Kịch bản thứ nhất bao gồm một chuỗi ba trạm với hai luồng như hình vẽ 5.1.
Hình 5.1: Kịch bản 1: vấn đề EIFS-lớn (Large-EIFS problem)
Ở đây (0, 0) nghĩa là tọa độ x-y của trạm R và tương tự với các trạm S1, S2. Tô- pô này được biết đến như vấn đề EIFS-lớn [4], được mô tả như hình 5.2. Trong kịch bản này, các trạm S1, S2 ở trong một miền phát; các trạm S1, R ở trong miền phát khác. Hai trạm S2 và R ở ngoài miền phát nhưng ở trong miền cảm nhận sóng mang.
Tại bước cuối trong quá trình bắt tay bốn bước từ phía gửi S1 đến phía nhận R, R gửi một khung ACK để hồi đáp khung dữ liệu từ S1, lúc đó S2 phát hiện được khung ACK này nhưng không thể giải mã nó. Do vậy, S2 phải chờ một khoảng EIFS trước khi truy cập kênh truyền, trong khi S1 chờ một khoảng DIFS – thường là nhỏ hơn EIFS. [4] đã chứng minh rằng lượng băng thông cấp phát cho S1 lớn hơn bốn lần cho S2 bởi vì vấn đề EIFS lớn.
Chúng ta sẽ phân tích hiệu năng mạng trong kịch bản này bằng cách giả định các trạm S1 và S2 sinh ra lưu lượng tại cùng mức tải được cung cấp (offered load) G đến R. Kết quả đánh giá được mô tả trong hình 5.2 và 5.3, ở đó, gồm bốn kết quả với các phương pháp: lập lịch FIFO, lập lịch PCRQ, Module Set I và Proposed Method
(gồm cả 2 tập môđun I, II trong lược đồ xuyên tầng).
Chỉ số công bằng được thể hiện trong hình 5.2. Khi mức tải được cung cấp G nhỏ, toàn bộ các thuật toán lập lịch đều có Fairness Index bằng 1. Khi G ở nên lớn hơn, trong lập lịch FIFO, luồng trực tiếp dần dần sẽ chiếm toàn bộ không gian bộ đệm, do đó chỉ số công bằng trở nên xấu. Trong lập lịch PCRQ [19], các gói tin đầu và đầu ra đến các hàng đợi Round Robin được kiểm soát, do đó thông lượng của mỗi luồng trở nên công bằng hơn và việc cấp phát băng thông tại tầng MAC cũng được cải thiện. Trong hình vẽ, giá trị tương ứng với giải pháp đề xuất lược đồ xuyên tầng (Proposed Method) thể hiện chỉ số công bằng rất tốt so với các giải pháp khác. Nếu chỉ sử dụng
Module Set I, chỉ số công bằng vẫn được cải tiến so với lập lịch FIFO.
Thông lượng tổng cộng của tất cả các luồng được thể hiện trong hình 5.3. Khi lượng tải đề xuất nhỏ, thông lượng tổng cộng của các phương pháp là như nhau. Khi lượng tải này lớn dần, với lập lịch PCRQ thì hiệu suất băng thông sẽ kém hiệu quả so với so với các phương pháp khác bởi vì lập lịch PCRQ gán một vài độ trễ với các gói tin trong các luồng đang có ưu thế. Trong Module Set I, S2 sẽ tăng cơ hội truy cập kênh truyền của mình bằng cách giảm thời gian quay lui, vì thế hiệu suất mạng cũng được cải thiện. Module Set I đạt được thông lượng tổng cộng tốt nhất trong số các phương pháp đánh giá. Bởi vì Module Set II gán thời gian quay lui lớn cho một vài gói tin của các luồng đang có ưu thế, dẫn đến kết quả Proposed Method (kết hợp Module Set I, II) sẽ đạt được thông lượng tổng cộng nhỏ hơn một chút so với việc sử dụng Module Set I và lập lịch FIFO.
