Đặt gateway hiệu quả trong mạng wireless mesh network

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




ĐINH HỮU NGHĨA



ĐẶT GATEWAY HIỆU QUẢ TRONG MẠNG
WIRELESS MESH NETWORK






LUẬN VĂN THẠC SĨ





Hà Nội – 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐINH HỮU NGHĨA

ĐẶT GATEWAY HIỆU QUẢ TRONG MẠNG
WIRELESS MESH NETWORK

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số: 60 48 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TRỌNG VĨNH



Hà Nội – 2010



MỤC LỤC

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT 3
CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 5
1. Sự phát triển của mạng WMN và những yêu cầu tối ưu. 5
1.1 Mạng lưới không dây là gì? 5
1.2. Tương lai phát triển các mạng cục bộ 6
1.3. Kiến trúc của mạng lưới không dây 7
1.4. Các vấn đề của mạng WMN 11
2. Bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng WMN. 13

CHƯƠNG 2: ĐẶT GATEWAY TRONG MẠNG LƯỚI KHÔNG DÂY 15
1. Giới thiệu 15
2. Mô hình hệ thống và phát biểu bài toán 16
2.1 Topology mạng 16
2.2 Mô hình truyền 17
2.3 Thông lượng 18
3. Đặt Gateway theo trọng số Multi-Hop Traffic-Flow Weight (MTW) 19
3.1 MTW 20
3.2 Chia sẻ hiệu suất sử dụng các Gateway 21
4. Lập chương trình lưu lượng cho việc tính toán thông lượng 24
4.1 Thông lượng trong truyền thông lõi 25
4.2 Thông lượng trong truyền thông cục bộ 28
4.3 Thông lượng khả thi trong WMN 29
5. Đánh giá thuật toán 30
CHƯƠNG 3 ĐẶT GATEWAY SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PSO 32


1. Giới thiệu về thuật toán PSO 32
2. Thuật toán PSO cho bài toán đặt gateway 35
3. Kết quả mô phỏng, nhận xét và đánh giá 37
KẾT LUẬN 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

1. WPAN : Wireless Personal-Area Network
2. WLAN : Wireless Local-Area Network


3. WMAN : Wireless Metropolitan-Area Network
4. WWAN : Wirelss Wide-Area Network
5. WMN : Wireless Mesh Network
6. SRD : Slot Reuse Distance
7. CRF : Cell Reuse Factor
8. PSO : Particle Swarm Optimization


LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng không dây trong những năm gần
đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích hợp khi
triển khai mạng. Trong thực tế thường được phân chia thành các loại mạng: mạng cá
nhân WPAN, mạng nội bộ WLAN, mạng đô thị WMAN, mạng diện rộng WWAN. Tính
chất của mỗi loại mạng được cấu thành thông qua một tập các tham số về băng thông,

phạm vi mạng, năng lượng tiêu thụ,…
Trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dây chuẩn, yêu cầu
đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra mạng có phạm vi phủ sóng cao
hơn nhưng vẫn đảm bảo được tính chất của mạng. Kỹ thuật mạng lưới không dây
Wireless Mesh Network (WMN) có thể được coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra,
nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các mạng WLAN chuẩn. Kỹ thuật mạng lưới không
dây có thể được ứng dụng trong các ngữ cảnh mà không thể sử dụng mạng có dây để thay
thế hoặc nếu thay thế được thì phải trả chi phí rất lớn. Mạng hình lưới không dây được
ứng dụng để triền khai nhiều dịch vụ thiết thực phục vụ cuộc sống như là các ứng dụng
trong giao thông công cộng, doanh nghiệp, điều khiển tự động, y tế, quan sát an ninh.
Có rất nhiều các vấn đề mở cần được nghiên cứu trong mạng WMN. Thông lượng
là một trong những thành phần chủ yếu nhằm đảm bảo các dịch vụ của mạng WMN để
thỏa mãn được yêu cầu của các khách hàng. Trong đó, rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng
vị trí đặt các gateway ảnh hưởng rất lớn đến thông lượng của mạng [1]. Do vậy, việc tối
ưu hóa vị trí đặt cổng là rất quan trọng - một cách đặt các gatewaytốt sẽ mang lại thông
lượng tốt hơn nhiều. Chính vì lẽ đó, luận văn này sẽ nghiên cứu vấn đề đặt gateway trong
mạng WMN sao cho mạng sẽ đạt được hiệu quả cao nhất.



CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự phát triển của mạng WMN và những yêu cầu tối ưu.
1.1 Mạng lưới không dây là gì?
Mạng lưới không dây (Wireless Mesh Network) bao gồm các router và các client
kết nối với nhau như trong hình 1. Các router hình thành cơ sở hạ tầng mạng - được gọi là
mesh backbone – cung cấp sự truy cập mạng cho các clients. Các thiết bị này thường
không bị ràng buộc về năng lượng, khả năng tính toán, bộ nhớ và hoạt động như những
thiết bị chuyển mạch thông minh.
WMN có tất cả các ưu điểm của các mạng không dây ad-hoc và có thêm nhiều ưu

điểm mở rộng nhờ kỹ thuật kiến trúc cơ sở hạ tầng. Mesh backbone có thể triển khai
nhanh chóng với giá thành thấp nhưng là một hệ thống hiệu quả, thực tế, mềm dẻo và
mạnh để hỗ trợ việc truy cập mạng cho các client. Mesh backbone có thể cung cấp cho
các client nhiều dịch vụ và tài nguyên khác nhau thông qua các chức năng gateway (cổng
mạng) và bridging (cầu nối).



Hình 1. Mạng WMN
Những thuận lợi này nhấn mạnh rằng, WMN là công nghệ hứa hẹn cho một số
lượng lớn các ứng dụng như là mạng gia đình, mạng cộng đồng hay tập đoàn, truy nhập
internet công cộng… tốc độ cao.
1.2. Tương lai phát triển các mạng cục bộ
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng không dây trong những năm gần
đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích hợp khi
triển khai mạng.
Mỗi công nghệ mạng không dây được thiết kế để hoạt động ở một phạm vi nhất
định và được phân loại theo khả năng phủ sóng của từng công nghệ. Trong thực tế mạng
không dây thường được phân chia thành: Mạng cá nhân WPAN (Wireless Personnal
Area Network), mạng cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network), mạng đô thị


WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) và mạng diện rộng WWAN (Wireless
Wide Area Network).
Trong các ứng dụng mạng không dây phạm vi vừa và nhỏ, công nghệ WLAN
(IEEE 802.11) vẫn là một giải pháp hoàn toàn phù hợp về đặc điểm kỹ thuật cũng như chi
phí sử dụng. Tuy nhiên, do hạn chế về tầm phủ sóng, công nghệ WLAN truyền thống
không thể đáp ứng được các ứng dụng cần mở rộng mạng. Vì vậy, trên cơ sở các yếu tố
công nghệ có sẵn của công nghệ không dây chuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được
giải pháp kết nối để tạo ra mạng có phạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được

các tính chất của mạng. Kỹ thuật mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh
Network) có thể được coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi
phủ sóng cho các mạng WLAN chuẩn.
Trong những năm gần đây, mạng lưới không dây (WMN) đã được sử dụng như là
giải pháp chủ yếu cho việc mở rộng kết nối Internet cho các nút di động. Nhiều thành phố
ở Mỹ (Medford, Oregon; Chaska, Minnesota; và Gilbert, Arizona) đã triển khai mạng
lưới không dây. Một vài công ty như MeshDynamic gần đây đã thông báo sự sẵn sàng
của công nghệ mạng lưới đa hop (số lần chuyển đổi) đa sóng. Những mạng này xử lý gần
giống mạng có dây, chúng hiếm khi có thay đổi về topo, các nút bị lỗi được giảm đi…
Với các mạng lưới không dây, toàn bộ lưu lượng tải của mỗi nút định tuyến cũng ít thay
đổi.
Một trong những vấn đề chính phải đối mặt của mạng không dây là sự suy giảm
thông lượng vì sự giao thoa gây ra nhiễu của những đường truyền đồng thời. Sử dụng
nhiều kênh và nhiều sóng có thể làm giảm bớt nhưng không khử hoàn toàn được nhiễu.
1.3. Kiến trúc của mạng lưới không dây
1.3.1. Các thành phần của mạng lưới không dây
Công nghệ mạng WLAN được áp dụng để triển khai mạng không dây diện rộng
thông qua một số cải tiến về phần cứng và phần mềm trên các chuẩn 802.11a, 802.11b có
dải tần khác nhau. Kỹ thuật mạng hình lưới không dây WMN có thể được ứng dụng cho
nhiều kiểu hạ tầng mạng không dây khác nhau và một trong số đó là mạng không dây cục
bộ WLAN.
Trong kỹ thuật mạng hình lưới, có các khái niệm:


- Nút (Node): Gồm có router và/hoặc các client (máy tính, PDA,…).
- Nút đường lên (Uplink Node): Nút kết nối tới mạng Internet thông qua đường
truyền hữu tuyến để cung cấp kết nối Internet cho toàn mạng.
- Nút đường xuống (Downlink Node): Nút kết nối tới mạng và có khả năng phục
vụ cả kết nối hữu tuyến và vô tuyến cho mạng.
- Nút lặp (Repeater Node): Nút kết nối vào mạng và không dùng để phục vụ các

