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 cũng 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 Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho Tin học Mã số: 46 01 10 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỐN HỌC Hà Nội – 2020 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Thái Quang Vinh Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Phạm Thanh Giang Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam 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 khơng 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 [44] cho phép thu thập thơng tin tình báo, xây dựng đồ tác chiến Trong lĩnh vực dân với mạng VANET [35, 15] cho phép triển khai dịch vụ cho giao thông thông minh, với mạng BAN [9] ứng dụng lĩnh vực y tế cho phép triển khai dịch vụ theo dõi chăm sóc sức khỏe cộng đồng Trong năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu mạng adhoc [5, 1, 2] nước [51, 7, 24, 36] 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 thông tin cậy, đảm bảo chất lượng dịch vụ [4, 3], 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 không dây adhoc Bài toán 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 không dây lỗi bít cao khiến gói tin phải truyền lại nhiều lần, làm hạ thấp băng thông hiệu dụng Các yếu tố bên ngồi nhiễu kênh vơ 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 (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 IEEE 802.11 EDCA (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 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 Phương pháp nghiên cứu (1) Nêu vấn đề tồn đối tượng nghiên cứu (2) Phân tích, khảo sát yếu tố ảnh hướng đến đối tượng nghiên cứu (3) Tìm hiểu nghiên cứu ngồi nước đối tượng đưa phương pháp tiếp cận tác giả (4) Xây dựng thuật tốn, mơ hình để giải vấn đề nhận diện (5) Kiểm tra tính đắn kỹ thuật tin cậy Ý nghĩa nghiên cứu đề tài (1) Giá trị thực tiễn: 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 tốn nâng cao hiệu cho mạng khơng dây adhoc 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 (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 công nghệ 4.0 Đóng góp vào tính đề tài luận án (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) Ngồi 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 trình bày kết thực nghiệm việc truyền liệu đa phương tiện ứng dụng cho mạng VANET, trường hợp điển hình mạng adhoc CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY ADHOC Trong chương này, luận án trình bày yếu tố liên quan đến hiệu mạng adhoc, hướng tiếp cận chủ đạo, đánh giá ưu nhược từ nghiên cứu nước ngồi nước để xác định vấn đề cịn tồn cần tiếp tục nghiên cứu 1.1 Giới thiệu mạng adhoc Mạng khơng dây adhoc có nhiều định nghĩa, định nghĩa có cách diễn đạt khác thể đặc tính mạng adhoc tính độc lập tự kết nối 1.1.1 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 [51, 45, 52] Dưới liệt kê số đặc tính điển hình: (1) Tơ-pơ mạng động (2) Năng lượng hạn chế (3) Băng thông hữu hạn bán kính phát sóng ngắn (4) Nhiều thách thức bảo mật (5) Đường truyền tin cậy 1.1.2 Ứng dụng mạng adhoc (1) Lĩnh vực dân sự: Một biến thể mạng adhoc mạng VANET [35, 15] phát triển để ứng dụng lĩnh vực giao thông thông minh (ITS) Xe tự hành ví dụ điển hình cho mạng VANET, hệ thống tự động kết nối, liên lạc tự thực tác vụ, phát đường, nhận dạng chướng ngại vật Trong nghiên cứu [CT3] NCS 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 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 