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

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG




HOÀNG TRỌNG MINH


CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI
KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62.52.70.05

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Bình
2. PGS.TS. Nguyễn Tiến Ban


Hà Nội - 2013
i



LỜI CAM ĐOAN
Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất
cứ công trình của bất kỳ tác giả nào khác.

Ngƣời cam đoan


Hoàng Trọng Minh
ii



LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy hƣớng dẫn, Đại tá
PGS.TS Nguyễn Quốc Bình và PGS.TS Nguyễn Tiến Ban, vì đã định hƣớng và liên
tục hƣớng dẫn các nhiệm vụ khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn các ý kiến chỉ dẫn của các nhà khoa
học GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, PGS.TS Hoàng Minh, GS.TS Nguyễn Bình đã
giúp nghiên cứu sinh có đƣợc các kiến thức học thuật quý báu.
Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, các thầy cô của
khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học, khoa Viễn thông 1 tại Học viện Công nghệ
Bƣu chính Viễn thông. Những hỗ trợ, động viên nghiên cứu của các cộng sự xin
đƣợc chân thành ghi nhận.
Nghiên cứu sinh chân thành bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình đã kiên trì chia
sẻ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận án.
Hà Nội, tháng 12 năm 2013


Hoàng Trọng Minh

iii



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
CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU
NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY 7
1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY 7
1.1.1 Kiến trúc mạng hình lƣới không dây 8
1.1.2 Một số ứng dụng điển hình 9
1.2 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ 11
1.2.1 Khái quát về chất lƣợng 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 CHƢƠNG 34
CHƢƠNG 2: BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN

TRUY NHẬP PHƢƠNG 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 PHƢƠNG
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 CHƢƠNG 50
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƢỢNG 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 CHƢƠNG 74
CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN QOS CẢI THIỆN
HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI 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 tƣơng 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 CHƢƠNG 109
v



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

vi



THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ACK
Acknowledgement
Báo nhận
AIR
Average Interference Ratio
Tỷ số nhiễu trung bình
AODV
Adhoc Ondemand Distance
Vector
(Giao thức định tuyến) vectơ
khoảng cách theo yêu cầu
AP
Access Point
Điểm truy nhập
BER
Bit Error Ratio
Tỷ số lỗi bit
BSS
Basic Service Set
Tập dịch vụ cơ bản

CAF
Channel Available Fraction
Tỷ lệ thời gian khả dụng kênh
CBR
Constant Bit Rate
Tốc độ bít cố định
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CFP
Contention Free Period
Chu kỳ không có tranh chấp
CP
Contention Period
Chu kỳ có tranh chấp
CSMA
Carrier Sense Multiple Access
Đa truy nhập cảm nhận sóng
mang
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
Đa truy nhập cảm nhận sóng
mang tránh xung đột
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection
Đa truy nhập cảm nhận sóng
mang phát hiện xung đột
CTS

Clear-to-Send
Xóa để gửi
CW
Contention Window
Cửa sổ tranh chấp
DCF
Distributed Coordinated
Function
Hàm hợp tác phân tán
DIFS
DCF InterFrame Space
Khoảng liên khung hàm phối hợp
phân tán
DS
Distribution System
Hệ thống phân bổ
DSDV
Destination Sequence Distance
Vector
(Giao thức định tuyến) vectơ
khoảng cách tuần tự đích
DSR
Dynamic Source Routing
(Giao thức) định tuyến nguồn
động
ELP
Expected Link Performance
Hiệu năng liên kết kỳ vọng
ESS
Extended Service Set

Tập dịch vụ mở rộng
ETSI
European Telecomunications
Viện nghiên cứu viễn thông Châu
vii



Standard Institute
Âu
ETT
Expected Transmission Time
Thời gian truyền dẫn kỳ vọng
ETX
Expected Transmission Count
Tham số truyền dẫn kỳ vọng
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
HSLS
Hazy-Sighted Link State
Routing
(Giao thức) định tuyến trạng thái
liên kết Hazy-Sighted
iAWARE
Interference AWARE (routing
metric)
(Tham số định tuyến) phản ánh

nhiễu
IAR
Interference Aware Routing
(Tham số) định tuyến phản ánh
nhiễu
IARM
Interference Aware Routing
Metric
Tham số định tuyến phản ánh
nhiễu
IBSS
Independent Basic Service Set
Tập dịch vụ cơ bản độc lập
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineer
Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
ILP
Integer Linear Programming
Quy hoạch tuyến tính nguyên
IF(s)
InterFrame space
Khoảng thời gian liên khung
ITU-T
ITU-Telecommunication
Standardization Sector
Liên minh viễn thông quốc tế -
Lĩnh vực tiêu chuẩn viễn thông
LAETT
Load Aware Expected

