Tìm hiểu kỹ thuật VojP trên nền WiMAX

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Tìm hiểu kỹ thuật VoiP WiMAX” em nhận hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy khoa Điện Tử - Viễn Thông trường ĐH Tôn Đức Thắng Vậy cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giúp đỡ Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Cô giáo – PGS TS : PHẠM HỒNG LIÊN– Người trực tiếp hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án TP HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2010 Sinh viên Nguyễn văn hoàn LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN MỤC LỤC Bảng Hình v Bảng Biểu vii Bảng Biểu vii CÁC TỪ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lời nói đầu 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.3 Bố cục luận văn CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VOIP .3 2.1 Giới thiệu chung VoIP: 2.1.1 Định nghĩa .3 2.1.2 Các kiểu kết nối sử dụng VoIP 2.1.2.1 Computer đến computer 2.1.2.2 Computer đến phone: 2.1.2.3 Phone đến phone: 2.1.3 Các thành phần mạng VoIP: 2.1.4 Các định nghĩa liên quan đến VoIP: 2.1.5 Những điểm thuận lợi VoIP so với PSTN: 2.2 Nguyên lý làm việc 2.2.1 VoIP hoạt động ? .8 2.2.2 Số hóa tín hiệu Analog 2.2.3 Các giao thức VoIP (VoIP protocols) .13 2.2.3.1 Bộ giao thức H.323 : 14 2.2.3.2 Bộ giao thức SIP .20 i 2.2.3.3 MGCP Megaco/H.248 .23 3.1 Điểm số ý kiến trung bình MOS 24 3.2 R-Score .25 3.2.1 Tỉ số tín hiệu nhiễu bản,R0 .27 3.2.2 Hệ số tổn hao đồng thời, Is 28 3.2.3 Hệ số suy hao trễ, Id .29 3.2.4 Hệ số suy hao thiết bị, Ie 30 3.2.5 Hệ số thuận lợi, A 31 3.3 Giá trị mặc định 32 3.4 Đánh giá chất lượng gọi từ R-score 33 3.5 Độ nhạy trễ độ gói VoIP 34 3.5.1 Ảnh hưởng độ trễ 35 3.5.2 Ảnh hưởng độ gói 37 CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 39 4.1 Giới thiệu OFDM 39 4.2 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 39 4.2.1 Khái quát: 39 4.2.2 Các ưu nhược điểm kỹ thuật OFDM: 39 4.3 Lý thuyết điều chế OFDM .41 4.3.1 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM: 41 4.3.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang: 41 4.3.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM: 42 4.3.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM: 44 4.3.2 Khái niệm trực giao hai tín hiệu: 45 4.3.3 Bộ điều chế OFDM: 45 4.3.3.1 Chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM: .47 ii 4.3.3.2 Phép nhân với xung (basic impulse): 50 4.3.4 Thực điều chế OFDM thuật toán IFFT (Inverse Fast Fourier Transform): 50 4.4 Lý thuyết giải điều chế OFDM 52 4.4.1 Bộ giải điều chế OFDM: 52 4.4.2 Tách khoảng bảo vệ: 53 4.4.3 Tín hiệu sau giải điều chế: 54 4.4.4 Thực giải điều chế thông qua phép biến đổi Fourier nhanh FFT: 56 CHƯƠNG 5: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIMAX 58 5.1 Giới thiệu chương 58 5.2 Khái niệm WiMax 58 5.3 Khái niệm IEEE 802.16 60 5.4 Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM 62 5.4.1 Bảng thông số kỹ thuật 62 Bảng Các tiêu chuẩn 802.16 .62 5.4.2 Các băng tần số 62 5.5 Chức phân kênh (Subchannelization) 63 5.7 Cấu trúc khung 64 5.8 Chuẩn 802.16-2004 OFDMA 65 5.8.1 Giới thiệu chung 65 5.8.2 Tổng quát khung (Frame) 66 5.8.3 Các phần khung (Frame Parts) 67 5.8.3.1 Preamble .67 5.8.3.2 FCH 67 5.8.3.3 DL-MAP /UL-MAP 67 5.9 Chuẩn 802.16e 68 5.10 Lớp MAC lớp PHY WIMAX 69 iii 5.10.1 Giới thiệu chung 69 5.10.2 Lớp MAC 70 5.10.2.1 Lớp SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer) .71 5.10.2.2 Lớp CPS (Common Part Sublayer) 71 5.10.3 Lớp PHY 74 5.10.3.1 Giới thiệu 75 5.10.3.2 Phương pháp ghép (Duplexing) 75 CHƯƠNG KỸ THUẬT VOIP VÀ CÔNG NGHỆ WIMAX 78 6.1 Giới thiệu chung: .78 6.2 Lý chọn công nghệ Wimax 78 6.3 Mơ hình hệ thống .80 6.4 Ứng dụng khác vào mạng Wimax 80 6.4.1 Giới thiệu truyền hình số theo giao thức IP: 80 6.4.2 Một số đặc tính IPTV: 81 6.4.3 Sự khác biệt IPTV truyền hình Internet: 82 6.4.4 Cơ sở hạ tầng mạng IPTV 83 6.4.5 Ưu điểm IP lựa chọn IP cho IPTV: 85 6.4.6 Nhu cầu thực tế IPTV 86 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐỘ TRỄ VOIP TRONG WIMAX 87 7.1 Cấu hình thành phần 87 7.2 Chương trình kết 89 7.3 Kết luận 92 7.4 Hướng phát triển đề tài .93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 iv Bảng Hình Hình Kiến trúc đơn giản VoIP Hình Các thành phần mạng .8 Hình Lấy mẫu(sampling) 10 Hình Điều chế PCM 11 Hình Đóng gói liệu thoại 12 Hình Kiến trúc H323 mơ hình OSI 14 Hình Phân vùng quản lý H.323 17 Hình Các giao thức H323 17 Hình Mơ hình thiết lập gọi H323 20 Hình 10 Cấu trúc mạng SIP 21 Hình 11 Kiến trúc giao thức 22 Hình 12 Hàm MOS theo R 34 Hình 13 Đồ thị Id theo d 37 Hình 14 Ie codec G.729a điều kiện gói ngẫu nhiên 38 Hình 15 Mật độ phổ lượng hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang 41 Hình 16: Cấu trúc hệ thống FDM .43 Hình 17: Mật độ phổ lượng hệ thống đa sóng mang 43 Hình 18: Mật độ phổ lương tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM 44 Hình 19: a) phổ tín hiệu kênh con;b)Hệ thống kênh 45 Hình 20: Bộ điều chế OFDM .46 Hình 21: Mô tả khái niệm chuỗi bảo vệ 47 v Hình 22: Hiệu ứng phân tập đa đường 48 Hình 23: Mơ tả ứng dụng chuỗi bảo vệ việc chống nhiễu ISI 49 Hình 24: Xung sở 50 Hình 25: Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng IFFT 52 Hình 26: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM .52 Hình 27: Mơ tả tách chuỗi bảo vệ giải điều chế OFDM 53 Hình 28: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 57 Hình 29 Hình Sự hoạt động Wimax 60 Hình 30 Từ 802.11b đến 802.16e 61 Hình 31 Chức phân kênh 64 Hình 32 Cấu trúc khung 802.16 OFDM 65 Hình 33 So sánh OFDM OFDMA 65 Hình 34 Cấu trúc khung OFDMA .66 Hình 35 Lớp MAC lớp PHY WIMAX 69 Hình 36 Cấu trúc MAC SDU (Service Data Unit) 71 Hình 37 Sự đóng gói liệu .73 Hình 38 Hình dạng GMH BRH MAC 74 Hình 39 Sự đóng gói MAC PDU 74 Hình 40 Mơ tả FDD TDD 76 Hình 41.Cấu trúc khung FDD 76 Hình 42.Cấu trúc khung TDD 77 Hình 43 Mơ hình hệ thống cho ứng dụng VoiP .80 Hình 44 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống IPTV 83 vi Bảng Biểu Bảng Các gia trị MOS 24 Bảng Kết nối tham chiếu E-model 26 Bảng Ví dụ tạm thời cho hệ số thuận lợi A 31 Bảng Giá trị mặc định tầm cho phép thông số 33 Bảng Mối quan hệ giá trị R mức độ hài lòng người dùng 34 Bảng Giá trị suy hao trễ theo giá trị độ trễ chiều 36 Bảng Thông số suy hao gói .38 Bảng So sánh WiLANs WiMAX 59 Bảng Các tiêu chuẩn 802.16 62 Bảng 10 Các