính hiệu suất liên kết thực luồng; Tính tỷ lệ chia sẻ băng thơng cơng FSR;Tính tỷ lệ chia sẻ băng thơng thực tế RSR;Thuật tốn điều chỉnh tham số TXOP 61 Thuật tốn 3.1 Tính tổng số luồng nút i INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi phát luồng liệu VO, VI, BE OUTPUT: Trả giá trị W tổng trọng số luồng thu thập 1: Khởi tạo biến EP = 2s, W = //Gán trọng số cho luồng 2: Gán kV O = 3; kV I = 2; kBE = 3: repeat 4: //Giải mã gói tin 5: flow = Decode(packet) ; Flows.append(flow) //Tính tổng trọng số luồng n 6: W = i=1 (ki ) 7: until (Quá thời gian EP) 8: Trả giá trị W Thuật tốn 3.2 Tính hiệu suất liên kết thực luồng INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi phát luồng liệu VO, VI, BE OUTPUT: Giá trị hiệu suất liên kết thực luồng i 1: Khởi tạo biến TActive−T ime[i] = 0; TActive[i] = 2: for (trong khoảng thời gian EP) 3: //Thực tính thời gian phát gói tin 4: Tính: TActive−T ime[i] = 0.8 × TActive−T ime[i] + 0.2 × TActive[i] 5: for (với gói tin p) 6: 7: if (trường địa đến p → destID == localID) then if (trường gói tin điều khiển CT S → T ype = CT S ) then 8: //Thực tính khoảng thời gian trao đổi gói tin điều khiển 9: TActive[i] = TActive[i] + TRT S + TCT S 10: if (trường gói tin điều khiển p → T ype = ACK ) then 11: //Thực tính khoảng thời gian trao đổi liệu 12: TActive[i] = TActive[i] + TDAT A + TACK end if 13: 14: 15: 16: end if end if end for 17: end for 18: Trả giá trị TActive−T ime[i] 62 Thuật tốn 3.3 Tính tỷ lệ chia sẻ băng thông công FSR INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi phát luồng liệu VO, VI, BE OUTPUT: Giá trị tỷ lệ chia sẻ băng thông công F SR, 1: //Khởi tạo biến 2: EP = 2s; W = 0; F SR = 3: //Gán trọng số cho luồng 4: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 5: for (trong khoảng thời gian EP) 6: //Gọi hàm tính tổng trọng số luồng 7: W = Flows.TXOP-Flow.Weight (flow) 8: //Thực tính tỷ lệ chia sẻ công luồng 9: F SR = ki W 10: end for 11: Trả giá trị F SR Thuật tốn 3.4 Tính tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR(Real Share Ratio) INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi truyền luồng liệu VO, VI, BE OUTPUT: Giá trị tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR 1: //Khởi tạo biến 2: EP = 2s; W = 0; RSR = 3: //Gán trọng số cho luồng 4: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 5: for (trong khoảng thời gian EP) 6: //Gọi hàm tính giá trị hiệu suất liên kết thực 7: TActive−T ime[i] = F lows.T XOP _F low_Active_T ime(f low) 8: //Thực tính tỷ lệ chia sẻ thực tế luồng 9: RSR = TActime−T ime[i] EP 10: end for 11: Trả giá trị RSR 63 Thuật toán 3.5 Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi truyền luồng liệu VO, VI, BE OUTPUT: Giá trị điều chỉnh T XOP [i] 1: //Khởi tạo biến 2: EP = 2s, W = 0, RSR = 0, F SR = 3: //Gán trọng số cho luồng 4: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 5: for (trong khoảng thời gian EP) 6: //Gọi hàm tính giá trị chia sẻ băng thông công 7: F SR[i] = F air_Share_Ratio.Get(f low) 8: //Gọi hàm tính giá trị chia sẻ băng thông thực tế 9: RSR[i] = Real_Share_Ratio.Get(f low) 10: //Thực tính lại giá trị TXOP 11: T XOP [i] = F SR[i] × T XOP [i] RSR[i] 12: end for 13: Trả giá trị T XOP [i] 3.3 Hàm mục tiêu số đo lường đề xuất Hai số quan trọng sử dụng để đánh giá hiệu thông lượng độ công Với số công bằng, áp dụng cho luồng khơng có ưu tiên, trường hợp tốt xảy ra, thông lượng luồng nhau, lúc số cơng tiệm cận tới Trường hợp xấu nhất, có luồng chiếm tồn băng thơng luồng cịn lại không, số công lúc 1/n Trong đề xuất này, để đánh giá độ công thơng lượng luồng liệu có độ ưu tiên khác mạng adhoc Luận án đề xuất trọng số ki ứng với loại liệu có mức độ ưu tiên khác Mạng đạt trạng thái công lý tưởng nếu: x1 x2 xn = = = k1 k2 kn (3.4) 64 Trong đó, n số luồng, xi thơng lượng luồng liệu i với trọng số tương ứng ki (1) Chỉ số công (Fairness Index): Áp dụng cơng thức tính số cơng (Fairness Index) định nghĩa R Jain [64], công thức xác định số cơng mạng có luồng liệu theo độ ưu tiên khác nhau, phát biểu sau: ( F airnessIndex = n× xi ) ki xi n ( i=1 k ) i n i=1 (3.5) Bảng phân mức đánh giá số fairness theo trọng số thu Bảng 3.1: Bảng phân mức số Fairness từ cao đến thấp Mức đánh giá Fairness Index Index Very good 0.9-1 Good 0.7-0.9 Good enough 0.4-0.6 Bad < 0.3 (2) Thông lượng tổng cộng (Total throughput): Giá trị thông lượng tổng cộng định nghĩa tổng thơng lượng tồn luồng mơ theo công thức (2.5) Với số thông lượng, hàm mục tiêu hướng tới tiệm cận thông lượng tốt theo lý thuyết đồng thời đảm bảo tỷ lệ thông lượng phân chia Thông lượng theo lý thuyết tính theo cơng thức: T hroughput(M b/s) = Amountof data(bits) T ransmissiontime(s) (3.6) Trong đó, thời gian truyền liệu phụ thuộc vào đặc điểm chuẩn với thông số khác tầng vật lý tham số DIFS, SIFS, Slotime, giá trị PLCP 65 3.4 Thực mô Để đánh giá hiệu phương pháp đề xuất, công cụ mô NS2 lựa chọn sử dụng Đây phần mềm có độ tin cậy cao phổ biến giới nghiên cứu học thuật Việc sử dụng NS2 mang lại lợi điểm cho việc khai thác kho thư viện phong phú đóng góp từ cộng đồng nghiên cứu rộng lớn Mô sử dụng hai số đo lường theo cơng thức (3.5) (2.5) để đánh giá tính hiệu phương pháp thiết lập giá trị TXOP mặc định theo IEEE 802.11 EDCA phương pháp đề xuất điêu khiên giá trị TXOP động Các tham số mô chung sử dụng theo bảng Bảng 3.2 Bộ tham số theo giá trị mặc định IEEE 802.11 EDCA sử dụng theo Bảng 2.3 Tham số EP = (s) Trọng số loại liệu kV O : 3, kV I : 2, kBE : Tỷ lệ tải luồng Voice 3G, luồng Video 2G Best-effort 1G Tốc độ lưu lượng tải G tăng dần theo bước nhẩy 0.4 [Mbps] đến đạt tốc độ lớn [Mbps] Bảng 3.2: Các tham số mô Thông số Giá trị Channel data rate 11 Mbps Antenna type Omni direction Radio Propagation Two-ray ground Transmission range 250 m Carrier Sensing range 550 m MAC protocol IEEE 802.11e Connection type UDP/CBR Buffer size 100 packet Simulation time 300s 66 3.4.1 Mơ hình đơn chặng với tham số TXOP động Trong kịch này, mơ hình đơn chặng, gồm nút phát S nút nhận D Hình 3.6 Nút phát S gửi luồng Best-effort, Video and Voice tới nút D Mơ hình đơn chặng, giúp quan sát tính cạnh tranh luồng nút phát Hình 3.6: Kịch đơn chặng với luồng liệu 3.4.2 Mơ hình đa chặng với tham số TXOP động (i) Kịch đa chặng Trong kịch này, mơ hình thực gồm nút, nút S2 nằm miền phát sóng nút S1 nút S1 nằm miền phát nút D Nút nguồn S2 gửi ba luồng liệu Best-effort, Video and Voice tới node D qua nút S1 hình 3.10 Trong mơ hình đa chặng giúp quan sát thêm tính cạnh tranh nút bên ngồi Hình 3.7: Kịch đa chặng với luồng liệu (ii) Kịch đa chặng nâng cao Trong kịch này, mô hình gồm nút, gồm S4, S3, S2, S1, D có tọa độ Hình 3.8 Hình 3.9 Các nút khởi tạo ba 67 luồng liệu Best-effort, Video and Voice tới node D Thông lượng thu nút D dùng để đánh giá theo tăng dần tải Phương pháp đa chặng nâng cao giúp quan sát đầy đủ tính cạnh tranh luồng có nhiều nút trung gian Hình 3.8: Kịch đa chặng nút với luồng liệu Hình 3.9: Kịch đa chặng hỗn hợp với luồng liệu 3.5 Phân tích, đánh giá mơ Phần mềm Network Simulator (NS-2) [14] sử dụng để xây dựng chương trình mơ đánh giá hiệu phương án đề xuất Mô 68 thưc hiên nhằm so sánh mức độ hiệu phương pháp đề xuất phương pháp theo tiêu chuẩn IEEE 802.11 EDCA Việc đánh giá thực qua số đo lường 3.5.1 Phân tích kết mơ (1) Mơ hình đơn chặng Kết thông lượng luồng Voice, Video Best-effort hai phương pháp thể hình 3.10 hình 3.11 Hình 3.10: Throughput luồng theo tham số IEEE 802.11 EDCA Hình 3.11: Throughput luồng theo phương pháp đề xuất So sánh kết thông lượng luồng Voice, Video Best-effort 69 Hình 3.10 Hình 3.11, thấy thơng lượng luồng Best-effort theo phương pháp đề xuất cải thiện đáng kể thông lượng luồng Voice Video bị suy giảm so với phương pháp thiết lập tham số theo giá trị mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA Hình 3.12: So sánh số Fairness hai phương pháp Chỉ số công luồng hình 3.12, cho thấy tải mạng 2.5Mbps, số công hai phương pháp tương đương, tải mạng 2.5Mbps số công phương pháp đề xuất vượt trội so với phương pháp thiết lập tham số TXOP mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA Hình 3.13: So sánh tổng Throughput hai phương pháp 70 Đồ thị so sánh tổng thơng lượng Hình 3.13, cho thấy tải mạng nhỏ, tổng thông lượng hai phương pháp giống nhau, tải mạng lớn, tổng thông lượng phương pháp đề xuất giảm nhẹ (2) Mơ hình đa chặng (i) Kịch đa chặng bản: Kết mô tổng thông lượng luồng liệu phương pháp đề xuất với phương pháp thiết lập giá trị mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA biểu diễn Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.14: Tổng Throughput luồng theo IEEE 802.11 EDCA Hình 3.15: Tổng Throughput luồng theo phương pháp đề xuất Hình 3.16 biểu diễn kết luồng liệu từ nút S1 đến nút đích D 71 từ nút S2 đến nút đích D theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA Việc thực tính tốn dựa nút, cách thu thập tất luồng liệu phạm vi truyền bao gồm luồng qua nút luồng khơng qua nút Hình 3.16: Throughput luồng theo IEEE 802.11 EDCA Hình 3.17 biểu diễn kết luồng liệu từ nút S1 đến nút đích D từ nút S2 đến nút đích D theo phương pháp đề xuất Hình 3.17: Throughput luồng theo phương pháp đề xuất So sánh kết Hình 3.14, Hình 3.16 theo phương pháp dùng tham số TXOP mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA kết Hình 3.15, Hình 3.17 theo phương pháp đề xuất tham số TXOP động, cho thấy thông lượng 72 luồng Voice, Video Best-effort thu từ phương pháp đề xuất đưa lại tỷ lệ luồng cân Hình 3.18: So sánh tổng Throughput hai phương pháp Hình 3.18 biểu diễn tổng thơng lượng luồng theo hai phương pháp Đồ thị cho thấy tải mạng nhỏ, thông lượng hai phương pháp giống nhau, tải mạng tăng lên tổng thông lượng phương pháp đề xuất có chênh lệch nhẹ Hình 3.19: So sánh số Fairness hai phương pháp Hình 3.19 mơ tả số cơng hai phương pháp, kết cho thấy phương pháp đề xuất tham số TXOP động đưa lại số công cao so với phương pháp thiết lập tham số TXOP theo giá trị mặc định chuẩn 73 IEEE 802.11 EDCA (i) Kịch đa chặng nâng cao: Với mơ hình đa chặng nâng cao theo tơ-pơ Hình 3.8 cho thấy thông lượng tổng cộng phương pháp đề xuất cao phương pháp sử dụng tham số chuẩn IEEE 802.11 EDCA, đồng thời số công cho thấy phương pháp đề xuất cải thiện Với mơ hình đa chặng nâng cao theo tơ-pơ Hình 3.9 cho thấy thông lượng tổng cộng phương pháp đề xuất cao phương pháp sử dụng tham số chuẩn IEEE 802.11 EDCA, số công tương đương Bảng 3.3: Bảng thông lượng mơ hình nút 802.11 EDCA phương pháp đề xuất Tổng thông lượng (Mbps) Chỉ số công 802.11 EDCA 5.64 0.6 Phương pháp đề xuất 5.95 0.7 Bảng 3.4: Bảng thơng lượng mơ hình nút hỗn hợp 802.11 EDCA phương pháp đề xuất Tổng thông lượng (Mbps) Chỉ số công 802.11 EDCA 4.46 0.7 Phương pháp đề xuất 5.87 0.7 3.5.2 Đánh giá thơng lượng (1) Trong mơ hình đơn chặng: Kết thể Hình 3.10 Hình 3.11 cho thấy, tổng thông lượng luồng Voice, Video Best-effort phương pháp thiết lập theo tham số TXOP mặc định IEEE 802.11 EDCA phương pháp thiết lập theo tham số TXOP động khơng có chênh lệch Tuy nhiên, thông lượng luồng Best-effort phương pháp thiết lập theo tham số động cải thiện rõ rệt Tỷ lệ phần trăm mức độ cải thiện 74 thể Hình 3.20 Hình 3.20: Phần trăm độ tăng Throughput luồng BE đơn chặng Hình 3.21: Phần trăm độ tăng Throughput luồng BE đa chặng (2)Trong mơ hình đa chặng: Trong mơ hình đa chặng bản, kết thông lượng tổng cộng luồng Hình 3.14 Hình 3.15 cho thấy khơng có chênh lệch, nhiên điểm cải thiện luồng