Transmission Time
(Tham số định tuyến) thời gian
truyền dẫn kỳ vọng phản ánh tải
LLC
Logical Link Control
Điều khiển liên kết logic
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập phƣơng tiện
MCOP
Multi-Constrained Optimal
Path
Tối ƣu đƣờng dẫn đa ràng buộc
MCP
Multi Constrained Problem
Bài toán đa ràng buộc
MoS
Mean of Score
Thang điểm đánh giá trung bình
MPR
Multi Point Relay
Chuyển tiếp đa điểm
NAV
Network Allocation Vector
Vectơ chỉ định mạng
NUM
Network Utility Maximization
Tối đa hóa lợi ích mạng
OFDM
Orthogonal Frequency Division

Multiplexing
Ghép kênh phân chia tần số trực
giao
viii



OLSR
Optimized Link State Routing
(Giao thức) định tuyến trạng thái
liên kết tối ƣu
PCF
Point Coordination Function
Hàm hợp tác điểm
PCS
Physical Carrier Sense
Cảm nhận sóng mang lớp vật lý
PDF
Packet Delivery Fraction
Tỷ lệ chuyển phát gói thành công
PDR
Packet Delivery Ratio
Tỷ lệ chuyển phát gói tin
PIFS
PCF InterFrame Space
Khoảng liên khung hàm phối hợp
điểm
QoS
Quality of Service
Chất lƣợng dịch vụ

RREQ
Route Request
Yêu cầu tuyến
RTS
Request-to-Send
Yêu cầu để gửi
SIFS
Short InterFrame Space
Khoảng liên khung ngắn
TC
Topology Control
Điều khiển cấu hình
TCP
Transport Control Protocol
Giao thức điều khiển giao vận
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
VANET
Vehicular Ad-Hoc Network
Mạng tùy biến xe cộ
VCS
Vitual Carrier Sense
Cảm nhận sóng mang ảo
WCETT
Weighted Cumulative Expected
Transmission Time
(Tham số) thời gian truyền dẫn kỳ
vọng trọng số tích lũy

WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng vùng cục bộ không dây
WMN
Wireless Mesh Network
Mạng hình lƣới không dây
WSN
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không dây







ix



BẢNG KÝ HIỆU


Tỷ số giữa bán kính cảm nhận và bán kính truyền dẫn


Ngƣỡng nhạy thu
0


Ngƣỡng cảm nhận


Trễ truyền lan


Tốc độ phục vụ của hệ thống


Độ dài một khe thời gian vật lý


Tốc độ đến của gói tin


Khoảng bảo vệ xung quanh một nút tránh nhiễu
B

Trạng thái break trong mô hình kênh 4 trạng thái
card( )A

Lực lƣợng của tập A
ij
c

Trọng số liên kết giữa nút i và nút j
ij
C

Trọng số liên kết tối thiểu giữa nút i và nút j

C

Trạng thái contention trong mô hình kênh 4 trạng thái
CW

Kích thƣớc cửa sổ tranh chấp
CW

Kích thƣớc cửa sổ tranh chấp trung bình
ij
d

Khoảng cách vật lý từ nút i tới nút j
d

Trạng thái defer trong mô hình nút 4 trạng thái
[]ET

Độ dài khe thời gian ảo
χ
e

Vector riêng tƣơng ứng với giá trị riêng


f

Trạng thái failure trong mô hình nút 3,4 trạng thái
,iI

Trạng thái idle trong mô hình nút và kênh 4 trạng thái
packet
L

Độ dài của một gói tin
m

Số lần truyền dẫn lại cực đại
M
Số lƣợng nút trung bình trong miền cảm nhận của một nút
H
M

Số lƣợng nút trung bình trong miền nút ẩn
N

Số lƣợng nút trung bình trong miền truyền dẫn của một nút
c
p

Xác suất xung đột
b
P

Xác suất lỗi bit
packet
L
e
P

Xác suất lỗi gói tin có kích thƣớc L(bits)
x



P


Xác suất kênh rỗi trong một khe thời gian
s
p


Xác xuất một nút truyền gói tin thành công trong một khe thời gian
t
p

Xác xuất một nút truyền một gói tin trong một khe thời gian
win
P

Xác suất tranh chấp thắng
P

Ma trận chuyển trạng thái
f
r

Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công hƣớng đi
r

r

Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công hƣớng về
packet
R

Tốc độ gói tin
s
R

Bán kính miền cảm nhận
t
R

Bán kính miền truyền dẫn
,sS

Trạng thái success trong mô hình nút và kênh 3,4 trạng thái


Tham số điều hòa
packet
T

Thời gian truyền dẫn gói tin
Th

Thông lƣợng mạng
W

Trạng thái wait trong mô hình nút 3 trạng thái






xi



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kiến trúc điển hình của mạng hình lƣới không dây [7] 8
Hình 1.2: Chuỗi Markov Bianchi [16] 31
Hình 2.1: Hoạt động của giao thức ALOHA [7] 37
Hình 2.2: Hoạt động của giao thức Slotted ALOHA [57] 38
Hình 2.3: Thông lƣợng chuẩn hóa của giao thức ALOHA và ALOHA phân khe [57]
39
Hình 2.5: Chuỗi Markov 3 trạng thái của nút 41
Hình 2.6: Biểu diễn mối quan hệ giữa
'
st
p
với
M
và
t
p
49
Hình 2.7: Khảo sát giá trị

