Điều khiển tối ưu lưu lượng trên mạng lõi mạng viễn thông thế hệ sau

1
MỞ ĐẦU
1. Lý do nghiên cứu
Sự phát triển của hệ thống viễn thông theo hướng mạng thế hệ sau
đã làm phát sinh yêu cầu nghiên cứu các cơ chế quản lý tài nguyên và
điều khiển lưu lượng trên mạng. Vấn đề điều khiển lưu lượng trên
mạng NGN đến nay vẫn đang còn là một vấn đề mở và chưa được giải
quyết triệt để.
2.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là đề xuất một cơ chế điều khiển
lưu lượng mới, hiệu quả cho mạng lõi NGN.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là cơ chế điều khiển lưu lượng
trên mạng lõi mạng viễn thông thế hệ sau.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là các th
ủ tục (protocol) và các
giải thuật (procedure, algorithm) điều khiển lưu lượng hoạt động trên
lớp vận chuyển với mức làm việc là mức gói tin và đối tượng điều
khiển là các luồng lưu lượng tổ hợp. Mọi vấn đề khác liên quan đến cơ
chế định tuyến, phân mức gói tin, báo hiệu kết nối… coi như đã được
giải quyết bằng các công cụ khác nằm ngoài ph
ạm vi nghiên cứu của
luận án này.
4. Phương pháp và công cụ nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp xây dựng mô hình cấu trúc hệ
thống và mô hình hóa hệ thống thông qua công cụ toán học và các
công cụ của lý thuyết hệ thống và lý thuyết điều khiển
. Đồng thời, luận
án tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có của các tác giả khác có liên

quan đến đề tài; phân tích các yếu tố liên quan đến vấn đề điều khiển
lưu lượng trên mạng lõi NGN, qua đó đề xuất cơ chế điều khiển lưu
lượng hiệu quả trên mạng lõi NGN.

2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học được thể hiện qua các đóng góp mới:
- Đề xuất cơ chế điều khiển mới tại nút lõi của NGN dùng phương
pháp điều khiển chuẩn tối ưu toàn phương tuyến tính (LQG) trên cơ
sở cải tiến kỹ thuật lọc Kalman.
- Đề xuất lọc Kalman cải tiến để ướ
c lượng lưu lượng toàn trình.
- Đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng toàn trình mới tại nút biên sử
dụng phương pháp điều khiển chuẩn toàn phương tuyến tính cải
tiến JLQG.
Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng làm cơ sở
khoa học và định hướng công nghệ cho mạng viễn thông thế hệ sau tại
Việt Nam.
6.
Cấu trúc của Luận án
Luận án gồm phần Mở đầu, phần Kết luận và 03 chương nội dung.
Chương 1 trình bày tổng quan về các kết quả nghiên cứu đã có của các
tác giả khác có liên quan đến đề tài, phân tích điểm mạnh và các hạn
chế của các kết quả nghiên cứu đó, rút ra các vấn đề cần được giải
quyết, các nhiệm vụ nghiên cứu và các đặc trưng của mạng lõi.
Chương 2 đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng mới tại nút lõi của
NGN sử dụng lọc Kalman cải tiến. Chương 3 đề xuất phương pháp cải
tiến lọc Kalman để ước lượng lưu lượng toàn trình, đề xuất cơ chế
điều khiển lưu lượng toàn trình mới cho nút biên sử dụng phương
pháp điều khiển chuẩn toàn phương tuyế

n tính cải tiến JLQG.




3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ
CÓ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU
LƯỢNG TRÊN MẠNG LÕI
1.1 Mở đầu
Trong những năm qua, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu
về điều khiển lưu lượng trên mạng viễn thông, trong đó chủ yếu sử
dụng các công cụ tối ưu hóa và điều khiển t
ối ưu. Chương 1 trình bày
tổng quan về các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và
ngoài nước có liên quan đến đề tài, các vấn đề còn tồn tại cần được
giải quyết, các nhiệm vụ nghiên cứu và các đặc trưng của mạng lõi có
ảnh hưởng đến việc xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng trên mạng
lõi NGN.
1.2 Các cơ chế điều khiển tối ưu l
ưu lượng đã có
1.2.1 Dạng bài toán quy hoạch lồi
Cơ chế điều khiển được thực hiện dựa trên việc điều khiển tốc
độ các nguồn tin (rate-based control) với giả thiết là tất cả các nguồn
lưu lượng được mô tả bằng một hàm tiện ích, hoàn toàn đồng bộ với
nhau và có khả năng liên lạc với nhau để chọn tốc độ truyền dữ
liệu
tối ưu. Các bài toán điều khiển tối ưu được xây dựng dưới dạng bài
toán quy hoạch lồi bao gồm thành phần chính tại các nút mạng và các
thành phần phân tán tại các nguồn tin, có mục tiêu là cực đại hóa lợi

ích tổ hợp của các nguồn lưu lượng.
Các bài toán loại này được xây dựng theo 3 dạng cơ bản:
Phương pháp điều khiển lưu lượng max-min (max-min flow control);
phương pháp điều khiể
n công bằng theo tỷ lệ băng thông (bandwidth
proportional fairness) và phương pháp điều khiển lưu lượng max-
min theo trọng số (weighted max-min flow control).

4
1.2.2 Dạng bài toán sử dụng lý thuyết điều khiển và lý thuyết hệ
thống
Mạng được coi là một hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín có
trễ. Hiệu suất của cơ chế điều khiển phụ thuộc vào trễ trên mạng, vì
vậy thường phải bỏ qua trễ hoặc coi trễ là biết trước và không thay
đổi. Mục tiêu điều khiển là c
ực tiểu hoá mức độ tổn thất gói tin. Hàm
mục tiêu thường có dạng LQG hoặc sử dụng một bộ điều khiển H
∞

hoặc H
2
. Hệ số phản hồi được xác định bằng phương pháp đặt cực.
1.2.3 Một số hạn chế và các tồn tại chưa được giải quyết
Các cơ chế điều khiển lưu lượng hiện có vẫn còn một số hạn chế
và một số vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết triệt để như sau:
- C
ơ chế điều khiển thường được xây dựng cho các mô hình mạng
đơn giản, có đầy đủ thông tin trạng thái. Các nút mạng đều có chức
năng như nhau và có thể liên lạc trực tiếp với các nguồn lưu lượng
- Cho phép giảm mức độ phức tạp của bài toán, nhưng lời giải tối

ưu toàn cục hầu như không thể đạt được.
- Hàm tiện ích của các nguồn tin ph
ải có dạng lõm chặt.
- Hiệu quả của thuật toán giảm khi trễ chu trình vòng thay đổi.
- Mô hình tối ưu hóa thường là các mô hình tĩnh.
- Các mô hình thống kê hoặc mô hình dòng lỏng của lưu lượng không
biểu diễn được sát thực các đặc tính động học của lưu lượng.
- Các cơ chế điều khiển lưu lượng theo hướng tối ưu hóa chưa tính
đến các yếu tố nhi
ễu loạn trên mạng.
1.3 Đặc điểm cấu trúc của mạng lõi và ảnh hưởng của nó đến việc
xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng
Trong mạng lõi có 2 loại nút mạng: Các nút lõi (core node) có
nhiệm vụ hủy gói tin và chuyển tiếp gói tin; các nút biên (edge node)

5
có nhiệm vụ tổ hợp và chuyển tải lưu lượng qua mạng; phân rã các
dòng lưu lượng tổ hợp tại đầu ra cho các mạng truy nhập.
Các đặc điểm của mạng lõi có ảnh hưởng đến việc xây dựng cơ
chế điều khiển lưu lượng:
- Các nút biên và nút lõi nội mạng có vai trò và chức năng hoàn
toàn khác nhau đối với vấn đề điều khiển lưu lượ
ng. Các nút mạng
phải tự đưa ra các quyết định điều khiển dựa trên việc ước lượng
trạng thái lưu lượng nhờ các số liệu giám sát
- Lưu lượng trên mạng lõi là các dòng lưu lượng tổ hợp, được
truyền như nhau và không phân biệt lớp dịch vụ.
- Trên mạng lõi không có nút điều khiển trung tâm. Mạng không
giám sát trạng thái của các dòng lưu lượng thành phần và không
có cơ

chế dành sẵn tài nguyên cho các kết nối.
- Tắc nghẽn xảy ra trên mạng lõi chủ yếu là do giới hạn về độ lớn
bộ đệm và năng lực xử lý gói tin của nút lõi.
- Trễ chu trình vòng không thể xác định chính xác được.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu
Xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng trên lớp vận chuyển với đối
tượng điều khi
ển là các dòng lưu lượng tổ hợp của các gói tin rời rạc,
đáp ứng được các biến đổi thường xuyên trên mạng.
1.5 Kết luận
Kết quả của một số nghiên cứu đã có của các tác giả khác về
điều khiển tối ưu lưu lượng trên mạng viễn thông không thích hợp để
áp dụng cho mạnh lõi NGN do gặp phải một số vấn đề về mô hình lưu
lượng, cơ chế điều khiển, phương pháp xây dựng bài toán…
Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án là xây dựng một cơ chế điều
khiển lưu lượng hiệu quả trên mạng lõi NGN phù hợp với các đặc
trưng về cấu trúc và lưu lượng của mạng lõi.


6
Chương 2. ĐỀ XUẤT CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TẠI
NÚT LÕI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỌC KALMAN CẢI TIẾN
2.1 Cơ chế quản lý bộ đệm tại nút lõi
Mạng lõi NGN chủ yếu sử dụng phương pháp xếp hàng FIFO cho
dòng lưu lượng tổ hợp đến nút mạng với một hàng đợi duy nhất có
kích thước bộ đệm Q
max
. Tại khe thời gian thứ k, ta định nghĩa các
tham số nút mạng thứ i như sau:

)(kf
i
(
: số gói tin bị huỷ trong khe thời gian thứ k
q
i
(k) : chiều dài bộ đệm tại khe thời gian thứ k

)(kf
i
: số gói tin đến nút mạng trong khe thời gian thứ k

ξ
i
(k) : tốc độ xử lý của nút mạng) trong khe thời gian thứ k
2.2 Xây dựng mô hình điều khiển
Tốc độ mong muốn của dòng lưu lượng tổ hợp đến nút mạng và độ
dài bộ đệm tại thời điểm k+1 được tính theo công thức :
∑
−
=
−−−+=+
1
0
)1()()1(
D
d
dd
dkfSkqkq
ξ

