Luận án nâng cao hiệu năng thông lượng và công bằng trong mạng không dây Ad-hoc chuẩn IEEE 802.11 EDCA - Đại học Bách Khoa

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Ngày nay, công nghệ truyền dẫn không dây (Wireless Technology) đang phát triển rất nhanh chóng và được sử dụng như hạ tầng cơ sở phục vụ cho việc kết nối các thiết bị, thậm chí cả con người với nhau và với mạng Internet. Các công nghệ kết nối không dây tốc độ cao như WiFi, 4G, 5G. cho phép các thiết bị có thể được kết nối dễ dàng, hiệu quả và kinh tế. Trong đó loại hình mạng không dây di động adhoc được đánh giá cao bởi tính tiện dụng và có miền ứng dụng rộng lớn.

Các ứng dụng điển hình của mạng adhoc trải rộng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống từ quân sự đến dân sự với nhiều biến thể khác nhau. Tiêu biểu như trong lĩnh vực quân sự với mạng FANET [1] cho phép thu thập thông tin tình báo, xây dựng bản đồ tác chiến. Trong lĩnh vực dân sự với mạng VANET [2, 3] cho phép triển khai các dịch vụ cho giao thông thông minh, với mạng BAN [4] được ứng dụng trong lĩnh vực y tế cho phép triển khai các dịch vụ theo dõi chăm sóc sức khỏe cộng đồng. Mạng adhoc với các đặc tính như tự trị, không cần có hạ tầng, định tuyến đa chặng, năng lượng hoạt động hạn chế, rủi ro về an ninh, tô-pô mạng thường xuyên thay đổi.

Những đặc tính này tạo ra nhiều thách thức trên tất cả các tầng của mạng. Ví dụ, tầng vật lý phải xử lý tín hiệu với sự thay đổi nhanh của các đặc tính liên kết. Tầng MAC phải đảm bảo khả năng truy nhập kênh công bằng, giảm thiểu xung đột gói tin, tầng mạng đòi hỏi các nút phối hợp để tính toán đường đi tối ưu trong điều kiện phải thỏa mãn nhiều ràng buộc phức tạp. Bên cạnh đó, do đặc tính di động trong mạng không dây adhoc, các nút tham gia mạng có những đặc điểm khác nhau trong việc truy nhập kênh truyền cũng như sự khác nhau về số luồng, số chặng.

Điều này, kéo theo hiệu năng của mạng 2 adhoc bị suy giảm nhanh thể hiện qua các thông số như tỉ lệ lỗi, tỷ lệ mất gói cao, thông lượng giảm và tính công bằng dễ bị phá vỡ. Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu về mạng adhoc ở trong [5, 6, 7] và ngoài nước [8, 9, 10, 11] được giới nghiên cứu quan tâm, bởi nó mang lại giá trị thực tiễn và giá trị khoa học, giúp mở ra nhiều cơ hội ứng dụng và nâng cao tiềm lực công nghệ cho mỗi quốc gia. Nhiều bài toán quan trọng vẫn đang được các nhà khoa học giải quyết như điều khiển truy nhập, vấn đề tìm đường đi, truyền thông tin cậy, đảm bảo chất lượng dịch vụ [12, 13],.Trong đó, một phân lớp đang được cộng đồng nghiên cứu quan tâm là đi sâu giải quyết những bài toán then chốt tại tầng điều khiển truy nhập MAC trên chuẩn IEEE 802.11 nhằm cải thiện hiệu năng và nâng cao chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng trong mạng không dây adhoc. Bài toán trong phân lớp này, bao hàm nhiều vấn đề cần giải quyết với các ràng buộc kỹ thuật phức tạp.

Đó là vấn đề tranh chấp tài nguyên và va chạm truyền phát giữa các nút mạng và giữa các luồng dữ liệu trong mạng. Các liên kết không dây lỗi bít cao khiến các gói tin phải truyền lại nhiều lần, làm hạ thấp băng thông hiệu dụng. Các yếu tố bên ngoài như nhiễu kênh vô tuyến, giao thoa, fading. ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu truyền.

Trong mạng adhoc đa chặng, một trạm phải truyền đi cả luồng trực tiếp được sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng chuyển tiếp được sinh ra bởi các luồng hàng xóm, do đó phải chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm khác. Hiệu ứng của sự tranh chấp này làm ảnh hưởng đến hiệu năng mạng. Trước sự gia tăng mạnh mẽ của các ứng dụng trên nền tảng mạng không dây, nhu cầu nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu năng cho mạng adhoc trở thành vấn đề cấp thiết. Nắm bắt xu thế đó, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây adhoc của chuẩn IEEE 802.

Để đảm bảo tính khả thi trong việc nghiên cứu với điều kiện giới hạn về thời gian, hạ tầng trang thiết bị hiện có, nghiên cứu sinh tập trung vào hướng nghiên cứu nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng tại tầng điều khiển truy 3 nhập MAC theo phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA trên chuẩn IEEE 802. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Trên cơ sở phân tích về tính cấp thiết của đề tài, nghiên cứu sinh xác định mục tiêu nghiên cứu của luận án là tập trung giải quyết bài toán nâng cao hai chỉ số đo lường hiệu năng mạng là thông lượng và độ công bằng. Mục tiêu này được cụ thể hóa bằng các nội dung dưới đây: (1) Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong EDCA. Trong đó, việc cải thiện chất lượng luồng dữ liệu được thể hiện trong đề xuất này cần đảm bảo cho các luồng ưu tiên thấp không bị các luồng ưu tiên cao sử dụng hết băng thông hiện có đồng thời vẫn giữ được chỉ số công bằng của các luồng dữ liệu ở mức trên trung bình theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA đạt được.

(2) Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy Logic để điều khiển thông minh một số tham số trong IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu. Trong đó, tính công bằng thể hiện thông qua việc các luồng ưu tiên thấp được dành mức băng thông theo tỷ lệ thích hợp với các luồng ưu tiên cao. Với việc phân chia tài nguyên hiện có theo phương pháp điều khiển thông minh các tham số trong IEEE 802.11 EDCA sẽ góp phần duy trì tính ổn định và nâng cao chất lượng truyền tải dữ liệu trong các ứng dụng trên nền tảng của mạng không dây adhoc. Đối tượng nghiên cứu của đề tài Luận án tập trung vào các đối tượng sau đây của mạng adhoc: (1) Tầng điều khiển truy nhập môi trường truyền MAC (Medium Access Control).

(2) Phương thức điều khiển truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802. Phạm vi nghiên cứu của đề tài 4 Nghiên cứu các tham số trong cơ chế truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao hiệu năng cho các luồng dữ liệu theo các chỉ số đo lường cơ bản gồm thông lượng và chỉ số công bằng. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu như đã đề ra, luận án xác định các nội dung nghiên cứu cụ thể sau: (1) Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số TXOP trong IEEE 802.11 EDCA tới hiệu năng mạng adhoc. (2) Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số CW trong IEEE 802.11 EDCA tới hiệu năng mạng adhoc.

(3) Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong IEEE 802. (4) Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh một số tham số trong IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sinh thực hiện phương pháp nghiên cứu theo quy trình sau: (1) Nêu lên vấn đề đang tồn tại của đối tượng nghiên cứu (2) Phân tích, khảo sát các yếu tố có ảnh hướng đến đối tượng nghiên cứu để xác định ưu nhược điểm của từng yếu tố. (3) Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước về các đối tượng nêu trên để đưa ra phương pháp mới.

(4) Xây dựng thuật toán, mô hình mới để giải quyết vấn đề đã được nhận diện. (5) Kiểm tra tính đúng đắn bằng các kỹ thuật tin cậy. Kỹ thuật và công cụ sử dụng (1) Công cụ mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng NS2 [14] để kiểm chứng tính hiệu quả trong các đề xuất thông qua những kịch bản mô phỏng điển hình, mang tính đại diện trên mạng adhoc. (2) Kỹ thuật phân tích, nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp tổng hợp, so sánh, phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước để nhận dạng những vấn đề chưa giải quyết, những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu theo định hướng của đề tài.

Từ đó, lựa chọn thích hợp các nội dung, vấn đề sẽ nghiên cứu. Trên cơ sở đó, thực hiện cải tiến hoặc đề xuất phương pháp mới nhằm giải quyết bài toán. Ý nghĩa nghiên cứu của đề tài (1) Giá trị thực tiễn: Ngày nay, công nghệ truyền dẫn không dây đang phát triển rất nhanh chóng và được sử dụng như hạ tầng cơ sở phục vụ cho việc kết nối các thiết bị IoT [15]. Các công nghệ kết nối không dây tốc độ cao như WiFi, 3G, 4G.

cho phép các thiết bị kết nối dễ dàng, hiệu quả và kinh tế. Nhiều ứng dụng trên nền tảng mạng không dây, đặc biệt là trong mạng adhoc như giao thông thông minh, y tế thông minh, nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh được dự báo sẽ trở nên phổ biến và có ảnh hưởng lớn tới đời sống xã hội trong nhiều thập kỷ tới. Giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng cho mạng không dây adhoc là vấn đề có tính thời sự, mang lại nhiều ý nghĩa trong việc triển khai các ứng dụng đòi hỏi khắt khe về thông lượng, độ tin cậy và tính sẵn sàng cao. (2) Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án góp phần hỗ trợ trong việc đào tạo cán bộ trình độ cao, đẩy mạnh ứng dụng kết quả nghiên cứu cơ bản, đóng góp thiết thực cho việc phát triển kinh tế - xã hội của đất nước; góp phần nâng cao tiềm lực nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực công nghệ cao, thúc đẩy đổi mới công nghệ trong các lĩnh vực của cuộc cách mạng công nghệ 4.

Đóng góp vào tính mới của đề tài luận án Đóng góp vào hướng nghiên cứu, luận án đề xuất hai nội dung cơ bản có tính 6 mới như sau: (1) Luận án đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802. (2) Luận án đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh một số tham số trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu.