Tóm tắt luận án Tiến sĩ Toán học: Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây Adhoc của chuẩn IEEE 802.11 EDCA

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án đã đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong phương thức truy nhập phân tán IEEE 802.11 EDCA. Luận án cũng đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy Logic để điều khiển thông minh một số tham số trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Toán học: Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây Adhoc của chuẩn IEEE 802.11 EDCA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- LƯƠNG DUY HIẾU NÂNG CAO HIỆU NĂNG THÔNG LƯỢNG VÀ ĐỘ CÔNG BẰNG TRONG MẠNG KHÔNG DÂY AD HOC CỦA CHUẨN IEEE 802.11 EDCA Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho Tin học Mã số: 9 46 01 10 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC Hà Nội – 2020
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Thái Quang Vinh Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Phạm Thanh Giang Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: …. Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Ngày nay, công nghệ truyền dẫn không dây (Wireless Technology) đang phát triển rất nhanh chóng và được sử dụng như hạ tầng cơ sở phục vụ cho việc kết nối các thiết bị, thậm chí cả con người với nhau và với mạng Internet. Các công nghệ kết nối không dây tốc độ cao như WiFi, 4G, 5G. . . cho phép các thiết bị có thể được kết nối dễ dàng, hiệu quả và kinh tế. Trong đó loại hình mạng không dây di động adhoc được đánh giá cao bởi tính tiện dụng và có miền ứng dụng rộng lớn. Các ứng dụng điển hình của mạng adhoc trải rộng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống từ quân sự đến dân sự với nhiều biến thể khác nhau. Tiêu biểu như trong lĩnh vực quân sự với mạng FANET [44] cho phép thu thập thông tin tình báo, xây dựng bản đồ tác chiến. Trong lĩnh vực dân sự với mạng VANET [35, 15] cho phép triển khai các dịch vụ cho giao thông thông minh, với mạng BAN [9] được ứng dụng trong lĩnh vực y tế cho phép triển khai các dịch vụ theo dõi chăm sóc sức khỏe cộng đồng. Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu về mạng adhoc ở trong [5, 1, 2] và ngoài nước [51, 7, 24, 36] được giới nghiên cứu quan tâm, bởi nó mang lại giá trị thực tiễn và giá trị khoa học, giúp mở ra nhiều cơ hội ứng dụng và nâng cao tiềm lực công nghệ cho mỗi quốc gia. Nhiều bài toán quan trọng vẫn đang được các nhà khoa học giải quyết như điều khiển truy nhập, vấn đề tìm đường đi, truyền thông tin cậy, đảm bảo chất lượng dịch vụ [4, 3],...Trong đó, một phân lớp đang được cộng đồng nghiên cứu quan tâm là đi sâu giải quyết những bài toán then chốt tại tầng điều khiển truy nhập MAC trên chuẩn IEEE 802.11 nhằm cải thiện hiệu năng và nâng cao chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng trong mạng không dây adhoc. Bài toán trong phân lớp này, bao hàm nhiều vấn đề cần giải quyết với các ràng buộc kỹ thuật phức tạp. Đó là vấn đề tranh chấp tài nguyên và va chạm truyền phát giữa các nút mạng và giữa các luồng dữ liệu trong mạng. Các liên kết không dây lỗi bít cao khiến các gói tin phải truyền lại nhiều lần, làm hạ thấp băng thông hiệu dụng. Các yếu tố bên ngoài như nhiễu kênh vô tuyến, giao thoa, fading ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu truyền. Trong mạng adhoc đa chặng, một trạm phải truyền đi cả luồng trực tiếp được sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng chuyển tiếp
2 được sinh ra bởi các luồng hàng xóm, do đó phải chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm khác. Hiệu ứng của sự tranh chấp này làm ảnh hưởng đến hiệu năng mạng. Trước sự gia tăng mạnh mẽ của các ứng dụng trên nền tảng mạng không dây, nhu cầu nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu năng cho mạng adhoc trở thành vấn đề cấp thiết. Nắm bắt xu thế đó, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây adhoc của chuẩn IEEE 802.11 EDCA”. Để đảm bảo tính khả thi trong việc nghiên cứu với điều kiện giới hạn về thời gian, hạ tầng trang thiết bị hiện có, nghiên cứu sinh tập trung vào hướng nghiên cứu nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng tại tầng điều khiển truy nhập MAC theo phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA trên chuẩn IEEE 802.11. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài (1) Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong IEEE 802.11 EDCA. (2) Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy Logic để điều khiển thông minh một số tham số trong IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu. 3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài Luận án tập trung vào các đối tượng sau đây của mạng adhoc: (1) Tầng điều khiển truy nhập môi trường truyền MAC (Medium Access Control). (2) Phương thức điều khiển truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access). 4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu các tham số trong cơ chế truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao hiệu năng cho các luồng dữ liệu theo các chỉ số đo lường cơ bản gồm thông lượng và chỉ số công bằng. 5. Phương pháp nghiên cứu (1) Nêu vấn đề đang tồn tại của đối tượng nghiên cứu. (2) Phân tích, khảo sát các yếu tố ảnh hướng đến đối tượng nghiên
3 cứu. (3) Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước về đối tượng và đưa ra phương pháp tiếp cận mới của tác giả. (4) Xây dựng thuật toán, mô hình để giải quyết vấn đề được nhận diện. (5) Kiểm tra tính đúng đắn bằng các kỹ thuật tin cậy. 6. Ý nghĩa nghiên cứu của đề tài (1) Giá trị thực tiễn: Nhiều ứng dụng trên nền tảng mạng không dây, đặc biệt là trong mạng adhoc như giao thông thông minh, y tế thông minh, nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh được dự báo sẽ trở nên phổ biến và có ảnh hưởng lớn tới đời sống xã hội trong nhiều thập kỷ tới. Giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng cho mạng không dây adhoc là vấn đề có tính thời sự, mang lại nhiều ý nghĩa trong việc triển khai các ứng dụng đòi hỏi khắt khe về thông lượng, độ tin cậy và tính sẵn sàng cao. (2) Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án góp phần hỗ trợ trong việc đào tạo cán bộ trình độ cao, đẩy mạnh ứng dụng kết quả nghiên cứu cơ bản, đóng góp thiết thực cho việc phát triển kinh tế - xã hội của đất nước; góp phần nâng cao tiềm lực nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực công nghệ cao, thúc đẩy đổi mới công nghệ trong các lĩnh vực của cuộc cách mạng công nghệ 4.0. 7. Đóng góp vào tính mới của đề tài luận án (1) Luận án đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA. (2) Luận án đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh một số tham số trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu. (3) Ngoài hai đề xuất có tính mới mang tính lý thuyết, luận án thực hiện khảo sát phân tích, đánh giá ảnh hưởng các tham số trong IEEE 802.11 EDCA tới hiệu năng mạng adhoc qua việc xây dựng bộ mô phỏng với các tham số riêng. Luận án trình bày kết quả một thực nghiệm trong việc truyền dữ liệu đa phương tiện ứng dụng cho mạng VANET, một trường hợp điển hình của mạng adhoc.
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY ADHOC Trong chương này, luận án trình bày các yếu tố liên quan đến hiệu năng mạng adhoc, các hướng tiếp cận chủ đạo, đánh giá ưu nhược từ những nghiên cứu trong nước và ngoài nước để xác định những vấn đề còn tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu. 1.1. Giới thiệu mạng adhoc Mạng không dây adhoc hiện có nhiều định nghĩa, mỗi định nghĩa có cách diễn đạt khác nhau nhưng đều thể hiện đặc tính cơ bản của mạng adhoc là tính độc lập và tự kết nối. 1.1.1. Một số đặc tính của mạng adhoc Bên cạnh những ưu điểm vốn có, mạng adhoc tồn tại nhiều đặc tính khi ứng dụng vào thực tế phải đối diện với nhiều thách thức [51, 45, 52]. Dưới đây liệt kê một số đặc tính điển hình: (1) Tô-pô mạng động (2) Năng lượng hạn chế (3) Băng thông hữu hạn và bán kính phát sóng ngắn (4) Nhiều thách thức về bảo mật (5) Đường truyền kém tin cậy 1.1.2. Ứng dụng của mạng adhoc (1) Lĩnh vực dân sự: Một biến thể của mạng adhoc là mạng VANET [35, 15] được phát triển để ứng dụng trong lĩnh vực giao thông thông minh (ITS). Xe tự hành là một ví dụ điển hình cho mạng VANET, ở đó hệ thống sẽ tự động kết nối, liên lạc và tự thực hiện các tác vụ, như phát hiện làn đường, nhận dạng chướng ngại vật. Trong nghiên cứu [CT3] NCS xây dựng một thực nghiệm trên xe tự hành với mục tiêu kiểm soát việc xử lý dữ liệu đa phương tiện phục vụ trong điều khiển xe tự hành. Đây cũng là một đóng góp trong hướng nghiên cứu nâng cao hiệu năng cho các ứng dụng trên mạng adhoc được nghiên cứu sinh thực hiện và công bố tại [CT3] [CT4] [CT8]. (2) Lĩnh vực quân sự: Trong hầu hết các hoạt động về quân sự thường
