Luận án Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây Ad hoc của chuẩn ieee 802. 11 edca

L˝I CAM ĐOAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

L˝I CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii

MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU T˚NG QUAN VỀ MẠNG KH˘NG

DÂY ADHOC 8

1.1 Giới thi»u m⁄ng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.1 Định nghĩa m⁄ng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.2 Ki‚n trúc m⁄ng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.3 Công ngh» truy•n thông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.1.4 Mºt sŁ đặc t‰nh cıa m⁄ng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.5 Ứng dụng cıa m⁄ng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Nh¥n tŁ £nh hưởng đ‚n hi»u n«ng m⁄ng adhoc . . . . . . . 18

1.2.1 Hi»n tưæng multipath fading tr¶n đường truy•n . . . . . . 18

1.2.2 Sự suy gi£m t‰n hi»u và dung lưæng k¶nh . . . . . . . . . . 19

1.2.3 Bi‚n đºng v• định tuy‚n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2.4 Tương tranh c¡c luồng dœ li»u t⁄i tƒng LLC . . . . . . . . 21

1.2.5 Tương tranh c¡c luồng dœ li»u t⁄i tƒng MAC . . . . . . . . 24

1.3 Phương ph¡p đ¡nh gi¡ hi»u n«ng m⁄ng adhoc . . . . . . . . 25

1.3.1 Sß dụng mô h nh gi£i t‰ch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3.2 Phương ph¡p thực hi»n mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . 26

pdf160 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 28/02/2022 | Lượt xem: 102 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây Ad hoc của chuẩn ieee 802. 11 edca, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ng số tốt nhất. Điều này, cho thấy giá trị thông lượng và chỉ số công bằng không tỷ lệ thuận với nhau. Việc tìm điểm cân bằng giữa thông lượng và chỉ số công bằng đòi hỏi phải tính đến trong bài toán nâng cao hiệu năng cho mạng adhoc. 49 2.2.5. Kịch bản đánh giá tham số CW Trong kịch bản này, tham số CW được thiết lập cố định theo số liệu tại Bảng 2.7, bao gồm giá trị thay đổi theo các trường hợp Case 1 đến Case 3. Trong đó, các giá trị CW của luồng VI và luồng VO sẽ được giữ nguyên, còn giá trị CW của luồng BE được giảm dần về giá trị nhằm gia tăng cơ hội truy nhập kênh truyền cho luồng. Các tham số AIFS, TXOP sử dụng theo giá trị mặc định của chuẩn IEEE 802.11 EDCA tại Bảng 2.3. Mục đích của các kịch bản này nhằm đánh giá ảnh hưởng tham số CW của luồng có mức độ ưu tiên thấp với luồng có độ ưu tiên cao. Trong mô phỏng này, tốc độ lưu lượng tải G tăng dần theo bước nhẩy là 0.4 [Mbps] đến khi đạt tốc độ lớn nhất 8[Mbps] Bảng 2.7: Các kịch bản đánh giá tham số CW CW Case 1 CW Case 2 CW Case 3 Min Max Max Min Max Min BE 15 31 7 15 2 7 VI 15 31 15 31 15 31 VO 7 15 7 15 7 15 Việc chọn các tham số CW của luồng BE theo nguyên tắc tăng dần giá trị ưu tiên. Ở đây thông lượng của luồng BE được coi là cơ sở nhằm so sánh tỷ lệ thông lượng giữa luồng Voice: Best-effort, và giữa luồng Video:Best-effort khi tải tăng dần đến trạng thái bão hòa. 2.2.6. Phân tích kết quả mô phỏng đánh giá tham số CW Kết quả thông lượng luồng BE đánh giá tham số CW theo các kịch bản được thể hiện tại Hình 2.8. 