Nghiên cứu phương pháp điều khiển trách tắc nghẽn của dịch vụ ABR trong mạng ATM bằng thuật toán thông minh thích nghi neuron mờ (computational intelligent in congestion advoidance control alg

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐÁ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HOẽC BACH KHOA
KHOA ẹIEN ẹIEN Tệ
BO MON VIEN THONG

àả

LUAN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TRÁNH TẮC NGHẼN CỦA DỊCH VỤ ABR TRONG
MẠNG ATM BẰNG THUẬT TOÁN THÔNG MINH
THÍCH NGHI NEURON MỜ

COMPUTATIONAL INTELLIGENT IN
CONGESTION ADVOIDANCE CONTROL
ALGORTHMS IN ATM NETWORKS
GVHD
SVTH
LỚP

: TS. PHẠM HỒNG LIÊN
: NGUYỄN HOÀNG MINH
: CAO HỌC KT ĐTVT- K11

TP HỒ CHÍ MINH
NĂM 2002


LỜI CẢM ƠN

Việc

nghiên cứu tìm tòi trong đề tài này được thực hiện trong
khi tôi đang là học viên lớp cao học điện tử viễn thông trường đại học
Bách Khoa Tp. Hồ Chí minh.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến só Phạm Hồng
Liên, người đã tạo cho tôi niềm say mê tìm tòi, nghiên cứu, giúp đỡ và
hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian làm luận văn.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thầy Cô trường
Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các Thầy
Cô thuộc Khoa Điện – Điện Tử về tất cả những kiến thức mà Quý
Thầy Cô đã truyền đạt cho tôi trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin được gửi đến gia đình, bạn bè tôi với tình cảm
sâu sắc nhất về những lời động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi
trong suốt quá trình học tập.

T.p Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 12 năm 2002.
Nguyễn Hoàng Minh


ACKNOWLEDGEMENTS
The research work described in this thesis was performed while I
was a cadidare for degree of Master of the Technology of Hồ
Chí Minh University

I would like to express my gratitude to my supervisors, Dr. Phạm
Hồng Liên of the Technology of Hồ Chí Minh University, who has

given continuing support and guidance throughout the course of
the research work.

I woulde like to thank all professors for my enjoyable time with
the master courses.

Finally, and most importantly, I wish to thank my family and

friends ,who were always very supportive, and kept me going
on the right path to complete my work.

Hồ Chí Minh City, December, 1 st 2002
Nguyễn Hoàng Minh


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

TÓM TẮT
Mục đích của đề tài này là sử dụng thuật toán thông minh như là một công cụ
hữu ích cho việc phát triển những ứng dụng trong việc điều khiển lưu lượng trong
mạng đa dịch vụ dựa trên ATM để luôn giữ chất lượng dịch vụ theo yêu cầu và đạt độ
sử dụng tài nguyên lớn nhất. Đầu tiên đề tài này đưa ra cấu trúc điều khiển phân cấp
và đa mức trong mạng ATM để thấy được sức mạnh của thuật toán thông minh khi
ứng dụng trong điều khiển đa mức. Tiếp đó chúng ta nghiên cứu về giải thuật ERICA(
Explicit Rate Indication for Congestion Advoidance) Thuật giải tránh tắc nghẽn dùng
chỉ thị tốc độ hồi tiếp tường minh và thấy được hướng phát triển trong thuật giải
ERICA+( Explicit Rate Indication for Congestion Advoidance) và Nguồn ảo/Đích ảo(
Virtual Source/Virtual Destination) . Từ đó chúng ta đưa ra cấu trúc điều khiển cơ bản
dùng thuật toán thông minh trong việc điều khiển tránh tắc nghẽn dạng mức.
Mạng đa dịch vụ dựa trên mạng ATM phải sử dụng phương pháp điều khiển

lưu lượng rất phức tạp để đáp ứng một cách hiệu quả được tất cả các yêu cầu truyền
tải đa dạng của dịch vụ thoại, video và dữ liệu trong khi vẫn đáp ứng được chất lượng
yêu cầu. Những kỹ thuật điều khiển hồi tiếp có một vai tro rất quan trọng trong việc
quản lý hiệu quả nguồn tài nguyên của mạng ATM. Tuy nhiên, việc phát triển những
kỹ thuật điều khiển hồi tiếo truyền thống phụ thuộc vào những mô hình hệ thống
phân tích có sẵn. Những mô hình phân tích này rất khó thực hiện; hay không thể thực
hiện; do những đặc tính của mạng ATM và độ phức tạp của những dịch vụ yêu cầu.
Việc thiếu những mô hình tường minh thực dẫn tới vấn đề nghiêm trọng trong việc
phát triển những giải pháp điều khiển trong mạng băng rộng B-ISDN. Điều này làm
giới hạn khả năng của những kỹ thuật truyền thống trong việc giải quyết và điều
khiển trong mạng ATM. Trong những nghiên cứu gần đây, tuy vài phương pháp điều
khiển tắc nghẽn và chấp nhận kết nối cho mạng B-ISDN đã được đưa ra và chúng đã
đạt được vài kết quả ban đầu, Nhưng thường chúng dựa trên những mô hình tương đối
đơn giản hay chúng quá phức tạp để thực hiện, mà phần lớn dựa vào mô hình không
đổi( steady –state).
Trái lại, Bộ điều khiển mờ hay bộ điều khiển thích nghi neuron-mờ đã được
ứng dụng thành công trong những hệ thống điều khiển mà những mô hình phân tích
không đạt được. Bộ điều khiển mờ làđịnh hướng điều khiển dựa trên tri thức có thể
dùng khi mô hình tường minh của hệ thống không đạt được hoặc nếu có thì cũng rất là
phức tạp và phi tuyến. Trong trường hợp này, việc thiết kế hệ thống điều khiển dựa
trên kiến thức liên quan tới hoạt động của hệ thống Mà những kiến thức này trong bộ
điều khiển mờ đạt được theo diễn tả ngôn ngữ trong dạng hàm tương quan mờ. Bởi
TÓM TẮt

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

việc dùng hàm tương quan mờ, những thông số của hệ thống có thể đạt được không
cần mối quan hệ tường minh.
Đề tài này đưa ra phương pháp điều khiển tránh tắc nghẽn dự đoán mới, Điều
khiển tránh tắc nghẽn dựa trên tốc độ hồi tiếp tường minh dùng thuật toán thông minh
mục đích tránh tắc nghẽn dựa trên
• Giảm nhỏ nhất độ mất mát cell.
• Giữ độ sử dụng đường truyền cao và
• Giữ độ công bằng đướng truyền.
Chất lượng của thuật giải FERC( Fuzzy Explicit Rate Controler) và
ANFERC(Adaptive Neuron – Fuzzy Explicit Rate Controler) cực kỳ đáng kể khi so
sánh với những thuật giải phát triển dựa trên những phương pháp truyền thống.
Kết quả cho ta thấy rằng việc điều khiển dựa trên thuật toán thông minh là
một công cụ thiết kế hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Khi hệ thống điều khiển có
độ phức tạp và phi tuyến cao, nó giúp cho ta truy xuất được mức thấp của bộ điều
khiển và từ đó mức điều khiển cao có thể xây dựng trên mức điều khiển này. Ngoài
ra thuật toán thích nghi neuron mờ ANFERC có thể tự thích nghi từ đó ta có thể đạt
được những thông số tự chỉnh và hệ thống sử dụng băng thông của mạng tốt hơn. Việc
này cho hệ thống điều khiển đạt được tính bền vững hơn.

TÓM TẮt

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

Abstract

The research presented in this thesis aim to demonstrate that computation intelligent
is useful tool for developing mechanisms for controlling traffic flows in ATM based
multimedia networks to maintain quality of service(QoS) requirements and maximize
resource utilization. The study frist proposeses a hierarchical, multilevel control
structure for ATM networks to exploit the reported strengths of fuzzy logic at various
control levels. Then, we study on ERICA- Explicit Rate Indication for Congestion
Advoidance, we will see dvelopment for the next algorithms: ERICA + and VS/VDVirtual Source/ Virtual Destination. Based on these, we proposed control architecture
at the congestion control level at an extensive development and evaluation .
An ATM based multimedia network must have quite sophisticated control capabilities
to effectively handle the requirements of a dynamically varying mixture of voice,
videoand data services while meeting the required levels of performance. Feedback
control techniques have an essential role for the effective and efficient management
of the resources of ATM networks. However, development of conventional feedback
control techniqueõs relies on the availability of analytical system models. The
characteristics of ATM networks and the complexity of service requirements cause
the analytical modeling to be very difficult, if not possible. The lack of realistic
dynamic explicit models lead to substantial problems in developing control solutions
for B-ISDN networks. This limits the ability of conventional techniques to directly
address the control objectives for ATM networks. In the literature, several connection
admission and congestion control methods for B-ISDN networks have been reported,
and these have achieved mixed seccess. Usually they either assum heavily simplified
models, or they are too complicated to implement, mainly derived using
probabilistic(steady-state)models.
Fuzzy logic controler or Adaptive Neuron Fuzzy controler, on the other hand, have
been applied successfully to the task of controlling systems for which analytical
models are not easily obtainable. Fuzzy logic control is a knowledge-based control
strategy that can be utilized when an explicit model of a system is not available or, the
model itself, if available , is highly complex and nonlinear. In this case, the problem
of control system design is based on qualitative and/ or empirically acquired
knowledge regarding the operation of the system. Representation of qualitative or

empirically acquired knowledge in a fuzzy logic controller is achieved by linguistic
expression in the form of fuzzy relational equations. By using fuzzy relation
equations, classifications related to system parameters can be derived without explicit
description.
TÓM TẮT

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

This thesis presents a new predictive congestion control scheme. Fuzzy Explicit Rate
Controler( FERC) vaø Adaptive Neuron_ Fuzzy Explicit Rate Controler. Which aim to
avoid congestion, and by doing so
•
•
•

Minimize the cell losses.
Attain high server utilization and
Maintain the fair use of links.

The performance of these above xchemes is extremely competitie with that of control
scheme developed using traditional methods over a considerable period of time.
The results of the study demonstrate that computation intelligent: fuzzy logic and
neuron-fuzzy is a highly effective design tool for this type of problems, relative to the
traditional methods. When controlled systems are highly nonlinear and complex, it
keeps the human insight alive and accessible at the lower levels of the control

hierarchy, and so higher levels can be built on this understanding. Additionally, the
FERC scheme have been extended to adaptive tune(ANFERC) so that continuous
tuning of the parameters can be achieved, and thus be more adative to system changes
leading to better utilization of network bandwidth. This achieves a lavel of robustness
that is not exhibited by other congestion control schemes reported in the literature.

