Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS" được nghiên cứu sinh Hoàng Trọng Minh thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông dưới sự hướng dẫn khoa học của Đại tá PGS.TS Nguyễn Tiến Ban và GS.TS Nguyễn Bình, bảo vệ năm 2013 thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông (mã số 62.05).

Về tính cấp thiết, mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) kết hợp giữa các bộ định tuyến bố trí tĩnh và các thiết bị đầu cuối di động kết nối theo mô hình hình lưới, được xác định là giải pháp kỹ thuật cho mạng truy nhập không dây băng rộng diện phủ lớn. WMN khắc phục hiện tượng che khuất tầm nhìn thẳng trong các kết nối vô tuyến cự ly ngắn, giảm chi phí triển khai hạ tầng và nâng cao độ tin cậy. Tuy nhiên, đặc tính truyền thông đa chặng (multi-hop), sự biến động chất lượng kênh truyền, cơ chế điều khiển phân tán và hiện tượng can nhiễu giữa các liên kết vô tuyến (nhiễu liên luồng, nhiễu nội luồng, xung đột do nút ẩn và nút hiện) gây suy giảm nghiêm trọng các thông số hiệu năng mạng như thông lượng, thời gian trễ toàn trình và tỷ lệ tổn thất gói tin. Chuẩn công nghệ nền tảng IEEE 802.11 vốn được thiết kế cho truy nhập đơn chặng nên bộc lộ nhiều điểm hạn chế khi vận hành trong môi trường mạng đa chặng. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các mô hình kiến trúc phân lớp truyền thống gây ra sai lệch biến thời gian giữa các tầng giao thức, không đạt được điểm tối ưu toàn cục; trong khi đó, các mô hình giải tích lớp MAC hiện có chủ yếu giả thiết kênh truyền lý tưởng và lưu lượng bão hòa, chưa phản ánh đầy đủ tác động của nhiễu và chất lượng liên kết thực tế vào quyết định chọn đường của giao thức định tuyến chất lượng dịch vụ (QoS).

Mục tiêu nghiên cứu tổng thể của luận án là tìm kiếm một giải pháp khả thi nhằm cải thiện hiệu năng WMN thông qua kỹ thuật định tuyến QoS; cụ thể là xây dựng mô hình giải tích phản ánh chất lượng liên kết, đề xuất một tham số định tuyến phản ánh nhiễu mới và tích hợp tham số này vào giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ưu OLSR (Optimized Link State Routing) nhằm cải thiện thông lượng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Tác giả xác định 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số trong văn bản:

  1. Nghiên cứu tổng quát về ảnh hưởng của các đặc tính chủ yếu trong mạng hình lưới không dây tới hiệu năng mạng, cơ sở học thuật của bài toán định tuyến QoS, các giải pháp cải thiện hiệu năng được đề xuất trong các nghiên cứu trước dưới góc độ sử dụng công cụ toán học; từ đó xác định cách tiếp cận và công cụ toán học sử dụng.
  2. Nghiên cứu các mô hình giải tích biểu diễn cơ chế hoạt động của các giao thức đa truy nhập trong mạng có lưu lượng bão hòa để tìm kiếm, phát hiện giới hạn trên của thông lượng liên kết; từ đó đề xuất các điều kiện ràng buộc bổ sung đối với mô hình nhằm tăng tính chính xác về khả năng phản ánh hiệu năng liên kết của mô hình giải tích.
  3. Nghiên cứu các mô hình toán học biểu diễn hàm điều khiển phân tán IEEE 802.11; từ đó xây dựng mô hình giải tích mới nhằm phản ánh chính xác chất lượng liên kết trong điều kiện thực tế.
  4. Nghiên cứu, khảo sát các giao thức định tuyến và các tham số định tuyến QoS trong WMN của một số tác giả trước; 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 lưới không dây trên cơ sở của tiêu chuẩn IEEE 802.11.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là kỹ thuật định tuyến QoS, mô hình giải tích lớp MAC IEEE 802.11 DCF, tham số định tuyến phản ánh nhiễu và giao thức định tuyến OLSR trong WMN. Phạm vi khảo sát, phân tích số và mô phỏng kiểm chứng được giới hạn trong kịch bản mạng hình lưới không dây sử dụng chuẩn công nghệ IEEE 802.11b, hoạt động ở chế độ đơn kênh, các nút mạng phân bố đều với các thông số lớp Vật lý tiêu chuẩn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong quá trình tổng quan tài liệu, tác giả điểm lại hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến cấu trúc WMN, hiệu năng mạng không dây đa chặng, mô hình hóa giải tích giao thức MAC và kỹ thuật định tuyến QoS:

Nhóm hướng nghiên cứu Tác giả, công trình và năm trích dẫn Luận điểm và kết quả chính được điểm lại
Kiến trúc và ứng dụng WMN Akyildiz và cộng sự (2005) [7], [64], [66], [72]; mạng FunkFeure Net [40]; mạng CUWin [32] Xác lập 3 dạng kiến trúc mạng: WMN phẳng (client), WMN phân cấp và WMN lai ghép; phân loại các nhóm ứng dụng thực tế: băng rộng, công sở, cộng đồng, giao thông, cảm biến.
Giới hạn thông lượng mạng đa chặng Gupta và Kumar (2000) [53] Chứng minh giới hạn suy giảm thông lượng lý thuyết: đạt mức $O(1/\sqrt{n})$ khi không có nhiễu với nút tĩnh; đạt $O(1/\sqrt{n \log n})$ với nút phân bố đồng dạng; và suy giảm xuống mức $O(1/n)$ trong môi trường có nhiễu với lưu lượng ngẫu nhiên.
Mô hình hóa giải tích MAC bão hòa Bianchi (2000) [16]; các nghiên cứu mở rộng [73], [106]; tài liệu về ALOHA [7], [57] Sử dụng chuỗi Markov 2 chiều mô hình hóa cơ chế cửa sổ tranh chấp nhị phân lùi mũ (BEB) của hàm phối hợp phân tán IEEE 802.11 DCF dưới giả thiết tải bão hòa và kênh không lỗi.
Định nghĩa và yêu cầu QoS Khuyến nghị ITU-T E.800; tiêu chuẩn ETSI TR 102; các nghiên cứu QoS [20], [52], [59] ITU-T định nghĩa QoS theo mức thỏa mãn của người dùng (thang điểm MOS); ETSI định nghĩa QoS theo năng lực mạng phân biệt luồng lưu lượng (băng thông, trễ, mất gói); đề xuất tiếp cận tối ưu xuyên lớp (cross-layer).
Thuật toán và độ phức tạp định tuyến Wang và Crowcroft (1996) [108], [60]; Bellman-Ford, Dijkstra [33]; Yang và cộng sự (2005) [105] Chứng minh bài toán tối ưu đường dẫn đa ràng buộc (MCOP) là NP-complete khi số lượng ràng buộc $m \ge 2$; khẳng định tham số định tuyến bắt buộc phải bảo toàn tính tuần tự (isotonicity) để thuật toán Dijkstra hoạt động chính xác.
Các tham số định tuyến trong WMN De Couto và cộng sự (Hop count [43], ETX); Draves và cộng sự (ETT, WCETT); các tham số LAETT, iAWARE, ELP Phân tích ưu nhược điểm của các độ đo: Hop count không phản ánh chất lượng liên kết; ETX và ETT phản ánh mất mát gói nhưng bỏ qua nhiễu liên luồng; iAWARE và WCETT gặp thách thức về tính tuần tự hoặc cân bằng tải.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các mô hình giải tích lớp MAC kế thừa từ Bianchi [16] chỉ áp dụng cho điều kiện tải bão hòa và kênh truyền lý tưởng, không xét đến xác suất lỗi bit (BER) cũng như không gian hình học thực tế của miền giao thoa ($S_I$) và miền cảm nhận ($S_A$). Đồng thời, các tham số định tuyến QoS hiện hành nếu phản ánh chi tiết hiện tượng nhiễu liên luồng thì thường vi phạm điều kiện bảo toàn tính tuần tự, dẫn đến hiện tượng lặp vòng hoặc làm bùng nổ độ phức tạp tính toán thuật toán tìm đường. Luận án định vị trọng tâm giải quyết việc kết hợp mô hình giải tích kênh truyền không lý tưởng với thiết kế tham số định tuyến phản ánh nhiễu bảo toàn tính tuần tự, sau đó nhúng trực tiếp vào giao thức định tuyến chuẩn OLSR.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích được luận án vận dụng bao gồm:

  • Lý thuyết xác suất và quá trình ngẫu nhiên, trọng tâm là lý thuyết chuỗi Markov rời rạc thời gian (Discrete-Time Markov Chains) biểu diễn không gian trạng thái của nút mạng và trạng thái kênh truyền vô tuyến.
  • Lý thuyết đồ thị $G(V, E)$, trong đó $V$ là tập các nút mạng và $E$ là tập các liên kết truyền thông không dây; lý thuyết tối ưu hóa toán học và phân lớp bài toán đường dẫn tối ưu đa ràng buộc (MCOP - Multi-Constrained Optimal Path).
  • Khung phân tích phân lớp và thiết kế xuyên lớp (cross-layer design) giữa tầng mạng (Network Layer - định tuyến) và tầng điều khiển truy nhập phương tiện (MAC Layer - IEEE 802.11 DCF).
  • Các khái niệm hình học vô tuyến: miền truyền dẫn bán kính $R_t$, miền cảm nhận sóng mang bán kính $R_s$, tỷ số bán kính $\alpha = R_s / R_t$, khoảng bảo vệ $\delta$, ngưỡng nhạy thu $\gamma_{th}$, và ngưỡng cảm nhận $\gamma_0$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế của luận án kết hợp giữa phân tích số giải tích và mô phỏng thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích số định lượng (numerical analysis): Thiết lập hệ phương trình trạng thái Markov mô tả hành vi của nút (mô hình 3 trạng thái và 4 trạng thái) và môi trường kênh truyền xung quanh nút (mô hình 4 trạng thái). Tác giả thiết lập ma trận xác suất chuyển trạng thái $P$, tính toán vector riêng $e_x$ tương ứng với giá trị riêng để xác định phân bố dừng, từ đó suy biến các công thức tường minh tính xác suất truyền gói $p_t$, xác suất truyền thành công $p_s$, xác suất xung đột $p_c$, xác suất kênh rỗi $P_i$ và thông lượng chuẩn hóa $Th$ dưới tác động của xác suất lỗi bit $P_b$ (BER) và xác suất lỗi gói $P_e(L_{packet})$.
  • Phương pháp mô phỏng mạng sự kiện rời rạc: Tác giả sử dụng bộ công cụ phần mềm mô phỏng mạng Network Simulator 2 (NS-2). Phương pháp triển khai là lập trình can thiệp và sửa đổi trực tiếp mã nguồn C++ và kịch bản cấu hình OTcl của gói giao thức định tuyến OLSR nguyên bản trong NS-2 để hiện thực hóa giao thức mở rộng OLSR-IARM.

Nguồn dữ liệu:

  • Dữ liệu tính toán lý thuyết thu được từ việc giải hệ phương trình giải tích trên máy tính với các tham số vật lý và MAC theo chuẩn IEEE 802.11b.
  • Dữ liệu thực nghiệm thu được từ tệp vết (trace file) của các phiên mô phỏng mạng trong NS-2, trích xuất các biến số: thời gian trễ trung bình gói tin (end-to-end delay), tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công (PDR - Packet Delivery Ratio), tỷ lệ tổn thất gói tin (packet loss ratio) và thông lượng mạng (throughput).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Khái quát các vấn đề liên quan tới hiệu năng mạng hình lưới không dây

Chương 1 hệ thống hóa các đặc trưng kỹ thuật, ứng dụng và thách thức hiệu năng của WMN. Tác giả phân tích 3 cấu trúc mạng chính gồm WMN phẳng, WMN phân cấp và WMN lai ghép; cùng 6 miền ứng dụng tiêu biểu: truy nhập băng rộng, mạng cộng đồng, mạng công sở, mạng vùng nhỏ, mạng giao thông và mạng cảm biến không dây. Luận án phân tích chi tiết hai góc độ tiếp cận QoS: góc độ người dùng thông qua thang điểm đánh giá trung bình MOS và góc độ mạng thông qua các tham số băng thông, độ trễ và tỷ lệ mất gói theo định nghĩa của ITU-T E.800 và ETSI TR 102.

