Phân tích hiệu năng quá trình handoff trong mạng thông tin di động 4g

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Trƣờng Giang PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG QUÁ TRÌNH HANDOFF TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: 60.48.15 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Hồ Khánh Lâm Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã lớn mạnh một cách nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện trong đó phải kể đến dịch vụ Video. Với xu hướng phát triển như hiện nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa thông tin di động sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày. Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới, thế hệ 4G, cần phải có những tính năng vượt trội hơn so với khả năng của 3G. Các mạng di động cho phép người sử dụng có thể truy nhập các dịch vụ trong khi di chuyển , sự di động của các người sử dụng đầu cuối gây ra một sự biến đổi động cả trong chất lượng liên kết và mức nhiễu, người sử dụng đôi khi còn yêu cầu thay đổi trạm gốc phục vụ. Quá trình này được gọi là chuyển giao. Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của người sử dụng đầu cuối. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di chuyển qua ranh giới các ô tế bào, giữa các mạng khác nhau. Quá trình chuyển giao trong mạng di động 4G là một vấn đề rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới QoS của mạng. Luận văn này thực hiện nghiên cứu “Phân tích hiệu năng quá trình Handoff trong mạng thông tin di động 4G”. Nhằm mục đích giới thiệu mô hình chuyển giao sử dụng hàng đợi ưu tiên động cho các nút 4G đa dịch vụ, từ đó tìm ra một thiết kế hiệu quả về mô hình hàng đợi cho việc triển khai trên mạng 4G. Luận văn gồm 3 chương: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 4G và quá trình Handoff. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về mô hình hàng đợi dùng phân tích hiệu năng quá trình handoff của mạng thông tin di động 4G. Chƣơng 3: Phân tích và đánh giá kết quả. 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G VÀ QUÁ TRÌNH HANDOFF 1.1. XU HƢỚNG CÔNG NGHỆ Công nghệ truyền thông không dây 3G Đây là thế hệ thứ ba của mạng di động đang hướng tới tốc độ dữ liệu cao cho các ứng dụng như gọi điện thoại video, video và âm thanh, hội nghị truyền hình và các ứng dụng đa phương tiện . Có hai hợp tác tồn tại cụ thể là 3GPP và 3GPP2 sau này là một trong những tiêu chuẩn cho 3G dựa trên công nghệ CDMA. Theo ITU (Liên minh Viễn thông quốc tế) các yêu cầu sau đây phải được đáp ứng bởi bất kỳ mạng được gọi là một mạng 3G như đề xuất bởi 3GPP. - Tốc độ truyền dữ liệu (xuống liên kết) 144Kbps tối thiểu cho việc di chuyển các thiết bị cầm tay và 384Kbps cho thiết bị cố định. - Về nhu cầu băng thông và truy cập internet băng thông rộng 2Mbps cũng theo quy định của 3GPP. Chính kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng bởi các mạng 3G CDMA biến thể. Đối với các mạng CDMA hiện có cho GSM sẽ tiếp tục sử dụng WCDMA (Wide band CDMA) sử dụng 5 MHz chiều rộng băng tần kênh có khả năng cung cấp 2Mbps tốc độ dữ liệu. Ngoài ra công nghệ CDMA khác như CDMA2000, CDMA2000 1x EV-DO được sử dụng ở những nơi khác nhau trên toàn thế giới cho các mạng 3G. Công nghệ truyền thông không dây 4G Đây là thế hệ tiếp theo của các mạng di động như được quy định bởi ITU và người tiền nhiệm của các mạng 3G. Hiện nay có hai công nghệ đầy hứa hẹn đang được xem xét trong khi 3 nói chuyện về di chuyển lên 4G do tỷ lệ dữ liệu cao như tốc độ 100Mbps trong môi trường di động và 1Gbps trong môi trường cố định. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) và LTE (Long Term Evolution) là những công nghệ đang được xem xét. Thông số kỹ thuật sau đây cần phải được đáp ứng bởi bất kỳ mạng nào được coi là 4G: - Tốc độ 100Mbps tốc độ dữ liệu trong môi trường di động và 1Gbps trong môi trường cố định. - Mạng lưới hoạt động trên các gói tin IP (Tất cả các mạng IP). - Năng động kênh phân bổ kênh băng thông khác nhau từ 5MHz đến 20 MHz theo yêu cầu của ứng dụng. Sự khác nhau giữa công nghệ mạng 3G và 4G 1. Tốc độ tải dữ liệu 3G trong khoảng 2Mbps ở chế độ tĩnh trong khi các chi tiết kỹ thuật 4G nó phải là 1 Gbps và tốc độ môi trường di động tốc độ tải 3G khoảng 384Kbps và 100 Mbps trong mạng 4G. 2. Kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng ở 3G là CDMA và các biến thể của nó . 4G cả hai công nghệ (LTE và WiMAX) sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) trong nhận dữ liệu. 3. Trong đường lên LTE sử dụng SC-FDMA (Single Carrier FDMA) và WiMAX tiếp tục sử dụng OFDMA trong khi mạng 3G sử dụng CDMA biến thể. 1.2. CẤU TRÚC MẠNG 1.2.1. Kiến trúc chung của mạng 4G 4G là một mạng toàn cầu tích hợp dựa được xây dựng theo mô hình hệ thống mở. 4 Hình 1. 1 Cấu trúc mạng di động 4G Kiến trúc này bao gồm một nhân mạng chung, nhân này được kết nối tới các phần khác nhau của mạng dây và mạng không dây. Nó được kết nối tới mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), mạng số các dịch vụ được tích hợp (ISDN) thông qua các trạm GPRS (GGSN). GGSN là một thành phần chính của mạng GPRS. GGSN đóng vai trò là mạng liên kết giữa mạng GPRS và các mạng chuyển mạch gói ngoài, nó cũng giống như mạng Internet và mạng X25. Các kiến trúc mạng 4G được thảo luận ở đây là dựa trên IPv6, tính linh động của IPv6 sẽ xử lý chuyển đổi giữa các tế bào. 1.2.2. Điểm nhấn trong mạng 4G 4G được bắt đầu với giả thiết rằng mạng trong tương lai sẽ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói (đây sự phát triển từ 5 những giao thức đang được sử dụng trong mạng Internet hiện tại). Mạng di động 4G dựa trên nền tảng IP có những lợi thế cơ bản bởi vì IP thích hợp và độc lập với công nghệ truy cập vùng phủ sóng. Điều đó có nghĩa là mạng 4G được thiết kế và có thể phát triển độc lập từ những mạng truy cập. Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), OFDM là một dạng của điều chế sóng mang, làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N với khoảng cách B/N. Mỗi dòng bit N có tốc độ bit nhỏ hơn dòng bit ban đầu, nhưng tổng của chúng là một dòng bit có tốc độ rất cao. Anten thông minh (MIMO): Trong hệ thống anten MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra), dòng số liệu từ một thiết bị đầu cuối được tách thành n dòng số liệu riêng biệt có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát). Mỗi dòng số liệu này sẽ được điều chế vào các symbol (tín hiệu) của các kênh truyền. Các dòng số liệu này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu, được phát đồng thời, vì vậy, về mặt lý thuyết, hiệu suất phổ tần được tăng lên gấp N lần. Các tín hiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M anten của hệ thống thu. 1.3. CÁC CÔNG NGHỆ MẠNG 4G 1.3.1. UMB (Ultra Mobile Broadband) UMB (Mạng thông tin di động siêu băng rộng) là thế hệ mạng thông tin di động tiếp nối của CDMA2000 được phát triển bởi 3GPP2 mà chủ lực là Qualcomm. UMB được sánh ngang với công nghệ LTE của 3GPP. UMB sử dụng OFDMA, MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như các kỹ thuật angten hiện đại để tăng khả năng của mạng, tăng vùng phủ và tăng chất lượng dịch vụ. UMB có thể cho tốc độ dữ liệu 6 đường xuống tới 280Mbit/giây và dữ liệu đường lên tới 75Mbit/giây. 1.3.2. WiMAX (IEEE 802.16m) WiMAX 802.16m (hay còn gọi là WiMAX II) được phát triển từ chuẩn IEEE 802.16e, là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM). Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng tĩnh. Khoảng cách truyền của WiMAX II là khoảng 2 km ở môi trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn. 1.3.3. LTE (Long-Term Evolution) Long Term Evolution - Sự tiến hóa trong tương lai xa LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Các mục tiêu của công nghệ này là: Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: tải xuống là 100Mbps, tải lên là 50Mbps. Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz so với mạng HSDPA: tải xuống gấp 3,4 lần; tải lên: gấp 2,3 lần. Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao từ 0-15km/h, tốt : từ 15-120km/h, duy trì được hoạt động: 120-350km/h. Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. 1.3.4. So sánh công nghệ LTE với công nghệ WIMAX Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng. Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP. Cả hai đều dùng kỹ thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật 7 OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video. Theo lý thuyết, chuẩn WiMax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps. 1.4 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HANDOFF TRONG HỆ THỐNG KẾT NỐI DI ĐỘNG 1.4.1. Giới thiệu Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của người sử dụng đầu cuối. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di chuyển từ qua ranh giới các ô tế bào. Chuyển giao có thể được thực hiện bởi nhà mạng, thiết bị đầu cuối, người sử dụng. 1.4.2. Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao Thủ tục chuyển giao có thể chia thành 3 pha : Đo đạc, quyết định, và thực thi chuyển giao. Trong pha đo đạc chuyển giao, các thông tin cần thiết để đưa ra quyết định chuyển giao được đo đạc. Các thông số cần đo thực hiện bởi máy thường là tỷ số Ec/I02 (Ec: là năng lượng kênh hoa tiêu trên một chip, và I0 : là mật độ phổ công suất nhiễu tổng thể) của kênh hoa tiêu chung (CPICH) của cell đang phục vụ máy di động đó và của các cell lân cận. Trong pha quyết định chuyển giao, kết quả đo được so sánh với các ngưỡng đã xác định và sau đó sẽ quyết định có bắt đầu chuyển giao hay không. Trong pha thực thi, quá trình chuyển giao được hoàn thành và các thông số liên quan được thay đổi tuỳ theo các kiểu chuyển giao khác nhau. 8 1.4.3. Các kiểu handoff Chuyển giao bên trong hệ thống (Intra-system HO): Chuyển giao bên trong hệ thống xuất hiện trong phạm vi một hệ thống. Chuyển giao giữa các hệ thống (Inter-system HO): Kiểu chuyển giao này xuất hiện giữa các cell thuộc về 2 công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAT) hay Các chế độ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAM). Trường hợp phổ biến nhất cho kiểu đầu tiên dùng để chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE. Chuyển giao cứng (HHO- Hard Handover): HHO là một loại thủ tục chuyển giao trong đó tất cả các liên kết vô tuyến cũ của một máy di động được giải phóng trước khi các liên kết vô tuyến mới được thiết lập. Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn(Softer HO): Chuyển giao mềm chỉ có trong công nghệ CDMA. So với chuyển giao cứng thông thường, chuyển giao mềm có một số ưu điểm. Tuy nhiên, nó cũng có một số các hạn chế về sự phức tạp và việc tiêu thụ tài nguyên tăng lên. Việc quy hoạch chuyển giao mềm ban đầu là một trong các phần cơ bản của của việc hoạch định và tối ưu mạng vô tuyến. 1.5. HANDOFF TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G Mạng 4G là 1 mạng được biết đến với nhiều công nghệ mạng khác nhau, bởi vậy ta có thế khái quát Quá trình một thiết bị di động (điện thoại di động, máy tính xách tay, hay pda …) đang kết nối vào mạng mà thay đổi điểm kết nối (từ mạng này sang mạng khác) gọi là quá trình chuyển giao (handover hay handoff). [...]... thiết kế hiệu quả về mô hình hàng đợi cho việc triển khai trên mạng 4G 26 KẾT LUẬN Trong bản đồ án này, em đã trình bày về xu hướng công nghệ, so sánh giữa mạng thông tin di động 3G và mạng thông tin di động 4G, cấu trúc mạng và các công nghệ mạng thông tin di động 4G (UMB, WiMAX, LTE) Trình bày các khái niệm chung về quá trình handoff của hệ thống di động, trình bày chi tiết về quá trình Handoff trong. .. UMTS mà hai mạng này được quản lý bởi các nhà cung cấp khác nhau như hình vẽ bên dưới Hình 1 2 Chuyển giao dọc 10 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ HÌNH HÀNG ĐỢI DÙNG PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG QUÁ TRÌNH HANDOFF CỦA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 2.1 MỘT SỐ LÝ THUYẾT ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN HÀNG ĐỢI 2.1.1 Quá trình Poisson Quá trình ngẫu nhiên Poisson là một quá trình cơ bản rất hay được áp dụng trong mô hình... hệ thống thông tin di động 4G với phần miêu tả tập trung vào quá trình chuyển giao dọc giữa các mạng trong hệ thống 4G Em đã tìm hiểu về phương pháp đánh giá hiệu năng của hệ thống sử dụng mạng hàng đợi Queue, quá trình Poisson, mô hình hàng đợi Markov, M/M/1 và M/G/1 Phần chương 3 của luận văn đã đi sâu giới thiệu một mô hình phân tích cho việc triển khai hàng đợi ưu tiên (PQ) trong một nút 4G để tính... giao dọc Quá trình chuyển giao này có thể làm thay đổi địa chỉ IP của thiết bị Ví dụ: thiết bị di động có thể di chuyển giữa các điểm truy nhập thuộc quyền quản lý của các Router truy nhập khác nhau; hay thiết bị di động có thể di chuyển giữa hai mạng thuộc về hai nhà cung cấp khác nhau; hay thiết bị di động có thể di chuyển khỏi vùng phủ sóng của 1 mạng WLAN và đi vào vùng phủ sóng của 1 mạng di động: ... của trễ mong đợi cho nhiều lớp giao thông từ C1 đến C5 trong một nút 4G thông qua sự thực thi các hàng đợi ưu tiên dựa trên hệ thống M/G/1 Từ những phân tích trên để áp dụng vào quá trình chuyển giao trong mạng 4G tôi đã đề cập đến mô hình chuyển giao sử dụng hàng đợi ưu tiên động, nhìn vào kết quả minh họa chúng ta có thể thấy hiệu năng của các luồng lưu lượng, khả năng nghẽn và rớt cuộc gọi được cải... Chƣơng 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO SỬ DỤNG MÔ HÌNH HÀNG ĐỢI 3.1 Giới thiệu Trong phần này mô hình hàng đợi được dùng để quản lý độ trễ trong mạng 4G Có một bộ phân lớp và một bộ định lịch cho MT Bộ phân lớp xác định các gói trong các hàng đợi khác nhau là một loại lớp giao thông Bộ định lịch phải quyết định gói tin nào sẽ được phục vụ trước 3.2 Đặt vấn đề Luận văn sẽ giới thiệu một... mong đợi của lớp giao thông C5 được tính bởi: (3.12) 3.4 Mô phỏng và phân tích hiệu năng 3.4.1 Cài đặt mạng Mô phỏng của hệ thống này được thực thi trên Matlab Có 5 mạng được xem xét Phạm vi của tất cả các mạng được phân bố trong hình chữ nhật cỡ [0, 0, 1000, 1000] Các mạng được phân bố có chồng lên nhau trong khu vực này để thể hiện một mạng không đồng nhất Các thiết bị đầu cuối nằm trong vùng 20 có chồng... trung vào trình bày các biểu thức tính toán của trễ mong đợi cho nhiều lớp giao thông từ C1 đến C5 trong một nút 4G thông qua sự thực thi các hàng đợi ưu tiên dựa trên mô hình hàng đợi M/G/1 Để áp dụng vào quá trình chuyển giao trong mạng 4G tôi đã đề cập đến mô hình chuyển giao sử dụng hàng đợi ưu tiên động, nhìn vào kết quả minh họa chúng ta có thể thấy hiệu năng của các luồng lưu lượng, khả năng nghẽn... dụng trong mô hình hàng đợi vì vậy trong phần này ta sẽ tìm hiểu lí thuyết chung của quá trình ngẫu nhiên này Quá trình Poisson là một quá trình ngẫu nhiên mà biến ngẫu nhiên mô tả quá trình tuân theo phân bố mũ Tính chất đặc trưng của quá trình ngẫu nhiên này là tính không nhớ, tính đơn nhất và tính dừng 2.1.2 Quy tắc Little Phát biểu : Độ dài trung bình của hàng đợi tích của tốc độ khách hàng đến và... khả năng nghẽn và rớt cuộc gọi được cải thiện rõ Để mở rộng và nâng cao hiệu quả cho nhiệm vụ mà luận văn thực hiện, trong lương lai tôi sẽ tìm hiểu sâu hơn về khả năng ứng dụng các mạng các hàng đợi (đóng và mở) để phân tích một số đặc tính của handoff trong mạng 4G như quá trình điều khiển chuyển giao, điều khiển công suất Vì mạng các hàng đợi là kết hợp các nút hàng đợi có thể là các dạng khác nhau . về mạng thông tin di động 4G và quá trình Handoff. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về mô hình hàng đợi dùng phân tích hiệu năng quá trình handoff của mạng thông. cứu Phân tích hiệu năng quá trình Handoff trong mạng thông tin di động 4G . Nhằm mục đích giới thiệu mô hình chuyển giao sử dụng hàng đợi ưu tiên động