TÓM TẮT

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

DẪN NHẬP
1. Mạng đa dịch vụ và mode truyền dẫn bất đồng bộ ATM:
Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng những mạng đa dịch vụ càng tăng và
những mạng này kết hợp dịch vụ thoại, dữ liệu, và ứng dụng video cho các dịch vụ
đa dạng như truyền hình theo yêu cầu (video on demand), hội nghị thoại
(teleconference), dịch vụ y tế từ xa (telemedicine). Những ứng dụng dùng trong mạng
đa phương tiện (multimedia) này có yêu cầu chất lượng và các đặc tính lưu lượng rất
khác nhau. Từ đó mạng này hỗ trợ cho lưu lượng có băng thông từ vài Kb/s cho tới vài
Mb/s (ví dụ: dòng bit video có độ phân giải cao). Trong đó, những ứng dụng về video
và dữ liệu lại mang tính chất phát dạng chùm cao, trái lại vài ứng dụng khác lại yêu
cầu chất lượng và thời gian trễ. Ví dụ như ứng dụng thoại lại yêu cầu thời gian trễ
nghiêm ngặt không đổi nhưng có thể cho phép mất dữ thoại tương đối. Trái lại trong
những ứng dụng dữ liệu, yêu cầu về truyền tải thời gian thực không phải là thông số
quan trọng cơ bản nhưng lại yêu cầu nghiêm ngặt về sự mất dữ liệu. Vài dịch vụ khác
như truyền hình thời gian thực yêu cầu truyền không lỗi và có độ trễ truyền dẫn nhỏ

nhất.
Sự phát triển chính trong mạng đa dịch vụ, tốc độ cao là sự kết hợp giữa mạng số đa
dịch vụ băng rộng (B-ISDN) và mode truyền dẫn bất đồng bộ. Để đáp ứng những yêu
cầu của mạng đa dịch vụ thông qua B-ISDN, vài kỹ thuật được đề nghị cho các
phương pháp chuyển mạch và ghép kênh (hay gọi cách khác là mode truyền dẫn).
Những phương pháp này bao gồm mode truyền dẫn đồng bộ (STM) dựa trên kỹ thuật
chuyển mạch mạch và mode truyền dẫn bất đồng bộ dựa trên kỹ thuật chuyển mạch
gói. Đầu tiên mode truyền dẫn đồng bộ được xem như mode truyền dẫn thích hợp
dành cho B-ISDN. ATM được ảnh hưởng đáng kể từ những kinh nghiệm đạt được từ
những mạng chuyển mạch gói đầu tiên như ARPANET. Trong STM, băng thông được
chỉ định theo từng khe thời gian theo chu kỳ khung. Khe đồng bộ khung đánh dấu bắt
đầu của mỗi khung. Lúc này, trong kỹ thuật chuyển mạch mạch truyền thống, mỗi khe
thời gian trong khung STM được chỉ định cho 1 cuộc gọi riêng biệt và cuộc gọi này
được nhận biết vị trí của khe thời gian này. Trong STM, khe thời gian được chỉ định
dựa trên tốc độ truyền đỉnh của cuộc gọi vì vậy chất lượng dịch vụ của cuộc gọi luôn
đạt được. Dựa trên những đặc tính này, STM phù hợp cho những dịch vụ có tốc độ bit
không đổi và nó không hỗ trợ những dịch vụ đa phương tiện hiệu quả và băng thông bị
lãng phí trong suốt khoãng thời gian mà thông tin truyền dẫn dưới tốc độ đỉnh của nó.
ATM dự định thay thế việc sử dụng không hiệu quả và kém linh động của STM.
Trong ATM, thông tin được cấu trúc theo từng gói có chiều dài cố định ( được gọi là
cell) bao gồm phần dẫn đường và phần tải. Sự khác biệt cơ bản giữa ATM so với STM
là nó chỉ định khe thời gian theo yêu cầu và dễ thay đổi, vì vậy trong mạng ATM băng
thông không bị chiếm dụng trừ khi thông tin thực sự được truyền trên mạng. Việc này
dẫn đến việc sử dụng băng thông hiệu quả hơn bởi nguồn lưu lượng được ghép kênh
theo hệ thống ảo. Tối ưu việc sử dụng tài nguyên của mạng từ đó yêu cầu cấu trúc
GIỚI THIỆU

1

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH

ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

điều khiển phân tán, phi tuyến và rất phức tạp. Trong đó việc điều khiển nghẽn, điều
khiển chấp nhận kết nối và điều khiển thông số người dùng cùng với điều khiển tránh
tắc nghẽn là quan trọng nhất. Chúng ta sẽ sử dụng thuật giải logic mờ cho việc giải
quyết vấn đề tránh tắc nghẽn phức tạp trong mạng ATM.
Trong mạng ATM tỉ số độ trễ truyền dẫn trên thời gian truyền cao hơn những mạng
cũ (điều này ảnh hưởng trực tiếp độ hồi tiếp khi so sánh trong toàn mạng, một vấn đề
khó khăn nhất trong lý thuyết điều khiển. Tính chất này cùng với những thay đổi lưu
lượng không dự đoán được và dòng lưu lượng phát dạng chùm làm cho việc điều
khiển luồng và tắc nghẽn trong mạng ATM cực kỳ khó giải quyết. Kết quả cho ta độ
đáp ứng phi tuyến, độ biến động cao. Thuật giải điều khiển nghẽn dạng đáp ứng
thông thường (Purely reactive) sẽ không đạt hiệu quả trong mạng ATM bởi vì có một
số lượng lớn các cell chuyển tải giữa 2 điểm nút mạng tại bất cứ thời gian nào và
thiếu một mô hình chính xác thích hợp. Muốn điều khiển tránh tắc nghẽn hiệu quả cần
phải kết hợp giữa điều khiển dự đoán và điều khiển đáp ứng mạng. Thuật giải điều
khiển nghẽn dự đoán yêu cầu dự đoán đáp ứng động của lưu lượng trong chuyển mạch
để gửi những tín hiệu điều khiển tránh tắc nghẽn về nguồn dữ liệu đủ sớm để tránh
mất cell do tràn bộ đệm.
Nhu cầu về những mạng đa dịch vụ dẫn đến việc điều khiển phức tạp càng tăng như
đã được đề cập trong phần trên. Cho những vấn đề này chúng ta cần kỹ thuật điều
khiển và mô hình mới. Những mô hình mới như mô hình tuyến tính chính xác, mô hình
hàm dạng Radial cơ sở rất khó đạt được vì vậy chúng ta cần kỹ thuật có thể phù hợp
với những bất ổn định này. Đề tài này nghiên cứu những kỹ thuật điều khiển thông
minh mà nó có thể phù hợp với mối quan hệ vào ra phi tuyến và hoạt động với những
dữ liệu không chắc chắn chưa rõ. Kỹ thuật điều khiển thông minh dùng mạng nơron

nhân tạo, logic mờ hay tính toán dạng tiến hóa.
2. Lý do dùng điều khiển mờ trong mạng ATM :
Những phương pháp điều khiển và mô hình hệ thống dựa trên logic mờ được dành chú
ý đặc biệt bởi vì những ưu điểm sau:
- Khả năng diễn tả nhanh cấu trúc điều khiển của hệ thống dựa trên tri thức
dạng ưu tiên.
- Ít phụ thuộc vào những mô hình chính xác có sẵn của quá trình điều khiển.
- Dễ áp dụng cho những thông số phi tuyến.
Những phương pháp mô hình hóa dạng mờ cho ta những mô hình có thể biểu diễn
những đáp ứng của hệ thống đủ tốt cho ứng dụng của chúng trong điều khiển mờ.
Dạng điều khiển dựa trên mô hình mờ tạo ra phương pháp thay thế mô hình mờ dùng
biến ngôn ngữ. Do nhu cầu mô hình tin cậy và giá thấp, mô hình mờ trở nên sự thay
thế hữu ích cho mô hình điều khiển truyền thống trong khi độ phức tạp và tính hay
thay đổi của hệ thống gia tăng. Điều này rất quan trọng trong thực tế bời vì việc mô
hình hóa thường là bước trở ngại cho việc ứng dụng điều khiển mạng một cách hiệu
quả.
GIỚI THIỆU

2

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

Ví dụ để giải quyết vấn đề điều khiển tránh tắc nghẽn dạng dự đoáùn dùng lý thuyết
điều khiển dạng truyền thống, ta phải yêu cầu mô hình toán học chính xác cho quá
trình đến và cho sự phân bố Cell trong bộ đệm chuyển mạch.

Bất cứ lỗi nào trong mô hình toán học cũng làm giảm chất lượng hoạt động của bộ
điều khiển và dẫn tới việc điều khiển không chính xác. Hơn nữa mô hình này cần yêu
cầu việc tính toán phức tạp không phù hợp cho việc tính toán trên thời gian thực. Trái
lại việc điều khiển mờ dạng thích nghi có khả năng tự chỉnh trên đường truyền dựa
trên tăng chất lượng của hệ thống không phụ thuộc vào mô hình toán học chi tiết.
Chất lượng hệ thống lúc này liên tục được định chỉnh theo chỉ số chất lượng hay hàm
giá cả.
3. Mục đích của đề tài này và những nghiên cứu tương ứng:
Nghiên cứu đưa ra trong đề tài này mục đích chứng minh rằng logic mờ là công cụ hữu
ích cho việc phát triển điều khiển dòng lưu lượng và tránh tắc nghẽn trong mạng đa
dịch vụ dưạ trên ATM để giữ được những yêu cầu vầ chất lượng dịch vụ và độ sử
dụng tài nguyên lớn nhất.
Đề tài này đầu tiên đưa ra cấu trúc điều khiển đa mức, phân cấp của mạng để cho ta
thấy ứng dụng mạnh mẽ của Logic mờ trong những mức điều khiển khác.
Sau đó chúng ta đưa ra cấu trúc điều khiển tại mức điều khiển tránh tắc nghẽn dựa
trên việc thực hiện và phát triển mở rộng theo cấu trúc trên.
Người ta chấp nhận rằng vấn đề điều khiển tắc nghẽn mạng vẫn giữ vai trò chủ chốt
và ưu tiên hàng đầu đặc biệt khi tốc độ, nhu cầu và độ lớn của mạng gia tăng, và độ
hội tụ của những loại dữ liệu khác nhau. Mặc dù đã cố gắng nghiên cứu qua nhiều
năm và có rất nhiều phương pháp khác nhau được đề nghị mà chưa có một giải pháp
điều khiển nào được chấp nhận rộng rãi để giải quyết vấn đề tắc nghẽn. Nhưng chúng
ta cũng nhận thấy rằng những giải pháp hiện nay trên mạng hiện hữu trở nên không
hiệu quả và những giải pháp này không dễ dàng nâng cấp.
Chúng ta hy vọng giải pháp logic mờ này sẽ hoạt động với mô hình lưu lượng cho
những thông số phi tuyến và tính bất định (hay thay đổi) của hệ thống mà vẫn cung
cấp được độ sử dụng mạng cao trong khi cho phép sử dụng tài nguyên công bằng giữa
các nguồn. Chúng ta sẽ mong muốn giải pháp logic mờ sẽ được ứng dụng cho lưu
lượng có độ ưu tiên cao như VBR (tốc độ bit thay đổi dùng cho ứng dụng Video) và
CBR (tốc độ bit không đổi) trong mạng WAN và mạng LAN. Những kết quả mô
phỏng trong chương sau sẽ cho ta thấy việc dùng bộ điều khiển mờ có thể đạt được.

