Kỹ thuật xuyên lớp trong mạng MESH không dây (tóm tắt luận văn ngành kỹ thuật viễn thông)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN MẠNH DƢƠNG KỸ THUẬT XUYÊN LỚP TRONG MẠNG MESH KHÔNG DÂY CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG MÃ SỐ: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2018 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Nhật Thăng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Phản biện 2: TS.Nguyễn Vũ Sơn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 08 20 ngày 14 tháng 07 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Trong số năm gần đây, truyền thông không dây phát triển mạnh mẽ mạng tế bào mạng không dây cục bộ, hứa hẹn đem tới nhiều ứng dụng dựa kết nối không dây Tuy nhiên, nhược điểm mạng cục khơng dây xuất phát từ hạn chế tính di động yêu cầu tầm nhìn thẳng thiết bị đầu cuối với trạm thu phát Bởi vậy, mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) lên giải pháp mở rộng vùng phủ, cung cấp đa dạng loại hình kết nối với tốc độ cao, đem lại hàng loạt ứng dụng Các mạng không dây truyền thống thường sử dụng giao thức phân lớp, lớp suốt lớp khác, đảm bảo độc lập lớp Tuy nhiên,vì phức tạp mạng khơng dây khơng chắn yếu tố môi trường không dây thay đổi theo thời gian Vì vậy, phương pháp thiết kế lớp đảm bảo tốt tỷ lệ sử dụng tài nguyên yêu cầu QoS người sử dụng Trong để tăng cường hiệu mạng không dây, lớp vật lý phải làm việc với MAC, lớp mạng Vì vậy, kỹ thuật xuyên lớp sử dụng để giải vấn đề Do đó, việc tìm hiểu WMN tiếp cận WMN dựa kỹ thuật xuyên lớp vô quan trọng Tổng quan vấn đề nghiên cứu: Luận văn tập trung làm rõ kỹ thuật xuyên lớp mạng WMN nhằm tăng cường QoS thông qua thông số đánh giá mạng Qua chứng minh hiệu kĩ thuật xuyên lớp tới QoS mạng WMN Những đề tài nghiên cứu giải nhiều vấn đề cho mạng WMN, nhiên, tồn hạn chế định Do vậy, tập trung vào đề tài luận văn, em muốn làm rõ thêm kĩ thuận xuyên lớp WMN tính khả thỉ thực tiễn Mục đích nghiên cứu: Về mặt lý thuyết: mục tiêu trước tiên phải nắm rõ mạng WMN, kiến thức sâu kĩ thuật xuyên lớp nói chung xun lớp WMN nói riêng, tìm hiểu đáng giá QoS WMN thông qua tham số đặc trưng kía cạnh Về mặt thực tiễn: tìm hiểu đưa mơ hình mạng WMN với kĩ thuật xuyên lớp, chứng minh hiệu kĩ thuật xuyên lớp cải thiện QoS WMN đồ thị trực quan, kiểm nghiệm kết cách xác thực Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Về đối tượng nghiên cứu: đề tài em tập trung chủ yếu vào mạng không dây, cụ thể mạng WMN kĩ thuật xuyên lớp mạng WMN Về phạm vi giới hạn nghiên cứu: giới hạn mạng WMN chủ yếu sở lý thuyết điều kiện lý tưởng Phƣơng pháp nghiên cứu: Đề tài cần tham khảo tài liệu nước kĩ thuật xuyên lớp mạng WMN, cần tham khảo ý kiến chuyên gia nhà nghiên cứu, giảng viên lĩnh vực Đồng thời tập trung tìm hiểu, nghiên cứu sâu xuyên lớp QoS mạng WMN Xuất phát từ thực tế trên, em chọn đề tài “Kỹ thuật xuyên lớp mạng MESH không dây” để triển khai luận văn tốt nghiệp thạc sỹ kỹ thuật chun ngành kỹ thuật viễn thơng Nội dung luận văn chia làm phần chính: Chƣơng 1: Tổng quan mạng MESH khơng dây (WMN) Chƣơng 