50 Hình 2.8: Throughput các luồng BE cho từng kịch bản tại Bảng 2.7 Kết quả về chỉ số công bằng các luồng đánh giá tham số CW theo các kịch bản được thể hiện tại Bảng 2.8. Bảng 2.8: Bảng chỉ số công bằng cho các kịch bản theo Bảng 2.7 802.11 EDCA CW Case 1 CW Case 2 CW Case 3 0.6 0.67 0.79 0.77 Từ hai chỉ số đo lường của hiệu năng là thông lượng và độ công bằng thu được qua các kịch bản mô phỏng, luận án đưa ra các nhận xét sau. (1) Kết quả tại Hình 2.8 khi mô phỏng với giá trị CW theo các kịch bản Case 1 đến Case 3, cho thấy khi tải dưới 1.5Mbps, thông lượng của các luồng tăng đều, khi tải mạng tăng lên trên 1.5Mbps thì thông lượng các luồng phân hóa với ưu thế thuộc về luồng Voice và Video. (2) Kết quả về chỉ số Fairness Index tại Bảng 2.8 với giá trị CW theo các kịch bản Case 1 đến Case 3, cho thấy chỉ số Fairness trong trường hợp Case 2 tốt nhất. Điều này cũng cho thấy giá trị thông lượng và chỉ số công bằng không tỷ lệ thuận với nhau. Việc tìm điểm cân bằng giữa thông lượng và chỉ số công bằng đòi hỏi phải tính đến trong bài toán nâng cao hiệu năng cho mạng adhoc 51 2.3. Một số kết luận (1) Tham số TXOP, CW trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA được thiết lập theo giá trị mặc định do IEEE 802.11 đưa ra không phù hợp với mạng adhoc [65, 66, 26, 67] do tô-pô mạng luôn biến đổi trong điều kiện có sự chia sẻ băng thông với các nút láng giềng. (2) Nếu nâng cao chỉ số công bằng thì giá trị thông lượng sẽ bị thu hẹp lại. Hai tham số này được xem là tỷ lệ nghịch nhau. (3) Giá trị tham số TXOP, CW tại các luồng ít ưu tiên nếu được tăng dần sẽ kéo theo việc tăng thông lượng nhưng chỉ số công băng sẽ phá vỡ vì thế việc đảm bảo giữa thông lượng và chỉ số công bằng cần điều chỉnh các giá trị TXOP, CW một cách linh hoạt. 2.4. Kết luận chương Trong chương này, luận án tập trung phân tích cơ chế hoạt động của phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA. Xây dựng các kịch bản mô phỏng khác nhau cho hai tham số quan trọng trong phương thức truy nhập phân tán IEEE 802.11 EDCA để đánh giá tác động đến hiệu năng mạng. Việc đánh giá nhằm xác định vai trò cụ thể của các tham số TXOP và CW đối với luồng Voice, Video và Best-effort theo hai tiêu chí của hiệu năng là thông lượng và độ công bằng. Việc phân tích cơ chế hoạt động của các tham số trong phương thức truy nhập môi trường truyền phân tán nâng cao tại tầng MAC cho ta đánh giá một cách khách quan các mặt mạnh, mặt yếu của từng tham số. Thông qua đó đề xuất xây dựng các giải pháp mới nhằm hạn chế những nhược điểm đang tồn tại. Kết quả từ mô phỏng đưa ra nhiều kết luận quan trọng, trong đó xác định rõ vai trò của tham số TXOP, CW trong IEEE 802.11 EDCA có yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của các luồng dữ liệu. Nhược điểm tồn tại lớn nhất là các tham 52 số được thiết lập theo giá trị mặc định của chuẩn IEEE 802.11 EDCA không phù hợp đối với mạng adhoc. Nội dung của chương này được công bố và thảo luận tại Hội thảo quốc gia lần thứ XXII về “Một số vấn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin và truyền thông” tại CT[7]. 