4. Cấu trúc đề tài:
Đề tài này bao gồm 7 chương:
Phần mở đầu: Giới thiệu sơ lược về tình hình phát triển mạng ATM và tại sao dùng
thuật toán mờ cho việc giải quyết tránh tắc nghẽn trong mạng ATM.

GIỚI THIỆU

3

SVTH : NGUYỄN HOAØNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

Chương I: Giới thiệu tổng quát về mạng ATM và dịch vụ ABR.
Chương II : Nghiên cứu các thuật giải điều khiển tránh tắc nghẽn dựa trên tốc độ hồi
tiếp tường minh: ERICA, ERICA+ và nguồn ảo, đích ảo.
Chương III : Lý thuyết tập mờ, hệ thống điều khiển mờ và hệ thống điều khiển mờneuron.
Chương IV: Cấu trúc phân cấp điều khiển mờ trong mạng ATM và những ứng dụng lý
thuyết tập mờ và neuron trong mạng ATM.
Chương V: Xây dựng Hệ thống điều khiển tránh tắc nghẽn dùng bộ điều khiển mờ
FERC(Fuzzy Explicit Rate Controller) và bộ điều khiển mờ-Neuron thích nghi
ANFERC (Adaptive Fuzzy Explicit Rate Controller) dựa trên tốc độ hồi tiếp tường
minh trong mạng ATM.
Chương VI: Mô phỏng Hệ thống điều khiển tránh tắc nghẽn dùng bộ điều khiển mờ
FERC(Fuzzy Explicit Rate Controller) và bộ điều khiển mờ-Neuron thích nghi
ANFERC (Adaptive Fuzzy Explicit Rate Controller) dựa trên tốc độ hồi tiếp tường
minh trong mạng ATM dùng phần mềm Matlab 6.0 dựa trên thuật giải mờ và những

định nghóa trong chương 5 và chương 6.
Chương VII : Đánh giá ưu nhược điểm, tính khả thi của phương pháp Điều khiển tránh
tắc nghẽn dùng logic mờ và fuzzy logic-neuron dựa trên tốc độ hồi tiếp tường minh
Kết luận và những hướng giải quyết và phát triển trong tương lai.

GIỚI THIỆU

4

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


MỤC LỤC
DẪN NHẬP
A.1 Mạng đa dịch vụ và mode truyền dẫn bất đồng bộ ATM .......................................1
A.2 Lý do dùng điều khiển mờ trong mạng ATM..........................................................1
A.3 Mục đích của đề tài này và những nghiên cứu tương ứng...................................... 3
A.4 Cấu trúc đề tài ........................................................................................................ 3

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ATM VÀ ABR
1.1. Mục tiêu .................................................................................................................5
1.2. Hoạt động của ATM................................................................................................5
1.3. Các kết nối trên một mạng ATM ............................................................................7
1.4. Mô hình giao thức ATM ..........................................................................................7
1.4.1. Lớp vật lý................................................................................................. 8
1.4.2. Lớp ATM ................................................................................................. 8
1.4.3. Lớp thích ứng ATM (AAL).......................................................................9
1.5 Giới thiệu về ABR .................................................................................................13
1.5.1. Dịch vụ tốc độ bit sẵn có (ABR) ............................................................13

1.6 Các thông số ABR..................................................................................................16
1.6.1. Cell RM hợp lệ (in-rate) và cell RM phạm quy (out-rate) .....................17
1.6.2. Các cell RM đi (forward) và về (backward)...........................................18
1.6.3. Cấu trúc cell RM.....................................................................................18
1.7. ..........................................................................................................................
Các quy luật cho hệ thống nguồn .......................................................................... 20
1.8. ..........................................................................................................................
Các quy luật cho hệ thống đích ..............................................................................24
1.9. Hoạt động của chuyển mạch.................................................................................24
1.10. Quản lý lưu thông và điều khiển tắc nghẽn ............................................................
1.10.1. Quản lý lưu thông cho dịch vụ ABR .....................................................27
1.10.1.1.Những vấn đề đặt ra ........................................................................... 27

i


CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT TẬP MỜ, HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ MỜNEURON
2.1 Giới thiệu................................................................................................................30
2.2 Giới thiệu Logic Mờ ..............................................................................................30
2.3 Bộ điều khiển mờ...................................................................................................31
2.3.1 Lý thuyết điều khiển .....................................................................................31
2.3.1.1 Hệ thống điều khiển tự động ................................................................31
2.3.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển .............................................................31
2.3.2 .Cơ Sở Lý Thuyết Bộ Điều Khiển Mờ .......................................................... 33
2.3.2.1 Mô Hình Toán .......................................................................................33
2.3.2.2 Nhận dạng hệ thống..............................................................................35
2.3.2.3 Thiết kế hệ điều khiển .........................................................................35
2.3.2.3 Bề mặt điều khiển (hay bề mặt quyết định)........................................ 36
2.3.3 Cấu Trúc Bộ Điều Khiển Mờ (Fuzzy Logic Controller) .............................. 37

