1
MỞ ĐẦU
1. Lý do nghiên cứu
Sự phát triển của hệ thống viễn thông theo hướng mạng thế hệ sau
đã làm phát sinh yêu cầu nghiên cứu các cơ chế quản lý tài nguyên và
điều khiển lưu lượng trên mạng. Vấn đề điều khiển lưu lượng trên
mạng NGN đến nay vẫn đang còn là một vấn đề mở và chưa được giải
quyết triệt để.
2.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là đề xuất một cơ chế điều khiển
lưu lượng mới, hiệu quả cho mạng lõi NGN.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là cơ chế điều khiển lưu lượng
trên mạng lõi mạng viễn thông thế hệ sau.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là các th
ủ tục (protocol) và các
giải thuật (procedure, algorithm) điều khiển lưu lượng hoạt động trên
lớp vận chuyển với mức làm việc là mức gói tin và đối tượng điều
khiển là các luồng lưu lượng tổ hợp. Mọi vấn đề khác liên quan đến cơ
chế định tuyến, phân mức gói tin, báo hiệu kết nối… coi như đã được
giải quyết bằng các công cụ khác nằm ngoài ph
ạm vi nghiên cứu của
luận án này.
4. Phương pháp và công cụ nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp xây dựng mô hình cấu trúc hệ
thống và mô hình hóa hệ thống thông qua công cụ toán học và các
công cụ của lý thuyết hệ thống và lý thuyết điều khiển
. Đồng thời, luận
án tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có của các tác giả khác có liên

n tính cải tiến JLQG.

3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ
CÓ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU
LƯỢNG TRÊN MẠNG LÕI
1.1 Mở đầu
Trong những năm qua, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu
về điều khiển lưu lượng trên mạng viễn thông, trong đó chủ yếu sử
dụng các công cụ tối ưu hóa và điều khiển t
ối ưu. Chương 1 trình bày
tổng quan về các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và
ngoài nước có liên quan đến đề tài, các vấn đề còn tồn tại cần được
giải quyết, các nhiệm vụ nghiên cứu và các đặc trưng của mạng lõi có
ảnh hưởng đến việc xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng trên mạng
lõi NGN.
1.2 Các cơ chế điều khiển tối ưu l
ưu lượng đã có
1.2.1 Dạng bài toán quy hoạch lồi
Cơ chế điều khiển được thực hiện dựa trên việc điều khiển tốc
độ các nguồn tin (rate-based control) với giả thiết là tất cả các nguồn
lưu lượng được mô tả bằng một hàm tiện ích, hoàn toàn đồng bộ với
nhau và có khả năng liên lạc với nhau để chọn tốc độ truyền dữ
liệu
tối ưu. Các bài toán điều khiển tối ưu được xây dựng dưới dạng bài
toán quy hoạch lồi bao gồm thành phần chính tại các nút mạng và các
thành phần phân tán tại các nguồn tin, có mục tiêu là cực đại hóa lợi

ưu toàn cục hầu như không thể đạt được.
- Hàm tiện ích của các nguồn tin ph
ải có dạng lõm chặt.
- Hiệu quả của thuật toán giảm khi trễ chu trình vòng thay đổi.
- Mô hình tối ưu hóa thường là các mô hình tĩnh.
- Các mô hình thống kê hoặc mô hình dòng lỏng của lưu lượng không
biểu diễn được sát thực các đặc tính động học của lưu lượng.
- Các cơ chế điều khiển lưu lượng theo hướng tối ưu hóa chưa tính
đến các yếu tố nhi
ễu loạn trên mạng.
1.3 Đặc điểm cấu trúc của mạng lõi và ảnh hưởng của nó đến việc
xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng
Trong mạng lõi có 2 loại nút mạng: Các nút lõi (core node) có
nhiệm vụ hủy gói tin và chuyển tiếp gói tin; các nút biên (edge node)