Hình 5.3: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 1 5.2 Kịch bản 2: The Three-Pair Topology
Hình 5.4 thể hiện tô-pô của kịch bản 2. Vấn đề xem xét ở đây được nghiên cứu trong [8]. Trong kịch bản này, các cặp ngoài (external pairs) S1-S2 và S2-S3 ở ngoài miền phát nhưng ở trong miền cảm nhận sóng mang, vì thế các cặp S1-R1 và S3-R3 hoàn toàn độc lập, ví dụ chúng có thể gửi các gói tin liên tiếp mà không giao thoa với nhau. Do đó, hai cặp này sẽ chỉ tranh chấp băng thông với cặp trung tâm (central pair) S2-R2, trong khi cặp trung tâm này lại tranh chấp với cả hai cặp S1-R1 và S3-R3. Trong tô-pô này, cặp trung tâm không thể truy cập kênh truyền ở tình trạng bão hòa trong IEEE 802.11 [26].
Hình 5.4: Kịch bản 2: vấn đề three-pair
Chúng ta sẽ phân tích vấn đề không công bằng trong tô-pô này bằng cách giả thiết rằng các trạm S1, S2, S3 sinh lưu lượng tại cùng lượng tải đề xuất G tới R1, R2, R3. Các tính toán hiệu năng và lượng tải đề xuất được thể hiện trong hình 5.5 và 5.6.
Tính công bằng được chỉ ra trong hình 5.5. Khi lượng tải được cung cấp trở nên lớn, các phương pháp lập lịch FIFO và PCRQ không thể giúp cặp trung tâm truy cập đường truyền, bởi lập lịch PCRQ chỉ làm việc ở tầng liên kết, vì vậy không có thông tin về các luồng nằm ngoài miền phát. Do đó, nó không thể cải tiến tính công bằng ở tầng MAC. Trong mô hình xuyên tầng, cặp trung tâm sẽ nhìn thấy rằng băng thông của nó nhỏ hơn lượng băng thông cấp phát. Vì thế giải pháp xuyên tầng được đề xuất sẽ cố gắng cải tiến cơ hội truy cập kênh truyền bằng cách giảm thời gian quay lui của trạm S2. Do đó, giải pháp này có thể đạt được tính công bằng khá tốt ở tầng MAC và tính công bằng trên mỗi luồng. Module Set I thể hiện cùng kết quả như giải pháp được đề xuất, bởi vì không có tranh chấp ở tầng liên kết trong tô-pô này.
Thông lượng tổng cộng của toàn bộ các luồng được biểu diễn trong hình 5.6. Khi tải được cung cấp G trở nên lớn, Module Set I và Proposed Method đạt được thông lượng tổng cộng nhỏ hơn so với các phương pháp khác. Hiện tượng này được giải thích như sau. Trong các phương pháp lập lịch FIFO, PCRQ, cặp trung tâm không thể truy cập băng thông của kênh truyền và hai cặp ngoài có thể sử dụng toàn bộ băng thông của kênh truyền. Vì vậy, thông lượng tổng cộng sẽ bằng hai lần băng thông của toàn bộ kênh truyền. Trong khi với Module Set I và Proposed Method, sự công bằng ở tầng MAC được đảm bảo, vì vậy cặp trung tâm có thể đạt được một nửa băng thông của kênh truyền, do đó hai cặp ngoài chỉ còn một nửa băng thông của kênh truyền. Kết cục là thông lượng tổng cộng sẽ là 1,5 lần băng thông của kênh truyền.
Hình 5.6: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 2 5.3 Kịch bản 3: The Long Station Chain Topology
Kịch bản 3 bao gồm một chuỗi gồm năm trạm với bốn luồng như hình 5.7. Các trạm S1, S2, S3 và S4 sinh ra lưu lượng với cùng tải được cung cấp G đến trạm R. Kịch bản này đối mặt với sự tranh chấp lớn hơn ở các tầng MAC và liên kết so với kịch bản 1.
