Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông với đề tài "Định tuyến nâng cao thông lượng mạng dựa trên nền tảng thiết kế xuyên lớp cho mạng adhoc", chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông (mã số: 9520208), được nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Khánh thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật thông tin, Viện Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Đức và hoàn thành vào năm 2019.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Mạng không dây nói chung và mạng tùy biến không dây (mạng adhoc) nói riêng đang được ứng dụng rộng rãi tại các địa điểm công cộng như nhà hàng, quán cà phê, cũng như trong các môi trường đặc thù hạn chế về mặt địa lý và tài nguyên hạ tầng. Khác với mạng tế bào (cellular network) có hạ tầng trạm phát sóng cố định, mạng adhoc sở hữu đặc thù không cần hạ tầng định sẵn, triển khai nhanh và tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, do môi trường truyền dẫn vô tuyến có độ tin cậy thấp, băng thông hẹp và trạng thái kết nối biến đổi liên tục bởi sự di động của các nút, mạng adhoc thường xuyên đối mặt với vấn đề suy giảm thông lượng, xung đột kênh và mất an toàn thông tin.

Hiện nay, các hệ thống mạng truyền dữ liệu phổ biến đều áp dụng mô hình thiết kế phân lớp truyền thống như mô hình OSI hoặc TCP/IP. Các mô hình này được xây dựng trên nguyên tắc phân tách nhiệm vụ rõ ràng: mỗi lớp hoạt động độc lập, các tham số nội bộ không chia sẻ cho các lớp khác. Thiết kế phân lớp hoạt động hiệu quả trong môi trường mạng có dây nhờ đường truyền vật lý riêng biệt và ít nhiễu. Ngược lại, trong mạng adhoc, đặc tính kênh truyền thay đổi liên tục khiến các hiện tượng ở các lớp dưới ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của các lớp trên:

  • Các xung đột kênh truyền tại lớp liên kết dữ liệu (lớp MAC) buộc các giao thức định tuyến tại lớp mạng (lớp NET) phải cập nhật bảng định tuyến và tìm lại đường truyền mới.
  • Sự thay đổi chất lượng kênh truyền do fading hoặc nhiễu đồng kênh tại lớp vật lý (lớp PHY) ảnh hưởng trực tiếp đến quyết định chọn tuyến tại lớp NET và cơ chế điều khiển luồng tại lớp vận chuyển (lớp TRA).

Khoảng trống nghiên cứu then chốt mà tác giả xác định là mô hình phân lớp truyền thống đã bỏ qua mối quan hệ tương tác tự nhiên giữa các lớp. Do đó, việc xây dựng cơ chế trao đổi thông tin trạng thái giữa các lớp (thiết kế xuyên lớp - cross-layer design) nhằm phục vụ các giải thuật định tuyến là yêu cầu cần thiết để nâng cao thông lượng toàn mạng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nâng cao thông lượng mạng adhoc thông qua việc xây dựng và đề xuất các thuật toán định tuyến dựa trên nền tảng thiết kế xuyên lớp, đồng thời sử dụng các công cụ mô phỏng để kiểm chứng và minh họa hiệu năng của các thuật toán đề xuất.

Để đạt được mục tiêu trên, luận án xác định ba nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể gắn với ba nội dung đề xuất chính:

  1. Nhiệm vụ thứ nhất: Nghiên cứu các tham số trạng thái mà thuật toán cấp phát kênh động (DSA - Decentralized Dynamic Sub Channel Assignment) cung cấp tại lớp PHY và lớp MAC (bao gồm tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu SINR và số lượng sóng mang con được cấp phát), từ đó thiết lập sự phối hợp với lớp NET để xây dựng các thuật toán định tuyến xuyên lớp (kết hợp hai lớp MAC+NET, hai lớp PHY+NET và ba lớp PHY+MAC+NET).
  2. Nhiệm vụ thứ hai: Nghiên cứu mối quan hệ tương hỗ giữa công suất phát, tốc độ truyền với thông lượng mạng, mức độ nhiễu đồng kênh và tỷ lệ lỗi; từ đó đề xuất thuật toán tối ưu hóa công suất phát và tốc độ truyền tại lớp PHY, đồng thời tích hợp các chỉ số này vào thuật toán định tuyến xuyên lớp PHY+NET.
  3. Nhiệm vụ thứ ba: Nghiên cứu nguyên lý phương thức mã mạng (Network Coding) trong môi trường truyền thông vô tuyến quảng bá; từ đó đề xuất thuật toán định tuyến kết hợp giữa phương thức mã mạng tại lớp NET và các tham số kênh động từ thuật toán DSA tại lớp MAC trên nền tảng thiết kế xuyên lớp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các giao thức định tuyến mạng adhoc; thuật toán cấp phát kênh động DSA; các tham số trạng thái kênh (SINR, số kênh con cấp phát, công suất phát, tốc độ truyền, chỉ số nhiễu, chỉ số lỗi); phương thức mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên (RLNC).
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào không gian mạng adhoc đa chặng (multi-hop adhoc network) hoạt động theo cơ chế ghép kênh phân chia tần số trực giao kết hợp phân chia theo khe thời gian (OFDMA/TDD) và chuẩn truyền dẫn không dây IEEE 802.11; giới hạn phạm vi tương tác trong ba lớp dưới gồm lớp PHY, lớp MAC và lớp NET; các kịch bản mô phỏng được khảo sát với mật độ mạng thay đổi từ quy mô nhỏ (6 nút, 10 nút), quy mô trung bình (30 nút) đến quy mô lớn (120 nút và 250 nút).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến quản lý chất lượng dịch vụ (QoS), thiết kế xuyên lớp và cấp phát tài nguyên vô tuyến trong mạng adhoc:

  • Nghiên cứu trong nước:

    • Công trình của tác giả trong tài liệu [59] đã phân tích các công nghệ mạng truy cập và đánh giá QoS trong mạng không dây như một vấn đề mang tính xuyên suốt qua bảy lớp của mô hình OSI: QoS lớp vật lý (sự biến thiên chất lượng đường truyền, tỷ số tín hiệu, xuyên nhiễu); QoS liên kết dữ liệu (tỷ lệ lỗi bit); QoS lớp mạng (băng thông và độ trễ); QoS lớp chuyển tải (độ trễ và mất gói); QoS lớp phiên (khởi tạo phiên làm việc); QoS lớp trình diễn (ảnh hưởng của chuẩn mã hóa); QoS lớp ứng dụng (mức độ ngắt và tái lập kết nối). Tác giả tài liệu [59] khẳng định định tuyến xuyên lớp có sự tham gia của nhiều lớp là xu hướng phát triển tất yếu, đồng thời liệt kê một số tham số tiềm năng nhưng chưa đề xuất được một thuật toán định tuyến cụ thể.
    • Công trình trong tài liệu [41] đã bước đầu đề cập một số dạng kết hợp giữa các lớp (NET, MAC, PHY) trong kiến trúc định tuyến xuyên lớp, tuy nhiên chưa xây dựng và kiểm chứng được thuật toán định tuyến cụ thể nào trên các kết hợp này để nâng cao thông lượng mạng.

  • Nghiên cứu quốc tế:

    • Nhóm tác giả trong tài liệu [57] đã đề xuất thuật toán định tuyến xuyên lớp MAC+NET nhằm mục tiêu tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng của các nút trong mạng không dây, kết hợp chuẩn MAC IEEE 802.11 với giao thức định tuyến DSR (Dynamic Source Routing) tại lớp NET. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán làm giảm tỷ lệ lỗi định tuyến và giảm tần suất tìm lại đường truyền.
    • Nhóm tác giả trong tài liệu [108] đã phát triển thuật toán định tuyến xuyên lớp giữa MAC và NET, tận dụng thông tin trạng thái nút tại lớp MAC để tham gia vào quá trình định tuyến tại lớp NET, qua đó hỗ trợ tiết kiệm năng lượng và duy trì đường kết nối.
    • Công trình nghiên cứu của tác giả trong tài liệu [99] đã đề xuất thuật toán cấp phát kênh động phân tán DSA cho hệ thống OFDMA/TDD. Thuật toán này sử dụng tín hiệu báo bận (busy tone) để giải quyết hiện tượng nút ẩn, nút hiện và triệt tiêu nhiễu đồng kênh (CCI - Co-channel Interference). Mặc dù giải quyết được nhược điểm của các cơ chế truyền thống như RTS/CTS trong CSMA/CA vốn chỉ hoạt động trên một kênh đơn lẻ, công trình [99] chưa tích hợp giải pháp tối ưu công suất phát, tốc độ truyền và chưa kết hợp với các giải thuật tìm đường ở lớp NET.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tổng hợp từ các nghiên cứu trên, luận án xác định ba khoảng trống học thuật chưa được giải quyết đồng bộ:

  1. Thiếu các thuật toán định tuyến khai thác trực tiếp các tham số kênh động từ thuật toán DSA (như số lượng kênh con khả dụng và giá trị SINR) để tối ưu hóa việc chọn đường đa chặng tại lớp NET.
  2. Chưa có mô hình toán học tích hợp đồng thời việc đánh giá chỉ số nhiễu, chỉ số lỗi nhằm tối ưu hóa công suất phát và tốc độ truyền tại lớp PHY gắn liền với ma trận chi phí định tuyến ở lớp NET.
  3. Chưa có giải pháp tích hợp kỹ thuật mã mạng (Network Coding) với cơ chế cấp phát kênh động DSA trên nền tảng xuyên lớp nhằm gia tăng tối đa lưu lượng truyền tải trên các nút trung gian của mạng adhoc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án vận dụng các nền tảng lý thuyết và mô hình kỹ thuật sau:

  • Mô hình phân lớp mạng: Phân tích đối chiếu giữa mô hình tham chiếu OSI 7 lớp (PHY, MAC, NET, TRA, SES, PRE, APP) và mô hình TCP/IP 4 lớp (ACC, INT, TRA, APP).
  • Nguyên lý thiết kế xuyên lớp: Cơ chế chia sẻ thông tin trạng thái giữa các lớp và liên kết giao thức, phá vỡ ranh giới đóng gói thông tin nghiêm ngặt nhằm thích ứng với ba yếu tố cốt lõi của mạng adhoc gồm: tính chất liên kết quảng bá vô tuyến, cơ chế điều khiển mức năng lượng và tác động do sự di động của các nút mạng.
  • Hệ thống ghép kênh và đa truy cập OFDMA/TDD: Chia dải tần thành các sóng mang con trực giao và phân chia thời gian truyền nhận theo các khe thời gian tương quan, cho phép tái sử dụng toàn bộ dải tần số trong mạng.
  • Thuật toán cấp phát kênh động DSA: Khung phân tích dựa trên cơ chế phát tín hiệu báo bận (busy tone) với hai giai đoạn xử lý riêng biệt:
    • Giai đoạn khởi tạo liên kết: Nút truyền $m$ đo công suất tín hiệu báo bận $B_{l, i-1}^m$ trên sóng mang con thứ $l$ trong khung MAC thứ $(i-1)$ và so sánh với mức ngưỡng nhiễu cho phép $I_{thr}$: $$\alpha_{l, m}^k = \begin{cases} 1 & \text{khi } B_{l, i-1}^m < I_{thr} \ 0 & \text{các trường hợp khác} \end{cases}$$ Tập hợp các sóng mang con thỏa mãn điều kiện này tạo thành tập kênh ứng viên $A$.
    • Giai đoạn cấp phát kênh thích ứng: Tại khung $(i-1)$, nút nhận $k$ đo tỷ số $\text{SINR}$ ($\gamma_{l, i-1}^k$) trên các kênh con thuộc tập $A$, so sánh với ngưỡng chất lượng dịch vụ yêu cầu $\gamma_{req}$ để đưa ra quyết định duy trì ($b_{l, i}^k = 1$) hoặc giải phóng kênh: $$b_{l, i}^k = \begin{cases} 1 & \text{khi } \gamma_{l, i-1}^k \ge \gamma_{req} \ 0 & \text{các trường hợp khác} \end{cases}$$
  • Lý thuyết mã mạng (Network Coding): Ứng dụng kỹ thuật mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên (RLNC) thông qua các phép toán logic XOR ($\oplus$) trên các gói tin tại các nút chuyển tiếp, kết hợp với phân tích mô hình bộ đệm Buffer và độ trễ trên các đồ thị mạng có chu trình (Cyclic network) và không có chu trình (Acyclic network).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết toán học và phương pháp thực nghiệm mô phỏng số:

  • Phương pháp giải tích và tối ưu hóa: Xây dựng các hàm mục tiêu và ma trận liên kết giữa các nút; mô hình hóa chỉ số nhiễu $Index_I(i,j)$, chỉ số lỗi $Index_F(i,j)$ dựa trên tỷ số giữa tổng gói tin lỗi ($SumF$) và tổng gói tin gửi ($SumS$), cùng chỉ số thông lượng tối ưu $Opt\text{-}Indexthr(i,j)$.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng gồm Matlab và Network Simulator 2 (NS2).
  • Phương pháp so sánh đối chuẩn: Đánh giá hiệu năng của các thuật toán đề xuất dựa trên các thuật toán định tuyến chuẩn gồm:
    • Thuật toán tìm đường ngắn nhất Dijkstra.
    • Giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing).
    • Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo chuỗi đích DSDV (Destination Sequenced Distance Vector).

Nguồn tư liệu và thông số mô phỏng

Các kịch bản thực nghiệm số trong luận án được thiết lập dựa trên các bảng tham số kỹ thuật cụ thể:

Ký hiệu tham số Diễn giải ý nghĩa thông số kỹ thuật Phạm vi hoặc giá trị áp dụng
$N$ Quy mô số lượng nút mạng trong kịch bản 6 nút, 10 nút, 30 nút, 120 nút, 250 nút
$s, d$ Cặp nút nguồn và nút đích truyền dữ liệu Các nút ngẫu nhiên hoặc cố định theo kịch bản
$I_{thr}$ / $I_th$ Mức ngưỡng công suất âm bận / ngưỡng nhiễu Giá trị công suất ngưỡng xác định trước
$\gamma_{req}$ / $SINR_thr$ Ngưỡng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm yêu cầu Mức ngưỡng chất lượng kênh tại lớp PHY
$channel_thr$ Ngưỡng số lượng kênh tối ưu truyền khung dữ liệu Xác định số kênh con khả dụng
$PT, R$ Tập hợp các mức công suất phát và tốc độ truyền Cấu hình theo card mạng chuẩn IEEE 802.11
$N_ch$ Số lượng kênh cấp phát trên đường truyền Dijkstra Thông số lớp MAC do thuật toán DSA cung cấp
$Average\ SINR$ Giá trị SINR trung bình các kênh trên tuyến Dijkstra Thông số lớp PHY do thuật toán DSA cung cấp