5 diễn ra nhanh, không có sẵn hạ tầng mạng cố định. Do đó mạng adhoc đáp ứng nhu cầu về tính linh hoạt, triển khai nhanh, kết nối di động. Một biến thể của adhoc là mạng FANET [44] được phát triển để kết nối với các máy bay không người lái (UAV). Mỗi phương tiện bay có thể trao đổi thông tin với nhau và có khả năng thu thập dữ liệu điều khiển từ các nút mạng dưới mặt đất để thực hiện các nhiệm vụ như thu thập thông tin tài nguyên rừng, tài nguyên nước, biến đổi khí hậu, thông tin tình báo và xây dựng bản đồ khu vực. 1.2. Phương pháp đánh giá hiệu năng mạng adhoc Có ba phương pháp phổ biến được sử dụng để đánh giá hiệu năng mạng là phương pháp đánh giá bằng thực nghiệm, phương pháp đánh giá bằng mô hình giải tích và phương pháp đánh giá bằng mô hình mô phỏng. 1.3. Hướng tiếp cận giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng Để giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng trong mạng adhoc, hiện nay có nhiều hướng tiếp cận, trong đó nổi lên ba hướng tiếp cận chủ đạo sau: Hướng tiếp cận về giao thức định tuyến [30, 80, 70, 32, 53]; Hướng tiếp cận về cơ chế xử lý hàng đợi [12, 61, 63] và Hướng tiếp cận về phương thức truy nhập môi trường truyền [32, 13, 18, 50, 34, 57]. 1.3.1. Hướng tiếp cận về giao thức định tuyến Xây dựng chiến lược tìm đường đi tối ưu thông qua việc thiết lập và duy trì thông tin định tuyến tại các nút mạng. 1.3.2. Hướng tiếp cận về cơ chế xử lý hàng đợi Tập trung vào các giải pháp nhằm kiểm soát các gói tin đi vào và đi ra hàng đợi từ đó điều chỉnh lưu lượng giữa các luồng và các nút mạng một cách thích hợp. 1.3.3. Hướng tiếp cận về truy nhập môi trường truyền Tập trung vào giải quyết vấn đề tương tranh tại tầng MAC. Trong đó chủ yếu là cải tiến các giao thức truy nhập phân tán (DCF, EDCA) và cải tiến các tham số trong giao thức truy nhập phân tán nâng cao. 1.4. Hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu Trên cơ sở phân tích những hướng tiếp cận chủ đạo ở trên, luận án chọn hướng tiếp cận theo phương thức điều khiển truy nhập môi trường
6 truyền nhằm cải tiến các tham số trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA. Hướng tiếp cận này được lựa chọn dựa trên những vấn đề còn tồn tại trong việc thiết lập bộ giá trị tham số ưu tiên IEEE 802.11 EDCA cho mạng adhoc. (1) Vấn đề về tính cố định trong bộ tham số điều khiển truy nhập phân tán nâng cao trong IEEE 802.11 EDCA. Nhiều nghiên cứu [19, 20, 21] chỉ ra rằng, phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA đã đáp ứng phần nào việc đảm bảo QoS cho dữ liệu đa phương tiện, tuy nhiên nhiều chỉ số hiệu năng vẫn còn hạn chế vì yếu tố cố định giá trị cho bộ tham số trong IEEE 802.11 EDCA. (2) Vấn đề về tính công bằng trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA. Sự cạnh tranh về môi trường truyền theo mức độ ưu tiên khác nhau đặt ra những thách thức về bài toán nâng cao tính công bằng trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA đối với mạng adhoc. Để giải quyết bài toán đặt ra, luận án nghiên cứu các nội dung chủ yếu sau. Nội dung 1: Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng một số tham số trong IEEE 802.11 EDCA có ảnh hưởng đến thông lượng các luồng dữ liệu ưu tiên tới hiệu năng mạng adhoc. Nội dung 2: Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong IEEE 802.11 EDCA. Nội dung 3: Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh một số tham số trong IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu. 1.5. Kết luận chương Chương 1, luận án hệ thống lại những lý thuyết cơ bản của mạng adhoc, đông thời điểm lại những nghiên cứu liên quan theo các hướng tiếp cận chủ đạo mà các nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã đạt được. Trên cơ sở đó, luận án trình bày định hướng nghiên cứu để giải quyết các vấn đề mình lựa chọn.
