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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC
Hà Nội - 2020
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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Thái Quang Vinh
2. PGS. TS. Phạm Thanh Giang
Hà Nội – 2020
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ với tiêu đề "Nâng cao hiệu năng thông
lượng và độ công bằng trong mạng không dây AD HOC của chuẩn
IEEE 802.11 EDCA" là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Thái Quang Vinh và PGS.TS. Phạm Thanh Giang.
Các kết quả, số liệu được trình bày trong luận án là trung thực, một phần
đã được công bố trên các Tạp chí và Kỷ yếu Hội thảo khoa học chuyên ngành.
Luận án có tham khảo và sử dụng một số thông tin từ các nguồn sách, tạp chí
và luận án được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo.
Hà Nội, ngày 2 tháng 10 năm 2020
Lương Duy Hiếu
ii
LỜI CẢM ƠN
Nội dung luận án được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện
Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nghiên
cứu sinh xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Thái Quang Vinh và PGS.TS.
Phạm Thanh Giang, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng cho quá trình
nghiên cứu thực hiện luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các ý kiến đóng góp quý báu qua các
buổi seminar định kỳ hàng tháng của quý Thầy Cô, các chuyên gia, các NCS
trong nhóm nghiên cứu về Công nghệ mạng và Truyền thông tại Viện Công nghệ
thông tin.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Học viện Khoa học và
Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin, Phòng Tin học Viễn thông đã tạo điều
kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu thực hiện luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Cục ứng dụng và Phát triển
công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ cũng như các đồng nghiệp đã tạo điều
kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình.
Cuối cùng là sự biết ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn chia sẻ, cảm thông, khích
lệ tinh thần để tôi hoàn thành luận án này.
NCS Lương Duy Hiếu
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i
LỜI CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ii
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG
DÂY ADHOC
1.1
1.2
1.3
8
Giới thiệu mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.1.1
Định nghĩa mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.1.2
Kiến trúc mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3
Công nghệ truyền thông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.4
Một số đặc tính của mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.5
Ứng dụng của mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Nhân tố ảnh hưởng đến hiệu năng mạng adhoc . . . . . . . 18
1.2.1
Hiện tượng multipath fading trên đường truyền . . . . . . 18
1.2.2
Sự suy giảm tín hiệu và dung lượng kênh . . . . . . . . . . 19
1.2.3
Biến động về định tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.4
Tương tranh các luồng dữ liệu tại tầng LLC . . . . . . . . 21
1.2.5
Tương tranh các luồng dữ liệu tại tầng MAC . . . . . . . . 24
Phương pháp đánh giá hiệu năng mạng adhoc . . . . . . . . 25
1.3.1
Sử dụng mô hình giải tích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.2
Phương pháp thực hiện mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . 26
iv
1.3.3
1.4
Phương pháp thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Hướng tiếp cận giải quyết bài toán hiệu năng trong mạng
adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.1
Hướng tiếp cận về giao thức định tuyến . . . . . . . . . . . 27
1.4.2
Hướng tiếp cận về cơ chế xử lý hàng đợi . . . . . . . . . . . 29
1.4.3
Hướng tiếp cận về phương thức truy nhập môi trường truyền 30
1.4.4
Một số đánh giá, nhận xét
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5
Hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu của luận án . . 32
1.6
Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BỘ THAM SỐ TRUY
XUẤT KÊNH TRUYỀN PHÂN TÁN NÂNG CAO
IEEE 802.11 EDCA
2.1
39
Phương thức truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao
IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.1
Tổng quan IEEE 802.11 EDCA (Enhanced Distributed
Channel Access) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.2
Định dạng cấu trúc trường thông tin IEEE 802.11 EDCA
41
2.1.3
Cơ chế truy nhập kênh truyền IEEE 802.11 EDCA . . . . 42
2.1.4
Phân tích, đánh giá thông lượng các luồng dữ liệu trong
IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2
Xây dựng mô phỏng đánh giá ảnh hưởng các tham số