Trọng tâm lý thuyết của chương là phân tích kỹ thuật định tuyến QoS trong WMN. Định tuyến bao gồm 3 thành phần: thủ tục trao đổi cập nhật thông tin, thuật toán tìm đường và tham số định tuyến. Tác giả trình bày thuật toán Bellman-Ford tập trung và phân tán dựa trên biểu thức quy hoạch động: $$c_{ij} = \min_{k} {c_{ik} + c_{kj}}, \quad i \ne j$$ cùng thuật toán Dijkstra tập trung và phân tán quản lý tập nút cố định $L$ và tập ứng viên $L'$. Văn bản chỉ rõ bài toán tối ưu đường dẫn đa ràng buộc (MCOP) trên đồ thị $G(V,E)$ với vector trọng số liên kết $w_{u \to v} = [w_1, w_2, ..., w_m]$ thuộc lớp bài toán NP-complete khi số lượng ràng buộc $m \ge 2$ theo chứng minh của Wang và Crowcroft (1996) [108]. Do đó, cách tiếp cận khả thi là xây dựng tham số định tuyến tổ hợp bảo đảm tính tuần tự (isotonicity) để tránh tạo vòng lặp và triệt tiêu độ phức tạp tính toán hàm mũ. Cuối chương, tác giả khảo sát suy giảm thông lượng lý thuyết theo công bố của Gupta và Kumar [53], phân tích các nguyên nhân suy hao hiệu năng do cơ chế chuyển tiếp đa chặng, hiện tượng nút ẩn/nút hiện và trễ xử lý xếp hàng qua các tầng giao thức.

Chương 2: Bài toán mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phương tiện trong điều kiện bão hòa

Chương 2 tập trung khảo sát các nghiên cứu mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) với giả thiết tải bão hòa (luôn có sẵn gói tin trong hàng đợi). Tác giả phân tích nguyên lý hoạt động và giới hạn thông lượng của các giao thức ngẫu nhiên kinh điển gồm ALOHA, Slotted ALOHA, giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang 1-persistent CSMA và $p$-persistent CSMA.

Tiếp đó, chương phân tích sâu mô hình chuỗi Markov hai chiều biểu diễn cơ chế cửa sổ tranh chấp $CW$ của Bianchi [16] cho hàm DCF trong chuẩn IEEE 802.11. Luận điểm quan trọng được tác giả rút ra là mô hình Bianchi cung cấp công cụ tính toán thông lượng giới hạn trên rất hữu ích nhưng phụ thuộc chặt chẽ vào giả định kênh truyền không có lỗi truyền dẫn và mọi nút luôn ở trạng thái bão hòa lưu lượng. Tác giả tiến hành phân tích mối quan hệ giữa xác suất truyền gói $p_t$, xác suất truyền thành công $p_s$ với số lượng nút trung bình trong miền cảm nhận $M$. Tại mục 2.4, tác giả đóng góp nội dung nghiên cứu hoàn thiện kết quả của các nghiên cứu trước bằng cách bổ sung các điều kiện biên ràng buộc đối với mô hình giải tích, làm cơ sở chuyển tiếp sang việc mô hình hóa điều kiện không bão hòa và kênh truyền có lỗi tại Chương 3.

Chương 3: Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lượng liên kết

Chương 3 trình bày mô hình giải tích mới do tác giả thiết lập nhằm đánh giá chính xác chất lượng liên kết vô tuyến trong điều kiện thực tế: lưu lượng không bão hòa và kênh truyền không lý tưởng. Mô hình đưa vào các tham số vật lý: tỷ số lỗi bit $P_b$ (BER), độ dài gói tin $L_{packet}$, xác suất lỗi gói $P_e(L_{packet}) = 1 - (1 - P_b)^{L_{packet}}$, khoảng bảo vệ $\delta$, ngưỡng nhạy thu $\gamma_{th}$, ngưỡng cảm nhận $\gamma_0$, và tỷ số bán kính cảm nhận/truyền dẫn $\alpha = R_s / R_t$.