(2.1)
∑∑
−
=
−
=
−−−−−=+
1
0
1
0
0
)())(()()1(
N
n
M
m
mn
mkfQnkqkfkf
βα
(2.2)
Ta định nghĩa một vecto trạng thái x bao gồm D+N+2 thành phần
như sau :
T
2ND21
xxxx ), ,,(
++
= , trong đó
)()( 1iNjqjx
i

−+−≡ với i=1,…, N+1
)()( 1iDjfjx
1iN
−
+−≡
++
với i=1,…,D+1
Bằng cách thay thế các giá trị của x theo i vào (2.1)-(2.2), ta được hệ
phương trình ma trận trạng thái mô tả hệ thống:
)()()()1( kwkukxkx
cc
+
+
=
+ BA (2.3)
)()()( kvkxky
c
+
= C (2.4)

7
Trong đó
T
nfnqny ))(),(()( = là vecto kết quả giám sát bộ đệm và
tốc độ dòng lưu lượng tổ hợp; w(k) và v(k) là nhiễu quá trình và nhiễu
giám sát của hệ thống.
0kwE =)]([ , )()()]()([ kkkwkwE
T
δ
Q=

0kvE =)]([
,
)()()]()([ kkkvkvE
T
δ
R=

2.3 Ước lượng lưu lượng tổ hợp đến nút lõi
Lưu lượng đến các nút lõi phải được ước lượng. Ta định nghĩa
vecto trạng thái của nút lõi:
T
DkfkfkfQDkqQkqkx )](), ,1(),(,)(, ,)([)(
00
−
−
−
−
−=
và xây dựng một lớp các mô hình của nút lõi theo D:
⎩
⎨
⎧
=
+=
++=+
∑
)6.2(
)5.2(
, 2,1
)()()(

)()()()1(
:)( D
kvkxky
kwkukxkx
c
cc
D
C
BA

Trong đó: A
c
∈ℜ
(D+1)x(D+1)
, B
c
∈ℜ
2x(D+1)
, C
c
∈ℜ
(D+1)

là các ma trận có
kích thước phụ thuộc vào D; w(k) và v(k) là các yếu tố nhiễu loạn,
)(
~
kf
,
)(

~
kq
là nhiễu loạn của tốc độ dòng lưu lượng và chiều dài bộ
đệm, y(k) là giá trị giám sát độ dài bộ đệm và tốc độ lưu lượng.

Hình 2.4. So sánh tốc độ lưu lượng ước lượng được với tốc độ đến

8
Kết quả mô phỏng cho thấy kỹ thuật lọc Kalman cho phép ước
lượng chính xác trạng thái lưu lượng đầu vào trong trường hợp xác
định được các hiệp phương sai nhiễu. Nếu hiệp phương sai của các
yếu tố nhiễu loạn không thể xác định chính xác được thì kết quả ước
lượng trạng thái bằng kỹ thuật lọc Kalman có thể không chính xác.
2.4 Phương pháp cải tiến kỹ thuật lọc H
∞
Ta cải tiến bộ lọc H
∞
bằng cách bổ sung các điều kiện ràng buộc
vào thuật toán lọc để đảm bảo các giá trị ước lượng nằm trong vùng
tuyến tính của mô hình nút lõi và sử dụng các hệ số hiệu chỉnh.
Hiệp phương sai lỗi ước lượng trong điều kiện có ràng buộc được xác
định:
)()()()( kkkk
T
GPGP =
trong đó G(k) là ràng buộc của nút lõi:
max
)()()( GBG ≤+ kukxk
c
(2.7)

Hiệp phương sai lỗi ước lượng P được hiệu chỉnh bằng hệ số
η

≥
1 :
(
)
WLAPAP +=
−+ T
cc
kk )()(
η

Giá trị của
η
được quyết định dựa trên đặc tính động học của hệ
thống và mức độ chính xác của kết quả giám sát trạng thái. Phương
pháp xác định
η
như sau:
∑
−
=
+−
+
++
++
≥
1D
0j

T
jDk
T
1k
1jv1jv
m
1
D
1
1kv1kv
m
1
))(
ˆ
)(
ˆ
(
)(
ˆ
)(
ˆ
η
(2.8)
Thuật toán cập nhật, hiệu chỉnh
)(k
+
P :
(1) Đặt γ(k) = 0 và tính giá trị
2
)(

ˆ
)( kxky
c
C−
(2) Tăng γ(k) với mức tăng Δγ.
(3) Cập nhật giá trị
)(
ˆ
kx .
(4) Tính giá trị
2
kxCky )(
ˆ
)( −
mới.

9
(5) Tính )(k
−
P , xác định mức giảm của )(k
−
P . Nếu mức giảm đủ
nhỏ thì dừng lại, chọn giá trị γ(k) cuối cùng. Ngược lại, quay lại
bước (2).
Thủ tục ước lượng trạng thái theo kỹ thuật H
∞
cải tiến:
Tại mỗi chu trình vòng thứ k+1, thủ tục ước lượng trạng thái bằng kỹ
thuật H
∞

cải tiến được thực hiện như sau:
(1) Dự báo các giá trị ước lượng:
)()(
ˆ
)1(
ˆ
kukxkx
cc
BA +=+
−

11
))()(()(
−−−
+−= kkk
c
T
c
PCVCQPIL

WALPAP +=+
−− T
cc
kkk )()()1(
(2) Chọn ma trận G(k) thích hợp. Đặt

)()1()(:)1( kkkk
T
GPGP +=+
−−

(3) Tính hệ số
η
theo biểu thức (2.8).
(4) Cập nhật giá trị ước lượng )1( +
+
kP :
(a) Đặt γ(k) = 0 và tính giá trị
2
)(
ˆ
)( kxky
c
C−