trong IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3
2.2.1
Thiết lập mô hình mạng và môi trường mô phỏng . . . . . 45
2.2.2
Các chỉ số đo lường mạng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.3
Kịch bản đánh giá tham số TXOP . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.4
Phân tích kết quả mô phỏng đánh giá tham số TXOP . . . 47
2.2.5
Kịch bản đánh giá tham số CW . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.6
Phân tích kết quả mô phỏng đánh giá tham số CW . . . . 49
Một số kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
v
2.4
Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
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
53
3.1
Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2
Giải pháp đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.1
Ý tưởng của phương pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.2
Mô hình đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.3
Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP . . . . . . . . . . . . 60
3.3
Hàm mục tiêu và chỉ số đo lường của đề xuất . . . . . . . . 63
3.4
Thực hiện mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5
3.6
3.7
3.4.1
Mô hình đơn chặng với tham số TXOP động . . . . . . . . 66
3.4.2
Mô hình đa chặng với tham số TXOP động . . . . . . . . . 66
Phân tích, đánh giá mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5.1
Phân tích kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.2
Đánh giá về thông lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.3
Đánh giá về chỉ số công bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.4
Đánh giá về chỉ số độ trễ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.5
Đánh giá về tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5.6
Đánh giá về tính khả thi trong ứng dụng . . . . . . . . . . 78
So sánh với một số kết quả đã công bố . . . . . . . . . . . . 79
3.6.1
So sánh về phương pháp thực hiện . . . . . . . . . . . . . . 79
3.6.2
So sánh về kết quả được công bố: . . . . . . . . . . . . . . . 83
Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
vi
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
86
4.1
Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2
Cơ sở lý thuyết liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3
4.2.1
Fuzzy logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.2
Điều khiển thông minh qua Fuzzy logic . . . . . . . . . . . 90
4.2.3
Các nghiên cứu liên quan Fuzzy logic . . . . . . . . . . . . 91
Giải pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh
tham số TXOP, CW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4
4.3.1
Ý tưởng của đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.2
Mô hình Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP . . . . . . 92
4.3.3
Mô hình Fuzzy logic điều khiển tham số CW . . . . . . . . 97
4.3.4
Case-study: Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP . . . . 99
4.3.5
Case-study: Fuzzy logic điều khiển tham số CW . . . . . . 101
Phân tích và đánh giá mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.1
Các chỉ số đo lường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.2
Thực hiện mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.5
So sánh kết quả của hai mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.6
So sánh một số kết quả đã công bố . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.7
So sánh kết quả với đề xuất 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.8
Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
KẾT LUẬN
113
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
115
TÀI LIỆU THAM KHẢO
117
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Nghĩa tiếng Anh
AODV
Adhoc On-demand Dis- Giao thức định tuyến vector
tance Vector routing
AIFS
Nghĩa tiếng Việt
khoảng cách theo yêu cầu
Interframe Khoảng thời gian truyền giữa
Arbitration
Space
các frame
Adhoc
Adhoc Network
Mạng Adhoc
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bit
BF
Backoff Factor
Hệ số trì hoãn
BSS
Basic Service Set
Tập các trạm dịch vụ cơ sở
CBR
Constant Bit Rate
Tôc đô bit không đổi
CSMA.CA Carrier Sense Multiple Giao thức đa truy nhập cảm
Access
with
Collision nhận sóng mang có dò tìm xung
Avoidance
đột
CP
Contention Period
Khoảng xung đột
CTS
Clear To Send
Gói tin thông báo sẵn sàng để
truyền trong chuẩn IEEE 802.11
CW
Contention Window
Cửa sổ tranh chấp
DCF
Distributed Coordination Chức năng điều phối phân tán
Function
DSSS
Direct Sequence Spread Trải phổ trực tiếp
Spectrum
EDCA
Enhanced
Distributed Điều khiển truy nhập kênh
Channel Access
truyền phân tán nâng cao
viii
EDCAF
Enhanced
