Chúng ta muốn giám sát trạng thái kênh truyền vô tuyến và dò tìm tổn
thất vô tuyến, có nghĩa là tổn thất gói do truyền dẫn qua môi tr−ờng không khí.
Đối với truyền dẫn từ máy chủ di động đến trạm gốc, chúng ta thiết lập timeout ở trạm gốc trên cơ sở giám sát khoảng thời gian giữa các gói. Hơn nữa, chúng ta cần chèn độ dài hàng đợi thực tế của hàng đợi máy chủ di động vào trong mào đầu của các gói phát đến trạm gốc. Khi timeout hết hiệu lực và độ dài hàng đợi thực tế l−u giữ ở trạm gốc khác zero, trạng thái kênh truyền có thể đ−ợc đánh giá là xấu. Nghĩa là, vẫn có các gói trong hàng đợi ở máy chủ di động, nh−ng kênh xấu nên chúng không thể đ−ợc gửi đến trạm gốc. Bằng cách này, tổn thất kênh truyền vô tuyến có thể đ−ợc dò tìm và tác tử giám sát có thể thông báo bộ thu ở máy chủ đầu xa trong mạng hữu tuyến biết về tình huống này. Nh− thế, bộ thu có thể phân biệt tổn thất vô tuyến và tổn thất nghẽn trong mạng. Điều khiển phù hợp có thể diễn ra ở bộ thu/bộ phát.
Tác tử giám sát ở máy chủ di động có nhiệm vụ cho h−ớng ng−ợc lại (từ trạm gốc đến máy chủ di động). Chúng ta giả sử rằng có một hệ thống hàng đợi trên mỗi luồng. Quá trình giám sát trạng thái kênh là t−ơng tự nh−
h−ớng từ máy chủ di động đến tạm gốc.
4.3.4. Kết quả đánh giá mô hình giám sát kênh.
Các kết quả thực nghiệm [4] chỉ ra rằng thuật toán giám sát tốc độ có thể đ−ợc sử dụng cho các nguồn l−u l−ợng khác nhau. Hơn nữa, nó không bị ảnh h−ởng bởi các ứng dụng khác chia sẻ kênh truyền. Thời gian giám sát là chấp nhận đ−ợc phù hợp với trễ kênh truyền.
Hình vẽ 4.11. Giám sát tốc độ nguồn CBR.
Hình vẽ 4.11 trình bày một nguồn CBR (Constant Bit Rate) với kích th−ớc gói 1000 bytes, tốc độ 100kbps. RTT của kênh truyền vào khoảng 50ms. Tốc độ đo đ−ợc trong hình vẽ là tốc độ trung bình (băng thông cấp phát) đ−ợc tính toán bằng tổng số bít trong khoảng thời gian 50ms. Kết quả trình bày sự biến thiên của tốc độ đo thực tế và sự hội tụ tiệm cận của giám sát tốc độ do việc sử dụng hàm mũ trong ph−ơng trình giám sát.
Hình vẽ 4.13. Giám sát tốc độ nguồn ON/OFFPareto.
Trong hình vẽ 4.12 và 4.13 trình bày kết quả giám sát của nguồn mũ ON/OFF và nguồn On/Off Pareto. Kích th−ớc gói là 1000 bytes thời gian ON trung bình trễ, bằng nghĩa là thời gian bùng phát là 500ms, thời gian OFF trung bình ( thời gian rỗi) đ−ợc xem xét và bằng 500ms và tốc độ gửi trong khoảng thời gian ON là 100kbps. Nh− trong hình vẽ 4.12, nguồn bắt đầu gửi gói ở thời điểm 1s, tuy nhiên sự giám sát bị trì hoãn do phân bố hàm mũ của chu kỳ ON. L−u l−ợng Pareto trình bày trong hình vẽ 4.13 là đồng nhất với l−u l−ợng mũ, ngoại trừ chu kỳ ON/OFF tuân theo phân bố Pareto.
Hình vẽ 4.14. Giám sát tốc độ nguồn TCP/RENO.