Best-effort có gia tăng thông lượng giá trị tải tăng dần Tỷ lệ phần trăm mức độ cải thiện thể đồ thị Hình 3.21 Với mơ hình đa chặng nâng cao, số tổng thông lượng số cơng có cải thiện tương đối 75 3.5.3 Đánh giá số công Đánh giá số công luồng liệu có độ ưu tiên khác mạng adhoc, luận án sử dụng theo công thức 3.5 Qua đó, mạng đạt trạng thái cơng lý tưởng tỷ lệ thông lượng trọng số (1)Trong mơ hình đơn chặng: Theo kết hình 3.11, tải mạng nhỏ 2.5Mbps, số công tương đương nhau, tải mạng lớn số công theo phương pháp đề xuất cải thiện Tỷ lệ phần trăm mức độ cải thiện IEEE 802.11 EDCA phương pháp đề xuất thể biểu đồ Hình 3.22 Hình 3.22: Phần trăm độ tăng số Fairness đơn chặng (2) Trong mơ hình đa chặng: Trong mơ hình đa chặng bản, theo kết hình 3.19, tải mạng nhỏ 1.5Mbps, số cơng tương đương nhau, tải mạng lớn số công theo phương pháp đề xuất cải thiện rõ rệt Tỷ lệ phần trăm mức độ cải thiện IEEE 802.11 EDCA phương pháp đề xuất thể biểu đồ Hình 3.23 Với mơ hình đa chặng nâng cao, số cơng có có cải thiện 76 Hình 3.23: Phần trăm độ tăng số Fairness đa chặng Việc cải thiện số cơng đóng góp quan trọng luận án tỷ lệ đối nghịch hai số thông lượng công thu hẹp mức cao 3.5.4 Đánh giá số độ trễ (1)Trong mơ hình đơn chặng: Độ trễ luồng theo mơ hình đơn chặng biểu diễn 3.24 theo chuẩn 802.11 EDCA Hình 3.25 theo phương pháp đề xuất Hình 3.24: Độ trễ luồng mơ hình đơn chặng theo 802.11 EDCA 77 Hình 3.25: Độ trễ luồng mơ hình đơn chặng theo đề xuất Biểu đồ cho thấy, tải 2Mbps, độ trễ luồng tăng dần đều, tải lớn 2Mbps độ trễ luồng Voice Video theo phương pháp đề xuất cải thiện so với phương pháp theo chuẩn 802.11 EDCA (2) Trong mơ hình đa chặng: Với mơ hình đa chặng, tổng độ trễ luồng từ nút S1 đến nút D theo phương pháp đề xuất theo chuẩn 802.11 EDCA biểu diễn Hình 3.26 Hình 3.26: Tổng độ trễ luồng 802.11 EDCA phương pháp đề xuất Tổng độ trễ luồng từ nút S2 đến nút D theo phương pháp đề xuất theo 78 chuẩn 802.11 EDCA biểu diễn Hình 3.26 Kết cho thấy phương pháp đề xuất có số độ trễ tốt Hình 3.27: Tổng độ trễ luồng theo mơ hình đa chặng Hình 3.27 biểu diễn tổng độ trễ phương pháp đề xuất từ nút S1 đến nút D từ nút S2 đến nút D Các số so sánh với công bố [68] cho thấy phương pháp đề xuất mang lại nhiều cải tiến tích cực, góp phần giúp nâng cao chất lượng dịch vụ đặc biệt với ứng dụng truyền thông đa phương tiện 3.5.5 Đánh giá tải Kịch mô hai mơ hình đại diện mơ hình đơn chặng mơ hình đa chặng mơ theo tăng dần tải Tốc độ lưu lượng tải G tăng dần theo bước nhẩy 0.4 [Mbps] đến đạt tốc độ lớn [Mbps] Dựa vào kết hai mơ hình, đưa lại nhận xét sau: Khi tải nhẹ, số phương pháp thiết lập tham số TXOP mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA TXOP động khơng có khác biệt Tuy nhiên tải mạng đạt trạng thái bão hòa, số đo lường sử dụng cải thiện rõ rệt 3.5.6 Đánh giá tính khả thi ứng dụng Ngày nay, công nghệ truyền dẫn không dây phát triển nhanh chóng sử dụng hạ tầng sở phục vụ cho việc kết nối thiết bị IoT [15] 79 Các ứng dụng tảng mạng không dây, đặc biệt mạng adhoc giao thông thông minh, y tế thông minh, nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh dự báo trở nên phổ biến có ảnh hưởng lớn tới đời sống xã hội Giải toán nâng cao chất lượng cho luồng liệu đa phương tiện vấn đề có tính thời sự, mang lại nhiều ý nghĩa việc triển khai ứng dụng địi hỏi khắt khe thơng lượng, độ tin cậy tính sẵn sàng cao Phương pháp đề xuất, giúp củng cố thêm luận cho tô-pô mạng phức tạp, tùy biến mạng adhoc việc sử dụng tham số TXOP theo chế động cho phép đạt mức độ chia sẻ công thích hợp bảo đảm thơng lượng luồng liệu đa phương tiện góp phần trì tính ổn định nâng cao chất lượng truyền tải liệu ứng dụng tảng mạng không dây 3.6 So sánh với số kết công bố Luận án sử dụng hai nghiên cứu [48], [51] công bố năm gần theo hướng cải tiến tham số TXOP để tiến hành so sánh dựa tiêu chí thông thông lượng, số công phương pháp thực 3.6.1 So sánh phương pháp thực (1) Công bố [48] : Các tác giả sử dụng phương pháp điều chỉnh tham số TXOP động dựa vào kích thước hàng đợi Sử dụng tham số ngưỡng T hresholdmax , T hresholdmin để so sánh với kích thước hàng đợi nhằm thiết lập lại giá trị TXOP Thuật tốn hoạt động theo chế tính tốn kích thước hàng đợi luồng có độ ưu tiên cao, kích thước hàng đợi lớn giá trị ngưỡng T hresholdmax tiến hành thiết lập lại giá trị T XOPmax Nếu kích thước hàng đợi nhỏ giá trị ngưỡng T hresholdmin tiến hành thiết lập lại giá trị T XOPmin Lưu đồ phương pháp [48] biễu diễn hình 3.28 80 Bắt đầu T XOPmax = n i=1 Fk M in Rk T XOPmin = Fk M in Rk Thiết lập TXOP T hresholdmax = T XOPmax × Rk T hresholdmin = Thiết lập Threshold T XOPmin × Rk Qk > T XOPk = T XOPmax T hresholdmax sai Qk > T hresholdmax T XOPk = T XOPmin sai T XOPk = Qk × T XOPmax Qk × T XOPmin or T XOPmax T XOPmin Kết thúc Hình 3.28: Lưu đồ điều chỉnh tham số TXOP động [48] Trong đó, tham số R tốc độ truyền, F tổng số frame hàng đợi, Qk kích thước hàng đợi Kết số thơng lượng trung bình độ trễ cho thấy cải thiện so với giá trị mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA Chỉ số cải thiện thông lượng 14.80 % độ trễ 40.9% Ưu điểm giải 81 pháp giảm thiểu vấn đề xung đột truyền phát frame Tuy nhiên giải pháp chưa linh hoạt việc phân bổ băng thông theo tỷ lệ mong muốn cho luồng liệu (2) Công bố [51] : Với phương pháp công bố [51] tác giả giới thiệu phương pháp điều chỉnh tham số TXOP theo chế động dựa vào tốc độ lưu lượng trung bình luồng liệu để thiết lập giá trị TXOP Hình 3.29: Lược đồ phân bổ giá trị TXOP theo lưu lượng [51] Thuật toán thực theo chế xét riêng lẻ lưu lượng luồng, dựa vào tốc độ truyền liệu Rj thời điểm xét cấp phát rj băng thông cho luồng trọng số cân w hàng đợi để phân bổ lại giá trị TXOP Kết mô với tham số R = 18Mbps, cố định giá trị CW, AIF S theo chuẩn mặc định cho thấy giá trị thông lượng tất luồng cải thiện so với chuẩn mặc định Tuy nhiên, phương pháp đưa lại số cơng thấp, thơng lượng luồng ưu tiên Voice bị đẩy xuống làm phá vỡ tính trật tự ưu tiên thiết lập chuẩn IEEE 802.11 EDCA Lưu đồ thuật tốn biểu diễn Hình 3.30 82 Tính Sj (r) Bắt đầu Service = sai EF (V oice) T XOP [BF ] = rs ≤ Service = REF (V oice) AF (V ideo) đúng T XOP [EF ] = T XOPmin[EF ] + T XOPmax − T XOPmin × rij REF sai T XOPmin[BF ] + T XOPmax − T XOPmin RBF rs ≤ RAF (V ideo) T XOP [AF ] = T XOPmin[AF ] + T XOPmax − T XOPmin RAF Kết thúc Hình 3.30: Lưu đồ điều chỉnh tham số TXOP động [51] Trong đó, EF ứng với luồng Voice, AF ứng với luồng Video BF ứng với luồng Best-effort Các biến REF , RAF , RBF tốc độ truyền liệu luồng, rj băng thông phân bổ thực tế luồng j 83 Đánh giá chung phương pháp thực nghiên cứu [48], [51] cho thấy hai phương pháp điều chỉnh tham số TXOP theo chế động Điểm khác biệt so với phương pháp luận án chế điều chỉnh tham số TXOP dựa vào thông tin liệu đầu vào khác 3.6.2 So sánh kết công bố: Kết công bố [48], [51], cho thấy có cải thiện số thơng lượng số công so với chuẩn 802.11 EDCA Tuy nhiên điểm hạn chế công bố không đạt tỷ lệ ưu tiên mong muốn cho luồng liệu đề xuất luận án Các công bố [48], [51] thực nhiều topology kịch mô khác nhau, nhiên có điểm chung so sánh cải thiện phương pháp đề xuất với chuẩn 802.11 EDCA Trong đó, điểm bật số thơng lượng luồng ưu tiên thấp cải thiện Dựa vào điểm chung này, luận án thực so sánh cải thiện công bố với chuẩn 802.11 EDCA theo số công số tỷ lệ tăng thông lượng (1)So sánh tỷ lệ tăng thông lượng: Bảng 3.5 thể kết thông lượng luồng ưu tiên thấp [48], [51] Bảng 3.5: Bảng kết thông lượng luồng ưu tiên thấp [48], [51] Thông lượng [48] Thông lượng [51] 802.11 EDCA Trong [48] 802.11 EDCA Trong [51] 0.06 (Mbps) 0.07 (Mbps) 0.3 (Mbps) 0.4 (Mbps) Dựa vào kết thông lượng công bố áp dụng cho luồng liệu ưu tiên thấp, Bảng 3.6 thể tỷ lệ tăng thông lượng công bố [48], [51] đề xuất luận án 84 Bảng 3.6: Bảng so sánh tỷ lệ tăng thông lượng luồng ưu tiên thấp Tỷ lệ tăng thông lượng Đề xuất Trong [48] Trong [51] 36.7% 16.6% 33.3% Dựa vào tỷ lệ phần trăm giá trị tăng thông lượng tham số theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA tham số phương pháp cải tiến [48], [51] đề xuất luận án Kết so sánh cho thấy, phương pháp đề xuất đưa lại trọng số cao hơn, điều có nghĩa chất lượng luồng ưu tiên thấp phương pháp đề xuất cải thiện tốt (2) So sánh số công bằng: Bảng 3.7 thực so sánh số công phương pháp Bảng 3.7: Bảng so sánh số công phương pháp Tỷ lệ tăng thông lượng Đề xuất Trong [48] Trong [51] 0.8 0.6 0.6 Kết so sánh cho thấy, phương pháp đề xuất luận án đưa lại số công cao hơn, điều có nghĩa tính cơng theo phương pháp đề xuất luận án cải thiện so với phương pháp so sánh Đánh giá chung (1) Mức độ cải thiện số công hợp lý luồng liệu dựa điều kiện chia sẻ băng thông thực tế mạng Mức độ cải thiện cao so với giải pháp đề xuất [48], [51] (2) Thông lượng cho luồng đảm bảo, không bị suy hao dù phải đánh đổi để nâng cao số công cho luồng Về lý thuyết hai số đối nghịch nhau, thơng lượng gia tăng số công bị suy giảm 85 3.7 Kết luận chương Nội dung chương này, luận án ưu nhược điểm tham số TXOP phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Qua đề xuất phương pháp điều chỉnh tham số TXOP theo chế động nhằm cải thiện chất lượng luồng liệu theo mức độ ưu tiên dựa vào trọng số thiết lập trước chế truy nhập kênh truyền IEEE 802.11 EDCA Kết kiểm chứng từ mô đánh giá theo số đo lường phương pháp so sánh giải pháp đề xuất với phương pháp theo IEEE 802.11 EDCA cho thấy phương pháp đề xuất cải thiện rõ rệt Đây điểm đóng góp tính nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu cho mạng không dây adhoc Ý nghĩa đề xuất góp phần chứng minh, với tơ-pơ mạng phức tạp, tùy biến mạng adhoc, việc sử dụng tham số TXOP theo chế động cho phép đạt mức độ chia sẻ cơng thích hợp bảo đảm thông lượng luồng liệu, góp phần trì tính ổn định nâng cao chất lượng truyền tải liệu ứng dụng tảng mạng không dây Kết nghiên cứu chương tác giả công bố tạp chí chuyên ngành thuộc danh mục tiền SCI [CT1] 86 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG FUZZY LOGIC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MỘT SỐ THAM SỐ TRONG IEEE 802.11 EDCA NHẰM NÂNG CAO TÍNH CƠNG BẰNG CHO CÁC LUỒNG DỮ LIỆU Nội dung chương trình bày phương pháp tiếp cận cho việc điều khiển tham số phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA theo hướng ứng dụng trí tuệ nhân tạo Thơng qua Fuzzy logic để điều chỉnh thông minh tham số TXOP, CW môi trường mạng adhoc dựa vào độ ưu tiên loại liệu Nội dung bao gồm: Giới thiệu lý thuyết Fuzzy logic nghiên cứu liên quan tiếp cận theo hướng Fuzzy logic để nâng cao chất lượng QoS cho mạng adhoc Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh tham số TXOP, CW IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính cơng cho luồng liệu Thiết lập mô để kiểm chứng phương pháp đề xuất Đánh giá kết mô theo tiêu chí hiệu 4.1 Đặt vấn đề Chuẩn IEEE 802.11 cung cấp chế cho phép luồng có độ ưu tiên cao luồng liệu đa phương tiện nhận nhiều băng thơng luồng liệu có độ ưu tiên thấp Thông qua tham số truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) để phân chia hội truy nhập kênh, qua luồng có độ ưu tiên cao thiết lập cửa sổ tương tranh nhỏ CW (Contention Window) thời gian giữ kênh truyền TXOP (Transmit Opportunity TXOP) lớn Điểm yếu phương thức truy nhập phân 87 tán nâng cao EDCA tham số truy nhập kênh truyền sử dụng theo giá trị mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA chứng minh không phù hợp với tơ-pơ mạng ln biến đổi điều kiện có chia sẻ băng thông với nút láng giềng mạng adhoc Trong chương 3, luận án đề xuất phương pháp điều chỉnh tham số TXOP theo chế động phù hợp với độ ưu tiên loại liệu Kết phương pháp giúp nâng cao tính cơng đảm bảo thơng lượng luồng liệu, phù hợp với đặc tính mạng adhoc Tuy nhiên, vấn đề đặt hiệu suất phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA chịu tác động tham số, gồm AIFS (Arbitration InterFrame Space), cửa sổ tương tranh (CW), TXOP (Tranmission Opportunity) Bài toán đặt tìm chế cho phép điều chỉnh thích hợp nhiều tham số cách linh hoạt với ràng buộc đảm bảo tiêu chí QoS Để giải vấn đề nêu trên, luận án đề xuất điều chỉnh thông minh tham số TXOP CW phương pháp sử dụng Fuzzy logic EDCA chuẩn IEEE 802.11 4.2 Cơ sở lý thuyết liên quan 4.2.1 Fuzzy logic (1) Giới thiệu: Lý thuyết Fuzzy logic [69] Zadeh, L.A nêu lần vào năm 1965 Cơ sở lý thuyết giải toán gần với cách tư người Theo logic truyền thống (traditional logic), biểu thức logic nhận hai giá trị (true) (false) Khác với lý thuyết logic truyền thống, biểu thức logic mờ nhận vô số giá trị nằm khoảng số thực từ đến Ánh xạ biến đầu vào thành hàm thành viên giá trị chân lý sau đưa định cho hành động cần thực dựa luật Một luật mờ có dạng: IF [ .] then [ .] Sự kết hợp hàm mờ suy luận dựa quy tắc mô tả hệ thống mờ Một điều khiển mờ xử lý qua ba giai đoạn, giai đoạn đầu vào, giai 88 đoạn xử lý giai đoạn đầu Giai đoạn xử lý gọi luật phù hợp tạo kết cho tập luật, sau kết hợp kết luật Cuối cùng, giai đoạn đầu chuyển đổi kết kết hợp trở lại thành giá trị đầu điều khiển cụ thể Hình 4.1 hiển thị giai đoạn hệ thống điều khiển mờ Hình 4.1: Cấu hình Fuzzy Control System Định nghĩa 4.2.1 (Một tập mờ A không gian X định nghĩa sau) A = {x, µA (x))|x ∈ X} (4.1) Trong đó, µA (x) gọi hàm thành viên lượng hóa mức độ mà phần tử x thuộc tập sở X Nếu hàm cho kết phần tử phần tử khơng có tập cho, kết mơ tả thành viên toàn phần tập hợp Các giá trị khoảng mở từ đến đặc trưng cho thành viên mờ Như vậy, tập mờ A không gian X tập định nghĩa hàm thành viên µA (x) ánh xạ từ tập sở X vào khoảng đơn vị: µA (x) : X → [0 − 1] Hàm thành viên µA (x) ∈ [0 − 1] mức độ thuộc (membership degree) phần tử x vào tập mờ X (2) Nguyên lý xây dựng điều khiển mờ: Các bước tiến hành xây dựng điều khiển mờ bao gồm: 89 ❼ Định nghĩa tất biến ngôn ngữ vào ra: bao gồm biến đầu vào cho hệ thống biến đầu để điều khiển ❼ Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho biến vào ra: bước xác định hàm thành viên với miền giá trị vật lý sở cho biến vào ra, đồng thời phải xác định số lượng hàm thành viên ❼ Xây dựng luật điều khiển (các mệnh đề hợp thành): luật điều khiển xây dựng sở mệnh đề: Ri: Nếu điều khiển mờ có đầu vào đầu Ri: Nếu điều khiển mờ có đầu vào nhiều ❼ Chọn thiết bị hợp thành: Có thể sử dụng luật hợp thành max-MIN; luật hợp thành max-PROD; luật hợp thành sum-MIN; luật hợp thành sumPROD ❼ Tối ưu hệ thống: Sau đảm bảo điều khiển làm việc ổn định, bước tối ưu trạng thái làm việc theo tiêu khác Việc điều chỉnh điều khiển theo tiêu chủ yếu thực thông qua việc hiệu chỉnh hàm thuộc thiết lập thêm nguyên tắc điều khiển bổ sung sửa lại nguyên tắc điều khiển có (3) Giải mờ: Giải mờ trình xác định giá trị rõ y chấp nhận từ hàm thuộc µB (y) giá trị mờ B Có hai phương pháp giải mờ phương pháp cực đại phương pháp điểm trọng tâm Với phương pháp cực đại thường dùng cho tập mờ có đỉnh nhọn, biểu diễn qua biểu thức (4.2) A = {y ∈ Y |µB (y) = H} (4.2) Với phương pháp giải mờ theo trọng tâm cho kết giá trị rõ y hoành độ điểm trọng tâm miền tạo đường µB (y)và trục hồnh Cơng thức 90 xác định y y = s (yµB (y))dy S (µB (y))dy (4.3) Để đơn giản hóa tính toán, phù hợp với điều khiển nhỏ, phương pháp trọng tâm thường sử dụng cơng thức (4.4) y = µB (y)y µB (y) (4.4) S miền xác định tập mờ B 4.2.2 Điều khiển thông minh qua Fuzzy logic Fuzzy logic thường sử dụng cho thuật ngữ “điều khiển thông minh” với mục tiêu giúp cho hệ thống phức tạp điều khiển cách tự chủ Điều khiển thông minh nhắm đến hệ thống có thay đổi tham số hay mơi trường điều khiển, thơng qua q trình học từ kinh nghiệm, tiếp thu tổ chức liệu môi trường xung quanh hành vi lặp lại hệ thống Thuật ngữ “điều khiển thông minh” thường dùng cho để số kỹ thuật có cội nguồn lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence AI) có mục tiêu bắt chước số phần tử trí tuệ lý luận (reasoning), học (learning) v.v Trí tuệ nhân tạo định nghĩa lĩnh vực mơ q trình trí tuệ người máy móc, đặc biệt hệ thống máy tính Các q trình bao gồm học tập, lập luận tự điều chỉnh Thuật ngữ AI đời vào năm 1956 nhà khoa học máy tính John McCarthy Trải qua thập kỷ phát triển thăng trầm giới hạn kỹ thuật cơng nghệ thời điểm đó, năm thập kỷ 90 trí tuệ nhân tạo thực bùng nổ lĩnh vực phân tích liệu lớn, thuật toán tiên tiến, phần cứng hiệu cao, xử lý song song phát triển mạnh mẽ Ngày nay, AI diện nhiều nơi giới với ứng dụng trải khắp nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Những ứng dụng điển hình AI xe tự lái, xử lý hình ảnh, gợi ý (recommendation), hỗ trợ định, 91 xử lý ngôn ngữ tự nhiên AI hỗ trợ cải thiện đáng kể hiệu công việc, tiết kiệm sức lao động giúp người đưa định đắn 4.2.3 Các nghiên cứu liên quan Fuzzy logic Hướng nghiên cứu tiếp cận theo phương pháp Fuzzy logic nhằm nâng cao chất lượng cho mạng adhoc năm gần có gia tăng số lượng Nhiều tác giả công bố nghiên cứu có liên quan đến Fuzzy logic điều khiển thông minh để nâng cao QoS cho mạng adhoc Trong nghiên cứu [70], tác giả C Chao-Lieh giới thiệu điều khiển mờ cho mơ hình đa tầng để tối ưu hóa phương thức truy nhập phân tán IEEE 802.11 EDCA Kết phương pháp luồng liệu đa phương tiện nâng cao QoS Ưu điểm phương pháp hỗ trợ chế ngăn chặn khả bùng nổ luồng đa phương tiện, nhiên việc xây dựng giải pháp tối ưu hóa tài nguyên mạng chưa giải hiệu Nghiên cứu [71] nhóm tác giả Ali El Masri, Naceur Malouch Hicham Khalifé sử dụng Fuzzy logic để đề xuất chiến lược định tuyến dựa lý thuyết logic mờ cho mạng không dây đa chặng Kết nghiên cứu phương pháp tìm đường dựa Fuzzy logic đem lại tối ưu tìm đường điều kiện đa chặng với mật độ nút cao Nghiên cứu [72] nhóm tác giả Hicham Touil Youssef Fakhri sử dụng Fuzzy logic để đề xuất phương pháp nhằm giảm thiểu xung đột phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Kết nghiên cứu thơng số tỷ lệ truyền gói tin thành công cao so với phương thức tiêu chuẩn Một số nghiên cứu gần theo hướng tiếp cận sử dụng Fuzzy logic nhằm nâng cao QoS cho mạng adhoc thu nhiều kết tích cực Tuy vậy, số lượng nghiên cứu công bố theo phương pháp khiêm tốn so với hướng tiếp cận truyền thống Đây hướng nghiên cứu nhiều tiềm bối cảnh lĩnh vực trí tuệ nhân tạo dự báo bùng nổ tương 92 lai gần nhờ tiến vượt bậc lĩnh vực tính tốn hiệu cao 4.3 Giải pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh tham số TXOP, CW 4.3.1 Ý tưởng đề xuất Các tham số điều khiển phương thức truy nhập IEEE 802.11 EDCA có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu mạng adhoc Trong đề xuất này, luận án sử dụng tham số để điều khiển thông minh cố định tham số khác nhằm giảm bớt độ phức tạp thiết kế luật điều khiển hệ thống Mục tiêu phương pháp nhắm đến hệ thống có thay đổi mơi trường điều khiển, thơng qua trình học, tiếp thu tổ chức liệu Dựa tảng nguồn sở liệu phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ mạng Truyền thông Viện Công nghệ thông tin, luận án xây dựng mơ hình theo hướng trí tuệ nhân tạo thông qua Fuzzy logic để thử nghiệm khả tự học nhằm điều chỉnh cách thông minh tham số CW, TXOP phù hợp với mạng adhoc 4.3.2 Mô hình Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP Bộ điều khiển logic mờ cho tham số TXOP có ba thành phần chính, gồm tập tham số đầu vào (input), tập tham số đầu (output) trung tâm điều khiển Trung tâm điều khiển mờ sở luật mờ (fuzzy rules) tạo dựa sở hàm thành viên (Membership Functions) Các tham số đầu vào hiệu suất liên kết thực luồng Voice, Video, Best-effort xử lý qua trung tâm điều khiển mờ tham số đầu TXOP thích hợp Bộ điều khiển logic mờ thực qua ba bước bản, mờ hóa (fuzzification), suy luận (inference system), khử mờ (defuzzification) Các thành phần điều khiển logic mờ mơ tả Hình 4.2 93 Hình 4.2: Bộ điều khiển mờ cho tham số TXOP (1) Fuzzification: Trong giai đoạn này, hệ thống Fuzzy logic đặc tả ba tham số đầu vào U [V O], U [V I], U [BE] tương ứng với hiệu suất liên kết thực cho luồng Voice, Video Best-effort Miền giá trị tỷ lệ hiệu suất liên kết thực luồng 100% (U [V I] + U [V O] + U [BE] = 100%) Ba tham số đầu ra, T XOP [V O], T XOP [V I] T XOP [BE] ứng với giá trị biến đổi tham số TXOP cho luồng Voice, Video, Best-effort, ≤ T XOP [i] ≤ 8, với i số luồng Tham số tỷ lệ hiệu suất liên kết thực U [i]và tham số T XOP [i] chia thành ba trạng thái “thấp”, “trung bình”, “cao” Hiệu suất liên kết xác định thông qua việc phân tích thời gian dùng để phát gói tin luồng i với tỷ lệ 80% thời gian gửi nhận 20% thời gian gửi nhận trước khoảng thời gian EP theo công thức (4.5): U= Actime − T ime[i] EP (4.5) Trong đó, hàm tính hiệu suất liên kết thực sử dụng theo thuật tốn 3.2 Trong đó, EP khoảng thời gian định nghĩa trước Tổng hiệu suất 100% áp dụng cho luồng Voice, Video, Best-effort Các hàm thành viên biểu diễn tham số đầu vào đầu thể Hình 4.3 94 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 4.3: Tập hàm thành viên: (a) Hàm thành viên biến input U[VO]; (b) Hàm thành viên biến input U[VI]; (c) Hàm thành viên biến input U[BE]; (d) Hàm thành viên biến output TXOP[VO]; (e) Hàm thành viên biến output TXOP[VI]; (f) Hàm thành viên biến output TXOP[BE] Hàm thành viên sử dung theo hai phương pháp tập mờ tam giác tập mờ đa giác Với tập mờ tam giác Hình 4.4a, xác định rõ giá trị cận cận theo công thức tổng quát if u ≤ a; u ≥ b u − a if a < u < c µT rimf = c−a b−u b−c 1 if c < u < b if u = c (4.6) 95 Với tập mờ đa giác dạng L Hình 4.4b, hàm thành viên xác định điểm cận cận theo công thức tổng quát: if u ≤ a µlmf = b−u b−a 0 (4.7) if a < u < b if u > a (a) (b) Hình 4.4: (a) Hàm mờ dạng tam giác; (b) Hàm mờ dạng đa giác Việc chọn hàm mờ theo phương pháp tam giác đa giác dựa mức độ phù hợp độ biến thiên Độ biến thiên đo lường thơng qua độ nhạy trung bình giá trị hàm thuộc tập mờ A có miền xác định [ab] → [01] theo công thức (4.8) b S(A) = a dµA (u) du (4.8) đó, a, b tương ứng cận cận hàm thành viên (2) Inference system: Hoạt động dựa vào luật mờ để khử giá trị mờ Các luật mờ mơ hình đề xuất tạo theo nguyên tắc giữ cân hiệu suất liên kết thực luồng tương ứng thứ tự ưu tiên : : với luồng Voice, luồng Video luồng Best-effort, đồng thời đảm bảo tổng hiệu suất liên kết thực luồng 100% Các biến đầu áp dụng theo chế hiệu suất liên kết thực luồng ưu tiên cao tăng cao giảm giá trị TXOP để tăng hội truy nhập kênh truyền cho luồng ưu tiên, đảm bảo 96 theo tỷ lệ 3:2:1 Giá trị output cho luồng tạo từ việc kết hợp luật mờ hệ thống Fuzzy logic định Bảng 4.1: Bảng luật mờ điều khiển tham số TXOP RULES INPUT OUTPUT H M M L H H H L L L H H H L L L H H H L M L H H M H M H M H L H L H M H M H H M H H L H M H M H M M H H M L 10 L L H M H L 11 L M H M H L (3) Defuzzification: Cuối cùng, hệ thống thực bước giải mờ thông qua hệ sở liệu tri thức luật mờ thiết lập hệ thống Để thực giải mờ, luận án sử dụng phương pháp trọng tâm CoG (Center of Gravity) theo (4.4) nhằm giảm chi phí tính tốn 97 4.3.3 Mơ hình Fuzzy logic điều khiển tham số CW Hình 4.5: Bộ điều khiển mờ cho tham số CW Trong mơ hình này, hệ thống Fuzzy logic đặc tả ba tham số