Chuẩn ITU-G1010 [6] được sử dụng làm cơ sở để phân lớp các ứng dụng theo yêu cầu QoS của chúng. Theo đó, các ứng dụng có thể chia thành 3 lớp như sau theo yêu cầu đối với các độ đo QoS.
Lớp 1: Các ứng dụng chấp nhận lỗi nhưng nhạy cảm với trễ dữ liệu. Ứng dụng tiêu biểu thuộc lớp này là ứng dụng hội thoại audio và video.
Lớp 2: Các ứng dụng chấp nhận lỗi và trễ dữ liệu. Ứng dụng tiêu biểu thuộc lớp này là truyền streaming audio và video một chiều chất lượng cao.
Lớp 3: Các ứng dụng cho phép có độ trễ nhưng không chấp nhận lỗi dữ liệu. Ứng dụng tiêu biểu thuộc lớp này là ứng dụng hỗ trợ các dịch vụ giao dịch có độ ưu tiên cao như thương mại điện tử, ATM.
Theo chuẩn này, ngưỡng giá trị yêu cầu của các tham số QoS được phân thành 3 lớp thể hiện chi tiết trong Bảng 2.1.
Tiêu chuẩn QoS Ngưỡng giá trị Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3
Trễ (delay) 0.15 s 10 s 4 s
Biến thiên trễ (jitter) 0.001 s 0.001 s
Tỉ lệ mất gói (packet loss ratio) 0.03 0.01 0 Tốc độ dữ liệu (data rate) 4 kbps 16 kbps 20 kpbs
Bảng 2.1. Các ngưỡng QoS theo các lớp lưu lượng
2.2.2. Phương pháp ra quyết định chọn đường
Như đã đề cập trong phần đề xuất ý tưởng cải tiến giao thức AOMDV, cơ chế định tuyến phải thỏa mãn theo các yêu cầu về ngưỡng chấp nhận được
của các tiêu chuẩn QoS đối với các chương trình ứng dụng có dữ liệu cần truyền qua mạng MANET. Theo chuẩn ITU-G1010 [6], các ứng dụng được phân loại theo yêu cầu QoS trên cơ sở 4 tiêu chuẩn QoS bao gồm: độ trễ (delay), độ biến thiên trễ (jitter), tỉ lệ mất gói (packet loss rate) và băng thông (bandwidth).
Như vậy, bài toán đặt ra ở đây là bài toán chọn đường đa tiêu chuẩn. Trong số các đường tìm được, đường nào sẽ là đường tốt nhất theo tiêu chuẩn QoS gồm có ngưỡng yêu cầu tối thiểu của độ trễ, độ biến thiên gói, tỉ lệ mất gói và băng thông đối với từng chương trình ứng dụng?
Để giải quyết bài toán này, [3] đề xuất sử dụng phương pháp Tổng có trọng số (SAW – Simple Additive Weighting). Phương pháp này được sử dụng để xếp thứ hạng cho một tập các con đường trên cơ sở một tập các tiêu chuẩn cho trước theo ngữ cảnh. Các tiêu chuẩn này chính là các tham số QoS. Thứ hạng của mỗi con đường được định nghĩa là tổng có trọng số của các tiêu chuẩn theo ngữ cảnh. Ngữ cảnh được xác định ở đây là lớp QoS của chương trình ứng dụng cần truyền dữ liệu qua mạng. Phương pháp phân lớp các chương trình ứng dụng theo yêu cầu QoS được trình bày chi tiết trong Mục 2.2.1.
Giả sử có n con đường cần xếp thứ hạng ưu tiên theo từng ngữ cảnh trên cơ sở một tập gồm m tiêu chuẩn cho trước. Tập các ngữ cảnh gồm m ngữ cảnh cho trước. Ma trận ngữ cảnh thứ i là một ma trận có kích thước mxn mỗi dòng biểu diễn một con đường và mỗi cột biểu diễn giá trị của tham số của các con đường tương ứng với các tiêu chuẩn. Rõ ràng là nếu hình thành được một véc tơ trọng số có kích thước m phần tử với mỗi phần tử là trọng số xác định độ quan trọng của một tiêu chuẩn để xếp hạng ưu tiên cho các con đường thì tích của ma trận ngữ cảnh với véc tơ trọng số sẽ chính là tổng có trọng số của giá trị các tham số tương ứng với các tiêu chuẩn của một con đường.