thông số kỹ thuật chuẩn 802.16 63 Bảng 11 Các băng tần số 63 Bảng 12 Tham số vật lý OFDMA 66 Bảng 13 So sánh loại giao diện lớp PHY Error! Bookmark not defined Bảng 14 Bảng thông số MAC Header 72 vii KỸ THUẬT VOIP TRÊN NỀN WIMAX PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN  Node màu đỏ BS(0) BS(1)  Node màu xanh trắng trạm Node xanh đậm điểm wireline Kết thực : -Với độ trễ yêu cầu 10ms, tần số lấy mẫu 10ms/mẫu biểu diễn độ trễ packet -Khơng có kênh vượt q 10ms Nên khơng có kênh vượt 20ms Với tải tăng từ đến 67% SVTH: NGUYỄN VĂN HOÀN 91 KỸ THUẬT VOIP TRÊN NỀN WIMAX PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Xét trễ 50ms, thời gian lấy mẫu 50ms/mẫu Thời gian trễ gói Số lượng kênh theo tải 7.3 Kết luận Qua mơ độ trễ ta kiểm tra tồn thông số ảnh hưởng đến độ trễ mạng có chứa phần tử 802.11 gói tin, kỹ thuật truy cập 802.11, xử lý SVTH: NGUYỄN VĂN HOÀN 92 KỸ THUẬT VOIP TRÊN NỀN WIMAX PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN hàng đợi độ trễ lan truyền, chế độ định tuyến… Là bước quan trọng cho việc triển khai ứng dụng voice đa phương tiện nói chung, khơng chuẩn 802.11 mà mở rộng giao diện truy cập khác Có thể thực thay đổi để kiểm tra thông số:  Cấu trúc packet, độ dài packet để mô gói thích hợp cho voice, video mơi trường wireless lan hay bluetooth…  Thay đổi thuật toán hàng đợi  Thay đổi kỹ thuật định tuyến 7.4 Hướng phát triển đề tài  Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng thoại VoIP mạng WiMAX di động tìm cách nâng cao chất lượng gọi, tỉ lệ thiết lập gọi thành công, giảm tỉ lệ rớt gọi…  Nghiên cứu nâng cao chất lượng cho dịch vụ thời gian thực khác mạng WiMAX dịch vụ video on demand, music on demand… SVTH: NGUYỄN VĂN HOÀN 93 KỸ THUẬT VOIP TRÊN NỀN WIMAX PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.wimaxforum.org, 2009 [2] Điền Hòa Anh Việt, 2007, “ Cải thiện chất lượng luồng VoiP mạng Wimax”,LVTN, ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh [3] Dionysia-Katerina Triantafyllopoulou, Nikos Passas, Alexandros Kaloxylos, “A Cross-Layer Optimization Mechanism for Multimedia Traffic over IEEE 802.16 Networks”, Proc 13th European Wireless Conf., 2007 [4] Catherine Boutremans, Gianluca Iannaccone, Christophe Diot, “Impact of Link Failures on VoIP Performance”, Proc 12th Int’l Workshop Network and Operating Systems Support for Digital Audio and Video, pp 63-71, 2002 [5] S Perera, H Sirisena, “Contention-Based Negative Feedback ARQ for VoIP Services in IEEE 802.16 Networks”, Proc 14th IEEE Int’l Conf Networks, vol 2, pp 1-6, 09/2006 [6] Syed Ahson, Mohammad Ilyas, “WiMAX: Applications”, CRC Press, ISBN: 978-1-4200-4547-5, 2008 [7] Loutfi Nuaymi, “WiMAX: Technology for Broadband Wireless Access”, John Wiley & Sons, ISBN: 9780470028087, 2007 [8] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, ISBN 0-7381-4070-8 SS95246, 06/2004 [9] R.G Cole, J.H Rosenbluth, “Voice over IP Performance Monitoring”, Computer Communication Review, vol 31, no 2, pp 9-24, 2001 [10] Akshay Garkel, Wireless VoIP Deployment, White paper, smartBridges, 2005 SVTH: NGUYỄN VĂN HOÀN 94 PHỤ LỤC Mã nguồn chương trình tính độ trễ kênh voice theo tải File: vwqos.tcl # Khởi tạo