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nghiên cứu mạng adhoc và thiết kế xuyên lớp

Chương 1 thiết lập cơ sở tổng quan về mạng adhoc và phân tích nguyên lý của các mô hình kiến trúc mạng:

  • Tổng quan mạng adhoc: So sánh cấu trúc mạng có hạ tầng (mạng tế bào với các ô lục giác và trạm phát sóng cố định) với mạng ngang hàng không dây adhoc. Phân tích các đặc điểm chung của môi trường vô tuyến (độ tin cậy thấp, băng thông hạn chế, trạng thái kết nối kém ổn định do di động, hạn chế năng lượng xử lý tại các nút và nguy cơ an toàn thông tin do tính chất truyền thông quảng bá) và các đặc điểm riêng của mạng adhoc (tính tạm thời, tự tổ chức không phụ thuộc hạ tầng, định tuyến đa chặng). Liệt kê sáu lĩnh vực ứng dụng điển hình: quân sự, cứu hộ cứu nạn, thương mại, giải trí, đào tạo và du lịch.
  • Đánh giá các vấn đề kỹ thuật theo từng lớp:
    • Lớp PHY: Nguồn năng lượng pin giới hạn, ràng buộc về công suất phát và tốc độ truyền dẫn.
    • Lớp MAC: Xung đột truy nhập môi trường, đặc biệt là hai vấn đề nút ẩn và nút hiện.
    • Lớp NET: Mô hình mạng thay đổi liên tục khiến các thuật toán định tuyến của mạng có dây không thể áp dụng trực tiếp; các thuật toán định tuyến phân lớp hiện hành kém hiệu quả.
    • Lớp TRA: Tỷ lệ mất gói cao chủ yếu do nhiễu môi trường chứ không phải do tắc nghẽn, dẫn đến việc cơ chế lùi thời gian (back-off) của TCP hoạt động sai lệch, gây suy giảm thông lượng mạng và tăng độ trễ.
  • So sánh thiết kế phân lớp và thiết kế xuyên lớp: Phân tích mô hình OSI 7 lớp và TCP/IP 4 lớp. Luận án chỉ ra rằng sự độc lập phân lớp làm mất khả năng phối hợp xử lý giữa các tầng. Từ ba yếu tố chi phối trạng thái mạng adhoc (liên kết, điều khiển mức năng lượng và sự di động), luận án xác định hai yêu cầu bắt buộc là chia sẻ thông tin trạng thái và liên kết giao thức giữa các lớp, đồng thời đề xuất ba hướng kết hợp: MAC+NET, PHY+NET và PHY+MAC+NET.

Chương 2: Đề xuất thuật toán định tuyến kết hợp với thuật toán cấp phát kênh động DSA dựa trên nền tảng thiết kế xuyên lớp

Chương 2 tập trung phân tích cơ chế hoạt động của thuật toán cấp phát kênh động phân tán DSA trên nền tảng OFDMA/TDD và đề xuất ba giải thuật định tuyến xuyên lớp:

  • Cơ chế hoạt động của DSA: Giải quyết triệt để vấn đề nút ẩn, nút hiện và nhiễu đồng kênh (CCI). Thông qua việc sử dụng khe phát tín hiệu báo bận (busy tone) trong cấu trúc khung MAC hướng lên và hướng xuống, các cặp nút truyền - nhận có thể lựa chọn động các sóng mang con độc lập mà không gây nhiễu cho nhau.
  • Thuật toán định tuyến xuyên lớp MAC+NET:
    • Tích hợp tham số số lượng kênh cấp phát ($N_ch$) tại lớp MAC (do DSA cung cấp) vào thuật toán định tuyến tìm đường ngắn nhất Dijkstra tại lớp NET.
    • Ma trận kết nối mạng được cập nhật đồng thời với dung lượng kênh khả dụng giữa các cặp nút.
    • Kết quả mô phỏng trên kịch bản 6 nút và 10 nút chứng minh thuật toán MAC+NET lựa chọn được đường truyền có tài nguyên kênh dồi dào hơn, mang lại thông lượng mạng cao hơn so với thuật toán tìm đường ngắn nhất Dijkstra đơn thuần.
  • Thuật toán định tuyến xuyên lớp PHY+NET:
    • Khai thác tham số chất lượng đường truyền vật lý thông qua giá trị $Average\ SINR$ của các kênh sóng mang con do thuật toán DSA đo đạc tại lớp PHY để đưa vào thuật toán tìm đường Dijkstra tại lớp NET.
    • Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán PHY+NET ưu tiên chọn các đường truyền có chất lượng tín hiệu cao, giảm thiểu tỷ lệ lỗi khung và cải thiện thông lượng so với thuật toán Dijkstra truyền thống.
  • Thuật toán định tuyến xuyên lớp PHY+MAC+NET:
    • Đề xuất mô hình tích hợp đồng thời cả hai tham số: số lượng kênh cấp phát ($N_ch$ ở lớp MAC) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($Average\ SINR$ ở lớp PHY) để làm trọng số tối ưu cho giải thuật tìm đường tại lớp NET.
    • Kịch bản mô phỏng trên mạng 30 nút được thiết lập nhằm so sánh đồng thời bốn thuật toán: Dijkstra, MAC+NET, PHY+NET và PHY+MAC+NET. Kết quả thực nghiệm khẳng định thuật toán xuyên lớp PHY+MAC+NET đạt giá trị thông lượng mạng cao nhất trong cả bốn phương án khảo sát.

Chương 3: Đề xuất thuật toán định tuyến kết hợp với thuật toán tối ưu công suất phát và tốc độ truyền dựa trên nền tảng thiết kế xuyên lớp

Chương 3 giải quyết bài toán tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến tại lớp vật lý gắn liền với bài toán định tuyến:

  • Mối quan hệ giữa công suất phát, tốc độ truyền và thông lượng:
    • Tăng công suất phát $pt$ giúp mở rộng phạm vi phủ sóng $R_i$ và tăng khả năng kết nối tới các nút lân cận, nhưng đồng thời làm gia tăng mức độ nhiễu đồng kênh (CCI) đối với các kết nối xung quanh.
    • Tăng tốc độ truyền $r$ giúp nâng cao tốc độ truyền tải dữ liệu tức thời nhưng làm tăng tỷ lệ lỗi bit và tỷ lệ lỗi gói tin trong điều kiện chất lượng kênh không đổi.
  • Mô hình đánh giá và thuật toán tối ưu tại lớp PHY:
    • Xác định tập các nút hàng xóm $S(pt, r)$ tương ứng với từng cặp giá trị công suất phát $pt \in PT$ và tốc độ truyền $r \in R$.
    • Xây dựng mô hình tính toán chỉ số nhiễu $Index_I(i,j)$ so với ngưỡng nhiễu $I_th$.
    • Xây dựng mô hình tính toán chỉ số lỗi gói $Index_F(i,j) = \frac{SumF}{SumS}$ dựa trên tổng gói tin lỗi và tổng gói tin đã phát.
    • Thiết lập công thức xác định chỉ số thông lượng tối ưu giữa hai nút liên kết trực tiếp $Opt\text{-}Indexthr(i,j)$ và thuật toán tìm kiếm cặp $(pt, r)$ tối ưu trên từng liên kết vật lý.
  • Thuật toán định tuyến xuyên lớp PHY+NET:
    • Thiết lập ma trận liên kết và ma trận giá trị tối ưu chỉ số thông lượng giữa tất cả các cặp nút trong toàn mạng adhoc.
    • Thuật toán định tuyến tại lớp NET sử dụng ma trận thông lượng tối ưu này để xác định đường truyền tối ưu toàn cục từ nút nguồn $s$ đến nút đích $d$.
    • Kết quả mô phỏng trên nền tảng chuẩn IEEE 802.11 được khảo sát qua hai kịch bản quy mô mạng: từ 30 đến 120 nút và từ 30 đến 250 nút. Kết quả đánh giá hiệu năng khẳng định thuật toán định tuyến đề xuất PHY+NET mang lại thông lượng mạng vượt trội khi so sánh đối chứng với ba thuật toán: Dijkstra, DSR và DSDV.

Chương 4: Đề xuất thuật toán định tuyến kết hợp với phương thức mã mạng, thuật toán cấp phát kênh động DSA dựa trên nền tảng thiết kế xuyên lớp

Chương 4 nghiên cứu ứng dụng phương thức mã mạng kết hợp với cơ chế cấp phát kênh của DSA:

  • Nguyên lý phương thức mã mạng:
    • So sánh cơ chế truyền thống "lưu và chuyển tiếp" (store and forward) với phương thức mã mạng (Network Coding). Trong mô hình hai luồng dữ liệu giao nhau qua một nút chuyển tiếp trung gian (nút $W$ chuyển tiếp dữ liệu giữa nút $X$ và nút $Y$):
      • Cơ chế truyền thống yêu cầu 4 đơn vị thời gian (khe thời gian) để hoàn thành việc trao đổi hai gói tin.
      • Cơ chế mã mạng cho phép nút trung gian thực hiện phép cộng logic XOR ($\oplus$) hai gói tin nhận được và phát quảng bá bản tin mã hóa trong 1 khe thời gian duy nhất; các nút nhận tự giải mã gói tin dựa trên dữ liệu sẵn có, qua đó giảm tổng thời gian truyền dẫn xuống còn 3 đơn vị thời gian.
    • Phân tích kỹ thuật mã mạng tuyến tính, mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên (RLNC), cấu trúc định dạng bản tin mã hóa, mô hình bộ đệm Buffer và ảnh hưởng của độ trễ đường truyền trên đồ thị mạng có chu trình (Cyclic) và không chu trình (Acyclic).
  • Thuật toán định tuyến xuyên lớp MAC+NET kết hợp mã mạng và DSA:
    • Kết hợp khả năng mã hóa gói tin tại lớp NET với thông tin về số lượng sóng mang con được cấp phát từ thuật toán DSA tại lớp MAC.
    • Xây dựng luồng xử lý định tuyến thích ứng, cho phép nút chuyển tiếp nhận diện cơ hội mã hóa (coding opportunities) đồng thời với việc duy trì kênh truyền không nhiễu thông qua tín hiệu báo bận.
  • Kịch bản mô phỏng và đánh giá kết quả:
    • Luận án thực hiện mô phỏng so sánh đối chứng giữa năm thuật toán: Dijkstra, MAC+NET, PHY+NET, PHY+MAC+NET và thuật toán đề xuất MAC+NET+NETWORK CODING.
    • Kết quả thực nghiệm chứng minh thuật toán kết hợp mã mạng và DSA đạt được thông lượng mạng cao nhất trong tất cả các kịch bản thử nghiệm nhờ việc tiết kiệm số lần phát sóng vô tuyến và tận dụng tối đa tài nguyên kênh con khả dụng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Đề xuất bộ ba thuật toán định tuyến xuyên lớp kết hợp thuật toán cấp phát kênh động DSA:
    • Xây dựng thuật toán định tuyến xuyên lớp MAC+NET sử dụng tham số số lượng kênh con cấp phát từ thuật toán DSA kết hợp giải thuật Dijkstra.
    • Xây dựng thuật toán định tuyến xuyên lớp PHY+NET sử dụng tham số chất lượng kênh $Average\ SINR$ từ thuật toán DSA kết hợp giải thuật Dijkstra.
    • Xây dựng thuật toán định tuyến xuyên lớp kết hợp đồng thời ba lớp PHY+MAC+NET tích hợp cả hai tham số kênh cấp phát và SINR, chứng minh thông lượng vượt trội so với các thuật toán hai lớp và thuật toán Dijkstra truyền thống.
  2. Đề xuất mô hình đánh giá và thuật toán tối ưu hóa công suất phát, tốc độ truyền:
    • Xây dựng hệ thống mô hình toán học tính toán chỉ số nhiễu $Index_I(i,j)$, chỉ số lỗi $Index_F(i,j)$ và chỉ số thông lượng tối ưu $Opt\text{-}Indexthr(i,j)$ trên liên kết trực tiếp giữa hai nút.
    • Đề xuất thuật toán tối ưu hóa đồng thời hai tham số $pt$ và $r$ tại lớp PHY, kết hợp vào ma trận chi phí định tuyến tại lớp NET để nâng cao thông lượng mạng trên các quy mô mật độ nút khác nhau (lên tới 250 nút).
  3. Đề xuất thuật toán định tuyến xuyên lớp kết hợp phương thức mã mạng và thuật toán DSA:
    • Kết hợp thành công kỹ thuật mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên tại lớp NET với cơ chế cấp phát kênh con thích ứng tại lớp MAC, tạo ra giải thuật định tuyến giảm thiểu độ trễ, tiết kiệm số lần truyền và nâng cao thông lượng so với phương thức "lưu và chuyển tiếp".

Danh mục công trình khoa học đã công bố của tác giả

Các đóng góp học thuật trong luận án đã được công bố trên 5 công trình nghiên cứu khoa học chuyên ngành:

Ký hiệu Tác giả công trình Tên công trình khoa học Nơi công bố và năm xuất bản
C1 Khanh Nguyen Quang, Van Duc Nguyen, Trung Dung Nguyen Optimized MAC and Network cross layer protocol for OFDMA based Ad-hoc Networks The Fifth International Conference on Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), 2013
J1 Khanh Nguyen Quang, Van Duc Nguyen, Hyunseung Choo Dynamic Subchannel Assignment based cross layer MAC and Network protocol for multihop adhoc networks Journal of Computer Networks and Communications (Scopus/ESCI), Hindawi, 2013
J2 Khanh Nguyen Quang, Van Duc Nguyen Performance Improvement of Multi-hop Ad-hoc Networks Based on Cross-Layer Design and DSA Algorithm International Journal of Research in Wireless Systems (IJRWS), Vol. 2, No. 3, 2013
J3 Nguyen Quang Khanh, Nguyen Van Duc Research on the cross-layer protocol design based on Network coding to improve the performance of multihop adhoc networks Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 5(90), 2015
J4 Nguyen Quang Khanh, Nguyen Van Duc Research on the PHY, MAC, NETWORK cross-layer protocol design to improve the performance of multihop adhoc networks Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 1(86), 2015