đầu vào U [V O], U [V I], U [BE] tương ứng với hiệu suất liên kết thực cho luồng Voice, Video Best-effort Miền giá trị tỷ lệ hiệu suất liên kết thực luồng 100% n (U [i]) = 100% (4.9) Trong U [i] hiệu suất liên kết thực luồng i, n số luồng Miền giá trị tham số đầu SF (Shift Factor) ≤ SF [i] ≤ 1, SF hệ số dịch chuyển, i số luồng Mô hình khảo sát cho ba luồng Voice, Video, Besteffort tương ứng với SF [V O], SF [V I] SF [BE] Tham số SF dùng để điều chỉnh giá trị biến đổi cửa số tương tranh CW dựa vào cơng thức (4.10) CWnew = SF × (CWcurr − CWmin ) + CWmin (4.10) Trong đó, CWnew cửa sổ tương tranh thiết lập SF hệ số dịch chuyển (1) Fuzzification: Q trình mờ hóa cho tham số đầu vào U [i] chia thành 98 trạng thái “low”, “medium”, “high” cho tham số đầu SF [i] “very near”, “near”, “far” Các hàm thành viên biểu diễn tham số đầu vào đầu thể Hình 4.6 (a) (b) (c) (d) Hình 4.6: Tập hàm thành viên: (a) Hàm thành viên biến input U[VO]; (b) Hàm thành viên biến input U[VI]; (c) Hàm thành viên biến input U[BE]; (d) Hàm thành viên biến output SF[VO],SF[VI],SF[BE] (2) Inference system: Áp dụng luật mờ để khử giá trị mờ Các luật mờ trình bày Bảng 4.2 Việc xây dựng luật thực theo nguyên tắc hiệu suất liên kết thực luồng ưu tiên cao tăng giảm hệ số SF nhằm gia tăng hội truy nhập kênh truyền cho luồng ưu tiên thấp Khi hiệu suất liên kết thực luồng ưu tiên thấp giảm, giảm giá trị SF để luồng có hội lớn việc truy nhập kênh truyền (3) Defuzzification: Để cung cấp liệu cho Fuzzy Control System, bước tiếp theo, hệ thống sử dụng luật mờ thiết kế bảng 4.2 Bước giải mờ thực thông qua hệ sở liệu tri thức luật mờ theo phương pháp trọng tâm CoG (Center of Gravity) (4.4) 99 Bảng 4.2: Bảng luật mờ điều khiển tham số CW RULES 10 11 U[VO] H H H H M L M L L L INPUT U[VI] M L L L H H H H L M U[BE] M L L M M L L M H H SF[VO] VN VN VN VN F F F F F F OUTPUT SF[VI] SF[BE] F F F F F F F F N F N F N F N VN N VN N VN 4.3.4 Case-study: Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP Ví dụ đây, xây dựng kịch cho tham số đầu vào hiệu suất liên kết thực luồng Voice, Video Best-effort Thơng qua q trình tự học, Fuzzy logic thực điều khiển dựa vào hệ sở liệu tri thức để sinh giá trị điều chỉnh tham số TXOP thích hợp cho luồng Bảng 4.3: Các kịch thử nghiệm điều khiển tham số TXOP Hiệu suất sử dụng kênh (%) Kịch 70 20 10 Kịch 30 10 60 Việc xây dựng kịch Bảng 4.3 theo hai trường hợp điển hình hiệu suất sử dụng kênh truyền Với kịch 1, hiệu suất sử dụng kênh truyền luồng ưu tiên cao (Voice, Video) lớn hiệu suất sử dụng kênh truyền luồng ưu tiên thấp (Best-effort) Trong kịch 2, hiệu suất sử dụng kênh truyền luồng ưu tiên cao nhỏ hiệu suất sử dụng kênh truyền luồng ưu tiên thấp Quá trình xử lý tham số đầu vào đầu thể Hình 4.7 phần mềm MATLAB [73] 100 (a) (b) (c) (d) Hình 4.7: Kết quả: (a) Xử lý tham số đầu vào kịch 1; (b) Xử lý tham số đầu vào kịch 2; (c) Xử lý tham số đầu kịch 1; (d) Xử lý tham số đầu kịch Kết quả, với giá trị biến đầu vào U [V O] = 70%, U [V I] = 20%, U [BE] = 10%, điều khiển Fuzzy logic đưa lại giá trị biến đầu T XOP [V O] = 1.04ms, T XOP [V I] = 7.04ms T XOP [BE] = 3.04ms Kết quả, với giá trị biến đầu vào U [V O] = 30%, U [V I] = 10%, U [BE] = 60%, điều khiển Fuzzy logic đưa lại giá trị biến đầu T XOP [V O] = 3.44ms, T XOP [V I] = 7.44ms T XOP [BE] = 0.72ms 101 4.3.5 Case-study: Fuzzy logic điều khiển tham số CW Ví dụ tiếp theo, minh họa điều khiển Fuzz logic thực q trình mờ hóa giải mờ ứng với tham số đầu vào hiệu suất liên kết thực luồng Voice, Video Best-effort Ví dụ xây dựng cho hai kịch thường gặp Với kịch 1, tỷ lệ hiệu suất sử dụng kênh luồng ưu tiên cao (Voice, Video) tương đương với hiệu suất liên kết thực luồng ưu tiên thấp (Best-effort) Trong kịch 2, tỷ lệ hiệu suất sử dụng kênh luồng ưu tiên cao lớn hiệu suất sử dụng kênh luồng ưu tiên thấp Thông qua luật Bảng 4.4, hệ thống thực điều khiển để sinh giá trị điều chỉnh tham số SF thích hợp cho luồng Q trình xử lý tham số đầu vào đầu thể Hình 4.7 phần mềm MATLAB [73] Bảng 4.4: Các kịch thử nghiệm điều khiển tham số CW Hiệu suất sử dụng kênh (%) Kịch 50 20 30 Kịch 70 20 10 Quá trình xử lý tham số đầu vào đầu thể Hình 4.8 Kết quả, với giá trị biến đầu vào U [V O] = 50%, U [V I] = 30%, U [BE] = 20%, điều khiển Fuzzy logic đưa lại giá trị biến đầu SF [V O] = 0.431, SF [V I] = 0.8 SF [BE] = 0.124 Kết quả, với giá trị biến đầu vào U [V O] = 70%, U [V I] = 20%, U [BE] = 10%, điều khiển Fuzzy logic đưa lại giá trị biến đầu SF [V O] = 0.106, SF [V I] = 0.8 SF [BE] = 0.858 102 (a) (b) (c) (d) Hình 4.8: Kết quả: (a) Xử lý tham số đầu vào kịch 1; (b) Xử lý tham số đầu vào kịch 2; (c) Xử lý tham số đầu kịch 1; (d) Xử lý tham số đầu kịch 4.4 Phân tích đánh giá mơ 4.4.1 Các số đo lường (1) Chỉ số công (Fairness Index): Để đánh giá độ công thông lượng luồng liệu có độ ưu tiên khác mạng adhoc Áp dụng cơng thức tính số công (Fairness Index) định nghĩa R 103 Jain [64] (2)Thông lượng tổng cộng (Total throughput): Giá trị thông lượng tổng cộng định nghĩa tổng thơng lượng tồn luồng mơ Chỉ số đo lường sử dụng theo công thức (2.5) 4.4.2 Thực mô Để đánh giá tính đắn phương pháp đề xuất, luận án sử dụng công cụ mô NS2 Mô phong sử dụng hai số đo lường để đánh giá tính hiệu giưa phương phap thiết lập giá trị mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 phương pháp đề xuất điêu khiên thông minh giá trị tham số theo hai mơ hình đề xuất Các tham số mô chung sử dụng theo bảng Bảng 4.5 Bộ tham số IEEE 802.11 EDCA cho phương pháp theo giá trị mặc định sử dụng theo Bảng 2.3 Tham số EP = 2(s) Mô sử dụng kịch hiệu suất liên kết thực luồng theo tỷ lệ đầu vào U[VO]: U[VI]: U[BE] xấp xỉ 70:20:10 Bộ mô MATLAB tạo giá trị đầu tương ứng theo kịch Bảng 4.3 Bảng 4.4 Tham số đầu tỷ lệ cấu hình NS2 để đánh giá thông lượng số công dựa tải cung cấp Mô thực hai mô hình đại diện cho mạng adhoc đơn chặng (Hình 1.2) đa chặng (Hình 1.3) Bảng 4.5: Các tham số mô Thông số Giá trị Channel data rate 11 Mbps Antenna type Omni direction Radio Propagation Two-ray ground Transmission range 250 m Carrier Sensing range 550 m MAC protocol 11 IEEE 802.11 Connection type UDP/CBR Buffer size 100 packet Simulation time 300s 104 (1)Mơ hình đơn chặng: Trong kịch này, mơ hình đơn chặng gồm nút phát S nút nhận D Hình 3.6 Nút phát S gửi luồng Best-effort, Video and Voice tới nút D Kết mô số công phương pháp đề xuất điều khiển thông minh cho tham số TXOP CW biểu diễn Hình 4.9 (a) (b) Hình 4.9: Kết quả: (a) Chỉ số Fairness điều khiển tham số TXOP; (b) Chỉ số Fairness điều khiển tham số CW Kết mô tỷ lệ thông lượng luồng qua phương pháp đề xuất điều khiển thông minh cho tham số TXOP CW thể Bảng 4.6 Bảng 4.7 Bảng 4.6: Thông lượng luồng điều khiển tham số CW, đơn chặng Throughput (Mbps) Voice Video Best-effort Proposed method 3.11 1.87 0.71 802.11 EDCA 4.21 1.21 0.22 Bảng 4.7: Thông lượng luồng điều khiển tham số TXOP, đơn chặng Throughput (Mbps) Voice Video Best-effort Proposed method 3.22 1.82 0.79 802.11 EDCA 4.01 1.58 0.17 105 Dữ liệu từ Bảng 4.6 Bảng 4.7 đưa lại đánh giá sau: Chỉ số công tỷ lệ thơng lượng luồng mơ hình đề xuất tốt so với phương pháp thiết lập giá trị mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 ECDA (2)Mô hình đa chặng: Trong kịch này, mơ hình gồm nút, nút S2 nằm miền phát sóng nút S1 nút S1 nằm miền phát nút D theo Hình 3.7 Trong mơ hình nút S1 vừa gửi nhận thơng tin vừa chuyển tiếp thông tin từ nút S2 chuyển sang, điều dẫn đến tương tranh băng thông nút mạng vùng phủ sóng vừa phải tương tranh việc truyền loại liệu Trong mô hình nút này, nút nguồn S2 gửi ba luồng liệu Best-effort, Video and Voice tới node D qua nút S1 Kết mô theo số fairness index biểu diễn Hình 4.10 (a) (b) Hình 4.10: Kết quả: (a) Chỉ số Fairness điều khiển tham số TXOP; (b) Chỉ số Fairness điều khiển tham số CW Kết mô tỷ lệ thông lượng luồng qua phương pháp đề xuất điều khiển thông minh cho tham số TXOP CW thể Bảng 4.8 Bảng 4.9 Bảng 4.8: Thông lượng luồng điều khiển tham số CW, đa chặng Throughput (Mbps) Voice Video Best-effort Proposed method 3.11 2.08 0.94 802.11 EDCA 4.17 1.18 0.33 106 Bảng 4.9: Thông lượng luồng điều khiển tham số TXOP, đa chặng Throughput (Mbps) Voice Video Best-effort Proposed method 3.21 1.98 0.69 802.11 EDCA 4.16 1.48 0.15 Từ liệu Bảng 4.8 Bảng 4.9 đưa lại đánh giá sau: Chỉ số công tỷ lệ thông lượng luồng mơ hình đề xuất tốt so với phương pháp thiết lập giá trị mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 ECDA 4.5 So sánh kết hai mơ hình Hai mơ hình đề xuất đưa lại số cơng có kết tốt so với phương pháp thiết lập giá trị theo tham số mặc định chuẩn IEEE 802.11 EDCA Tại Bảng 4.10 cho thấy số công đưa lại từ mơ hình Fuzzy logic điều khiển cho tham số TXOP CW có mức độ cải thiện tương đương Bảng 4.10: Bảng thông lượng số công đề xuất Đề xuất (TXOP) Đề xuất (CW) Total throughput (Mbps) Fairness Total throughput (Mbps) Fairness 5.62 0.8 5.88 0.8 4.6 So sánh số kết công bố Lựa chọn số công bố hướng tiếp cận năm gần để so sánh hai số đo lường hiệu thông lượng công để đánh giá khách quan ưu điểm, nhược điểm phương pháp đề xuất Trong phần này, luận án sử dụng cơng trình [72] [74] để tiến hành so sánh dựa vào tiêu chí (1) So sánh phương pháp: Trong cơng bố [72] nhóm tác giả sử dụng Fuzzy logic để điều chỉnh tham số AIFS dựa vào trạng thái mạng thông qua tham 107 số CC (Collision Counter) SPC (Sent Packet Counter) với lượng hành Mơ hình gồm luật sở theo Bảng 4.12 với kiến trúc tương tự mơ hình đề xuất Điểm khác biệt tham số đầu hệ thống gán trực tiếp cho kịch với tham số AIFS cố định Bảng 4.11: Bảng luật mờ [72] RULES IF REL Low THEN Decisions Config A R1 CR LOW R2 LOW Medium Config A R3 LOW High Config A R4 MEDIUM low Config C R5 MEDIUM Medium Config B R6 MEDIUM High Config B R7 HIGHh Low Config E R8 HIGH Medium Config E R9 HIGH High Config D Trong cơng bố [74] nhóm tác giả sử dụng Fuzzy logic để điều chỉnh tham số CW Bộ điều khiển Fuzzy logic dựa tham số đầu vào gồm mức độ tắc nghẽn, trạng thái mạng để điều chỉnh hệ số dịch chuyển sổ tương tranh CW Mơ hình gồm luật sở theo bảng 4.9 với kiến trúc tương tự mơ hình đề xuất Điểm khác biệt so với đề xuất luận án tham số đầu vào hệ thống miền giá trị cho tham số đầu 108 Bảng 4.12: Bảng luật mờ [74] RULES IF THEN Channel Congestion Channel knowledge Output R1 LOW not-sure Very-close R2 MEDIUM not-sure Close R3 HIGH not-sure Close R4 LOW somehow-sure Very-close R5 MEDIUM somehow-sure Close R6 HIGH somehow-sure Somehow-close R7 LOW very-sure Very-close R8 MEDIUM very-sure Somehow-close R9 HIGH very-sure Far Đánh giá chung phương pháp thực nghiên cứu [72], [74] cho thấy hai phương pháp sử dụng mơ hình Fuzzy logic để điều chỉnh tham số theo chế động Điểm khác biệt so với phương pháp luận án tham số đầu vào tập luật xây dựng khác biệt (2)So sánh kết quả: Kết công bố [72], [74] thể cải thiện số quan trọng thông lượng, độ trễ, công v.v Tuy nhiên, thông lượng luồng ưu tiên thu khơng đạt tỷ lệ thích hợp đề xuất luận án Các công bố [72], [74] thực tham số đầu vào khác nhau, nhiên kết công bố thực so sánh với chuẩn 802.11 EDCA đồng tô-pô mạng tham số đầu vào Dựa vào điểm chung cải thiện công bố với chuẩn 802.11 EDCA phần đây, luận án so sánh mặt định lượng kết công bố theo số công số tỷ lệ tăng 109 thông lượng Bảng 4.9 thể kết thơng lượng theo mơ hình đơn chặng [72] Bảng 4.13: Bảng thông lượng [72] với đề xuất Trong [72] Đề xuất (TXOP) Đề xuất Đề xuất (CW) 802.11 Cải tiến 802.11 802.11 Đề xuất EDCA [72] EDCA 0.9 (Mbps) 0.9 (Mbps) 5.76 5.83 5.64 5.69 (Mbps) (Mbps) (Mbps) (Mbps) EDCA Dựa vào mức độ tăng thông lượng phương pháp, Bảng 4.14 so sánh tỷ lệ tăng thông lượng công bố [72] đề xuất luận án Bảng 4.14: Bảng tỷ lệ tăng thông lượng [72] với đề xuất Tỷ lệ tăng thông lượng (%) Trong [72] Đề xuất (TXOP) Đề xuất (CW) 0.8 1.2 Bảng 4.14 thể số tỷ lệ tăng thơng lượng phương pháp dựa mơ hình thử nghiệm chung mơ hình đơn chặng Kết so sánh cho thấy, phương pháp đề xuất luận án đưa lại trọng số cao hơn, điều có nghĩa mơ hình đề xuất cải thiện so với phương pháp so sánh Trong công bố [74] tác giả thực so sánh tham số theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA theo phương pháp cải tiến Dựa vào số đo lường công bố [74], Bảng 4.15 trình bày kết thơng lượng luồng ưu tiên thấp BE 110 Bảng 4.15: Bảng thông lượng [74] với đề xuất Trong [74] Đề xuất (TXOP) Đề xuất Đề xuất (CW) 802.11 Cải tiến 802.11 802.11 Đề xuất EDCA [54] EDCA 0.34 0.49 0.33 0.94 0.15 0.69 (Mbps) (Mbps) (Mbps) (Mbps) (Mbps) (Mbps) EDCA Dựa vào tỷ lệ mức độ tăng thông lượng phương pháp, Bảng 4.16 trình bày tỷ lệ tăng thơng lượng cơng bố [74] đề xuất luận án Bảng 4.16: Bảng tỷ lệ tăng thông lượng [74] với đề xuất Tỷ lệ tăng thông lượng (%) Trong [74] Đề xuất (TXOP) Đề xuất (CW) 44 64 78 Số liệu Bảng 4.16 thể số tăng tỷ lệ thông lượng phương pháp dựa kết thông lượng luồng ưu tiên thấp Kết cho thấy, phương pháp đề xuất luận án đưa lại trọng số cao hơn, điều có nghĩa mơ hình đề xuất cải thiện so với phương pháp so sánh 4.7 So sánh kết với đề xuất Kết số đo lường đề xuất đề xuất thể Bảng 4.17 Bảng 4.18 Bảng 4.17: Bảng thơng lượng trung bình đề xuất đề xuất Tổng thông lượng trung bình (Mbps) Mơ hình đơn chặng Mơ hình đa chặng Đề xuất 5.60 5.88 Đề xuất 5.64 5.89 111 Bảng 4.18: Bảng số công đề xuất đề xuất Chỉ số công [0-1] Mơ hình đơn chặng Mơ hình đa chặng Đề xuất 0.98 0.80 Đề xuất 0.80 0.78 Dựa vào kết thể Bảng 4.17 Bảng 4.18, cho thấy kết hai đề xuất tương đương Đánh giá chung: (1) Ưu điểm đề xuất 2: Phương pháp điều khiển thông minh xu hướng đề xuất sử dụng nhắm đến hệ thống có thay đổi tham số hay môi trường điều khiển, điều phù hợp với đặc tính mạng adhoc Hệ thống có ưu việc áp dụng cho kích thước mạng (2) Nhược điểm đề xuất 2: Điều khiển thông minh tham số cho độ tin cậy cao mẫu học đủ lớn Đây thách thức cho việc xây dựng hệ thống theo hướng ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) 4.8 Kết luận chương Trong chương này, luận án trình bày phương pháp tiếp cận việc điều khiển tham số theo phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Trong đó, đề xuất sử dụng Fuzzy logic để điều chỉnh thông minh tham số TXOP CW phù hợp với độ ưu tiên loại liệu môi trường mạng adhoc Phương pháp điều khiển thông minh đề xuất sử dụng nhắm đến hệ thống có thay đổi tham số hay mơi trường điều khiển, thơng qua q trình học, tiếp thu tổ chức liệu Mô với số đo lường cho thấy mơ hình đề xuất đưa lại kết tích cực so phương pháp thiết lập tham số mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA Điều giúp mở hướng nghiên cứu theo hướng sử dụng trí tuệ nhân tạo việc điều khiển 112 tham số có yếu tố biến đổi theo thời gian không gian Kết nghiên cứu chương công bố tạp chí chuyên ngành khoa học quốc tế thuộc danh mục SCOPUS [CT2] Hội nghị quốc tế Trí tuệ nhân tạo tính tốn thơng minh [CT6] 113 KẾT LUẬN Đề tài luận án “Nâng cao hiệu thông lượng độ công mạng không dây AD HOC chuẩn IEEE 802.11 EDCA” công trình nghiên cứu có ý nghĩa khoa học mang lại giá trị thực tiễn, góp phần thúc đẩy ứng dụng tảng mạng không dây Trải qua thời gian nghiên cứu miệt mài, luận án đạt số kết mang tính mới, nhiên tồn nhiều hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu phát triển (a) Kết đạt Đóng góp vào hướng nghiên cứu, luận án đưa hai nội dung có tính sau: (1) Luận án đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng liệu theo mức độ ưu tiên khác dựa chế điều chỉnh tham số TXOP động phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Kết qủa đề xuất cơng bố tạp chí chun ngành [CT1] (2) Luận án đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh số tham số phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính cơng cho luồng liệu Kết qủa đề xuất công bố Hội nghị khoa học cấp quốc tế tạp chí chuyên ngành [CT2] [CT6] (3) Ngồi hai đề xuất mang tính lý thuyết, luận án thực khảo sát phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số IEEE 802.11 EDCA tới hiệu mạng adhoc qua việc xây dựng mô với tham số riêng Luận án giới thiệu ứng dụng thực nghiệm việc truyền liệu đa phương tiện ứng dụng cho mạng VANET, trường hợp điển hình mạng adhoc Thực nghiệm này, giúp thiết lập kênh truyền thơng kiểm 114 sốt việc xử lý liệu đa phương tiện giúp mở hội việc triển khai ứng dụng mạng VANET với độ tin cậy cao nhằm sớm bắt kịp với công nghệ cách mạng 4.0 Kết thực nghiệm công bố tạp chí chuyên ngành [CT3] [CT4] [CT8] (b) Hạn chế hướng phát triển Bên cạnh số kết đạt được, luận án tồn nhiều hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu cho mạng không dây adhoc (1) Tối ưu hóa thuật tốn điều chỉnh tham số TXOP động để đạt hiệu suất cao hiệu áp dụng cho mơ hình mang tính tổng qt (2) Nghiên cứu để đánh giá thêm độ đo hiệu quan trọng khác thời gian trễ (delay), độ tin cậy (reliability), tỉ suất lỗi (error rate), hiệu ứng dụng vv (3) Tích hợp mơ hình sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thơng minh đồng thời tham số truy nhập môi trường truyền IEEE 802.11 EDCA (4) Thực nghiệm giải thuật dựa môi trường thiết bị thật (testbed) để đánh giá đầy đủ tác động từ hiệu ứng vật lý (5) Trong luận án, kịch mô tập trung vào tỷ lệ thông lượng luồng Voice, Video, Best-effort theo khuyến nghị chuẩn IEEE 802.11 EDCA Trong thời gian tới, NCS tiếp tục nghiên cưú sâu, đồng thời áp dụng nhiều kịch mô với tỷ lệ thông lượng đa dạng luồng liệu để đánh giá đầy đủ tính hiệu phương pháp đề xuất 115 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Tạp chí khoa học [CT1] Luong Duy Hieu, Bui The Tung, Pham Thanh Giang “Improving fairness index between data flows in 802.11e EDCA Wireless Adhoc Network by adjusting the dynamic TXOP parameter”, International Journal of Computer Science Network Security(IJCSNS), ISSN 1738-7906 Vol.20, No.1, pp 117124, 2020 (ESCI) [CT2] Luong Duy Hieu, Bui The Tung, Pham Thanh Giang, Thai Quang Vinh, Le Nam, “Improving fairness in IEEE 802.11 EDCA Adhoc Networks based on Fuzzy Logic”, Journal of Advanced Computational Intelligence and Intelligent Informatics (JACIII), Vol.24, No.5, 2020 (SCOPUS) - (Accepted) [CT3] Ngo Tung Son, Luong Duy Hieu, Tran Binh Duong, Bui Ngoc Anh, “An Empirical Research in Autonomous Vehicles Control”, International Journal of Soft Computing and Engineering➋ (IJSCE), at Volume-7 Issue 3, July 2017 (SCOPUS) [CT4] Ngo Tung Son, Luong Duy Hieu, “Object Size Measurement Using Multiple Depth Cameras”,Tạp chí Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (Journal of Science and Technology), Số 33 – 2016 [CT5] Luong Duy Hieu, Phạm Thanh Giang, “Improvement of the Performance in Mobile Communication System by Combination between OFDM and MIMO”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (Journal of Science and Technology), ISSN 1859-3585, Vol 10, pp 8, No 12, 2012 Hội nghị khoa học 116 [CT6] Luong Duy Hieu, Thai Quang Vinh, “A Fuzzy Logic approach for adjusting TXOP parameter in IEEE 802.11e Wireless Adhoc Networks”, The International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence, Hanoi, January 4-6, 2020 [CT7] Lương Duy Hiếu, Bùi Thế Tùng, Phạm Thanh Giang, “Phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số TXOP EDCA tới hiệu mạng Adhoc”,Hội thảo quốc gia lần thứ XXII: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thơng tin truyền thơng - Thái Bình, 28-29/6/2019 [CT8] Lương Duy Hiếu, Phạm Thanh Giang, “Đánh giá thuật toán điều khiển cửa sổ tương tranh theo phương pháp tập trung/phân tán chuẩn IEEE802.11p.”, Hội thảo quốc gia lần thứ XVI: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông - Đà Nẵng,13-14/11/2013 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hamssa and Abed, “VANET security challenges and solutions: A survey”, Vehicular Communications, vol 7, pp 7–20, 2017 [2] Ilker, Ozgur, and Samil, “Flying Ad-Hoc Networks (FANETs): A survey”, Ad Hoc Networks, vol 11, pp 1254–1270, 2013 [3] M Elshaikh et al, ““SNR-Based Dynamic MANET On Demand Routing Protocol For VANET Networks.”, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol 10, 11–18 2014 [4] Chen et al, “Body Area Networks: A Survey”, Mobile Networks and Applications, vol 16, pp 171–193, 2011 [5] Nguyễn Kim Quốc, Nghiên cứu cải tiến chế điều khiển nút mạng, Luận án Tiến sĩ Trường Đại học khoa học, Đại học Huế, 2015 [6] Lê Hữu Bình, Nghiên cứu nâng cao hiệu mạng MANET sử dụng kỹ thuật định tuyến cân tải đảm bảo chất lượng truyền dẫn, Luận án tiến sĩ Học viện Khoa học Cơng nghệ, 2019 [7] Đỗ Đình Cường, Nghiên cứu cải tiến hiệu giao thức định tuyến AODV AOMDV mạng MANET, Luận Luận án tiến sĩ Học viện Khoa học Công nghệ, 2017 [8] Kumar and Mishra, “An Overview of Mobile Ad Hoc Networks: Applications and Challenges”, Journal of the Communications Network, vol 3, pp 60––66, 2004 [9] Ad Hoc Networking Chapter 5: DSR: The Dynamic Source Routing Protocol for Multi-Hop Wireless Ad Hoc Networks, Addison-Wesley, 2001 118 [10] B.Royer and S.Das, “Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing” 2001 [11] Hasan, Mehran, and Dutkiewicz, “A review of routing protocols for mobile ad hoc networks”, Ad Hoc Networks, vol 2, pp 1–22, 2004 [12] Lương Thái Ngọc, Nghiên cứu số giải pháp nâng cao an ninh mạng MANET, Luận án tiến sĩ Đại học khoa hoc, Đại học Huế, 2019 [13] Phạm Thanh Giang, Giáo trình Mạng máy tính nâng cao, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, 2016 [14] The Network Simulator ns 2., http://www.isi.edu/nsnam/ns/ [15] Smith Cheruvu Kumar and Wheeler, “Connectivity Technologies for IoT”, Demystifying Internet of Things Security, no.2, pp.347–411, 2020 [16] Imrich, Marco, and Jennifer, “Mobile ad hoc networking: imperatives”, Ad Hoc Networks, vol 1, pp 13–64, 2003 [17] Kumar and Mishra, “An overview of MANET: History, challenges and applications”, Indian Journal of Computer Science and Engineering IJCSE, vol 3, pp 121––125, 2012 [18] IEEE Standard 802.11, Reference number ISO/IEC 8802-11 International Standard for Information Technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks, Specific Requirements Part 11: wireless LAN media, IEEE 802.11 Std, 2012 [19] IEEE Standard 802.11, Reference number ISO/IEC 8802-11 International Standard for Information Technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks, Specific Requirements Part 11: wireless LAN media, IEEE Press, 1999 119 [20] IEEE 802.11 WG part 11b Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the GHz Band, EEE 802.11 Std, 1999 [21] IEEE 802.11 WG part 11a Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the GHz Band, EEE 802.11 Std, 1999 [22] IEEE 802.11 WG part 11g Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the GHz Band, EEE 802.11 Std, 1999 [23] C.Perkins and P.Bhagwat, “Highly dynamic destination-sequenced distancevector routing (DSDV) for mobile computers”, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol 24, pp 234–244, 1994 [24] S.Khurana, S.Kumar, and S.Sharma, “Performance Evaluation of Congestion Control in MANETs using