(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ đa phương tiện trên mạng không dây ad hoc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Ngô Hải Anh

NGHIÊN CỨU VỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ĐA PHƯƠNG
TIỆN TRÊN MẠNG KHÔNG DÂY AD HOC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

Hà Nội - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Ngô Hải Anh

NGHIÊN CỨU VỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ĐA PHƯƠNG
TIỆN TRÊN MẠNG KHÔNG DÂY AD HOC

Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho tin học
Mã số: 9.46.01.10

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS Phạm Thanh Giang
2. PGS. TS Nguyễn Văn Tam

Hà Nội - 2020


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả được
công bố với các tác giả khác đều được sự đồng ý của các đồng tác giả trước khi đưa
vào luận án. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2020
NGHIÊN CỨU SINH

Ngô Hải Anh

1


LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phạm Thanh
Giang và PGS. TS. Nguyễn Văn Tam. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai
Thầy về định hướng khoa học, người đã động viên, trao đổi nhiều kiến thức và chỉ

bảo tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án này. Đồng thời, tôi cũng xin
chân thành cảm ơn tới các nhà khoa học, tác giả của các công trình công bố đã được
trích dẫn trong luận án, đây là những tư liệu quý, kiến thức liên quan quan trọng giúp
Nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Xin cảm ơn đến các nhà khoa học đã phản biện
các công trình nghiên cứu của Nghiên cứu sinh.
Tôi trân trọng cảm ơn Phòng Tin học viễn thông, Viện Công nghệ Thông tin
– Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những người đã
luôn ủng hộ, giúp đỡ và hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi yên tâm học tập đạt kết quả tốt.
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2020
NGHIÊN CỨU SINH

Ngô Hải Anh

2


MỤC LỤC

Lời cam đoan

1

Lời cảm ơn

2

MỤC LỤC

3

Danh mục từ viết tắt

6

Danh mục các bảng

9

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

10

MỞ ĐẦU

11

1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

18

1.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2. Chuẩn IEEE 802.11e cho dữ liệu đa phương tiện với các mạng không dây 23
1.3. Các vấn đề về tính công bằng trong các mạng không dây . . . . . . . . . . 25
1.3.1. Các vấn đề ở tầng MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.1.1. Vấn đề EIFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.1.2. Vấn đề trạm ẩn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.2. Vấn đề ở tầng liên kết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.3. Vấn đề với lập lịch FIFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.3.4. Vấn đề với lập lịch Round Robin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4. Phương pháp đánh giá hiệu năng mạng không dây . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.1. Đánh giá bằng công cụ mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.2. Đánh giá bằng công cụ testbed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2. PHÂN TÍCH THÔNG LƯỢNG MẠNG KHÔNG DÂY CHUẨN IEEE
802.11

39

2.1. Phân tích thông lượng lý thuyết của IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . 39
3


2.1.1. IEEE 802.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.2. IEEE 802.11g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2. Nhận xét các kết quả tính thông lượng lý thuyết . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC LUỒNG DỮ LIỆU CÓ
ĐỘ ƯU TIÊN KHÁC NHAU

52

3.1. Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2. Một số nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3. Phân tích thông lượng của IEEE 802.11e EDCA . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4. Phương pháp cải tiến tỷ lệ phân chia thông lượng cho các luồng dữ liệu
có độ ưu tiên khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.1. Đề xuất phương pháp phân chia thông lượng theo tỷ lệ của các
luồng dữ liệu có độ ưu tiên khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.4.2. Đề xuất phương pháp điều khiển động CW nhằm đạt được thông
lượng theo nhu cầu của các luồng dữ liệu có độ ưu tiên khác nhau . 63
3.5. Đánh giá giải pháp đề xuất bằng mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.1. Thước đo dùng để đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.2. Các kịch bản mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.5.2.1. Kịch bản ba nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5.2.2. Kịch bản ba cặp nút mạng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.2.3. Kịch bản ngẫu nhiên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN
THÔNG LƯỢNG BẰNG TESTBED

78

4.1. Xây dựng hệ thống testbed phục vụ đánh giá hiệu năng mạng . . . . . . . 78
4.1.1. Một số phương pháp đánh giá hiệu năng mạng không dây . . . . . . 79
4.1.2. Những ưu điểm của testbed và mô hình hoạt động của một hệ
thống testbed cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1.3. Thiết lập hệ thống testbed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2. Phương pháp đánh giá mạng bằng testbed . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4


4.3. Đánh giá tỷ lệ thông lượng đề xuất bằng testbed . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.4. Đánh giá mô hình ad hoc đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.1. Đánh giá ảnh hưởng của các tham số chất lượng dịch vụ . . . . . . . 91
4.4.1.1. Đánh giá ảnh hưởng của tham số CW . . . . . . . . . . . . 94
4.4.1.2. Đánh giá ảnh hưởng của tham số TXOP . . . . . . . . . . . 96
4.4.1.3. Đánh giá ảnh hưởng của tham số AIFS . . . . . . . . . . . . 98
4.4.2. Nhận xét ảnh hưởng của các tham số QoS đến hiệu năng mạng . . . 100

4.5. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

5

104


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AC

Access Category (Phân loại truy cập)

Active_Time Thời gian truyền dữ liệu thực sự của một trạm không dây
AIFS

Arbitrary InterFrame Space Number (Số khoảng cách giữa các frame
xen kẽ)

BE

Best Effort (Nỗ lực tối đa, ký hiệu một kiểu dữ liệu đa phương tiện
trong IEEE 802.11e)

BK

BacKground (nền, ký hiệu một kiểu dữ liệu đa phương tiện trong IEEE
802.11e)

CW

Contention Window (Cửa sổ tương tranh)

DCF

Distributed Coordination Function (chức năng cộng tác phân tán)

DIFS

DCF InterFrame Space (Khe trống thời gian DCF)

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum (Trải phổ chuỗi liên tiếp trực tiếp)

EDCA

Enhanced Distributed Channel Access (Truy cập kênh truyền phân tán
nâng cao

EIFS

Extended InterFrame Space (Khe trống thời gian mở rộng)

