MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, lĩnh vực truyền thông không dây đã chứng kiến sự ra đời của hàng loạt các giải pháp công nghệ mới nhằm đáp ứng các yêu cầu, tiện ích mới của ngƣời sử dụng. Trong đó, mạng hình lƣới không dây WMN (Wireless Mesh Network) đƣợc cấu thành bởi các bộ định tuyến bố trí tĩnh cùng với các thiết bị đầu cuối di động kết nối không dây với nhau theo hình lƣới, đƣợc coi là một giải pháp then chốt của mạng không dây thế hệ mới nhằm mục tiêu cung cấp truy nhập Internet không dây băng rộng với vùng phủ lớn. Truyền dẫn trong WMN đƣợc thực hiện dựa trên các chuẩn công nghệ phổ biến hiện nay nhƣ IEEE 802.16… Với cấu trúc hình lƣới, WMN khắc phục sự hạn chế của hiện tƣợng che khuất tầm nhìn thẳng trong các kết nối không dây truyền thống, tăng dung lƣợng bằng các truyền dẫn tốc độ cao trong khoảng cách ngắn, tăng độ tin cậy truyền thông cũng nhƣ giảm thiểu độ phức tạp trong triển khai hạ tầng mạng truy nhập. Bên cạnh các ƣu điểm về cấu hình và ứng dụng, chính cơ chế truyền thông đa bƣớc không dây và các yêu cầu cung cấp chất lƣợng dịch vụ QoS (Quality of Service) đã cho thấy một số thách thức mà WMN cần phải vƣợt qua về mặt hiệu năng mạng.
Cụ thể, đặc tính truyền thông đa bƣớc không dây, sự biến động chất lƣợng kênh truyền, cơ chế điều khiển phân tán và tác động nhiễu giữa các liên kết hình lƣới là nguyên nhân gây suy giảm các thông số hiệu năng mạng nhƣ thông lƣợng, thời gian trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Trong đó, ảnh hƣởng của hiện tƣợng tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lƣợng liên kết là một trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu năng [7]. Vì vậy, việc phản ánh chính xác các yếu tố trên vào quyết định chọn đƣờng cho gói tin là một hƣớng tiếp cận thực tiễn, mang lại khả năng cải thiện các thông số hiệu năng mạng. Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, các nghiên cứu gần đây sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) để giảm thiểu sự sai khác biến thời gian 2 của các giao thức hoạt động trên các lớp khác nhau, đồng nghĩa với mục tiêu tối ƣu hoạt động của mạng.
Bài toán tối ƣu xuyên lớp đƣợc giải quyết bằng các công cụ toán học phổ biến nhƣ lý thuyết đồ thị, quy hoạch toán học và mô hình giải tích. Trong các phân tích hiệu năng lớp điều khiển truy nhập MAC (Medium Access Control), mô hình giải tích cho thấy tính khả thi cao và là tiếp cận thông dụng do khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính toán thấp [16], [73], [106]. Từ đó, chất lƣợng liên kết có thể đƣợc đánh giá chính xác hơn khi có sự bổ sung các điều kiện thực tiễn nhƣ lƣu lƣợng không bão hòa và kênh không lý tƣởng vào giả thiết đầu vào của mô hình giải tích. Bên cạnh đó, khả năng phản ánh chính xác thuộc tính chất lƣợng liên kết của tham số định tuyến đóng vai trò then chốt để giao thức định tuyến QoS có quyết định chọn đƣờng dẫn tối ƣu phù hợp với trạng thái hiện thời của mạng, mang lại sự cải thiện hiệu năng mạng.
Vì vậy, theo hƣớng tiếp cận xuyên lớp giữa lớp định tuyến và lớp MAC, luận án này phát triển một mô hình giải tích mới phản ánh chất lƣợng liên kết và sử dụng nhƣ một thành phần dự báo chất lƣợng liên kết kết hợp với thành phần đo chủ động sẵn có của giao thức định tuyến tối ƣu trạng thái OLSR (Optimized Link State Routing) để đề xuất một tham số định tuyến mới, cải thiện đƣợc các thông số hiệu năng WMN. Các kết quả nghiên cứu đƣợc đánh giá và minh chứng qua phân tích số và mô phỏng. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu tìm kiếm một giải pháp khả thi cải thiện hiệu năng WMN thông qua kỹ thuật định tuyến QoS, luận án này đề xuất một tham số định tuyến mới và đƣợc tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR nhằm cải thiện các thông số hiệu năng chính của mạng cụ thể nhƣ: thông lƣợng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Các phân tích số và mô phỏng kiểm chứng đƣợc thực hiện trong kịch bản mạng hình lƣới không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.11b, đơn kênh, các nút mạng phân bố đều và các thông số lớp Vật lý tiêu chuẩn.
Các giả thiết trên đƣợc lựa chọn nhằm thể hiện tính tổng quát và phản ánh tƣờng minh tác động của nhiễu liên luồng tới quyết định định tuyến. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra giao thức định tuyến 3 OLSR với tham số định tuyến đề xuất đạt đƣợc mức cải thiện đáng kể khi so sánh với giao thức định tuyến OLSR nguyên gốc. Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt đƣợc mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu đã nêu ở trên, nhiệm vụ nghiên cứu đƣợc nghiên cứu sinh tập trung vào các vấn đề sau: 1. Nghiên cứu tổng quát về ảnh hƣởng của các đặc tính chủ yếu trong mạng hình lƣới không dây tới hiệu năng mạng, cơ sở học thuật của bài toán định tuyến QoS, các giải pháp cải thiện hiệu năng đƣợc đề xuất trong các nghiên cứu trƣớc dƣới góc độ sử dụng công cụ toán học.
Từ đó sáng tỏ cách thức tiếp cận, giải quyết vấn đề nhìn từ khía cạnh phƣơng pháp luận và xác định công cụ toán học sử dụng. Nghiên cứu các mô hình giải tích biểu diễn cơ chế hoạt động của các giao thức đa truy nhập trong mạng có lƣu lƣợng bão hòa để tìm kiếm, phát hiện giới hạn trên của thông lƣợng liên kết. Từ đó đề xuất các điều kiện ràng buộc bổ sung đối với mô hình nhằm vào mục tiêu tăng tính chính xác về khả năng phản ánh hiệu năng liên kết của mô hình giải tích. Nghiên cứu các mô hình toán học biểu diễn hàm điều khiển phân tán IEEE 802.
Từ đó xây dựng mô hình giải tích mới nhằm phản ánh chính xác chất lƣợng liên kết trong điều kiện thực tế. Nghiên cứu, khảo sát các giao thức định tuyến và các tham số định tuyến QoS trong WMN của một số tác giả trƣớc. Từ đó, đề xuất một tham số định tuyến QoS mới chứa thành phần phản ánh nhiễu và tích hợp với giao thức định tuyến OLSR để cải thiện hiệu năng mạng hình lƣới không dây trên cơ sở của tiêu chuẩn IEEE 802. 4 Phƣơng pháp nghiên cứu Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh dựa trên các công cụ toán học nhƣ lý thuyết xác suất, chuỗi Markov, các phƣơng pháp tính để xác minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết.
Công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc đƣợc sử dụng trong luận án nhằm để kiểm chứng tính hợp lý của đề xuất. Cấu trúc luận án Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới đƣợc trình bày trong các chƣơng, mục theo cấu trúc sau: Chƣơng 1 với tiêu đề “Khái quát các vấn đề liên quan tới hiệu năng mạng hình lƣới không dây” trình bày các đặc tính kỹ thuật của mạng hình lƣới không dây, các khái niệm cơ bản về QoS, bài toán cung cấp QoS và tính đặc thù của kỹ thuật định tuyến QoS trong WMN. Trong đó, đáng chú ý là nội dung khảo sát về các giải pháp cải thiện hiệu năng WMN dƣới góc độ toán học để làm sáng tỏ phạm vi nghiên cứu và cách tiếp cận của luận án. Một phần nội dung của chƣơng liên quan tới vấn đề khảo sát tham số định tuyến QoS trong WMN là nội dung trong bài báo khoa học có tiêu đề “Khảo sát hiệu năng các tham số định tuyến trong mạng hình lưới không dây WMN”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Các trƣờng đại học kỹ thuật, số 76, năm 2010; và bài báo khoa học có tiêu đề “Nghiên cứu tham số định tuyến mới phản ánh nhiễu trong mạng hình lưới không dây IEEE 802.11”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 13, 2011.
Chƣơng 2 với tiêu đề “Bài toán mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phƣơng tiện trong điều kiện bão hòa” trình bày nghiên cứu khảo sát về các giải pháp mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phƣơng tiện của các tác giả trƣớc với giả thiết luôn có gói tin cần chuyển trong hàng đợi. Những vấn đề trình bày trong mục 2.4 của chƣơng này là kết quả nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan đến việc hoàn thiện kết quả đề xuất của các tác giả trƣớc. Một phần nội dung của chƣơng 2 đã đƣợc trình bày trong bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel 5 Computation for Supplementing Interference Analytical Model in 802.11-based Wireless Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50, số 2, năm 2012. Chƣơng 3 với tiêu đề “Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lƣợng liên kết” trình bày các nội dung nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan tới việc đề xuất, xây dựng một mô hình giải tích mới biểu diễn cơ chế hoạt động của IEEE 802.
Nội dung chính của chƣơng 3 là các vấn đề đã đƣợc đăng tải trong bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel Analytical Model to Identify Link Quality in 802.11 Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50, số 2, năm 2012. Chƣơng 4 với tiêu đề “Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng mạng hình lƣới không dây” tập trung vào các vấn đề xung quanh việc đề xuất một tham số định tuyến phản ánh nhiễu mới. Các đặc tính của giao thức, tham số định tuyến của các giả trƣớc đƣợc tổng hợp và phân tích nhằm sáng tỏ hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp luận xây dựng thành phần tham số định tuyến mới của nghiên cứu sinh. Tính đúng đắn của đề xuất đƣợc xác minh thông qua phân tích lý thuyết và kiểm chứng qua mô phỏng tại các mục 4.4 của chƣơng.
Các kết quả chính trình bày trong chƣơng 4 là nội dung trong bài báo khoa học có tiêu đề “An Approach to Predict Interference Impacts on wireless links of 802.11 Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 24, 2012; và bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel Interference Aware routing metric for QoS provision in 802.11 wireless mesh network”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 51, số 1A, năm 2013.