2.3.3.1 Khâu tiền xử lý (Preprocessing) ...........................................................37
2.3.3.2 Khâu mờ hóa (Fuzzyfication) .............................................................. 37
2.3.3.3 Tập luật mờ (Rule Base) ......................................................................37
2.3.3.3 Máy suy luận - Inference Engine ........................................................ 39
2.3.3.5 Khâu giải mờ (Defuzzyfication) .......................................................... 39
2.3.3.6 Khâu xử lý sau – Postprocessing .........................................................39
2.3.3 Bộ điều khiển dựa trên bảng - table based controller ............................40
2.3.5 Ứng dụng thiết kế bộ điều khiển mờ ......................................................40
2.3.5.1 Các bước thiết kế hệ điều khiển ....................................................40
2.3.5.2 Các giả thiết trong thiết kế hệ điều khiển mờ ...............................41
2.3.5.3 Các bộ điều khiển logic mờ tổng quát ...........................................42
2.3.5.4 Các bộ điều khiển logic mờ đơn giản ............................................43
2.3.6 Kết luận ..................................................................................................44
2.4. Mạng neuron ........................................................................................................44
2.4.1. Giới thiệu mạng neuron................................................................................44
2.4.2 Trình tự thiết kế mạng neuron ứng dụng......................................................45
2.4.2.1 Xác định bài toán .................................................................................. 46
2.4.2.2 Xác định các biến vào ra ...................................................................... 46
2.4.2.4 Tiềm xử lý dữ liệu ................................................................................46

ii


2.4.2.5 Lựa chọn mô hình Neuron ...................................................................47
2.4.2.6 Huấn luyện mạng ................................................................................47
2.4.2.7 Thử nghiệm mạng ................................................................................47
2.4.2.8 Tinh chỉnh mạng ..................................................................................47

CHƯƠNG 3
CẤU TRÚC PHÂN CẤP ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG MẠNG ATM VÀ

NHỮNG ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TẬP MỜ, NEURON
TRONG MẠNG ATM
3.1 Giới thiệu...............................................................................................................47
3.2 Những phương pháp quản lý lưu lượng và điều khiển kết nối trong mạng ATM .47
3.2.1 Điều khiển mức mạng ...................................................................................48
3.2.1.1 Quản lý lỗi ............................................................................................48
3.2.1.2 Sự định tuyến và xác định dung lượng đường truyền ...........................49
3.2.2 Điều Khiển Mức Cuộc Gọi............................................................................49
3.2.3 Điều khiển Mức Cell .....................................................................................50
3.2.3.1 Thuật toán Điều khiển Thông số đang dùng(Usage Parameters Control)50
3.2.3.2 Thuật toán Điều khiển tốc độ và tránh tắc nghẽn ................................ 50
3.2.3.3 Ghép kênh và chuyển mạch cell ..........................................................52
3.3.Câùu trúc điều khiển phân cấp mờ dành cho mạng ATM ......................................52
3.3.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp và Điều khiển mờ.......................................52
3.3.2 Điều khiển phân cấp trong mạng Viễn thông.............................................53
3.3.3 Cấu trúc điều khiển phân cấp mờ trong mạng ATM .................................. 54
3.3.4 Kết luận và hướng phát triển ..........................................................................
3.4 Các ứng dụng của logic mờ trong viễn thông-mạng ATM:(xem tài liệu tham
khảo [34],[35],[36],[37],[38]) ...........................................................................57
3.5 Ứng dụng của logic mờ trong việc quản lý mạng ATM ....................................60
3.5.1. Điều khiển lớp mạng - Quản lý lỗi ................................................................60
3.5.2. Điều khiển lớp mạng - Tìm đường và sự phân chia dung lượng kết nối ........60
3.5.3. Điều khiển mức cuộc gọi - Chấp nhận kết nối ...............................................61
3.5.4. Điều khiển cấp cell : Điều khiển thông số sử dụng .......................................62

iii


3.5.5 Điều Khiển Mức cell- Điều khiển tốc độ và lưu lượng....................................63
3.5.6 Điều khiển mức cell-ghép kênh và chuyển mạch cell.......... PHẠM HỒNG LIÊN

Hình 6.27 Ba nguồn vô hạn
6.3.3.3.2. Ba nguồn nghẽn:
Tốc độ đỉnh của nguồn1: 50Mbps.
Tốc độ khởi tạo của nguồn1: 0Mbps.
Thời gian tồn tại: 400ms
Tốc độ đỉnh của nguồn2: 40Mbps.
Tốc độ khởi tạo của nguồn2: 0Mbps.
Thời gian tồn tại: 400ms
Tốc độ đỉnh của nguồn3: 150Mbps.
Tốc độ khởi tạo của nguồn3: 0Mbps.
Thời gian tồn tại: 400ms
Kết quả:
Tỷ lệ mất cell: 3.504e-006
CHƯƠNG 6

151

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

6.3.3.3.3. Ba nguồn on-off:

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

Hình 6-28 Ba nguồn nghẽn

Tốc độ đỉnh của nguồn1: 150Mbps.