Hình vẽ 4.14 trình bày tr−ờng hợp một nguồn CBR chia sẻ băng thông với một nguồn CTP Reno. Kích th−ớc cửa sổ của TCP là 15. Tốc độ gửi của nguồn CBR là 100kbps. Nguồn CBR bắt đầu vào thời điểm t = 0s, trong khi nguồn TCP bắt đầu ở thời điểm t = 0,2s. Nguồn TCP tăng tốc độ gửi cho đến t=1s. Băng thông kênh truyền tối đa là 1,5 Mbps. Nh− vậy, băng thông cấp phát tối đa cho luồng TCP sẽ là 1,4Mbps, do đó quá trình kiểm soát tắc nghẽn của TCP sẽ đ−ợc kích hoạt khi tốc độ gửi của nó v−ợt quá giới hạn này.
Đặc điểm cơ bản của thuật toán giám sát này là sử dụng hàm mũ, do đó nó cung cấp khả năng hội tụ tiệm cận đến tốc độ thực tế.
4.4. Kết luận ch−ơng IV.
Để hỗ trợ QoS chúng ta cần phải có các ph−ơng pháp giám sát, đo đạc, đánh giá các tham số ảnh h−ởng đến chất l−ợng QoS. Các tham số đó là trễ, băng thông, điều kiện kênh, tổn thất gói tin….Trong ch−ơng này chúng ta đã
xem xét và đánh giá một cách tổng quan các ph−ơng pháp giám sát nh−: giám sát RTT, RTO, giám sát tổn thất, giám sát băng thông. Các cơ chế điều khiển QoS hiện thời của mạng hữu tuyến không thể áp dụng trực tiếp vào mạng vô tuyến, do bản chất cố hữu của mạng vô tuyến là chất l−ợng kênh truyền, băng thông biến đổi theo thời gian và điều kiện môi tr−ờng.Việc điều chỉnh các cơ chế này là cần thiết để đ−a vào ứng dụng trong mạng vô tuyến. Một trong những vấn đề cần quan tâm đó là kiểm soát chất l−ợng băng thông và điều kiện kênh truyền vô tuyến một cách chính xác để có những chính sách, cơ chế điều khiển thích hợp. Cuối ch−ơng này, chúng ta đã xem xét một ph−ơng pháp giám sát băng thông và trạng thái kênh truyền vô tuyến. Trong các ch−ơng tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu khả năng kết hợp các ph−ơng pháp giám sát nói trên vào một mô hình lập lịch hỗ trợ QoS cũng nh− một mô hình kết hợp quản lý QoS trong môi tr−ờng bất đồng nhất của mạng thế hệ mới.
Ch−ơng V
Mô hình lập lịch hỗ trợ QOS trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến
5.1. Giới thiệu chung.
Mạng vô tuyến thế hệ mới phải hỗ trợ một phạm vi ứng dụng rộng với các yêu cầu QoS đa dạng về trễ, trôi trễ, và tốc độ tổn thất. L−u l−ợng trong t−ơng lai sẽ là sự hoà trộn các nguồn thời gian thực nh− các ứng dụng đa ph−ơng tiện và truyền số liệu. Gần đây, ng−ời ta đang quan tâm đến việc phân phát các dịch vụ đa ph−ơng tiện qua môi tr−ờng bất đồng nhất giữa mạng cố định và mạng di động.
Vấn đề cung cấp QoS cho cách ứng dụng cạnh tranh là phải cấp phát tài nguyên nh−: bộ đệm, băng thông kênh truyền một cách hợp lý tùy thuộc vào mỗi ứng dụng. Để giải quyết vấn đề này, một sơ đồ lập lịch phù hợp ở nút mạng là cần thiết. Lập lịch l−u l−ợng đ−ợc xem là một cơ chế chính để hỗ trợ QoS ở mức gói. Cơ chế này đảm trách việc sắp xếp thứ tự phát các gói từ các luồng khác nhau ra kênh truyền của nút mạng.