2: Kỹ thuật xuyên lớp WMN Chƣơng 3: Kỹ thuật xuyên lớp nhằm cải thiện QoS WMN Những vấn đề đề cập luận văn hạn chế so với lượng kiến thức lĩnh vực Do cần nhiều nghiên cứu thời gian tới đề triển khai thực tế nhằm cung cấp hệ chất lượng dịch vụ tốt cho người dùng CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MESH KHÔNG DÂY (WMN) Tóm tắt: Nội dung chương trình bày tổng quan mạng lưới khơng dây (WMN), mơ hình, kiến trúc đặc điểm WMN với ứng dụng điển hình thực tế Ngồi ra, yếu tố quan trọng ảnh hướng đến hiệu suất khả mạng lưới không dây xem xét 1.1 Giới thiệu Mạng MESH không dây công nghệ không dây đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng mạng gia đình băng rộng, mạng cộng đồng mạng lân cận, mạng doanh nghiệp, xây dựng tự động hóa, ISP, nhà cung cấp dịch vụ người khác để triển khai truy cập dịch vụ băng rộng không dây mạnh mẽ đáng tin cậy theo cách tiết kiệm chi phí 1.2 Định nghĩa Hình 1.1: Mơ hình mạng lƣới khơng dây Mạng lưới không dây (WMN) mạng lưới thông tin liên lạc tạo thành từ đài phát nút xếp cấu trúc lưới Đây dạng mạng ad-hoc không dây 1.3 Kiến trúc mạng WMN 1.3.1 WMN sở/Backbone Hình 1.2: Kiến trúc WMN sở/backbone 1.3.2 WMN Client Hình 1.3: WMN Client 1.3.3 WMN lai hóa Hình 1.4: WMN lai hóa Kiến trúc WMN lai hóa kết hợp WMN sở WMN khách hàng Kiến trúc lai kiến trúc thích hợp để phát triển mạng WMN tối ưu thực tế 1.4 Đặc điểm WMN - Mạng không dây đa chặng - Hỗ trợ mạng ad-hoc - Sự phụ thuộc động vào nút mạng - Nhiều loại truy cập mạng - Khả tương thích với mạng khơng dây có - Tích hợp - Định tuyến cấu hình chun dụng - Đa vơ tuyến - Tính di động 1.5 Ứng dụng 1.5.1 Mạng gia đình băng rộng Hình 1.5: WMN cho mạng gia đình băng thơng rộng 1.5.2 Mạng cộng đồng khu vực lân cận Hình 1.6: WMN cho mạng cộng đồng 1.5.3: Mạng doanh nghiệp Hình 1.7: WMN cho mạng doanh nghiệp 1.5.4 Mạng khu vực đô thị (MAN) 1.5.5 Các hệ thống giao thơng 1.5.6 Mạng tự động hóa tịa nhà 1.5.7 Các hệ thống giám sát an ninh 1.6 Các yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến hệ thống mạng WMN 1.6.1 Kỹ thuật vô tuyến Hiện nhiều kỹ thuật vật lý đề xuất để tăng cường công suất tính linh hoạt hệ thống khơng dây anten thông minh, hệ thống MIMO,… Để nâng hiệu đài thu phát điều khiển giao thức lớp cao hơn, công nghệ vô tuyến tiên tiến vô tuyến tự cấu hình, vơ tuyến nhận thức,… sử dụng 1.6.2 Kết nối lưới Nhiều lợi WMN bắt nguồn từ kết nối lưới, yêu cầu quan trọng thiết kế giao thức, đặc biệt giao thức lớp MAC định tuyến 1.6.3 Khả mở rộng Giao tiếp đa kênh trở nên phổ biến WMN Đối với mạng đa kênh, người ta biết giao thức truyền thông phải chịu đựng vấn đề khả mở rộng, nghĩa kích thước mạng tăng lên, hiệu mạng giảm đáng kể 1.6.4 Băng thông rộng QoS Khác với mạng khác, hầu hết ứng dụng WMN dịch vụ băng rộng với yêu cầu QoS khác Do đó, ngồi trễ truyền dẫn đầu cuối cơng bằng, thông số hiệu suất trễ Jitter, trễ tổng cộng, trễ thông qua nút, tỉ lệ gói phải xem xét so với giao thức truyền thơng 1.6.5 Khả bảo mật Nếu khơng có giải pháp bảo mật thuyết phục, WMN thành công thiếu tin từ khách hàng để đăng ký sử dụng