(b) Tăng γ(k) với mức tăng Δγ.
(c) Cập nhật giá trị
)(
ˆ
kx theo biểu thức:
11
))1()1()(()(
−−−−
+++−= kkkk
c
T
c
PCVCQPIL
γ

1
)()1()(
−−
+= VCLPAH
T
cc
kkk
))1(
ˆ
)()(()1(
ˆ
:)1(
ˆ
+−++=+
−−−
kxkykkxkx
c
CH
(d) Tính giá trị
2
)(
ˆ
)( kxky C− mới.
(e) Cập nhật
)1( +
+
kP
WALPAP ++=+
−+ T
cc

kkk )()1()1(

(f) Xác định mức giảm của
)1( +
+
kP . Nếu mức giảm còn lớn
thì quay lại bước (b). Ngược lại, thì chọn các giá trị
)1( +kP và )(
ˆ
1kx
+
cuối cùng.

10
(5) Tìm giá trị ước lượng )(
ˆ
1kx
+
cuối cùng thỏa mãn điều kiện
ràng buộc của hệ thống.
Kết quả mô phỏng thuật toán H
∞
cải tiến với mạng lõi có D=2, hiệp
phương sai nhiễu thay đổi theo thời gian và có ràng buộc (2.7) được
thể hiện trên các hình từ 2.10 đến 2.14 cho thấy kết quả ước lượng
trạng thái nút lõi khá chính xác với sai số không vượt quá 3 gói tin.

Hình 2.10. So sánh tốc độ lưu lượng đến với tốc độ ước lượng

Hình 2.13. So sánh lỗi ước lượng độ dài bộ đệm nút lõi

11

Hình 2.14. So sánh lỗi ước lượng tốc độ lưu lượng đến nút lõi

2.5 Xây dựng bộ điều khiển chuẩn LQG
Mô hình điều khiển LQG của nút lõi như sau (hình 2.15):

Hình 2.15. Sơ đồ khối điều khiển trạng thái của nút lõi
Hệ thống:
)()()()1( kwkukxkx
cc
+
+=+ BA
)()(
1
kxkz
c
C=
v w



u
x
ˆ
y
z

Nút lõi

Bộ ước lượng

K
+
f
f
(

12
)()()( kvkxky
c
+= C
trong đó z(k) là một tiêu chí chất lượng của mạng.
Bộ điều khiển:
)10.2(
)9.2(
, 2,1
)()(
)()()1(
:)( =
⎩
⎨
⎧
=
+=+
Ξ D
kxky
kykxkx
RRR

RRRR
D
C
BA

Do
)(
ˆ
)( 1kkxkx
R
−= , ta có hệ số phản hổi tối ưu :
)(
ˆ
)()( 1kkxKkxKku
LQRRLQR
−−=−=
.
Và phương trình trạng thái của bộ điều khiển:
)()()1(
ˆ
))(()1(
ˆ
kykkkxkkkx
ccc
HCHKBA +−−−=+
)1(
ˆ
)( −−= kkxku K

Do đó, các hệ số của bộ điều khiển tương ứng là

cccR
k CHKBAA )(−−=
)(k
R
HB =
KC −=
R

trong đó K được xác định bằng
c
T
c
SBWK
1−
=
, với S
c
là nghiệm
của phương trình đại số Riccati đối với bộ điều khiển (CARE) :
0
1
=+−+
−
c
T
cc
T
cccccc
T
c

VCCSBWBSASSA

Khi đó, ta xét tính ổn định của hệ thống thông qua việc xét các giá trị
riêng của
cccR
k CHKBAA )(
−
−= .
Cuối cùng, ta tổng hợp phương pháp điều khiển nút lõi như sau :
1. Xây dựng mô hình nút lõi trong không gian trạng thái.
2. Ước lượng trạng thái nút lõi bằng kỹ thuật lọc H
∞
cải tiến :
(a) Ước lượng và xác định hiệp phương sai các nhiễu quá trình
W và nhiễu giám sát V.
(b) Xác định H(k) bằng phương pháp ước lượng cải tiến.
3. Xây dựng bộ điều khiển :
(a) Chọn các ma trận trọng số P và R.

13
(b) Tính hệ số điều khiển K cho nút lõi bằng phương pháp
phản hồi trạng thái tối ưu.
(c) Xây dựng bộ điều khiển tối ưu LQG {A
R
, B
R
, C
R
}.
Trong luận án, hàm dlqr.m được cải tiến cho ra kết quả các điểm cực

trong E là các giá trị riêng của ma trận
cccR
k CHKBAA )(
−
−
=

Ta có kết quả về giá trị riêng của A
R
và đồ thị các điểm cực như trong
hình 2.17, như sau:
Eigenvalue Damping Freq. (rad/s)
0.00e+000 -1.00e+000 0.00e+000
0.00e+000 -1.00e+000 0.00e+000
1.52e-001 -1.00e+000 1.52e-001
9.85e-001 -1.00e+000 9.85e-001

Hình 2.17. Sơ đồ các điểm cực của hệ thống hợp
Kết quả mô phỏng cơ chế điều khiển được mô tả trên các hình từ 2.17
đến 2.20 cho thấy kết quả ước lượng tốc độ lưu lượng đến có giá trị
gần bằng tốc độ dòng lưu lượng tổ hợp đến nút mạng với sai số chỉ
nằm trong khoảng 0,2% giá trị t
ốc độ lưu lượng; độ dài xếp hàng tại
bộ đệm nút mạng được duy trì xung quanh giá trị cân bằng Q0 với

14
biên độ dao động không quá 1% giá trị Q0, và vùng hoạt động của hệ
thống được duy trì trong giới hạn ổn định.