Distributed Chức năng điều khiển truy nhập
Channel Access Function
kênh truyền phân tán nâng cao
EP
Estimation Period
Giai đoạn ước lượng
FHSS
Frequency
Hopping Trải phổ theo phương thức nhảy
Spread Spectrum
tần
FIFO
First In First Out
Vào trước ra trước
FCFS
First Come First Serve
Vào trước phục vụ trước
HCCA
HCF Controlled Channel Truy nhập kênh truyền được
Access
HCF
Hybrid
điều khiển bởi HCF
Coordination Chức năng cộng tác lai
Function
IEEE
Institute of Electrical and Học viện Điện và Điện tử
Electronics Engineers
IFS
Inter Frame Space
Khoảng cách giữa các khung tin
LCFS
Last Come First Serve
Vào sau phục vụ trước
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy nhập môi
trường
NS-2
Network Simulator 2
OFDM
Orthogonal
Bộ mô phỏng mạng NS2
Frequency Phân chia kênh theo tần số trực
Division Multiplexing
giao
PC
Point Coordinator
Điểm điều phối
PCF
Point Coordination Func- Chức năng điều phối điểm
tion
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
RTS
Request To Send
Gói tin gửi yêu cầu để truyền
trong chuẩn IEEE 802.11
RT
Real-Time
Thời gian thực
RR
Round Robin
Thuật toán xoay vòng
UDP
User Datagram Protocol
Giao thức bản tin người dùng
ix
SIFS
Short Interframe Space
Khoảng cách ngắn (thời gian
giữa các khung tin trong chuẩn
IEEE 802.11)
TXOP
Transmission Opportunity
TCP
Transmission Control Proto- Giao thức điều khiển việc
col
WLAN
Cơ hội truyền
truyền
Wireless Local Area Net- Mạng cục bộ không dây
work
x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1
Mạng adhoc di động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
Hình 1.2
Mô hình đơn chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
Hình 1.3
Mô hình đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Hình 1.4
Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . 10
Hình 1.5
Kiến trúc logic của một IBSS [18] . . . . . . . . . . . . . . . 11
Hình 1.6
Phương thức truy nhập kênh trong mạng adhoc . . . . . . . 12
Hình 1.7
Mạng VANET [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Hình 1.8
Mạng FANET [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Hình 1.9
Mạng BAN [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Hình 1.10 Mô hình hàng đợi có một người phục vụ . . . . . . . . . . . . 20
Hình 1.11 Mô hình đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Hình 1.12 Tương tranh về băng thông trong IEEE 802.11 [30] . . . . . 24
Hình 1.13 Các loại ACs và hàng đợi trong IEEE 802.11 EDCA [30] . . 33
Hình 1.14 Cơ chế truy nhập kênh có xung đột bên trong 802.11 EDCA 35
Hình 1.15 Cơ chế truy nhập kênh có xung đột bên ngoài 802.11 EDCA 36
Hình 1.16 Phương pháp điều khiển truy nhập trong IEEE 802.11 [19] . 36
Hình 2.1
Cấu trúc trường thông tin EDCA [18] . . . . . . . . . . . . . 41
Hình 2.2
Cấu trúc trường thông tin cho mỗi AC [18] . . . . . . . . . . 42
Hình 2.3
Thủ tục truy nhập kênh truyền trong IEEE 802.11 EDCA . 42
Hình 2.4
Tham số TXOP limit trong IEEE 802.11 EDCA [30] . . . . 43
Hình 2.5
Mô hình đơn chặng với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . . . . . 44
Hình 2.6
Throughput theo các tham số chuẩn IEEE 802.11 EDCA . . 45
Hình 2.7
Throughput các luồng BE cho từng kịch bản tại Bảng 2.5 . 48
Hình 2.8
Throughput các luồng BE cho từng kịch bản tại Bảng 2.7 . 50
xi
Hình 3.1
Mô hình IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Hình 3.2
Mô hình IEEE 802.11 EDCA với các module đề xuất . . . . 56
Hình 3.3
Sơ đồ khối mô tả thuật toán của modun TXOP-Flow . . . . 57
Hình 3.4
Sơ đồ khối mô tả thuật toán TXOP-Flow-Active-Time . . . 58
Hình 3.5
Sơ đồ khối mô tả thuật toán Adaptive-TXOP module . . . . 60
Hình 3.6
Kịch bản đơn chặng với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . . . . . 66
Hình 3.7
Kịch bản đa chặng với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . . . . . . 66
Hình 3.8
Kịch bản đa chặng 5 nút với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . . 67
Hình 3.9
Kịch bản đa chặng hỗn hợp với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . 67
Hình 3.10 Throughput các luồng theo tham số IEEE 802.11 EDCA . . 68
Hình 3.11 Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất . . . . . . 68
Hình 3.12 So sánh chỉ số Fairness của hai phương pháp . . . . . . . . . 69
Hình 3.13 So sánh tổng Throughput của hai phương pháp . . . . . . . 69
Hình 3.14 Tổng Throughput các luồng theo IEEE 802.11 EDCA . . . . 70
Hình 3.15 Tổng Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất . . . 70
Hình 3.16 Throughput các luồng theo IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . 71
Hình 3.17 Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất . . . . . . 71
Hình 3.18 So sánh tổng Throughput của hai phương pháp . . . . . . . 72