Kiến nghị và giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Chuyển dịch từ kiến trúc phân lớp độc lập sang thiết kế xuyên lớp chia sẻ thông tin trạng thái khi thiết kế các giao thức truyền thông cho mạng adhoc đa chặng.
  • Tích hợp cơ chế báo âm bận (busy tone) đa kênh theo mô hình OFDMA/TDD của thuật toán DSA nhằm khắc phục đồng thời hiện tượng nút ẩn, nút hiện và nhiễu đồng kênh.
  • Áp dụng kỹ thuật mã mạng tại các nút đóng vai trò trung gian chuyển tiếp luồng dữ liệu đa nguồn nhằm tiết giảm số khe thời gian truyền dẫn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung văn bản luận án trình bày:

  • Hạn chế về phạm vi kiến trúc: Luận án mới chỉ tập trung nghiên cứu cơ chế phối hợp xuyên lớp giữa ba lớp dưới gồm lớp vật lý (PHY), lớp liên kết dữ liệu (MAC) và lớp mạng (NET). Luận án chưa can thiệp hay tích hợp thông tin trạng thái với lớp vận chuyển (lớp TRA).
  • Vấn đề kỹ thuật tồn tại tại lớp TRA: Trong mạng adhoc, hiện tượng mất gói thường xuất phát từ nhiễu đường truyền và sự thay đổi cấu hình mạng do nút di chuyển chứ không phải do tắc nghẽn mạng. Việc lớp TRA trong kiến trúc TCP/IP hiện hành vẫn kích hoạt cơ chế lùi thời gian (back-off) để giảm tải làm suy giảm nghiêm trọng thông lượng toàn mạng và gây trễ kết nối lớn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Luận án xác định rõ hướng phát triển tiếp theo là mở rộng thiết kế xuyên lớp lên lớp vận chuyển (TRA), nghiên cứu đề xuất các giải pháp thích ứng tại lớp TRA kết hợp với các tham số từ các lớp dưới nhằm giải quyết triệt để vấn đề hiểu sai hiện tượng mất gói do nhiễu thành tắc nghẽn mạng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho các nhóm đối tượng học thuật và kỹ thuật:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật viễn thông, Mạng máy tính: Có thể tham khảo phương pháp xây dựng ma trận trạng thái mạng, kỹ thuật thiết kế giao thức xuyên lớp giữa các tầng PHY, MAC và NET, cũng như phương pháp mô phỏng đánh giá hiệu năng trên Matlab và NS2.
  • Giảng viên đại học chuyên ngành Điện tử - Viễn thông: Có thể sử dụng các nội dung phân tích chuyên sâu tại Chương 1 (so sánh OSI, TCP/IP và thiết kế xuyên lớp) và Chương 4 (nguyên lý mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên) làm tài liệu bổ trợ giảng dạy cho các học phần Mạng thông tin vô tuyến và Mạng máy tính nâng cao.
  • Kỹ sư nghiên cứu phát triển (R&D) hệ thống truyền thông vô tuyến: Có thể ứng dụng trực tiếp thuật toán cấp phát kênh động phân tán DSA (Chương 2) và thuật toán tối ưu hóa đồng thời công suất phát - tốc độ truyền (Chương 3) trong việc phát triển các thiết bị truyền thông adhoc đa chặng hoạt động trên nền tảng OFDMA và chuẩn IEEE 802.11 phục vụ công tác cứu hộ, cứu nạn hoặc mạng truyền thông chuyên dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán cấp phát kênh động DSA giải quyết vấn đề nút ẩn và nút hiện trong mạng adhoc bằng nguyên lý nào?

Thuật toán DSA giải quyết vấn đề nút ẩn và nút hiện bằng cách áp dụng phương pháp đa truy cập OFDMA/TDD kết hợp cơ chế phát tín hiệu báo bận (busy tone). Mỗi khung MAC được bố trí một khe thời gian nhỏ để các nút phát quảng bá âm bận với công suất xác định trước trên các sóng mang con đang sử dụng. Trước khi phát dữ liệu, nút truyền nghe tín hiệu âm bận trên toàn bộ các kênh con; nếu công suất thu được thấp hơn ngưỡng $I_{thr}$, kênh đó được xác định là không gây nhiễu đáng kể cho nút khác và được chọn để truyền. Việc cấp phát động trên tập các kênh con riêng biệt cho từng cặp nút thu - phát giúp loại bỏ xung đột (nút ẩn) mà không làm phong tỏa các nút lân cận khác (nút hiện).