Một vài cơ chế lập lịch đã đ−ợc nghiên cứu trong môi tr−ờng mạng cố định. Lập lịch l−u l−ợng bình đẳng đ−ợc xem là một sơ đồ phổ biến để đạt đ−ợc sự bình đẳng, thông l−ợng và giới hạn trễ. Tuy nhiên các sơ đồ này giả thiết kênh truyền không có lỗi. Đồng thời nó không định rõ nguyên nhân suy giảm thực thi do lỗi của kênh truyền. Đó là lý do tại sao chúng ta không thể áp dụng nó vào môi tr−ờng mạng vô tuyến. Truyền dẫn qua kênh vô tuyến sẽ chịu các ảnh h−ởng bất lợi do phụ thuộc vào vị trí đầu cuối, lỗi kênh bùng phát. Khi có lỗi kênh, tạm thời không thể nhận biết đ−ợc máy chủ di động, đồng thời máy chủ di động cũng không thể truyền dẫn dữ liệu đến trạm gốc. Trong tr−ờng hợp này lập lịch bình đẳng không thể cung cấp sự bình đẳng và bảo đảm dịch vụ.
Gần đây, ng−ời ta đã có nhiều nỗ lực để thích ứng sơ đồ lập lịch bình đẳng cho môi tr−ờng mạng vô tuyến. Một vài cơ chế đã đ−ợc đề nghị nh−:
Dịch vụ bình đẳng vô tuyến (Wireless Fair Service WFS), hàng đợi bình đẳng độc lập kênh truyền (Channel Independent Fair Queueing CIF-Q), Tiếp cận bình đẳng trên cơ sở máy phục vụ (Server - Based Fair Approach SBSA), lập lịch gói phụ thuộc trạng thái kênh (Channel State Dependent Packet Scheduling CSDPS). Chiến l−ợc chung của các sơ đồ này là sử dụng bù để điều chỉnh bình đẳng. Các mức độ đảm bảo bình đẳng khác nhau đã đ−ợc trình bày trong các mô hình này. Tuy nhiên hầu hết các sơ đồ này giả sử có sự biết tr−ớc về điều kiện kênh (tốt hay xấu). Mặt khác việc bù cho một vài luồng có thể làm xáo trộn việc đảm bảo dịch vụ cho các luồng khác. Trong tr−ờng hợp lỗi kênh bùng phát các sơ đồ này hoặc không cung cấp sự bảo hộ hoặc không cung cấp sự bảo đảm trễ giới hạn cho các luồng cạnh tranh. Chính vì lẽ đó, việc giám sát kênh truyền vô tuyến đóng vai trò quan trọng trong các bộ lập lịch dùng trong mạng di động.
Ch−ơng này ta xem xét mô hình gọi là lập lịch gói vô tuyến
(Packetized Wireless Scheduling PWS) để cung cấp sự bình đẳng và sự bảo vệ các luồng trong môi tr−ờng mạng bất đồng nhất [4]. Đặc tính cơ bản của PWS là theo dõi trạng thái kênh và bù các luồng nhận dịch vụ ít hơn do chất l−ợng kênh vô tuyến của nó xấu. Khi một luồng trải qua lỗi kênh, sự tổn thất dịch vụ của nó đ−ợc ghi nhận. Luồng này sẽ đ−ợc cấp một dịch vụ bù bổ sung, sau khi kênh đ−ợc phục hồi trở lại trạng thái tốt. Một phần của băng thông đ−ợc cấp phát cho mục đích bù. Phần băng thông này không lãng phí vì nó sẽ đ−ợc phân phối cho tất cả các luồng hiện có khi điều kiện kênh không lỗi. Hơn nữa phần băng thông này còn đ−ợc sử dụng cho mục đích chuyển giao (Hand-off).