EP

Estimation Period (Khoảng thời gian ước tính, dùng để quan sát việc
truyền dữ liệu)

HCCA

HCF Controlled Channel Acesss (Điều khiển truy cập tập trung không
có tranh chấp)

HCF

Hybrid Coordination Function (Chức năng cộng tác lai)

HR/DSSS

High Rate Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS tốc độ cao)

6


NAV

Network Allocation Vector (Véc-tơ cấp phát mạng)

OFDM

Ortogonal Frequency Division Multiplexing (Ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao)

PCF

Point Coordination Function (Chức năng cộng tác điểm)

PIFS

PCF Interframe Space (Khe trống thời gian PCF)

QoS

Quality of Service (Chất lượng dịch vụ)

SIFS

Short InterFrame Space (Khe trống thời gian ngắn)

TXOP

Tranmission Opportunity (Cơ hội truyền)

UP

User Priority (Ưu tiên người dùng)

VI

VIdeo (video, ký hiệu một kiểu dữ liệu đa phương tiện trong IEEE
802.11e)

VO

VOice (voice, ký hiệu một kiểu dữ liệu đa phương tiện trong IEEE
802.11e)

WME

Wireless Multimedia Extensions (Phần mở rộng đa phương tiện không
dây)

WMM

WiFi Multimedia (Mạng không dây đa phương tiện)

7


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.2.1. Độ ưu tiên và các mức truy cập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Bảng 1.2.2. Các tham số EDCA mặc định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Bảng 2.1.1. Các thông lượng lý thuyết trung bình (backoff counter là 15.5
và 0) đối với 802.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Bảng 2.1.2. Các thông lượng lý thuyết trung bình (backoff counter là 15.5
và 0) đối với 802.11g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Bảng 2.1.3. Các tham số điều chế độc lập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Bảng 2.2.1. Hiệu quả của thông lượng lý thuyết tại tầng Ứng dụng của 802.11b 50
Bảng 2.2.2. Hiệu quả của thông lượng lý thuyết tại tầng Ứng dụng của 802.11g 51
Bảng 3.3.1. User Priority và Access Category [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Bảng 3.3.2. Giới hạn giá trị cửa sổ tương tranh (CW). . . . . . . . . . . . . . . 57
Bảng 3.3.3. Các tham số mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Bảng 3.4.1. Trọng số cho tỷ lệ thông lượng của các kiểu dữ liệu khác nhau. . . 63
Bảng 3.5.1. Trọng số của ba loại dữ liệu (Voice, Video, Best-effort) dùng
trong mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Bảng 4.4.1. Các tham số QoS mặc định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Bảng 4.4.2. Kết quả mô phỏng ở chế độ DCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Bảng 4.4.3. Kết quả mô phỏng ở chế độ EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Bảng 4.4.4. Các giá trị giống nhau cho các tham số WMM. . . . . . . . . . . . 93
Bảng 4.4.5. Kết quả mô phỏng chế độ EDCA với các tham số QoS giống nhau 94

8


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1.1. Quá trình phát triển của họ tiêu chuẩn IEEE-802.11. . . . . . . . . 20
Hình 1.3.1. Mô hình ba trạm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Hình 1.3.2. M1 và M2 đang truyền thông trong khi GW trì hoãn. . . . . . . . . 27
Hình 1.3.3. M1 và GW đang truyền thông trong khi M2 từ chối. . . . . . . . . 27
Hình 1.3.4. Vấn đề trạm ẩn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Hình 1.3.5. Một mô hình mạng không dây đa chặng cơ bản. . . . . . . . . . . 29
Hình 2.1.1. Các bước truyền dữ liệu trong IEEE 802.11b/g . . . . . . . . . . . 39
Hình 2.1.2. PPDU dài (Long PPDU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Hình 2.1.3. PPDU ngắn (Short PPDU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Hình 2.1.4. MAC Header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Hình 2.1.5. MAC Header frame control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Hình 2.1.6. Định dạng của PHY PDU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Hình 2.1.7. Thời lượng phần mào đầu (Preamble duration) . . . . . . . . . . . 46
Hình 3.3.1. Kịch bản hai nút mạng với ba luồng dữ liệu. . . . . . . . . . . . . . 58
Hình 3.3.2. Kết quả mô phỏng cho kịch bản đơn chặng với ba luồng dữ liệu. . 60
Hình 3.3.3. Thông lượng ước tính theo mức độ ưu tiên (CWmin ) giữa dữ liệu
Voice và Video so với dữ liệu Background. . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Hình 3.4.1. Thông lượng được chia sẻ theo trọng số đạt tỷ lệ kỳ vọng. . . . . . 62
Hình 3.4.2. Điều khiển kích thước CW để thích nghi các tỷ lệ thông lượng
khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Hình 3.5.1. Kịch bản ba nút mạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Hình 3.5.2. Fairness Index trong mô hình ba nút mạng. . . . . . . . . . . . . . 71
Hình 3.5.3. Tổng thông lượng trong kịch bản ba nút mạng. . . . . . . . . . . . 72
Hình 3.5.4. Kịch bản ba cặp nút mạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Hình 3.5.5. Fairness Index trong mô hình ba cặp nút mạng. . . . . . . . . . . . 74
Hình 3.5.6. Tổng thông lượng trong kịch bản ba cặp nút mạng. . . . . . . . . . 75
Hình 3.5.7. Fairness Index trong kịch bản ngẫu nhiên. . . . . . . . . . . . . . . 76
9


Hình 3.5.8. Tổng thông lượng trong kịch bản ngẫu nhiên. . . . . . . . . . . . . 76
Hình 4.1.1. Wireless node trong hệ thống testbed được xây dựng . . . . . . . . 84
Hình 4.1.2. Sơ đồ tổng quan của hệ thống testbed được xây dựng . . . . . . . . 85
Hình 4.1.3. Sơ đồ logic của hệ thống testbed được xây dựng . . . . . . . . . . 86
Hình 4.1.4. Sơ đồ cài đặt của testbed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Hình 4.2.1. Thông tin WiFi tại môi trường thiết lập mô phỏng. . . . . . . . . . 87
Hình 4.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Hình 4.3.1. Tỷ lệ thông lượng của dữ liệu Voice và Video so với dữ liệu Best
effort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Hình 4.3.2. Chỉ số đánh giá tỷ lệ (càng lớn càng đúng với tỷ lệ mong muốn). . 90
Hình 4.4.1. Mô hình mạng ad hoc đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Hình 4.4.2. So sánh thông lượng theo CWmin của dữ liệu Video . . . . . . . . 95
Hình 4.4.3. So sánh jitter theo CWmin của dữ liệu Video . . . . . . . . . . . . . 95
Hình 4.4.4. So sánh tỷ lệ mất gói theo CWmin của dữ liệu Video . . . . . . . . 96
Hình 4.4.5. So sánh thông lượng theo TXOPlimit của dữ liệu Voice . . . . . . 97
Hình 4.4.6. So sánh jitter theo TXOPlimit của dữ liệu Voice . . . . . . . . . . 98
Hình 4.4.7. So sánh tỷ lệ mất gói tin theo TXOPlimit của dữ liệu Voice . . . . 98
Hình 4.4.8. So sánh thông lượng theo AIFSN của dữ liệu Video . . . . . . . . 99
Hình 4.4.9. So sánh jitter theo AIFSN của dữ liệu Video . . . . . . . . . . . . 100
Hình 4.4.10.So sánh tỷ lệ mất gói theo AIFSN của dữ liệu Video . . . . . . . . 100

10


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận án

Ngày nay, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến. Ưu điểm của mạng
không dây là tính di động và sự giải phóng khỏi giới hạn của các kết nối có dây hoặc
cố định. Rất đơn giản để hai hoặc nhiều máy tính kết nối với nhau nhờ sóng rađiô
nhằm mục đích truyền dữ liệu hoặc chia sẻ tài nguyên. Tuy nhiên, có rất nhiều công
nghệ phức tạp nằm phía sau mạng không dây, trong đó chất lượng dịch vụ (Quality of
Service – QoS) là một lĩnh vực quan trọng với mục tiêu gia tăng hiệu năng của mạng
không dây.
Trong các thành phần của mạng không dây, chuẩn IEEE 802.11 [2] đóng vai
trò quan trọng nhất, nó bao gồm nguyên lý hoạt động của cả hai tầng MAC và PHY.
Tuy nhiên, chuẩn IEEE 802.11 – chuẩn không chính thức cho các mạng không dây ad
hoc hoạt động chưa tốt nếu xét trên các yếu tố trễ (delay), thông lượng (throughput),
và đặc biệt là yếu tố công bằng (fairness) trong các mạng ad hoc.
Mạng không dây ad hoc là một mạng phân tán di động trong đó các trạm trong
mạng có thể di chuyển tùy ý. Việc các trạm di chuyển không những gây trễ trong việc
thiết lập cấu hình mạng mới mà còn thay đổi điều kiện truyển thông ảnh hưởng đến
thông lượng mạng.
Truyền thông đa phương tiện (multimedia communications) bao gồm nhiều
phương thức có hiệu quả và năng suất cao dùng cho việc trao đổi thông tin, vấn đề
này ngày càng trở nên cần thiết trong bối cảnh tiến bộ nhanh chóng của các công nghệ
mạng tiên tiến như mạng băng thông rộng, mạng không dây,. . . Do giới hạn của công
nghệ, truyền thông giữa các máy tính ban đầu chỉ phục vụ cho các dữ liệu văn bản
thuần túy, nhưng âm thanh, hình ảnh tĩnh và động, hoạt hình mới phù hợp với giác
quan của con người. Như vậy, nhu cầu truyền thông dữ liệu dạng đa phương tiện là tất

yếu trong xã hội ngày nay. Việc truyền thông có thể dựa trên mạng máy tính có dây
truyền thống hoặc mạng không dây, trong đó mạng không dây có nhiều ưu điểm như
11


tính di động, khả chuyển, hỗ trợ được nhiều dạng thiết bị, nhiều địa hình khác nhau.
Tuy nhiên, mạng không dây với những đặc điểm di động, phụ thuộc nhiều vào các
yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu sóng,. . . luôn tồn tại vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ
(QoS), đối với dữ liệu dạng đa phương tiện, vấn đề này càng trở nên khó khăn.
Trên Internet, đã tồn tại 3 mô hình QoS phổ biến là IntServ [3], DiffServe [4]
và MPLS [5], tuy nhiên các mô hình QoS này không phù hợp với loại hình mạng
không dây và dữ liệu đa phương tiện. Mạng không dây, đặc biệt là mạng không dây
Ad hoc tồn tại trong tình huống không có một cơ sở hạ tầng cụ thể nhưng QoS phải
đảm bảo tính phân cụm (Clustering), duy trì các kênh ảo (Virtual Circuit), quản lý sự
lưu động (mobility) cũng như điều khiển điện năng. Với dữ liệu đa phương tiện, mạng
còn phải đảm bảo các tương tác theo thời gian thực, vận chuyển đa hướng (many-tomany) với nhiều kiểu dữ liệu (âm thanh, hình ảnh), đòi hỏi thông lượng cao đồng thời
các thông số chịu trễ (delay tolerance), biến đổi gói tin (jitter), mất mát và sai lệch
thông tin,. . . phải ở mức thấp nhất có thể.
Các ứng dụng truyền giọng nói (voice applications) có những đặc điểm khác
biệt lớn so với những ứng dụng truyền dữ liệu truyền thống. Bản thân kiểu dữ liệu
này luôn là thời gian thực, truyền thông dữ liệu dạng này phải có độ trễ tối thiểu khi
truyền gói tin cũng như không chấp nhận việc mất gói tin, truyền sai thứ tự gói tin,
biến đổi gói tin [6].
Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho dữ liệu đa phương tiện trong mạng không dây
là một chủ đề có tính thời sự và ý nghĩa thực tế và được nhiều tác giả phân tích và
nghiên cứu. Một số nghiên cứu gần dây đưa ra một số phương pháp như đánh giá sự
tranh chấp cả ở tầng liên kết và phân tầng MAC để đưa ra cải tiến bộ lập lịch để đạt
được mức độ công bằng thích hợp giữa các luồng dữ liệu [7].
2. Động lực nghiên cứu