53 CHƯƠNG 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 Trên cơ sở phân tích những hạn chế của tham số TXOP trong IEEE 802.11 EDCA tại chương 2. Trong chương 3 của luận án, tác giả đề xuất một phương pháp mới nhằm điều chỉnh tham số TXOP theo cơ chế động phù hợp với độ ưu tiên của từng loại dữ liệu. Nội dung chính bao gồm: Đặt vấn đề cho bài toán dựa vào những vấn đề còn tồn tại của đối tượng nghiên cứu; Đề xuất ý tưởng, xây dựng mô hình, giải pháp và thuật toán cho phương pháp mới; Thiết lập mô phỏng để kiểm chứng phương pháp đề xuất với phương pháp theo chuẩn mặc định của IEEE 802.11 EDCA; Đánh giá kết quả mô phỏng theo các tiêu chí cơ bản về hiệu năng. 3.1. Đặt vấn đề Giao thức IEEE 802.11 [19] hiện là chuẩn thực tế (de facto) trong việc điều khiển truy nhập kênh truyền thông trong mạng không dây adhoc. Trong đó phiên bản IEEE 802.11e [30] được phê duyệt và hiện trở thành 1 phần của giao thức IEEE 802.11 nhằm hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS cho các ứng dụng đa phương tiện đòi hỏi sự ưu tiên về thông lượng hay nhạy cảm về độ trễ. Chuẩn IEEE 802.11e dựa trên phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) để truy nhập môi trường truyền có phân biệt mức ưu tiên khác nhau cho mỗi loại luồng dữ liệu. Tham số TXOP trong IEEE 802.11 EDCA cho phép một trạm ưu tiên được phép truyền liên tục trong khoảng thời gian TXOP sau khi giành được kênh 54 truyền. Tuy nhiên, việc thiết lập giá trị tham số TXOP theo giá trị mặc định trong phương thức truy nhập IEEE 802.11 EDCA hiện chưa đem lại hiệu năng tối ưu đối với mạng adhoc. Nhiều kết quả nghiên cứu [65, 66, 26, 67] đã chỉ ra rằng khi tải của mạng đạt trạng thái bão hòa, các luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm toàn bộ băng thông của các luồng ưu tiên thấp, dẫn đến sự mất công bằng trong mạng. Từ những vấn đề được nhận diện, bài toán đặt ra là làm thế nào để lựa chọn được giá trị tham số TXOP tối ưu phù hợp với đặc tính mô hình mạng thường xuyên biến đổi của mạng adhoc. Tham số điều chỉnh này phải đảm bảo về thông lượng chung cho các luồng dữ liệu đồng thời cải thiện được chỉ số công bằng ở mức tốt nhất. 3.2. Giải pháp đề xuất 3.2.1. Ý tưởng của phương pháp Ý tưởng của phương pháp là ngăn chặn sự không công bằng xảy ra khi các luồng có độ ưu tiên cao có xu hướng chiếm toàn bộ băng thông của các luồng có độ ưu tiên thấp. Để đạt được mục tiêu như vậy, luận án đề xuất một thuật toán điều chỉnh tham số TXOP cho các luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa vào trọng số được thiết lập trước trong cơ chế truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA. Trong trạng thái mạng bão hòa, khi các luồng dữ liệu yêu cầu thông lượng vượt quá khả năng của băng thông, mỗi loại luồng dữ liệu sẽ nhận được thông lượng theo tỉ lệ phân chia theo trọng số. 3.2.2. Mô hình đề xuất Trong mô hình được đề xuất bởi IEEE 802.11 EDCA [30], cơ chế EDCA cài đặt trên các thực thể chuẩn IEEE 802.11 sử dụng nhiều hàng đợi để nhận và xử lý những frame cần truyền đi, được phân loại tương ứng với từng loại AC (Access Category). Mỗi hàng đợi gán những tham số cố định đặc trưng cho từng AC để tạo các mức ưu tiên tranh chấp khác nhau. Khi đồng thời có nhiều AC cùng đòi hỏi truy nhập đường truyền, AC ứng với mức ưu tiên cao hơn sẽ được 55 quyền truy nhập còn AC có mức ưu tiên thấp hơn phải khởi động thuật toán quay lui giống như xảy ra xung đột ngoại trạm thông thường. Hình 3.1: Mô hình IEEE 802.11 EDCA Trong mô hình đề xuất bởi IEEE 802.11 EDCA, chức năng điều khiển truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao EDCAF (Enhanced Distributed Control Access Function) sẽ thực hiện gán tham số TXOP của AC có mức ưu tiên cao để truy nhập đường truyền. Tuy nhiên, với cơ chế này khi tải của mạng đạt trạng thái bão hòa, các luồng có độ ưu tiên cao sẽ có xu hướng chiếm toàn bộ băng thông của các