7 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BỘ THAM SỐ TRUY XUẤT KÊNH TRUYỀN PHÂN TÁN NÂNG CAO IEEE 802.11 EDCA Trong chương này, luận án phân tích cơ chế điều khiển truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA thông qua việc khảo sát các tham số điều khiển truy nhập môi trường truyền trong IEEE 802.11 EDCA nhằm đánh giá sự tác động, ảnh hưởng đến chất lượng các luồng Voice, Video và Best-effort. 2.1. Phương thức truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA 2.1.1. Tổng quan IEEE 802.11 EDCA Cơ chế EDCA cài đặt trên các thực thể chuẩn IEEE 802.11 sử dụng các hàng đợi để nhận và xử lý những frame cần truyền đi, phân loại tương ứng với từng AC (Access Categories). Để cung cấp chất lượng dịch vụ, cơ chế IEEE 802.11 EDCA áp dụng bốn bộ tham số độc lập cho từng hàng đợi. IEEE 802.11 EDCA được xem là một phiên bản nâng cấp của IEEE 802.11 DCF, theo cơ chế tranh chấp truy nhập môi trường truyền sử dụng CSMA/CA và hàm quay lui (back-off), nhưng dựa trên những tham số đặc trưng cho từng AC để tạo các mức ưu tiên tranh chấp khác nhau [79, 65]. 2.1.2. Định dạng cấu trúc trường thông tin IEEE 802.11 EDCA Cấu trúc trường thông tin cho tập các tham số EDCA được biểu diễn tại Hình 2.1. Trong đó, trường thông tin cho các loại AC (AC_BE, AC_BK, AC_VI, AC_VO) sử dụng 4 bytes, mỗi AC bao gồm các trường chứa thông tin tập tham số của EDCA như Hình 2.1. Hình 2.1: Cấu trúc trường thông tin EDCA [43] Chức năng EDCAF chịu trách nhiệm gán quyền truy nhập lên môi trường truyền dựa vào các giá trị ưu tiên được thiết lập trong mỗi AC.
8 2.1.3. Cơ chế truy nhập kênh truyền IEEE 802.11 EDCA Cơ chế truy nhập kênh truyền được thực hiện thông qua bộ tham số thiết lập cho mỗi AC theo mức độ ưu tiên của từng kiểu dữ liệu. Mỗi AC bao gồm các tham số AIF S[AC], CWmin [AC], CWmax [AC] và T XOP [AC]. (1) Tham số CWmin , CWmax : là giới hạn nhỏ nhất, lớn nhất của cửa sổ tương tranh (CW). Trong đó tham số CWmin [AC], CWmax [AC] cho phép xác định hệ số Backoff[AC] theo công thức (2.1). Backof f [AC] = Random[0, min(2k (CWmin [AC] + 1) − 1, CWmax [AC]) (2.1) Với k là số lần truyền xảy ra xung đột. (2) Tham số AIFS[AC]: xác định khoảng thời gian tối thiểu trước khi thực hiện truyền một frame và thực hiện giảm bộ đếm biến backof f . AIF S[AC] = AIF S[AC] × Te + SIF S (2.2) Trong đó, Te là biến thời gian cho 1 slot time. (3) TXOP(Tranmission Opportunity): là khoảng thời gian truyền tối đa khi luồng được quyền truyền dữ liệu. T XOP [AC] = TDAT A + 2 × SIF S + TACK (2.3) Trong đó, thoảng thời gian truyền thông báo gồm toàn bộ quá trình trao đổi frame, như khoảng thời gian chờ SIFS, thời gian truyền ACK, thời gian truyền dữ liệu và thời gian gửi nhận RTS/CTS nếu sử dụng cơ chế RTS/CTS. 2.2. Xây dựng mô phỏng đánh giá ảnh hưởng các tham số trong IEEE 802.11 EDCA 2.2.1. Thiết lập mô hình mạng và môi trường mô phỏng Công cụ mô phỏng được sử dụng là Network Simulator (NS-2) [6]. Các tham số mô phỏng cơ bản như tốc độ truyền dữ liệu R=11Mbps, kiểu ăng- ten đẳng hướng, cự ly phát 250m, cự ly cảm nhận sóng mang 500m. Giao thức MAC 802.11 EDCA theo chuẩn của IEEE. Kích thước bộ đệm 100 gói. Thời gian mô phỏng 150s. Kiểu kết nối UDP, nguồn sinh lưu lượng tốc độ không đổi CBR. Mô hình sử dụng cho kịch bản đơn chặng, gồm một nút phát S và một nút nhận D. Nút phát S gửi 3 luồng Best-Effort, Video and Voice tới nút D.