thông số -global opt set opt(chan) Channel/WirelessChannel set opt(prop) Propagation/TwoRayGround ;# mơ hình truyền sóng set opt(netif) Phy/WirelessPhy set opt(mac) Mac/802_11 set opt(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;# interface queue set opt(ll) LL ;# link layer set opt(ant) Antenna/OmniAntenna set opt(x) 1000 set opt(y) 1000 set opt(ifqlen) 50 ;# length of queues set opt(tr) wcwqos2.tr ;# trace file set opt(tr1) wcwqos21.tr set opt(namtr) wcwqos2.nam ;# sim file set opt(namtr1) wcwqos21.nam set opt(nn) 20 ;# numnode set opt(adhocRouting) DSDV set opt(cp) "" set opt(sc) " /mobility/scene/scen-20-test" ;# tạo vị trí node set opt(stop) 2000 ;# thời gian dừng chương trình set num_wired_nodes set num_bs_nodes #khởi tạo theo dõi set f0 [open out0.tr w] set f1 [open out1.tr w] set f2 [open out2.tr w] set f3 [open out50ms.tr w] proc init {} { global f0 f1 f2 f3 set f0 [open out0.tr w] set f1 [open out1.tr w] set f2 [open out2.tr w] set f3 [open out50ms.tr w] } #Other default settings -thong so tang link LL set mindelay_ 50us LL set delay_ 25us LL set bandwidth_ # -chế độ hàng đợi -Queue/DropTail/PriQueue set Prefer_Routing_Protocols #unity gain, omni-directional antennas #set up the antennas to be centered in the node and 1.5 meters above it Antenna/OmniAntenna set X_ Antenna/OmniAntenna set Y_ Antenna/OmniAntenna set Z_ 1.5 Antenna/OmniAntenna set Gt_ 1.0 Antenna/OmniAntenna set Gr_ 1.0 #wireless-phy.cc #Initialize the SharedMedia interface with parameters to make #it work like the 914MHz Lucent WaveLAN DSSS radio interface Phy/WirelessPhy set CPThresh_ 10.0 ;#threshold physical, Phy/WirelessPhy set CSThresh_ 1.559e-11 ;#connection pattern Phy/WirelessPhy set RXThresh_ 3.652e-10 Phy/WirelessPhy set Rb_ 2*1e6 Phy/WirelessPhy set Pt_ 0.2818 Phy/WirelessPhy set freq_ 914e+6 ;#freq being used Phy/WirelessPhy set L_ 1.0 #-pl -std -Pt -fr -Gt -Gr -L -ht -hr -d0 -r -m # -set ns_ [new Simulator] $ns_ node-config -addressType hierarchical $ns_ color Blue $ns_ color green $ns_ color Red # thiết lập miền kế thừa AddrParams set domain_num_ ;#thiet lap domain, hai wireless, mot wired lappend cluster_num 1 ;#so luong cluster moi domain ;#(wired,wireless,wireless) AddrParams set cluster_num_ $cluster_num lappend eilastlevel 1 ;#so luong node cua moi cluster AddrParams set nodes_num_ $eilastlevel set tracefd [open $opt(tr) w] $ns_ trace-all $tracefd set namtracefd [open $opt(namtr) w] # theo doi traffic ca wireless va wireline. -$ns_ namtrace-all-wireless $namtracefd 800 600 # tạo topo mang set topo [new Topography] $topo load_flatgrid $opt(x) $opt(y) # god needs to know the number of all wireless interfaces #General Operations Director (GOD) + set god_ [create-god [expr $opt(nn) +$num_bs_nodes + $num_wired_nodes ]] #create wired nodes, domain=0 #each cluster each node in just one domain set temp {0.0.0 0.1.0} for {set q 0} {$q < $num_wired_nodes} {incr q} { set W($q) [$ns_ node [lindex $temp $q]] $W($q) color "#66660000ffff" } $W(0) set X_ 00.0 $W(0) set Y_ 100.0 # config BS node -$ns_ node-config -adhocRouting $opt(adhocRouting) \ -llType $opt(ll) \ -macType $opt(mac) \ -ifqType $opt(ifq) \ -ifqLen $opt(ifqlen) \ -antType $opt(ant) \ -propInstance [new $opt(prop)] \ -phyType $opt(netif) \ -channel [new $opt(chan)] \ -topoInstance $topo \ -wiredRouting ON \ -agentTrace ON \ -routerTrace ON \ -macTrace ON #$mobilenode start set temp {1.0.0 1.0.1 1.0.2 1.0.3 1.0.4 1.0.5 1.0.6 1.0.7 1.0.8 1.0.9 1.0.10 1.0.11 1.0.12 1.0.13 1.0.14 1.0.15 1.0.16 1.0.17 1.0.18 1.0.19 1.0.20 1.0.21 } #domain.cluster.node for fist wireless domain set BS(0) [$ns_ node [lindex $temp 0]] set BS(1) [$ns_ node 2.0.0] $BS(0) random-motion $BS(1) random-motion $BS(0) color "#ffff00000000" $BS(1) color "#ffff00000000" $ns_ at 0.0 "$BS(0) label BS(0)" $ns_ at 0.0 "$BS(1) label BS(1)" #$ns_ initial_node_pos $BS(0) 100 #$ns_ initial_node_pos $BS(1) 100 ;#gan cho bs(0)1.0.0 ;#gan cho bs(1)2.0.0 ;#khoi tao kich thuoc cua node # -configure for mobilenodes -$ns_ node-config -wiredRouting OFF\-wirelessRouting ON #tao cac mobile node- co dia chi ke thua tu cac station cua no, chi thi trang thai ket noi #do tram nao quan ly for {set j 0} {$j < $opt(nn)} {incr j} { set node_($j) [ $ns_ node [lindex $temp [expr $j+1]] ] $node_($j) base-station [AddrParams addr2id [$BS(0) node-addr]] $node_($j) random-motion } #create links between wired and BS nodes $ns_ duplex-link $W(0) $W(1) 11Mb 2ms DropTail ;#delay 2ms $ns_ duplex-link $W(1) $BS(0) 11Mb 2ms DropTail ;# $ns_ duplex-link $W(1) $BS(1) 11Mb 2ms DropTail #create the performance for node $ns_ duplex-link-op $W(0) $W(1) orient down $ns_ duplex-link-op $W(1) $BS(0) orient left-down $ns_ duplex-link-op $W(1) $BS(1) orient right-down #khoi tao vi tri cho cac node, kich co cua cac node wireless for {set q 0} {$q < $opt(nn)} {incr q} { $ns_ initial_node_pos $node_($q) 20;#try to positor $node_($q) color "#33339999" $ns_ at 0.0 " $node_($q) color #33339999f " } # -Define a 'finish' procedure proc finish {} { global f0 f1 f2 f3 numnode t qe i pktsdelay delaychan loadper sim_interval #Close the output files close $f0 close $f1 close $f2 puts "so luong node la $numnode" puts "so luong tong packet tre vuot qua 50ms : $t" #so luong pkts tre cua moi kenh tung khoang sim for {set k 0} { $k < $numnode} { incr k } { puts "so luong packet tre vuot qua 50ms channel$k: $pktsdelay($k)" } for {set k1 0} { $k1 < $sim_interval} { incr k1 } { puts "tai mang moi khoang thoi gian mo phong thu $k1 = $loadper($k1)" puts "num of channel delay not precede 50ms qe($k1)= $qe($k1)" puts $f3 " $loadper($k1) [expr $numnode - $qe($k1)]" } close $f3 puts "so i luc $i" puts "num of channel delay not precede 50ms delaychan= , $delaychan" if {$i< $numnode} {puts "so luong packet tre vuot qua 50ms channel$i: $pktsdelay($i)" } #Execute NAM on the trace file exec nam wcwqos2.nam #Call xgraph to display the results exec xgraph out0.tr -geometry 600x400 -t "timedelay " -x "secs" -y "secs" -m & #exec xgraph out1.tr -geometry 800x400 -t "bandwith" -x "secs" -y "kbps" & #exec xgraph out2.tr -geometry 800x200 -t "npkts" -x "secs" -y "pkts" & #exec xgraph out50ms.tr -geometry 600x400 -bd "green" -t "number of voice channel with delay 50ms" -x "Load(%)" -y "nvoicechannel" -m & exec xgraph out50ms.tr -geometry 600x400 -bd "green" -t "so luong kenh voice thoa delay