client chỉ đóng vai trò là nút trung gian khôi phục và lặp tín hiệu.
1.3.2. Mô hình kết nối
Mạng lưới không dây sử dụng các mô hình kết nối cơ bản như sau:
- Điểm – Điểm (Point-to-Point): Là kiểu kết nối đơn giản nhất, hai nút truyền
thông qua hai anten thu phát công suất cao hướng trực tiếp với nhau như hình 2.
- Điểm – Đa điểm (Point-to-Multipoints): Kết nối được chia sẻ giữa nút đường lên
dùng anten đa hướng với các nút đường xuống (hoặc các nút lặp) với anten thu công suất
cao. Cấu hình mạng này dễ triển khai hơn cấu hình Điểm – Điểm vì khi thêm một thuê
bao mới chỉ cần lắp đặt thêm thiết bị tại khu vực thuê bao chứ không phải lắp tại nút
đường lên. Tuy vậy, các trạm thu phải nằm trong phạm vi phủ sóng và có đường nhìn
thẳng với trạm phát sóng gốc. Các vật cản như cây cối, nhà cửa, đồi núi… sẽ góp phần
làm cấu hình mạng lưới Điểm – Đa điểm hoạt động không hiệu quả như hình 3.
- Đa điểm – Đa điểm (Multipoints–to-Multipoints): Mỗi nút có vai trò không chỉ là
điểm truy nhập cho các trạm mà còn làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu. Cấu hình này có
độ tin cậy mạng cao nhất do các nút có sự liên thông với nhau, một nút chỉ cần có kết nối
với một nút bất kỳ mà không cần phải có kết nối trực tiếp với nút đường lên như trong
cấu hình Điểm – Đa điểm, là có thể kết nối với toàn mạng. Tuy nhiên, đổi lại giao thức
tìm đường của mạng sẽ có độ phức tạp cao hơn như hình 4.
Ưu điểm của mô hình lưới đó là độ tin cậy cao vì các kết nối mạng không phụ
thuộc vào bất kỳ node nào. Nếu một node của mạng bị trục trặc, các node có thể tương
tác với một node khác thông qua node trung gian. Mô hình này cũng thích hợp cho các
mạng lớn như mạng WAN vì nó cho phép nhiều vị trí trên mạng lớn kết nối đến một nơi
tin cậy khác.





Hình 2: Kết nối điểm – điểm.

Hình 3: Kết nối điểm – đa điểm.




Hình 4: Kết nối đa điểm – đa điểm.
1.4. Các vấn đề của mạng WMN
Truyền thông không dây đã chứng tỏ tầm quan trọng của nó trong thời gian qua
như là nền tảng điều khiển của sự phát triển kinh tế, đầu tiên là theo hình thức mạng di
động và gần đây là cho các mạng máy tính (WiFi, WiMAX). Trong thập kỷ tới có thể nó
sẽ mang lại sự phát triển một cách đột phá. Mức độ phát triển đầy đủ của chúng không
thể dự đoán nhưng chắc chắn sẽ bao gồm:
▪ Các dịch vụ băng thông rộng: các dịch vụ “triple-play” (giọng nói, dữ liệu,
video) ở tốc độ lên tới 1Gbit/s cho người dùng trong một môi trường tùy ý.
▪ Khả năng tính toán ở mọi nơi: Tính thông minh được phân phối trong một tập
hợp các thiết bị hoạt động một cách tự chủ.
▪ Các mạng cảm biến không dây cho việc giám sát và cảm nhận môi trường.
Để làm được những điều trên, chúng ta cần phải giải quyết trong tương lai các vấn
đề chính sau đây:


- Quản lý tài nguyên và độ phổ thông minh:
+ Vấn đề các chiến lược định tuyến: Với mật độ gia tăng của độ phổ sử dụng một
khoảng không gian sẽ trở nên tắc nghẽn và không thể định tuyến một tín hiệu thông qua
chúng. Nghiên cứu này cần xem xét các chiến lược định tuyến nhận ra nhiễu và khai thác
kiến thức về các kênh sóng vô tuyến vật lý qua mạng để định tuyến các tín hiệu nhằm
tránh tắc nghẽn đang tồn tại, và tránh việc tạo ra khu vực bị tắc nghẽn mới. Bằng cách
hiểu các thuộc tính của các kênh sóng vô tuyến, QoS có thể được quản lý một cách hiệu

quả hơn và các kênh cũng được sử dụng hiệu quả hơn.
+ Sự cung cấp băng thông thông minh: Đây là một thách thức chính trong các
mạng không dây ở thế hệ sau, nó được xem xét không tầm thường và hầu như chưa được
giải quyết hoàn toàn. Các giải pháp cho cấp phát băng thông động là cần thiết để hỗ trợ
các dịch vụ đa phương tiện đã được tích hợp với một phạm vi rộng các tỉ lệ dịch vụ và
các yêu cầu QoS, trong khi đó việc cực đại thông lượng mạng không liên quan đến sự
thay đổi về lưu lượng.
- Các mạng di động không đồng nhất:
Việc định tuyến các gói tin có quan hệ với nhau để kết nối chuyển giao giữa các
vùng. Các thuật toán định tuyến truyền thống không xem xét đầy đủ khoảng thời gian có
thể cho việc truy cập bởi các thiết bị đầu cuối trong suốt quá trình xử lý chuyển giao. Đó
là mong muốn để tạo ra các thuật toán định tuyến mới có thể duy trì hiệu suất end-to-end
với những cân nhắc đầy đủ về quá trình bàn giao trong mạng không đồng nhất. Như vậy
việc hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực là đặc biệt quan trọng trong mạng như là qua
giọng nói IP (VoIP), truyền video, …
- Vấn đề an ninh cho mạng không dây:
+ Việc sử dụng các tài nguyên không dây cho các ứng dụng an ninh: Thách thức
đặt ra ở đây là làm sao để sử dụng các tài nguyên đang tồn tại trong các mạng không dây
hỗ trợ ứng dụng liên quan tới an ninh. Ví dụ Radar tự động và màn hình giám sát dựa trên
mệnh lệnh.
+ Kỹ thuật bảo mật cho các mạng không dây: Các vấn đề chính được xác định cho
việc thiết kế của các hệ thống như là: tính tỉ lệ, độ phức tạp và hiệu quả; độ vững chắc;
các kỹ thuật an ninh mạng cho các mạng không dây; và các kỹ thuật riêng biệt cho việc
thiết kế an ninh trong mạng ad-hoc (hoặc MANET) và các mạng điểm tới điểm.