Gọi Mi là ma trận ngữ cảnh của lớp QoS thứ i. Ma trận này được biểu diễn như sau:
𝑀𝑖 = [
𝑣𝑑1 𝑣𝑗1 𝑣𝑙1𝑙 𝑣𝑏1
⋯⋯⋯⋯
𝑣𝑑𝑛 𝑣𝑗𝑛 𝑣𝑙𝑛 𝑣𝑏𝑛
] (1)
Trong đó, vdk, vjk, vlk và vbk là các giá trị tương ứng của độ trễ, độ biến
thiên trễ, tỉ lệ mất gói và băng thông còn lại của đường thứ k; n là số lượng đường.
Theo [3], các các tiêu chuẩn ngữ cảnh được phân thành hai nhóm: (1). Nhóm tiêu chuẩn tiêu cực: Gồm các tiêu chuẩn có giá trị càng nhỏ càng tốt. Các tiêu chuẩn QoS thuộc nhóm này gồm có độ trễ, độ biến thiên trễ và tỉ lệ mất gói; (2). Nhóm tiêu chuẩn tích cực: Gồm các tiêu chuẩn có giá trị càng lớn càng tốt. Băng thông còn lại là tiêu chuẩn QoS thuộc nhóm này.
Gọi 𝑣𝑥̂𝑘 là giá trị chuẩn hoá của tiêu chuẩn x của đường thứ k. Giá trị chuẩn hoá này được xác định như sau:
𝑣𝑥̂𝑘 = { 𝑣𝑥𝑘 𝑣𝑥 ̅̅̅ , 𝑛ế𝑢𝑥𝑙à𝑡𝑖ê𝑢𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛𝑡í𝑐ℎ𝑐ự𝑐 𝑣𝑥̅̅̅ 𝑣𝑥𝑘 , 𝑛ế𝑢𝑥𝑙à𝑡𝑖ê𝑢𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛𝑡𝑖ê𝑢𝑐ự𝑐
trong đó, 𝑣𝑥̅̅̅là ngưỡng của tiêu chuẩn QoS x đối với lớp QoS thứ i. Nó là ngưỡng lớn nhất với tiêu chuẩn tích cực và là ngưỡng nhỏ nhất với tiêu chuẩn tiêu cực.
Từ công thức (1) và (2), ta có ma trận ngữ cảnh chuẩn hoá của lớp QoS thứ i được biểu diễn trong công thức (3);
𝑀𝑁𝑖 = [ 𝑣𝑑̂1 𝑣𝑗̂1 𝑣𝑙̂1 𝑣𝑏̂1 ⋯⋯⋯⋯ 𝑣𝑑̂𝑛 𝑣𝑗̂𝑛 𝑣𝑙̂𝑛 𝑣𝑏̂𝑛 ] (3) (2)
Véc tơ trọng số của các tiêu chuẩn thuộc lớp QoS thứ i được định nghĩa trong công thức (4); 𝑊𝑖 = [ 𝑊𝐷𝑖 𝑊𝐽𝑖 𝑊𝐿𝑖 𝑊𝐵𝑖 ] (4)
trong đó, WDi, WJi, WLi và WBi là trọng số tương ứng của độ trễ, độ biến
thiên trễ, tỉ lệ mất gói và băng thông còn lại của lớp QoS thứ i.