5
có nhiệm vụ tổ hợp và chuyển tải lưu lượng qua mạng; phân rã các
dòng lưu lượng tổ hợp tại đầu ra cho các mạng truy nhập.
Các đặc điểm của mạng lõi có ảnh hưởng đến việc xây dựng cơ
chế điều khiển lưu lượng:
- Các nút biên và nút lõi nội mạng có vai trò và chức năng hoàn
toàn khác nhau đối với vấn đề điều khiển lưu lượ
ng. Các nút mạng
phải tự đưa ra các quyết định điều khiển dựa trên việc ước lượng
trạng thái lưu lượng nhờ các số liệu giám sát
- Lưu lượng trên mạng lõi là các dòng lưu lượng tổ hợp, được
truyền như nhau và không phân biệt lớp dịch vụ.
- Trên mạng lõi không có nút điều khiển trung tâm. Mạng không
giám sát trạng thái của các dòng lưu lượng thành phần và không
có cơ

)(kf
i
(
: số gói tin bị huỷ trong khe thời gian thứ k
q
i
(k) : chiều dài bộ đệm tại khe thời gian thứ k

)(kf
i
: số gói tin đến nút mạng trong khe thời gian thứ k

ξ
i
(k) : tốc độ xử lý của nút mạng) trong khe thời gian thứ k
2.2 Xây dựng mô hình điều khiển
Tốc độ mong muốn của dòng lưu lượng tổ hợp đến nút mạng và độ
dài bộ đệm tại thời điểm k+1 được tính theo công thức :
∑
−
=
−−−+=+
1
0
)1()()1(
D
d
dd
dkfSkqkq
ξ

−+−≡ với i=1,…, N+1
)()( 1iDjfjx
1iN
−
+−≡
++
với i=1,…,D+1
Bằng cách thay thế các giá trị của x theo i vào (2.1)-(2.2), ta được hệ
phương trình ma trận trạng thái mô tả hệ thống:
)()()()1( kwkukxkx
cc
+
+
=
+ BA (2.3)
)()()( kvkxky
c
+
= C (2.4)

7
Trong đó
T
nfnqny ))(),(()( = là vecto kết quả giám sát bộ đệm và
tốc độ dòng lưu lượng tổ hợp; w(k) và v(k) là nhiễu quá trình và nhiễu
giám sát của hệ thống.
0kwE =)]([ , )()()]()([ kkkwkwE
T
δ
Q=

)()()()1(
:)( D
kvkxky
kwkukxkx
c
cc
D
C
BA

Trong đó: A
c
∈ℜ
(D+1)x(D+1)
, B
c
∈ℜ
2x(D+1)
, C
c
∈ℜ
(D+1)

là các ma trận có
kích thước phụ thuộc vào D; w(k) và v(k) là các yếu tố nhiễu loạn,
)(
~
kf
,
)(

Hiệp phương sai lỗi ước lượng P được hiệu chỉnh bằng hệ số
η

≥
1 :
(
)
WLAPAP +=
−+ T
cc
kk )()(
η

Giá trị của
η
được quyết định dựa trên đặc tính động học của hệ
thống và mức độ chính xác của kết quả giám sát trạng thái. Phương
pháp xác định
η
như sau:
∑
−
=
+−
+
++
++
≥
1D
0j

ˆ
)( kxky
c
C−
(2) Tăng γ(k) với mức tăng Δγ.
(3) Cập nhật giá trị
)(
ˆ
kx .
(4) Tính giá trị
2
kxCky )(
ˆ
)( −
mới.

9
(5) Tính )(k
−
P , xác định mức giảm của )(k
−
P . Nếu mức giảm đủ
nhỏ thì dừng lại, chọn giá trị γ(k) cuối cùng. Ngược lại, quay lại
bước (2).
Thủ tục ước lượng trạng thái theo kỹ thuật H
∞
cải tiến:
Tại mỗi chu trình vòng thứ k+1, thủ tục ước lượng trạng thái bằng kỹ
thuật H
∞


(3) Tính hệ số
η
theo biểu thức (2.8).
(4) Cập nhật giá trị ước lượng )1( +
+
kP :
(a) Đặt γ(k) = 0 và tính giá trị
2
)(
ˆ
)( kxky
c
C−

(b) Tăng γ(k) với mức tăng Δγ.
(c) Cập nhật giá trị
)(
ˆ
kx theo biểu thức:
11
))1()1()(()(
−−−−
+++−= kkkk
c
T
c
PCVCQPIL
γ


kkk )()1()1(

(f) Xác định mức giảm của
)1( +
+
kP . Nếu mức giảm còn lớn
thì quay lại bước (b). Ngược lại, thì chọn các giá trị
)1( +kP và )(
ˆ
1kx
+
cuối cùng.