Tuy nhiên, với các đặc tính thế mạnh của các mạng hình lưới không dây WMN
như tính tự cấu hình, tự tổ chức nhằm tạo ra các hình thái tùy biến để duy trì kết nối. Các
ứng dụng của WMN có thể tạo ra miền ứng dụng rộng rãi như: mạng truy nhập băng
rộng, mạng cộng đồng, mạng doanh nghiệp, hỗ trợ các hệ thống an ninh, y tế… Với các

đặc điểm riêng của công nghệ WiFi, mạng WMN còn gặp nhiều thách thức cần phải vượt
qua, một trong các vấn đề đó còn là vấn đề kết nối, mở rộng mạng để tạo ra nhiều ứng
dụng rộng.
Bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng WMN.
Nhiều vấn đề nghiên cứu vẫn còn mở trong WMNs [2]. Trong đó, bài toán đặt
gateway là một trong những thách thức lớn nhất và cũng là một bài toán quan trọng. Có
một vài kết quả nghiên cứu tương tự trong mạng có dây và mạng tế bào. Ví dụ, một số
nghiên cứu được thực hiện để đặt các Web proxy hoặc các server đệm để tối ưu hiệu
năng của các client [3, 4, 5]. Một ví dụ khác là bài toán đặt các trạm trong các mạng tế
bào [6, 7, 8]. Tuy nhiên, khi các liên kết không dây thay thế các liên kết có dây và sự
truyền tin đa bước thay thế cho truyền tin đơn bước, một kế hoạch mô hình hóa lưu lượng
bao trùm toàn diện hơn được yêu cầu để giải quyết bài toán đặt các node trong mạng lõi
trong mạng không dây đa bước. Gần đây hơn, Bejerano [9] đã nghiên cứu việc đặt
gateway trong mạng không dây đa bước mà các node mạng được phân tách thành một số
cluster rời rạc nhằm thỏa mãn sự ràng buộc về thông lượng và độ trễ. Nhiều bài toán đặt
gateway hoặc các node của mạng lõi được đề xuất cho WMNs [10~13]. Tuy nhiên, tất cả
những nghiên cứu trên đều tập trung vào sự liên lạc mạng của WMNs bằng cách triển
khai cực tiểu số node trong mạng lõi.
Thông lượng là một trong những tham số then chốt nhất đảm bảo các dịch vụ của
WMNs đáp ứng yêu cầu của khách hàng. Không giống tất cả những nghiên cứu trên,
trong luận văn này, cho trước một số gateway nhất định, chúng tôi nhắm đến việc phát
triển một thuật toán đặt gateway để nâng cao hiệu năng thông lượng của WMNs. Một bài
toán tương tự đã được nghiên cứu bởi Fan Li và các đồng nghiệp trong [14], tuy nhiên,
trong nghiên cứu của họ, vị trí các gateway được cố định trước hoặc được tìm kiếm một
cách “gượng ép” trên một lưới được chọn trước. Nhu cầu lưu lượng không đồng nhất
cũng không được nghiên cứu. Một nghiên cứu khác được thực hiện bởi Ping Zhou,
Xudong Wang, B. S. Manoj và Ramesh Rao trong [15], tuy nhiên thuật toán đưa ra chưa
có sự tối ưu theo từng bước, các gateway được đặt một cách tuần tự, nên vị trí của các

gateway trước có ảnh hưởng đến vị trí của các gateway đặt sau. Trong luận văn này, vị trí
các gateway được tìm kiếm theo thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO). Các vị trí được sinh
ngẫu nhiên và độc lập, được cập nhật từng bước theo những phương thức tốt nhất nên
nhanh chóng tìm được kết quả tối ưu hơn hẳn cho bài toán.



