2.2.1. Mô hình lập lịch tập trung
Mô hình lập lịch tập trung [7] đã đề xuất ý tưởng về một cơ chế làm nổi bật tiện ích kênh cực đại với mục đích cao nhất là đạt được công bằng và phân bổ băng thông của kênh tối đa. Tuy nhiên, cả hai tiêu chí có thể đưa đến tiềm năng xung đột trong một hình trạng chung của mạng không dây đa chặng nơi
Flow0 Flow0
Trì hoãn truy cập Trì hoãn truy cập
S0
Trì hoãn truy cập
S2 Flow1 Flow2 Flow1 Trì hoãn truy cập
Flow0
Trì hoãn truy cập
Thời gian
mà một kênh logic duy nhất được chia sẻ giữa đa luồng tranh chấp và khả năng sử dụng lại không gian của băng thông kênh là có thể xảy ra.
Trong mô hình lập lịch các gói tin mà có các địa chỉ xung đột này, các kết quả chính đạt được bao gồm: một mô hình dịch vụ hai tầng mà cung cấp một sự phân chia băng thông kênh " công bằng " tối thiểu cho mỗi luồng gói tin và đồng thời sử dụng lại không gian băng thông cực đại, một giải thuật lập lịch gói tập trung lý tưởng mà được thực hiện mô hình dịch vụ ở trên, và một cơ chế tranh dành kênh dựa vào backoff được phân bố thực tế mà xấp xỉ dịch vụ lý tưởng bên trong khung của giao thức CSMA/ CA
Tuy nhiên, một khi áp dụng kiến thức về topo mạng và luồng thông tin tại bộ lập lịch, giải thuật không còn phù hợp để sử dụng trong các mạng Ad Hoc nơi mà không tồn tại cơ sở hạ tầng tập trung.
2.2.1.1 Mô hình mạng và các vấn đề liên quan đến sự công bằng
2.2.1.1.1. Mô hình mạng
Một mạng không dây đa chặng chuyển mạch gói trong môi trường không dây được chia sẻ giữa nhiều người sử dụng đang tranh chấp được xem xét, ví dụ, một kênh vật lý đơn với dung lượng C có thể sử dụng cho việc truyền không dây. Quá trình truyền được quảng bá cục bộ và chỉ nhận trong phạm vi dải truyền của một nguồn gửi có thể nhận được các gói tin của nó. Mỗi luồng gói tin tại tầng liên kết là một chuỗi các gói tin được truyền từ nguồn tới đích, nơi mà nguồn và đích là các miền lân cận. Hai luồng được định nghĩa như các luồng đang tranh chấp nếu cả nguồn gửi hay nguồn nhận của một luồng là trong phạm vị dải truyền của nguồn gửi hoặc nguồn nhận của luồng khác.
Có ba giả định được đưa ra : miền lân cận là một thuộc tính giao hoán và từ đây tranh chấp luồng cũng có tính giao hoán, một nút không thể truyền và nhận các gói tin đồng thời, và một xung đột xảy ra khi một nguồn nhận đang nhận trong dải của hai nút đang truyền đồng thời, như vậy không thể dễ dàng nhận tín hiệu từ cả hai bên.
2.2.1.1.2. Vấn đề tranh chấp phụ thuộc vị trí và sử dụng lại không gian
Vùng để truyền không dây hàm ý rằng có các xung đột, và kể từ đây tranh chấp để chia sẻ môi trường, sẽ phụ thuộc vào vị trí. Bản chất đặc trưng
vị trí tranh chấp, được kết hợp với bản chất đa chặng trong mạng, cho phép sử dụng lại không gian kênh. Đặc biệt, bất cứ hai luồng nào mà không gây nhiễu với mỗi luồng khác đều có khả năng truyền các gói tin dữ liệu đồng thời qua kênh vật lý. Sự lựa chọn các máy truyền đồng thời như vậy xác định toàn bộ sự sử dụng kênh, kể từ đây quy tắc lập lịch gói tin cần phải thực hiện sự lựa chọn đúng đắn trong quá trình truyền đồng thời khi tính đến việc xem xét sự công bằng ngang qua các luồng.
