- Trang Chủ
- Kĩ thuật Viễn thông
- Thiết kế băng thông mạng truyền tải thông tin đo lường khi thử nghiệm và vận hành thiết bị bay không người lái
Xem mẫu
- Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ
THIẾT
THIẾT KẾ BĂNG THÔNG MẠNG TRUYỀN TẢI THÔNG TIN
ĐO LƯ
LƯỜNG
ỜNG KHI THỬ NGHIỆM V
VÀÀVVẬN
ẬN H
HÀNH
ÀNH
THIẾT BỊ BAY KHÔNG NG
THIẾT NGƯƯỜI
ỜI LÁI
ễn Tiến Phát1*, Nguy
Nguyễn
Nguy Nguyễn
ễn Huy Ho àng1, Ph
Hoàng Phạm
ạm Hoàng Long 2
Hoàng
tắt: M
Tóm tắt: Mụcục tiêu
tiêu ccủa
ủa nghi
nghiên
ên ccứu
ứu này
này là gigiải
ải quyết bài
bài toán ho
hoạch
ạch định băng
thông kênh ccủaủa mạng truyền số liệu khi thử nghiệm vvàà vvận ận hhành
ành thi
thiết
ết bị bay không
người lái.
người lái. Thời
Thời gian truyền tải khung thông tin đo llư ường
ờng đđược
ợc mô tả bằng phân bố
Erlang
rlang bbậc
ậc hai với sự ự bổ sung th
thành
ành ph
phầnần hằng số. Phân bố thời gian truyền tải
khung thông tin đo lư lường
ờng được
đ ợc tính toán bằng việc ứng dụng lý thuyết hhàm àm gi
giải
ải tích
biến phức. Giải pháp tối ưu được
biến được tìm
tìm ra bbằng
ằng ứng dụng giải thuật di truyền khi gigiới
ới
hạn
ạn thời gi
gian
an truy
truyền
ền tải khung dữ liệu vvàà đđại
ại lượng
l ợng băng thông dự bị kkênh.
ênh.
Từ khóa Thiết
ừ khóa: hiết bị bay không nngười
ời lái, Mạng truyền số liệu, B
Băng
ăng thông, gi
giải
ải thuật di truyền
truyền.
1. M
MỞ
Ở ĐẦU
Trong quá
quá trìình
nh thử
th nghiệm
nghiệm và v vvận
ận hàànhnh cáác thiết
thiết bbị hhàng
ng khô
không vàà vũ ũ tr
trụ, ccácc
thi bị bay di chuy
thiết chuyển ển từ
ừ vùùng
ng theo dõõi ccủa
ủa trạm
ạm đoo lưường
ờng nnày sang vùùng theo dõii
của
ủa tr
trạm
ạm khá
khác. V Vìì vậy
ậy lưưu lượng
ợng th
thông
ng tin truyền
truyền tải
ải trong ththời
ời gian th
thực vềề trung
tâm m đđiều
ều hành
h nh llà liliênn lục
ục thay đổi.
đ . Sự ự ch
chậm
ậm trễ
tr hay m mất máát thông
th ng tin do tr tràn bộ ộ
nh trong cácc thi
nhớ thiết
ết bbị đđịnh
ịnh tuyến
tuyến llà kh
khôông hềề mong mu muốn ốn vàà có ó thể
th ddẫn
ẫn tới
ới gi
giánn
đooạn
ạn quá
qu trình
tr nh th
thử
ử nghi
nghiệm
ệm vàà vận
ận hànhnh.. Nhiệm
Nhiệm vụ đảm ảm bảo ảo băng
b ng thông
th ng cần ần thi
thiếtết
cho ccácc kêênhnh liêên llạc đểể phục
phục vụ ụ qu
quáá trình
nh vận
vận chuyển
chuyển kịp ịp th
thời
ời thông
th ng tin đođ lường
ờng
làà hết
ết sức
ức cần
cần thi
thiết
ết.
Mục tiêu
Mục tiêu của
của nghiên ccứu ứu nnày
ày là xác đđịnh
ịnh giá trị băng thông của các kkênh ênh truy
truyềnền
tải
ải trong mạng thông tin phục vụ thử nghiệm, vận hhành ành thi
thiết
ết bị bay. Quá tr trình
ình đđảm
ảm
bảo
ảo thông tin đđư ược
ợc diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận llưu ưu
lượng tải gây ra bởi sự thay đđổi
lượng ổi quỹ đạo di chuyển của các thiết bị bay (TBB) (TBB).
Cấu
ấu trúc tổng quát của mạng truyền tải thông tin đo llư ường
ờng trong thử nghiệm vvàà
vậnận hhành
ành thiết
thiết bị bay biểu diễn tr trên
ên hình 1. Thông th thường,
ờng, nó có dạng hhình ình cây vvớiới
định
ịnh tuyến linh động bởi lẽ tọa độ địa llýý ccủa ủa các vật thể bay llàà liên tục
tục thay đổi.
Hình 1. Cấu
Cấu trúc mạng truyền tải thông tin đo llư
ường
ờng.
Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 53
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
Từ hình 1 có thể nhận thấy TBB1 di chuyển theo quỹ đạo 1, lúc đầu được theo
dõi bởi hai trạm đo (vùng 1), sau đó, được bám sát bởi hai trạm đo khác ở vùng 2
và cuối cùng là bởi một trạm đo ở vùng 3. Ở các vùng số 4 và số 5 thì bố trí các
trạm đo để truyền tải thông tin về di chuyển của TBB2. Đối với mỗi kênh truyền
tải trong mạng cần thiết phải tính toán được phân bố thời gian truyền khung dữ liệu
thông tin từ thiết bị định tuyến của vùng về trung tâm điều hành.
2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Phát triển các hệ thống, phương pháp truyền tải thông tin chuyên dụng đang là
hướng nghiên cứu chính của nhiều trung tâm và nhà khoa học trên thế giới.
Phát triển phương pháp và cấu trúc tăng cường hiệu quả trao đổi thông tin trong
các hệ thống phân tán thu thập thông tin đo đạc [4]. Đảm bảo độ tin cậy cần thiết
và vận chuyển kịp thời thông tin đo đạc đến trung tâm xử lý trong thời gian thực
bằng sự tăng số lần gửi gói dữ liệu được thực hiện qua giao thức UDP trong lớp
vận chuyển. Có thể chỉ ra một loạt những công trình nghiên cứu trên cơ sở hoàn
thiện các giao thức lớp thứ tư của mô hình OSI [5]. Hiện nay, dung lượng truyền
tải thông tin quỹ đạo, đo đạc, âm thanh địa chấn và các loại thông tin khác ngày
càng tăng. Để truyền tải thông tin đo đạc trong thời gian thực, việc ứng dụng khái
niệm mạng định nghĩa bởi phần mềm (SDN) là có triển vọng khả quan [6, 7, 8].
Nhóm các nhà khoa học đại học Princeton (Hoa Kỳ) như Rexford J., Suchara M.,
Bresler M., Chiang M…đã phát triển giao thức định tuyến lưu lượng đa đường
TRUMP (TRaffic-management Using Multipath Protocol) [9]. Đây là giao thức
quản lý lưu lượng mang tính chất phân tán, thích nghi, tin cậy, mềm dẻo và đơn
giản trong quản lý và định hướng trên chuẩn OpenFlow. Giao thức TRUMP sử
dụng hồi tiếp khi định tuyến đa đường đòi hỏi tương tác giữa điểm bắt đầu và
những nút trung gian từ đầu đến cuối chặng và quy ước lưu lượng chồng chất đối
với truyền tải tin.
Sự khác biệt quan trọng của mạng chuyên dụng so với mạng thông thường là sử
dụng các công nghệ mạng đặc biệt ở các trạm thuê bao lớn (trung tâm tính toán,
trạm xuất phát, khu vực kết thúc). Trong một công trình công bố năm 1982 của
Valiant L.G. đã mô tả phương pháp định tuyến hai trạm với sự phân bố tải lên tất
cả các tuyến song song (định tuyến VLB) [10]. Nhờ đó mà nâng cao đặc tính xác
suất thời gian và độ tin cậy của mạng lưới. Định tuyến VLB đã được sử dụng trong
xây dựng các thiết bị định tuyến [11]; trong quản lý lưu lượng mạng Internet [12];
và trong điều khiển mạng lưới chính trên cơ sở kịch bản hỏng hóc [13]… Hạn chế
của mạng VLB là sự tăng dung lượng các kết nối để đảm bảo hiệu suất và độ tin
cậy. Tuy nhiên, sử dụng định tuyến VLB và tăng cường chi phí trong mạng chuyên
dụng là hoàn toàn xứng đáng, bởi lẽ khi hoạt động và thử nghiệm thiết bị bay
không người lái có sự tham gia của nhiều người và số lượng lớn các phương tiện
kỹ thuật. Sự gián đoạn công việc liên quan đến việc tắc nghẽn thu thập thông tin là
không cho phép.
Liên quan đến vấn đề tối ưu mạng truyền tải thông tin chuyên dụng, thời gian
gần đây trong một số công bố trong nước đã nghiên cứu và đề xuất các phương
pháp giảm độ trễ truyền tải cũng như giảm năng lượng tiêu hao trong quá trình
hoạt động của mạng lưới.
54 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
Trong một công trình công bố năm 2016 của hai tác giả Phạm Văn Trung và
Phạm Văn Tho đăng trên tạp chí khoa học và công nghệ của trường Đại học
Phạm Văn Đồng đã đề xuất “Thuật toán tối ưu thời gian trễ tập hợp dữ liệu dựa
trên cơ chế chống xung đột trong mạng cảm biến không dây” [14]. Cấu trúc của
mạng cảm biến không dây gồm nhiều nút cảm biến không dây được đặt trong
một khu vực xác định nhằm mục đích giám sát môi trường, cứu hộ, cảnh báo
cháy nổ… Các tác giả đã xây dựng một thuật toán để tính toán một lịch trình tập
hợp dữ liệu sao cho không xảy ra xung đột tại các phiên truyền dữ liệu. Trên cơ
sở mô phỏng đánh giá hiệu quả của phương pháp với các mạng cảm biến bao
gồm từ 150 đến 550 nút được thiết lập ngẫu nhiên trong khu vực bán kính
50x50m, các tác giả đã chứng minh được rằng phương pháp đề xuất sử dụng ít
khoảng thời gian tập hợp dữ liệu hơn phương pháp dùng backbone [15]. Thuật
toán đề xuất đã tối ưu hóa thời gian trễ trong tập hợp dữ liệu bằng cách giảm
xung đột truyền thông tin tại các nút mạng.
Trong bài báo “Giải thuật Heuristic và di truyền giải bài toán định tuyến đa
điểm trên mạng cảm biến không dây nhiệm vụ tuần hoàn” của nhóm tác giả
Nguyễn Thái Dương, Huỳnh Thị Thanh Bình và Ngô Hồng Sơn đã tiến hành
nghiên cứu vấn đề định tuyến đa điểm (multicast) cho mạng cảm biến không dây
nhiệm vụ tuần hoàn (DC-WSN) [16]. Đặc trưng của loại mạng cảm biến không dây
này là các nút cảm biến hoạt động tuần hoàn theo chu kỳ và không bắt buộc phải
hoạt động liên tục. Quá trình truyền dữ liệu đa điểm được thực hiện thường xuyên
trong hoạt động của mạng, do đó, cần thiết phải thiết kế một giao thức multicast
hiệu quả về mặt năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Bài toán MEM
(Minimum-Energy Multicasting) đã được chứng minh thuộc lớp NP-hard và
thường được giải quyết bằng các thuật toán xấp xỉ. Nhóm tác giả đã đề xuất một
giải thuật heuristic (HMEM) và một giải thuật di truyền (GAMEM) nhằm mang lại
lời giải có mức năng lượng tiêu thụ tốt hơn cho bài toán MEM. Bản chất của ý
tưởng này là cực tiểu hóa độ trễ truyền tin từ nút gốc đến mọi nút terminal bằng
cách tìm đường đi ngắn nhất giữa các nút này, từ đó làm giảm tiêu hao năng lượng
trong quá trình truyền và nhận dữ liệu. Tuy nhiên, bài báo tập trung vào mục tiêu
tối ưu hóa độ trễ truyền tải dữ liệu mà chưa đặt nó trong ràng buộc phải tránh xung
đột khi hai hoặc nhiều hơn các nút mạng cùng gửi, nhận dữ liệu trên cùng một
đường truyền chia sẻ.
Chúng tôi đề xuất xây dựng hệ thống truyền tải thông tin đo lường trong thử
nghiệm và vận hành thiết bị bay trên cơ sở công nghệ SDN (Software Defined
Networking). Hiện nay, đây là công nghệ mạng hoàn thiện hơn cả đối với mạng
Internet nói chung và các hệ thống mạng chuyên dụng thời gian thực nói riêng. Đối
với SDN, trong các máy chủ riêng biệt được tăng cường độ tin cậy, chạy hệ điều
hành NOS. Máy chủ NOS thông qua các nút mạng nhận được cấu trúc mạng tổng
thể và biểu diễn nó để quản lý ở dạng sơ đồ. Việc quản lý quy về việc xác định các
chính sách làm việc của các nút mạng (tách biệt người dùng, kiểm soát truy cập,
QoS…). Hiện thực những chính sách này là nhiệm vụ của NOS. Trên tầng quản lý
tiến hành ảo hóa các chức năng mạng NFV để xác định ai có thể liên kết với mạng,
chức năng nào mà người dùng nào được tiếp cận… NFV thực thi thông qua sơ đồ
mạng các chức năng như thông dịch địa chỉ, tham số tường lửa, nhận diện xâm
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 55
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
phạm, DNS, bộ nhớ đệm… trưng dụng các chức năng này của phần cứng các nút
mạng. Hiện nay các chức năng này có thể cấu hình bằng phần mềm. Với sự trợ
giúp của giao thức OpenFlow, NOS chuyển cấu hình tổng thể của cấu trúc mạng
sang thiết bị vật lý thực tế (thiết bị định tuyến, chuyển mạch, tường lửa,
controller…), cũng như tiếp nhận thông tin về cấu trúc tổng quát của mạng.
Tóm lại, đối với mạng truyền thông tin đo lường chuyên dụng cần đặt ra yêu cầu
rất cao về tốc độ truyền tin và độ ổn định trong điều kiện thay đổi liên tục lưu lượng
tải sản sinh ra trong quá trình thử nghiệm và vận hành các thiết bị bay. Giải quyết
vấn đề xây dựng mạng lưới để truyền tải khối lượng lớn thông tin, đặc biệt là thông
tin hình ảnh sẽ gặp những trở ngại lớn nếu như không sử dụng công nghệ mạng định
nghĩa bởi phần mềm SDN. Sử dụng SDN cho phép người thiết kế mạng lưới thực thi
các phương pháp, thuật toán và chương trình dưới dạng code trong các controller của
hệ điều hành quản trị các thiết bị định tuyến truyền số liệu. Bản chất là quá trình tách
gói tin từ các trạm đo ra các gói con để truyền tải song song, quá trình định tuyến đa
luồng, các tác vụ liên quan đến bảo đảm độ ổn định mạng lưới.
3. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT
3.1. Mô hình truyền dữ liệu trên kênh đơn
Thời gian truyền khung dữ liệu thông tin trên kênh đơn có thể biểu diễn bằng
công thức: t T , trong đó, T – Thành phần hằng số, – Thành phần biến số,
hay còn gọi là “jitter”. Để mô phỏng giá trị jitter chúng tôi sử dụng phân bố chuẩn
Erlang, tức là phân bố của tổng k đại lượng ngẫu nhiên độc lập, mỗi đại lượng
ngẫu nhiên lại có phân bố mũ với tham số là k .
Hàm phân bố của phân bố chuẩn Erlang xác định bằng biểu thức [1]:
i
Fk x 1 e k x
k 1
k x
i 0 i!
(1)
Hàm mật độ của phân bố chuẩn Erlang xác định bằng biểu thức [1]:
k 1
k k x
fk x e k x (2)
k 1 !
Hình 2. Mật độ phân bố Erlang.
56 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
Trên hình 2 biểu diễn mật độ phân bố Erlang khi tham số 1 đối với các giá
trị tham số: k 1, k 2, k 16 .
Để mô phỏng sự thay đổi độ trễ của gói dữ liệu khi truyền trên một kênh có thể
sử dụng các giá trị 0,5 , 1 hoặc 2 để phù hợp với thực tế [17].
Hàm sinh moment của phân bố chuẩn Erlang [1]:
k
k
M s (3)
k s
Trên hình 3 biểu diễn mô hình mô phỏng độ trễ và biến thiên của nó trong
truyền tải gói dữ liệu thông qua một nút mạng.
Hình 3. Mô hình biến thiên độ trễ truyền tải gói dữ liệu
thông qua một nút mạng.
Hàm sinh moment tương đương của thời gian truyền tải:
k
k
sT
M E s M1 s M 2 s e (4)
k s
Các đặc tính số của phân bố, cụ thể là moment bậc nhất, bậc hai cũng như
phương sai được tính theo các công thức:
1 2T 3 1
1I T ; 2 I T 2 2 ; I2 . (5)
2 2 2
Đối với hàm M E s tiến hành đổi biến z s , hàm nhận được đặt tên là
ΦE z :
k
k zT
ФE z e (6)
k z
Nếu như hàm ΦE z trong nửa mặt phẳng phức Re z 0 thỏa mãn điều kiện
của bổ đề Jordan thì tích phân đường Bromwich bằng tổng các thặng dư của hàm
ΦE z đối với tất cả các điểm đặc biệt [1]. Mật độ phân bố xác suất của thời gian
truyền tải gói dữ liệu trên kênh liên lạc:
i n
1 zt
t e ΦE
z d z Re s e z tΦE z . (7)
2πi i k 1 z z k
Để thỏa mãn điều kiện của bổ đề Jordan, trong nửa mặt phẳng phức bên trái,
hàm ΦE z phải khả tích ngoại trừ tại một số hữu hạn các điểm cực và tiến dần
đều đến 0 khi z .
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 57
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
Hàm Φ z λ λ z của phân bố mũ hội tụ đều về 0 đối với arg z khi
α
z , và có điểm cực z . Hàm Φ z λ α λ z của phân bố Erlang
hội tụ đều về 0 đối với arg z khi z , và có điểm cực bậc α tại điểm
z .
Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền tải gói dữ liệu tính theo công thức [1]:
i k
1 k z t T
t e dz (8)
2 i i k z
Trong tính toán thực tiễn lấy giá trị k 2 để phù hợp với phân bố của thời gian
truyền tải gói dữ liệu, vì vậy:
i 2
1 z t T 2
t e dz.
2 i i
(9)
2 z
2
2
Hàm tại điểm z 2 có điểm cực bậc 2.
2 z
Vì vậy:
n 1 n zt
1 d z z e z
k
t c 1 lim n 1
n 1! k
z z dz
2 (10)
2 z t T 2
d z 2 e
2 z
lim 4 2 t T e 2 t T , t T .
z 2 dz
Hàm phân bố của thời gian truyền tải gói dữ liệu
t
F t I t dt 1 e 2 t T 1 2 t T , t T . (11)
T
3.2. Truyền dữ liệu trên kênh hợp thể song song
Hàm sinh moment thỏa mãn tính chất sau đây: Nếu đại lượng ngẫu nhiên là
hàm của đại lượng ngẫu nhiên với a b , trong đó a và b là hằng số thì
M M a e ib , với M và M là các hàm sinh moment của đại
lượng ngẫu nhiên và tương ứng.
Nếu một gói tin có độ dài quy ước được truyền tải trên kênh liên lạc với thời
gian t thì một gói tin có độ dài nhỏ hơn r lần độ dài quy ước cũng sẽ được truyền
tải trên kênh với thời gian nhỏ hơn xấp xỉ r lần của t. Kết luận này phù hợp với các
đo đạc trong thực tế. Đối với trường hợp truyền qua kênh liên lạc gói dữ liệu có độ
dài nhỏ hơn r lần độ dài quy ước s có nghĩa là thay s bằng s r ( a 1 r ) vào biểu
thức (4):
58 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
sT k
rk
M r s e
r
(12)
rk s
Thay M r s vào biểu thức (6) và biểu thức (8) ta thu được:
zT k
rk
Ф( r ) z e r
(13)
rk z
i i T k
1 zt 1 z t rk
r t e z d z e r
dz (14)
2 i i 2 i i
rk z
Khi thay k 2 :
i T 2
1 zt 2r
r t e r
dz (15)
2 i i
2r z
2
2r
z 2 r là điểm cực bậc 2 của hàm , mật độ phân bố thời gian
2r z
truyền gói dữ liệu có độ dài ngắn hơn r lần độ dài quy ước:
n 1 n zt
1 d z z e z
k
r t c 1 lim n 1
n 1! z z k dz
T 2 (16)
2 z t r 2r
d z 2r e
2r z 2 2
T
T 2 r t r
lim 4 r t e ,
z 2 r dz r
Hàm phân bố:
T
F r t 1 e 2 r t T 2 rt T 1 , t 0 (17)
r
Xem xét đặc tính của 2 kênh truyền song song. Khi r 2 thì hàm phân bố thời
gian truyền gói dữ liệu sẽ giảm đi hai lần so với thời gian truyền gói dữ liệu có độ
dài quy ước ban đầu.
T
F 2 t 1 e 2 2t T 2 2t T 1 , t 0 (18)
2
Trong trường hợp phân bố đều thông tin theo các đường khác nhau của kênh
hợp thể. Đánh dấu các ký tự I, II, III biểu thị tương ứng truyền tải một, hai hay ba
đường của kênh hợp thể. Khi hai kênh truyền hoạt động song song thì thời điểm
kết thúc việc truyền dữ liệu được xác định khi kết thúc việc truyền gói dữ liệu cuối
cùng. Thời gian thực hiện thao tác định dạng lại đối với các gói tin ở bên nhận,
được coi là rất nhỏ so với thời gian truyền gói tin đó trên kênh liên lạc. Khi đó thời
gian truyền ngẫu nhiên hai gói tin theo đường song song được xác định là lớn nhất
từ hai đại lượng ngẫu nhiên có hàm phân bố:
2 T
FII t FI 22 t 1 e 2 2t T 2 2t T 1 , t 0 .
2
(19)
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 59
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
Hàm mật độ phân bố xác suất tương ứng
T
II t 16 2 2t T e
2 2 t T
1 e 2 2 t T
1 2 2t T , t 0. (20)
2
3.3. Truyền dữ liệu qua N kênh nối tiếp nhau
Hàm mật độ phân bố thời gian truyền dữ liệu qua N kênh nối tiếp nhau bằng
tích của các hàm mật độ phân bố thời gian truyền tải qua các kênh thành phần và
có dạng:
zT
N N e i i2
(z) i ( z ) 4 N 2
(21)
i 1 i 1 2 z
i
Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền gói dữ liệu thông tin đo lường từ N
kênh ảo nối tiếp nhau xác định theo biểu thức (22) thông qua tổng thặng dư đối với
tất cả các điểm đặc biệt z 2 i :
N e i i2
zT
f t Res 4 e N zt (22)
2
i 1 z 2 i i 2 z
i
3.4. Xác định băng thông của kênh
Việc chọn lựa phương án tốt nhất phân bổ băng thông trên cấu trúc mạng là rất
phức tạp, bởi lẽ số phương án khả thi là rất lớn. Vì vậy, chúng tôi đề xuất sử dụng
giải thuật di truyền để thiết kế băng thông mạng truyền tải thông tin đo lường theo
mục tiêu của bài báo [2]. Mỗi một liên kết (kênh vật lý) từ trạm đo đến trung tâm
điều khiển đặt nhiều kênh ảo. Để xác định được tổng băng thông của kênh thì mật
độ phân bố thời gian truyền các gói tin đo lường đã tính được cần phải đưa về dạng
biểu thức của phân phối vận tốc truyền (Mbit/s).
Đối với tập hợp các kênh ảo từ các trạm đo tới trung tâm điều khiển được thiết
lập trên kênh vật lý chung thì cần xác định tổng băng thông của kênh và dự trữ
băng thông các kênh cần thiết cho việc xử lý các tình huống như quá tải, ngắt
đường truyền, thiết bị hỏng, thi hành hồi tiếp, đảm bảo điều khiển kênh…
Vận tốc truyền tải được xác định là giá trị nghịch đảo của thời gian truyền một
gói dữ liệu có độ dài quy ước. Thời gian truyền càng nhỏ thì tương ứng với vận tốc
truyền gói thông tin càng lớn.
4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Bài toán tối ưu băng thông mạng truyền thông tin đo lường
Cấu trúc liên kết mạng được biểu diễn dưới dạng đồ thị có hướng G = (V, E,
C), trong đó V là tập hợp các nút của mạng, E là tập các kênh (các liên kết), và C
là tập hợp năng lực của kênh và các giới hạn, ràng buộc gắn liền với các kênh và
nút này.
K biểu thị tập hợp các kênh ảo k K , và sk , tk , k kí hiệu lần lượt nút đầu,
nút cuối và các yêu cầu về dung lượng kênh ảo tương ứng. Nếu kênh ảo k chạy qua
60 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
một kênh vật lý i, j thì x ikj 1, trong trường hợp ngược lại x ikj 0 . Còn h k kí
hiệu giới hạn số lượng kênh vật lý mà kênh ảo k chạy qua.
Mục tiêu của bài toán tối ưu là tối thiểu hóa hệ số tải của các kênh truyền trong
toàn mạng hay nói cách khác là tối thiểu hóa chỉ số giá trị trung bình của băng
thông sử dụng của các kênh vật lý. Khi đó, tải lưu lượng truy cập của các kênh quá
tải được chuyển hướng đến các kênh có lưu lượng ít hơn. Khi chỉ số giá trị trung
bình của băng thông sử dụng được giảm thiểu có nghĩa là tỷ lệ dự trữ băng thông
của các kênh đạt đến mức tối đa. Điều này cho phép mạng có khả năng chịu được
biến động lưu lượng lớn mà không cần tái cấu trúc.
Cho c i j dung lượng của kênh i, j , và i j 0 là tổng giá trị của băng thông
của tập hợp các kênh ảo trong liên kết i, j . Lấy một tập con 1 , , M
của các liên kết mà có giá trị lớn nhất i j . Mô tả toán học của bài toán tối ưu hoá
phân bố tải của mạng có thể được biểu diễn như sau:
- Mục tiêu tối ưu hóa là để giảm thiểu giá trị trung bình của tổng băng thông
M
của các kênh vật lý của mạng truyền tải thông tin đo lường: min r M .
r 1
- Các giới hạn:
a) Tải đến và tải đi đối với một nút phải bằng nhau trừ nút bắt đầu và nút kết thúc.
x ikj xkji 0, k K , i sk , tk
i , j E j , i E
b) Tổng lưu lượng đi qua kênh vật lý không được vượt quá dung lượng kênh:
k xikj ci j ; i, j E
kK
c) Số lượng kênh vật lý mà kênh ảo đi qua được giới hạn để không xảy ra
trường hợp luồng dữ liệu được truyền qua quá nhiều kênh vật lý trung gian dẫn tới
độ trễ cao:
x ikj hk , k K , h k biểu thị hạn chế về số lượng các phần của kênh
i , j E
ảo k.
Tập hợp các đường đi của kênh ảo k với các nút tận cùng sk , tk , k thỏa mãn
với điều kiện trên có thể được mô tả như sau: Qk qk1 , , qkj , , qkNk , trong đó
k K và qkj là các đường đi có thể có khi hình thành kênh ảo k.
Bài toán tối ưu quy về việc tìm tập hợp các kênh ảo chạy qua các liên kết
P p 1 , , pk , , pK , trong đó pk Qk để cho giá trị là nhỏ nhất.
Tải của kênh p ij và mức sử dụng p ij có thể được biểu diễn như sau:
K
p ij xijk k
p ij 1 / cij p ij
, k 1 (23)
Khi giải quyết bài toán tối ưu hóa đang được xem xét, điều quan trọng là phải
chọn giá trị của biến pk . Bài toán thuộc lớp NP-hard. Do đó, giải thuật di truyền
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 61
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
được sử dụng để giải quyết vấn đề trên. Trong trường hợp này, cấu trúc của nhiễm
sắc thể được xác định bởi đường đi của kênh ảo, chạy qua các nút trung gian của
mạng. Nhiễm sắc thể được mô tả bằng một tập hợp các phần tử được sắp xếp theo
thứ tự tương ứng với các nút của kênh ảo theo đường đi của nó từ nút ban đầu sk
tới nút đích cuối cùng tk . Một trong những thông số quan trọng nhất của nhiễm sắc
thể là kích cỡ của nó, được xác định bởi số nút trung gian của tuyến. Tuy nhiên, có
khả năng xảy ra các nhiễm sắc thể không chính xác do sự xuất hiện của số nút
không có trong mạng. Để khôi phục các nhiễm sắc thể đó đến giá trị hiệu chỉnh thì
sử dụng cơ chế đột biến.
Khi sử dụng thuật toán di truyền cần phải đảm bảo các điều kiện sau:
- Cần phải loại bỏ tất cả các nhiễm sắc thể mà không đáp ứng được các yêu cầu
về độ trễ trung bình trong việc truyền khung dữ liệu và độ sai lệch của nó.
- Đối với mỗi kênh ảo thì phải thực hiện chuyển đổi phân bố thời gian truyền
của khung dữ liệu sang phân bố vận tốc truyền (theo Mbit/s).
- Đối với mỗi kênh vật lý thì sự phân bố băng thông bị chiếm được xác định là
tổng các biến ngẫu nhiên của băng thông của các kênh ảo chạy qua. Băng thông bị
chiếm dụng của kênh vật lý được đặt là m k , trong đó, m là giá trị trung bình
của phân bố chồng chất của các đại lượng ngẫu nhiên băng thông của các kênh ảo
chạy qua; k là số nguyên; là độ lệch chuẩn.
- Xác định được giá trị của là giá trị trung bình của băng thông được sử
dụng của toàn mạng.
Khi giải quyết bài toán trên cần sử dụng hàm hữu ích hay còn gọi là hàm thích
nghi (fitness function) để đánh giá độ “tốt” của lời giải. Hàm hữu ích được tính
bằng công thức:
M
f exp( ) exp r M (24)
r 1
Phương án phân bố băng thông nào tạo được càng nhiều băng thông dự trữ thì
sẽ có hàm hữu ích càng lớn.
4.2. Chương trình thiết kế băng thông của mạng truyền thông tin đo lường
Chương trình được thực hiện trên ngôn ngữ lập trình C#. Người sử dụng dựa
trên các hình ảnh tiêu chuẩn của các phần tử tạo ra một sơ đồ mạng truyền tải
thông tin đo lường như trên hình 4.
Các phần tử đó là trạm đo, bộ định tuyến, kênh, trung tâm điều khiển. Các giá
trị giới hạn băng thông của các kênh vật lý và các luồng đầu vào nhận được từ trạm
đo (Mbit/s) được thiết lập. Trọng số của kênh được đặt dựa trên thời gian truyền tải
trung bình. Để xây dựng dữ liệu đầu vào cho giải thuật di truyền, các tuyến truyền
tải ngắn nhất từ trạm đo đến trung tâm điều khiển được xác định bằng phương
pháp của Hoffman và Pavlei [3]. Những tuyến truyền tải này được hiển thị trên
màn hình máy tính.
Mức tải của kênh được hiển thị tương ứng với cường độ màu sắc. Mức tải kênh
càng lớn thì cường độ màu càng cao và ngược lại. Khi trỏ chuột lên một kênh, một
cửa sổ sẽ mở ra hiển thị các đặc điểm chính: trọng số kênh, dung lượng kênh, tải
thực, mức sử dụng theo phần trăm. Có hiển thị báo cáo về các kênh bị tắc nghẽn.
62 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”
- Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ
Đ
Đểể đánh giá hiệu quả hoạt động ch chương
ương tr
trình,
ình, đã
đã ti
tiến
ến hành một
một loạt các chuỗi
thử
th ử nghiệm tr trên
ên máy tính cá nhân vvớiới cấu hhình
ình vi xử
xử lý Intel Core i7 2,0 GHz,
RAM 8Gb. Tham ssố ố của giải thuật di truyền đđư
ượcợc cài
cài đđặt
ặt nh
như
ư sau: kích ccỡ
ỡ quần thể
– 40 cá ththể;
ể; xác suất trao đổi chéo – 0,8; sốsố thế hệ – 150. Xác su suất
ất đột biến
biến thay
đổi
ổi trong khoảng từ 0,01 đến 0,5. Đ Đãã ssử
ử dụng 10 giá trị xác suất đột biến llàà 0,01;
0,03; 0,05; 0,07; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5. Xem xét th thửử nghiệm tr
trên
ên các cấu
cấu trúc
mạng khác nhau cấu th
mạng thành
ành từ
từ 5, 20 vvàà 50 nút m mạng.
ạng. Đối với mỗi cấu trúc mạng
tiến
ến hhành
ành 30 thử
thử nghiệm.
Hình 4.. Sơ đồ
đồ mạng truyền tải thông tin đo llường
ờng.
ờng
K
Kết
ết quả thử nghiệm cho thấy ứng dụng giải thuật di truyền có tác dụng llàm àm
giảm từ 1,5 đến 2,5 lần mức độ sử dụng kkênh
giảm ênh v
vật
ật lý của to
toàn
àn m
mạng
ạng (h
hình
ình 5)).
Hình 5. Mức
Mức độ sử dụng kkênh ênh vật
vật lý thay đổi
trong ti
tiến
ến tr
trình
ình phân bbổ
ổ lưu
lưu lư
lượng
ợng
ợng.
Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 63
- K
Kỹỹ thuật điều khiển & Điện tử
Trên hình
hình 6 biểu
ểu diễn sự so sánh mức độ sử dụng trung bbình ình của
của các kkênh
ênh vvật
ật
lý tr
trưước
ớc và
và sau khi ti
tiến
ến hhành
ành tối
tối ưu bbằng
ằng giải thuật di truyền. Dễ ddàng
àng nh
nhậnận thấy
rằng,
ằng, tr
trư
ước
ớc khi can thiệ
thiệp
p quá trình định
ịnh tuyến llưu
ưu lượng
lượng bằng giải thuật di truyền
thì nhi
nhiều
ều kênh
kênh vvật
ật lý trong mạng bị quá tải với mức sử dụng từ 90 90-100%
100% ((h hình
ình 6a
6a),
),
hiện ttượng
hiện ợng này
này đư
đượcợc chấm dứt khi ứng dụng giải thuật di truyền vvào ào ttối
ối ưu lưu
lượng mạng llưới
lượng ới (h
(hình
ình 6b
6b).).
(a) (b)
b)
Hình 6. Đồ
ồ thị mức sử dụng trung bbình
ình ccủa
ủa kkênh
ênh dữ
dữ liệu
(a) trước
trước khi tối ưu, (b) sau khi ttối ưu
ưu..
5.. K
KẾT
ẾT LUẬN
Phương pháp ssử ử dụng đđãã xác đđịnh
ịnh đđược
ợc mức độ tải của các kkênh ênh vvật
ật lý; xác
định
ịnh băng thông dự trữ trung bbình ình ccủa
ủa to
toàn
àn bộ
bộ mạng truyền tải của hệ thống;
thống; xác
định
ịnh giá trị cần thiết để tăng băng thông dự trữ của bất kỳ kkênh ênh truyền
truyền nnào
ào trong
toàn bbộộ hệ thống mạng. Việc dự trữ băng thông của kkênh ênh vvật
ật lý có thể đđư ược
ợc sử
dụng
ụng để giải quyết các vấn đề thực tiễn nh như
ư xử
xử lý tình
tình hu
huống
ống biến thi ên đột
thiên đột ngột
lưu llư
ượng
ợng mà
mà không ccần ần phải định tuyến lại.
Trong bài báo này đđã xem xét ccấu ấu trúc mạng
mạng với nhiều trạmtrạm đo,
đo, các bộbộ đđịnh
ịnh
tuyến và
tuyến và các kênh vật ật lý kết
kết nối chúng
chúng.. Một
Một trong những hư hướng
ớng nghi ên cứu
nghiên cứu tiếp
theo đó là tăng
t ng ssốố llượng
ợng các mạng VLB (Valiant Load Balancing) và tăng t ng ssốố llượng
ợng
các đư
đường
ờng dẫn song song trong mạng truyền truyền tải thông tin đo llư
ường
ờng khi thử nghiệm
và vvận
ận hành
hành thiết
thiết bị bay không người
người lái.
TÀ
TÀI LI
LIỆU
ỆU THAM KHẢO
KHẢO
[1]. Морозова В.Д. Теория функций комплексного переменного
переменного:: Учеб. для
вузов / Под ред. B
B.C.. Зарубина, А.П. Крищенко. - 3--ее изд., исправл. - М.:
Изд-во
Изд во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 520 с. (Сер. Математика в
техническом университете; Вып. X X.)
.) ISBN 978-
978-5-7038
7038-3189
7038- 3189--2
64 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thi
“Thiết
ết kế băng thông … thiết
ết bị bay không ngư
người
ời lái.
lái.””
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
[2]. Schmitt, Lothar M (2001), “Theory of Genetic Algorithms”, Theoretical
Computer Science 259: 1–61
[3]. Brander, Andrew William; Sinclair, Mark C. “A comparative study of k-
shortest path algorithms”. Department of Electronic Systems Engineering,
University of Essex, 1995.
[4]. Новиков Ю.А. “Модели и способы организации распределенных систем
сбора измерительной информации”: Канд. диссертация. Рязань: РРТА,
2009. -173 с.
[5]. James McCauley, Zhi Liu, Aurojit Panda, Teemu Koponen, Barath Raghavan,
Jennifer Rexford, Scott Shenker. “Recursive SDN for Carrier Networks” //
http://arxiv.org/pdf/1605.07734v1.pdf.
[6]. Xin Jin, Yiran Li, Da Wei, Siming Li, Jie Gao, Lei Xu, Guangzhi Li, Wei Xu,
Jennifer Rexford. “Optimizing Bulk Transfers with Software-Defined
Optical” WAN // http://www.cs.princeton.edu/~jrex/papers/owan16.pdf
[7]. Naga Katta, Omid Alipourfard, Jennifer Rexford and David Walker.
“CacheFlow: Dependency-Aware Rule-Caching for Software-Defined
Networks” // http:www.cs.princeton.edu/~jrex/papers/cacheflow16.pdf.
[8]. Arpit Gupta, Robert MacDavid, R¨udiger Birkner, Marco Canini, Nick
Feamster, Jennifer Rexford, Laurent Vanbever. “An Industrial-Scale Software
Defined Internet Exchange Point” // http://sdx.cs.princeton.edu.
[9]. Jiayue He, Martin Suchara, Ma’ayan Bresler, Jennifer Rexford, and Mung
Chiang. From Multiple Decompositions to TRUMP: “Traffic Management
Using Multipath Protocol” //http:www.cs.princeton.edu/~jrex/papers/ToN.pdf.
[10]. Valiant. L.G. “A scheme for fast parallel communication”. SIAM Journal on
Computing, 1982. 11(2): 350-361.
[11]. Bernasconi P., Gripp J., Neilson D., Simsarian J., Stiliadis D., Varma A. and
Zirngibl M. “Architecture of an integrated router interconnected spectrally
(IRIS)”. High PerformanceSwitching and Routing, 2006. Workshop on, pag. 8.
[12]. Kodialam M., Lakshman T.V., Orlin J.B. and Sengupta S. “A Versatile
Scheme for Routing Highly Variable Traffic in Service Overlays and IP
Backbones”. In Proc. IEEE INFOCOM, April 2006.
[13]. Zhang-Shen R. and McKeown N. “Designing a Fault-Tolerant Network Using
Valiant Load-Balancing”. Proc. IEEE INFOCOM, 2008. pages 2360-2368.
[14]. Phạm Văn Trung, Phạm Văn Tho, “Thuật toán tối ưu thời gian trễ tập hợp dữ
liệu dựa trên cơ chế chống xung đột trong mạng cảm biến không dây”, Tạp
chí Khoa học và Công nghệ – Số 8 – Trường Đại học Phạm Văn Đồng,
04/2016
[15]. Yousefi, H., Malekimajd M., Ashouri, M. & Movaghar, A., “Fast aggregation
scheduling in wireless sensor networks”, Wireless Communications, IEEE
Transactions on, vol. 14, no. 6, pp. 3402-3414, June 2015.
[16]. Nguyễn Thái Dương, Huỳnh Thị Thanh Bình và Ngô Hồng Sơn, “Giải thuật
Heuristic và di truyền giải bài toán định tuyến đa điểm trên mạng cảm biến
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 65
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
không dây nhiệm vụ tuần hoàn”, Tạp chí Tin học và Điều khiển học, số 3
(2014), tr. 253-266.
[17]. Корячко В.П., Шибанов А.П., Сапрыкин А.Н., Фам Х.Л. “Нахождение
характеристик агрегированного канала передачи измерительной
информации” // Вестник РГРТУ, 2015. №4 (выпуск 54). С. 72-77.
ABSTRACT
DESIGNING MEASUREMENT INFORMATION COMMUNICATION
NETWORK BANDWIDTH DURING TEST AND OPERATION
OF UNMANNED AERIAL VEHICLES
The purpose of research is to solve the problem of channel bandwidth
scheduling of data communication network for testing and operating of
unmanned aerial vehicles. Transmission time of measurement information
frame is modeled by normalized second-order Erlang distribution with the
addition of constant component. Distribution of transimission time of
measurement information frame is calculated by applying the theory of analytic
functions of a complex variable. The optimum solution is found by using
genetic algorithms with restrictions on the time of data frame transmission as
well as the amount of the reserve channel bandwidth.
Keywords: Unmanned aerial vehicles, Data communication network, Bandwidth, Genetic algorithms.
Nhận bài ngày 19 tháng 12 năm 2017
Hoàn thiện ngày 25 tháng 01 năm 2018
Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 4 năm 2018
Địa chỉ: 1Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật quân sự;
2
Bộ tư lệnh Tác chiến Không gian mạng.
*
Email: phat14hy@gmail.com.
66 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”
nguon tai.lieu . vn