Hàm lượng giá đường theo lớp QoS thứ i cho đường thứ k được định nghĩa trong công thức (5);
𝑃𝑉𝑖,𝑘 = 𝑀𝑁𝑖,𝑘 ∙ 𝑊𝑖 = 𝑣𝑑̂𝑘∙ 𝑊𝐷𝑖 + 𝑣𝑗̂𝑘 ∙ 𝑊𝐽𝑖 + 𝑣𝑙̂𝑘 ∙ 𝑊𝐿𝑖 + 𝑣𝑏̂𝑘∙ 𝑊𝐵𝑖
Từ công thức (2) và (5), ta có công thức lượng giá đường (6);
𝑃𝑉𝑖,𝑘 =𝑇𝐷𝑖 𝐷𝑘 . 𝑊𝐷𝑖 + 𝑇𝐽𝑖 𝐽𝑘 . 𝑊𝐽𝑖 + 𝑇𝐿𝑖 𝐿𝑘 . 𝑊𝐿𝑖 + 𝐵𝑘 𝑇𝐵𝑖. 𝑊𝐵𝑖
Trong đó, TDi, TJi, TLi và TBi là các ngưỡng yêu cầu tương ứng của độ
trễ, độ biến thiên trễ, tỉ lệ mất gói và băng thông còn lại theo lớp QoS thứ i; Dk,
Jk, Lk và Bk là các giá trị tương ứng của độ trễ, độ biến thiên trễ, tỉ lệ mất gói và
băng thông còn lại của con đường thứ k;
Phần tiếp theo sẽ trình bày về phương pháp xác định trọng số cho các tham số QoS theo từng lớp.
2.2.3. Xác định trọng số của các tiêu chuẩn QoS
Để xác định trọng số cho các tiêu chuẩn QoS, phương pháp Phân tích thứ bậc AHP được [3] đề xuất sử dụng.. Khi áp dụng AHP vào bài toán chọn đường theo các tiêu chuẩn QoS, cây phân cấp được biểu diễn như Hình 2.1.
(5)
Hình 2.1. Cây AHP cho bài toán chọn đường đa tiêu chuẩn
Theo phương pháp AHP, đối với từng lớp ứng dụng có yêu cầu QoS khác nhau (ngưỡng tiêu chuẩn QoS khác nhau), cần thiết lập ma trận so sánh theo cặp cho từng lớp lưu lượng dữ liệu, sau đó tính véc tơ ưu tiên. Giá trị của các thành phần trong véc tơ ưu tiên là trọng số của các tham số QoS theo lớp lưu lượng.
Để xây dựng ma trận so sánh theo cặp cho từng lớp lưu lượng theo yêu cầu QoS, cần lượng hoá mối quan hệ theo độ quan trọng giữa các giá trị được lấy theo từng cặp từ các tiêu chuẩn: (độ trễ, độ biến thiên trễ, tỉ lệ mất gói và tốc độ dữ liệu). Trên cơ sở đặc tính của từng lớp ứng dụng, cách lượng hoá mối quan hệ về độ quan trọng và giá trị các ngưỡng tiêu chuẩn QoS trong Bảng 2.1, mối quan hệ về độ quan trọng giữa các cặp tiêu chuẩn theo từng lớp QoS được biểu diễn tương ứng trong các trong Bảng 2.2, Bảng 2.3 và Bảng 2.4
Cặp tiêu chuẩn QoS Mô tả Giá trị
Độ trễ - Độ biến thiên trễ Hơi quan trọng 2
Độ trễ - Tỉ lệ mất gói Rất quan trọng 6
Độ trễ - Tốc độ dữ liệu Cực kỳ quan trọng 8 Độ biến thiên trễ - Tỉ lệ mất gói Tương đối quan trọng 4 Độ biến thiên trễ - Tốc độ dữ liệu Rất quan trọng 6 Tỉ lệ mất gói - Tốc độ dữ liệu Tương đối quan trọng 3
Mục tiêu
Chọn đường tốt nhất
Bảng 2.2. Lượng hoá độ quan trọng của các tiêu chuẩn QoS Lớp 1
Cặp tiêu chuẩn QoS Mô tả Giá trị
Tỉ lệ mất gói – Độ trễ Rất quan trọng 5
Tỉ lệ mất gói – Độ biến thiên trễ Tương đối quan trọng 4 Tỉ lệ mất gói – Tốc độ dữ liệu Rất quan trọng 6 Độ biến thiên trễ - Độ trễ Tương đối quan trọng 3 Độ biến thiên trễ - Tốc độ dữ liệu Hơi quan trọng 2