st
p
và
'
st
p
với
M
thay đổi 50
Hình 2.8: Khảo sát giá trị
st
p
và
'
st
p
với sự thay đổi của
t
p
50
Hình 3.1: Kiến trúc và hàm phối hợp của IEEE 802.11 [46] 54
Hình 3.2: Lƣợc đồ truy nhập kênh cơ bản trong CSMA/CA [46] 55
Hình 3.3: Mô tả truyền thông giữa nút phát
i
và nút nhận
j
59
Hình 3.4: Chuỗi Markov của mô hình nút 4 trạng thái 60
Hình 3.5: Mô tả tính toán miền giao S
I

62
Hình 3.6: Chuỗi Markov của mô hình kênh xung quanh nút 65
Hình 3.7: Mô tả các miền diện tích
A
S
và
I
S
68
Hình 3.8: Quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút (

thay đổi) 71
Hình 3.9: Quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút trong điều kiện bão hòa 72
Hình 3.10: Mối quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút (thay đổi BER ) 72
Hình 3.11: Mối quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút (thay đổi

) 73
Hình 3.12: So sánh phƣơng pháp truy nhập cơ bản và RTS/CTS (thay đổi BER) 73
Hình 3.13: So sánh phƣơng pháp truy nhập cơ bản và RTS/CTS (thay đổi

) 74
Hình 4.1: Tính tuần tự của tham số định tuyến 93
Hình 4.2: Thiết kế xuyên lớp của giao thức OLSR 97
Hình 4.3: Các nội dung sửa đổi giao thức OLSR-IARM trong NS-2 98
Hình 4.4: Kiến trúc cơ bản của NS-2 103
xii



Hình 4.5: Kịch bản mô phỏng 104

Hình 4.6: So sánh trễ trung bình gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM 107
Hình 4.7: Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công giữa OLSR và OLSR-IARM 107
Hình 4.8: So sánh tỷ lệ tổn thất gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM 108
Hình 4.9: So sánh thông lƣợng của OLSR và OLSR-IARM 109

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Ký hiệu các tham số 58
Bảng 3.2: Các tham số mô phỏng 70
Bảng 4.1: Các nội dung sửa đổi để khai báo và định dạng tham số 98
Bảng 4.2: Các nội dung sửa đổi để gửi nhận bản tin định tuyến 99
Bảng 4.3: Các nội dung sửa đổi để cập nhật thông tin định tuyến 100
Bảng 4.4: Các nội dung sửa đổi để tính toán định tuyến 100
Bảng 4.5: Tham số mô phỏng giao thức OLSR và OLSR-IARM 105
1



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 ngƣời sử dụng. Trong đó, mạng hình lƣới không dây WMN (Wireless
Mesh Network) đƣợc 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 lƣới, đƣợc 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 đƣợc thực
hiện dựa trên các chuẩn công nghệ phổ biến hiện nay nhƣ IEEE 802.11, IEEE
802.15, IEEE 802.16… Với cấu trúc hình lƣới, WMN khắc phục sự hạn chế của
hiện tƣợng che khuất tầm nhìn thẳng trong các kết nối không dây truyền thống, tăng
dung lƣợng bằng các truyền dẫn tốc độ cao trong khoảng cách ngắn, tăng độ tin cậy
truyền thông cũng nhƣ giảm thiểu độ phức tạp trong triển khai hạ tầng mạng truy

nhập.
Bên cạnh các ƣu điểm về cấu hình và ứng dụng, chính cơ chế truyền thông
đa bƣớc không dây và các yêu cầu cung cấp chất lƣợng dịch vụ QoS (Quality of
Service) đã cho thấy một số thách thức mà WMN cần phải vƣợt qua về mặt hiệu
năng mạng. Cụ thể, đặc tính truyền thông đa bƣớc không dây, sự biến động chất
lƣợng kênh truyền, cơ chế điều khiển phân tán và tác động nhiễu giữa các liên kết
hình lƣới là nguyên nhân gây suy giảm các thông số hiệu năng mạng nhƣ thông
lƣợng, thời gian trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Trong đó, ảnh hƣởng của hiện tƣợng
tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lƣợng 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 đƣờng cho gói tin là
một hƣớng 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
2