Hiện tại đã có một số giải pháp về chất lượng dữ liệu đa phương tiện trong
mạng ad hoc. Tuy nhiên vẫn còn một số tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện, cụ
thể như sau:
Với bản chất luôn được chia sẻ và băng thông hạn chế của các liên kết không
12


dây đã chuyển sự cạnh tranh về băng thông từ hàng đợi bộ định tuyến sang thời gian
truy cập kênh, vì thế giá trị cửa sổ tương tranh (CW) không xác định tốc độ truyền
của nút không dây. Do đó, kết quả nghiên cứu đã có trong mạng có dây có thể được áp
dụng trực tiếp vào mạng không dây. Như thể hiện bởi nghiên cứu [8], để mở rộng thuật
toán điều khiển tốc độ Kelly [9] trên mạng không dây, các nút lân cận phải thường
xuyên trao đổi thông tin cho nhau.
Để tránh phụ phí thông điệp lớn, một số nghiên cứu tìm hiểu các phương pháp
sử dụng thuật toán phân bổ cửa sổ tương tranh phân tán để hỗ trợ phân bổ băng thông
công bằng và hiệu quả. Thách thức đối với các cách tiếp cận như vậy là trong các
mạng không dây, tốc độ gửi của một nút được xác định bởi kích thước cửa sổ tương
tranh của tất cả các nút cạnh tranh. Do không có nút nào kiểm soát hoàn toàn tốc độ
gửi của nó, thuật toán điều khiển tốc độ Kelly [9] có thể được dịch trực tiếp sang điều
khiển cửa sổ tương tranh và các thuật toán mới có thể được thiết kế để đạt được sự
công bằng tùy ý và sử dụng kênh hiệu quả.
Tuy nhiên, hầu hết các cách tiếp cận hiện tại chỉ tập trung vào các định nghĩa
công bằng cụ thể chứ không đạt mức tùy ý, hoặc phân bổ băng thông theo phân phối
tiêu chuẩn (uniform) hoặc theo tỷ lệ có trọng số (weighted proportional). Các cơ chế
AOB [10], MFS [11] và Dynamic-802.11 [12, 13] chỉ tập trung vào phân bổ băng
thông theo phân phối chuẩn. IEEE 802.11e [1, 14] và P-MAC [15] chỉ cung cấp sự
công bằng theo tỷ lệ có trọng số. Một số thuật toán như vậy (Dynamic-802.11, MFS
và P-MAC), cũng tạo ra sự mất ổn định mạng khi chúng cố gắng đạt được hiệu quả
sử dụng kênh thông qua điều chỉnh CW động. Điều này là do các giải pháp yêu cầu
một nút riêng lẻ để chạy các thuật toán lặp để ước tính cả các CW được sử dụng bởi

các nút tranh chấp và số lượng các nút tranh chấp. Tuy nhiên, việc ước tính như vậy
đòi hỏi tất cả các nút, có hoặc không có gói để truyền, đều phải bắt đầu đồng thời cả
hai việc: điều chỉnh cửa sổ tranh chấp động và thuật toán ước lượng lặp, và chạy đồng
bộ từng bước của các thuật toán này. Các nút có giá trị đã hết hạn về kích thước CW
và số lượng nút tranh chấp, do thực thi thuật toán không đồng bộ hoặc có lỗi tạm thời
(dễ xảy ra với mạng không dây), có thể khiến các thuật toán này thất bại.
Từ những vấn đề đã phân tích ở trên, động lực của luận án nghiên cứu, cải tiến
13


các cơ chế điều khiển băng thông, sử công bằng trong mạng đã công bố. Mục đích là
nâng cao hơn nữa chất lượng dịch vụ mạng không dây, đặc biệt với dữ liệu đa phương
tiện.
3. Mục tiêu luận án

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu, đề xuất giải pháp nâng cao chất
lượng dịch vụ dữ liệu đa phương tiên trong mạng không dây ad hoc. Cải tiến cơ chế
điều khiển tương tranh trong mạng thông qua việc điều chỉnh động giá trị tham số
cửa sổ tương tranh (CW) nhằm đạt được tỷ lệ phân chia thông lượng linh hoạt cho
các kiểu dữ liệu khác nhau. Đánh giá việc ảnh hưởng của các tham số chất lượng dịch
vụ tới các kiểu dữ liệu đa phương tiện bằng hệ thống testbed. Cụ thể là:
1. Nghiên cứu, đề xuất phương pháp phân chia thông lượng theo tỷ lệ của các luồng
dữ liệu có độ ưu tiên khác nhau trong mạng ad hoc.
2. Nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều khiển động CW nhằm đạt được thông
lượng theo nhu cầu của các luồng dữ liệu có độ ưu tiên khác nhau trong mạng ad
hoc.
3. Nghiên cứu, đề xuất phương pháp đánh giá chất lượng dịch vụ mạng không dây
sử dụng hệ thống đánh giá thực nghiệm (testbed).
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chất lượng dịch vụ dữ liệu đa phương tiện trong mạng không dây là một chủ
đề rất rộng và phức tạp. Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, luận án xác định đối
tượng và phạm vi như sau:
a) Đối tượng: Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ như chỉ số công bằng,
tổng thông lượng, trễ, tỷ lệ mất gói tin đối với các loại dữ liệu đa phương tiện.
b) Phạm vi: Giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các loại dữ liệu đa phương
tiện (voice, video, background) về các yếu tố chỉ số công bằng và tổng thông
lượng.
5. Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, luận án sử dụng phương pháp
14


nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, và đánh giá thực nghiệm, cụ thể như sau:
a) Nghiên cứu lý thuyết: luận án nghiên cứu và tổng hợp các công trình liên
quan đến chất lượng dịch vụ mạng không dây ad hoc đã công bố trong và ngoài nước.
Đồng thời luận án tập trung phân tích chi tiết ưu và nhược điểm để phát hiện vấn đề
còn tồn tại nhằm đề xuất giải pháp cải tiến phù hợp.
b) Mô phỏng: luận án đánh giá kết quả bằng mô phỏng sử dụng phần mềm
NS2. Để kết quả được khách quan, luận án mô phỏng trên nhiều kịch bản khác nhau
với nhiều tham số khác nhau, dựa trên kết quả mô phỏng, luận án đánh giá hiệu quả
đạt được về mặt chỉ số công bằng và tổng thông lượng, đưa ra nhận định ưu điểm và
nhược điểm của giải pháp đề xuất.
c) Đánh giá bằng hệ thống thực nghiệm : luận án sử dụng phương pháp đánh
giá dựa trên hệ thống thực nghiệm (testbed) nhằm đạt được tính thực tế do phương
pháp này sử dụng các thiết bị thật, phần mềm sinh dữ liệu thật nên kết quả sẽ gần với
thực tế hơn.
6. Bố cục luận án

Luận án được bố cục gồm 3 phần là Mở đầu, Nội dung và Kết luận. Trong đó
phần quan trọng nhất là Nội dung gồm các chương sau:
• Chương 1: “Nghiên cứu tổng quan” tìm hiểu, phân tích vấn đề chính của luận
án và các giải pháp đã có.
• Chương 2: “Phân tích thông lượng mạng không dây chuẩn IEEE 802.11” thực
hiện tính toán thông lượng lý thuyết tối đa của các mạng không dây IEEE 802.11.
Trong các yếu tố ảnh hưởng tới QoS, thông lượng (througput) đóng một vai trò
quan trọng. Tuy nhiên với chuẩn không dây IEEE 802.11, thông lượng là một yếu
tố có nhiều “giá trị” khác nhau, ví dụ với 802.11b có thông lượng là 11 Mbps
tuy nhiên đây là tốc độ dữ liệu của sóng vô tuyến (radio data rate) chứ không
phải là tốc độ truyền các gói tin (yếu tố chính của thông lượng mạng). Thông
lượng tối đa lý thuyết đóng vai trò quan trọng vì có thể được dùng để tạo điều
kiện cung cấp mạng ở mức độ tối ưu nhất cho việc truyền dữ liệu, nhất là với
các dữ liệu đa phương tiện. Họ tiêu chuẩn 802.11 [16] gồm nhiều công nghệ như
15


802.11a/b/g/n/ac, chương này của luận án thực hiện tính toán lý thuyết với hai
chuẩn phổ biến 802.11b và 802.11g.
• Chương 3: “Đề xuất phương pháp điều khiển các luồng dữ liệu có độ ưu tiên
khác nhau nhau” thực hiện việc đánh giá dựa trên mô phỏng để chứng minh rằng
mặc dù IEEE 802.11 có thể cung cấp sự phân chia băng thông cho các kiểu dữ
liệu đa phương tiện khác nhau, tuy nhiên cách phân chia này không thực sự đảm
bảo yêu cầu về chất lượng dịch vụ của các luồng dữ liệu. Ví dụ dữ liệu kiểu voice
luôn nhận tỷ lệ cao nhất và dữ liệu background luôn là thấp nhất. Do đó, trong
một số trường hợp ví dụ như với dữ liệu thời gian thực (real–time) mà cần sự
khác biệt dịch vụ cho lưu lượng best effort và lưu lượng dữ liệu biến đổi theo
thời gian thực thì IEEE 802.11 không thể cung cấp QoS tương xứng với yêu cầu
như vậy. Và do đó là cần thiết phải có một cơ chế phân chia linh hoạt hơn. Trong
khuôn khổ luận án, vấn đề được giải quyết bằng cách đo dữ liệu thực ở mỗi nút

nhận dữ liệu trong một khoảng thời gian, rồi tiến hành so sánh với dữ liệu theo lý
thuyết để xác định xem cần tăng hay giảm giá trị cửa sổ tương tranh (Contention
Window – CW), thuật toán được đề xuất sẽ điều khiển việc tăng hay giảm giá trị
CW này để đạt được tỷ lệ phân chia linh hoạt phù hợp với yêu cầu người dùng
với nhiều kiểu dữ liệu khác nhau như voice, video và background, việc đánh giá
đề xuất được thực hiện trên bộ mô phỏng mạng NS-2 theo nhiều kịch bản.
• Chương 4 “Đề xuất phương pháp đánh giá giải pháp điều khiển thông lượng
bằng testbed” phân tích ưu điểm của phương pháp đánh giá dựa trên thực nghiệm
(testbed), sau đó xây dựng hệ thống đánh giá sử dụng testbed, đề xuất các bước
đánh giá, rồi sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của việc thay đổi giá trị của bộ tham
số chất lượng dịch vụ dữ liệu đa phương tiện ảnh hưởng tới các yếu tố như thông
lượng, độ trễ, tỷ lệ mất gói trong mô hình ad hoc đa chặng, kết quả chứng mình
rằng việc sử dụng các thiết bị phần cứng thật sẽ có kết quả gần với thực tế hơn
thay vì các giá trị mang tính lý tưởng trong các phương pháp mô hình hóa, mô
phỏng hay phân tích lý thuyết.
7. Đóng góp của luận án

Thông qua tổng hợp, phân tích ưu và nhược điểm của các nghiên cứu trước đây,
16


luận án đề xuất một số giải pháp nhằm phát huy ưu điểm, khắc phục những hạn chế.
Sau đây là một số đóng góp chính của luận án:
1. Luận án đã đề xuất phương án cải tiến tỷ lệ chia sẻ băng thông nhằm đạt được
một mức độ công bằng hợp lý cho các loại dữ liệu đa phương tiện.[CB1]
2. Luận án đã đề xuất phương pháp điều khiển các luồng dữ liệu có độ ưu tiên khác
nhau nhằm đạt được mức độ công bằng và duy trì thông lượng cao khi mạng ở
trạng thái bão hòa.[CB4][CB6][CB10]
3. Luận án đề xuất phương pháp đánh giá hiệu năng mạng không dây bằng hệ thống
thực nghiệm testbed.[CB7][CB8][CB9]