quân thường diễn nhanh, khơng có sẵn hạ tầng mạng cố định Do mạng adhoc đáp ứng nhu cầu tính linh hoạt, triển khai nhanh, kết nối di động Một biến thể adhoc mạng FANET [44] phát triển để kết nối với máy bay khơng 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 nguyên nước, biến đổi khí hậu, thơng tin tình báo xây dựng đồ khu vực 1.2 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 Hướng tiếp cận giải toán nâng cao hiệu 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 [30, 80, 70, 32, 53]; Hướng tiếp cận chế xử lý hàng đợi [12, 61, 63] Hướng tiếp cận phương thức truy nhập môi trường truyền [32, 13, 18, 50, 34, 57] 1.3.1 Hướng tiếp cận giao thức định tuyến Xây dựng chiến lược tìm đường tối ưu thơng qua việc thiết lập trì thơng tin định tuyến nút mạng 1.3.2 Hướng tiếp cận chế xử lý hàng đợi Tập trung vào giải pháp nhằm kiểm sốt gói tin vào hàng đợi từ điều chỉnh lưu lượng luồng nút mạng cách thích hợp 1.3.3 Hướng tiếp cận truy nhập môi trường truyền Tập trung vào giải vấn đề tương tranh tầng MAC Trong chủ yếu cải tiến giao thức truy nhập phân tán (DCF, EDCA) cải tiến tham số giao thức truy nhập phân tán nâng cao 1.4 Hướng tiếp cận định hướng nghiên cứu 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 (1) Vấn đề tính cố định tham số điều khiển truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Nhiều nghiên cứu [19, 20, 21] 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 (2) Vấn đề tính cơng phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Sự cạnh tranh môi trường truyền theo mức độ ưu tiên khác đặt thách thức toán nâng cao tính cơng phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA mạng adhoc Để giải toán đặt ra, luận án nghiên cứu nội dung chủ yếu sau 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 hiệu mạng adhoc 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 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 1.5 Kết luận chương Chương 1, luận án hệ thống lại lý thuyết mạng adhoc, đông thời điểm lại nghiên cứu liên quan theo hướng tiếp cận chủ đạo mà nhà nghiên cứu nước giới đạt Trên sở đó, luận án trình bày định hướng nghiên cứu để giải vấn đề lựa chọn 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 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 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 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 (back-off), dựa tham số đặc trưng cho AC để tạo mức ưu tiên tranh chấp khác [79, 65] 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_VI, AC_VO) sử dụng bytes, AC bao gồm trường chứa thông tin tập tham số EDCA Hình 2.1 Hình 2.1: Cấu trúc trường thơng tin EDCA [43] 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] (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 (2.1) Backof f [AC] = Random[0, min(2k (CWmin [AC] + 1) − 1, CWmax [AC]) (2.1) 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 (2.2) Trong đó, Te biến thời gian cho slot time (3) TXOP(Tranmission Opportunity): khoảng thời gian truyền tối đa luồng quyền truyền liệu T XOP [AC] = TDAT A + × SIF S + TACK (2.3) 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 2.2 Xây dựng mô đánh giá ảnh hưởng tham số IEEE 802.11 EDCA 2.2.1 Thiết lập mơ hình mạng mơi trường mơ Công cụ mô sử dụng Network Simulator (NS-2) [6] Các tham số mô tốc độ truyền liệu R=11Mbps, kiểu ăngten đẳng hướng, cự ly phát 250m, cự ly cảm nhận sóng mang 500m Giao thức MAC 802.11 EDCA theo chuẩn IEEE Kích thước đệm 100 gói Thời gian