9 2.2.2. Kịch bản đánh giá tham số TXOP Bảng 2.1: Các kịch bản đánh giá tham số TXOP AC TXOP Case 1 TXOP Case 2 TXOP Case 3 BE 3.264(ms) 6.016(ms) 10(ms) VI 6.016(ms) 6.016(ms) 6.016(ms) VO 3.264(ms) 3.264(ms) 3.264(ms) 2.2.3. Kịch bản đánh giá tham số CW Bảng 2.2: Các kịch bản đánh giá tham số CW CW Case 1 CW Case 2 CW Case 3 Min Max Max Min Max Min BE 15 31 7 15 2 7 VI 15 31 15 31 15 31 VO 7 15 7 15 7 15 2.2.4. Phân tích quả mô phỏng đánh giá tham số TXOP, CW Kết quả thông lượng luồng BE đánh giá tham số TXOP theo các kịch bản tại Bảng 2.1 được thể hiện tại Hình 2.2a. Kết quả thông lượng luồng BE đánh giá tham số CW theo các kịch bản tại Bảng 2.2 được thể hiện tại Hình 2.2b. (a) (b) Hình 2.2: Kết quả: (a) Throughput các luồng BE cho từng kịch bản tại Bảng 2.1; (b) Throughput các luồng BE cho từng kịch bản tại Bảng 2.2 Kết quả về chỉ số công bằng đánh giá tham số TXOP theo từng kịch bản tại Bảng 2.1 được thể hiện tại Bảng 2.3. Kết quả về chỉ số công bằng các luồng đánh giá tham số CW theo các kịch bản tại Bảng 2.2 được thể
10 hiện tại Bảng 2.4. Bảng 2.3: Bảng chỉ số công bằng cho các kịch bản tại Bảng 2.1 802.11 EDCA TXOP Case 1 TXOP Case 2 TXOP Case 3 0.6 0.67 0.8 0.78 Bảng 2.4: Bảng chỉ số công bằng cho các kịch bản theo Bảng 2.2 802.11 EDCA CW Case 1 CW Case 2 CW Case 3 0.6 0.67 0.79 0.77 Từ hai chỉ số đo lường của hiệu năng là thông lượng và độ công bằng thu được qua các kịch bản mô phỏng, luận án đưa ra các nhận xét sau: (1) Nếu nâng cao chỉ số công bằng thì giá trị thông lượng sẽ bị thu hẹp lại. Hai tham số này được xem là tỷ lệ nghịch nhau. (2) Giá trị tham số TXOP, CW tại các luồng ít ưu tiên nếu được tăng dần sẽ kéo theo việc tăng thông lượng nhưng chỉ số công băng sẽ phá vỡ vì thế việc đảm bảo giữa thông lượng và chỉ số công bằng cần điều chỉnh các giá trị TXOP, CW một cách linh hoạt. (3) Tham số TXOP, CW trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA được thiết lập theo giá trị mặc định do IEEE 802.11 đưa ra không phù hợp với mạng adhoc [75, 10, 25, 49] do tô-pô mạng luôn biến đổi trong điều kiện có sự chia sẻ băng thông với các nút láng giềng. 2.3. Kết luận chương Trong chương này, luận án tập trung phân tích cơ chế hoạt động của phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA. Xây dựng các kịch bản mô phỏng khác nhau cho hai tham số quan trọng trong phương thức truy nhập phân tán IEEE 802.11 EDCA để đánh giá tác động đến hiệu năng mạng. Việc đánh giá nhằm xác định vai trò cụ thể của các tham số TXOP và CW đối với luồng Voice, Video và Best Effort theo hai tiêu chí của hiệu năng là thông lượng và độ công bằng. Thông qua đó đề xuất xây dựng các giải pháp mới nhằm hạn chế những nhược điểm đang tồn tại.