của các giao thức hoạt động trên các lớp khác nhau, đồng nghĩa với mục tiêu tối ƣu
hoạt động của mạng. Bài toán tối ƣu xuyên lớp đƣợc giải quyết bằng các công cụ
toán học phổ biến nhƣ 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 lƣợng liên kết có thể đƣợc đánh giá chính xác hơn khi có sự bổ
sung các điều kiện thực tiễn nhƣ lƣu lƣợng không bão hòa và kênh không lý tƣởng
vào giả thiết đầu vào của mô hình giải tích. Bên cạnh đó, khả năng phản ánh chính
xác thuộc tính chất lƣợng liên kết của tham số định tuyến đóng vai trò then chốt để
giao thức định tuyến QoS có quyết định chọn đƣờng dẫn tối ƣu phù hợp với trạng

thái hiện thời của mạng, mang lại sự cải thiện hiệu năng mạng. Vì vậy, theo hƣớng
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 lƣợng liên kết và sử dụng nhƣ một thành phần dự
báo chất lƣợng liên kết kết hợp với thành phần đo chủ động sẵn có của giao thức
định tuyến tối ƣu trạng thái OLSR (Optimized Link State Routing) để đề xuất một
tham số định tuyến mới, cải thiện đƣợc các thông số hiệu năng WMN. Các kết quả
nghiên cứu đƣợc đánh giá và minh chứng qua phân tích số và mô phỏng.
Mục tiêu, đối tƣợng 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
đƣợc tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR nhằm cải thiện các thông số hiệu
năng chính của mạng cụ thể nhƣ: thông lƣợng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin.
Các phân tích số và mô phỏng kiểm chứng đƣợc thực hiện trong kịch bản
mạng hình lƣới 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 đƣợc lựa chọn
nhằm thể hiện tính tổng quát và phản ánh tƣờng minh tác động của nhiễu liên luồng
tới quyết định định tuyến. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra giao thức định tuyến
3



OLSR với tham số định tuyến đề xuất đạt đƣợc mức cải thiện đáng kể khi so sánh
với giao thức định tuyến OLSR nguyên gốc.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu đã nêu ở trên, nhiệm vụ
nghiên cứu đƣợc nghiên cứu sinh tập trung vào các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu tổng quát về ảnh hƣởng của các đặc tính chủ yếu trong mạng
hình lƣới không dây tới hiệu năng mạng, cơ sở học thuật của bài toán định
tuyến QoS, các giải pháp cải thiện hiệu năng đƣợc đề xuất trong các nghiên
cứu trƣớc dƣới góc độ sử dụng công cụ toán học. Từ đó sáng tỏ cách thức

tiếp cận, giải quyết vấn đề nhìn từ khía cạnh phƣơng pháp luận và xác định
công cụ toán học sử dụng.
2. Nghiên cứu các mô hình giải tích biểu diễn cơ chế hoạt động của các giao
thức đa truy nhập trong mạng có lƣu lƣợng bão hòa để tìm kiếm, phát hiện
giới hạn trên của thông lƣợng liên kết. Từ đó đề xuất các điều kiện ràng buộc
bổ sung đối với mô hình nhằm vào mục tiêu tăng tính chính xác về khả năng
phản ánh hiệu năng liên kết của mô hình giải tích.
3. Nghiên cứu các mô hình toán học biểu diễn hàm điều khiển phân tán IEEE
802.11 DCF (Distributed Coordination Function) để phục vụ việc phân tích,
đánh giá hiệu năng hoạt động của giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng
mang/tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision
Avoidance). Từ đó xây dựng mô hình giải tích mới nhằm phản ánh chính xác
chất lƣợng liên kết trong điều kiện thực tế.
4. Nghiên cứu, khảo sát các giao thức định tuyến và các tham số định tuyến
QoS trong WMN của một số tác giả trƣớc. Từ đó, đề xuất một tham số định
tuyến QoS mới chứa thành phần phản ánh nhiễu và tích hợp với giao thức
định tuyến OLSR để cải thiện hiệu năng mạng hình lƣới không dây trên cơ
sở của tiêu chuẩn IEEE 802.11.

4



Phƣơng pháp nghiên cứu
Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh dựa trên
các công cụ toán học nhƣ lý thuyết xác suất, chuỗi Markov, các phƣơng pháp tính
để xác minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết. Công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc đƣợc
sử dụng trong luận án nhằm để kiểm chứng tính hợp lý của đề xuất.
Cấu trúc luận án
Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới đƣợc trình bày trong các chƣơng,

mục theo cấu trúc sau:
Chƣơng 1 với tiêu đề “Khái quát các vấn đề liên quan tới hiệu năng mạng
hình lƣới không dây” trình bày các đặc tính kỹ thuật của mạng hình lƣới không dây,
các khái niệm cơ bản về QoS, bài toán cung cấp QoS và tính đặc thù của kỹ thuật
định tuyến QoS trong WMN. Trong đó, đáng chú ý là nội dung khảo sát về các giải
pháp cải thiện hiệu năng WMN dƣới góc độ toán học để làm sáng tỏ phạm vi
nghiên cứu và cách tiếp cận của luận án. Một phần nội dung của chƣơng liên quan
tới vấn đề khảo sát tham số định tuyến QoS trong WMN là nội dung trong bài báo
khoa học có tiêu đề “Khảo sát hiệu năng các tham số định tuyến trong mạng hình
lưới không dây WMN”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Các trƣờng
đại học kỹ thuật, số 76, năm 2010; và bài báo khoa học có tiêu đề “Nghiên cứu
tham số định tuyến mới phản ánh nhiễu trong mạng hình lưới không dây IEEE
802.11”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 13,
2011.
Chƣơng 2 với tiêu đề “Bài toán mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập
phƣơng tiện trong điều kiện bão hòa” trình bày nghiên cứu khảo sát về các giải pháp
mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phƣơng tiện của các tác giả trƣớc với
giả thiết luôn có gói tin cần chuyển trong hàng đợi. Những vấn đề trình bày trong
mục 2.3 và 2.4 của chƣơng này là kết quả nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan
đến việc hoàn thiện kết quả đề xuất của các tác giả trƣớc. Một phần nội dung của
chƣơng 2 đã đƣợc trình bày trong bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel
5



Computation for Supplementing Interference Analytical Model in 802.11-based
Wireless Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50,
số 2, năm 2012.
Chƣơng 3 với tiêu đề “Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lƣợng liên
kết” trình bày các nội dung nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan tới việc đề

xuất, xây dựng một mô hình giải tích mới biểu diễn cơ chế hoạt động của IEEE
802.11 DCF. Nội dung chính của chƣơng 3 là các vấn đề đã đƣợc đăng tải trong bài
báo khoa học có tiêu đề “A Novel Analytical Model to Identify Link Quality in
802.11 Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50, số
2, năm 2012.
Chƣơng 4 với tiêu đề “Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng
mạng hình lƣới không dây” tập trung vào các vấn đề xung quanh việc đề xuất một
tham số định tuyến phản ánh nhiễu mới. Các đặc tính của giao thức, tham số định
tuyến của các giả trƣớc đƣợc tổng hợp và phân tích nhằm sáng tỏ hƣớng tiếp cận và
phƣơng pháp luận xây dựng thành phần tham số định tuyến mới của nghiên cứu
sinh. Tính đúng đắn của đề xuất đƣợc xác minh thông qua phân tích lý thuyết và
kiểm chứng qua mô phỏng tại các mục 4.3 và 4.4 của chƣơng. Các kết quả chính
trình bày trong chƣơng 4 là nội dung trong bài báo khoa học có tiêu đề “An
Approach to Predict Interference Impacts on wireless links of 802.11 Mesh
Networks”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số
24, 2012; và bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel Interference Aware routing
metric for QoS provision in 802.11 wireless mesh network”, công bố trên Tạp chí
Khoa học và Công nghệ, Tập 51, số 1A, năm 2013.
Trong phần Kết luận, nghiên cứu sinh tóm tắt các nội dung đề xuất chính
trình bày trong luận án cùng với những bàn luận xung quanh đóng góp mới cả về
phần ƣu lẫn phần nhƣợc điểm. Từ đó, đƣa ra những gợi ý về các vấn đề mở cần tiếp
tục nghiên cứu.
6



Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, nghiên cứu sinh luôn cố gắng bám sát
các tài liệu khoa học, cập nhật công bố bởi các tác giả khác để đề xuất mới của
nghiên cứu sinh có tính thời sự và tính mở. Nội dung chi tiết của luận án sẽ đƣợc
trình bày dƣới đây.