Hình 2.18. So sánh tốc độ lưu lượng theo cơ chế điều khiển

Hình 2.20. So sánh độ dài bộ đệm theo cơ chế điều khiển
2.6 Kết luận
Cơ chế điều khiển lưu lượng mới tại nút lõi sử dụng kỹ thuật lọc
H
∞
cải tiến trong điều kiện trạng thái nút lõi bị ràng buộc bởi các giới
hạn của tài nguyên hệ thống cho phép ước lượng tối ưu lưu lượng
mạng và đảm bảo duy trì lưu lượng qua nút lõi xung quanh trạng thái
ổn định mong muốn và không vượt quá các giới hạn tài nguyên mạng.

15
Chương 3. ĐỀ XUẤT CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
TOÀN TRÌNH TẠI NÚT BIÊN
3.1 Mô hình giám sát mạng
Gọi
()
L21
yyyky , ,,)( = là vecto số liệu giám sát lưu lượng
tổ hợp tại các đường truyền nội mạng mà nút biên nhận được tại thời
điểm k. Phương trình giám sát cho nút biên như sau :
)()()()()()(
1
kvixikxkky
k
Dki
k
++=
∑
−

−=
HH
Trong đó,
)(ix là số liệu ước lượng tốt nhất của x trong chu
trình thứ i, được lưu giữ để tính toán trong các chu trình tiếp theo; v(k)
là nhiễu loạn gây ra lỗi giám sát, với giả thiết
0kvE =)]([ ,
)()()]()([ kkkvkvE
T
δ
R= ,
LL
k
×
ℜ∈)(R là ma trận hiệp phương sai
nhiễu;
OD
Lxn
k
i ℜ∈)(H
là ma trận gán lưu lượng.
3.2 Phương trình trạng thái của nút biên
Ta giả sử xuất phát từ mỗi nút biên sẽ có n
OD
dòng lưu lượng
toàn trình được mô tả bằng vecto
OD
n
kx ℜ∈)( . Phương trình trạng
thái của nút biên được xây dựng như sau:

)()()()()()()()1(
1
kwiuiixikxkkx
k
Dki
k
k
Dki
k
+++=+
∑∑
−=
−
−=
BFF
Trong đó F
k
(i) là ma trận biểu diễn mức độ ảnh hưởng của trạng thái ở
chu trình vòng thứ i đến trạng thái hiện tại; u(k) là tín hiệu đầu vào.
Đặt:
[]
T
e
Dkxkxkxkx )()1()()( −−= L ,
[]
T
e
Dkukukuu )()1()( −−= L ,
[]
T

e
kwkw 00)()( L=
[]
T
e
kyky 00)()( L=
[
]
T
e
kvkv 00)()( L=

16
ta có phương trình:
)()()()1( kwkukxkx
eeeee
+
+=+ BA (3.1)
)()()( kvkxky
eeee
+
=
C (3.2)
(3.1) và (3.2) tạo thành một mô hình danh định của nút biên.
3.3 Ước lượng lưu lượng toàn trình
Luận án đã xây dựng được các phương trình ước lượng trạng thái mới
dựa trên kỹ thuật lọc Kalman:
)()()|()()|1( kkkkkkk
T
kk

QFPFP +=+

1
)]1()()|1()()[()|1()1(
−
++++=+ kkkkkkkkk
T
kk
T
k
RHPHHPK
)|1()]1()1([)1|1( kkkkkk
k
+
+
+
−=++ PHKIP
)()|(
ˆ
0x00x
=

∑
−
−=
+=+
2
)()()|(
ˆ
)()|1(

ˆ
k
Dki
kk
ixikkxkkkx FF
∑
−
−=
++−
+
+
+
+=++
1
)()(-)|1(
ˆ
)1(
)1()(1()|1(
ˆ
)1|1(
ˆ
k
Dki
kk
ixikkxk
kykkkxkkx
FF
K

Hình 3.6. Sai số ước lượng lưu lượng toàn trình

17
Kết quả ước lượng mô phỏng được thể hiện bằng đồ thị trên hình
3.6 mô tả sai số ước lượng các dòng lưu lượng toàn trình xuất phát từ
một nút biên. Dễ thấy rằng phương pháp lọc Kalman cải tiến đã cho
kết quả ước lượng với sai số ước lượng khá gần với giá trị 0.
3.4 Xây dựng cơ chế điều khiển
Nút biên được mô tả như
là một hệ thống tuyến tính rời rạc theo
thời gian có kích thước hữu hạn, với trạng thái nhảy ngẫu nhiên được
mô tả bằng một xích Markov trạng thái hữu hạn. Bài toán điều khiển
lưu lượng tại nút biên được xây dựng thông qua việc áp dụng cơ chế
điều khiển JLQG, là một cải tiến của cơ chế LQG.
Giả sử trễ chu trình vòng trên mạng xảy ra một cách ng
ẫu nhiên
theo một quá trình ngẫu nhiên {r(k)} với r(k) là thời gian trễ chu trình
vòng, có giới hạn là số bước nhảy tối đa qua mạng D, nghĩa là
∞<≤≤ Dkr0 )( .
Cơ chế điểu khiển phản hồi trạng thái đầu ra theo cơ chế LQR, với
tín hiệu điều khiển là
))(()(
)(
krkxku
kr
−
=
K . Hệ thống vòng kín
tương ứng là
)()()1(