Tốc độ khởi tạo của nguồn1: 0Mbps.
Thời gian tồn tại: 300ms
Tốc độ đỉnh của nguồn2: 150Mbps.
Tốc độ khởi tạo của nguồn2: 0Mbps.
Thời gian tồn tại: 200ms
CHƯƠNG 6

152

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

Tốc độ đỉnh của nguồn3: 150Mbps.
Tốc độ khởi tạo của nguồn3: 0Mbps.
Thời gian tồn tại: 400ms
Kết quả:
Tỷ lệ mất cell: 3.342e-006

Hình 6.29 Ba nguồn on-off

CHƯƠNG 6

153

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH

ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

6.4

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

Nhận xét, đánh giá và kết luận:

Từ kết quả mô phỏng trên cho ta thấy triển vọng khi ứng dụng lý thuyết tập mờ và
neuron trong việc điều khiển lưu lượng trong mạng viễn thông đặc biệt là mạng ATM.
So với việc thực hiện điều khiển tắc nghẽn tốc độ hồi tiếp tường minh không sử dụng
hệ mờ thì việc sử dụng hệ mờ có kết quả tốt hơn nhiều, kết quả độ sử dụng tuyến tốt
dần từ hệ mờ Mamdani đến Sugeno và tốt nhất là ANFIS. Từ đó, ta có thể thấy rằng
việc ứng dụng sử dụng hệ mờ ANFIS để giải quyết bài toán phức tạp có thể đạt được
hiệu quả rất cao, nếu ta sử dụng tập trainning chi tiết hơn thì có thể đạt được một kết
quả tốt hơn nữa.
Như vậy, việc sử dụng fuzzy và neuro-fuzzy cho các bài toán điều khiển và tránh tắc
nghẽn băng rộng đầy hứa hẹn và có lẽ là cách giải tối ưu trong các bài toán quá phức
tạp của ATM.Việc sử dụng tập mờ ANFIS sẽ có một kết quả tốt nếu ta kết hợp với
những dữ liệu thực tế để có được một tập trainning chi tiết và hoàn chỉnh hơn.
Tuy nhiên ta nhận thấy các kết quả trên thu được khi dùng cấu trúc mạng tương đối
đơn giản. Chương trình thực hiện chỉ là mô phỏng trên Matlab nên một số dữ kiện về
mạng ATM chưa được đầy đủ. Nếu ta muốn nghiên cứu và phát triển thuật giải mờ
này cần phải thêm thời gian và nên được kiểm tra thêm trên những phần mềm mô
phỏng mạng ATM chuyên biệt như OPNET hay những phần mềm miễn phí mô phỏng
về mạng ATM như Netsim 4.0, Sim 4.0. Coi tài liệu tham khảo [32] và [33].

CHƯƠNG 6

154

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

CHƯƠNG 7
ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯC ĐIỂM , TÍNH KHẢ THI VÀ HƯỚNG
PHÁT TRIỂN
7.1 Ưu điểm
So với các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng ATM thông thường( không
dùng bộ điều khiển mờ) thì ta nhận thấy phương pháp điều khiển tránh tắc nghẽn
dùng logic mờ có các ưu điểm sau:
Có thể dự đoán được tình trạng của mạng và từ đó thực hiện việc điều khiển mạng
tránh tắc nghẽn hiệu quả hơn.
Đạt được hiệu suất sử dụng đường truyền và độ chia xẻ công bằng tốt, đây là hai đặc
tính quan trọng đặc biệt trong mạng viễn thông toàn cầu việc tiết kiệm và chia xẻ
băng thông hiệu quả tức là tiết kiệm được nhiều chi phí.
Thời gian đáp ứng của hệ thống nhanh giúp cho ta có thể ứng dụng cho thuật giải
nguồn ảo/đích ảo.
Nó cung cấp phương pháp thực hiện hệ thống điều khiển phi tuyến mà mỗi quan hệ
vào ra có thể diễn tả bằng những luật ngôn ngữ rất dễ hiểu và dễ thay đổi khi nâng
cấp.
Bộ điều khiển mờ giúp phát triển thuật giải một cách thông minh hơn với giá tương
đối hợp lý. Đặc tính này giúp cho bộ điều khiển mờ rất dễ phát triển và ứng dụng cho
nhiều lónh vực khác nhau, đặc biệt trong những sản phẩm thương mại.
7.2 Nhược điểm

Thiếu bộ so sánh chất lượng tổng hợp giữa kỹ thuật truyền thống và kỹ thuật ứng
dụng điều khiển mờ. Việc so sánh thực hiện trong nghiên cứu thường được thực hiện
dưới cấu hình mạng đơn giản và việc kiểm tra trên thiết bị thực chưa được thực hiện
ngoại trừ vài ứng dụng riêng lẻ như mục . Trước khi những ứng dụng kỹ thuật mờ
dành cho những mạng truyền thông tốc độ cao được chấp nhận, điều thiết thực là
chứng minh tính ưu việt của nó.
Do đặc tính của mạng ATM được sử dụng trên đường trục( băng thông cao) và ta
muốn đạt được hiệu suất sử dụng đường truyền cao nên trong thuật giải tránh tắc
nghẽn dùng bộ điều khiển mờ này yêu cầu chuyển mạch nguồn phải dùng bộ đệm
lớn, giá thành cao.
Do sự phức tạp của mạng ATM, hệ thống điều khiển tránh tắc nghẽn mờ này chỉ ở
dạng điều khiển mức cell. Ta cần phải nghiên cứu rất nhiều để tổng hợp hệ thống
điều khiển mờ cho tất cả các mức điều khiển trong mạng ATM: mức cell, mức cuộc
CHƯƠNG 7

154

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

gọi và mức mạng. Từ đó ta mới có thể hy vọng ứng logic mờ và neuron trong việc
quản lý và điều khiển lưu lượng trong mạng ATM.
Sự hữu dụng của bộ điều khiển mờ nhanh chóng bị quên lãng do thiếu độ đảm bảo ổn
định.
Nếu số biến ngõ vào tăng làm cho việc thiết kế bộ điều khiển khó, bởi vì luật cơ sở
tăng rất nhanh và rất khó xác định hàm liên thuộc của những biến ngôn ngữ này.