Hà nội, tháng 12 năm 2013
7



CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI
HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY
Tóm tắt: Nội dung của chương khái quát các đặc tính kỹ thuật của mạng hình lưới
không dây cùng với các ứng dụng điển hình, các vấn đề nền tảng của chất lượng
dịch vụ QoS (Quality of Service), tiếp cận giải quyết vấn đề hỗ trợ QoS trong mạng
hình lưới không dây và các điểm mấu chốt của kỹ thuật định tuyến QoS. Đặc biệt,
các giải pháp cải thiện hiệu năng của các nghiên cứu gần đây được tóm tắt qua
khía cạnh sử dụng công cụ toán học nhằm sáng tỏ cách thức tiếp cận học thuật của
luận án.
1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY
Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đang phát triển rất mạnh
mẽ trong cả mạng không dây diện rộng và mạng không dây cục bộ, đem tới rất
nhiều ứng dụng dựa trên kết nối không dây. Tuy nhiên, qua các đặc tính kiến trúc và
công nghệ của các mạng truyền thống cho thấy một số điểm hạn chế trong việc
cung cấp yêu cầu kết nối và dịch vụ. Cụ thể, các mạng di động tế bào cung cấp vùng
phủ lớn nhƣng tốc độ bị hạn chế, trong khi các mạng truy nhập không dây cục bộ
cho phép truyền dẫn tốc độ cao nhƣng đi liền với đó là vùng phủ bị giới hạn do đặc
điểm công nghệ truyền dẫn tại phổ tần số cao. Vì vậy, giải pháp mạng kết nối hình
lƣới không dây WMN (Wireless Mesh Network) đã đƣợc hình thành nhƣ một giải
pháp then chốt cho mạng truy nhập không dây băng rộng với vùng phủ rộng [64],
[66], [72]. Dƣới góc độ ứng dụng công nghệ, WMN đƣợc phát triển mạnh mẽ nhờ
một số ƣu điểm chính nhƣ sau: (i) WMN có thể triển khai trong khu vực rộng với
giá thành triển khai thấp; (ii) công nghệ mạng hình lƣới có thể khắc phục các tuyến
kết nối có tầm che khuất và tổn thất đƣờng truyền lớn để mở rộng vùng phủ dịch vụ;
(iii) sử dụng các công nghệ truyền thông tầm ngắn, WMN có thể cải thiện tốc độ

truyền dẫn và sử dụng hiệu quả năng lƣợng, đồng thời các kênh cùng tần số có thể
đƣợc tái sử dụng giữa các liên kết có khoảng cách ngắn; (iv) cấu trúc hình lƣới cho
phép truyền thông đa đƣờng và nhờ đó tăng khả năng chịu lỗi của mạng; (v) các
8



công nghệ WMN hiện nay hỗ trợ nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến nên có thể kết
nối mềm dẻo với nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau.
1.1.1 Kiến trúc mạng hình lƣới không dây
Công nghệ truyền dẫn nền tảng cho WMN đƣợc xây dựng trên các chuẩn
công nghiệp thông dụng của Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE nhƣ: IEEE 802.11
[48], IEEE 802.15 [47] và IEEE 802.16 [49]. WMN thực hiện truyền thông đa
chặng không dây giữa các thiết bị đầu cuối di động thông qua các thiết bị định tuyến
bố trí tĩnh theo hình lƣới (hình 1.1). Tùy thuộc vào kịch bản ứng dụng khác nhau,
kiến trúc WMN đƣợc tổ chức theo 3 kiểu: WMN phẳng, WMN phân cấp và WMN
lai ghép [7].

Hình 1.1: Kiến trúc điển hình của mạng hình lưới không dây [7]
Kiến trúc mạng hình lƣới không dây phẳng còn đƣợc gọi là mạng hình lƣới
khách (WMN client). Trong đó, các nút mạng vừa đóng vai trò thiết bị đầu cuối vừa
là bộ định tuyến tạo nên mạng có kiến trúc tùy biến và các nút mạng đều có quan hệ
ngang cấp và truyền thông theo cơ chế ngang hàng. Các nút có chức năng tự cấu
hình để thực hiện các chức năng định tuyến và chuyển tiếp thông tin đa chặng
không dây cho các phiên truyền thông. Kiến trúc WMN phẳng có ƣu điểm nổi bật là
9



tính đơn giản của cấu trúc nhƣng kèm với đó là nhƣợc điểm về khả năng mở rộng

thấp và độ ràng buộc tài nguyên cao.
Trong kiến trúc WMN phân cấp, các bộ định tuyến đƣợc kết nối hình lƣới
tạo nên hạ tầng mạng lõi không dây và kết nối trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối
hoặc tới các mạng khác. Trách nhiệm tự cấu hình và duy trì hoạt động mạng đƣờng
trục WMN thuộc về các bộ định tuyến WMN. Bộ định tuyến hình lƣới còn đƣợc bổ
sung chức năng cầu nối và chức năng cổng (Bridge/Gateway) để kết nối tới các hạ
tầng mạng khác hay Internet. Kiến trúc này cho phép thực hiện quản lý tài nguyên
và tính di động tại các bộ định tuyến hình lƣới. Khi các thiết bị khách hàng di
chuyển trong cấu trúc không ràng buộc với hạ tầng mạng sẽ tạo ra nhóm hoặc tổ
chức mạng mới mang tính chất tùy biến. Trong cấu trúc phân nhóm, một số thông
tin trạng thái mạng đƣợc lƣu trữ cục bộ và các nút đóng vai trò trƣởng nhóm sẽ thực
hiện nhiệm vụ quản lý và điều phối thông tin giữa các nút trong mạng. Khi mạng có
sự biến động, chỉ các nút trƣởng nhóm có nhiệm vụ gửi các thông tin tóm tắt của
nhóm tới các nút khác nhằm giảm thiểu thông tin thừa trong quá trình quản lý và
điều khiển mạng.
Kiến trúc WMN lai ghép là tổ hợp của kiến trúc WMN phân cấp và kiến trúc
WMN phẳng. Các thiết bị khách hàng đƣợc kết nối hình lƣới có thể truy nhập tới
mạng lõi thông qua các bộ định tuyến WMN hoặc thiết bị khách hàng khác. Sự lai
ghép ở đây còn đƣợc thể hiện qua khía cạnh sử dụng các mạng không dây khác để
truyền thông, kiến trúc WMN lai ghép có thể sử dụng nhiều công nghệ khác nhau
cho cả mạng đƣờng trục và mạng truy nhập. Kiểu kiến trúc này hứa hẹn mang đến
rất nhiều lợi ích do khả năng kết hợp và liên điều hành với nhiều hạ tầng công nghệ
mạng khác nhau đem lại.
1.1.2 Một số ứng dụng điển hình
Nhờ vào các ƣu điểm về mặt cấu hình và công nghệ, một số ứng dụng điển
hình của WMN dƣới đây thể hiện sự bổ sung thiết yếu cho các công nghệ hiện thời
10

nhƣ: mạng truy nhập băng rộng, mạng cộng đồng, mạng công sở, mạng vùng nhỏ,
mạng giao thông và mạng cảm biến.

Mạng truy nhập băng rộng
Mục tiêu đầu tiên và chính yếu của WMN là hƣớng tới các truy nhập không
dây băng rộng. Giá thành triển khai và giới hạn trễ thấp khi so sánh với các giải
pháp mạng tế bào và mạng vệ tinh là lợi thế lớn của WMN trong các vùng mật độ
dân cƣ thấp. Với các khu vực tập trung dân cƣ, bên cạnh truy nhập hữu tuyến (cáp
đồng và cáp quang), WMN là giải pháp bổ sung truy nhập băng rộng cho ngƣời
dùng với sự linh hoạt của thiết bị đầu cuối. Ứng dụng truy nhập Internet không dây
trong khu vực đô thị có một số lợi điểm nhất định nhƣ: đầu tƣ ban đầu thấp, vùng
phủ mở rộng, triển khai nhanh và độ tin cậy lớn. Một số mạng sử dụng ứng dụng
này đã đƣợc triển khai trong thực tế có thể kể đến nhƣ: FunkFeure Net [40], CUWin
[32]

Mạng cộng đồng
Với các khu vực đông dân cƣ, các điểm truy nhập và bộ định tuyến không
dây đƣợc bố trí theo hình lƣới và kết nối tới Internet qua các thiết bị cổng
(Gateway). Các thiết bị truy nhập có thể triển khai đơn giản tại các biên mạng mà
không ảnh hƣởng trực tiếp hạ tầng cố định. Ngoài các dịch vụ truy nhập tới Internet,
các ứng dụng dựa trên kết nối ngang hàng giữa các thiết bị trong mạng cộng đồng
có thể cung cấp luồng lƣu lƣợng đa phƣơng tiện cho ngƣời sử dụng nhƣ: thoại,
video, lƣu trữ và truy nhập file phân tán.

Mạng công sở
Một ứng dụng hữu hiệu khác của WMN đƣợc triển khai trong môi trƣờng
công sở. Ở đó, các điểm truy nhập AP (Access Point) truyền thống đƣợc thay thế
bởi các bộ định tuyến hình lƣới nhằm tránh các vùng chết trong khu vực công sở.
Thêm vào đó, các ứng dụng ngang hàng với lƣu lƣợng lớn giữa các ngƣời sử dụng
đƣợc trao đổi ngang cấp và không cần hƣớng tới cùng một điểm truy nhập, nhờ đó

tránh đƣợc hiện tƣợng tắc nghẽn tại các kết nối backhaul. Ngoài các ứng dụng
11



truyền thông, WMN sử dụng cho mạng công sở còn đƣợc sử dụng cho các ứng
dụng điều khiển tự động nhƣ điện, nƣớc hay ánh sáng khi kết hợp với hệ thống cảm
biến.