)()(
kxkx
ekrkreee
CKBA
+
=
+

trong đó
[
]
00I00C LL=
)( kr
, với phần tử ma
trận I nằm ở khối thứ
)(kr . { )(kr } là một chuỗi có sự biến đổi trạng
thái ngẫu nhiên, giả sử tuân theo xích Markov thời gian hữu hạn (hình
3.8), với
{}
ijr
pikrj1krP
=
=
=+ )(|)( , trong đó
Dji0
≤
≤
,
. và
ma trận xác suất chuyển trạng thái:

⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
−−
DDDDDD
DD
ppppp
p
ppp
pp
L
MMMMM
MMMMMM
L
L
3210

)1)(1(
121110
0100
00
000
Π


18
trong đó 1p0
ij
≤≤ và
∑
=
=
D
0j
ij
1p


Hình 3.7. Cơ chế điều khiển tại nút biên

Hình 3.8. Lưu đồ chuyển trạng thái của nút biên

Nút biên
Bộ ước lượng -
điều khiển
Mạng lõi
(T
r
ễ và hủy gói
f(k)
x(k)
u(k)
x(k-r(k))
Giám
sát
y(k)
p
10
p
00

p
33

p

22
p11
r=0
r=2 r=3
r=1
p
31
p
12
p
21
p
30
p
20
p
01
p
32
p
23

19
Mỗi dòng trong ma trận trên biểu diễn xác suất chuyển trạng thái
từ một trạng thái xác định đến các trạng thái khác. Các phần tử trên
đường chéo của ma trận trên biểu diễn xác suất của các chuỗi thông
tin phản hồi có cùng thời gian trễ. Các phần tử bên trên đường chéo
biểu diễn xác suất của các thông tin phản hồi có thời gian trễ dài hơn
do tắc nghẽn trên mạng, còn các phần tử bên dưới đường chéo biểu
diễ

n xác suất của các dòng tin phản hồi có thời gian trễ ngắn hơn do
hủy gói tin trên mạng.
Ta xây dựng bộ điểu khiển có trạng thái được mô tả bởi các phương
trình:

)()()( kykz1kz
cc
BA
+
=
+
(3.3)

)()()( kykzku
cc
DH
+
=
(3.4)
trong đó
)(
ˆ
)( k1kxkz += chính là ước lượng trạng thái dòng lưu
lượng toàn trình.Ta xây dựng biến trạng thái của bộ điều khiển bao
gồm cả các số liệu đầu ra trong quá khứ:

[]
T
TTT
c

Dkukukzkz )()()()( −= L . Khi đó,
phương trình trạng thái của bộ điều khiển:

)(
~
)(
~
)1( kykzkz
CcCc
BA +=+
(3.5)

)(
~
)(
~
)(
)()(
kykzku
krckcr
KH +=
(3.6)
trong đó
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦

⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
0I00
00I0
000H
000A
A
L
MMOMM
L
L
L
c
c
c
~

⎥
⎥
⎥
⎥
⎥

⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
0
0
D
B
B
M
C
C
C
~

[]
[]
⎩
⎨
⎧
≠
=

=
0r(k)
0r(k)
kcr
nÕu
nÕu
00I00
0000H
H
LL
LL
)(
~


20
⎩
⎨
⎧
≠
=
=
0r(k)
0r(k)
c
kr
nÕu
nÕu
0
D

K
)(
~

Đặt
[]
T
T
c
T
e
zxx =
(
, hệ hợp có phương trình trạng thái hệ
thống vòng kín:

(
)
)()1(
)()(
kxkx
krkr
(
(
(
(
(
(
CKBA +=+
(3.7)

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
00
0A
A
e
(

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
0I
B0
B
e
(

⎥
⎦
⎤
⎢

⎣
⎡
=
0C
I0
C
)(
)(
kr
kr
(

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
=
)()(
~~
~
~
krkcr
cc
KH
BA
K

(

Đây là một hệ thống tuyến tính nhảy trạng thái. Tham số nhảy
Markov là
)(kr
, và ma trận xác suất chuyển trạng thái Π.
Ta xây dựng thuật toán lặp trên cơ sở sử dụng cơ chế phản hồi
trạng thái để điều khiển hệ thống nút biên được mô tả bằng hệ thống
vòng kín:

(
)
)()1(
)()()()(
kxkx
krkrkrkr
(
(
CKBA
+
=+ (3.8)
trong đó A
r(k)
, B
r(k)
, K
r(k)
và C
r(k)
tương ứng với

A
(
,
B
(
,
)(kr
K
(
và
)(kr
C
(

trong (3.7). Tỷ lệ phân rã
α
β
1
=
:
()
∑
=
<++
D
i
jiiiii
T
iiiiji
p

0
)( QCKBAQCKBA
α
(3.9)
Giới hạn dưới của
α
β
1=
có thể tìm được bằng cách giải bài toán:
Cực tiểu hóa
α

với ràng buộc (c1), j = 0, 1, , D (3.10)
Và
0, ,0
0
>>
D
QQ

Bài toán trên có thể giải được bằng các công cụ giải bài toán
quy hoạch lồi thông thường.
Để thiết kế cơ chế điều khiển LQG, ta bắt đầu bằng một giá trị Π
0