CHƯƠNG 2: ĐẶT GATEWAY TRONG MẠNG LƯỚI KHÔNG DÂY


Giới thiệu
Để phát triển một thuật toán đặt gateway hướng thông lượng, một độ đo hiệu năng
được sử dụng gọi là Multi-hop Traffic-flow weight (MTW) [15] để tính toán những nhân
tố chính ảnh hưởng đến thông lượng của WMNs. Những nhân tố đó bao gồm số router,
số client, và số gateway cũng như nhu cầu băng thông từ các client, vị trí của các gateway
và ảnh hưởng giữa chúng. Dựa trên MTW, một thuật toán tương tác được đề xuất để xác
định vị trí tốt nhất của một gateway. Mỗi lần một gateway được chọn đặt tại một router sẽ
có MTW cao nhất.
Để đánh giá hiệu năng của kế hoạch đặt gateway dựa trên MTW, cần xây dựng
một mô hình tính thông lượng. Tuy nhiên, việc phân tích thông lượng của các mạng
không dây là một chủ đề nghiên cứu có thách thức rất lớn. Khả năng thông lượng của các
mạng không dây đa bước được nghiên cứu bởi nhiều tác giả. Gupta và Kumar [16, 17] đã
xây dựng khả năng thông lượng cho mỗi node cho các mạng ad hoc tĩnh. Khả năng thông
lượng của các mạng ad hoc di động được phân tích bởi Grossglauser và Tse [18]. Khả
năng của các mạng ad hoc lai được nghiên cứu trong [19, 20, 21]. Tất cả các kết quả
nghiên cứu về phân tích thông lượng không thể áp dụng trong WMNs, bởi vì kiến trúc
mạng WMNs khác nhiều so với các mạng ad hoc thông thường hoặc mạng ad hoc lai.
Việc phân tích tiệm cận trong khả năng của WMNs đã được bắt đầu trong [22], ở đó các
kết quả thông lượng tiệm cận đạt được bằng cách giả sử rằng kích thước của mạng tiến
đến vô cùng. Vì các mạng thực luôn luôn có kích thước giới hạn, những kết quả tiệm cận

này cung cấp thông tin rất hạn chế cho việc thiết kế mạng thực. Do đó, trong việc làm
này một mô hình phân tích không tiệm cận được đưa ra để tính toán thông lượng của
WMNs. Việc lập lịch TDMA được giả định điều phối việc truyền các packet trong các
client, các router và các gateway.
Các kết quả số dựa trên mô hình tính toán thông lượng chỉ ra rằng thuật toán đặt
gateway theo MTW trong [15] cải tiến đáng kể hiệu năng thông lượng của WMNs. Các
nghiên cứu so sánh cũng được thực hiện để so sánh kế hoạch được đề xuất với các kế
hoạch khác như đặt ngẫu nhiên, đặt theo quy luật và đặt router bận nhất. Các kết quả thu
được chứng tỏ rằng thuật toán đặt gateway theo MTW đã đưa ra một phương phát đặt
gateway tốt hơn hẳn những phương pháp trước đây.


Mô hình hệ thống và phát biểu bài toán
2.1 Topology mạng
Một mô hình WMN điển hình cho việc truy cập Internet được đề xuất như dưới
đây và được minh họa trong hình 5. N
c
client được giả định được phân phối trong một
hình vuông R=[0,l]
2
. R được phân tách thành (l/l
s
)
2
tế bào nhỏ R
j
s
= [0,l
s
]

2
(j=1…(l/l
s
)
2
),
và một router được đặt tại trung tâm của mỗi tế bào. Đặt N
r
là số router, thì N
r
= (l/l
s
)
2
.
Dưới đây chúng ta sẽ giới hạn trong trường hợp 1< N
r
< N
c
, có nhiều hơn 1 router và số
router ít hơn số client. Các router tạo thành một mạng lõi không dây cung cấp một cơ sở
hạ tầng không dây cho các client. Trong mỗi tế bào, các client được kết nối đến router
theo mô hình hình sao, không có kết nối trực tiếp giữa các client, và router làm việc như
một hub cho các client. Chẳng hạn WMN được đề cập như là một cơ sở hạ tầng WMN
trong [2], được mong đợi sẽ trở nên phổ biến trong các ứng dụng WMN tương lai. Giữa
tất cả các router, có N
g
router được nối dây với Internet, làm việc như là gateway. Hiển
nhiên là 1 N
g

N
r
, số gateway không thể vượt quá số router. Việc chọn các topo
là lưới vuông vì những nghiên cứu hiện tại trong sự triển khai các vấn đề [23] đã chỉ ra
rằng các topo lưới vuông thiết thực hơn trong việc xây dựng hiệu năng mạng mong
muốn.