Hình 5.7: Kịch bản 3: Chuỗi năm trạm với bốn luồng
Các kết quả đánh giá được thể hiện trong hình 5.8 và 5.9. Kết quả cho thấy cả hai cách lập lịch PCRQ và Proposed Method đều có sự công bằng tốt hơn so với các phương pháp khác.
Hình 5.9: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 3 5.4 Kịch bản 4: The Grid Topology
Kịch bản 4 là một tô-pô dạng lưới với mật độ các trạm cao cũng như mật độ lưu lượng lớn như hình 5.10. Trong kịch bản này, các cột được phân chia bởi một khoảng cách lớn hơn so với miền phát như nhỏ hơn miền cảm nhận sóng mang. Các trạm ở cùng cột sinh ra lưu lượng với cùng mức tải cung cấp G đến phía nhận ở cùng cột. Tô- pô này đối mặt với cả hai vấn đề không công bằng như ở các kịch bản 1 và 2.
Hình 5.10: Kịch bản 4: kịch bản lưới
Chỉ số công bằng giữa sáu luồng đươc thể hiện ở hình 5.11. Khi tải được cung cấp G trở nên lớn, mỗi phương pháp cho các giá trị Fairness Index khác nhau do sự
tranh chấp giữa luồng trực tiếp và các luồng chuyển tiếp tại tầng liên kết, và do cả các hiện tượng large-EIFS (kịch bản 1) và three-pair (kịch bản 2) tại tầng MAC. Chỉ số công bằng của cách lập lịch FIFO là xấu nhất bởi vì các vấn đề không công bằng ở cả tầng MAC và tầng liên kết. Với cùng lý do đã được giải thích ở kịch bản 2, cách lập lịch PCRQ không thể giải quyết sự không công bằng trong hiện tượng three-pair. Do đó, chỉ số công bằng của lập lịch PCRQ cũng không thật tốt. Module Set I vẫn chưa giải quyết được sự tranh chấp ở tầng liên kết. Proposed Method đạt được tính công bằng trên mỗi luồng tốt nhất trong số các phương pháp này bởi vì cải tiến được tính công bằng ở cả tầng MAC và tầng liên kết.
Hình 5.11: Chỉ số công bằng trong kịch bản 4
Hiệu năng của thông lượng tổng cộng được thể hiện trong hình 5.12. Tại lượng tải được cung cấp, thông lượng tổng cộng của Proposed Method nhỏ hơn các phương pháp khác bởi cùng lý do như trong kịch bản 2.
Hình 5.12: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 4
5.5 Kịch bản 5: The Random Topology
Kịch bản 5 là một tô-pô ngẫu nhiên, được hình thành bởi 50 trạm ở các vị trí ngẫu nhiên trong một vùng kích thước 1000m × 1000m. Giữa 50 trạm này, n trạm được chọn ngẫu nhiên và n trạm này sinh ra các lưu lượng UDP đến một trạm đích. Tổng cộng lượng tải được cung cấp của các trạm nguồn được đặt bằng với tỷ lệ dữ liệu của kênh truyền là 2 Mbps.Giá trị trung bình của Fair Index và tổng thông lượng đầu cuối được dùng như những thước đo để so sánh. Mỗi điểm dữ liệu được tính trung bình thông qua 20 mô phỏng. Kết quả mô phỏng được thể hiện trong hình 5.13 và 5.14.