đơn giản, sau đó thay đổi Π theo các bước lặp. Ta xây dựng thuật toán
lặp để thiết lập bộ điều kiển ổn định cho nút biên như sau:

21
1. Xây dựng cơ chế điều khiển LQR cho hệ (3.1) (3.2) với hệ số điều

khiển phản hồi K. Đặt Ki = K với mọi i = 0, 1, , D và khởi tạo ma
trận chuyển trạng thái Π = Π
0
.
2. Thuật toán lặp:
a. Với các giá trị
i
K
cho trước, giải hệ bất phương trình (3.9) với
mọi j = 0, , D và
1
=
α
để tìm
i
Q
, i = 0, 1, , D đảm bảo hệ ổn
định theo định lý 4.1.
b. Với
i
Q
, i = 0, 1, , D tìm được, giải bài toán (3.10) để tìm
i
K
,
i = 0, , D theo đó cực đại hóa tỷ lệ phân rã của hệ thống vòng kín.
c. Nhiễu xạ ma trận xác suất chuyển trạng thái P bằng cách
gán
][:
ij

Δ+Π
=
Π , với
ij
Δ
là nhiễu xạ nhỏ.
Lặp lại các bước trên cho đến khi đạt được ma trận Π mong muốn
hoặc bước a không còn giải được.
3.5 Kết luận
Thuật toán lọc Kalman cải tiến cho phép ước lượng tối ưu trạng
thái lưu lượng toàn trình của mạng trong điều kiện trễ chu trình vòng
trên mạng thay đổi và tồn tại các yếu tố bất định của nhiễu. Nút biên
được coi là một h
ệ thống tuyến tính rời rạc theo thời gian có kích
thước hữu hạn, với trạng thái nhảy ngẫu nhiên được mô tả bằng một
xích Markov trạng thái hữu hạn và vòng phản hồi trạng thái được thiết
lập thông qua môi trường trễ ngẫu nhiên. Phương pháp điều khiển mới
dựa trên cơ chế JLQG cho phép xác định hệ số điều khiển phản hồi
trạng thái tối ưu phù h
ợp với đặc thù của hệ thống.






22
KẾT LUẬN
Các kết quả đạt được của luận án cho phép đưa ra một số kết luận sau:
1. Phương pháp mô hình hóa mạng lõi thành các hệ thống tuyến tính

rời rạc theo thời gian và biểu diễn mạng trong không gian trạng
thái là phương pháp có nhiều ưu điểm nổi bật để mô tả cơ chế điều
khiển lưu lượng trên mạng lõi có cấu trúc lưới đầy đủ, cụ
thể là
cho phép đảm bảo cơ chế điều khiển lưu lượng không phụ thuộc
vào số lượng và đặc tính lưu lượng đa dịch vụ. Do đặc thù về cấu
trúc của mạng lõi, phương pháp phân rã bài toán điều khiển lưu
lượng riêng cho nút lõi và nút biên cho phép giải quyết yêu cầu
điều khiển lưu lượng cụ thể tại hai loại nút mạng có chức năng và
nhiệm vụ
hoàn toàn khác nhau, nhờ đó đã làm cho vấn đề điều
khiển trở nên rõ ràng hơn và dễ giải quyết hơn.
2. Kỹ thuật lọc Kalman cải tiến áp dụng tại nút lõi cho phép ước
lượng chính xác tốc độ dòng lưu lượng tổ hợp đến nút lõi trong
điều kiện giả định các yếu tố nhiễu loạn xảy ra với mức độ cao
nhất và trên mạng có các giới hạn v
ề tài nguyên mạng. Trong
trường hợp D=2, kết quả ước lượng tốc độ lưu lượng đến đến nút
mạng có giá trị chính xác với sai số chỉ nằm trong khoảng 0,2%
giá trị tốc độ lưu lượng. Cơ chế điều khiển lưu lượng đảm bảo độ
dài xếp hàng tại bộ đệm nút mạng được duy trì xung quanh giá trị
cân bằng Q
0
với biên độ dao động không quá 1% giá trị Q
0
, và
vùng hoạt động của hệ thống được duy trì trong giới hạn ổn định.
3. Kỹ thuật lọc Kalman cải tiến tại các nút biên cho phép ước lượng
được trạng thái lưu lượng toàn trình của mạng trong điều kiện trễ