Trong một mạng có dây và mạng tế bào gói, các gói tin được lập lịch độc lập tại mỗi liên kết, và bộ lập lịch tại một liên kết chỉ cần phải xem xét các luồng đang tranh chấp đối với liên kết đó. Sự công bằng fluid được định nghĩa cho các mạng như vậy, về bản chất, một thuộc tính cục bộ cho các luồng đang truyền trên mỗi liên kết và thuật toán lập lịch gói tin để đạt được mô hình công bằng fluid, chẳng hạn, Weighted Fair Queueing (hàng đợi công bằng có trọng số), bảo đảm sự công bằng cục bộ trong miền thời gian giữa các luồng đang tranh chấp mà chia sẻ một liên kết đơn. Trong một mạng không dây đa chặng chia sẻ môi trường, sự công bằng không thể được định nghĩa chỉ riêng đối với các luồng “cục bộ”, bởi vì khả năng sử dụng lại không gian kênh, và sự ràng buộc phụ thuộc vào vị trí trong sự lựa chọn các luồng để truyền đồng thời. Như vậy, sự công bằng phải được định nghĩa với các luồng đang tranh chấp trong cả hai miền thời gian và miền không gian.
2.2.1.1.3. Vấn đề xung đột giữa sự công bằng và sử dụng kênh tối đa
Trong một liên kết có dây hay một tế bào trong một mạng tế bào gói, một luồng nhiều nhất có thể truyền vào bất cứ thời gian nào, và sự lập lịch các gói tin ngang qua các liên kết/các tế bào khác nhau là độc lập. Trong môi trường đích, nhiều luồng có thể truyền đồng thời, nhưng việc truyền một luồng trong một miền có ảnh hưởng trên các luồng khác có thể truyền trong phần còn lại của mạng. Tính chất “ toàn bộ” của sự lập lịch gói tin trong các mạng không dây chia sẻ kênh đa bước nhảy dẫn đến xung đột giữa việc đạt được sự công bằng và tăng tối đa sử dụng toàn bộ kênh.
2.2.1.1.4. Giải pháp không gian
Mục đích của công việc này là gán địa chỉ các thoả hiệp giữa việc đạt được sự công bằng và tăng tối đa sử dụng kênh. Một giới hạn là cách tiếp cận
mà đạt được một số khái niệm xác định trước về sự công bằng không có việc lấy sử dụng kênh để tính toán. Tại một giới hạn khác là cách tiếp cận mà luôn luôn cố gắng lập lịch số lượng lớn nhất của các luồng được dự trữ không xung đột trong bất kỳ thời gian nào, bằng cách này làm tăng tối đa sử dụng toàn bộ kênh khi có khả năng hạn chế một số luồng. Trong việc này, vị trí ở giữa được xem xét và bắt buộc một khái niệm cơ sở về sự công bằng mà đảm bảo rằng mỗi luồng nhận tối thiểu sự phân bố kênh tuỳ thuộc vào sự ràng buộc này, được tìm kiếm để làm tăng tối đa sự sử dụng toàn bộ kênh. Một vấn đề cần quan tâm là sử dụng kênh cải thiện khi mô hình công bằng trở nên kém đi như thế nào. Điều này, phụ thuộc vào những yêu cầu của hệ thống, người quản trị mạng có khả năng lựa chọn một điểm đặc biệt trong giải pháp không gian.
Đặc biệt, hai điểm trong giải pháp không gian được xem xét là:
Một luồng i với trọng số ri nhận cận dưới trên sự phân bố kênh của
jB(t1) j
i r r
C(t1,t2) trên một chu kỳ thời gian rất nhỏ (t1,t2), ở đó B(t) là tập hợp các luồng được dự trữ trong toàn bộ mạng vào thời điểm t. Với giả thuyết là cận dưới này ở trên sự phân phối kênh, phương pháp lập lịch được dùng để tăng tối đa sự phân phối toàn bộ kênh. Mô hình công bằng này là toàn bộ và không phụ thuộc cấu trúc liên kết theo ý nghĩa đó nó cho rằng trong trường hợp xấu nhất tất cả các luồng đang tranh chấp lẫn nhau.
2. Một luồng i với trọng số ri nhận cận dưới trên sự phân bố kênh của
(1) . t B j j i r k r
C(t1,t2) trên một chu kỳ thời gian rất nhỏ (t1,t2), ở đó B(i,t) là tập hợp các luồng được dự trữ trong phạm vi khoảng cách hai bước nhảy (trong đồ thị nút) của luồng i tại thời điểm t và k là một hằng số. Với giải thuyết là cận dưới này ở trên sự phân phối kênh, quy tắc lập lịch được dùng để tăng tối đa sự phân phối toàn bộ kênh. Mô hình công bằng này là toàn bộ và phụ thuộc cấu trúc liên kết bởi vì nó cung cấp một cận dưới trên sự phân phối kênh đối với sự tranh chấp hiện tại trong một vị trí của luồng.
Cách tiếp cận đầu tiên cung cấp sự công bằng kém hơn mô hình thứ hai, yêu cầu toàn bộ thông tin luồng được dự trữ để hoàn tất lập lịch, nhưng cung
cấp theo cách suy diễn trường hợp xấu nhất các ranh giới trên sự phân phối kênh là không làm thay đổi về cấu trúc liên kết mạng và kết quả là có thể cao hơn sự sử dụng toàn bộ kênh.
2.2.1.2. Mô hình lập lịch gói tin
2.2.1.2.1. Mô hình fluid và đồ thị tranh chấp luồng
Trong mô hình fluid này, độ chi tiết của sự chia sẻ kênh là một bít, và mỗi luồng f được gán một trọng số rf. Mục đích là để gán một sự phân bố kênh tối thiểu tới mỗi luồng tương ứng với trọng số của nó, và tuỳ thuộc vào ràng buộc này, làm tăng tối đa sự sử dụng toàn bộ kênh.
Bước đầu tiên trong mô hình là để chuyển đổi các luồng trong một cấu trúc liên kết mạng chung thành ra một đồ thị tranh chấp luồng, mô tả quan hệ tranh chấp về khoảng thời gian trống giữa các luồng đang truyền. Trong một đồ thị tranh chấp luồng, mỗi đỉnh đại diện cho một luồng được dự trữ, và một cạnh giữa hai đỉnh biểu thị rằng hai luồng này là đang tranh chấp. Các đỉnh mà không được kết nối biểu thị các luồng có thể truyền đồng thời. Như vậy, một tập hợp độc lập trong đồ thị tranh chấp luồng biểu thị một tập hợp truyền không xung đột.
Việc xem xét đồ thị tranh chấp luồng cung cấp một sự hiểu biết sâu sắc về việc tại sao phải lập lịch công bằng trong miền đích là một vấn đề khó khăn duy nhất. Các đồ thị con không liên thông trong đồ thị tranh chấp luồng có thể được lập lịch độc lập. Trong một mạng có dây, các luồng tại tầng liên kết mà chia sẻ cùng liên kết đầu ra tạo thành một nhóm và mạng được biểu diễn bằng một tập hợp của các nhóm rời nhau, như vậy mỗi nhóm có thể được lập lịch độc lập và có nhiều hơn một nguồn gửi trong một nhóm tại một thời điểm. Trong một mạng không dây đa chặng có kênh được chia sẻ, nhiệm vụ là nhận ra một chuỗi thuộc các tập hợp độc lập (ví dụ các nguồn gửi đồng thời) tuỳ thuộc vào những ràng buộc cấu trúc liên kết của đồ thị, sao cho mỗi luồng nhận một sự đại diện tối thiểu trong chuỗi các tập hợp độc lập và tại cùng một thời điểm, toàn bộ các yếu tố của các tập hợp này được tăng tối đa.
Phương pháp để đạt được mô hình công bằng bằng việc lựa chọn một tập hợp các luồng để truyền trong một giai đoạn hàng đợi công bằng, và sau đó
tăng tối đa sử dụng kênh bằng việc lựa chọn các luồng thêm vào để truyền trong một giai đoạn tập hợp độc lập cực đại tuỳ thuộc vào việc lựa chọn các luồng trong một giai đoạn hàng đợi công bằng. Những chi tiết chính xác của thuật toán trong hai giai đoạn quyết định liệu mô hình công bằng có là toàn bộ hay cục bộ không.
2.2.1.2.2. Đạt được công bằng tối thiểu thông qua chia sẻ hàng đợi công bằng
Hàng đợi công bằng fluid bắt buộc rằng khi một tập hợp những luồng F
chia sẻ một kênh, một luồng i với trọng số ri nhận một sự phân phối kênh của
C jB(t) j i r r t
qua bất cứ cửa sổ thời gian nhỏt, ở đó C là dung lượng kênh và
B(t) là tập hợp của các luồng chưa thực hiện tại thời gian t. Một vài thuật toán lập lịch đóng gói khác nhau tồn tại gần giống với mô hình hàng đợi công bằng fluid.
Một biến thể lai của Start time Fair Queueing (STFQ) và Worst-case Fair Weighted Fair Queueing (WF2Q), sử dụng khi điểm xuất phát quy tắc lập lịch trong khung lập lịch lý tưởng hoá. Mỗi luồng có một hàng đợi với các gói tin của nó. Các gói tin trong một luồng thoả mãn theo thứ tự FIFO. Mỗi gói tin có hai thẻ, một thẻ bắt đầu và một thẻ kết thúc. Thẻ bắt đầu của nth gói tin của luồng i được chỉ rõ như sau:
si,n=max{v(ti,n),fi,n-1}
và thẻ kết thúc của n th gói tin của luồng i được chỉ rõ như sau:
fi,n=si,n + L/ri
ở đó si,n và fi,n biểu thị thẻ bắt đầu và thẻ kết thúc, v(t) là thời gian ảo tại thời điểm t, ti,n biểu thị thời gian đến của gói tin, và L là kích thước gói tin cố định. Thời gian ảo v(t) tại thời điểm t là tập hợp thẻ bắt đầu của gói tin hiện tại đang được truyền trên kênh.
Sau khi truyền một gói tin, gói tin tiếp theo truyền được lựa chọn theo thuật toán sau đây.
Trong số tất cả các gói tin mà có thẻ bắt đầu không lớn hơn v(t) + L,
Nếu như không có gói tin như vậy, thì gói tin với thẻ bắt đầu nhỏ nhất được lựa chọn.
Sự ràng buộc là không được thực hiện tuỳ tiện.
Bây giờ trình bày các thuật toán lập lịch gói tin lý tưởng để đạt được các mô hình công bằng toàn bộ và cục bộ tương ứng.
Nhắc lại trong mô hình công bằng toàn bộ, một luồng chưa thực hiện i nhận một sự phân phối kênh ít nhất C
jB(t) j
i r r
t
trong thời gian (t, t + t), ở đó B(t) là tập hợp của tất cả các luồng được dự trữ trong mạng. Thuộc tính công bằng này đồng nhất với một xấp xỉ bằng thuật toán hàng đợi công bằng đóng gói ở trên. Như vậy, sử dụng thuật toán này để cung cấp một sự phân phối “cơ sở”, và tuỳ thuộc vào sự phân phối này, tìm kiếm để tăng tối đa sử dụng lại toàn bộ kênh theo thuật toán sau đây:
1. Lựa chọn phần đầu dòng gói tin của luồng i* theo thuật toán hàng đợi công bằng đóng gói được mô tả ở trên.
2. Lựa chọn tập hợp độc lập cực đại Si* trong G – N[i*], ở đó N[i] biểu thị miền lân cận đóng của nút i trong đồ thị tranh chấp luồng.
3. Lập lịch các gói tin để truyền trong {i* } U Si*. Gia tăng thẻ bắt đầu và thẻ kết thúc của luồng i*, nhưng không thay cho bất cứ luồng nào trong Si.
Thực tế rằng các thẻ không được gia tăng đối với các luồng trong Si* cho phép bộ lập lịch đạt được sử dụng lại kênh bổ sung tối đa có thể dành để phân phối cho i*“độc lập”, ví dụ các luồng mà nhận phân phối kênh bổ sung không chịu tải cho nó bằng việc tăng dần các thẻ của chúng.
Nhắc lại rằng trong mô hình công bằng cục bộ, một luồng được dự trữ i nhận một sự phân phối kênh ít nhất C
jB(t) j
i r r
t
trong thời gian (t, t + t), ở đó B(t) là tập hợp của tất cả các luồng được dự trữ trong miền lân cận đóng của nó. Ngược lại trong mô hình công bằng toàn bộ, đạt được công bằng cục bộ sử dụng thuật toán hàng đợi công bằng đóng gói là ít thay đổi hơn, và yêu
cầu sự thay đổi sau đây:
Giả sử D là một tập hợp “cơ sở” của các luồng được định nghĩa ở dưới; thời gian ảo v(t) là tập hợp tối đa các thẻ bắt đầu của phần đầu các gói tin thuộc các luồng trong D. Với thay đổi thuật toán hàng đợi công bằng đóng gói này, bây giờ định nghĩa thuật toán để đạt được mô hình công bằng cục bộ như sau. Sau khi truyền một gói tin
1. Thiết lập D tiến tới NULL. Đối với mỗi luồng, nếu như thẻ bắt đầu của phần đầu gói tin trong một luồng không lớn hơn v(t)+L, thì thiết lập trạng thái của luồng là tranh chấp, nếu không thiết lập trạng thái của luồng là không tranh chấp.
2. Nếu không có luồng nào trong trạng thái tranh chấp, thì thêm vào một luồng với thẻ bắt đầu cực tiểu tiến tới D và bỏ qua bước tiếp theo. Mặt khác, khi có các luồng trong trạng thái tranh chấp, lựa chọn một