Hình 5.13: Chỉ số công bằng trong kịch bản 5
Hình 5.14: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 5 5.6 Kịch bản 6: The Large-EIFS Topology (dữ liệu TCP)
Các kịch bản từ 1 đến 5 đều được thực hiện với dữ liệu UDP. Kịch bản thứ 6 có mô hình tương tự kịch bản 1 nhưng với dữ liệu TCP. Với TCP, chúng ta chủ yếu xem xét tính công bằng, kết quả thực hiện cũng cho chỉ số công bằng (Fairness Index) của các giải pháp được đề xuất tốt hơn so với các giải pháp truyền thống:
Phương pháp Chỉ số công bằng
FIFO 0.770154027
PCRQ 0.8438112
Module Set I 0.974826142
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận
Trong luận văn này, các vấn đề về tính công bằng trong mạng không dây ad hoc đa chặng đã được nghiên cứu, chủ yếu tập trung vào lý do tại sao các phương pháp lập lịch FIFO và Round Robin chỉ cho hiệu năng thấp. Lập lịch FIFO chỉ có một hàng đợi, do đó nó không thể giải quyết vấn đề tranh chấp ở tầng liên kết. Lập lịch Round Robin cũng hoạt động không hiệu quả bởi các băng thông được cấp phát tại tầng MAC và không thích hợp cho các luồng chuyển tiếp và luồng trực tiếp ở tầng liên kết.
Luận văn đã tìm hiểu một phương pháp lập lịch mới được đề xuất, phương pháp PCRQ [19] ở tầng liên kết để giải quyết các vấn đề trên. Bằng cách kiểm soát số gói tin đầu vào của hàng đợi, thời gian xoay vòng của các hàng đợi đang được đọc, và số gói tin đầu ra của hàng đợi, lập lịch PCRQ sẽ gián tiếp điều khiển kênh truyền được chia sẻ ở tầng MAC. Vì hoạt động ở tầng liên kết nên phương pháp này có thể cài đặt ở router mà không cần thay đổi phần cứng.
Ngược lại với giải pháp PCRQ chỉ hoạt động ở tầng liên kết, một giải pháp xuyên tầng cũng được tìm hiểu trong luận văn, giải pháp được đề xuất trong [23] hoạt động ở các tầng vật lý, MAC và liên kết nhằm đạt được sự công bằng giữa các trạm cũng như sự công bằng trên từng luồng trong trạm. Với giải pháp xuyên tầng này, cửa sổ tranh chấp CW sẽ được chọn lựa với một giá trị tốt để đạt được sự cấp phát băng thông công bằng giữa các trạm cũng như giữa các luồng trong trạm.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
Dựa trên những nghiên cứu trong luận văn, hướng tiếp theo của đề tài này có thể tìm hiểu đánh giá về tính công bằng đối với các lưu lượng kiểu TCP, ví dụ TCP không phân biệt được các gói tin bị mất mát do tắc nghẽn mạng với các gói tin bị mất do lỗi kết nối không dây. Lược đồ xuyên tầng đã được tìm hiểu trong luận văn có thể được mở rộng theo hướng xem xét thông tin trao đổi giữa tầng MAC và tầng TCP nhằm cải tiến hiệu năng của các mạng có lưu lượng hỗn hợp cả TCP và UDP.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] I. S. Department, “IEEE 802.11 Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications,” ANSI/IEEE Standard 802.11, 1999. [2] G. Forman and J. Zahorjan, “The challenges of mobile computing,” IEEE
Computer, vol. 27, no. 4, pp. 38–47, 1994.
[3] S. Xu and T. Saadawi, “Does the IEEE 802.11 MAC Protocol Work Well in Multihop Wireless Ad Hoc Networks?,” IEEE Communications Magazine, pp. 130–137, 2001.
[4] Z. Li, S. Nandi, and A. K. Gupta, “ECS: An Enhanced Carrier Sensing Mechanism for Wireless Ad-hoc Networks,” Computer Communication, vol. 28, no. 17, pp. 1970–1984, 2005.
[5] J. Jangeun and M. Sichitiu, “Fairness and QoS in Multihop Wireless Networks,” IEEE Vehicular Technology Conference, vol. 5, pp. 2936–2940, 2003.
[6] O. Shagdar, K. Nakagawa, and B. Zhang, “Achieving Per-Flow Fairness in Wireless Ad Hoc Networks,” Elec. Comm. in Japan, Part 1, vol. 89, no. 8, pp. 37–49, 2006.
[7] H. Izumikawa, K. Sugiyama, and S. Matsumoto, “Scheduling Algorithm for Fairness Improvement among Subscribers in Multihop Wireless Networks,”
Elec. Comm. in Japan, Part 1, vol. 90, no. 4, pp. 11–22, 2007. [8] The Network Simulator: ns-2. http://www.isi.edu/nsnam/ns/.
[9] P. Gupta and P. R. Kumar, “The capacity of wireless networks,” IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-46, pp. 388–404, 2000.
[10] J. Li, “Capacity of Ad Hoc Wireless Networks,” ACM/IEEE MobiCom’01, pp. 61–69, 2001.
[11] H. T. Friis, “A note on a simple transmission formula,” Proceedings of the IRE, vol. 34, pp. 254–256, 1946.
[12] T. S. Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice. New Jersey: Prentice Hall, 1996.
[13] C. Perkins and P. Bhagwat, “Highly dynamic destination-sequenced distance- vector routing (DSDV) for mobile computers,” In Proceedings of the conference on Com- munications architectures, protocols and applications, pp. 234–244, 1994.
[14] D. B. Johnson and D. A. Maltz, “Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks,” in Mobile Computing, vol. 353, ch. 5, pp. 153–181, Kluwer Academic Publishers, 1996.
[15] C. E. Perkins, E. M. Belding-Royer, and S. R. Das, “Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing,” RFC Experimental 3561, Internet Engineering Task Force, July 2003.
[16] V. D. Park and M. S. Corson, “A Highly Adaptive Distributed Routing Algorithm for Mobile Wireless Networks,” in IEEE Conference on Computer Communications, INFOCOM’97, April 7-11, 1997, Kobe, Japan, vol. 3, pp. 1405–1413, IEEE, IEEE, April 1997.
[17] V. Bharghavan, A. Demers, S. Shenker, and L. Zhang, “MACAW: a media access protocol for wireless LAN’s,” SIGCOMM Comput. Commun. Rev., vol. 24, no. 4, pp. 212–225, 1994.
[18] P. T. Giang, O. Shagdar, and K. Nakagawa, “FAIRNESS IN MULTIHOP AD HOC NETWORKS,” IEICE General Conference, p. 248, 2007.
[19] P. T. Giang and K. Nakagawa, “Archieving fairness over 802.11 multi-hop wireless ad hoc networks,” IEICE Trans. Commun., vol. E92-B, no. 8, pp. 2628-2637, Aug. 2009.
[20] Tcl: Tool Command Language. http://www.tcl.tk/.
[21] D. Vardalis, “On the Efficiency and Fairness of TCP over Wired/Wireless Networks,” Master’s thesis, State University of New York at Stony Brook, 2001. [22] P. T. Giang, “Fairness and throughput improvement for multi-hop wireless ad
hoc networks,” Doctor’s thesis, Department of Electrical, Electronics and Information Engineering, Nagaoka University of Technology (NUT), Japan, 2010.
[23] PT. Giang and K. Nakagawa, “Cross-Layer Scheme to control Contention Window for per-flow Fairness in Asymmetric Multi-hop Networks,” IEICE TRANSACTIONS on Communications Vol.E93-B No.9 pp.2326-2335, 2010. [24] Đỗ Đình Cường, Luận án thạc sĩ “Nghiên cứu hoạt động của một số giao thức
định tuyến trong mạng không dây kiểu không cấu trúc,” Đại học Thái Nguyên, hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Văn Tam, 2005.
[25] R. Jain, D. M. Chiu, and W. Hawe, “A quantitative measure of fairness and discrimination for resource allocation in shared computer systems,” Technical Report TR-301, DEC Research Report, 1984.
[26] C. Chaudet, I.G. Lassous, E. Thiery, and B. Gaujal, “Study of the impact of asymmetry and carrier sense mechanism in ieee 802.11 multi-hops networks
through a basic case,” PE-WASUN’04: Pro. 1st ACM international workshop