Từ kết quả đạt được, luận án thấy rằng việc đảm bảo chất lượng dịch vụ dữ liệu
đa phương tiện trong mạng không dây ad hoc là phức tạp. Hướng tiếp cận dựa trên
việc điều khiển động giá trị cửa số tương tranh cũng như thay đổi bộ tham số chất
lượng dịch vụ được đánh giá theo bộ mô phỏng và hệ thống thực nghiệm đã cho thấy
hiệu quả và tiềm năng ứng dụng để giải quyết bài toán chất lượng dịch vụ dữ liệu đa
phương tiện trong mạng ad hoc.

17


CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu
Vào năm 1997, Viện Kỹ nghệ điện và điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) tạo ra chuẩn mạng không dây cục bộ (Wireless LAN –
WLAN) đầu tiên, đó là chuẩn 802.11. Các tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã trải qua quá
trình phát triển lâu dài như Hình 1.1.1. Trong số nhiều tiêu chuẩn 802.11x thì chuẩn
IEEE 802.11e được đề xuất năm 2005 [14] là đáng chú ý vì đưa ra các tập chất lượng
dịch vụ (Quality of Service – QoS) tập trung vào các ứng dụng đa phương tiện như
voice, video, và chuẩn IEEE 802.11e này đã được hợp nhất như một thành phần trong
chuẩn WLAN IEEE 802.11 vào năm 2012 [16, 17].
Có thể khái quát quá trình phát triển của chuẩn không dây IEEE 802.11 cũng
như các đề xuất bổ sung cho chuẩn này như sau:
Bắt đầu từ năm 1997, tiêu chuẩn cho mạng WLAN đã được đề xuất và tiêu
chuẩn (standard) không dây được ký hiệu IEEE 802.11, tuy nhiên do giới hạn băng
tần cực đại chỉ ở mức 2 Mbps nên không đáp ứng được thực tế sử dụng, các thiết bị
không dây theo chuẩn ban đầu này gần như không được sản xuất và nhu cầu cải tiến
802.11 được đặt ra.
Một đề xuất mở rộng (amendment) cho IEEE 802.11 đã nhanh chóng được đề
xuất vào tháng 7 năm 1999 và có tên IEEE 802.11b, hỗ trợ băng thông gần tương
đương với Ethernet lúc đó là 11 Mbps. 802.11b sử dụng tần số 2.4 GHz vốn được

dùng rộng rãi cho các thiết bị gia dụng như điện thoại không dây (kéo dài), lò vi
sóng hoặc các thiết bị khác, do vậy các thiết bị 802.11b có thể bị xuyên nhiễu từ các
thiết bị sử dụng cùng dải tần 2.4 GHz này, cách khắc phục có thể là đặt các thiết bị
802.11b cách xa các thiết bị cùng tần số để giảm được hiện tượng xuyên nhiễu. IEEE
cũng trong năm 1999 này đã tạo ra mở rộng thứ hai cho chuẩn 802.11 có tên IEEE
802.11a, còn được coi là WiFi thế hệ thứ hai – WiFi 2, chuẩn này hỗ trợ băng thông
lên đến 54 Mbps và tín hiệu trong một phổ tần số quy định quanh mức 5GHz. Tần số
18


của 802.11a cao hơn so với 802.11b, và với tần số này, các tín hiệu 802.11a cũng khó
xuyên qua các vách tường và các vật cản khác hơn. Hai chuẩn a và b này thường được
gọi chung là chuẩn IEEE-802.11 1999 [16].
Từ năm 2003, một loạt các mở rộng tiếp theo của IEEE 802.11 được đưa ra
gồm: IEEE 802.11g, có thể nói 802.11g đã kết hợp các ưu điểm của cả 802.11 a và b
trước đó nhằm hỗ trợ băng thông cao 54 Mbps và phạm vi tín hiệu tốt hơn và có khả
năng tương thích ngược với các chuẩn trước đó. IEEE 802.11h là phiên bản nâng cao
của 802.11a để hỗ trợ riêng cho các yêu cầu quy định của thị trường châu Âu. IEEE
802.11i tập trung cải tiến an toàn và bảo mật. IEEE 802.11e tập trung hỗ trợ các đáp
ứng về yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS). Và đến năm 2007 thì các đề xuất mở rộng
này đã được chính thức tích hợp vào chuẩn IEEE-802.11 2007 [16].
Vào năm 2009, một mở rộng tiếp theo cho mạng WLAN được phê chuẩn là
IEEE 802.11n, hay Wireless N nhằm cải tiến 802.11g và có thể thu/phát tín hiệu của
kết nối không dây bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten (Multiple In, Multiple Out –
MIMO), băng thông của chuẩn n này có thể lên đến 300 Mbps và tần số hoạt động
2.4/5 GHz cho phép phạm vi phủ sóng lớn và khả năng chống nhiễu tốt hơn, cũng
như tương thích ngược với các mở rộng tiêu chuẩn 802.11 trước đó. Các năm tiếp
theo có nhiều mở rộng được đề xuất như IEEE 802.11p năm 2010 tập trung cho môi
trường mạng xe cộ (Vehicles Network); IEEE 802.11u năm 2011 cung cấp khả năng
liên mạng với mạng viễn thông di động/mạng 3G. Đến năm 2012 thì các đề xuất mở

rộng này đã được chính thức tích hợp vào chuẩn IEEE-802.11 2012. [16]
Đến năm 2013, đề xuất mở rộng IEEE 802.11ac được đưa ra, 802.11ac sử
dụng công nghệ không dây băng tần kép, hỗ trợ các kết nối đồng thời trên cả băng
tần 2.4 GHz và 5 GHz. 802.11ac cung cấp khả năng tương thích ngược với các chuẩn
802.11b, 802.11g, 802.11n và băng thông đạt tới 1300 Mbps trên băng tần 5 GHz,
450 Mbps trên 2.4GHz. Cũng trong năm 2013, mở rộng IEEE 802.11af (còn có các
tên gọi khác là Super WiFi hoặc White-Fi) dùng tần số thấp 1 GHz nhằm có bước
sóng dài hơn để tín hiệu truyền đi xa hơn và lý thuyết có thể đến 10 km nhưng đổi lại
băng thông chỉ ở mức quanh 20 Mbps. Chuẩn không dây có tích hợp các đề xuất mở
rộng này đã được chính thức phê duyệt và được coi là chuẩn IEEE-802.11 2016 [16].
19