11 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG LUỒNG DỮ LIỆU THEO MỨC ĐỘ ƯU TIÊN KHÁC NHAU DỰA TRÊN CƠ CHẾ ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ TXOP ĐỘNG 3.1. Đặt vấn đề Tham số TXOP trong IEEE 802.11 EDCA cho phép một trạm ưu tiên được phép truyền liên tục trong khoảng thời gian TXOP sau khi giành được kênh truyền. Tuy nhiên, việc thiết lập giá trị tham số TXOP theo giá trị mặc định trong phương thức truy nhập IEEE 802.11 EDCA hiện chưa đem lại hiệu năng tối ưu đối với mạng adhoc. Nhiều kết quả nghiên cứu [75, 10, 25, 49] đã chỉ ra rằng khi tải của mạng đạt trạng thái bão hòa, các luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm toàn bộ băng thông của các luồng ưu tiên thấp, dẫn đến sự mất công bằng trong mạng. Từ những vấn đề được nhận diện, bài toán đặt ra là làm thế nào để lựa chọn được giá trị tham số TXOP tối ưu phù hợp với đặc tính mô hình mạng thường xuyên biến đổi của mạng adhoc. Tham số điều chỉnh này phải đảm bảo về thông lượng chung cho các luồng dữ liệu đồng thời cải thiện được chỉ số công bằng ở mức tốt nhất. 3.2. Giải pháp đề xuất 3.2.1. Ý tưởng của phương pháp Ý tưởng của phương pháp là ngăn chặn sự không công bằng xảy ra khi các luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm toàn bộ băng thông của các luồng có độ ưu tiên thấp. Trong trạng thái mạng bão hòa, khi các luồng dữ liệu yêu cầu thông lượng vượt quá khả năng của băng thông, mỗi loại luồng dữ liệu sẽ nhận được thông lượng theo tỉ lệ phân chia theo trọng số. 3.2.2. Mô hình đề xuất Nhằm đạt được trạng thái công bằng lý tưởng cho mạng, các luồng dữ liệu được đề xuất gán trọng số ki ứng với các loại dữ liệu có các mức độ ưu tiên khác nhau. Tỷ lệ băng thông mong muốn là 3:2:1 với thứ tự ưu tiên Voice, Video, Best-effort. Ba module đề xuất được mô tả chi tiết dưới đây, gồm.
12 (1) TXOP-Flow module: Hoạt động tại tầng MAC, có chức năng đếm số luồng trong miền phát. Ký hiệu số luồng là n, ki là trọng số cho mỗi loại luồng dữ liệu. Trọng số các luồng được thiết lập kV O = 3, kV I = 2, kBE = 1. Đầu ra của module, biến Wtotal đưa lại tổng trọng số của các luồng tại nút khảo sát theo công thức. Xn Wtotal = (ki ) (3.1) i=1 Trong đó, ki là trọng số của các Hình 3.1: Mô hình IEEE 802.11 luồng, n là số luồng. EDCA với các module đề xuất (2) TXOP-Flow-Active-Time module: Có chức năng đánh giá hiệu suất liên kết thực của một luồng trong khoảng thời gian EP (Estimation Period) định nghĩa trước. TActime−time[i] U= (3.2) EP Trong đó, U là hiệu suất liên kết thực của luồng i, TActiveT ime[i] là tổng thời gian gửi gói tin hiện tại của luồng i. TActive[i] là tổng thời gian gửi nhận gói tin trước đó của luồng i. (3) AdaptiveTXOP: Module chứa thuật toán điều chỉnh tham số TXOP dựa vào tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế. RSR (Real Share Ratio) và tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng FSR (Fair Share Ratio). Giá trị điều chỉnh TXOP’[i] sẽ được xác định bởi công thức (3.3). F SR[i] T XOP 0 [i] = × T XOP [i] (3.3) RSR[i] Trong đó, F SR là tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng, RSR là tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế, T XOP là giá trị giới hạn hiện hành. Tham số T XOP điều chỉnh theo nguyên tắc khi tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế lớn hơn tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng thì module thực hiện giảm giá trị T XOP nhằm gia tăng cơ hội truy nhập kênh truyền cho các luồng khác.
13 3.2.3. Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP Thuật toán 3.1 Tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng FSR 1: Khởi tạo các biến EP = 2s, W = 0 2: Gán trọng số cho các luồng: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 1. 3: for (trong mỗi khoảng thời gian EP) do 4: //Giải mã gói tin 5: flow = Decode(packet) ; Flows.append(flow) 6: //Gọi hàm tính tổng số luồng tại nút i 7: W = F lows.T XOP − F low.W eight(f low) ki 8: F SR = . Wtotal 9: end for 10: Trả về giá trị F SR. Thuật toán 3.2 Tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR(Real Share Ratio) 1: Khởi tạo các biến EP = 2s, W = 0 2: Gán trọng số cho các luồng: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 1. 3: for (trong mỗi khoảng thời gian EP) do 4: //Gọi hàm tính hiệu suất liên kết thực của luồng i 5: TActiveT ime[i] = F lows.T XOP − F low.Active − T ime(f low) TActime−T ime[i] 6: RSR = . EP 7: end for 8: Trả về giá trị RSR. Thuật toán 3.3 Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP 1: Khởi tạo các biến EP = 2s, W = 0, RSR = 0; F SR = 0 2: Gán trọng số cho các luồng: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 1. 3: for (trong mỗi khoảng thời gian EP) do 4: //Gọi hàm tính giá trị tỷ lệ chia sẻ công bằng 5: F SR[i] = F air_Share_Ratio : Get(f low) 6: //Gọi hàm tính tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng 7: RSR[i] = Real_Share_Ratio : Get(f low) F SR[i] 8: T XOP 0 [i] = × T XOP [i]. RSR[i] 9: end for 10: Trả về giá trị T XOP 0 [i].