Hình 3.19 So sánh chỉ số Fairness của hai phương pháp . . . . . . . . . 72
Hình 3.20 Phần trăm độ tăng Throughput luồng BE đơn chặng . . . . 74
Hình 3.21 Phần trăm độ tăng Throughput luồng BE đa chặng . . . . . 74
Hình 3.22 Phần trăm độ tăng chỉ số Fairness đơn chặng . . . . . . . . . 75
Hình 3.23 Phần trăm độ tăng chỉ số Fairness đa chặng . . . . . . . . . 76
Hình 3.24 Độ trễ các luồng mô hình đơn chặng theo 802.11 EDCA . . 76
Hình 3.25 Độ trễ các luồng mô hình đơn chặng theo đề xuất . . . . . . 77
Hình 3.26 Tổng độ trễ các luồng giữa hai phương pháp . . . . . . . . . 77
Hình 3.27 Tổng độ trễ các luồng theo mô hình đa chặng . . . . . . . . 78
Hình 3.28 Lưu đồ điều chỉnh tham số TXOP động trong [48] . . . . . . 80
Hình 3.29 Lược đồ phân bổ giá trị TXOP theo lưu lượng [51] . . . . . 81
xii
Hình 3.30 Lưu đồ điều chỉnh tham số TXOP động trong [51] . . . . . . 82
Hình 4.1
Cấu hình của Fuzzy Control System . . . . . . . . . . . . . . 88
Hình 4.2
Bộ điều khiển mờ cho tham số TXOP . . . . . . . . . . . . . 93
Hình 4.3
Hàm thành viên điều khiển tham số TXOP. . . . . . . . . . 94
Hình 4.5
Bộ điều khiển mờ cho tham số CW . . . . . . . . . . . . . . 97
Hình 4.6
Hàm thành viên điều khiển tham số CW. . . . . . . . . . . . 98
Hình 4.7
Fuzzy logic thực hiện kịch bản 1. . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Hình 4.8
Fuzzy logic thực hiện kịch bản 2. . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Hình 4.9
Kết quả chỉ số Fairness mô hình đơn chặng. . . . . . . . . . 104
Hình 4.10 Kết quả chỉ số Fairness mô hình đa chặng. . . . . . . . . . . 105
xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1
Đặc tính kỹ thuật cơ bản một số chuẩn giao tiếp không dây 13
Bảng 2.1
Bảng các luồng dữ liệu theo thứ tự ưu tiên [30] . . . . . . . 40
Bảng 2.2
Bảng ánh xạ giữa UP và AC [30] . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Bảng 2.3
Tham số mặc định của chuẩn IEEE 802.11 EDCA [30] . . . 44
Bảng 2.4
Các tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Bảng 2.5
Các kịch bản đánh giá tham số TXOP . . . . . . . . . . . . 47
Bảng 2.6
Bảng chỉ số công bằng cho các kịch bản tại Bảng 2.5 . . . . 48
Bảng 2.7
Các kịch bản đánh giá tham số CW . . . . . . . . . . . . . . 49
Bảng 2.8
Bảng chỉ số công bằng cho các kịch bản theo Bảng 2.7 . . . 50
Bảng 3.1
Bảng phân mức chỉ số Fairness từ cao đến thấp . . . . . . . 64
Bảng 3.2
Các tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Bảng 3.3
Bảng thông lượng mô hình 5 nút giữa 802.11 EDCA và
phương pháp đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Bảng 3.4
Bảng thông lượng mô hình 5 nút hỗn hợp giữa 802.11 EDCA
và phương pháp đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Bảng 3.5
Bảng kết quả thông lượng luồng ưu tiên thấp trong [48], [51] 83
Bảng 3.6
Bảng so sánh tỷ lệ tăng thông lượng các luồng ưu tiên thấp
Bảng 3.7
Bảng so sánh chỉ số công bằng giữa các phương pháp . . . . 84
Bảng 4.1
Bảng các luật mờ điều khiển tham số TXOP . . . . . . . . . 96
Bảng 4.2
Bảng các luật mờ điều khiển tham số CW . . . . . . . . . . 99
Bảng 4.3
Các kịch bản thử nghiệm điều khiển tham số TXOP . . . . 99
Bảng 4.4
Các kịch bản thử nghiệm điều khiển tham số CW . . . . . . 101
Bảng 4.5
Các tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
84
xiv
Bảng 4.6
Thông lượng giữa các luồng điều khiển tham số CW . . . . 104
Bảng 4.7
Thông lượng giữa các luồng điều khiển tham số TXOP . . . 104
Bảng 4.8
Thông lượng giữa các luồng điều khiển tham số CW, đa chặng105
Bảng 4.9
Thông lượng giữa các luồng điều khiển tham số TXOP . . . 106
Bảng 4.10 Bảng thông lượng và chỉ số công bằng trong đề xuất 2 . . . 106
Bảng 4.11 Bảng các luật mờ trong [72] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Bảng 4.12 Bảng các luật mờ trong [74] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Bảng 4.13 Bảng thông lượng trong [72] với đề xuất 2 . . . . . . . . . . 109
Bảng 4.14 Bảng tỷ lệ tăng thông lượng trong [72] với đề xuất 2 . . . . 109
Bảng 4.15 Bảng thông lượng trong [74] với đề xuất 2 . . . . . . . . . . 110
Bảng 4.16 Bảng tỷ lệ tăng thông lượng trong [74] với đề xuất 2 . . . . 110
Bảng 4.17 Bảng thông lượng trung bình giữa đề xuất 1 và đề xuất 2 . 110
Bảng 4.18 Bảng chỉ số công bằng giữa đề xuất 1 và đề xuất 2 . . . . . 111
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 [1] cho phép thu thập thông tin tình
báo, xây dựng bản đồ tác chiến. Trong lĩnh vực dân sự với mạng VANET [2,
3] cho phép triển khai các dịch vụ cho giao thông thông minh, với mạng BAN
[4] được ứng dụng trong lĩnh vực y tế cho phép triển khai các dịch vụ theo dõi
chăm sóc sức khỏe cộng đồng.
Mạng adhoc với các đặc tính như tự trị, không cần có hạ tầng, định tuyến
đa chặng, năng lượng hoạt động hạn chế, rủi ro về an ninh, tô-pô mạng thường
xuyên thay đổi. Những đặc tính này tạo ra nhiều thách thức trên tất cả các
tầng của mạng. Ví dụ, tầng vật lý phải xử lý tín hiệu với sự thay đổi nhanh của
các đặc tính liên kết. Tầng MAC phải đảm bảo khả năng truy nhập kênh công
bằng, giảm thiểu xung đột gói tin, tầng mạng đòi hỏi các nút phối hợp để tính
toán đường đi tối ưu trong điều kiện phải thỏa mãn nhiều ràng buộc phức tạp.
Bên cạnh đó, do đặc tính di động trong mạng không dây adhoc, các nút tham
gia mạng có những đặc điểm khác nhau trong việc truy nhập kênh truyền cũng
như sự khác nhau về số luồng, số chặng. Điều này, kéo theo hiệu năng của mạng
2
adhoc bị suy giảm nhanh thể hiện qua các thông số như tỉ lệ lỗi, tỷ lệ mất gói
cao, thông lượng giảm và tính công bằng dễ bị phá vỡ.
Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu về mạng adhoc ở trong [5, 6,
7] và ngoài nước [8, 9, 10, 11] 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 [12, 13],...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 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
3
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
Trên cơ sở phân tích về tính cấp thiết của đề tài, nghiên cứu sinh xác định
mục tiêu nghiên cứu của luận án là tập trung giải quyết bài toán nâng cao hai
chỉ số đo lường hiệu năng mạng là thông lượng và độ công bằng. Mục tiêu này
được cụ thể hóa bằng các nội dung dưới đây:
(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 EDCA.
Trong đó, việc cải thiện chất lượng luồng dữ liệu được thể hiện trong đề xuất
này cần đảm bảo cho các luồng ưu tiên thấp không bị các luồng ưu tiên cao sử
dụng hết băng thông hiện có đồng thời vẫn giữ được chỉ số công bằng của các
luồng dữ liệu ở mức trên trung bình theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA đạt được.
(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. Trong đó, tính công bằng thể hiện thông qua việc các luồng ưu
tiên thấp được dành mức băng thông theo tỷ lệ thích hợp với các luồng ưu tiên
cao. Với việc phân chia tài nguyên hiện có theo phương pháp điều khiển thông
minh các tham số trong IEEE 802.11 EDCA sẽ góp phần duy trì tính ổn định
và nâng cao chất lượng truyền tải dữ liệu trong các ứng dụng trên nền tảng của
mạng không dây adhoc.
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
4
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. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu như đã đề ra, luận án xác định các nội dung
nghiên cứu cụ thể sau:
(1) Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số TXOP trong IEEE 802.11
EDCA tới hiệu năng mạng adhoc.
(2) Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số CW trong IEEE 802.11
EDCA tới hiệu năng mạng adhoc.
(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 trong IEEE
802.11 EDCA.
(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.
6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sinh thực hiện phương pháp nghiên cứu theo quy trình sau:
(1) Nêu lên vấn đề đang tồn tại của đối tượng nghiên cứu
(2) Phân tích, khảo sát các yếu tố có ảnh hướng đến đối tượng nghiên cứu để
xác định ưu nhược điểm của từng yếu tố.
(3) Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước về các đối tượng nêu trên để
đưa ra phương pháp mới.
(4) Xây dựng thuật toán, mô hình mới để giải quyết vấn đề đã được nhận diện.
(5) Kiểm tra tính đúng đắn bằng các kỹ thuật tin cậy.
- Xem thêm -