Quá trình phát triển của các tiêu chuẩn không dây IEEE 802.11 cũng như các
đề xuất mở rộng được tổng hợp khái quát trong Hình 1.1.1.

Hình 1.1.1. Quá trình phát triển của họ tiêu chuẩn IEEE-802.11.

Trong thực tế mô hình mạng TCP/IP đối với các loại hình mạng có dây (wired)
và không dây (wireless) chủ yếu khác nhau ở các tầng vật lý (chủ yếu liên quan đến
thiết bị) và MAC (Media Access Control), do vậy phần tiếp theo của luận án sẽ trình
bày một số cơ chế hoạt động tại tầng MAC của IEEE 802.11 nói chung và chuẩn IEEE
802.11e liên quan đến chất lượng dịch vụ cho mạng không dây.
Chuẩn 802.11 [2] định nghĩa hai chế độ làm việc chính cho các mạng cục
bộ không dây (Wireless Local Area Networks – WLANs): dựa trên hạ tầng cơ sở
(infrastructure based) và không cần hạ tầng cơ sở (infrastructure-less hay ad hoc) [18].
Kiến trúc dựa trên hạ tầng cơ sở là chế độ thường dùng để xây dựng các điểm
truy cập không dây (Wi-Fi hostpot) dựa trên một điểm truy cập mạng. Điều trở ngại
với kiểu kiến trúc này là chi phí mua và cài đặt cơ sở hạ tầng, các chi phí loại này có
thể không được chấp nhận trong các môi trường động, ở đó người và/hoặc các phương

tiện chỉ cần kết nối tạm thời trong một vùng mà không cần một cơ sở hạ tầng truyền
thông sẵn có, ví dụ như trường hợp cứu hộ khi có thảm họa động đất, sóng thần, lúc
đó hạ tầng mạng gần như bị phá hủy hoàn toàn, hoặc trường hợp các sinh viên trong
chuyến xe bus đi du lịch có nhu cầu muốn chia sẻ tài liệu hoặc chơi game tương tác
với nhau trong lúc đi trên xe. Trong những trường hợp như vậy, một giải pháp hiệu
quả hơn có thể được cung cấp, đó là chế độ hoạt động không cần hạ tầng cơ sở hay ad
20


hoc.
Trong mạng ad hoc, kết nối được thiết lập cho khoảng thời gian tương ứng với
một phiên làm việc và không cần trạm cơ sở (base station). Các thiết bị sẽ khám phá
những thiết bị khác ở trong cùng một miền để hình thành nên mạng. Các thiết bị có thể
sẽ tìm kiếm các trạm trong cùng miền bằng cách phát tràn (flooding) các thông điệp
quảng bá mà được chuyển tiếp bởi mỗi trạm. Khi hoạt động ở chế độ này, các trạm
được xem như đóng vai trò một tập dịch vụ cơ sở độc lập (Independent Basic Service
Set – IBSS). Bất kỳ trạm nào ở trong miền phát (transmission range) của trạm khác,
sau một bước đồng bộ hóa, đều có thể bắt đầu truyền thông. Điểm truy cập (Acess
Point – AP) không cần thiết với chế độ mạng này, nhưng nếu một trong số các trạm
đang hoạt động ở chế độ ad hoc có kết nối với mạng có dây, các trạm trong mạng ad
hoc sẽ có truy cập không dây đến Internet.
Mạng ad hoc đa chặng (multi-hop ad hoc networks) là các mạng ad hoc mà
các kết nối của chúng có thể qua nhiều trạm. Các giao thức định tuyến do đó sẽ cung
cấp các kết nối ổn định cho dù các trạm chuyển động liên tục. Mỗi trạm sẽ cố gắng
chuyển tiếp dữ liệu đến các trạm khác, và do đó việc xác định trạm nào chuyển tiếp dữ
liệu được thực hiện tự động dựa trên kết nối mạng. Điều này ngược lại với các công
nghệ mạng truyền thống ở đó một vài trạm được thiết kế trước, thông thường với các
thiết bị phần cứng như router, switch, hub và firewall, sẽ thực hiện nhiệm vụ chuyển
tiếp dữ liệu.
Giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 cho việc truy cập đường truyền trong

WLANs là một chuẩn không chính thức (de facto) cho các mạng không dây ad hoc.
Công nghệ 802.11 là một nền tảng tốt để cài đặt các mạng ad hoc đơn chặng (single–
hop) bởi tính đơn giản của nó. Tính đơn chặng có nghĩa là các trạm phải ở trong cùng
miền phát (thường từ 100–200 mét) để có thể truyền thông trực tiếp với nhau. Sự hạn
chế đó có thể được khắc phục bởi mạng ad hoc đa chặng.
Trong môi trường mạng ad hoc, các thiết bị di động của người dùng hình thành
nên mạng và chúng phải cộng tác với nhau để cung cấp chức năng thông thường được
cung cấp bởi cơ sở hạ tầng mạng (ví dụ routers, switches, và servers). Cách tiếp cận
này đòi hỏi mật độ người dùng phải đủ lớn để đảm bảo việc chuyển tiếp các gói tin
21