mơ 150s Kiểu kết nối UDP, nguồn sinh lưu lượng tốc độ khơng đổi CBR Mơ hình sử dụng cho kịch đơn chặng, gồm nút phát S nút nhận D Nút phát S gửi luồng Best-Effort, Video and Voice tới nút D 11 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 3.1 Đặt vấn đề Tham số TXOP IEEE 802.11 EDCA cho phép trạm ưu tiên phép truyền liên tục khoảng thời gian TXOP sau giành kênh 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 [75, 10, 25, 49] 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 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 cơng xảy luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm tồn băng thơng luồng có độ ưu tiên thấp 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 Mô hình đề xuất Nhằm đạt trạng thái cơng 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 ưu tiên Voice, Video, Best-effort Ba module đề xuất mô tả chi tiết đây, gồm 12 (1) TXOP-Flow module: Hoạt động tầng MAC, có chức đếm số luồng miền phát 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 Wtotal đưa lại tổng trọng số luồng nút khảo sát theo công thức n Wtotal = (ki ) (3.1) i=1 Trong đó, ki trọng số Hình 3.1: Mơ hình IEEE 802.11 EDCA với module đề xuất luồng, n số luồng (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 TActime−time[i] (3.2) U= EP Trong đó, U hiệu suất liên kết thực luồng i, TActiveT ime[i] tổng thời gian gửi gói tin luồng i TActive[i] tổng thời gian gửi nhận gói tin trước luồng i (3) AdaptiveTXOP: Module chứa thuật toán 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) Giá trị điều chỉnh TXOP’[i] xác định công thức (3.3) F SR[i] T XOP [i] = × T XOP [i] (3.3) RSR[i] Trong đó, F SR tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng, RSR tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế, T XOP giá trị giới hạn hành Tham số T XOP 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 nhằm gia tăng hội truy nhập kênh truyền cho luồng khác 13 3.2.3 Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP Thuật toán 3.1 Tỷ lệ chia sẻ băng thông công FSR 1: Khởi tạo biến EP = 2s, W = 2: Gán trọng số cho luồng: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 3: for (trong khoảng thời gian EP) 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: //Giải mã gói tin flow = Decode(packet) ; Flows.append(flow) //Gọi hàm tính tổng số luồng nút i W = F lows.T XOP − F low.W eight(f low) ki F SR = Wtotal end for Trả giá trị F SR Thuật toán 3.2 Tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR(Real Share Ratio) 1: Khởi tạo biến EP = 2s, W = 2: Gán trọng số cho luồng: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 3: for (trong khoảng thời gian EP) 4: 5: 6: 7: 8: //Gọi hàm tính hiệu suất liên kết thực luồng i TActiveT ime[i] = F lows.T XOP − F low.Active − T ime(f low) TActime−T ime[i] RSR = EP end for Trả giá trị RSR Thuật toán 3.3 Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP 1: Khởi tạo biến EP = 2s, W = 0, RSR = 0; F SR = 2: Gán trọng số cho luồng: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 3: for (trong khoảng thời gian EP) 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: //Gọi hàm tính giá trị tỷ lệ chia sẻ công F SR[i] = F air_Share_Ratio : Get(f low) //Gọi hàm tính tỷ lệ chia sẻ băng thông công RSR[i] = Real_Share_Ratio : Get(f low) F SR[i] T XOP [i] = × T XOP [i] RSR[i] end for Trả giá trị T XOP [i] 14 3.3 Thực mơ 3.3.1 Mơ hình đơn chặng với tham số TXOP động Kết thông lượng luồng Voice, Video Best-effort hai phương pháp thể hình 3.2a hình 3.2b (a) (b) Hình 3.2: Kết quả: (a) Throughput luồng theo tham số IEEE 802.11 EDCA; (b) Throughput luồng theo phương pháp đề xuất Đồ thị so sánh tổng thơng lượng thể Hình 3.3b Chỉ số công luồng hình 3.3a (a) (b) Hình 3.3: Kết quả: (a) So sánh số Fairness hai phương pháp; (b) So sánh tổng Throughput hai phương pháp 3.3.2 Mô hình đa chặng với tham số TXOP động Kết mô tổng thông lượng luồng liệu phương pháp đề xuất với phương pháp thiết lập giá trị mặc định theo 15 chuẩn IEEE 802.11 EDCA biểu diễn Hình 3.4a Hình 3.4b (a) (b) Hình 3.4: Kết quả: (a) Tổng Throughput luồng theo IEEE 802.11 EDCA; (b) Tổng Throughput luồng theo phương pháp đề xuất Hình 3.5a biểu diễn tổng thơng lượng luồng theo hai phương pháp Hình 3.5b mô tả số công hai phương pháp (a) (b) Hình 3.5: Kết quả: (a) So sánh tổng Throughput hai phương pháp; (b) So sánh số Fairness hai phương pháp 3.4 Phân tích, đánh giá mô 3.4.1 Đánh giá thông lượng (1) Trong mơ hình đơn chặng: Kết thể Hình 3.2a Hình 3.2b cho thấy, tổng thơng lượng luồng Voice, Video Best-effort phương pháp thiết lập tham số TXOP theo IEEE 802.11 EDCA phương pháp thiết lập theo tham số TXOP động tương đương Tuy nhiên, thông lượng luồng Best-effort phương pháp thiết lập theo tham số động cải thiện rõ rệt (2)Trong mơ hình đa chặng: Kết thơng lượng tổng cộng luồng Hình 3.4a Hình 3.4b cho thấy khơng có chênh lệch, điểm cải thiện luồng Best-effort có gia tăng thông lượng giá trị tải tăng dần 16 3.4.2 Đánh giá số cơng (1)Trong mơ hình đơn chặng: Theo kết hình 3.3a, tải mạng nhỏ 2.5Mbps, số công tương đương nhau, tải mạng lớn số công theo phương pháp đề xuất cải thiện (2) Trong mơ hình đa chặng: Theo kết hình 3.5b, tải mạng nhỏ 1.5Mbps, số cơng tương đương nhau, tải mạng lớn số công theo phương pháp đề xuất cải thiện rõ rệt 3.4.3 Đánh giá số độ trễ (1)Mô hình đơn chặng: Độ trễ luồng theo chuẩn 802.11 EDCA biểu diễn 3.6a theo phương pháp đề xuất Hình 3.7b Kết cho thấy tải lớn 2Mbps độ trễ luồng Voice Video theo phương pháp đề xuất cải thiện so với phương pháp theo chuẩn 802.11 EDCA (a) (b) Hình 3.6: Kết quả: (a) Độ trễ luồng theo mô hình đơn chặng; (b) Độ trễ luồng theo mơ hình đa chặng (2) Mơ hình đa chặng: Tổng độ trễ luồng từ nút S2 đến nút D theo phương pháp đề xuất theo chuẩn 802.11 EDCA biểu diễn Hình 3.7a Kết cho thấy phương pháp đề xuất có số độ trễ tốt (a) (b) Hình 3.7: Kết quả: (a) Tổng độ trễ luồng 802.11 EDCA phương pháp đề xuất; (b) Tổng độ trễ luồng theo mơ hình đa chặng 17 3.5 So sánh với số kết công bố Luận án sử dụng hai nghiên cứu [8]1 , [56]2 để tiến hành so sánh dựa tiêu chí thơng lượng số cơng 3.5.1 So sánh kết công bố: (1)So sánh mặt định tính: Kết cơng bố [8], [56], cho thấy có cải thiện số thông lượng số công so với chuẩn 802.11 EDCA Tuy nhiên điểm hạn chế không đạt tỷ lệ ưu tiên mong muốn cho luồng liệu đề xuất luận án (2)So sánh mặt định lượng: Bảng 3.1 so sánh tỷ lệ tăng thông lượng công bố [8], [56] đề xuất luận án Kết cho thấy phương pháp đề xuất đưa lại trọng số cao Bảng 3.1: Bảng so sánh tỷ lệ tăng thông lượng luồng ưu tiên thấp Đề xuất 36.7% Trong [8] 16.6% Trong [56] 33.3% Bảng 3.2 thực so sánh số công phương pháp Kết cho thấy, phương pháp đề xuất luận án đưa lại số công cao Bảng 3.2: Bảng so sánh số công phương pháp Đề xuất 0.8 Trong [8] 0.6 Trong [56] 0.6 3.6 Kết luận chương Nội dung chương 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 IEEE 802.11 EDCA Kết kiểm chứng từ mô 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 