10
(5) Tìm giá trị ước lượng )(
ˆ
1kx
+
cuối cùng thỏa mãn điều kiện
ràng buộc của hệ thống.
Kết quả mô phỏng thuật toán H
∞
cải tiến với mạng lõi có D=2, hiệp
phương sai nhiễu thay đổi theo thời gian và có ràng buộc (2.7) được
thể hiện trên các hình từ 2.10 đến 2.14 cho thấy kết quả ước lượng
trạng thái nút lõi khá chính xác với sai số không vượt quá 3 gói tin.

Hình 2.10. So sánh tốc độ lưu lượng đến với tốc độ ước lượng

Hình 2.13. So sánh lỗi ước lượng độ dài bộ đệm nút lõi


Bộ ước lượng

K
+
f
f
(

12
)()()( kvkxky
c
+= C
trong đó z(k) là một tiêu chí chất lượng của mạng.
Bộ điều khiển:
)10.2(
)9.2(
, 2,1
)()(
)()()1(
:)( =
⎩
⎨
⎧
=
+=+
Ξ D
kxky
kykxkx
RRR

cccR
k CHKBAA )(−−=
)(k
R
HB =
KC −=
R

trong đó K được xác định bằng
c
T
c
SBWK
1−
=
, với S
c
là nghiệm
của phương trình đại số Riccati đối với bộ điều khiển (CARE) :
0
1
=+−+
−
c
T
cc
T
cccccc
T
c

trong E là các giá trị riêng của ma trận
cccR
k CHKBAA )(
−
−
=

Ta có kết quả về giá trị riêng của A
R
và đồ thị các điểm cực như trong
hình 2.17, như sau:
Eigenvalue Damping Freq. (rad/s)
0.00e+000 -1.00e+000 0.00e+000
0.00e+000 -1.00e+000 0.00e+000
1.52e-001 -1.00e+000 1.52e-001
9.85e-001 -1.00e+000 9.85e-001

Hình 2.17. Sơ đồ các điểm cực của hệ thống hợp
Kết quả mô phỏng cơ chế điều khiển được mô tả trên các hình từ 2.17
đến 2.20 cho thấy kết quả ước lượng tốc độ lưu lượng đến có giá trị
gần bằng tốc độ dòng lưu lượng tổ hợp đến nút mạng với sai số chỉ
nằm trong khoảng 0,2% giá trị t
ốc độ lưu lượng; độ dài xếp hàng tại
bộ đệm nút mạng được duy trì xung quanh giá trị cân bằng Q0 với

14
biên độ dao động không quá 1% giá trị Q0, và vùng hoạt động của hệ
thống được duy trì trong giới hạn ổn định.

Hình 2.18. So sánh tốc độ lưu lượng theo cơ chế điều khiển

−=
HH
Trong đó,
)(ix là số liệu ước lượng tốt nhất của x trong chu
trình thứ i, được lưu giữ để tính toán trong các chu trình tiếp theo; v(k)
là nhiễu loạn gây ra lỗi giám sát, với giả thiết
0kvE =)]([ ,
)()()]()([ kkkvkvE
T
δ
R= ,
LL
k
×
ℜ∈)(R là ma trận hiệp phương sai
nhiễu;
OD
Lxn
k
i ℜ∈)(H
là ma trận gán lưu lượng.
3.2 Phương trình trạng thái của nút biên
Ta giả sử xuất phát từ mỗi nút biên sẽ có n
OD
dòng lưu lượng
toàn trình được mô tả bằng vecto
OD
n
kx ℜ∈)( . Phương trình trạng
thái của nút biên được xây dựng như sau:

e
kwkw 00)()( L=
[]
T
e
kyky 00)()( L=
[
]
T
e
kvkv 00)()( L=

16
ta có phương trình:
)()()()1( kwkukxkx
eeeee
+
+=+ BA (3.1)
)()()( kvkxky
eeee
+
=
C (3.2)
(3.1) và (3.2) tạo thành một mô hình danh định của nút biên.
3.3 Ước lượng lưu lượng toàn trình
Luận án đã xây dựng được các phương trình ước lượng trạng thái mới
dựa trên kỹ thuật lọc Kalman:
)()()|()()|1( kkkkkkk
T
kk