AODV, DSR and ZRP Protocols”, International Journals of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, vol 7, pp 398–403, 2017 [25] C E Shannon, “Communication in the Presence of Noise”, in Proceedings of the IRE, vol 37, pp 10–21, 1949 [26] C.Casetti and Chiasserini, “Improving fairness and throughput for voice traffic in 802.11e EDCA”, 15th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), vol 8, pp 525–30, 2004 [27] Li et all, “An enhanced carrier sensing mechanism for wireless ad-hoc networks”, Computer Communication, vol 17, pp 11–13, 2005 [28] Jangeun et al, “Fairness and QoS in Multihop Wireless Networks”, IEEE Vehicular Technology Conference, vol 5, pp 2936–2940, 2003 120 [29] O.Shagdar, K.Nakagawa, and B.Zhang, “Achieving per-flow fairness in wireless ad hoc networks”, Electronics and Communications in Japan, vol 89, pp 37–49, 2006 [30] IEEE 802.11e WG part 11g Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the GHz Band, EEE 802.11 Std, 2005 [31] Elshaikh, Fadzil, and Kamel, “Weighted Signal-toNoise Ratio Average Routing Metric for Dynamic Sequence Distance Vector Routing Protocol in Mobile Ad-Hoc Networks”, Prceedings of IEEE 8th International Colloquium on Signal Processing and its Applications (CSPA), vol 2, pp 329–334, 2012 [32] Y.ElshaikAdarbah, S.Ahmad, and A.Duffy, “Impact of noise and interference on probabilistic broadcast schemes in mobile ad-hoc networks”, Journal of Computer Networks, vol 88, pp 178–186, 2015 [33] Sharma and Yadav, “Cross-Layer Approach for Communication in MANET”, International Journal of Computer Science and Mobile Computing, vol 4, pp 285–292, 2015 [34] F.Alnajjar, “SNR/RP Aware Routing Model for MANETs”, Journal of Selected Areas in Telecommunications (JSAT), vol 4, pp 40–48, 2011 [35] S Mallapur and S R Patil, ““Route Stability Based on Demand Multipath Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networls,.”, Prceedings of Interational Conference on Communication and Signal Processing, vol 14, 1859–1863, 2014 [36] P.T.Giang and K.Nakagawa, “Achieving Fairness over 802.11 Multihop Wireless Ad Hoc Networks”, IEICE Transactions on Communications, vol E92-B, pp 2628–2637, 2009 121 [37] J.Lei et al, “A Differentiated Reservation MAC Protocol for Achieving Fairness and Efficiency in Multi-rate IEEE 802.11 WLANs”, IEEE Access, vol 1, pp 1–1, 2019 [38] Alan, Scott, and Zhang, “MACAW: a media access protocol for wireless lan’s”, Proceedings of the conference on Communications Architectures, vol 1, pp 212–225, 1994 [39] Karn and Phil, “A New Channel Access Method for Packet Radio”, The proceedings of the 9th ARRL Computer Networking Conference, vol 1, pp 212–225, 1990 [40] F.Talucci, M.Gerla, and L.Fratta, “MACA-BI (MACA By Invitation)-a receiver oriented access protocol for wireless multihop networks”, Proceedings of 8th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, vol 2, pp 435–439, 1997 [41] Nandagopal, Thyagarajan, and Kim, “Achieving mac layer fairness in wireless packet networks”, Proceedings of the 6th annual international conference on Mobile computing and networking, vol 1, pp 87–98, 2000 [42] Tiwari and Malviya, “LMP-DSR: Load Balanced Multi-Path Dynamic Source”, Proceedings of Fourth International Conference on Computing, Communications and Networking Technologies (ICCCNT), vol 3, pp 1–5, 2013 [43] J.Dsouza, “MRA: Multi-level Routing Algorithm to Balance the Traffic Load in Wireless Ad hoc Network”, Proceedings of National Conference on Parallel Computing Technologies (PARCOMPTECH), vol 1, pp 10–15, 2015 [44] Kim et all, “Load Balanced Congestion Adaptive Routing for Mobile Ad Hoc Networks”, International Journal of Distributed Sensor Networks, vol 7, pp 5–15, 2014 122 [45] Y Tashtoush and O Darwish, ““Fibonacci sequence based multipath load balancing approach for mobile ad hoc networks.”, Ad Hoc Networks, vol 16, 237–246 2014 [46] S.Srivastava and A.Daniel, “An Efficient Routing Protocol under Noisy Environment for Mobile Ad Hoc Networks using Fuzzy Logic”, International Journal of Advanced Research in Artificial Intelligence, vol 2, pp 534–39, 2013 [47] P.T.Giang and K.Nakagawa, “Cooperation Between Channel Access Control and TCP Rate Adaptation in Multi-hop Ad hoc Networks”, 15th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), vol 1, pp 0916–8516, 2015 [48] Alam et al, “Enhancements of the Dynamic TXOP Limit in EDCA Through a High-Speed Wireless Campus Network”, Wireless Personal Communications, vol 90, pp 16–26, 2016 [49] S.Kim and Y.Cho, “Adaptive transmission opportunity scheme based on delay bound and network load in IEEE 802.11e wireless LANs”, Journal of Applied Research and Technology, Elsevier, vol 4, pp 604–611, 2013 [50] Hu, Min, and Woodward, “Performance analysis of a threshold-based dynamic TXOP scheme for intra-AC QoS in wireless LANs”, Future Generation Computer Systems, Elsevier, vol 38, pp 69–74, 2014 [51] Namazi, Mohammad, and Moghim, “Dynamic TXOP Assignment in IEEE802.11e Multi-hop Wireless Networks Based on an Admission Control Method”, Springer Science Business Media New York, vol 8, pp 6–17, 2017 [52] Acharya et all, “WLAN QoS Issues and IEEE 802.11e QoS Enhancement”, International Journal of Computer Theory and Engineering, vol 2, pp 61–67, 2010 123 [53] Alam et all, “Enhancements of the Dynamic TXOP Limit in EDCA Through a High-Speed Wireless Campus Network”, Wireless Pers Communication, vol 4, pp 1647–1672, 2016 [54] Castoldi et all, “Elastic QoS Scheduling with Step-by-Step Propagation in IEEE 802.11e Networks with Multimedia Traffic”, Wireless Communications and Mobile Computing, vol 5, pp 47–72, 2019 [55] A Shahzad, G A Shah, and A U Khattak, “QoS-supported energyefficient MAC (QEMAC) protocol based on IEEE 802.11e for Wireless Multimedia Sensor Networks”, The 5th International Conference on New Trends in Information Science and Service Science, Macao, vol 2, pp 200–204, 2011 [56] Ni and Qiang et al, “A Survey of QoS Enhancements for IEEE 802.11 Wireless LAN.”, Journal of Wireless Communications and Mobile Computing,Wiley, vol 4, pp 547–566 2004 [57] Durbha and Praveen, “Quality of Service (QoS) in IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks: Evaluation of Distributed Coordination Function (DCF) and Point Coordination Function (PCF).”, Communications, ICC 2002 IEEE International Conference, vol 4, pp 547–566, 2002 [58] O.Shagdar and K.Nakagawa, “Achieving per-flow fairness in wireless ad hoc networks.”, Electronics and Communications in Japan, vol 89, 285–292, 2015 [59] I.Tinnirello and G.Bianch, “Rethinking the IEEE 802.11e EDCA Performance Modeling Methodology.”, IEEE/ACM Transactions on Networking, vol 18, 540–553, 2010 [60] V.A.Siris and G.Stamataki, “Optimal CWmin selection for achieving proportional fairness in multi-rate 802.11e WLANs: test-bed implementation and evaluation.”, WiNTECH ’06 Proceedings of the 1st interna- 124 tional workshop on Wireless network testbeds, experimental evaluation characterization, vol 18, 41–48, 2006 [61] P.A.Regis and C.Miley, “Multi-hop Mobile Wireless Mesh Network Testbed Development and Measurements.”, International Journal of Innovative Research in Computer and Communication Engineering, vol 5, 11–18 2017 [62] Yazid and Mohand, “Modeling and performance study of the packet fragmentation in an IEEE 802.11e-EDCA network over fading channel”, Springer, vol 74, pp 9507–9527, 2015 [63] Reddya and Bheemarjuna, “Providing MAC QoS for multimedia traffic in 802.11e based multi-hop ad hoc wireless networks”, Computer Networks, vol 4, pp 17–27, 2007 [64] R.Jain et al, “A quantitative measure of fairness and discrimination for resource allocation in shared computer systems”, Technical Report TR-301, DEC Research Report, vol 1984 [65] Suk and Young-Hwan Kim, “Performance Improvement for Best-Effort Traffic of IEEE 802.11e QoS MAC in Mobile Ad Hoc Networks”, International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, vol 4, pp 1–4, 2006 [66] Hyogon Kim et al, “Resolving 802.11 performance anomalies through QoS differentiation”, IEEE Communications Letters, vol 9, pp 655– 657, 2005 [67] J.Majkowski and F.Palacio, “Dynamic TXOP configuration for Qos enhancement in IEEE 802.11e wireless LAN”, IEEE Xplore, vol 9, pp 655–657, 2009 [68] F.Parastar and J Wang, “Quality of Service in IEEE 802.11 WLANs: An Experimental Study”, ArXiv, abs/1910.07743 2019 125 [69] T J Ross, “Fuzzy Logic With Engineering Applications.”, Wiley India Pvt Ltd, vol 1, pp 6–11 2011 [70] C.Chao-Lieh, “IEEE 802.11e EDCA QoS Provisioning with Dynamic Fuzzy Control and Cross-Layer Interface”, Proceedings of 16th International Conference on Computer Communications and Networks Honolulu HI, vol 11, pp 766–771, 2007 [71] Masri et al, “A Fuzzy-based Routing Strategy for Multihop Cognitive Radio Networks”, International Journal of Communication Networks and Information Security (IJCNIS), vol 3, pp 766–771 2011 [72] Fakhri and Touil, “A Fuzzy-based QoS Maximization Protocol for WiFi Multimedia (IEEE 802.11e) Ad hoc Networks”, International Journal of Communication Networks and Information Security (IJCNIS), vol 6, pp 66–71, 2014 [73] MATLAB Works, [Online] Available: https://www.mathworks.com [74] Naoum-Sawaya and Joe, “A Fuzzy Logic Approach for Adjusting The Contention Window Size in IEEE 802 11 e Wireless Ad Hoc Networks.”, Second International Symposium on Communications, Control and Signal Processing, vol 6, pp 6–11, 2006 126 PHỤ LỤC MÃ NGUỒN MỘT SỐ HÀM CƠ BẢN TRONG MÔ PHỎNG File thiết lập tham số mô Tên file: Multiphops_wl.tcl Chức năng: Thiết lập tham số cho mô set ns [new Simulator] $ns use-scheduler Heap set pattern "pattern.tcl" set ser_arri "ser_arri.tcl" source $pattern source $ser_arri ;#scenario file ;#Servise arrival rate type # ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ # Display Command Line # ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ proc DisplayCommandLine {} { global opt argc argv puts "* Command Line is:" for {set i 0} {$i < $argc} {incr i} { puts -nonewline "[lindex $argv $i] " } puts "" } # ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ # Read arguments from the command line # ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ proc Getopt {} { global opt argc argv for {set i 0} {$i < $argc} {incr i} { set key [lindex $argv $i] if ![string match {-*} $key] continue set key [string range $key end] set val [lindex $argv [incr i]] set opt($key) $val if [string match {-[A-z]*} $val] { incr i -1 continue } switch $key { ll { set opt($key) LL/$val } ifq { set opt($key) Queue/$val } mac { set opt($key) Mac/$val } } 127 } } proc default_options {} { global val # ===================================================================== # Define default options # ====================================================================== set val(chan) Channel/WirelessChannel ;# channel type set val(prop) Propagation/TwoRayGround ;# radio-propagation model #set val(prop) Propagation/FreeSpace set val(netif) Phy/WirelessPhy ;# network interface type set val(mac) Mac/802_11e ;# MAC type #set val(ifq) Queue/PCRQ ;# interface queue type set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;# interface queue type set val(tra) "udp" ;# set trafic type set val(ll) LL ;# link layer type set val(ant) Antenna/OmniAntenna ;# antenna model set val(ifqlen) 100 ;# max packet in ifq set