luồng ưu tiên thấp, dẫn đến sự mất công bằng trong mạng. Để giải quyết vấn đề này luận án đề xuất cải tiến mô hình của IEEE 802.11 EDCA bằng giải pháp tăng cường tổ hợp ba module có chức năng thực hiện tính toán lại giá trị TXOP trước khi hàm điều khiển truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCAF thực hiện cấp phát giá trị TXOP truy nhập đường truyền. Phương pháp đề xuất sẽ điều chỉnh tham số TXOP để thích nghi với tỷ lệ thông lượng giữa các luồng. Nhằm đạt được trạng thái công bằng lý tưởng cho mạng, các luồng dữ liệu được đề xuất gán trọng số ki ứng với các loại dữ liệu có các mức độ ưu tiên khác nhau. Tỷ lệ băng thông mong muốn là 3:2:1 với thứ tự 56 ưu tiên Voice, Video, Best-effort. Ba module đề xuất được mô tả chi tiết dưới đây, gồm. Hình 3.2: Mô hình IEEE 802.11 EDCA với các module đề xuất (1) TXOP-Flow module: Hoạt động tại tầng MAC, có chức năng đếm số luồng trong miền phát. Một luồng được xác định dựa vào địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, địa chỉ MAC nguồn, địa chỉ MAC đích và loại AC trong phần đầu của frame. Ký hiệu số luồng là n, ki là trọng số cho mỗi loại luồng dữ liệu. Trọng số các luồng được thiết lập kV O = 3, kV I = 2, kBE = 1. Đầu ra của module, biến W đưa lại tổng trọng số của các luồng tại nút khảo sát theo công thức. W = n∑ i=1 (ki) (3.1) Trong đó, ki là trọng số của các luồng, n là số luồng. Luồng dữ liệu được xác định dựa trên 5 loại tham số bao gồm: địa chỉ MAC nguồn, địa chỉ MAC đích, địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, loại dữ liệu. Sơ đồ luồng của mô đun được thể hiện tại Hình 3.3 trong đó, đầu vào là các biến W,k được khởi tạo và đầu ra là tổng các luồng có gán trọng số. 57 Hình 3.3: Sơ đồ khối mô tả thuật toán của modun TXOP-Flow Điều kiện thu thập các luồng được thực hiện thông qua việc phát hiện các gói tin trong miền truyền. Việc thu thập tính với các gói tin đi qua nút đó và cả những gói tin đi qua nút hàng xóm những vẫn nằm trong phạm vi truyền. Trong sơ đồ, hàm Decode(packet) trả về thông tin luồng dữ liệu của gói tin. Hàm flow.weight trả về giá trị trọng số k tương ứng với loại dữ liệu. Hàm now() trả về thời gian hiện tại. (2) TXOP-Flow-Active-Time module: Có chức năng đánh giá hiệu suất liên kết thực của một luồng trong khoảng thời gian EP (Estimation Period) định nghĩa trước. U [i] = TActime−time[i] EP (3.2) 58 Trong đó, U [i] là hiệu suất liên kết thực của luồng i, TActive−T ime[i] là tổng thời gian gửi gói tin hiện tại của luồng i. TActive[i] là tổng thời gian gửi nhận gói tin trước đó của luồng i. Hình 3.4: Sơ đồ khối mô tả thuật toán TXOP-Flow-Active-Time Hiệu suất liên kết xác định thông qua việc phân tích thời gian dùng để phát các gói tin trong luồng i với tỷ lệ 80% thời gian gửi nhận hiện tại và 20% thời gian gửi nhận trước đó. Sơ đồ luồng biểu diễn hoạt động của mô đun được thể hiện tại Hình 3.4. 59 (3) AdaptiveTXOP: Module chứa thuật toán điều chỉnh tham số TXOP dựa vào tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế. RSR (Real Share Ratio) và tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng FSR (Fair Share Ratio). Như vậy, trước khi gửi các tham số truy nhập môi trường truyền của 802.11 EDCA cho hàm ADCEF, giá trị TXOP sẽ được tính toán lại. Giá trị điều chỉnh TXOP’[i] sẽ được xác định bởi công thức (3.3). TXOP ′[i] = FSR[i] RSR[i] × TXOP [i] (3.3) Trong đó, FSR[i] là tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng, RSR[i] là tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế, TXOP [i] là giá trị hiện hành chứa khoảng thời gian truyền tối đa của luồng i. Tham số TXOP ′[i] điều chỉnh theo nguyên tắc khi tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế lớn hơn tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng thì module thực hiện giảm giá trị TXOP [i] nhằm gia tăng cơ hội truy nhập kênh truyền cho các luồng khác. Với cơ chế kiểm soát mức độ chia sẻ băng thông linh hoạt dựa vào các thông số đầu vào là tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng FSR và tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR, giúp cho mạng đảm bảo mức phân chia băng thông một cách hợp lý giữa các luồng khi tải mạng tăng cao. Trong trường hợp có những luồng chỉ có các luồng có tải nhỏ, chúng sẽ truy cập kênh truyền dễ dàng hơn và băng thông còn lại sẽ được chia sẻ bởi các luồng khác. Điều này cho phép sử dụng băng thông kênh truyền hiệu quả hơn và đảm bảo cấp phát băng thông công bằng giữa các luồng. Sơ đồ khối mô tả cơ chế hoat động của modun được thể hiện tại Hình 3.5. Trong đó hàm Flows.TXOP-Flow (flow) cho phép trả về tổng trọng số các luồng thu thập được. Hàm Flows.TXOP-Flow-Active-Time(flow) trả về giá trị hiệu suất liên kết thực của luồng. Hàm Decode(packet) trả về thông tin luồng dữ liệu của gói tin. Hàm Flow.append(flow) trả về số luồng dữ liệu. Hàm now() trả về thời gian hiện tại. 60 Hình 3.5: Sơ đồ khối mô tả thuật toán Adaptive-TXOP module 3.2.3. Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP sử dụng kết quả đầu ra từ các module trong mô hình đề xuất. Trong đó, mỗi module đóng vai trò là một hàm con trả về giá trị theo chức năng. Một số thuật toán cơ bản được trình bày dưới đây, bao gồm thuật toán tính tổng số các luồng tại nút i; Tính hiệu suất liên kết thực của từng luồng; Tính tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng FSR;Tính tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR;Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP. 61 Thuật toán 3.1 Tính tổng số các luồng tại nút i INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi phát các luồng dữ liệu VO, VI, BE. OUTPUT: Trả về giá trị W là tổng trọng số các luồng thu thập được. 1: Khởi tạo các biến EP = 2s,W = 0 //Gán trọng số cho các luồng 2: Gán kV O = 3; kV I = 2; kBE = 1. 3: repeat 4: //Giải mã gói tin 5: flow = Decode(packet) ; Flows.append(flow) //Tính tổng các trọng số các luồng 6: W = ∑n i=1(ki). 7: until (Quá thời gian EP) 8: Trả về giá trị W . Thuật toán 3.2 Tính hiệu suất liên kết thực của từng luồng INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi phát các luồng dữ liệu VO, VI, BE. OUTPUT: Giá trị hiệu suất liên kết thực của từng luồng i. 1: Khởi tạo các biến TActive−T ime[i] = 0;TActive[i] = 0 2: for (trong mỗi khoảng thời gian EP) do 3: //Thực hiện tính thời gian phát gói tin 4: Tính: TActive−T ime[i] = 0.8× TActive−T ime[i] + 0.2× TActive[i] 5: for (với mỗi gói tin p) do 6: if (trường địa chỉ đến p→ destID == localID) then 7: if (trường gói tin điều khiển là CTS → Type = CTS) then 8: //Thực hiện tính khoảng thời gian trao đổi các gói tin điều khiển 9: TActive[i] = TActive[i] + TRTS + TCTS 10: if (trường gói tin điều khiển p→ Type = ACK) then 11: //Thực hiện tính khoảng thời gian trao đổi dữ liệu. 12: TActive[i] = TActive[i] + TDATA + TACK 13: end if 14: end if 15: end if 16: end for 17: end for 18: Trả về giá trị TActive−T ime[i]. 