Router có chức năng gateway
Router không có chức năng
gateway
 Client


Hình 5: Topo của một mạng WMN có các gateway

Mỗi client vừa là một nguồn vừa là một đích trong việc truyền dữ liệu. Tất cả các
client là tương đương nhau để chúng luôn luôn có cùng số gói tin gửi và nhận trong cùng
một khoảng thời gian. Không giống các client, các router không phải nguồn, cũng không
phải đích trong việc truyền dữ liệu, chúng chỉ định tuyến và đẩy dữ liệu cho các client.
Tất cả lưu lượng được giả định đi qua các gateway. Mỗi router được gắn với một gateway
gần nhất để truyền và nhận các gói tin. Giả thiết việc định tuyến đường đi ngắn nhất được
áp dụng, gateway gần nhất của một router là gateway mà router có thể truy cập với số
bước ít nhất. Trong trường hợp một router có nhiều hơn một gateway gần nhất, nó sẽ tải
lưu lượng của nó đến tất cả các gateway đó theo vòng robin. Một client được gọi là gắn
với một gateway nếu router được nó kết nối đến cũng gắn với một gateway. Do đó, lưu
lượng tải của một client cũng sẽ được chia sẻ đến tất cả những gateway có tiềm năng gắn
kết.
Dưới đây là những định nghĩa về truyền thông sẽ thường xuyên được sử dụng:

 Truyền thông cục bộ: là truyền thông giữa một router và một client.
 Truyền thông lõi: là truyền thông giữa các router, bao gồm cả truyền thông
giữa một gateway và một router.
 Truyền thông downlink: là truyền thông từ một gateway đến một client,
trong đó một gói tin dữ liệu đầu tiên được trung chuyển qua các router theo
truyền thông lõi, và sau đó được gửi bởi một router đến các client kết nối
trực tiếp với nó.
 Truyền thông Uplink: là truyền thông từ một client lên một gateway. Trong
đó gói tin dữ liệu được gửi chính xác theo hướng ngược lại trong truyền
thông downlink.
2.2 Mô hình truyền
Để chi tiết thêm kế hoạch đặt gateway mới và tính toán thông lượng của nó, một
mô hình truyền được chỉ định như dưới đây.
Mỗi router được trang bị 2 giao diện radio: một truyền với tốc độ W
1
bits/s cho
truyền thông lõi và một truyền với tốc độ W
2
bits/s trong truyền thông cục bộ. Mỗi client
truyền với tốc độ W
2
bits/s trong truyền thông cục bộ. Chúng ta giả thiết rằng W
1
và W
2
là


trực giao để truyền thông cục bộ không bị nhiễu bởi truyền thông lõi. Cần chú ý rằng hai
giao diện radio của router có thể là hai giao diện raido vật lí, cũng có thể là hai giao diện

radio ảo. Sau đây, mỗi router chỉ một giao diện radio vật lí để giả lập 2 giao diện ảo cho
việc truyền thông lõi và cục bộ vào các khe thời gian khác nhau.
Hơn thế nữa, các router có thể nhận gói tin từ chỉ một bộ truyền tại một thời điểm.
Ràng buộc tương tự cũng được áp đặt cho các client. Truyền và nhận có thể xảy ra trong
Time division duplex (TDD) hoặc Frequency division duplex (FDD) phụ thuộc vào cách
mà tầng vật lí và tầng MAC thực hiện.
Trong truyền cục bộ hoặc truyền lõi, việc truyền đồng thời được điều phối bởi Mô
hình Giao thức được định nghĩa trong [16], nếu một phiên truyền từ node S
i
đến S
j
thành
công thì những điều kiện dưới đây phải được thỏa mãn:
1. | S
i
- S
j
| r
i
;
2. Với mỗi node truyền S
k
khác, | S
k
- S
j
| (1+ )r
k

Trong đó r

i
và r
k
lần lượt tương ứng với dải truyền của node S
i
và S
k
, và là một
hằng số được xác định chắc chắn để biểu diễn vùng bảo vệ trong mô hình giao thức.
2.3 Thông lượng
Để đánh giá hiệu năng của các thuật toán đặt gateway, tổng thông lượng và thông
lượng cho mỗi client trong trường hợp xấu nhất cần được xây dựng. Trong phần này, các
bài toán về cực đại thông lượng được công thức hóa, dẫn đến cần định nghĩa 2 metric
thông lượng. Nền tảng thực sự của việc tính toán giá trị không tiệm cận của những metric
thông lượng này sẽ được đưa ra trong mục IV

Bài toán 1: Tối ưu việc đặt gateway để cực đại tổng thông lượng của WMNs,
trong mô hình WMN ở trên, cho N
c
, N
r
, N
g
, W
1
, W
2
và sự phân phối của router, sự phân
phối của client, sự truyền, việc lập lịch và các giao thức định tuyến, N
g

gateway được
chọn trong số N
r
router để

đạt cực đại, trong đó

là thông lượng cho mỗi client của client thứ i khi
N
g
gateway được triển khai.



