Tiến Sĩ Cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2013

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC . iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT . vi
BẢNG KÝ HIỆU ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi
DANH MỤC CÁC BẢNG xii
MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY 7
1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY . 7
1.1.1 Kiến trúc mạng hình lưới không dây . 8
1.1.2 Một số ứng dụng điển hình 9
1.2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ . 11
1.2.1 Khái quát về chất lượng dịch vụ 11
1.2.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp trong WMN . 13
1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS 13
1.3.1 Kỹ thuật định tuyến 13
1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS 19
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 20
1.4.1 Hiệu năng và các tham số phản ánh . 20
1.4.2 Các tiếp cận cải thiện hiệu năng . 22
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG . 34
CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP PHƯƠNG TIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN BÃO HÒA . 35
2.1 MỞ ĐẦU . 35
2.2 CÁC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP PHƯƠNG TIỆN . 36
2.2.1 Giao thức truy nhập kênh ALOHA 37
iv
2.2.2 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang 1-persistent CSMA 39
2.2.3 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang p-persistent CSMA 40
2.3. TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI DỪNG 41
2.4 BỔ SUNG XÁC SUẤT TRANH CHẤP THẮNG . 46
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG . 50

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LIÊN KẾT . 52
3.1 MỞ ĐẦU . 52
3.2 ĐẶC TÍNH CỦA IEEE 802.11 DCF 54
3.3 MÔ HÌNH GIẢI TÍCH IEEE 802.11 DCF . 57
3.3.1 Các điều kiện biên giả thiết 57
3.3.2 Biểu diễn trạng thái nút qua mô hình giải tích . 60
3.3.3 Biểu diễn trạng thái kênh qua mô hình giải tích 65
3.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ VÀ THẢO LUẬN 69
3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG . 74

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN QOS CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY . 76
4.1 MỞ ĐẦU . 76
4.2 ĐỊNH TUYẾN TRONG WMN . 78
4.2.1 Giao thức định tuyến 78
4.2.2 Tham số định tuyến 84
4.3 ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN IARM . 89
4.3.1 Tham số phản ánh nhiễu đề xuất IARM 90
4.3.2 Phân tích khả năng tương thích 93
4.3.3 Tích hợp tham số IARM trong OLSR . 95
4.4 MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN . 101
4.4.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng NS-2 . 101
4.4.2 Kịch bản mô phỏng 103
4.4.3 Kết quả và thảo luận . 105
4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG . 109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . . 111
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, lĩnh vực truyền thông không dây đã chứng kiến sự ra đời của hàng loạt các giải pháp công nghệ mới nhằm đáp ứng các yêu cầu, tiện ích mới của người sử dụng. Trong đó, mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) được cấu thành bởi các bộ định tuyến bố trí tĩnh cùng với các thiết bị đầu cuối di động kết nối không dây với nhau theo hình lưới, được coi là một giải pháp then chốt của mạng không dây thế hệ mới nhằm mục tiêu cung cấp truy nhập Internet không dây băng rộng với vùng phủ lớn. Truyền dẫn trong WMN được thực hiện dựa trên các chuẩn công nghệ phổ biến hiện nay như IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16 Với cấu trúc hình lưới, WMN khắc phục sự hạn chế của hiện tượng che khuất tầm nhìn thẳng trong các kết nối không dây truyền thống, tăng dung lượng bằng các truyền dẫn tốc độ cao trong khoảng cách ngắn, tăng độ tin cậy truyền thông cũng như giảm thiểu độ phức tạp trong triển khai hạ tầng mạng truy nhập.
Bên cạnh các ưu điểm về cấu hình và ứng dụng, chính cơ chế truyền thông đa bước không dây và các yêu cầu cung cấp chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) đã cho thấy một số thách thức mà WMN cần phải vượt qua về mặt hiệu năng mạng. Cụ thể, đặc tính truyền thông đa bước không dây, sự biến động chất lượng kênh truyền, cơ chế điều khiển phân tán và tác động nhiễu giữa các liên kết hình lưới là nguyên nhân gây suy giảm các thông số hiệu năng mạng như thông lượng, thời gian trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Trong đó, ảnh hưởng của hiện tượng tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lượng liên kết là một trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu năng [7]. Vì vậy, việc phản ánh chính xác các yếu tố trên vào quyết định chọn đường cho gói tin là một hướng tiếp cận thực tiễn, mang lại khả năng cải thiện các thông số hiệu năng mạng.
Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, các nghiên cứu gần đây sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) để giảm thiểu sự sai khác biến thời gian của các giao thức hoạt động trên các lớp khác nhau, đồng nghĩa với mục tiêu tối ưu hoạt động của mạng. Bài toán tối ưu xuyên lớp được giải quyết bằng các công cụ toán học phổ biến như lý thuyết đồ thị, quy hoạch toán học và mô hình giải tích. Trong các phân tích hiệu năng lớp điều khiển truy nhập MAC (Medium Access Control), mô hình giải tích cho thấy tính khả thi cao và là tiếp cận thông dụng do khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính toán thấp [16], [73], [106]. Từ đó, chất lượng liên kết có thể được đánh giá chính xác hơn khi có sự bổ sung các điều kiện thực tiễn như lưu lượng không bão hòa và kênh không lý tưởng vào giả thiết đầu vào của mô hình giải tích. Bên cạnh đó, khả năng phản ánh chính xác thuộc tính chất lượng liên kết của tham số định tuyến đóng vai trò then chốt để giao thức định tuyến QoS có quyết định chọn đường dẫn tối ưu phù hợp với trạng thái hiện thời của mạng, mang lại sự cải thiện hiệu năng mạng. Vì vậy, theo hướng tiếp cận xuyên lớp giữa lớp định tuyến và lớp MAC, luận án này phát triển một mô hình giải tích mới phản ánh chất lượng liên kết và sử dụng như một thành phần dự báo chất lượng liên kết kết hợp với thành phần đo chủ động sẵn có của giao thức định tuyến tối ưu trạng thái OLSR (Optimized Link State Routing) để đề xuất một tham số định tuyến mới, cải thiện được các thông số hiệu năng WMN. Các kết quả nghiên cứu được đánh giá và minh chứng qua phân tích số và mô phỏng.

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Với mục tiêu tìm kiếm một giải pháp khả thi cải thiện hiệu năng WMN thông qua kỹ thuật định tuyến QoS, luận án này đề xuất một tham số định tuyến mới và được tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR nhằm cải thiện các thông số hiệu năng chính của mạng cụ thể như: thông lượng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin.
Các phân tích số và mô phỏng kiểm chứng được thực hiện trong kịch bản mạng hình lưới không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.11b, đơn kênh, các nút mạng phân bố đều và các thông số lớp Vật lý tiêu chuẩn. Các giả thiết trên được lựa chọn nhằm thể hiện tính tổng quát và phản ánh tường minh tác động của nhiễu liên luồng tới quyết định định tuyến. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra giao thức định tuyến
OLSR với tham số định tuyến đề xuất đạt được mức cải thiện đáng kể khi so sánh với giao thức định tuyến OLSR nguyên gốc.