Mạng vùng nhỏ
Kết nối hình lƣới đƣợc ứng dụng với các trạm cơ sở có phạm vi phủ sóng
nhỏ tƣơng đƣơng với các điểm truy nhập AP của mạng WLAN để phục vụ các kết
nối mạng femtocell. Từ đó, ngƣời dùng có thể chọn lựa linh hoạt phƣơng thức kết
nối phù hợp với mục đích sử dụng dịch vụ để tối ƣu tài nguyên. Kịch bản ứng dụng
này cho phép tận dụng các ƣu điểm của mạng tế bào nhƣ tính di động, chất lƣợng
kết nối và phổ tần không cấp phép của mạng truy nhập để tạo ra các kết nối xuyên
suốt cho các ứng dụng.

Mạng giao thông
Bên cạnh khả năng cung cấp kết nối truy nhập Internet, WMN đƣợc sử dụng
để cung cấp các dịch vụ đặc thù trong lĩnh vực giao thông nhƣ: ứng dụng cảnh báo,
điều hành và truyền thông ngang cấp giữa các phƣơng tiện đƣợc thực hiện theo
phƣơng thức tùy biến mà không yêu cầu hạ tầng mạng cố định.

Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực
bao gồm quân sự, ứng dụng khoa học và thƣơng mại. Các nút cảm biến thu thập
thông tin và đƣợc bố trí hình lƣới nhằm nâng cao độ tin cậy trong các phiên truyền
thông tới các hệ thống xử lý. Truyền thông đa chặng không dây cho phép triển khai
các nút cảm biến tới các vùng không thể triển khai hệ thống hữu tuyến, khoảng cách

lớn và tùy biến các tuyến kết nối để thu thập và xử lý thông tin ứng dụng.
1.2 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ
1.2.1 Khái quát về chất lƣợng dịch vụ
Chất lƣợng dịch vụ (QoS) là một khái niệm rộng và có thể tiếp cận từ nhiều
góc độ khác nhau nên có nhiều định nghĩa khác nhau. Liên minh viễn thông quốc tế
12



ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication
Standardization Sector) định nghĩa chất lƣợng dịch vụ trong khuyến nghị E800 là
“Một tập các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thoả mãn của
người sử dụng đối với dịch vụ”. Trong khi đó, Viện nghiên cứu viễn thông châu Âu
ETSI (Europe Telecommunication Standard Institute) định nghĩa QoS trong ETSI –
TR102 là “Khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt
đối với các kiểu luồng lưu lượng, chất lượng dịch vụ bao trùm cả phân loại hoá
dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ”.
Chất lƣợng dịch vụ đƣợc nhìn nhận từ hai khía cạnh: ngƣời sử dụng dịch vụ
và mạng. Từ khía cạnh ngƣời sử dụng dịch vụ, QoS đƣợc coi là mức độ chấp nhận
dịch vụ và mức độ hài lòng của ngƣời sử dụng dịch vụ đƣợc xác định qua thang
điểm đánh giá trung bình MoS (Mean of Score). Nhƣ vậy, chất lƣợng dịch vụ gắn
chặt với từng ứng dụng và đƣợc đánh giá bởi ngƣời sử dụng. Từ khía cạnh mạng,
QoS liên quan tới năng lực cung cấp các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ cho ngƣời sử
dụng. Nghĩa là mạng có khả năng cung cấp các đƣờng dẫn lƣu lƣợng với các điều
kiện ràng buộc chất lƣợng thỏa mãn yêu cầu của dịch vụ. Các ràng buộc của đƣờng
dẫn còn đƣợc gọi là các tham số QoS của đƣờng dẫn thể hiện cụ thể nhƣ: băng
thông, độ trễ, hay tỷ lệ tổn thất gói tin.
Sự phát triển của các dịch vụ đa phƣơng tiện trong các mạng xã hội đã đặt ra
các yêu cầu cung cấp và đảm bảo QoS mới cho hạ tầng mạng hình lƣới không dây.
Cụ thể, vấn đề cung cấp QoS cho các dịch vụ đa phƣơng tiện trong ứng dụng truy

nhập Internet băng rộng điển hình cần phải giải quyết một số vấn đề chính sau: hiện
chƣa tồn tại một khung làm việc chung hoàn thiện để đảm bảo QoS cho các dịch vụ
từ đầu cuối tới đầu cuối; dung lƣợng đƣợc yêu cầu cao do sự phát triển của thiết bị
và dịch vụ truy nhập; các ứng dụng đa phƣơng tiện đòi hỏi chặt chẽ các tham số
chất lƣợng nhƣ băng thông, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin; hiệu năng mạng bị suy
giảm do cơ chế truyền thông không dây đa chặng. Vì vậy, mục tiêu cung cấp và
đảm bảo QoS trong WMN luôn gắn liền với mục tiêu tối ƣu tài nguyên mạng và là
mục tiêu cấp thiết của các nhà nghiên cứu và khai thác mạng [20], [52].