Bài toán 2: Tối ưu việc đặt gateway để cực đại thông lượng của mỗi client trong
trường hợp xấu nhất trong WMN, trong mô hình WMN ở trên, cho N
c
, N
r
, N
g
, W
1
, W
2

và sự phân phối của router, sự phân phối của client, sự truyền, việc lập lịch và các giao
thức định tuyến, N
g
gateway được chọn trong số N

r
router để

đạt cực đại.
Đặt Gateway theo trọng số Multi-Hop Traffic-Flow Weight (MTW)
Việc thêm các gateway có thể làm tăng thông lượng trong truyền thông lõi bằng
cách giảm một cách hiệu quả số bước trung bình đề mỗi client có thể truy nhập đến
gateway và tải lưu lượng trên các gateway đó. Tuy nhiên, những lợi ích trên có thể bị
giảm đột ngột nếu đặt gateway không phù hợp, do các gateway mới có thể gây nhiễu
nhiều hơn các gateway đang tồn tại. Do đó, thuật toán đặt gateway tốt nhất nên không chỉ
cải thiện lưu lượng tải của mạng mà còn cần phải giảm thiểu nhiễu.
Nhìn chung, kế hoạch đặt gateway phải phù hợp với số gateway được triển khai.
Số gateway được triển khai nhỏ thì số bước để gói tin đến được gateway lớn, và lưu
lượng tải tại mỗi gateway cũng cao. Do đó, các thuật toán đặt cân bằng hình học, đặt theo
quy luật có thể đạt được các kết quả khá tốt do chúng có thể giảm một cách hiệu quả số
bước trung bình. Trong trường hợp ngược lại, khi số gateway được triển khai lớn, việc
đặt gateway trong các vùng chiếm hầu hết lưu lượng tải có thể là giải pháp tốt nhất.
Trong phần này, một thuật toán đặt gateway mới được giới thiệu. Nó nắm giữ tất
cả những những lợi ích được đề cập ở trên. Trong thuật toán, một trọng số dòng lưu
lượng kí hiệu là MTW(j) được tính lặp trên router R
j
, j=1…N
r
. Mỗi lần một gateway mới
sẽ được đặt trên router có trọng số cao nhất. Việc tính toán trọng số phải phù hợp với
những yếu tố dưới đây:
1. Số router N
r
và số gateway N
g

2. Nhu cầu traffic từ các client.
3. Vị trí của các gateway đang tồn tại trong mạng.
4. Nhiễu từ các gateway đang tồn tại.


Các yếu tố 1 đến 3 trong MTW sẽ được thảo luận trong phần 3.1, và mối quan hệ
giữa nhân tố 4 với MTW dựa trên thuật toán đặt gateway sẽ được giải thích trong khi xây
dựng MTW trong phần 3.1 và 3.2.
3.1 MTW
Bước đầu thuật toán đưa ra một biến kí hiệu R
g
gọi là bán kính của gateway. R
g
là
số bước từ gateway đến router xa nhất của nó. Trong luận văn này, công thức (1) được sử
dụng để định lượng R
g
:
R
g
= round( ).
(
(1)
Lý do căn bản của công thức này có thể được giải thích như sau. Xét một hình
vuông được chia đều thành N
r
ô và N
g
ô, sau đó vẽ một đường thẳng cắt ngang hình

vuông, theo thống kê đường thẳng đó sẽ gặp và ô. Với mỗi N
g
-ô, đường thẳng
sẽ cắt N
r
-ô. Do đó, nết một gateway được đặt tại trung tâm của N
g
-ô và một router
được đặt tại trung tâm của N
r
-ô, chúng ta sẽ ước lượng rằng một gateway cần /2
bước để đến router xa nhất của nó. Cần chú ý rằng, công thức (1) chỉ cung cấp một định
lượng, không phải luôn luôn đúng cho mọi sự kết hợp của N
r
và N
g
Bước hai, nhu cầu lưu lượng cục bộ trên mỗi router, kí hiệu là D(j), j=1… N
r
được
tính như sau: Nếu D(j) là nhu cầu lưu lượng thực sự của tất cả các client kết nối đến R
j
và
tất cả các client đó được giả thiết là tương đương nhau trong mô hình WMN của chúng
ta, D(j) có thể được biểu diễn bởi số client kết nối đến R
j
. Hình 6(a) thể hiện một ví dụ
của D(j) với 200 client được phân phối đều và 25 router được đặt trong một lưới vuông
5x5.

12
6
10
8
5
3
6
6
10
9
9
10
7
8
11
10
9
5
9
9
159
202
215
210
162
201
261
284
266
218

222
293
316
302
237
212
265
293
275
217


8
8
8
4
10

160
206
212
202
165

(a)
(b)
Hình 6: Một ví dụ về Multi-hop Traffic-Flow Weight


Bước ba, MTW(j) được tính với D(j) và R

g
như sau:

MTW(j)=( R
g
+1)× D(j)
+R
g
×(nhu cầu lưu lượng từ tất cả các router R
j
cách gateway 1 bước)
+( R
g
-1)×(nhu cầu lưu lượng từ tất cả các router R
j
cách gateway 2 bước)
+( R
g
-2)×(nhu cầu lưu lượng từ tất cả các router R
j
cách gateway 3 bước)
+…