val(nn) ;# number of mobile nodes set val(rp) DSDV ;# routing protocol #set val(rp) AODV ;# routing protocol set val(x) 5000 ;# X dimension of topography set val(y) 200 ;# Y dimension of topography set val(distance) 200 ;# distance beween nodes set val(init) ;# time init trafic set val(stop) 100 ;# time stop trafic set val(end) 110 ;# time end simulation set val(lambda) 20.0 ;#average offer rate set val(mu) 100.0 ;#average service rate set set set set set set set set set set set val(state) val(output) val(beta) val(gamma) val(kappa) val(sce) val(test) val(MAX_P) val(txoplimit0) val(txoplimit1) val(txoplimit2) 0 ;#State Static: (1 Start); (0: Processing) "output.tr" ;#Output file from NS 0.0 0.0 1.0 "chain" "proposed" ; #Hight priority ; #Medium priority ; #Low priority } proc init {} #$self global #trace { instvar ns ns val node foutput namtrace file output 128 set foutput [open $val(output) w] #set namtrace [open out.nam w] $ns trace-all $foutput #$ns namtrace-all-wireless $namtrace $val(x) $val(y) # set up topography object set topo [new Topography] $topo load_flatgrid $val(x) $val(y) # Create God create-god $val(nn) #Set MAC parameters #Mac/802_11 set bandwidth_ 2mb #Mac/802_11 set dataRate_ 54mb #Mac/802_11 set basicRate_ 11.0e6 #Mac/802_11 set basicRate_ 1mb Mac/802_11e set dataRate_ 11mb Mac/802_11e set RTSThreshold_ 100000 #RTS CTS mode #Mac/802_11e set Queue/DTail/PriQ Queue/DTail/PriQ Queue/DTail/PriQ RTSThreshold_ set TXOPLimit0 $val(txoplimit0) set TXOPLimit1 $val(txoplimit1) set TXOPLimit2 $val(txoplimit2) Phy/WirelessPhy set debug_ true # New API to config node: # Create channel (or multiple-channels); # Specify channel in node-config (instead of channelType); # Create nodes for simulations if {$val(test) == "w802.11txop"} { Mac/802_11e set BackoffDelay [expr 1.0*$val(kappa)] Mac/802_11e set EstimationPeriod Mac/802_11e set VoiceWeight Mac/802_11e set VideoWeight Mac/802_11e set BestWeight } # Create channel #1 and #2 set chan_1_ [new $val(chan)] set chan_2_ [new $val(chan)] # Create node(0) "attached" to channel #1 # configure node, please note the change below $ns node-config -adhocRouting $val(rp) \ -llType $val(ll) \ -macType $val(mac) \ -ifqType $val(ifq) \ -ifqLen $val(ifqlen) \ -antType $val(ant) \ 129 -propType $val(prop) \ -phyType $val(netif) \ -topoInstance $topo \ -agentTrace ON \ -routerTrace ON \ -macTrace ON \ -movementTrace ON \ -channel $chan_1_ initScenario initConnection proc stop {} { global ns foutput namtrace val tracetcp $ns flush-trace close $foutput #TcpTrace #close $namtrace #puts "running nam " #exec nam out.nam & exit } proc RunMultihops {arg} { global ns val opt Getopt DisplayCommandLine set set set set set set set set set set set set set set val(ifq) $opt(queue) val(nn) $opt(stations) val(tra) $opt(traffic) val(lambda) $opt(speed) val(state) $opt(init) val(output) $opt(output) val(beta) $opt(beta) val(gamma) $opt(gamma) val(kappa) $opt(kappa) val(sce) $opt(scenario) val(test) $opt(testcase) val(txoplimit0) $opt(txoplimit0) val(txoplimit1) $opt(txoplimit1) val(txoplimit2) $opt(txoplimit2) puts "$val(nn) $val(sce)" #set simulation parameter init $ns at $val(end) "stop" puts "Starting Simulation " 130 $ns run } global argv arg0 default_options RunMultihops $argv File thiết lập kịch mô Tên file: pattern.tcl.tcl Chức năng: Thiết lập tô-pô mô proc initScenario {} { global ns val node # Define node initial position puts "Init model " if { $val(sce) == "chain" } { puts "Init $val(sce) $val(nn) nodes model " for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} { set node($i) [$ns node] $node($i) random-motion ;# disable random motion $node($i) set X_ [expr $val(distance)*($i+1)] #$node($i) set Y_ [expr 50.0+50.0*(($i+1)%2)] $node($i) set Y_ 50 $node($i) set Z_ 0.0 } } if { $val(sce) == "3node" } { puts "Init $val(sce) $val(nn) nodes model " for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} { set node($i) [$ns node] $node($i) random-motion ;# disable random motion $node($i) set Z_ 0.0 } # - - $node(0) set X_ 50 $node(0) set Y_ 250 $node(1) set X_ 250 $node(1) set Y_ 250 $node(2) set X_ 450 $node(2) set Y_ 250 } if { $val(sce) == "5node" } { puts "Init $val(sce) $val(nn) nodes model " for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} { set node($i) [$ns node] $node($i) random-motion ;# disable random motion $node($i) set Z_ 0.0 } 131 # - - - - - $node(0) set X_ 50 $node(0) set Y_ 200 $node(1) set X_ 250 $node(1) set Y_ 200 $node(2) set X_ 450 $node(2) set Y_ 200 $node(3) set X_ 650 $node(3) set Y_ 200 $node(4) set X_ 850 $node(4) set Y_ 200 } } File thiết lập kiểu dịch vụ Tên file: ser_arri.tcl Chức năng: Thiết lập kiểu dịch vụ #Multi-flow UDP connection if {$val(tra) == "mfudp"} { SetMFUDPConnection ActiveMFUDPConnection } } # #Set Multi-flows UDP connection with same offered load # proc SetMFUDPConnection {} { #$self instvar ns global ns val node udp cbr null puts "SetMSUDPConnection $val(nn) nodes " # UDP connections between node_(i) and node_(0) for {set i 1} {$i < $val(nn)} { incr i } { for {set j 0} {$j < $val(MAX_P)} { incr j } { set k [expr ($i-1)*$val(MAX_P)+$j] set udp($k) [new Agent/UDP] set null($k) [new Agent/Null] $udp($k) set fid_ $i $udp($k) set prio_ $j #$udp($k) set prio_ $ns attach-agent $node($i) $udp($k) $ns attach-agent $node(0) $null($k) 132 $ns connect $udp($k) $null($k) set cbr($k) [new Application/Traffic/CBR] $cbr($k) attach-agent $udp($k) $cbr($k) set packetSize_ 1024 $cbr($k) set interval_ [expr 1.0/(($val(MAX_P)-$j)*$val(lambda))] } } } proc ActiveMFUDPConnection {} { #$self instvar ns global ns val node udp cbr puts "ActiveMSUDPConnection $val(nn) nodes " for {set i 1} {$i < $val(nn)} { incr i } { for {set j 0} {$j < $val(MAX_P)} { incr j } { set k [expr ($i-1)*$val(MAX_P)+$j] set startsend [expr $val(init)+0.1*($val(nn)*$val(MAX_P)$k)/($val(nn)*$val(MAX_P))] #set startsend [expr $val(init)] #$ns at $val(init) "$cbr($i) start" ;#arrange for cbr to start $ns at $startsend "$cbr($k) start" ;#arrange for cbr to start $ns at $val(stop) "$cbr($k) stop" ;#arrange for cbr to start } } } Thiết lập định nghĩa cấu trúc liệu cho 802.11 EDCA Tên file: mac-802_11e.h Chức năng: Thiết lập cấu trúc liệu cho 802.11 EDCA class EDCA_PHY_MIB { friend class Mac802_11e; public: EDCA_PHY_MIB(Mac802_11e *parent); inline u_int32_t getCWMin() { return(CWMin); } inline u_int32_t getCWMax() { return(CWMax); } inline double getSlotTime() { return(SlotTime); } inline double getSIFS() { return(SIFSTime); } inline double getPIFS() { return(SIFSTime + SlotTime); } inline double getDIFS() { return(SIFSTime + * SlotTime); } inline double getEIFS() { return(getDIFS()); } inline u_int32_t getPreambleLength() { return(PreambleLength); } inline double getPLCPDataRate() { return(PLCPDataRate); } inline u_int32_t getPLCPhdrLen() { return((PreambleLength + PLCPHeaderLength) >> 3); } inline u_int32_t getHdrLen11() { 133 return(getPLCPhdrLen() + sizeof(struct hdr_mac802_11e) + ETHER_FCS_LEN); } inline u_int32_t getRTSlen() { return(getPLCPhdrLen() + sizeof(struct rts_frame)); } inline u_int32_t getCTSlen() { return(getPLCPhdrLen() + sizeof(struct cts_frame)); } inline u_int32_t getACKlen() { return(getPLCPhdrLen() + sizeof(struct ack_frame)); } private: u_int32_t CWMin; u_int32_t CWMax; double SlotTime; double SIFSTime; u_int32_t PreambleLength; u_int32_t PLCPHeaderLength; double PLCPDataRate; }; /* ====================================================================== The actual 802.11e MAC class ====================================================================== */ class Mac802_11e : public Mac { friend class DeferTimer_802_11e; friend class SIFSTimer_802_11e; friend class BackoffTimer_802_11e; friend class IFTimer_802_11e; friend class NavTimer_802_11e; friend class RxTimer_802_11e; friend class TxTimer_802_11e; friend class AkaroaTimer; public: Mac802_11e(); void recv(Packet *p, Handler *h); inline int hdr_dst(char* hdr, int dst = -2); inline int hdr_src(char* hdr, int src = -2); inline int hdr_type(char* hdr, u_int16_t type = 0); void setQ(PriQ* priqueue); PriQ* queue_; // for pointer to Queues in priq.cc //PCR2Queue* queue_; double getAIFS(int pri); void defer_stop(int pri); void calc_throughput(); 134 double idle_time; protected: inline void transmit(Packet *p, double t); inline void set_rx_state(MacState x); inline void set_tx_state(int pri, MacState x); void backoffHandler(int pri); void deferHandler(int pri); void navHandler(void); void recvHandler(void); void sendHandler(void); void txHandler(void); // methods for priority-parameters int getCW(int level); double interval_; private: int command(int argc, const char*const* argv); void check_backoff_timer(); bool AIFSset; bool CWset; int cw_[MAX_PRI]; int cwmin_[MAX_PRI]; int cwmax_[MAX_PRI]; int k_[MAX_PRI]; // 20140620 double txop_limit_[MAX_PRI]; Handler* callback_[MAX_PRI]; /* * Called by the timers */ void recv_timer(void); void send_timer(void); int check_pktCTRL(int pri); int check_pktRTS(int pri); int check_pktTx(int pri); int levels; int slotnum; double aifs_[MAX_PRI]; Packet* packets_[MAX_PRI]; /* * Packet Transmission Functions */ void send(Packet *p, Handler *h); void sendRTS(int pri, int dst); void sendCTS(int pri, int dst, double duration); void sendACK(int pri, int dst); void sendDATA(int pri, Packet *p); void RetransmitRTS(int pri); void RetransmitDATA(int pri); 135 /* * Packet Reception Functions */ void recvRTS(Packet *p); void recvCTS(Packet *p); void recvACK(Packet *p); void recvDATA(Packet *p); void void void void void capture(Packet *p); collision(Packet *p); discard(Packet *p, const char* why); rx_resume(void); tx_resume(void); inline int is_idle(void); /* * Debugging Functions */ void trace_pkt(Packet *p); void dump(char* fname); inline int initialized() { return (cache_ && logtarget_ && Mac::initialized()); } void mac_log(Packet *p) { logtarget_->recv(p, (Handler*) 0); } double txtime(Packet *p); double txtime(double psz, double drt); double txtime(int bytes) { /* clobber inherited txtime() */ abort(); } inline void inc_cw(int level) { //get persistence factor pf = queue_->pri_[level].getPF(); cw_old = cw_[level]; //calculate new cw_[pri] cw_[level] = ((cw_old + 1) * pf) - 1; if(cw_[level] > cwmax_[level]) cw_[level] = cwmax_[level]; } inline void rst_cw(int level) { cw_[level] = cwmin_[level]; } inline double sec(double t) { return(t *= 1.0e-6); } inline u_int16_t usec(double t) { u_int16_t us = (u_int16_t)floor((t *= 1e6) + 0.5); /* u_int16_t us = (u_int16_t)rint(t *= 1e6); */ return us; 136 } inline void set_nav(u_int16_t us) { double now = Scheduler::instance().clock(); double t = us * 1e-6; if((now + t) > nav_) { nav_ = now + t; if(mhNav_.busy()){ mhNav_.stop(); } mhNav_.start(t); } } inline void reset_eifs_nav(); bool inc_retryCounter(int pri); protected: EDCA_PHY_MIB phymib_; EDCA_MAC_MIB macmib_; private: double eifs_nav_; double basicRate_; double dataRate_; int numbytes_[MAX_PRI]; // for Akaroa Observation double start_handle_[MAX_PRI]; // for delay investigation double throughput; double jitter; int rtx_[MAX_PRI]; int pf; int cw_old; /* * Contention Free Burst */ int cfb_; int cfb_broadcast; double cfb_dur; int cfb_active; void cfb(int pri); /* * Mac Timers */ IFTimer_802_11e NavTimer_802_11e RxTimer_802_11e TxTimer_802_11e mhIF_; mhNav_; mhRecv_; mhSend_; // interface timer // NAV timer // incoming packets // outgoing packets 137 DeferTimer_802_11e mhDefer_; // defer timer SIFSTimer_802_11e mhSifs_; // defer timer for sifs, not stoppable! BackoffTimer_802_11e mhBackoff_; // backoff timer AkaroaTimer AK; /* ============================================================ Internal MAC State ============================================================ */ double nav_; // Network Allocation Vector MacState MacState int int Packet Packet Packet //u_int32_t u_int32_t u_int32_t double double double double //double //double //double rx_state_; // incoming state (MAC_RECV or MAC_IDLE) tx_state_[MAX_PRI]; // outgoint state tx_active_; // transmitter is ACTIVE sending; // transmitter is ACTIVE *pktRTS_[MAX_PRI]; // outgoing RTS packet *pktCTRL_[MAX_PRI]; // outgoing non-RTS packet *pktTx_[MAX_PRI]; cw_; // Contention Window ssrc_[MAX_PRI]; // STA Short Retry Count slrc_[MAX_PRI]; // STA Long Retry Count sifs_; // Short Interface Space pifs_; // PCF Interframe Space difs_; // DCF Interframe Space eifs_; // Extended Interframe Space tx_sifs_; tx_pifs_; tx_difs_; //int min_frame_len_; NsObject* logtarget_; /* ============================================================ Duplicate Detection state ============================================================ */ u_int16_t sta_seqno_; // next seqno that I'll use int cache_node_count_; Host *cache_; private: Packet* ppkt; RRTQueue *rr_rev_; RRTQueue *rr_snd_; int flow_rev_[MAX_PRI], flow_snd_[MAX_PRI]; // > array type bool delayed_; double para_delay_; void update_rev_flow (int prio, Packet* p); // Add prion prameter void update_snd_flow (int prio, Packet* p); // Add prion prameter 138 //void updateIdleTime(bool ended); //void updateCollisionTime(double ended = -1); void updateGlobalTime(); void estimation(Packet* p, bool detected = true); void debug (RRTQueue* cl); void TxopAdjust(int prio); // them bien bool isCtrPacket (Packet* p); public: void setdelay(bool d); double CurRevc[MAX_PRI], CurSend[MAX_PRI];//edit from double -> double[] double boa_[MAX_PRI]; double avePacket[MAX_PRI]; int nPacket[MAX_PRI]; double GlobalRevc[MAX_PRI], GlobalSend[MAX_PRI]; // > array double GlobalTime[MAX_PRI], EP_; // > array type //end ptg }; #endif /* mac_80211e_h */ Tên file: mac-802_11e.cc Chức năng: Thiết lập cấu trúc liệu cho 802.11 EDCA // Tinh prio cua tung Packet p void Mac802_11e::update_rev_flow (int prio, Packet* p) { //Update number of flow receive in CS Range and TX Range RRTQueue* cl = rr_rev_; //RRTQueue* next = 0; RRTQueue* tail = rr_rev_; bool find = false; u_int32_t src; nsaddr_t saddr; int32_t sport; u_int32_t dst; nsaddr_t daddr; int32_t dport; if (p == NULL){ //return; //Cerrier Sensing packet src = 255; dst = 255; saddr = 255; sport = 255; daddr = 0; dport = 255; } else { 139 hdr_mac802_11 *mh = HDR_MAC802_11(p); dst = ETHER_ADDR(mh->dh_ra); src = ETHER_ADDR(mh->dh_ta); struct hdr_ip *ih = HDR_IP(p); daddr = ih->daddr(); dport = ih->dport(); saddr = ih->saddr(); sport = ih->sport(); } //struct hdr_ip *ih1 = HDR_IP(pkt); //printf("packet: src->dst %d:%d:%d -> %d:%d:%d\n", src, ih->saddr(), ih->sport(), dst, ih->daddr(), ih->dport()); if (cl == 0) { cl = new RRTQueue(); cl->daddr = daddr; cl->dport = dport; cl->saddr = saddr; cl->sport = sport; cl->src = src; cl->dst = dst; cl->prio = prio; cl->setnext(cl); if ((cl->daddr != (int32_t) IP_BROADCAST) && (cl->daddr != cl->saddr)){ /*increase number of flow*/ flow_rev_[prio] ++; // them gia tri prio } rr_rev_ = cl; //printf("src->dst %d:%d -> %d:%d\n", ih->saddr(), ih->sport(), ih->daddr(), ih->dport() ); return; } { if((cl->daddr == daddr) && (cl->saddr == saddr) && (cl->dst == dst) && (cl->src == src) && (cl->prio == prio) && (!find)) { //found the flow of packet rr_rev_ = cl; return; } tail=cl; cl = cl->next(); } while (cl != rr_rev_); if(find == false) { //not found, create a new queue cl = new RRTQueue(); cl->daddr = daddr; cl->dport = dport; 140 cl->saddr = saddr; cl->sport = sport; cl->src = src; cl->dst = dst; cl->prio = prio; cl->setnext(rr_rev_); tail->setnext(cl);//insert next in tail rr_rev_ = cl; if ((cl->daddr != (int32_t) IP_BROADCAST) && (cl->daddr != cl->saddr)){ /*increase number of flow*/ flow_rev_[prio] ++; //printf("Tai %d: Gia tri flow_rev_[%d] = %d, packet: src->dst %d:%d:%d -> %d:%d:%d\n", index_, prio, flow_rev_[prio], src, cl->saddr, cl>sport, dst, cl->daddr, cl->dport); } } //debug(rr_rev_); } // Add prio forPacket p void Mac802_11e::update_snd_flow (int prio, Packet* p) { if (isCtrPacket(p)) return; RRTQueue* cl = rr_snd_; // RRTQueue* next = 0; RRTQueue* tail = rr_snd_; bool find = false; struct hdr_ip *ih = HDR_IP(p); hdr_mac802_11 *mh = HDR_MAC802_11(p); struct hdr_cmn *ch = HDR_CMN(p); //struct hdr_ip *ih1 = HDR_IP(pkt); //printf("packet: src->dst %d:%d -> %d:%d copy: src->dst %d:%d -> %d:%d \n", ih->saddr(), ih->sport(), ih->daddr(), ih->dport(), ih1->saddr(), ih1>sport(), ih1->daddr(), ih1->dport() ); if (cl == 0) { cl = new RRTQueue(); cl->src = ETHER_ADDR(mh->dh_ta); cl->dst = ETHER_ADDR(mh->dh_ra); cl->daddr = ih->daddr(); cl->dport = ih->dport(); cl->saddr = ih->saddr(); cl->sport = ih->sport(); cl->prio = prio; cl->setnext(cl); // 0301: moi chi kiem tra flow theo IP > chia flow theo port // port khac > tang if ((cl->daddr != (int32_t) IP_BROADCAST) && (cl->daddr != cl->saddr)){ /*increase number of flow*/ 141 //printf("src->dst %d::%d:%d -> %d::%d:%d\n", ih->saddr(), ih->sport(), ih>daddr(), ih->dport() ); flow_snd_[prio] ++; // Them gia tri prio //printf("Gia tri flow_snd_[%d] (trong if) = %d\n", prio, flow_snd_[prio]); } rr_snd_ = cl; //printf("src->dst %d:%d -> %d:%d\n", ih->saddr(), ih->sport(), ih->daddr(), ih->dport() ); return; } { if((cl->daddr == ih->daddr() && cl->saddr == ih->saddr() && cl->prio == prio) && (!find)) { //found the flow of packet rr_snd_ = cl; return; } tail=cl; cl = cl->next(); } while (cl != rr_snd_); if(find == false) { //not found, create a new queue // 0301: xem lai doan cl = new RRTQueue(); cl->src = ETHER_ADDR(mh->dh_ta); cl->dst = ETHER_ADDR(mh->dh_ra); cl->daddr = ih->daddr(); cl->dport = ih->dport(); cl->saddr = ih->saddr(); cl->sport = ih->sport(); cl->prio = prio; cl->setnext(rr_snd_); tail->setnext(cl);//insert next in tail rr_snd_ = cl; if ((cl->daddr != (int32_t) IP_BROADCAST) && (cl->daddr != cl->saddr)){ /*increase number of flow*/ flow_snd_[prio] ++; //printf("Tai %d: Gia tri flow_snd_[%d] = %d\n", index_, prio, flow_snd_[prio]); } } //if (ch->ptype() == PT_ACK) printf("src->dst %d::%d:%d -> %d::%d:%d\n", ETHER_ADDR(mh->dh_ta), ih->saddr(), ih->sport(), ETHER_ADDR(mh->dh_ra), ih>daddr(), ih->dport()); } void Mac802_11e::setdelay (bool d) { delayed_ = d; 142 double now = Scheduler::instance().clock(); //printf("%f Delayed index: %d \n", now, index_); } void Mac802_11e::debug (RRTQueue* rr) { double now = Scheduler::instance().clock(); printf("%f MAC %d\n", now, index_); RRTQueue* cl = rr; if(cl != 0) { { printf("queue: %d, src->dest: %d:%d:%d->%d:%d:%d\n", cl, cl->src, cl->saddr,cl->sport, cl->dst, cl->daddr,cl->dport); cl = cl->next(); }while (cl != rr); } } // Dua tham so prio vao ham void Mac802_11e::updateGlobalTime(){ double now = Scheduler::instance().clock(); int wTFlow_ = 0; for (int i=0; i < MAX_PRI; i++) { wTFlow_ = wTFlow_ + k_[i]*(flow_snd_[i]+flow_rev_[i]); //boa_[i]=1; } //return; for (int i=0; i < MAX_PRI; i++) { if ((GlobalTime[i] + EP_ < now) && (flow_snd_[i]>0)){ GlobalRevc[i] = (4*GlobalRevc[i] + CurRevc[i])/5; GlobalSend[i] = (4*GlobalSend[i] + CurSend[i])/5; // Time send tung flow GlobalTime[i] = now; if (nPacket[i] >= 1) { avePacket[i] = (4*avePacket[i]+ CurSend[i]/nPacket[i])/5 ; } //else avePacket[i] = 0; //30.8.2018 //boa_[i] = 1.0*GlobalSend[i]*wTFlow_/(k_[i]*flow_snd_[i]*EP_); if (GlobalSend[i]*wTFlow_>0) { boa_[i] = (k_[i]*flow_snd_[i]*EP_)/(GlobalSend[i]*wTFlow_);//edit date 24/8/2018 } //else boa_[i]=1; TxopAdjust(i); TxopAdjust(i); //printf("Now: %f, Index: %d, Prio: %d, GRevc: %f, GSend: %f, sndFlow: %d, revFlow: %d, avePacket: %f, nPacket : %d, txop_limit: %f, boa_[i] : %f \n", now, index_, i, GlobalRevc[i], GlobalSend[i], flow_snd_[i], flow_rev_[i], avePacket[i], nPacket[i], txop_limit_[i], boa_[i]); CurRevc[i] = CurSend[i] = 0; nPacket[i] = 0; //30.8.2018 //printf("avePacket[i]: %f \n", avePacket[i]); 143 //if (index_ ==1 ) printf("%f %d (GlobalSend %f / EP_ %f) * (flow_snd_[%d] %d / wTFlow_ %d = %f) = %f cw2 %d/cw %d\n",now, index_, GlobalSend[i], EP_, i, k_[i]*flow_snd_[i], wTFlow_, boa_[i]); } } } void Mac802_11e::estimation(Packet* p, bool detected) { double now = Scheduler::instance().clock(); //int prio = LEVEL(pktRx_); // Rx: Packet; Tx: array //printf("Truoc loi now = %f \n", now); int prio=0; if (p != NULL) { prio = LEVEL(p); } //printf("Sau loi now = %f prio = %d \n", now, prio); updateGlobalTime(); if (!detected) { //The packet out of Transmission range but in Carrier sensing range update_rev_flow(0,NULL); //20130705: update cho cac flow return; } hdr_cmn *ch = HDR_CMN(p); //struct hdr_cmn *sd = HDR_CMN(p); hdr_mac802_11 *mh = HDR_MAC802_11(p); u_int32_t dst = ETHER_ADDR(mh->dh_ra); u_int32_t src = ETHER_ADDR(mh->dh_ta); u_int8_t u_int8_t type = mh->dh_fc.fc_type; subtype = mh->dh_fc.fc_subtype; switch(type) { case MAC_Type_Control: switch(subtype) { case MAC_Subtype_RTS: break; case MAC_Subtype_CTS: if(dst == (u_int32_t)index_){ double t = txtime(phymib_.getRTSlen(), basicRate_) + phymib_.getSIFS() + txtime(phymib_.getCTSlen(), basicRate_) + phymib_.getSIFS(); CurSend[prio] += t; } break; case MAC_Subtype_ACK: if(dst == (u_int32_t)index_) { if (!isCtrPacket(pktTx_[prio])) { 144 double t = 0.5*cw_[prio]*phymib_.getSlotTime() + txtime(phymib_.getDIFS(), basicRate_) + txtime(pktTx_[prio]) + phymib_.getSIFS() + txtime(phymib_.getACKlen(), basicRate_)+phymib_.getSIFS(); CurSend[prio] += t; nPacket[prio] +=1; //Counter the sender flow } } //ptg //printf("%f, MAC ACK %d, src->dest: %d->%d seqno: %d\n", now, index_, ETHER_ADDR(mh->dh_ta),ETHER_ADDR(mh->dh_ra), mh->dh_scontrol, MAC_BROADCAST); break; default: printf("recvTimer1:Invalid MAC Control Subtype %x\n", subtype); } break; case MAC_Type_Data: switch(subtype) { case MAC_Subtype_Data: //printf("%f, MAC Data %d, src->dest: %d->%d seqno: %d\n", now, index_, ETHER_ADDR(mh->dh_ta),dst, mh->dh_scontrol, MAC_BROADCAST); update_rev_flow(prio, p); break; default: printf("recv_timer2:Invalid MAC Data Subtype %x\n",subtype); } break; default: printf("recv_timer3:Invalid MAC Type %x\n", type); } } // Add parameter prio void Mac802_11e::TxopAdjust(int prio) { double now = Scheduler::instance().clock(); if (txop_limit_[prio]>avePacket[prio]) { txop_limit_[prio] = boa_[prio]*txop_limit_[prio]; } if (txop_limit_[prio]>MAX_TXOP) { txop_limit_[prio]=MAX_TXOP; } //printf("txop_limit_[prio]: %f, boa_[prio]: %f , prio : %d \n", txop_limit_[prio], boa_[prio], prio); } ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LƯƠNG DUY HIẾU NÂNG CAO HIỆU NĂNG THÔNG LƯỢNG VÀ ĐỘ CÔNG BẰNG TRONG MẠNG KHÔNG DÂY AD... Hà Nội – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ với tiêu đề "Nâng cao hiệu thông lượng độ công mạng không dây AD HOC chuẩn IEEE 802.11 EDCA" cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng... KÊNH TRUYỀN PHÂN TÁN NÂNG CAO IEEE 802.11 EDCA 2.1 39 Phương thức truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA 39 2.1.1 Tổng quan IEEE 802.11 EDCA (Enhanced