5.2. Một số vấn đề của lập lịch bình đẳng.
Chúng ta bắt đầu bằng việc xem xét mô hình lập lịch bình đẳng trong mạng hữu tuyến để từ đó nêu lên những hạn chế của nó trong môi tr−ờng vô tuyến. Giả thiết có N luồng dùng chung một cổng ra. Đặt Rj là tốc độ giữ tr−ớc (trọng số) cho luồng i. Tại mỗi thời điểm t một luồng i có các gói số liệu ch−a đ−ợc phục vụ (backlogged) sẽ đ−ợc cấp phát một tốc độ chia sẻ bình đẳng là:
j t S j j i R R C R B * ) ( ∑ ∈ = (5.1)
Trong đó C là băng thông kênh truyền, SB(t) là tập các hàng đợi không rỗng (backlogged) tại thời điểm t. Đây là mô hình hàng đợi dòng chảy phục vụ các luồng có hàng đợi không rỗng theo tỷ lệ trọng số. Trong khoảng thời gian (t1,t2] mô hình dòng chảy bảo đảm sự bình đẳng cho bất kỳ hai luồng i,j có hàng đợi không rỗng nh− sau:
0 ) , ( ) , (1 2 − 1 2 = j j i i R t t W R t t W , ∀i, j ∈ SB(t), t∈(t1,t2) (5.2) Trong đó i i R t t W(1, 2)
là dịch vụ ( số bít) nhận bởi luồng i trong khoảng (t1,t2). Với giả thiết hàng đợi luồng dòng chảy thì các gói đ−ợc xem có kích th−ớc không giới hạn và tất cả các luồng đ−ợc phục vụ đồng thời. Giả thiết này là không thực tế trong mạng chuyển mạch gói, mô hình hàng đợi bình đẳng cần phải xấp xỉ mô hình luồng dòng chảy. Mục đích của mô hình gói nh− WFQ là duy trì hiệu số trên càng gần 0 càng tốt. Để đạt đ−ợc mục đích trên. Sơ đồ gói nh− WFQ duy trì một nhãn bắt đầu TSik và kết thúc TFik cho mỗi gói và một hàm dịch vụ ảo (Virtual Service Function) V (t), các tham số này có mối quan hệ sau:
TSik = max (V(taik), TFik-1 i k i k Si k Fi R L T T = + (5.3)
Trong đó Lik là độ dài gói k của luồng i, hàm dịch vụ ảo xác định bởi:
∑ ∈ = ∂ ∂ ) ( ) ( t B S j Rj C t t V (5.4) Bộ lập lịch phục vụ các gói với nhãn kết thúc nhỏ nhất.
Mô hình lập lịch bình đẳng gói trong mạng hữu tuyến đã đ−ợc chứng minh:
1) Bình đẳng cho tất cả các luồng chia sẻ một đ−ờng truyền. 2) Bảo đảm dịch vụ cho mỗi luồng.
Tuy nhiên nó giả thiết trong điều kiện các luồng không có lỗi, có nghĩa là các gói đ−ợc nhận chính xác, điều này là không chính xác trong môi tr−ờng vô tuyến có lỗi kênh.
Sơ đồ lập lịch vô tuyến cần xử lý một số vấn đề sau:
+ Sự thất bại của các mô hình truyền thống với sự xuất hiện lỗi kênh. + Vấn đề phát hiện lỗi kênh.
+ Bù cho các luồng nhận thấy có lỗi kênh.
+ Thoả hiệp giữa bảo đảm dịch vụ và sử dụng hiệu quả băng thông vô tuyến hạn chế.
5.3. Phân tích bộ lập lịch vô tuyến.
Chúng ta xem xét một mô hình lập lịch, nằm ở trạm gốc có nhiệm vụ lập lịch cho các h−ớng lên và xuống. Trong một mạng vô tuyến tế bào, một trạm gốc có thể phục vụ một hoặc nhiều tế bào. Chúng ta xem xét một số định nghĩa với bộ lập lịch vô tuyến.
Định nghĩa 1. Luồng ùn đống (Backlogged flow): Là luồng có các gói trong hàng đợi chờ phát.
Định nghĩa 2. Luồng khả thi (Feasibled flow): Là luồng ùn đống và có điều kiện kênh không lỗi.
Định nghĩa 3. Luồng chậm trễ (Lagging flow): Là luồng nhận ít dịch vụ hơn so với dịch vụ không lỗi của nó do tổn thất dịch vụ trong thời gian lỗi kênh truyền. Luồng này cần đ−ợc bù.