giữa bên gửi và bên nhận. Nếu mật độ người dùng thấp, mạng có thể trở nên không
hoạt động được. Tuy nhiên, nếu mật độ người dùng cao thì hiệu năng của mạng như
độ trễ, tính công bằng sẽ suy giảm nghiêm trọng. Trong các mạng ad hoc đa chặng,
các trạm cộng tác để chuyển tiếp các gói tin từ các trạm khác qua mạng. Do đó, một
trạm phải truyền đi cả luồng trực tiếp (direct flow), sinh ra bởi chính trạm đó và các
luồng chuyển tiếp (forwarding flow), được sinh ra bởi các trạm hàng xóm, do đó nó
chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm hàng xóm của nó. Hiệu ứng của sự tranh
chấp tại tầng MAC và tầng liên kết sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng, đặc biệt là
sự công bằng.
Chức năng cộng tác phân tán (Distributed Coordination Function – DCF) là
một kỹ thuật tầng MAC cơ bản trong IEEE 802.11, nó được thiết kế để cung cấp cơ
hội công bằng cho mọi trạm để truyền đi các frames trong ngữ cảnh phân tán. DCF
sử dụng giao thức đa truy cập sử dụng sóng mang có tránh xung đột (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance – CSMA/CA) với cách truy cập dựa trên
kỹ thuật quay lui hàm mũ nhị phân (Binary Exponential Back-off – BEB). Kỹ thuật
BEB điều khiển tần suất truy cập kênh truyền của mỗi trạm bằng cách chọn ngẫu
nhiên một giá tri quay lui từ một đến CW dựa trên phân phối ngẫu nhiên chuẩn, với
CW là kích thước cửa sổ tranh chấp (Contention Window – CW). Do đó, dường như

toàn bộ các trạm đang tranh chấp sẽ có cùng cơ hội để truy cập kênh truyền được chia
sẻ, tuy nhiên, trong cấu hình mạng đa chặng bất đối xứng, kỹ thuật BEB lại gặp phải
vấn đề không công bằng (unfairness) và lưu lượng thấp (low throughput), đặc biệt
trong trường hợp tải được cung cấp (offered load) có lưu lượng lớn.
Kỹ thuật BEB xác định kích thước cửa sổ tranh chấp tương ứng với điều kiện
tắc nghẽn. Kỹ thuật này sẽ nhân đôi giá trị CW sau mỗi lần đụng độ cho đến khi đạt
ngưỡng CW max và đặt lại (reset) giá trị CW thành CW min với mỗi lần phát thành
công. Tuy nhiên, kỹ thuật BEB không xem xét các điều kiện khác về các trạm hàng
xóm, thông tin tầng trên,. . . số luồng trong kênh truyền hoặc số người dùng trong hệ
thống. Do đó, giá trị CW sau vài lần tắc nghẽn có thể sẽ không phải là giá trị tối ưu
cho tính công bằng, đặc biệt trong các mạng đa chặng bất đối xứng. Thêm nữa, bởi vì
giá trị CW là như nhau với tất cả các luồng được sinh ra từ một trạm, mọi luồng sẽ
22


truy cập kênh truyền với cùng độ ưu tiên. Sẽ có sự không công bằng giữa các luồng
trong không gian bộ đệm (buffer space), vì vậy các giá trị CW khác nhau nên được
gán cho mỗi luồng để giảm bớt sự tranh chấp giữa chúng.
1.2. Chuẩn IEEE 802.11e cho dữ liệu đa phương tiện với các mạng không dây
Công nghệ giao tiếp không dây dựa trên chuẩn 802.11 [2] đã trở nên phổ biến
trong nhiều lĩnh vực, ví dụ các điểm truy cập Wi-Fi, mạng đô thị diện rộng, mạng giao
thông (vehicular). . . Tại các lĩnh vực đó, truyền thông không dây đa chặng (multi-hop)
đóng một vai trò quan trọng. Tuy nhiên, chất lượng dịch vụ (QoS) được cung cấp
trong các giao tiếp này vẫn là một vấn đề nghiên cứu có nhiều thách thức. Chuẩn
IEEE 802.11e [14], dựa trên 802.11 được ra đời nhằm đưa ra các tiêu chuẩn tốt hơn
trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ và đã được chấp nhận như một thành phần
mở rộng hỗ trợ đa phương tiện (WiFi Multimedia – WMM hay Wireless Multimedia
Extensions – WME) của IEEE 802.11 [1, 16]
Điểm nổi bật của IEEE 802.11e là có chức năng cộng tác lai (Hybrid Coordination Function – HCF) – là sự kết hợp của các chức năng DCF, PCF đã có từ 802.11,

với những cơ chế đảm bảo QoS nâng cao nhằm hỗ trợ dịch vụ có phân biệt (DiffServ). HCF bao gồm hai cơ chế điều khiển là truy cập kênh truyền phân tán nâng
cao (EDCA – Enhanced Distributed Channel Access) dựa trên cơ chế có tranh chấp
(contention-based) và điều khiển truy cập tập trung không có tranh chấp (HCCA –
HCF Controlled Channel Acesss) dựa trên cơ chế hỏi vòng (poll-based). Trong hai cơ
chế này, kỹ thuật EDCA được sử dụng nhiều hơn vì phù hợp với đặc tính phân tán của
các nút trong mạng không dây ad hoc.
Phương pháp EDCA dùng phương pháp truy cập môi trường truyền có phân
biệt, sử dụng những mức ưu tiên khác nhau cho mỗi loại luồng dữ liệu. EDCA định
nghĩa bốn loại ưu tiên theo phân loại truy cập (AC – Access Categories) cho các kiểu
dữ liệu khác nhau và có các dịch vụ phân biệt cho từng loại AC này. Việc các khung
dữ liệu khác nhau được ánh xạ vào những AC sẽ phụ thuộc vào sự đòi hỏi chất lượng
dịch vụ của tầng trên. Mỗi khung tin từ tầng trên chuyển xuống tầng MAC được đánh
trọng số ưu tiên người dùng (UP – User Priority) tùy thuộc vào ứng dụng sinh ra
khung đó. Có 8 giá trị trọng số ưu tiên được mô tả như trong Bảng 1.2.1 [14].
23