2. Thuật toán định tuyến xuyên lớp PHY+MAC+NET trích xuất và kết hợp những tham số trạng thái nào từ các lớp dưới?

Thuật toán trích xuất đồng thời hai tham số trạng thái do thuật toán DSA cung cấp:

  • Từ lớp MAC: Tham số số lượng sóng mang con được cấp phát ($N_ch$), phản ánh độ khả dụng về tài nguyên băng thông truyền dẫn.
  • Từ lớp PHY: Tham số chất lượng kênh truyền $Average\ SINR$ (tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu trung bình trên các kênh con được cấp phát), phản ánh độ tin cậy của đường truyền vật lý. Hai tham số này cùng với độ dài đường truyền được tích hợp vào giải thuật tìm đường Dijkstra tại lớp NET để xác định tuyến kết nối tối ưu.

3. Chỉ số thông lượng tối ưu $Opt\text{-}Indexthr(i,j)$ tại lớp PHY được xác định dựa trên những mô hình đánh giá nào?

Chỉ số $Opt\text{-}Indexthr(i,j)$ giữa hai nút liên kết trực tiếp $i$ và $j$ được xác định thông qua việc giải bài toán tối ưu trên tập công suất phát $PT$ và tập tốc độ truyền $R$, dựa trên hai mô hình thành phần:

  • Mô hình chỉ số nhiễu $Index_I(i,j)$: Đánh giá mức độ ảnh hưởng của công suất phát $pt$ đến độ nhiễu đồng kênh gây ra cho các nút lân cận so với ngưỡng $I_th$.
  • Mô hình chỉ số lỗi $Index_F(i,j)$: Đánh giá tỷ lệ mất gói dựa trên tỷ số giữa tổng số gói tin lỗi ($SumF$) và tổng số gói tin đã gửi ($SumS$) tại nút truyền tương ứng với tốc độ truyền $r$.

4. Phương thức mã mạng trong Chương 4 mang lại ưu thế gì so với cơ chế "lưu và chuyển tiếp" truyền thống?

Trong kịch bản hai nút trao đổi dữ liệu qua một nút trung gian, phương thức "lưu và chuyển tiếp" (store and forward) đòi hỏi 4 khe thời gian (2 khe để nút trung gian nhận hai gói tin từ hai nguồn, và 2 khe để chuyển tiếp lần lượt từng gói tin đến đích). Ngược lại, phương thức mã mạng sử dụng phép cộng logic XOR ($\oplus$) để kết hợp hai gói tin thành một bản tin mã hóa duy nhất và phát quảng bá trong 1 khe thời gian, cho phép hai nút đích tự giải mã. Cơ chế này giảm tổng thời gian truyền tải từ 4 khe xuống còn 3 khe thời gian, giúp tiết kiệm băng thông và gia tăng thông lượng mạng.

5. Luận án sử dụng những công cụ mô phỏng và thuật toán đối chuẩn nào để kiểm chứng các đề xuất?

Luận án sử dụng hai công cụ mô phỏng là phần mềm Matlab và phần mềm mô phỏng mạng Network Simulator 2 (NS2). Để kiểm chứng tính hiệu quả về thông lượng của các thuật toán đề xuất, luận án tiến hành so sánh đối chuẩn trực tiếp với các thuật toán định tuyến tiêu chuẩn gồm:

  • Thuật toán tìm đường ngắn nhất Dijkstra.
  • Giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing).
  • Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo chuỗi đích DSDV (Destination Sequenced Distance Vector).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Khánh đã hệ thống hóa các hạn chế của mô hình thiết kế phân lớp truyền thống và chứng minh tính tất yếu của thiết kế xuyên lớp trong việc nâng cao thông lượng mạng adhoc. Tác giả đã đề xuất thành công các giải thuật định tuyến xuyên lớp kết hợp thuật toán cấp phát kênh động DSA (trên các mô hình MAC+NET, PHY+NET và PHY+MAC+NET), thuật toán tối ưu hóa công suất phát và tốc độ truyền tại lớp PHY, cùng giải pháp tích hợp phương thức mã mạng. Toàn bộ các kết quả lý thuyết đều được mô hình hóa toán học chặt chẽ và kiểm chứng qua các kịch bản mô phỏng số đối chứng trên Matlab và NS2 với quy mô mạng lên đến 250 nút. Luận án cũng đã công bố các kết quả nghiên cứu trên 5 công trình khoa học chuyên ngành, đồng thời xác định định hướng mở rộng nghiên cứu xuyên lớp lên tầng vận chuyển TRA trong tương lai.