Mô hình dòng chảy là một bộ lập lịch có đặc tính luôn làm việc khi có các gói trong hàng đợi chờ phát. Nh− thế, trong thời gian có lỗi kênh truyền, các luồng không có lỗi sẽ nhận dịch vụ nhiều hơn dịch vụ bình th−ờng của nó, trong khi các luồng có lỗi kênh không nhận dịch vụ.
Rõ ràng, để giải quyết vấn đề bảo đảm dịch vụ, chúng ta cần phát hiện lỗi kênh, ghi nhận tổn thất dịch vụ và cung cấp bù dịch vụ cho các luồng bị lỗi kênh khi kênh truyền của nó đ−ợc phục hồi trở lại. Sơ đồ lập lịch đ−ợc thiết kế sao cho, luồng có lỗi kênh sẽ bắt kịp các luồng không lỗi
kênh, đồng thời đạt đ−ợc sự bình đẳng giữa các luồng và dịch vụ của các luồng đ−ợc bảo đảm. Hơn nữa, vấn đề bình đẳng, bảo đảm trễ và giảm cấp dịch vụ nên đ−ợc định nghĩa lại cho môi tr−ờng vô tuyến.
Hầu hết các mô hình đã có đề nghị bù các luồng chậm trễ bằng cách ép buộc các luồng khác từ bỏ một phần băng thông. Tuy nhiên, nếu bộ lập lịch cung cấp dịch vụ bù bổ sung cho các luồng chậm trễ, việc bảo đảm dịch vụ cho các luồng khác sẽ bị xấu đi. Hơn nữa việc giữ tr−ớc cố định một phần băng thông cho một đích bù là không hiệu quả vì lãng phí một phần băng thông không sử dụng.
Do đó, mô hình dành một phần băng thông αC (0≤α<1) cho mục đích bù. Đặt SL (SL ⊂ SB) là tập các luồng chậm trễ cần phải bù, SF tập các luồng khả thi và SC là tập các luồng đang đ−ợc bù. Thì phần băng thông αC cấp phát cho các luồng chậm trễ, còn phần băng thông (1-α)C cấp phát các luồng ùn đống . Nếu SL = 0, có nghĩa không có luồng chậm trễ thì α = 0, có nghĩa là luồng ùn đống sẽ chia sẻ toàn bộ băng thông đ−ờng truyền. Theo cách này, bảo đảm dịch vụ cho các luồng khả thi đ−ợc duy trì, thậm chí toàn bộ phần băng thông αC đ−ợc sử dụng để bù. Phần băng thông này sẽ không lãng phí vì đ−ợc phân phối cho tất cả các luồng ùn đống trong tr−ờng hợp không có lỗi. Hơn nữa phần băng thông này đ−ợc sử dụng cho mục đích chuyển giao (handoff). Khi một máy chủ di động di chuyển vào một tế bào quản lý bởi một trạm gốc khác, luồng đó đ−ợc gán tức thì một phần băng thông αC. Việc lựa chọn α phụ thuộc vào yêu cầu dịch vụ của các luồng dùng chung đ−ờng truyền vô tuyến, đặc tính truyền dẫn của môi tr−ờng vô tuyến và tần số chuyển giao. Có một sự thoả hiệp giữa dung l−ợng bù và số các luồng chia sẻ kênh truyền vô tuyến, vì nếu α lớn, số luồng đồng thời đ−ợc phục vụ trên kênh truyền vô tuyến sẽ nhỏ đi.
Hình 5.1. So sánh WFQ và PWS1.
Để duy trì sự bình đẳng giữa các luồng ùn đống, một hàm dịch vụ ảo đ−ợc duy trì nh− mô tả ở trên. Tuy nhiên, một dịch vụ bổ sung đ−ợc cung cấp cho các luồng chậm trễ để luồng này thu đ−ợc dịch vụ bị mất trong quá khứ do bị lỗi kênh. Bộ lập lịch vô tuyến cung cấp một dịch vụ bổ sung bằng cách cung cấp một trọng số ri nh− sau:
Ri(t) = Ri + ri