62 Thuật toán 3.3 Tính tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng FSR INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi phát các luồng dữ liệu VO, VI, BE. OUTPUT: Giá trị tỷ lệ chia sẻ băng thông công bằng FSR, . 1: //Khởi tạo các biến 2: EP = 2s;W = 0;FSR = 0 3: //Gán trọng số cho các luồng 4: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 1. 5: for (trong mỗi khoảng thời gian EP) do 6: //Gọi hàm tính tổng trọng số các luồng 7: W = Flows.TXOP-Flow.Weight (flow) 8: //Thực hiện tính tỷ lệ chia sẻ công bằng trên mỗi luồng 9: FSR = ki W . 10: end for 11: Trả về giá trị FSR. Thuật toán 3.4 Tính tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR(Real Share Ratio) INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi truyền các luồng dữ liệu VO, VI, BE. OUTPUT: Giá trị tỷ lệ chia sẻ băng thông thực tế RSR. 1: //Khởi tạo các biến 2: EP = 2s;W = 0;RSR = 0 3: //Gán trọng số cho các luồng 4: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 1. 5: for (trong mỗi khoảng thời gian EP) do 6: //Gọi hàm tính giá trị hiệu suất liên kết thực 7: TActive−T ime[i] = Flows.TXOP_Flow_Active_Time(flow) 8: //Thực hiện tính tỷ lệ chia sẻ thực tế trên mỗi luồng 9: RSR = TActime−T ime[i] EP . 10: end for 11: Trả về giá trị RSR. 63 Thuật toán 3.5 Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP INPUT: Một topo mạng adhoc, nút gửi truyền các luồng dữ liệu VO, VI, BE. OUTPUT: Giá trị điều chỉnh TXOP ′[i]. 1: //Khởi tạo các biến 2: EP = 2s,W = 0, RSR = 0, FSR = 0 3: //Gán trọng số cho các luồng 4: kV O = 3; kV I = 2; kBE = 1. 5: for (trong mỗi khoảng thời gian EP) do 6: //Gọi hàm tính giá trị chia sẻ băng thông công bằng 7: FSR[i] = Fair_Share_Ratio.Get(flow) 8: //Gọi hàm tính giá trị chia sẻ băng thông thực tế 9: RSR[i] = Real_Share_Ratio.Get(flow) 10: //Thực hiện tính lại giá trị TXOP mới 11: TXOP ′[i] = FSR[i] RSR[i] × TXOP [i]. 12: end for 13: Trả về giá trị TXOP ′[i]. 3.3. Hàm mục tiêu và chỉ số đo lường của đề xuất Hai chỉ số quan trọng được sử dụng để đánh giá hiệu năng là thông lượng và độ công bằng. Với chỉ số công bằng, áp dụng cho các luồng không có ưu tiên, trường hợp tốt nhất xảy ra, khi thông lượng của các luồng bằng nhau, lúc đó chỉ số công bằng sẽ tiệm cận tới 1. Trường hợp xấu nhất, khi có 1 luồng chiếm toàn bộ băng thông và các luồng còn lại bằng không, chỉ số công bằng lúc này là 1/n. Trong đề xuất này, để đánh giá độ công bằng về thông lượng giữa các luồng dữ liệu có độ ưu tiên khác nhau trong mạng adhoc. Luận án đề xuất trọng số ki ứng với các loại dữ liệu có các mức độ ưu tiên khác nhau. Mạng đạt trạng thái công bằng lý tưởng nếu: x1 k1 = x2 k2 = ... = xn kn (3.4) 64 Trong đó, n là số luồng, xi là thông lượng của luồng dữ liệu i với trọng số tương ứng là ki. (1) Chỉ số công bằng (Fairness Index): Áp dụng công thức tính chỉ số công bằng (Fairness Index) được định nghĩa bởi R. Jain [64], công thức xác định chỉ số công bằng trong mạng có các luồng dữ liệu theo độ ưu tiên khác nhau, được phát biểu như sau: FairnessIndex = ( ∑n i=1 xi ki )2 n×∑ni=1(xiki )2 (3.5) Bảng dưới đây phân mức đánh giá chỉ số fairness theo trọng số thu được. Bảng 3.1: Bảng phân mức chỉ số Fairness từ cao đến thấp Mức đánh giá Fairness Index Index Very good 0.9-1 4 Good 0.7-0.9 3 Good enough 