Luận án nghiên cứu đảm bảo chất lượng dịch vụ đa phương tiện trên mạng không dây Ad Hoc - Trường [Tên Trường]

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-to- many) 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]. 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.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. 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. 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. Nghiên cứu, đề xuất phương pháp đánh giá chất lượng dịch vụ mạng không dây sử dụng hệ thống đánh giá thực nghiệm (testbed).

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. 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.

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.