Tốc độ dữ liệu – Độ trễ Hơi quan trọng 2
Bảng 2.3. Lượng hoá độ quan trọng của các tiêu chuẩn QoS Lớp 2
Cặp tiêu chuẩn QoS Mô tả Giá trị
Tỉ lệ mất gói – Độ trễ Rất quan trọng 6
Tỉ lệ mất gói – Độ biến thiên trễ Cực kỳ quan trọng 9 Tỉ lệ mất gói – Tốc độ dữ liệu Tương đối quan trọng 4 Tốc độ dữ liệu – Độ trễ Tương đối quan trọng 3 Tốc độ dữ liệu – Độ biến thiên trễ Rất quan trọng 5 Độ trễ - Độ biến thiên trễ Tương đối quan trọng 3
Bảng 2.4. Lượng hoá độ quan trọng của các tiêu chuẩn QoS Lớp 3
Từ Bảng 2.2, ma trận so sánh theo cặp cho Lớp 1 CM1 được hình thành với thứ tự các cột từ trái qua phải và các dòng từ trên xuống dưới là: độ trễ, độ biến thiên trễ, tỉ lệ mất gói, tốc độ dữ liệu.
𝐶𝑀1 = [ 1 2 6 8 1/2 1 4 6 1/6 1/4 1 3 1/8 1/6 1/3 1 ]
Theo [3], khi xây dựng ma trận so sánh theo cặp, để đảm bảo độ tin cậy và hội tụ của ma trận được thành lập làm cơ sở cho véc tơ trọng số được thành lập từ ma trận, độ nhất quán (CR) của ma trận phải có giá trị nhỏ hơn 0,1.
Với một ma trận so sánh theo cặp CM có kích thước nxn, phương pháp tính véc tơ trọng số được đề xuất trong [43] được tóm tắt như sau:
Bước 1: Thành lập ma trận biến đổi từ ma trận so sánh theo cặp bằng cách lấy từng phần tử chia cho tổng theo cột tương ứng chứa phần tử đó.
Bước 2: Tính véc tơ hạng [RV]. Mỗi phần tử của [RV] là căn bậc n của tích n
phần tử theo hàng của ma trận biến đổi.
Bước 3: Tính véc tơ trọng số [WV] = [CM] x [RV]
Bước 4: Tính véc tơ nhất quán [CV] = [WV] / [RV]
Bước 5: Tính hệ số và chỉ số nhất quán CI (Consistency Index)
𝜆 = 1 𝑛∑ 𝐶𝑉𝑖 𝑛 𝑖=1 𝐶𝐼 = (𝜆 − 𝑛)/(𝑛 − 1) Bước 6: Tính độ nhất quán CR CR = CI / RI
RI là chỉ số được xác định theo bảng quan hệ chỉ số được xác định theo Bảng 2.5
n 3 4 5 6 7 8 9 10
RI 0,052 0,882 1,109 1,248 1,342 1,406 1,450 1,510
Bảng 2.5. Quan hệ giữa chỉ số n và RI
Từ ma trận CM1, áp dụng phương pháp tính véc tơ trọng số được mô tả ở trên, ta tính được véc tơ trọng số W1và độ nhất quán CR1 cho Lớp 1 như sau:
𝑊1 = [ 0,533 0,317 0,101 0,049 ]và CR1= 0,026
Thực hiện tương tự với Lớp 2 và Lớp 3, ta có các kết quả sau:
𝐶𝑀2 = [ 1 1/3 1/5 1/2 3 1 1/4 2 5 4 1 6 2 1/2 1/6 1 ] => 𝑊2 = [ 0,078 0,202 0,604 0.116 ]và CR2=0,044 𝐶𝑀3 = [ 1 3 1/6 1/3 1/3 1 1/9 1/5 6 9 1 4 3 5 1/4 1 ] => 𝑊3 = [ 0,104 0,048 0,623 0,226 ]và CR3= 0,049
Các giá trị CR1, CR2 và CR3 của 3 ma trận tương ứng đều thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn 0,1. Do đó, các ma trận CM1, CM2, CM3 và các véc tơ trọng số
W1, W2và W3 đảm bảo đạt yêu cầu.
Các kết quả tính véc tơ trọng số của 3 lớp được tổng hợp trong Bảng 2.6.
Tiêu chuẩn QoS Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3
Độ trễ (delay) 0,533 0,078 0,104
Độ xáo trộn gói (jitter) 0,317 0,202 0,048 Tỉ lệ mất gói (packet loss ratio) 0,101 0,604 0,623 Tốc độ dữ liệu (data rate) 0,049 0,116 0,226
Bảng 2.6. Trọng số của các tiêu chuẩn QoS theo các lớp lưu lượng
2.3. Dự đoán chất lượng liên kết tại tầng MAC
Trong giao thức QCLR [3], hai tiêu chuẩn QoS là độ trễ và tỉ lệ mất gói được sử dụng để xác định độ ưu tiên của giao thức định tuyến dành cho các lớp
lưu lượng của tầng Ứng dụng. Vì vậy, để xây dựng hàm lượng giá cho độ đo định tuyến và cơ chế định tuyến phù hợp với yêu cầu QoS của tầng Ứng dụng, cần ước lượng giá trị độ trễ và tỉ lệ mất gói liên kết tại tầng MAC.
2.3.1. Ước lượng thời gian trễ theo thời gian phục vụ
Gọi Ts, Td, Tb, và Tt tương ứng là thời gian phục vụ, thời gian tạm dừng,
thời gian back-off và thời gian truyền của tiến trình truyền một frame qua một liên kết, theo [3], giá trị của Ts được xác định theo công thức (7)
𝑇𝑠 = 𝑇𝑑+ 𝑇𝑏 + 𝑇𝑡 (7)
Gọi Rn là số lần truyền frame và Ps là xác suất truyền thành công frame qua một liên kết, mối quan hệ giữa chúng được xác định bằng công thức (8)
𝑅𝑛 = 1 𝑃⁄ 𝑠 (8)
Theo phương pháp truy cập đường truyền CSMA/CA và thủ tục truyền PPDU, thời gian truyền thành công một frame qua một liên kết khi DCF hoạt động ở chế độ CSMA/CA cơ bản (𝑇𝑡𝑏𝑠)và chế độ CSMA/CA có cảm nhận sóng mang ảo (𝑇𝑡𝑛𝑎𝑣)được xác định tương ứng bằng công thức (9) và (10)
𝑇𝑡𝑏𝑠 = 𝑅𝑛(𝑆𝐼𝐹𝑆 +𝑃𝑃𝑠+ 𝑃𝐻𝑠 𝐵𝑟 + 𝐹𝐷𝑠 𝐷𝑟 ) +𝐴𝐶𝐾𝑠 𝐷𝑟 + 𝐷𝐼𝐹𝑆 𝑇𝑡𝑛𝑎𝑣 = 𝑅𝑛(3 ∙ 𝑆𝐼𝐹𝑆 +𝑃𝑃𝑠+ 𝑃𝐻𝑠 𝐵𝑟 + 𝐶𝑇𝑆𝑠 𝐷𝑟 + 𝐹𝐷𝑠 𝐷𝑟 + 𝑅𝑇𝑆𝑠 𝐷𝑟 ) +𝐴𝐶𝐾𝑠 𝐷𝑟 + 𝐷𝐼𝐹𝑆
Trong đó SIFS và DIFS là các khoảng thời gian được định nghĩa trong cơ chế DCF hoạt động trên cơ sở nguyên lý CSMA/CA; PPs là kích thước phần PLCP Preamble; PHs là kích thước phần PLCP Header; CTSs và RTSs tương
ứng là kích thước gói CTS và RTS; FDs là kích thước frame tại tầng MAC
(PSDU); Br là tốc độ truyền cơ bản và Dr là tốc độ truyền dữ liệu của tầng Vật
lý; ACKs là kích thước gói ACK.
(9)
Từ (8) và (9), ta có công thức (11) 𝑇𝑡𝑏𝑠 = 1 𝑃𝑠(𝑆𝐼𝐹𝑆 + 𝑃𝑃𝑠+ 𝑃𝐻𝑠 𝐵𝑟 + 𝐹𝐷𝑠 𝐷𝑟 ) +𝐴𝐶𝐾𝑠 𝐷𝑟 + 𝐷𝐼𝐹𝑆 Từ (8) và (10), ta có công thức (12) 𝑇𝑡𝑛𝑎𝑣 = 1 𝑃𝑠(3 ∙ 𝑆𝐼𝐹𝑆 +𝑃𝑃𝑠+ 𝑃𝐻𝑠 𝐵𝑟 + 𝐶𝑇𝑆𝑠 𝐷𝑟 + 𝐹𝐷𝑠 𝐷𝑟 + 𝑅𝑇𝑆𝑠 𝐷𝑟 ) +𝐴𝐶𝐾𝑠 𝐷𝑟 + 𝐷𝐼𝐹𝑆
Theo [3] thời gian truyền thành công frame có thể được ước lượng bằng công thức (13) như sau:
𝑇𝑡 = 1
𝑃𝑠
𝐹𝐷𝑠
𝑇ℎ𝑟𝑢𝑒
Trong đó, Thrue là thông lượng hiệu dụng của liên kết được đo theo tốc
độ hoạt động của liên kết sử dụng phương pháp truy cập môi trường truyền CSMA/CA cơ bản và CSMA/CA với kỹ thuật RTS/CTS. Các giá trị của thông lượng hiệu dụng này được tổng kết trong Bảng 2.7.
Tốc độ hoạt động của liên kết
(Mbps)
Thông lượng hiệu dụng của liên kết (Mbps) Có RTS/CTS Không RTS/CTS 1.0 0.89 0.94 2.0 1.64 1.8 5.5 3.52 4.34 11.0 5.17 7.15
Bảng 2.7. Thông lượng hiệu dụng của liên kết IEEE 802.11b
Khi một nút đang ở trong trạng thái chờ truy cập lại, nếu kênh truyền rỗi trong một khoảng thời gian ST, giá trị của bộ đếm back-off sẽ được giảm đi một đơn vị. Giá trị này được thiết lập ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 đến giá trị kích thước cửa sổ tương tranh (CW) của trạng thái back-off hiện tại. Khi một
(11)
(12)
nút đã truyền hết một frame mà không nhận được gói ACK sau khoảng thời gian SIFS, nó coi như việc truyền frame đã thất bại và bắt đầu tiến trình thử truyền lại frame ở một trạng thái back-off mới với giá trị CW tăng gấp đôi. Như vậy, thời gian back-off là tổng thời gian của tất cả các lần truyền lại được tính trên cơ sở xác suất truyền frame thành công, kết hợp với giá trị CW trung bình của các trạng thái back-off và giá trị ST của công nghệ IEEE 802.11.
Giả sử CWmin là giá trị CW ban đầu, tại trạng thái back-off thứ i, giá trị của CW (CWi) được tính theo CWmin theo công thức (14);
𝐶𝑊𝑖 = 2𝑖 ∙ 𝐶𝑊𝑚𝑖𝑛 (14)
Tại trạng thái back-off thứ i, do giá trị của bộ đếm back-off được thiết lập ngẫu nhiên theo phân phối đồng nhất trong khoảng [0, CWi-1] nên giá trị này được ước lượng bằng giá trị trung bình (CWi/2). Vì vậy thời gian để bộ đếm