0.4-0.6 2 Bad < 0.3 1 (2) Thông lượng tổng cộng (Total throughput): Giá trị thông lượng tổng cộng được định nghĩa bằng tổng các thông lượng của toàn bộ các luồng trong mô phỏng theo công thức tại (2.5). Với chỉ số thông lượng, hàm mục tiêu hướng tới là tiệm cận thông lượng tốt nhất theo lý thuyết đồng thời đảm bảo tỷ lệ thông lượng được phân chia. Thông lượng theo lý thuyết được tính theo công thức: Throughput(Mb/s) = Amountofdata(bits) Transmissiontime(s) (3.6) Trong đó, thời gian truyền dữ liệu phụ thuộc vào đặc điểm của từng chuẩn với các thông số khác nhau tại tầng vật lý như tham số DIFS, SIFS, Slotime, giá trị PLCP. 65 3.4. Thực hiện mô phỏng Để đánh giá hiệu năng của phương pháp đề xuất, công cụ mô phỏng NS2 được lựa chọn sử dụng. Đây là phần mềm có độ tin cậy cao và phổ biến trong giới nghiên cứu học thuật. Việc sử dụng NS2 cũng mang lại lợi điểm cho việc khai thác các kho thư viện phong phú đóng góp từ cộng đồng nghiên cứu rộng lớn. Mô phỏng sử dụng hai chỉ số đo lường theo công thức (3.5) và (2.5) để đánh giá tính hiệu quả giữa phương pháp thiết lập giá trị TXOP mặc định theo IEEE 802.11 EDCA và phương pháp đề xuất điêu khiên giá trị TXOP động. Các tham số mô phỏng chung sử dụng theo bảng Bảng 3.2. Bộ tham số theo giá trị mặc định của IEEE 802.11 EDCA sử dụng theo Bảng 2.3. Tham số EP = 2 (s). Trọng số các loại dữ liệu kV O : 3, kV I : 2, kBE : 1. Tỷ lệ tải của luồng Voice là 3G, của luồng Video là 2G và Best-effort là 1G. Tốc độ lưu lượng tải G tăng dần theo bước nhẩy là 0.4 [Mbps] đến khi đạt tốc độ lớn nhất 8 [Mbps]. Bảng 3.2: Các tham số mô phỏng Thông số Giá trị Channel data rate 11 Mbps. Antenna type Omni direction. Radio Propagation Two-ray ground. Transmission range 250 m. Carrier Sensing range 550 m. MAC protocol IEEE 802.11e. Connection type UDP/CBR. Buffer size 100 packet. Simulation time 300s. 66 3.4.1. Mô hình đơn chặng với tham số TXOP động Trong kịch bản này, mô hình đơn chặng, gồm một nút phát S và một nút nhận D như Hình 3.6. Nút phát S gửi 3 luồng Best-effort, Video and Voice tới nút D. Mô hình đơn chặng, giúp quan sát tính cạnh tranh giữa các luồng trong cùng một nút phát. Hình 3.6: Kịch bản đơn chặng với 3 luồng dữ liệu 3.4.2. Mô hình đa chặng với tham số TXOP động (i) Kịch bản đa chặng cơ bản Trong kịch bản này, mô hình thực hiện gồm 3 nút, nút S2 nằm trong miền phát sóng của nút S1 và nút S1 nằm trong miền phát của nút D. Nút nguồn S2 sẽ gửi ba luồng dữ liệu Best-effort, Video and Voice tới node D qua nút S1 như hình 3.10. Trong mô hình đa chặng giúp quan sát thêm tính cạnh tranh giữa các nút bên ngoài. Hình 3.7: Kịch bản đa chặng với 3 luồng dữ liệu (ii) Kịch bản đa chặng nâng cao Trong kịch bản này, mô hình gồm 5 nút, gồm S4, S3, S2, S1, D có tọa độ như Hình 3.8 và Hình 3.9. Các nút khởi tạo ba 67 luồng dữ liệu Best-effort, Video and Voice tới node D. Thông lượng thu được tại nút D được dùng để đánh giá theo sự tăng dần của tải. Phương pháp đa chặng nâng cao giúp quan sát đầy đủ hơn tính cạnh tranh giữa các luồng khi có nhiều nút trung gian. Hình 3.8: Kịch bản đa chặng 5 nút với 3 luồng dữ liệu Hình 3.9: Kịch bản đa chặng hỗn hợp với 3 luồng dữ liệu 3.5. Phân tích, đánh giá mô phỏng Phần mềm Network Simulator (NS-2) [14] được sử dụng để xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng của phương án đề xuất. Mô phỏng được 68 thưc hiên nhằm so sánh mức độ hiệu quả giữa phương pháp đề xuất và phương pháp theo tiêu chuẩn IEEE 802.11 EDCA. Việc đánh giá thực hiện qua các chỉ số đo lường dưới đây. 3.5.1. Phân tích kết quả mô phỏng (1) Mô hình đơn chặng Kết quả về thông lượng của các luồng Voice, Video và Best-effort giữa hai phương pháp được thể hiện tại các hình 3.10 và hình 3.11. Hình 3.10: Throughput các luồng theo tham số IEEE 802.11 EDCA Hình 3.11: Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất So sánh kết quả thông lượng giữa các luồng Voice, Video và Best-effort tại 69 Hình 3.10 và Hình 3.11, chúng ta thấy rằng thông lượng luồng Best-effort theo phương pháp đề xuất được cải thiện đáng kể trong khi thông lượng của các luồng Voice và Video bị suy giảm so với phương pháp thiết lập tham số theo giá trị mặc định của chuẩn IEEE 802.11 EDCA. Hình 3.12: So sánh chỉ số Fairness của hai phương pháp Chỉ số công bằng giữa các luồng được chỉ ra trong hình 3.12, cho thấy khi tải mạng dưới 2.5Mbps, chỉ số công bằng của hai phương pháp là tương đương, nhưng khi tải mạng trên 2.5Mbps chỉ số công bằng của phương pháp đề xuất vượt trội so với phương pháp thiết lập tham số TXOP mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA. Hình 3.13: So sánh tổng Throughput của hai phương pháp 70 Đồ thị so sánh tổng thông lượng tại Hình 3.13, cho thấy khi tải mạng nhỏ, tổng thông lượng của hai phương pháp giống nhau, nhưng khi tải mạng lớn, tổng thông lượng của phương pháp đề xuất giảm nhẹ. (2) Mô hình đa chặng (i) Kịch bản đa chặng cơ bản: Kết quả mô phỏng về tổng thông lượng giữa các luồng dữ liệu giữa phương pháp đề xuất với phương pháp thiết lập giá trị mặc định theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA được biểu diễn tại Hình 3.14 và Hình 3.15. Hình 3.14: Tổng Throughput các luồng theo IEEE 802.11 EDCA Hình 3.15: Tổng Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất Hình 3.16 biểu diễn kết quả các luồng dữ liệu từ nút S1 đến nút đích D và 71 từ nút S2 đến nút đích D theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA. Việc thực hiện tính toán dựa trên từng nút, bằng cách thu thập tất cả các luồng dữ liệu trong phạm vi truyền bao gồm cả những luồng đi qua nút đó và những luồng không đi qua nút đó. Hình 3.16: Throughput các luồng theo IEEE 802.11 EDCA Hình 3.17 biểu diễn kết quả các luồng dữ liệu từ nút S1 đến nút đích D và từ nút S2 đến nút đích D theo phương pháp đề xuất. Hình 3.17: Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất So sánh kết quả tại Hình 3.14, Hình 3.16 theo phương pháp dùng tham số TXOP mặc định của chuẩn IEEE 802.11 EDCA và kết quả tại Hình 3.15, Hình 3.17 theo phương pháp đề xuất tham số TXOP động, cho thấy thông lượng các 72 luồng Voice, Video và Best-effort thu được từ phương pháp đề xuất đưa lại tỷ lệ giữa các luồng cân bằng hơn. Hình 3.18: So sánh tổng Throughput của hai phương pháp Hình 3.18 biểu diễn tổng thông lượng của các luồng theo hai phương pháp. Đồ thị cho thấy khi tải mạng nhỏ, thông lượng của hai phương pháp giống nhau, khi tải mạng tăng lên tổng thông lượng của phương pháp đề xuất có sự chênh lệch nhẹ. Hình 3.19: So sánh chỉ số Fairness của hai phương pháp Hình 3.19 mô tả chỉ số công bằng của hai phương pháp, kết quả cho thấy phương pháp đề xuất tham số TXOP độn

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nang_cao_hieu_nang_thong_luong_va_do_cong_bang_trong.pdf
Tài liệu liên quan