ˆ
k
Dki
kk
ixikkxkkkx FF
∑
−
−=
++−
+
+
+
+=++
1
)()(-)|1(
ˆ
)1(
)1()(1()|1(
ˆ
)1|1(
ˆ
k
Dki
kk
ixikkxk
kykkkxkkx
FF
K
)()(
kxkx
ekrkreee
CKBA
+
=
+

trong đó
[
]
00I00C LL=
)( kr
, với phần tử ma
trận I nằm ở khối thứ
)(kr . { )(kr } là một chuỗi có sự biến đổi trạng
thái ngẫu nhiên, giả sử tuân theo xích Markov thời gian hữu hạn (hình
3.8), với
{}
ijr
pikrj1krP
=
=
=+ )(|)( , trong đó
Dji0
≤
≤
,
. và
ma trận xác suất chuyển trạng thái:

)1)(1(
121110
0100
00
000
Π18
trong đó 1p0
ij
≤≤ và
∑
=
=
D
0j
ij
1pHình 3.7. Cơ chế điều khiển tại nút biên
22
p11
r=0
r=2 r=3
r=1
p
31
p
12
p
21
p
30
p
20
p
01
p
32
p
23

19
Mỗi dòng trong ma trận trên biểu diễn xác suất chuyển trạng thái
từ một trạng thái xác định đến các trạng thái khác. Các phần tử trên
đường chéo của ma trận trên biểu diễn xác suất của các chuỗi thông
tin phản hồi có cùng thời gian trễ. Các phần tử bên trên đường chéo
biểu diễn xác suất của các thông tin phản hồi có thời gian trễ dài hơn
do tắc nghẽn trên mạng, còn các phần tử bên dưới đường chéo biểu
diễ

Dkukukzkz )()()()( −= L . Khi đó,
phương trình trạng thái của bộ điều khiển:

)(
~
)(
~
)1( kykzkz
CcCc
BA +=+
(3.5)

)(
~
)(
~
)(
)()(
kykzku
krckcr
KH +=
(3.6)
trong đó
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦

⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
0
0
D
B
B
M
C
C
C
~

[]
[]
⎩
⎨
⎧
≠
=

K
)(
~

Đặt
[]
T
T
c
T
e
zxx =
(
, hệ hợp có phương trình trạng thái hệ
thống vòng kín:

(
)
)()1(
)()(
kxkx
krkr
(
(
(
(
(
(
CKBA +=+
(3.7)

⎣
⎡
=
0C
I0
C
)(
)(
kr
kr
(

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
=
)()(
~~
~
~
krkcr
cc
KH
BA
K

A
(
,
B
(
,
)(kr
K
(
và
)(kr
C
(

trong (3.7). Tỷ lệ phân rã
α
β
1
=
:
()
∑
=
<++
D
i
jiiiii
T
iiiiji
p

khiển phản hồi K. Đặt Ki = K với mọi i = 0, 1, , D và khởi tạo ma
trận chuyển trạng thái Π = Π
0
.
2. Thuật toán lặp:
a. Với các giá trị
i
K
cho trước, giải hệ bất phương trình (3.9) với
mọi j = 0, , D và
1
=
α
để tìm
i
Q
, i = 0, 1, , D đảm bảo hệ ổn
định theo định lý 4.1.
b. Với
i
Q
, i = 0, 1, , D tìm được, giải bài toán (3.10) để tìm
i
K
,
i = 0, , D theo đó cực đại hóa tỷ lệ phân rã của hệ thống vòng kín.
c. Nhiễu xạ ma trận xác suất chuyển trạng thái P bằng cách
gán
][:
ij