14 3.3. Thực hiện mô phỏng 3.3.1. Mô hình đơn chặng với tham số TXOP động Kết quả về thông lượng của các luồng Voice, Video và Best-effort giữa hai phương pháp được thể hiện tại các hình 3.2a và hình 3.2b. (a) (b) Hình 3.2: Kết quả: (a) Throughput các luồng theo tham số IEEE 802.11 EDCA; (b) Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất. Đồ thị so sánh tổng thông lượng được thể hiện tại Hình 3.3b. Chỉ số công bằng giữa các luồng được chỉ ra trong hình 3.3a. (a) (b) Hình 3.3: Kết quả: (a) So sánh chỉ số Fairness của hai phương pháp; (b) So sánh tổng Throughput của hai phương pháp 3.3.2. Mô hình đa chặng với tham số TXOP động Kết quả mô phỏng về tổng thông lượng giữa các luồng dữ liệu giữa phương pháp đề xuất với phương pháp thiết lập giá trị mặc định theo
15 chuẩn IEEE 802.11 EDCA được biểu diễn tại Hình 3.4a và Hình 3.4b. (a) (b) Hình 3.4: Kết quả: (a) Tổng Throughput các luồng theo IEEE 802.11 EDCA; (b) Tổng Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất Hình 3.5a biểu diễn tổng thông lượng của các luồng theo hai phương pháp. Hình 3.5b mô tả chỉ số công bằng của hai phương pháp. (a) (b) Hình 3.5: Kết quả: (a) So sánh tổng Throughput của hai phương pháp; (b) So sánh chỉ số Fairness của hai phương pháp 3.4. Phân tích, đánh giá mô phỏng 3.4.1. Đánh giá về thông lượng (1) Trong mô hình đơn chặng: Kết quả thể hiện trên Hình 3.2a và Hình 3.2b cho thấy, tổng thông lượng của các luồng Voice, Video và Best-effort giữa phương pháp thiết lập tham số TXOP theo IEEE 802.11 EDCA và phương pháp thiết lập theo tham số TXOP động tương đương nhau. Tuy nhiên, thông lượng của luồng Best-effort trong phương pháp thiết lập theo tham số động được cải thiện rõ rệt. (2)Trong mô hình đa chặng: Kết quả về thông lượng tổng cộng giữa các luồng tại Hình 3.4a và Hình 3.4b cho thấy không có sự chênh lệch, điểm cải thiện chính là luồng Best-effort có sự gia tăng về thông lượng khi giá trị tải được tăng dần.
16 3.4.2. Đánh giá về chỉ số công bằng (1)Trong mô hình đơn chặng: Theo kết quả tại hình 3.3a, khi tải mạng nhỏ dưới 2.5Mbps, thì chỉ số công bằng là tương đương nhau, nhưng khi tải mạng lớn chỉ số công bằng theo phương pháp đề xuất được cải thiện. (2) Trong mô hình đa chặng: Theo kết quả tại hình 3.5b, khi tải mạng nhỏ dưới 1.5Mbps, thì chỉ số công bằng là tương đương nhau, nhưng khi tải mạng lớn chỉ số công bằng theo phương pháp đề xuất được cải thiện rõ rệt. 3.4.3. Đánh giá về chỉ số độ trễ (1)Mô hình đơn chặng: Độ trễ giữa các luồng theo chuẩn 802.11 EDCA được biểu diễn tại 3.6a và theo phương pháp đề xuất tại Hình 3.7b. Kết quả cho thấy khi tải lớn hơn 2Mbps độ trễ luồng Voice và Video theo phương pháp đề xuất được cải thiện so với phương pháp theo chuẩn 802.11 EDCA. (a) (b) Hình 3.6: Kết quả: (a) Độ trễ các luồng theo mô hình đơn chặng; (b) Độ trễ các luồng theo mô hình đa chặng (2) Mô hình đa chặng: Tổng độ trễ các luồng từ nút S2 đến nút D theo phương pháp đề xuất và theo chuẩn 802.11 EDCA được biểu diễn tại Hình 3.7a. Kết quả cho thấy phương pháp đề xuất có chỉ số độ trễ tốt hơn. (a) (b) Hình 3.7: Kết quả: (a) Tổng độ trễ các luồng giữa 802.11 EDCA và phương pháp đề xuất; (b) Tổng độ trễ các luồng theo mô hình đa chặng