Alam et al, "Enhancements of the Dynamic TXOP Limit in EDCA Through a High-Speed Wireless Campus Network," Wireless Pers Commun, vol 90, p 1647–1672, 2016 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 18 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 4.1 Đặt vấn đề Một 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 Inter-Frame Space), cửa sổ tương tranh (CW), TXOP (Tranmission Opportunity) Vậy có chế thơng minh cho phép điều chỉnh thích hợp tham số cách linh hoạt nhằm đảm bảo tiêu chí QoS Nhằm giải vấn đề nêu trên, luận án đề xuất mơ hình sử dụng Fuzzy logic để điều chỉnh thông minh tham số TXOP CW môi trường mạng adhoc phù hợp với độ ưu tiên loại liệu IEEE 802.11 EDCA 4.2 Cơ sở lý thuyết liên quan 4.3 Giải pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh tham số TXOP, CW 4.3.1 Ý tưởng đề xuất Mục tiêu phương pháp nhắm đến hệ thống có thay đổi mơi trường điều khiển, thơng qua q 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 Mơ 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 19 Functions) Các thành phần điều khiển logic mờ mơ tả Hình 4.1 U [V O] U [V I] Fuzzification U [BE] Membership Functions Inference System Fuzzy Rules DeFuzzification T XOP [V I] T XOP [V O] T XOP [BE] Hình 4.1: Bộ điều khiển mờ cho tham số TXOP (1) Fuzzification: Hệ thống Fuzzy logic đặc tả ba tham số đầu vào U[VO], U[VI], 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[VI] + U[VO] + U[BE] = 100%) Ba tham số đầu ra, TXOP[VO], TXOP[VI] TXOP[BE] ứng với giá trị biến đổi tham số TXOP cho luồng Voice, Video, Best-effort, ≤ T XOP [i] ≤ 8, với i số luồng TActime−T ime[i] U= (4.1) EP (2) Inference system: Hoạt động dựa vào luật mờ để khử giá trị mờ Các luật mờ mơ hình đề xuất tạo theo ngun 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 theo tỷ lệ 3:2:1 20 (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) nhằm giảm chi phí tính tốn 4.3.3 Mơ hình Fuzzy logic điều khiển tham số CW (1) Fuzzification: Hệ thống Fuzzy logic đặc tả ba tham số đầu vào U[VO], U[VI], 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% (4.2) 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 Tham số SF dùng để điều chỉnh giá trị biến đổi cửa số tương tranh CW dựa vào cơng thức (4.3) CWnew = SF × (CWcurr − CWmin ) + CWmin (4.3) Trong đó, CWnew cửa sổ tương tranh thiết lập SF hệ số dịch chuyển (2) Inference system: Áp dụng luật mờ để khử giá trị mờ Các luật mờ hoạt động tương tự mơ hình điều khiển tham số TXOP, 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: Bước giải mờ thực thông qua hệ sở liệu tri thức luật mờ theo phương pháp trọng tâm CoG (Center of Gravity) 4.3.4 Thực mơ (1)Mơ hình đơn chặng: Kết mô số công phương pháp đề xuất điều khiển thông minh cho tham số TXOP CW 21 biểu diễn Hình 4.2 (a) (b) Hình 4.2: 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 4.1 Bảng 4.1: Thông lượng điều khiển theo tham số TXOP, CW, đơn chặng Thông lượng CW (Mbps) Voice Video BE Thông lượngTXOP(Mbps) Voice Video BE Proposed method 3.11 1.87 0.71 3.22 1.82 0.79 802.11 EDCA 4.21 1.21 0.22 4.01 1.58 0.17 (2)Mơ hình đa chặng: Kết mơ theo số fairness index biểu diễn Hình 4.3 (a) (b) Hình 4.3: 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 22 Bảng 4.2 Bảng 4.2: Thông lượng điều khiển tham số TXOP, CW, đa chặng Thông lượng CW (Mbps) VO VO BE Proposed method 3.11 2.08 0.94 Thông lượng TXOP(Mbps) VO VI BE 3.21 1.98 0.69 802.11 EDCA 4.16 4.17 1.18 0.33 1.48 0.15 Kết cho thấy 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 4.4 So sánh số kết công bố Trong phần này, luận án sử dụng cơng trình [31]1 [58] hướng tiếp cận để tiến hành so sánh dựa vào tiêu chí thơng lượng độ cơng Bảng 4.3 thể kết thông lượng theo mô hình đơn chặng [31] Bảng 4.4 thể kết thơng lượng theo mơ hình đơn chặng [58] Bảng 4.3: Bảng thông lượng [31] với đề xuất Trong [31] 802.11 Cải tiến EDCA [31] 0.9 0.9 (Mbps) (Mbps) Đề xuất (TXOP) 802.11 Đề xuất EDCA 5.76 5.83 (Mbps) (Mbps) Đề xuất 802.11 EDCA 5.64 (Mbps) (CW) Đề xuất 5.69 (Mbps) Bảng 4.4: Bảng thông lượng [58] với đề xuất Trong [54] 802.11 Cải tiến EDCA [54] 0.34 0.49 (Mbps) (Mbps) Đề xuất (TXOP) 802.11 Đề xuất EDCA 0.33 0.94 (Mbps) (Mbps) Đề xuất 802.11 EDCA 0.15 (Mbps) (CW) Đề xuất 0.69 (Mbps) Dựa vào mức độ tăng thông lượng phương pháp, Bảng 4.5 so sánh tỷ lệ tăng thông lượng công bố [31] đề xuất luận án 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, no 3, 2014 23 Bảng 4.5: Bảng tỷ lệ tăng thông lượng [31] [58] với đề xuất Thông lượng Trong ĐX [31] 2(TXOP) 0.8 [31] (%) ĐX 2(CW) 1.2 Thông lượng Trong ĐX [58] (TXOP) 44 64 [58] (%) ĐX 2(CW) 78 Kết Bảng 4.5 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 [31] [58].2 4.5 So sánh kết với đề xuất Kết số đo lường đề xuất đề xuất thể Bảng 4.6 Kết cho thấy hai đề xuất có số tương đương Bảng 4.6: Bảng thông lượng trung bình đề xuất đề xuất Thông lượng (Mbps) Đơn chặng Đa chặng Đề xuất 5.60 5.88 Chỉ số công [0-1] Đơn chặng Đa chặng Đề xuất 0.98 0.80 Đề xuất Đề xuất 5.64 5.89 0.80 0.78 4.6 Kết luận chương Chương trình bày phương pháp tiếp cận việc điều khiển tham số 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 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 J Naoum-Sawaya and B Ghaddar, "A Fuzzy Logic Approach for Adjusting The Contention Window Size in IEEE 802 11 e Wireless Ad Hoc Networks.," in Second International Symposium on Communications, Control and Signal Processing, Morocco, 2006 24 KẾT LUẬN Đề tài luận án “Nâng cao hiệu thông lượng độ công mạng không dây adhoc chuẩn IEEE 802.11 EDCA” cơng trình nghiên cứu có ý nghĩa khoa học mang lại giá trị thực tiễn, góp phần thúc đẩy ứng dụng tảng mạng không dây (a) Kết đạt (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 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 (b) Hạn chế hướng phát triển (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 quát (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 thông 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 25 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ [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 117-124, 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) [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 [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 [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 thông tin truyền thông - 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 ... phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA Sự cạnh tranh môi trường truyền theo mức độ ưu tiên khác đặt thách thức toán nâng cao tính cơng phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA mạng adhoc. .. Control and Signal Processing, Morocco, 2006 24 KẾT LUẬN Đề tài luận án ? ?Nâng cao hiệu thông lượng độ công mạng không dây adhoc chuẩn IEEE 802.11 EDCA? ?? cơng trình nghiên cứu có ý nghĩa khoa học mang... 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 Hướng tiếp cận giải toán nâng cao hiệu Để giải toán nâng cao hiệu