rời rạc theo thời gian và biểu diễn mạng trong không gian trạng
thái là phương pháp có nhiều ưu điểm nổi bật để mô tả cơ chế điều
khiển lưu lượng trên mạng lõi có cấu trúc lưới đầy đủ, cụ
thể là
cho phép đảm bảo cơ chế điều khiển lưu lượng không phụ thuộc
vào số lượng và đặc tính lưu lượng đa dịch vụ. Do đặc thù về cấu
trúc của mạng lõi, phương pháp phân rã bài toán điều khiển lưu
lượng riêng cho nút lõi và nút biên cho phép giải quyết yêu cầu
điều khiển lưu lượng cụ thể tại hai loại nút mạng có chức năng và
nhiệm vụ
hoàn toàn khác nhau, nhờ đó đã làm cho vấn đề điều
khiển trở nên rõ ràng hơn và dễ giải quyết hơn.
2. Kỹ thuật lọc Kalman cải tiến áp dụng tại nút lõi cho phép ước
lượng chính xác tốc độ dòng lưu lượng tổ hợp đến nút lõi trong
điều kiện giả định các yếu tố nhiễu loạn xảy ra với mức độ cao
nhất và trên mạng có các giới hạn v
ề tài nguyên mạng. Trong
trường hợp D=2, kết quả ước lượng tốc độ lưu lượng đến đến nút
mạng có giá trị chính xác với sai số chỉ nằm trong khoảng 0,2%
giá trị tốc độ lưu lượng. Cơ chế điều khiển lưu lượng đảm bảo độ
dài xếp hàng tại bộ đệm nút mạng được duy trì xung quanh giá trị
cân bằng Q
0
với biên độ dao động không quá 1% giá trị Q
0
, và
vùng hoạt động của hệ thống được duy trì trong giới hạn ổn định.
3. Kỹ thuật lọc Kalman cải tiến tại các nút biên cho phép ước lượng
được trạng thái lưu lượng toàn trình của mạng trong điều kiện trễ


một cấu trúc mạng cụ thể, trong đó nút biên là điểm kết nối giũa
một mạng MAN với mạng WAN.
24
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1.
N
go Dong Hai (2003), “Optimization Problems in
telecommunication Networks: A Classification Study”, Journ.
of Comp. Sci. & Cybernetics, Vol. 19(3), pp. 281-289.
2.
N
go Dong Hai and Vu Ngoc Phan (2003), “On Fair Window
Control For TCP With ECN Using Congestion Pricing”, In
Proceedings of 7
th
ICEIC, 2004, pp. 189-192.
3.
N
gô Đông Hải, Vũ Ngọc Phàn (2005), “Điều khiển động tối ưu
lưu lượng mạng TCP/IP”, Hội nghị toàn quốc lần thứ VI về tự
động hóa (VICA 6), Hà Nội, 4/2005, tr. 179-184 tuyển tập báo
cáo.
4.
N
gô Đông Hải, Vũ Ngọc Phàn (2006), “Điều khiển tối ưu lưu
lượng mạng lõi thế hệ sau”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia “Một số
vấn đề chọn lọc trong CNTT”- 2005, tr. 278-284, Hải Phòng.

c lượng tốc độ lưu lượng đến đến nút mạng có giá trị
chính xác với sai số chỉ nằm trong khoảng 0,2% giá trị tốc độ lưu lượng. Cơ chế
điều khiển lưu lượng tại nút lõi được xây dựng dựa trên cơ chế điều khiển chuẩn
toàn phương tuyến tính Gaussian (LQG), đảm bảo độ dài xếp hàng tại bộ đệm nút
mạng được duy trì xung quanh giá trị cân bằng Q
0
với biên độ dao động không quá
1% giá trị Q
0
, và vùng hoạt động của hệ thống được duy trì trong giới hạn ổn định.
- Đề xuất phương pháp cải tiến kỹ thuật lọc Kalman sử dụng tại các nút biên để ước
lượng tối ưu trạng thái lưu lượng toàn trình của mạng trong điều kiện trễ chu trình
vòng trên mạng thay đổi ngẫu nhiên. Độ phức tạp tính toán của thuật toán được
giảm từ O(n
OD
x(D+1)) xuống còn O(n
OD
) và không phụ thuộc vào kích thước
mạng, tức là không phụ thuộc vào tham số D.
- Đề xuất cơ chế điều khiển lưu lượng mới tại nút biên sử dụng phương pháp JLQG
cải tiến từ cơ chế điều khiển chuẩn toàn phương tuyến tính Gassian, cho phép xác
định được một cách dễ dàng hệ số điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu của hệ
thống, đảm bảo điều khiển tối ưu dòng lư
u lượng tổ hợp vào mạng. Trong phương
pháp này, nút biên được mô tả bằng một hệ thống tuyến tính rời rạc theo thời gian,
với trạng thái nhảy ngẫu nhiên được mô tả bằng một xích Markov trạng thái hữu
hạn đã, cho phép biểu diễn được trạng thái lưu lượng của nút biên bằng ma trận
xác suất chuyển trạng thái Π
r
, bao quát được tình trạng nhảy ngẫu nhiên của trễ