17 3.5. So sánh với một số kết quả đã công bố Luận án sử dụng hai nghiên cứu [8]1 , [56]2 để tiến hành so sánh dựa trên các tiêu chí về thông lượng và chỉ số công bằng. 3.5.1. So sánh về kết quả được công bố: (1)So sánh về mặt định tính: Kết quả các công bố [8], [56], cho thấy có sự cải thiện về chỉ số thông lượng và chỉ số công bằng so với chuẩn 802.11 EDCA. Tuy nhiên điểm hạn chế là không đạt được tỷ lệ ưu tiên mong muốn cho các luồng dữ liệu như trong đề xuất của luận án. (2)So sánh về mặt định lượng: Bảng 3.1 so sánh tỷ lệ tăng thông lượng giữa các công bố [8], [56] và đề xuất 1 của luận án. Kết quả cho thấy phương pháp đề xuất đưa lại trọng số cao hơn. Bảng 3.1: Bảng so sánh tỷ lệ tăng thông lượng các luồng ưu tiên thấp Đề xuất 1 Trong [8] Trong [56] 36.7% 16.6% 33.3% Bảng 3.2 thực hiện so sánh chỉ số công bằng giữa các phương pháp. Kết quả cho thấy, phương pháp đề xuất của luận án đưa lại chỉ số công bằng cao hơn. Bảng 3.2: Bảng so sánh chỉ số công bằng giữa các phương pháp Đề xuất 1 Trong [8] Trong [56] 0.8 0.6 0.6 3.6. Kết luận chương Nội dung chương đã đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong phương thức truy nhập phân tán IEEE 802.11 EDCA. Kết quả kiểm chứng từ mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất được cải thiện rõ rệt. Đây là điểm đóng góp về tính mới trong nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu năng cho mạng không dây adhoc. 1 Alam et al, "Enhancements of the Dynamic TXOP Limit in EDCA Through a High-Speed Wireless Campus Network," Wireless Pers Commun, vol. 90, p. 1647–1672, 2016. 2 Namazi, Mohammad, and Moghim, “Dynamic TXOP Assignment in IEEE802.11e Multi-hop Wireless Networks Based on an Admission Control Method”, Springer Science Business Media New York, vol .8, pp.6–17, 2017
18 CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG FUZZY LOGIC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MỘT SỐ THAM SỐ TRONG IEEE 802.11 EDCA NHẰM NÂNG CAO TÍNH CÔNG BẰNG CHO CÁC LUỒNG DỮ LIỆU 4.1. Đặt vấn đề Một vấn đề đặt ra là hiệu suất của phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA chịu sự tác động bởi hơn một tham số, gồm AIFS (Arbitration Inter-Frame Space), cửa sổ tương tranh (CW), TXOP (Tranmission Opportunity). Vậy có cơ chế thông minh nào cho phép điều chỉnh thích hợp các tham số trên một cách linh hoạt nhằm đảm bảo các tiêu chí về QoS. Nhằm giải quyết vấn đề nêu trên, luận án đề xuất mô hình sử dụng Fuzzy logic để điều chỉnh thông minh tham số TXOP và CW trong môi trường mạng adhoc phù hợp với độ ưu tiên của từng loại dữ liệu trong IEEE 802.11 EDCA. 4.2. Cơ sở lý thuyết liên quan 4.3. Giải pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh tham số TXOP, CW 4.3.1. Ý tưởng của đề xuất Mục tiêu của phương pháp nhắm đến khi hệ thống có sự thay đổi về môi trường điều khiển, thông qua quá trình học, tiếp thu và tổ chức dữ liệu. Dựa trên nền tảng nguồn cơ sở dữ liệu của phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ mạng và Truyền thông tại Viện Công nghệ thông tin, luận án xây dựng một mô hình theo hướng trí tuệ nhân tạo thông qua Fuzzy logic để thử nghiệm khả năng tự học nhằm điều chỉnh một cách thông minh tham số CW, TXOP phù hợp với mạng adhoc. 4.3.2. Mô hình Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP Bộ điều khiển logic mờ cho tham số TXOP có ba thành phần chính, gồm tập các tham số đầu vào (input), tập các tham số đầu ra (output) và trung tâm điều khiển. Trung tâm của bộ điều khiển mờ là cơ sở luật mờ (fuzzy rules) được tạo ra dựa trên cơ sở các hàm thành viên (Membership