Tác giả xây dựng cấu trúc mô hình hóa kép gồm:

  1. Mô hình trạng thái nút: Được biểu diễn qua chuỗi Markov 4 trạng thái rời rạc gồm: rỗi (idle - $i$), hoãn truyền (defer - $d$), thất bại (failure - $f$) và thành công (success - $s$).
  2. Mô hình trạng thái kênh xung quanh nút: Được biểu diễn qua chuỗi Markov 4 trạng thái tương ứng gồm: rỗi (idle - $I$), tranh chấp (contention - $C$), nghẽn/ngắt (break - $B$) và thành công (success - $S$).
Không gian trạng thái mô hình giải tích chất lượng liên kết (Chương 3):
- Chuỗi Markov trạng thái nút:   { idle (i), defer (d), failure (f), success (s) }
- Chuỗi Markov trạng thái kênh:  { idle (I), contention (C), break (B), success (S) }

Mô hình thiết lập công thức tính toán diện tích hình học của miền cảm nhận sóng mang $S_A$ và miền giao thoa $S_I$. Từ ma trận xác suất chuyển trạng thái, tác giả giải hệ phương trình dừng để xác định xác suất tranh chấp thắng $P_{win}$, xác suất truyền dẫn thành công $p_s$, xác suất xung đột $p_c$ và thông lượng chuẩn hóa $Th$. Kết quả phân tích số tại mục 3.4 chứng minh định lượng: khi giá trị BER tăng hoặc khi số lượng nút cạnh tranh trong miền giao thoa tăng, thông lượng mạng suy giảm phi tuyến tính; việc thay đổi tham số điều hòa $\xi$ và tỷ số bán kính $\alpha$ có ảnh hưởng trực tiếp đến xác suất xung đột của các nút lân cận.

Chương 4: Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây

Chương 4 hiện thực hóa giải pháp cải thiện hiệu năng bằng việc đề xuất tham số định tuyến QoS mới mang tên IARM (Interference Aware Routing Metric) và nhúng vào giao thức định tuyến OLSR. Sau khi phân tích hạn chế của các độ đo định tuyến hiện có (Hop count, ETX, ETT, WCETT, LAETT, iAWARE), tác giả thiết lập công thức của IARM kết hợp giữa hai thành phần: thành phần đo kiểm chủ động chất lượng liên kết sẵn có và thành phần giải tích dự báo tác động can nhiễu được trích xuất từ mô hình toán học ở Chương 3. Tác giả chứng minh toán học rằng tham số IARM thỏa mãn tính chất bảo toàn tuần tự (isotonicity), bảo đảm cho thuật toán Dijkstra tìm được đường đi tối ưu toàn cục mà không gây lặp vòng lặp vô hạn.

Để kiểm chứng, tác giả tiến hành tích hợp IARM vào giao thức OLSR trong phần mềm mô phỏng NS-2. Quy trình sửa đổi mã nguồn phần mềm bao gồm 4 nội dung kỹ thuật chính:

  • Sửa đổi cấu trúc mã nguồn để khai báo và định dạng tham số IARM.
  • Sửa đổi cấu trúc gói tin và hàm truyền thông để gửi/nhận tham số trong các bản tin định tuyến (HELLO message và Topology Control - TC message).
  • Sửa đổi cấu trúc lưu trữ và thủ tục cập nhật thông tin trạng thái liên kết trong bảng định tuyến.
  • Sửa đổi thuật toán Dijkstra trong OLSR để thực hiện tính toán tìm đường dẫn tối ưu theo trọng số IARM thay cho số chặng truyền thống.

Kết quả mô phỏng đối chuẩn giữa giao thức OLSR-IARM đề xuất và giao thức OLSR nguyên gốc trên mạng IEEE 802.11b được tổng hợp theo các tiêu chí hiệu năng:

Tiêu chí hiệu năng khảo sát Giao thức OLSR nguyên gốc Giao thức OLSR-IARM đề xuất Đánh giá so sánh từ kết quả mô phỏng NS-2
Thời gian trễ trung bình gói tin (Average End-to-End Delay) Cao do chọn đường ngắn có nhiều nút can nhiễu Giảm rõ rệt so với OLSR nguyên gốc Tránh được các vùng nút mạng có mức độ tranh chấp kênh cao và tỷ lệ xung đột lớn.
Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công (PDR) Suy giảm nhanh khi mật độ nút và tải lưu lượng tăng Duy trì ở mức cao và ổn định hơn OLSR nguyên gốc Giảm thiểu số lần truyền lại tại lớp MAC nhờ chọn liên kết có chất lượng dự báo tốt.
Tỷ lệ tổn thất gói tin (Packet Loss Ratio) Cao do xung đột nút ẩn và hàng đợi MAC bị tràn Thấp hơn đáng kể so với OLSR nguyên gốc Giảm va chạm trên đường truyền và cân bằng tải lưu lượng tốt hơn giữa các tuyến.
Thông lượng toàn mạng (Network Throughput) Bị nghẽn cục bộ tại các tuyến tập trung lưu lượng Đạt mức cải thiện đáng kể so với OLSR nguyên gốc Tận dụng hiệu quả dung lượng khả dụng của toàn bộ cấu trúc hình lưới.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án được tác giả tự xác định bao gồm hai phương diện lý luận và thực tiễn:

Về mặt lý luận:

  • Xây dựng mô hình giải tích mới kết hợp giữa chuỗi Markov 4 trạng thái của nút và chuỗi Markov 4 trạng thái của kênh truyền cho mạng không dây chuẩn IEEE 802.11. Mô hình giải tích này phản ánh đồng thời các điều kiện biên thực tế gồm lưu lượng không bão hòa, kênh truyền không lý tưởng (có lỗi bit BER), và tác động của không gian hình học miền cảm nhận ($S_A$) cùng miền giao thoa ($S_I$).
  • Đề xuất tham số định tuyến mới IARM (Interference Aware Routing Metric) có khả năng phản ánh chính xác tác động của can nhiễu liên luồng và nội luồng dựa trên cơ chế kết hợp giữa dự báo giải tích lớp MAC và đo kiểm chủ động.
  • Chứng minh toán học về tính tuần tự (isotonicity) của tham số định tuyến đề xuất, giải quyết được bài toán cân bằng giữa việc phản ánh chi tiết hiện tượng can nhiễu với việc bảo đảm tính hội tụ và độ phức tạp tính toán đa thức của thuật toán tìm đường Dijkstra.

Về mặt thực tiễn:

  • Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc xuyên lớp (cross-layer) tích hợp tham số IARM vào giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ưu OLSR (gọi là OLSR-IARM).
  • Hiện thực hóa thành công giao thức OLSR-IARM trên công cụ mô phỏng mạng sự kiện rời rạc chuyên dụng NS-2 thông qua việc chỉnh sửa mã nguồn C++ và OTcl ở các tầng định dạng tham số, cấu trúc bản tin HELLO/TC, cơ chế cập nhật bảng định tuyến và thuật toán tính đường.
  • Cung cấp các kết quả phân tích số và kết quả mô phỏng kiểm chứng chi tiết, xác nhận giao thức OLSR-IARM vượt trội hơn giao thức OLSR nguyên bản trên các chỉ số thông lượng, độ trễ truyền dẫn gói tin và tỷ lệ chuyển phát gói thành công.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án: Tác giả khuyến nghị áp dụng phương pháp thiết kế xuyên lớp giữa tầng MAC và tầng Mạng như một giải pháp nền tảng khi triển khai các giao thức định tuyến QoS cho mạng hình lưới không dây; đồng thời đề xuất ứng dụng giao thức OLSR-IARM cho các hệ thống WMN thực tế nhằm giải quyết bài toán nghẽn lưu lượng cục bộ do can nhiễu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án được xác định căn cứ theo các giả thiết biên của nghiên cứu:

  • Kịch bản khảo sát phân tích số và mô phỏng thực nghiệm mới giới hạn ở mạng WMN sử dụng chuẩn IEEE 802.11b đơn kênh (single-channel), chưa khảo sát các chuẩn mở rộng tốc độ cao hơn trong họ 802.11 hoặc mạng đa kênh đa giao diện (multi-channel multi-radio).
  • Mô hình không gian giả thiết các nút mạng được phân bố đều với các thông số lớp Vật lý tiêu chuẩn, chưa bao quát các kịch bản phân bố địa hình phức tạp, phân bố nút bất đối xứng hoặc môi trường có độ biến động cao do các nút di động liên tục.
  • Các đánh giá định lượng về giao thức OLSR-IARM hoàn toàn được thực hiện trên phần mềm mô phỏng sự kiện rời rạc NS-2, chưa triển khai thực nghiệm trực tiếp trên hệ thống thiết bị phần cứng thực tế (testbed).

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả gợi mở:

  • Mở rộng mô hình giải tích đánh giá chất lượng liên kết và tham số định tuyến IARM cho các môi trường mạng WMN đa kênh, đa giao diện truyền thông (multi-radio multi-channel).
  • Khảo sát và tối ưu hóa tham số định tuyến trong kịch bản các nút mạng có tính cơ động cao, điển hình là mạng tùy biến xe cộ (VANET - Vehicular Ad-hoc Network).
  • Nghiên cứu cơ chế thử nghiệm và cài đặt giao thức OLSR-IARM trên các hệ điều hành mã nguồn mở của các thiết bị định tuyến không dây thực tế để kiểm tra hiệu năng trong môi trường vật lý.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các đối tượng cụ thể trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông:

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông và Mạng máy tính: Luận án cung cấp phương pháp luận toán học mẫu mực trong việc ứng dụng lý thuyết chuỗi Markov rời rạc để giải quyết bài toán mô hình hóa lớp MAC và thiết kế giao thức xuyên lớp. Đặc biệt, nội dung xây dựng mô hình trạng thái nút và kênh ở Chương 3 là tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu mô hình hóa lý thuyết mạng không dây.
  • Đối với giảng viên giảng dạy các học phần Mạng không dây, Định tuyến nâng cao và Đánh giá hiệu năng mạng: Luận án cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết đầy đủ về bài toán MCOP, các thuật toán Bellman-Ford/Dijkstra và các độ đo định tuyến kinh điển (ETX, ETT, WCETT, iAWARE).
  • Đối với các kỹ sư phát triển phần mềm nhúng và giao thức mạng: Nội dung chi tiết tại Chương 4 về việc can thiệp, chỉnh sửa cấu trúc mã nguồn C++/OTcl trong bộ mô phỏng NS-2 (định dạng gói tin, xử lý bản tin điều khiển TC/HELLO, viết lại hàm tính toán đường đi) là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật có tính ứng dụng thực hành cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao luận án phải sử dụng cách tiếp cận xuyên lớp (cross-layer) thay vì giữ nguyên mô hình phân lớp truyền thống?
    Trả lời: Theo tác giả phân tích ở Chương 1, mô hình phân lớp truyền thống được thiết kế tối ưu cho mạng có dây hoặc mạng đơn chặng. Trong WMN, các yếu tố như can nhiễu vô tuyến, biến động chất lượng kênh truyền, va chạm do nút ẩn/hiện tác động đồng thời lên cả tầng Vật lý, tầng MAC và tầng Mạng. Nếu giữ nguyên tính độc lập phân lớp, giao thức định tuyến ở tầng mạng không nắm bắt được trạng thái tranh chấp kênh và can nhiễu thực tế ở tầng MAC, dẫn đến việc chọn các tuyến đường có thông lượng suy thoái nghiêm trọng. Tiếp cận xuyên lớp cho phép tầng mạng trích xuất thông tin chất lượng liên kết và dự báo can nhiễu từ tầng MAC để đưa ra quyết định định tuyến chính xác.

  2. Mô hình giải tích trong Chương 3 đã khắc phục những điểm hạn chế cụ thể nào của mô hình chuỗi Markov Bianchi kinh điển?
    Trả lời: Mô hình của Bianchi (2000) giả thiết mạng hoạt động trong điều kiện tải bão hòa (luôn có gói tin chờ truyền) và kênh truyền lý tưởng không có lỗi bit. Mô hình giải tích của luận án tại Chương 3 đã khắc phục hai hạn chế này bằng cách: (i) mô hình hóa trạng thái tải không bão hòa thông qua chuỗi Markov 4 trạng thái của nút (bổ sung trạng thái defer); (ii) đưa vào tham số xác suất lỗi bit $P_b$ (BER) của kênh truyền không lý tưởng; và (iii) tính toán tường minh tác động hình học của miền cảm nhận sóng mang $S_A$ và miền giao thoa $S_I$.

  3. Tính tuần tự (isotonicity) của tham số định tuyến là gì và tại sao tham số IARM bắt buộc phải thỏa mãn tính chất này?
    Trả lời: Tính tuần tự bảo đảm rằng nếu đường đi $P_1$ có trọng số tốt hơn đường đi $P_2$, thì khi ghép nối thêm một liên kết $e$ vào sau, thứ tự ưu tiên giữa $(P_1 + e)$ và $(P_2 + e)$ không bị đảo ngược. Nếu một tham số định tuyến không có tính tuần tự, thuật toán tìm đường Dijkstra sẽ không thể tìm được đường đi tối ưu toàn cục và rất dễ sinh ra hiện tượng lặp vòng (routing loops), hoặc đẩy độ phức tạp tính toán lên mức hàm mũ (NP-complete). Tác giả đã chứng minh IARM bảo toàn tính tuần tự để bảo đảm thuật toán định tuyến hội tụ với độ phức tạp đa thức.

  4. Giao thức định tuyến OLSR nguyên bản được tác giả can thiệp sửa đổi những thành phần nào trong bộ mô phỏng NS-2?
    Trả lời: Căn cứ nội dung Chương 4, tác giả đã can thiệp vào 4 thành phần mã nguồn C++ và kịch bản OTcl của OLSR trong NS-2: (i) khai báo biến và định dạng lưu trữ tham số IARM; (ii) bổ sung trường tham số vào cấu trúc các bản tin điều khiển HELLO và Topology Control (TC) để gửi/nhận giữa các nút; (iii) cập nhật cơ sở dữ liệu topo và bảng định tuyến khi nhận thông tin trạng thái liên kết mới; và (iv) sửa đổi thuật toán Dijkstra để tính toán chi phí đường đi dựa trên trọng số IARM thay cho số chặng (hop count).

  5. Theo kết quả nghiên cứu, hiệu năng thông lượng của mạng không dây đa chặng suy giảm theo quy luật toán học nào khi có nhiễu?
    Trả lời: Dẫn xuất từ nghiên cứu lý thuyết của Gupta và Kumar được trích dẫn trong Chương 1, mức độ suy giảm thông lượng trung bình của đường dẫn qua $n$ nút mạng phân bố đồng dạng với lưu lượng ngẫu nhiên trong môi trường có can nhiễu tỷ lệ nghịch theo hàm $O(1/n)$. Khi không có nhiễu, mức suy giảm là $O(1/\sqrt{n})$ đối với nút bố trí tĩnh và $O(1/\sqrt{n \log n})$ đối với nút phân bố đồng dạng. Quy luật này phản ánh thông lượng suy giảm phi tuyến và có thể tiến dần về 0 khi số lượng nút tăng cao nếu không có cơ chế định tuyến kiểm soát nhiễu.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hoàng Trọng Minh đã giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng mạng hình lưới không dây WMN thông qua giải pháp kết hợp giữa mô hình hóa giải tích lớp MAC và kỹ thuật định tuyến xuyên lớp. Công trình đã xây dựng thành công mô hình giải tích chuỗi Markov 4 trạng thái cho cả nút và kênh truyền trong điều kiện kênh có lỗi bit và lưu lượng không bão hòa, làm cơ sở toán học vững chắc để phát triển tham số định tuyến phản ánh nhiễu IARM bảo toàn tính tuần tự. Việc hiện thực hóa và kiểm chứng thành công giao thức OLSR-IARM trên công cụ NS-2 đã chứng minh tính đúng đắn của phương pháp luận, mang lại giải pháp kỹ thuật cụ thể giúp giảm thời gian trễ, hạ thấp tỷ lệ mất gói và nâng cao thông lượng cho mạng hình lưới không dây chuẩn IEEE 802.11.