dịch vụ 1.6.6 Khả tương thích tương tác Đó tính mong muốn cho WMN để hỗ trợ truy cập mạng cho khách hàng truyền thống lưới 1.7 Kết luận chƣơng Chương 1, giới thiệu tổng quan mạng MESH không dây (WMN) vấn đề liên quan đặc điểm, đặc biệt yếu tố ảnh hướng đến hiệu mạng MESH không dây, khác biệt, ưu điểm nhược điểm WMN mạng truyền thống Qua đó, ta thấy việc tìm hiểu WMN vơ cần thiết, hệ thống mạng tiên tiến tương lai không xa với nhiều đặc điểm bật trội Việc tìm hiểu chung WMN giúp triển khai vấn đề sâu hơn, xuyên lớp tầng giao thức WMN trình bày cụ thể chương 10 - Công nghệ đa kênh, đa đài 2.2.3 Giao thức MAC không tuyệt đối 2.2.4 Các loại lưu lượng truy cập hỗn hợp với QoS không đồng 2.3 Phƣơng pháp luận chung thiết kế xuyên lớp Dưới mơ hình tổng quan thơng tin từ lớp để thực thiết kế xuyên lớp Thông tin từ lớp khác trao đổi thông qua mặt phẳng thông tin lớp chéo trải rộng ngăn xếp giao thức Hình 2.1: Mơ hình sơ đồ chức mặt phẳng thông tin xuyên lớp Thiết kế xuyên lớp cải thiện đáng kể hiệu mạng Nó thực theo hai cách: thiết kế xuyên lớp lỏng lẻo chặt chẽ 2.4 Thiết kế xuyên lớp MAC/vật lý Thiết kế xuyên lớp lớp MAC lớp vật lý phổ biến lớp khác MAC lớp vật lý gần với tương quan nhiều với Trên tương tác phần lớp MAC phần băng gốc lớp vật lý, kỹ thuật lớp vật lý tiên tiến cho phép lớp vật lý để hỗ trợ thiết kế xuyên lớp phức tạp nhằm mục đích nâng cao hiệu mạng 11 2.4.1 Điều chỉnh liên kết, tỷ lệ thích nghi khung thích nghi Trong mạng không dây, fading, can nhiễu, tiếng ồn,… ảnh hưởng đến khả liên kết làm giảm hiệu mạng Để trì hiệu suất liên kết, kỹ thuật tiếng liên kết thích nghi thơng qua điều chế mã hóa thích nghi Liên kết thích nghi kết hợp với kiểm sốt tỷ lệ điều chế khác chương trình mã hóa dẫn đến tốc độ truyền khác hiệu suất lớp liên kết khác tỷ lệ lỗi gói tin Với liên kết cụ thể, liên kết thích nghi tự động lựa chọn điều chế thích hợp nhất, phương thức mã hóa để đạt tỷ lệ truyền tải tốt 2.4.2 Điều khiển hướng kênh thích nghi So với anten vơ hướng, anten định hướng mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Để có ưu điểm này, lớp vật lý nút khơng dây phải có khả hỗ trợ thay đổi động anten định hướng Hơn nữa, giao thức MAC cần phải điều phối hướng anten nút khác Do đó, tối ưu hóa xuyên lớp hoạt động sau Thứ nhất, MAC xác định hướng nút Thứ hai, lớp vật lý điều chỉnh hướng anten 2.4.3 Phân bổ sóng mang động tổng hợp khung cho OFDM Trong mạng không dây, đặc biệt mạng không dây đa điểm, nút mạng có mức phân bổ khác Do đó, sóng mang phụ, gặp chất lượng kênh khác nút khác Do đó, phân bổ sóng mang phụ khác cho nút khác có chất lượng kênh khác tùy thuộc vào vị trí chúng 2.4.4 MIMO Bằng cách sử dụng nhiều anten để truyền nhận, số cải tiến hiệu suất đạt hệ thống MIMO sau - Sự đa dạng truyền tải - Ghép kênh không gian - Beamforming - Giảm ảnh hưởng nút 12 2.5 Thiết kế xuyên lớp định tuyến (lớp mạng)/MAC Thiết kế xuyên lớp nâng cao hiệu suất định tuyến cải thiện hiệu suất giao thức định tuyến Nó giúp đảm bảo khả mở rộng WMN, khả mở rộng phụ thuộc vào hợp tác tất lớp giao thức Cho đến hầu hết nghiên cứu định tuyến tập trung vào chức lớp mạng Nó chứng minh hiệu suất giao thức định tuyến khơng thỏa đáng trường hợp Việc ánh xạ nhiều tham số hiệu suất từ lớp MAC vào số định tuyến giao thức định tuyến ví dụ thiết kế xuyên lớp lỏng lẻo 2.5.1 Phương pháp thiết kế xuyên lớp định tuyến/MAC Xuyên lớp định tuyến /MAC thực sơ đồ đơn giản lỏng lẻo sau Một giao thức định tuyến thu thập thông tin lớp MAC, chẳng hạn chất lượng liên kết, mức độ can thiệp thông tin lượng tải truy cập, để xác định đường dẫn định tuyến tốt Một phương pháp đạt hiệu suất giới hạn lớp MAC xem xét không tối ưu cho phù hợp Để tối ưu hóa việc thực giao thức định tuyến MAC nhau, chế làm việc giao thức MAC phải khám phá tối ưu hóa phần nhiệm vụ thiết kế xuyên lớp 2.5.2 Phân bổ định tuyến kênh chung Phân bổ kênh phụ thuộc vào cách thức phân phối lưu lượng truy cập mạng, xác định cách định tuyến Tuy nhiên, với đường dẫn định tuyến, phân bổ kênh khác dẫn đến hiệu suất mạng khác Do đó, tối ưu hóa chung phân bổ kênh giao thức định tuyến chủ đề quan trọng cho WMN Tính đến nay, số báo cáo nghiên cứu đưa giải pháp cho vấn đề tối ưu hóa 2.5.3 Các tính thách thức Trong kênh đơn WMN, phân bổ nguồn thực khn khổ định tuyến QoS Cần lưu ý tài nguyên lớp MAC khơng 13 phải cố định Nó thay đổi biến động chất lượng kênh thay đổi thông số lớp vật lý Các biến thể tạo biến dạng công suất liên kết, thường quy định thuật tốn điều khiển tỷ lệ Do đó, WMN thường hệ thống đa tỉ lệ 2.6 Thiết kế xuyên lớp giao vận/vật lý Trong mạng không dây đa chặng, dung lượng liên kết thường thay đổi khơng có khả xác định xác liên kết này, chế truyền dẫn đầu cuối, tức là, giao thức tầng giao vận cần phải tối ưu hóa cách xem xét khả liên kết khác Điều thúc đẩy cần thiết cho thiết kế xuyên lớp tầng giao vận kỹ thuật lớp vật lý 2.7 Thuật tốn tối ƣu hóa chung giao thức xun lớp 2.7.1 Tối ưu hóa chung kiểm sốt lập kế hoạch tắc nghẽn a Công thức Giả sử có K người dùng mạng Với người dùng k, lưu lượng truy cập bắt nguồn từ nút nguồn bị giới hạn có tỷ lệ Giả định tỷ lệ Tiện ích người dùng k hàm tỷ lệ, ( ) Do đó, kiểm sốt tắc nghẽn lên kế hoạch phải đạt tối ưu chung sau đây: max 𝑟𝑘 < 𝑀𝑘 Với 𝑟⃗ ∈ 𝐴 𝑘 𝑈𝑘 𝑟𝑘 (2.1) ⃗ = [ , k = , , K] vector tất mức giá người dùng viết tắt vùng cơng suất vùng tỷ lệ có chứa tất vectơ tốc độ mà lược đồ lập kế hoạch tìm thấy để ổn định mạng Do đó, kiểm sốt tắc nghẽn lập kế hoạch có liên quan đến qua khu vực lực b Khu vực lực nút tập trung giải pháp tối ưu Chúng ta xét mạng với N nút, liên kết nút biểu diễn tập L = {(i, j), i, j = 1, , N, i Ký hiệu j} Khả liên kết (i, j) dung lượng liên kết sử dụng lưu lượng truy cập 14 tới đích d liên kết (i, j) Do đó, vector tỷ lệ người dùng thuộc vùng công suất giới hạn sau thỏa mãn: 𝑐𝑖𝑗𝑑 𝑐𝑗𝑖𝑑 ≥ 𝑗∶ 𝑖,𝑗 ∈𝐿 với tất i, j ( i 𝑗∶ 𝑗,𝑖 ∈𝐿 𝑟𝑘 (2.2) 𝑘:𝑠𝑘 =𝑖,𝑑𝑘 =𝑑 ≥ với tất (i, j) ∈ L tất d , Xét công suất tất liên kết C, khả tất liên kết ⃗ nằm bên biên C, cần xem xét hạn chế thứ hai cho vùng công suất: 𝑐𝑖𝑗𝑑 ∈ 𝐶𝑜 𝐶 (2.3) 𝑑 Khả tất liên kết ⃗ = F (⃗⃗), ⃗⃗ vector đại diện cho tất tham số lớp vật lý Nếu tập hợp tất tham số lớp vật lý khả thi π, cơng suất tất liên kết C = {F (⃗⃗), ⃗⃗∈ π} - Điều khiển tắc nghẽn: Tốc độ liệu người dùng là: 𝑟𝑘 𝑡 = 𝑎𝑟𝑔𝑚𝑎𝑥 [𝑈𝑘 𝑟𝑘 𝑑 𝑥𝑘 𝑞𝑠𝑘𝑘 𝑡 (2.4) ≤ 𝑟𝑘 ≤ 𝑀𝑘 - Lập kế hoạch: Tốc độ truyền liên kết là: 𝑐⃗ (t) = argmax 𝑐⃗ = 𝐹 𝑃⃗⃗ , 𝑃⃗⃗ ∈ 𝜋 𝑞𝑖𝑑 𝑡 𝑖,𝑗 ∈𝐿 𝑐𝑖𝑗 𝑞𝑗𝑑 𝑡 (2.5) d Mối quan hệ ⃗ (t) ⃗ (t) thiết lập sau Cho liên kết (i, j), xác định d* (i, j) = 𝑐𝑖𝑗𝑑 𝑡 = ( ), sau đó: 𝑐𝑖𝑗 𝑡 𝑛ế𝑢 𝑑 = 𝑑 ∗ 𝑖, 𝑗 𝑛ế𝑢 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑡𝑟ườ𝑛𝑔 ợ𝑝 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 (2.6) Hệ số Lagrange cập nhật sau: 𝑞𝑖𝑑 𝑡 + = 𝑞𝑖𝑑 𝑡 𝑡 𝑑 𝑐𝑖𝑗 𝑡 𝑐𝑗𝑖𝑑 𝑡 𝑗: 𝑗,𝑖 ∈𝐿 𝑟𝑘 𝑡 𝑘:𝑠𝑘 =𝑖,𝑑𝑘 =𝑑 , t = 1, 2, chuỗi bước bước dương (2.7) 15 c Vùng lực liên kết tập trung giải pháp tối ưu Ta có, vector tỷ lệ người dùng ⃗ nằm vùng lực A nếu: 𝐾 𝑖𝑗 𝐻𝑘 𝑟𝑘 ≤ 𝑐𝑖𝑗 𝑐 𝑜 𝑖, 𝑗 ∈ 𝐿, 𝑐⃗ ∈ 𝐶𝑜 𝐶 (2.8) 𝑘=1 - Thành phần kiểm soát tắc nghẽn: Tốc độ liệu người dùng: 𝑟𝑘 𝑡 = 𝑎𝑟𝑔𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝑟𝑘 ≤ 𝑀𝑘 𝑈𝑘 𝑥𝑘 𝑖𝑗 𝑥𝑘 𝐻𝑘 𝑞𝑖𝑗 𝑡 (2.9) 𝑖,𝑗 ∈𝐿 - Lập biểu thành phần Tốc độ truyền liên kết là: 𝑐⃗ 𝑡 = 𝑎𝑟𝑔𝑚𝑎𝑥 Hệ số Lagrange cập nhật sau: 𝑐⃗ = 𝐹 𝑃⃗⃗ , 𝑃⃗⃗ ∈ 𝜋 𝑐𝑖𝑗 𝑞𝑖𝑗 𝑡 (2.10) 𝑖,𝑗 ∈𝐿 Hệ số Lagrange cập nhật sau: 𝐾 𝑞𝑖𝑗 𝑡 + = 𝑞𝑖𝑗 𝑡 𝑡 𝑖𝑗 𝑐𝑖𝑗 𝑡 𝐻𝑘 𝑟𝑘 𝑘=1 (2.11) , t = 1, , dãy kích thước bước tích cực d So sánh Khác biệt kiểm sốt tắc nghẽn liên kết trung tâm, trung tâm liên kết lập lịch trình tối ưu hóa nằm cách định tuyến xử lý tốn tối ưu hóa chung mơ hình lưu lượng truy cập 2.7.2 Hạn chế thuật tốn tối ưu hóa xun lớp 2.8 Những lƣu ý sử dụng thiết kế xuyên lớp - Hệ thống phức tạp - Khả tương thích giao thức - Khả tiến hóa - Đạt đủ khả lợi nhuận 2.9 Kết luận chƣơng Sau kết thúc chương 2, vấn đề xun lớp mạng MESH khơng dây tìm hiểu Qua ta nhận thấy lợi ích, tính cần thiết bắt buộc thiết kế xuyên lớp WMN 16 CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT XUYÊN LỚP NHẰM CẢI THIỆN QoS TRONG WMN Tóm tắt: Chương tập trung tìm hiểu thiết kế xuyên lớp nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) WMN Đầu tiên, khái quát chất lượng dịch vụ QoS QoS WMN tiền đề cho việc tìm hiểu sâu nhằm cải thiện chất lượng QoS Tiếp theo, việc thiết kế xuyên lớp nhằm cải thiện QoS làm rõ, với mơ hình hệ thống, thuật tốn vấn đề tối ưu hóa Cuối cùng, việc đánh giá cải thiện QoS kỹ thuật xuyên lớp qua tham số đánh giá hiệu thực Qua đó, hiệu thiết kế xuyên lớp WMN 3.1 Chất lƣợng dịch vụ 3.1.1 Khái quát chất lượng dịch vụ Theo liên minh viễn thông quốc tế (ITU-T) định nghĩa chất lượng dịch vụ “Một tập khía cạnh hiệu dịch vụ nhằm xác định cấp độ thoả mãn người sử dụng dịch vụ” Các tham số có liên quan đến QoS quan tâm WMN bao gồm: - QoS lớp vật lý: thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến, tỷ số tín hiệu tạp âm (SNR), xuyên nhiễu - QoS lớp liên kết liệu: thay đổi tỷ lệ lỗi bít (BER) - QoS lớp mạng: thay đổi băng thông trễ - QoS lớp chuyển tải: trễ gói - QoS lớp phiên: thiết lập thành công hay thất bại yêu cầu khởi tạo phiên làm việc - QoS lớp trình diễn: Ảnh hưởng chuẩn mã hoá liệu khác tới QoS - QoS lớp ứng dụng: mức độ kết nối thiết lập lại kết nối 3.1.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp WMN Các trở ngại việc cung cấp QoS WMN xuất phát từ đặc tính kiến trúc mạng gồm: dung lượng hạn chế công nghệ lớp vật lý, độ tin 17 cậy đường truyền thấp lỗi nhiễu gây ra, khó xác định chất lượng liên kết phụ thuộc vào tham số động mạng môi trường điều khiển phân tán Các yếu tố tác động qua lại với khơng thuộc vào lớp đơn lẻ Vì vậy, hướng tiếp cận xuyên lớp không tránh khỏi để gắn kết tối ưu điều khiển lớp nhằm cung cấp QoS tối ưu hiệu mạng 3.2 Thiết kế xuyên lớp nhằm cải thiện QoS WMN 3.2.1 Thiết kế xuyên lớp với QoS Thiết kế xuyên lớp sử dụng rộng rãi để cải thiện hiệu suất mạng mạng không dây thường bao gồm hai khía cạnh phương pháp thiết kế: mơ hình toán học lý thuyết thiết kế giao thức thực tế 3.2.2 Mơ hình hệ thống Hãy xem xét mạng lưới không dây (WMN) bao gồm tập hợp định tuyến không dây lưới, biểu thị số cổng Internet, biểu thị tiếp tục xem xét nút tùy ý i, có ={ ={ | r = 1, 2, , | g = 1, 2, , } } Nếu hàng xóng chặng phạm vi truyền tải cố định, với người hàng xóm k = 1, 2, , Mỗi QoS với số q dùng để hoàn thành tập hợp thơng số QoS bao gồm trễ gói ETE , thông lượng PER Biểu thị tập ( , , ) cho phép biểu thị xa tuyến đường thiết lập từ định tuyến nguồn đến nút cổng g Một định tuyến từ nguồn WMR với số s đến đích IGW với số g, với định tuyến liên kết ( ; ), cho tất ( ; )∈ nối tập hợp Do đó, biểu diễn thức tuyến từ s đến g (3.1), nơi có tổng số tuyến đường ứng cử m Đối với tuyến đường thứ k: 𝑘 𝜋𝑠𝑔 = 𝑣𝑖 ; 𝑣𝑗 |∀ 𝑣𝑖 ; 𝑣𝑗 ∈ 𝑉𝑅 , k = 1, 2, , m 𝑉𝐺 (3.1) 18 3.2.3 Thuật toán định tuyến QoS Trong phiên q với ba yêu cầu QoS ( , ), độ trễ ETE, thông lượng , PER, tham số đề xuất “tỷ lệ QoS”, R, thay đổi bời số QoS, số đo theo yêu cầu Cụ thể hơn, xác định tỷ lệ R cho yêu cầu QoS sau: a Độ trễ gói tin ETE cho tuyến đường thực tế , xác định phép đo trễ , qua yêu cầu độ trễ QoS ∈ 𝑅𝑘𝐷 𝑞 = , tức là: 𝑎 𝑘 𝐷𝑖𝑗 𝑖,𝑗 ∈ 𝜋𝑠𝑔 𝛽𝐷 𝐷𝑞𝑟 (3.2) b Thông lượng xây dựng tỷ lệ yêu cầu thông lượng thông lượng liên kết nút cổ chai thực tế, , 𝑅𝑘𝑇 𝑞 = , tối thiểu tất ∈ thông lượng chặng dọc theo tuyến đường là: + 𝛽𝑇 𝑇𝑞𝑟 𝑚𝑖𝑛 𝑖,𝑗 ∈ 𝜋𝑘 𝑇𝑖𝑗𝑎 (3.3) 𝑠𝑔 c PER xác định tích tất tỷ lệ lỗi chặng, 1- , ∈ hạn chế nhân, tức , yêu cầu PER, là, 𝑅𝑘𝐸 𝑞 = 𝜋 𝑖,𝑗 𝑘 ∈ 𝜋𝑠𝑔 𝐸𝑖𝑗𝑎 (3.4) 𝛽𝐸 𝐸𝑞𝑟 Hệ số quỹ dự phòng tài nguyên thể dạng , cho độ trễ, thông lượng PER tương ứng Vì phiên làm việc cần phải thiết lập yêu cầu QoS, tuyến đường nguồn-cổng khả thi tất tỷ lệ QoS một, 𝑅𝑘𝐷 𝑞 , 𝑅𝑘𝑇 𝑞 , 𝑅𝑘𝐸 𝑞 ≤1 (3.5) 19 d Lựa chọn tuyến đường QoS Chỉ số hiệu suất QoS đa hạn chế tuyến đường xây dựng sau: [𝐼𝐷 𝑅𝑘𝐷 𝑞 , 𝐼𝑇 𝑅𝑘𝑇 𝑞 , 𝐼𝐸 𝑅𝑘𝐸 𝑞 𝑘 𝑈𝑠𝑔 = (3.6) 3.2.4 Thuật toán thuật tốn lập lịch biểu cơng hội phân tán Thuật tốn định tuyến định kỳ u cầu thơng lượng liên kết liên kết với nút khung thời gian cung cấp lịch biểu với phân bổ mục tiêu thông qua = ( (1), (2), , (2 ) )) để đạt QoS mong muốn Trong thuật toán định, nhu cầu định tuyến (k) liên kết với liên kết (i, k) xác định là, 𝑎𝑖 𝑘 = 𝑘 𝑞 ∀𝑞,𝑛ế𝑢 𝑖,𝑗 ∈ 𝜋𝑠𝑔 + 𝛽𝑇 𝑇𝑞𝑟 (3.7) tức là, nhu cầu thơng lượng tích lũy tất phiên qua liên kết (i, k) 3.2.5 Thuật toán điều khiển truy nhập kết nối Thông tin cập nhật (giá trị số hiệu suất QoS) cho tuyến đường ∈ , k = 1, 2, , m, tối đa ba tiện ích QoS xác định phần Khi sử dụng "chỉ số sử dụng tài nguyên", thay đổi theo thời gian s cổng g sau để biểu thị ràng buộc QoS này, 𝑘 𝑄𝑠𝑔 𝑡 = 𝑄 𝑞 (3.8) ∀𝑞∈𝑘 𝑡ℎ đó: = ) 3.3 Đánh giá kết Trong phần này, đánh giá so sánh thiết kế xuyên lớp đề xuất cho QoS mạng lưới không dây bao gồm thuật tốn lập lịch biểu cơng hội phân tán (Dist) lớp MAC, định tuyến QoS đa hạn chế (IQoSR) ước lượng dựa lộ trình thuật tốn điều khiển sử dụng lớp mạng (RC-CAC), để so sánh với giao thức chuẩn lập lịch vòng tròn (RR) định tuyến AODV truyền thống, thể bảng 3.1 20 Bảng 3.1: Tóm tắt so sánh hiệu suất thuật toán xuyên lớp với truyền thống MAC Định tuyến Kiểm soát truy nhấp Xuyên lớp OPF (Dist) IQoSR RC - CAC Dist+IQoSR+ RC-CAC OPF (Dist) IQoSR - Dist+ IQoSR RR AODV - RR+AODV 3.3.1 Đánh giá hiệu suất thuật toán lập lịch, định tuyến kết nối kiểm sốt truy nhập Dist+IQoS+RC-CAC Dist+AODV RR+ AODV Thơng lượng cổng (Mbps) 10 20 30 40 Thời gian đến phiên (ms) 50 Hình 3.1: So sánh hiệu suất mạng trung bình giá trị phiên Nhận xét: hình 3.1 cho thấy “Dist + IQoSR + RC-CAC” hoạt động tốt tất phương pháp khác tổng lưu lượng cổng, gấp khoảng lần “Dist + IQoSR” gấp khoảng lần so với “RR + AODV” Một quan sát quan trọng khung đề xuất đạt thông lượng cao tỷ lệ liên kết nhỏ (điều kiện tải trọng lớn, thời gian đến phiên tăng) Điều chủ yếu chương trình kiểm sốt kết nối truy nhập thừa nhận từ chối phiên để tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên đầu cuối phạm vi mạng cách dự đoán khả tuyến đường Bằng cách giám sát tài nguyên dọc theo tuyến đường, xác định xác liên kết 21 tuyến đường với khả hạn chế tài nguyên nắm bắt tác động khách hàng đến phiên diễn Xác suất đáp ứng QoS trung bình 0.9 Dist+IQoS+RC-CAC Dist+AODV RR+ AODV 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 10 20 30 40 Thời gian đến phiên (ms) 50 Hình 3.2: So sánh xác suất đáp ứng QoS trung bình giá trị phiên Nhận xét: hình 3.2 minh họa xác suất đáp ứng QoS tất phiên hoàn thành hàm tải trọng Điều xác định xác suất yêu cầu QoS phiên không thành công suốt thời gian phiên cho Thậm chí, điều kiện tải mạng cao, thuật tốn “Dist + IQoSR + RC-CAC” đảm bảo 87% tất phiên thỏa mãn tất yêu cầu QoS ứng dụng sở, so với 83% không sử dụng điều khiển truy nhập “Dist + IQoSR”, 70% sử dụng “RR + AODV” Điều tác động phiên thừa nhận người dùng ước tính xác định xác giai đoạn ước lượng lộ trình 3.3.2 Hiệu suất mạng tổng thể Trong phần này, xem xét hiệu suất cổng vào (hình 3.3) xác suất đáp ứng QoS trung bình tất phiên (hình 3.4) với kích thước mạng khác 22 3.3.2: Hiệu suất mạng tổng thể Dist+IQoS+RC-CAC Dist+IQoSR RR+ AODV Thông lượng cổng (Mbps) 5 10 15 20 25 30 35 Kích thước mạng (nodes) Hình 3.3: So sánh thơng lƣợng mạng trung bình giá trị phiên, với kích thƣớc mạng khác Nhận xét: hình 3.3, mơ tả hành vi tồn thơng lượng cổng mạng với kích thước mạng khác (tức là, đặt số lượng nút khác khu vực mạng xác định) Khi đó, có kích thước mạng tối ưu mật độ nút cho thời gian liên kết đến định cho tất phương án 'Dist + IQoSR + RC-CAC', “ Dist + IQoSR” “RR + AODV” Cụ thể hơn, với kích thước mạng thơng lượng cổng “Dist+IQoSR+RC-CAC” cao khoảng lần so với giao thức “ Dist + IQoSR” khoảng lần so với định tuyến “RR+AODV” truyền thống, điều lần khẳng định lợi thiết kế xuyên lớp việc cải thiện hiệu mạng WMN 23 Dist+IQoSR+RC-CAC Dist+IQoSR RR+AODV 20 30 Xác suất đáp ứng QoS trung bình 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 10 15 25 35 Kích thước mạng (nodes) Hình 3.4: So sánh xác suất đáp ứng QoS giá trị phiên, với kích thƣớc mạng khác Nhận xét: hình 3.4 cho thấy, xuyên lớp “Dist + IQoSR + RC-CAC” đạt tỷ lệ đáp ứng QoS cao khoảng 10% so với khả đáp ứng QoS “Dist + IQoSR” so với "RR + AODV" khoảng 15%, ước tính nguồn xác sơ đồ điều khiển truy nhập định tuyến lớp mạng để ngăn chặn phiên tiêu thụ nhiều tài nguyên phiên có mạng Trong đó, lịch trình phân tán tương tác với thuật tốn định tuyến để cung cấp thông lượng dài hạn tăng đa dạng người dùng 3.4 Kết luận chƣơng Thiết kế xuyên lớp cho QoS WMN thu hút nhiều quan tâm từ cộng đồng nghiên cứu khoa học Khơng giống cơng trình có tập trung vào phân tích tối ưu hóa tồn mạng cung cấp thông tin lớp, việc xuyên lớp bao gồm kiểm soát kết nối với định tuyến QoS lớp mạng phân bố hội theo tỷ lệ thuận lợi lớp MAC 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài “Kỹ thuật xuyên lớp mạng MESH không dây”, với tìm hiểu nghiên cứu sơ xuyên lớp WMN, với lợi ích việc cải thiện QoS mà xuyên lớp mang lại Luận văn mang đến nhìn khái quát cấu trúc mạng WMN, phương thức thiết kế xuyên lớp mạng, thuật toán kết phần minh chứng cho hiệu thiết kế xuyên lớp vấn đề cải thiện QoS WMN Với kiến thức ỏi tìm hiểu xun lớp WMN, thấy việc xuyên lớp WMN vô cần thiết quan trọng đặc điểm điển hình WMN Nhưng vấn đề dừng lại chủ yếu dạng nghiên cứu tiềm Ưu điểm thiết kế xuyên lớp rõ qua vài thông số (thông lượng xác suất đáp ứng QoS) mạng WMN mơ hình xun lớp lỏng nẻo, việc lớp tương tác trao đổi thông tin với thông qua chế linh hoạt tối ưu hóa làm tăng thêm hiệu mạng mơ hình xun lớp chặt chẽ Khuyến nghị: Vấn đề thiết kế mơ hình hóa tổng thể cho thiết kế xuyên lớp WMN giải pháp, vấn đề liên quan cần triển khai nghiên cứu phát triển mạnh mẽ thời gian tới, qua đạt thành khả quan, cuối cung cấp đến người dùng hệ thống mạng Mesh không dây hiệu với chất lượng dịch vụ cao Hướng nghiên cứu tiếp theo: Việc nghiên cứu xuyên lớp chặt chẽ hướng nghiên cứu đề tài Sau thấy khả xuyên lớp chặt chẽ so với lỏng lẻo, ta thấy xuyên lớp chặt chẽ có nhiều ưu điểm vượt trội cần nghiên cứu sâu thêm ... tài ? ?Kỹ thuật xuyên lớp mạng MESH không dây? ?? để triển khai luận văn tốt nghiệp thạc sỹ kỹ thuật chun ngành kỹ thuật viễn thơng Nội dung luận văn chia làm phần chính: Chƣơng 1: Tổng quan mạng MESH. .. thiết kế xuyên lớp WMN Tiếp đến, tìm hiểu phương pháp chung thiết kế xuyên lớp, thiết kế xuyên lớp lớp vật lý /lớp MAC, lớp định tuyến (lớp mạng) /lớp MAC, lớp giao vận /lớp vật lý WMN Cuối thuật tốn... dụng Trong để tăng cường hiệu mạng không dây, lớp vật lý phải làm việc với MAC, lớp mạng Vì vậy, kỹ thuật xuyên lớp sử dụng để giải vấn đề Do đó, việc tìm hiểu WMN tiếp cận WMN dựa kỹ thuật xuyên