23
chu trình vòng trên mạng thay đổi ngẫu nhiên. Độ phức tạp tính
toán của thuật toán được giảm từ O(n
OD
x(D+1)) xuống còn
O(n
OD
) và không phụ thuộc vào kích thước mạng, tức là không
phụ thuộc vào tham số D.
4. Việc sử dụng xích Markov trạng thái hữu hạn đã cho phép biểu
diễn được trạng thái lưu lượng của nút biên bằng ma trận xác suất
chuyển trạng thái Π
r
, bao quát được tình trạng nhảy ngẫu nhiên
của trễ chu trình vòng của các dòng lưu lượng toàn trình và của
thông tin phản hồi trạng thái tại nút biên. Cơ chế điều khiển lưu
lượng mới tại nút biên sử dụng phương pháp JLQG cho phép xác
định được một cách dễ dàng hệ số điều khiển phản hồi trạng thái
tối ưu của hệ thống, đảm bảo điều khiển t
ối ưu dòng lưu lượng tổ
hợp vào mạng.
Các định hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Phát triển áp dụng cơ chế điều khiển lưu lượng tại nút lõi cho
trường hợp tốc độ xử lý của nút lõi thay đổi theo các chế độ hoạt
động khác nhau của mạng.
- Xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng tại nút biên trong trường
hợp trễ
chu trình vòng trên mạng thay đổi ngẫu nhiên nhưng
không tuân theo một quá trình Markov.
- Áp dụng các phương pháp điều khiển đã nêu trong luận án vào

một cấu trúc mạng cụ thể, trong đó nút biên là điểm kết nối giũa
một mạng MAN với mạng WAN.



24
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1.
N
go Dong Hai (2003), “Optimization Problems in
telecommunication Networks: A Classification Study”, Journ.
of Comp. Sci. & Cybernetics, Vol. 19(3), pp. 281-289.
2.
N
go Dong Hai and Vu Ngoc Phan (2003), “On Fair Window
Control For TCP With ECN Using Congestion Pricing”, In
Proceedings of 7
th
ICEIC, 2004, pp. 189-192.
3.
N
gô Đông Hải, Vũ Ngọc Phàn (2005), “Điều khiển động tối ưu
lưu lượng mạng TCP/IP”, Hội nghị toàn quốc lần thứ VI về tự
động hóa (VICA 6), Hà Nội, 4/2005, tr. 179-184 tuyển tập báo
cáo.
4.
N
gô Đông Hải, Vũ Ngọc Phàn (2006), “Điều khiển tối ưu lưu
lượng mạng lõi thế hệ sau”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia “Một số
vấn đề chọn lọc trong CNTT”- 2005, tr. 278-284, Hải Phòng.

5.
N
gô Đông Hải (2006), “Xây dựng mô hình điều khiển tối ưu lưu
lượng mạng viễn thông thế hệ sau dựa trên lý thuyết điều
khiển”, Kỷ yếu Hội nghị ITMath 06 Học viện Kỹ thuật Quân
sự, tr. 97-103.
6
N
gô Đông Hải (2008), “Cải tiến thuật toán lọc Kalman để ước
lượng lưu lượng toàn trình của mạng lõi mạng thế hệ sau”,
Chuyên san tạp chí CNTT và Truyền thông, Kỳ 3, số 19, trang
25-32.



1
THÔNG TIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐƯA LÊN MẠNG

Tên Luận án: Điều khiển tối ưu lưu lượng trên mạng lõi mạng viễn thông thế
hệ sau.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62.52.70.05
Họ và tên nghiên cứu sinh: Ngô Đông Hải
Họ và tên cán bộ hướng dẫn: 1. TS. Mai Liêm Trực
2. TS. Vũ Ngọc Phàn
Cơ sở đào tạo: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Tóm tắt những điểm mới của luận án:
- Đề xuất một cơ chế điều khiển lưu lượng mới cho nút lõi sử dụng kỹ thuật lọc
Kalman cải tiến để ước lượng lưu lượng đến trong điều kiện giả định các yếu tố
nhiễu loạn xảy ra với mức độ cao nhất, và trên mạng có các giới hạn về tài nguyên
mạng. Kết quả mô phỏng ướ

c lượng tốc độ lưu lượng đến đến nút mạng có giá trị
chính xác với sai số chỉ nằm trong khoảng 0,2% giá trị tốc độ lưu lượng. Cơ chế
điều khiển lưu lượng tại nút lõi được xây dựng dựa trên cơ chế điều khiển chuẩn
toàn phương tuyến tính Gaussian (LQG), đảm bảo độ dài xếp hàng tại bộ đệm nút
mạng được duy trì xung quanh giá trị cân bằng Q
0
với biên độ dao động không quá
1% giá trị Q
0
, và vùng hoạt động của hệ thống được duy trì trong giới hạn ổn định.
- Đề xuất phương pháp cải tiến kỹ thuật lọc Kalman sử dụng tại các nút biên để ước
lượng tối ưu trạng thái lưu lượng toàn trình của mạng trong điều kiện trễ chu trình
vòng trên mạng thay đổi ngẫu nhiên. Độ phức tạp tính toán của thuật toán được
giảm từ O(n
OD
x(D+1)) xuống còn O(n
OD
) và không phụ thuộc vào kích thước
mạng, tức là không phụ thuộc vào tham số D.
- Đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng mới tại nút biên sử dụng phương pháp JLQG
cải tiến từ cơ chế điều khiển chuẩn toàn phương tuyến tính Gassian, cho phép xác
định được một cách dễ dàng hệ số điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu của hệ
thống, đảm bảo điều khiển tối ưu dòng lư
u lượng tổ hợp vào mạng. Trong phương
pháp này, nút biên được mô tả bằng một hệ thống tuyến tính rời rạc theo thời gian,
với trạng thái nhảy ngẫu nhiên được mô tả bằng một xích Markov trạng thái hữu
hạn đã, cho phép biểu diễn được trạng thái lưu lượng của nút biên bằng ma trận
xác suất chuyển trạng thái Π
r
, bao quát được tình trạng nhảy ngẫu nhiên của trễ