Với MTW(j), gateway đầu tiên sẽ được đặt tại router có trọng số cao nhất. Một ví
dụ trong hình 3 thể hiện cách D(j) và R
g
được kết hợp để xác định vị trí gateway theo
MTW. Trong ví dụ này, chỉ có một gateway được triển khai, vì thế N
g
= 1. Từ (1), chúng

ta có R
g
= 3. Do đó, dựa trên D(j) trong hình 6(a), MTW được tính như hình 6(b). Vì vậy,
gateway sẽ được đặt tại trung tâm của router của WMN có trọng số MTW cao nhất.
Nếu có nhiều hơn một gateway được đặt, ta cần thêm hai bước sau. Đầu tiên, D(j),
j=1… N
r
sẽ được điều chỉnh lại với R
g
. Giả thiết rằng gateway được đặt tại R
j
, giá trị nhu
cầu lưu lượng của R
j
và tất cả các hàng xóm của nó trong phạm vi ( R
g
-1) bước được đặt
là 0, và giá trị của các hàng xóm cách R
j
R
g
bước được giảm đi một nửa. Theo cách này,
gateway khác sẽ được đặt ở một vị trí không gần với gateway đang tồn tại. Thứ hai, nhiễu
giữa các gateway sẽ được tính trong việc tính MTW, như được thảo luận của phần tiếp
theo.
3.2 Chia sẻ hiệu suất sử dụng các Gateway
Hai gateway ảnh hưởng lẫn nhau nếu chúng cách nhau IntD – bước. IntD được
định nghĩa là khoảng cách ảnh hưởng của các gateway. Các gateway ảnh hưởng phải
chia sẻ cùng kênh truyền không dây trong truyền thông lõi. Một thuật toán được phát
triển trong phần này để xây dựng các chia sẻ hiệu quả giữa các gateway. Thuật toán giữ

hai thuộc tính riêng biệt:
1) Sự công bằng đầy đủ giữa các gateway sẽ được đảm bảo;
2) Với điều kiện 1), hiệu quả của mỗi gateway sẽ được cực đại.


Trong bước 1, bảng các nhóm ảnh hưởng không trùng lặp được cấu thành như sau:
1) Mỗi nhóm ảnh hưởng xuất hiện như một hàng đơn trong bảng và bao gồm
một tập các gateway, bất cứ hai gateway nào cũng có ảnh hưởng với nhau.
2) Nhóm có số gateway nhiều hơn sẽ xuất hiện ở những dòng có chỉ số thấp
hơn, chúng xuất hiện trong bản sớm hơn.
3) Nhóm xuất hiện muộn hơn phải có ít nhất một gateway không chứa trong
tất cả các nhóm trước.
Ví dụ, 7 gateway được triển khai được triển khai trên một lưới lõi 5x5 như hình
7(a). Ở đây IntD = 2, bảng các nhóm ảnh hưởng không trùng lặp tương ứng được minh
họa trong hình 7(b) và được liệt kê trong bảng 1.


Hình 7: Hiệu suất chia sẻ giữa các gateway



Trong bước hai, mỗi gateway được gán một giá trị phần trăm theo thủ tục dưới
đây:
1) Khởi tạo tất cả các gateway đều được gán giá trị là 100%;
2) Bảng các nhóm không trùng lặp được tìm từ hàng đầu đến hàng cuối, mỗi
bước một hàng.
3) Trong mỗi bước, tất cả các gateway trong hàng được chỉ định được chia
thành 2 nhóm bởi một giá trị ngưỡng (1/số gateway trong hàng). Nhóm đầu
tiên bao gồm những gateway có gí trị lớn hơn giá trị ngưỡng, nhóm hai bao
gồm phần còn lại trong hàng.

4) Tất cả các gateway trong nhóm 1 được gán lại một giá trị phần trăm mới
được tính như sau
1-tổng giá trị phần trăm của các gateway thuộc nhóm 2
Số gateway của nhóm 1
nếu giá trị mới nhỏ hơn gía trị hiện tại.
5) Thủ tục lặp lại bước 3 và 4 cho đến khi kết thúc.



Bảng 1: Tính toán hiệu suất chia sẻ giữa các gateway
Số
hàng
Các nhóm
không ảnh
hưởng
Hiệu suất chia sẻ
1
2
3
4
5
6
7


100%
100%
100%
100%
100%

100%
100%
1
3 4 5 7
100%
100%
25%
25%
25%
100%
25%
2
2 3 4
100%
50%
25%
25%
25%
100%
25%
3
2 4 6
100%
37.5%
25%
25%
25%
37.5%
25%
4

1 2
62.5%
37.5%
25%
25%
25%
37.5%
25%

Trong ví dụ được chỉ ra trong hình 4 và bảng 1, gateway 3, 4, 5 và 7 được gán lại
giá trị phần trăm là 25% trong việc tính toán ở hàng đầu tiên. Gateway 2 được gán lại giá
trị phần trăm là 50% trong việc tính toán ở hàng thứ hai; gateway 2 và 6 được gán lại giá
trị phần trăm là 37.5% trong việc tính toán ở hàng thứ ba; gateway 1 được gán lại giá trị