7.3 Tính khả thi của đề tài
Từ việc phân tích các ưu và nhược điểm của phương pháp điều khiển tránh tắc nghẽn
dùng thuật toán thông minh. Tác giả đề tài này cho rằng khả năng triển khai phương
pháp này là rất khả thi và có hiệu quả. Các thực tế dưới đây cho phép việc ứng dụng
phương pháp này là có thể:
Công nghệ vi mạch tích hợp ngày nay cho phép chúng ta có thể tạo ra được các chip
xử lý mờ có tốc độ nhanh và các chip này đã được áp dụng trong các máy giặt thế hệ
mới đã có trên thị trường Việt nam như Toshiba, Sanyo..
Công nghệ lưu trữ đạt được những thành quả đáng kể từ đó cho phép tại những
chuyển mạch có bộ đệm lớn nhưng giá thành rẻ.
Thế giới đang có định hướng dùng mạng ATM là mạng cơ sở cho IP. Công nghệ
MPLS được xem như là chuẩn thực hiện cho mạng thế hệ tương lai là sự kết hợp giữa
ATM và IP . Đây là cơ sở cho ta nghiên cứu thuật toán thông minh cho mạng
MPLS.Ẹe
Nghiên cứu đưa ra trong đề tài này mục đích chứng minh rằng logic mờ là công cụ
hữu ích cho việc phát triển điều khiển dòng lưu lượng và tránh tắc nghẽn trong mạng
đa dịch vụ dưạ trên ATM để giữ được những yêu cầu vầ chất lượng dịch vụ và độ sử
dụng tài nguyên lớn nhất.
Chúng ta hy vọng giải pháp logic mờ này sẽ hoạt động với mô hình lưu lượng cho
những thông số phi tuyến và tính bất định (hay thay đổi) của hệ thống mà vẫn cung
cấp được độ sử dụng mạng cao trong khi cho phép việc sử dụng tài nguyên công bằng
giữa các nguồn. Chúng ta sẽ mong muốn giải pháp logic mờ sẽ được ứng dụng cho
lưu lượng có độ ưu tiên cao như VBR (tốc độ bit tthay đổi dùng cho ứng dụng Video)
và CBR (tốc độ bit không đổi) trong mạng WAN và mạng LAN. Những kết quả mô
phỏng trong chương sau sẽ cho ta thấy việc dùng bộ điều khiển mờ có thể đạt được.

CHƯƠNG 7

155

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

mạng đa dịch vụ dưạ trên ATM để giữ được những yêu cầu vầ chất lượng dịch
vụ và độ sử dụng tài nguyên lớn nhất.
Đề tài này đầu tiên đưa ra cấu trúc điều khiển đa mức, phân cấp của mạng để cho ta
thấy ứng dụng mạnh mẽ của Logic mờ trong những mức điều khiển khác.
Sau đó chúng ta đưa ra cấu trúc điều khiển tại mức điều khiển tránh tắc nghẽn dựa
trên việc thực hiện và phát triển mở rộng theo cấu trúc trên.
Người ta chấp nhận rằng vấn đề điều khiển tắc nghẽn mạng vẫn giữ vai trò chủ chốt
và ưu tiên hàng đầu đặc biệt khi tốc độ, nhu cầu và độ lớn của mạng gia tăng, và độ
hội tụ của những loại dữ liệu khác nhau. Mặc dù đã cố gắng nghiên cứu qua nhiều
năm và có rất nhiều phương pháp khác nhau được đề nghị mà chưa có một giải pháp
điều khiển nào được chấp nhận rộng rãi để giải quyết vấn đề tắc nghẽn. Nhưng chúng
ta cũng nhận thấy rằng những giải pháp hiện nay trên mạng hiện hữu trở nên không
hiệu quả và những giải pháp này không dễ dàng nâng cấp.
Chúng ta sẽ mong muốn giải pháp logic mờ sẽ được ứng dụng cho
• Lưu lượng có độ ưu tiên cao như VBR (tốc độ bit tthay đổi dùng cho ứng dụng
Video) và CBR (tốc độ bit không đổi) trong mạng WAN và mạng LAN. Những
kết quả mô phỏng trong chương sau sẽ cho ta thấy việc dùng bộ điều khiển mờ
có thể đạt được.
• Ứng dụng cho việc điều khiển trong công nghệ MPLS.
• Ứng dụng cho việc điều khiển và quản lý toàn mạng ATM.

CHƯƠNG 7

156

SVTH : NGUYỄN HOAØNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

Phụ Lục A : Mô Phỏng 1 Nguồn
1.1/ Hình Vẽ:

1.2/ Mô Phỏng Bình Thường:

PHU LUC

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

1.3/ Mô Phỏng 1 Nguồn ERICA+:

PHU LUC

SVTH : NGUYỄN HOAØNG MINH

ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

2.1 Hình Vẽ:

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

PHỤ LỤC B: HAI NGUỒN

2.2/ Hai Nguồn Bình Thường:

PHU LUC

1

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH


ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM

GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN

2.3/ Hai Nguồn Xung:

PHU LUC

2

SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH