Nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải cho mạng wimax di động chuẩn ieee 802 16e,luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện tử

TRẦN QUANG NHU BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI  - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI CHO MẠNG WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e TRẦN QUANG NHU NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI CHO MẠNG WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.70 NĂM 2012 Tp Hồ Chí Minh – 5/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI  - TRẦN QUANG NHU NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI CHO MẠNG WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.70 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN CẢNH MINH Tp Hồ Chí Minh – 5/2012 TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Họ tên học viên: TRẦN QUANG NHU Giới tính: Nam Sinh ngày 25-12-1985 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử (Mã: 60.52.70) Lớp: KTĐT-K18 Cán hƣớng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Minh Bộ môn: KTĐT Đơn vị công tác: Công ty TNHH hệ thống viễn thông VNPT-NEC TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI CHO MẠNG WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu tổng quan công nghệ WiMAX di động nghiên cứu kỹ thuật cân tải cho mạng WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu luận văn chuẩn mạng WiMAX di động IEEE 802.16e đƣợc nghiên cứu sử dụng giới Phạm vi nghiên cứu: Luận văn vào phân tích tổng quan mạng WiMAX di động, sau nghiên cứu kỹ thuật cân tải cho mạng WiMAX di động dựa sở lý thuyết, đƣa đánh giá tổng thể kỹ thuật Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận văn đƣợc nghiên cứu dựa tài liệu tham khảo chuyên ngành xuất bản, đề tài, cơng trình nghiên cứu đƣợc cơng bố tạp chí chun ngành có uy tín quốc tế, khuyến nghị từ tổ chức nghiên cứu WiMAX di động Kết đạt đƣợc: Trên sơ lý thuyết mơ hình mơ phỏng, luận văn phân tích, tổng hợp đánh giá đƣợc hiệu kỹ thuật cân tải cho mạng WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e, đề xuất hƣớng nghiên cứu phát triển cho tƣơng lai Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn: Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng năm 2012 Xác nhận cán hƣớng dẫn TS Nguyễn Cảnh Minh Xác nhận Bộ môn Học viên Trần Quang Nhu Luận văn thạc sỹ Lời nói đầu II LỜI NĨI ĐẦU I Giới thiệu đề tài nghiên cứu Khoa học kỹ thuật ngày phát triển, truyền thông băng thông rộng trở thành nhu cầu thiết yếu cho ngƣời sử dụng Ngoài việc cung cấp dịch vụ nhƣ truy cập Internet, trò chơi tƣơng tác, truyền thơng băng rộng di động đƣợc nghiên cứu đƣa vào ứng dụng rộng rãi để cung cấp kết nối tin cậy cho ngƣời dùng di chuyển phạm vi rộng Trƣớc tình hình đó, WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e đời, giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng băng rộng khơng dây cố định nhờ sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt Với ƣu điểm vƣợt trội nhƣ tốc độ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng, chất lƣợng dịch vụ bảo mật tốt, có khả hỗ trợ cố định nhƣ di động, sử dụng phổ tần cấp phép chƣa đƣợc cấp phép WiMAX di động đƣợc đánh giá nhanh chóng vƣợt qua cơng nghệ có nhƣ WiFi hay 3G Trên thực tế, mạng WiMAX di động thƣờng xảy hiệu ứng điểm nóng, lƣu lƣợng tập trung cao vài trạm sở BS, song trạm cịn lại có tải lƣu lƣợng thấp Khi trạm sở bị tải xảy nghẽn gọi, kết nối, chất lƣợng dịch vụ nhiều ngƣời dùng giảm Nhƣ cần nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên đảm bảo yêu cầu chất lƣợng dịch vụ QoS từ phía khách hàng Cho đến nay, kỹ thuật tối ƣu tài nguyên nâng cao chất lƣợng dịch vụ QoS đƣờng truyền vô tuyến trạm sở BS đƣợc quan tâm, nghiên cứu nhiều Một kỹ thuật kỹ thuật cân tải, kỹ thuật giải vấn đề điểm nóng thơng qua cấp phát tài nguyên nhƣ phân phối tải trạm hệ thống Khi áp dụng kỹ thuật nhà cung cấp cung cấp dịch vụ có chất lƣợng đảm bảo cho khách hàng, nguồn tài nguyên đƣợc tận dụng tối đa dung lƣợng hệ thống đƣợc tăng cực có lợi nhuận cho nhà cung cấp Nhƣ vậy, việc nghiên cứu kỹ thuật cân tải cho mạng WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e cần thiết, lý để ngƣời nghiên cứu chọn đề tài HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Lời nói đầu III II.Mục tiêu nghiên cứu đề tài Tìm hiểu tổng qt cơng nghệ WiMAX di động nghiên cứu kỹ thuật cân tải cho mạng WiMAX di động chuẩn 802.16e III Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu luận văn chuẩn mạng WiMAX di động (IEEE 802.16e2005) đƣợc nghiên cứu sử dụng phổ biến giới IV Phạm vi nghiên cứu Luận văn vào phân tích tổng quan mạng WiMAX di động, sau nghiên cứu kỹ thuật cân tải cho mạng WiMAX di động dựa sở lý thuyết, đƣa đánh giá tổng thể kỹ thuật V Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn đƣợc nghiên cứu dựa tài liệu tham khảo chuyên ngành xuất bản, đề tài, cơng trình nghiên cứu đƣợc cơng bố tạp chí chun ngành có uy tín quốc tế, khuyến nghị từ tổ chức nghiên cứu WiMAX, nhà sản xuất, nhà cung cấp dịch vụ viễn thơng nói chung dịch vụ WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e nói riêng Luận văn chủ yếu đƣợc nghiên cứu sở lý thuyết viễn thông dựa sở tốn học cụ thể có liên quan đến đề tài đƣợc đề cập VI Kết cấu luận văn CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ WIMAX CHƢƠNG II: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e CHƢƠNG III: KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI CHO MẠNG WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ VỀ KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI CHO MẠNG WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Lời cam đoan IV LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu đƣợc nêu luận văn trung thực, chƣa đƣợc công bố luận văn khác Các thích, số liệu mơ từ tài liệu gốc, giáo trình, báo khoa học đƣợc trích dẫn cách cụ thể Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 Học viên thực Trần Quang Nhu HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ V Mục lục MỤC LỤC TRÍCH YẾU LUẬN VĂN I LỜI NÓI ĐẦU II LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT IX DANH MỤC BẢNG BIỂU XVI DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .XVII CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ WIMAX 1.1 Công nghệ WiMAX 1.1.1 WiMAX 1.1.2 So sánh WiMAX với số công nghệ khác 1.1.3 Giới thiệu chuẩn công nghệ WiMAX IEEE 802.16 1.2 Các ứng dụng WiMAX 15 1.2.1 Kết nối điểm - đa điểm vùng nông thôn 15 1.2.2 Cung cấp tuyến thông tin liên lạc xa bờ 15 1.2.3 WiMAX làm Backhaul cho WiFi 16 1.2.4 Chăm sóc sức khỏe từ xa (Telemedicine) 17 1.3 Kết luận chƣơng 18 CHƢƠNG II: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WIMAX DI ĐỘNG 19 2.1 Các đặc điểm WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e 19 2.2 Mơ hình tham chiếu mạng WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e 20 2.2.1 Mơ hình tham chiếu mạng WiMAX di động 20 2.2.2 Các dịch vụ ứng dụng 25 2.2.3 Hỗ trợ kết nối liên mạng chuyển vùng 25 HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ VI Mục lục 2.2.4 Di động chuyển giao 26 2.2.5 Tính mềm dẻo, khả mở rộng, vùng phủ sóng 26 2.2.6 Khả liên vận hành nhà cung cấp 27 2.2.7 Chất lƣợng dịch vụ QoS 27 2.3 Lớp vật lý PHY 27 2.3.1 Cơ sở đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao theo tỷ lệ SOFDMA 27 2.3.2 Hệ thống ăng ten thông minh 28 2.3.3 Điều chế mã hóa thích ứng 30 2.3.4 Kỹ thuật sửa lỗi trƣớc FEC 31 2.3.5 Tái sử dụng tần số phân đoạn (Fractional frequency reuse) 32 2.3.6 Yêu cầu lặp lại tự động kết hợp HARQ 33 2.3.7 Phản hồi chất lƣợng kênh nhanh 34 2.3.8 Điều khiển xếp 34 2.4 Lớp điều khiển truy nhập môi trƣờng MAC 35 2.4.1 Giới thiệu 35 2.4.2 MAC hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ QoS 35 2.4.3 Dịch vụ lập lịch 36 2.4.4 Quản lý nguồn lƣợng 38 2.4.5 Chuyển giao 38 2.4.6 Bảo mật 41 2.4.7 Dịch vụ Multicast dịch vụ Broadcast (MBS) 41 2.4.8 Khởi tạo truy nhập kênh truyền 42 2.5 Kết luận chƣơng 45 HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ VII Mục lục CHƢƠNG III: KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI CHO MẠNG WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e 46 3.1 Giới thiệu cân tải mạng WiMAX di động 46 3.1.1 Giới thiệu chung 46 3.1.2 Chuyển giao 48 3.1.3 Phân loại kỹ thuật cân tải 58 3.2 Cơ sở lý thuyết 60 3.2.1 Cơ sở cho cân tải 60 3.2.2 Hệ số cân tải (Load Balancing Metric) 62 3.2.3 Đo tải (Load Measurement) 63 3.2.4 Chuyển giao trực tiếp (Directed Handover) 64 3.2.5 Thâm nhập trực tiếp (Directed Retry) 68 3.2.6 Ƣu tiên loại lƣu lƣợng chuyển giao 69 3.3 Cân tải đƣợc điều khiển trạm gốc với chuyển giao mạng WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e 73 3.3.1 Thuật toán cân tải cho mạng WiMAX di động 73 3.3.2 Các cải tiến khả thi (Possible enhancements) 79 3.4 Kết luận chƣơng 85 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ VỀ KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI CHO MẠNG WIMAX DI ĐỘNG CHUẨN IEEE 802.16e 86 4.1 Mô hình cấu hình hệ thống mơ 86 4.1.1 Cấu hình hệ thống WiMAX 86 4.1.2 Môi trƣờng mô 89 4.1.2.1 Mơ hình kênh 89 4.1.2.2 Lƣu lƣợng chất lƣợng dịch vụ QoS 91 HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ 4.2 VIII Mục lục Kết mô 94 4.2.1 Kết từ trƣờng hợp mô 94 4.2.2 Kết luận từ kết mô 109 4.3 Kết luận chƣơng 112 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 113 LỜI CẢM ƠN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Chƣơng IV 104 lƣợng tổng Vì luồng dựa VoIP bị chặn mức độ sử dụng tài nguyên vào khoảng 88% (74 % liệu non-BE 14% mào đầu khung con), giới hạn ngƣỡng kích thích trƣờng hợp đƣợc thiết lập vào khoảng 84% Thêm vào đó, cần xem xét đến việc sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh cách linh động ngƣỡng kích thích theo trạng thái hệ thống (xem 3.3.2.1) bỡi thuật toán cân tải sở ngƣỡng đƣợc điều chỉnh thủ cơng tạo giá trị ngƣỡng linh động (dynamic) mà độ lớn độ dự trữ trễ tăng nhƣ tải trung bình tăng khơng đáp ứng đƣợc nhu cầu hệ thống thông tin lƣu lƣợng thay đổi nhƣ cố định Một vấn đề nảy sinh khác xuất phát từ trƣờng hợp mô dựa độ trễ việc ƣớc tính MS cần đƣợc chuyển giao SBS đƣợc chấp nhận TBS Nhƣ đƣợc mô tả thuật toán cân tải sở (xem hình 3.7), chuyển giao trực tiếp đƣợc tiến hành tài nguyên đƣợc giải phóng đủ để hệ thống đạt đƣợc giá trị trung bình Nói chung, độ dự trữ trễ nhỏ, việc chuyển giao trực tiếp nên đƣợc thực cẩn thận chuyển giao q nhiều MS làm tăng đột ngột mức độ sử dụng tài nguyên BS đích, gây hiệu ứng ping-pong dựa chuyển giao Mặc dù với thông tin lƣu lƣợng đặc biệt việc ƣớc lƣợng có tài ngun đƣợc giải phóng SBS tài nguyên tăng TBS MS đƣợc chuyển giao điều đơn giản, nhƣng lƣu lƣợng kênh thay đổi việc ƣớc lƣợng thách thức Mức độ phức tạp đƣợc giảm xuống cách đo mức độ sử dụng tài nguyên định chấp nhận chuyển giao trực tiếp Tuy nhiên, ƣớc lƣợng khó để thực TBS nên tốt thận trọng ngừng chuyển giao kết nối trƣớc đạt đƣợc mức độ trung bình để tránh hiệu ứng ping-pong đạt đến cân tải Nhƣ nên chọn độ dự trữ trễ nhƣ cho phù hợp với đặc tính lƣu lƣợng? Với độ dự trữ trễ 10% đủ loại bỏ hiệu ứng chuyển giao ping-pong, tốt thiết lập giá trị bảo đảm (khoảng lớn 20% ít) để phòng trƣờng hợp biến động kênh truyền thay đổi chế điều chế mã hóa MCS Vì gọi VoIP cần thông lƣợng đảm bảo (với yêu cầu độ HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ 105 Chƣơng IV trễ) chúng khơng có lợi từ băng thông mở rộng, với đặc điểm lƣu lƣợng riêng biệt thiết lập ngƣỡng kích thích cao tốt chấp nhận nhiều gọi VoIP tốt miễn giới hạn ngƣỡng kích thích dựa mức độ sử dụng tài nguyên (dựa điều khiển thâm nhập lập lịch) đƣợc thiết lập Tuy nhiên điều làm ảnh hƣởng đến hiệu dịch vụ BE Trong hình 4.8, thấy độ trễ trung bình hệ thống thay đổi nhƣ cho lớp dịch vụ Độ trễ (Delay) (mili giây) khác q trình mơ nhƣ hàm độ dự trữ trễ (hysteresis margin) Độ dự trữ trễ (%) Hình 8: Độ trễ tồn hệ thống cho loại lƣu lƣợng với độ dự trữ trễ khác (System wide dalay for the traffic classes with different hysteresis margins) [2] Cả VoIP VoIP với VAD không bị suy giảm xét độ trễ UL điều khiển thâm nhập bảo vệ chúng Chúng ta thấy độ trễ UL cho loại lƣu lƣợng BE FTP HTTP tăng cách đáng kể với độ dự trữ trễ 40% (hysteresis margin) Mặc dù ngun tắc để ƣu tiên lƣu lƣợng có tính ƣu tiên cao lƣu lƣợng có mức ƣu tiên thấp (ví vụ VoIP BE) HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ 106 Chƣơng IV Thông thƣờng cung cấp băng thông, phần nhỏ băng thông đƣợc giữ cho lƣu lƣợng BE để đảm bảo phần thơng lƣợng cho (đề nghị 20% thơng lƣợng đƣợc giữ cho lƣu lƣợng BE) Trong trƣờng hợp này, việc giảm thông lƣợng cho báo nhận lƣu lƣợng BE làm giảm đáng kể thông lƣợng liệu BE đƣờng xuống DL Mặc khác, cân tải với chuyển giao đƣợc hỗ trợ đầu cuối độ trễ tăng gây kết nối BE FTP HTTP gây chuyển giao dựa cân tải đƣợc khởi tạo MS cho BE MS (vì kết nối BE tiến hành chuyển giao trƣớc hết cho BS bị nghẽn) Hơn nữa, phần bổ sung đƣợc đề cập 3.3.2 đƣợc ứng dụng, BS khởi tạo chuyển giao trực tiếp cho BE MS Điều tốt BS có nhiều thơng tin biết đƣợc TBS tốt cho MS để chuyển giao đến, biết đƣợc băng thông sẵn có cho BE MS tổng số BE MS khác chiếm băng thơng cho TBS ứng cử Nhƣ vậy, với thông tin lƣu lƣợng đặc biệt, độ dự trữ 20% (margin) tốt đủ lớn để khơng xảy hiệu ứng ping-pong, nhƣng độ dự trữ thấp khơng chặn gọi thay đổi lƣu lƣợng BE mức cao Giá trị trễ đƣợc chọn đƣợc bổ sung với giới hạn ngƣỡng kích thích cho mức độ sử dụng tài nguyên đƣợc thiết lập vào khoảng 84% 4.2.1.3 Đánh giá độ dài chu kỳ cân tải LBC (Load Balancing Cycle) Độ dài LBC định nghĩa tin dung lƣợng dự phòng SCR (Spare Capacity Report) đƣợc gởi đến BS khác thƣờng xuyên nhƣ cân tải phản ứng nhanh nhƣ thay đổi lƣu lƣợng Độ dài LBC thuật toán cân tải sở định nghĩa khoảng thời gian trung bình đƣợc sử dụng Để cho thủ tục báo cáo đƣợc đơn giản thời gian trung bình việc báo cáo SCR đƣợc đồng bộ, nghĩa việc đo kiểm đƣợc thực suốt chu kỳ LBC đƣợc báo cáo BS khác suốt chu kỳ LBC đƣợc sử dụng để định bắt đầu LBC thứ ba Thậm chí với giới hạn này, tải lƣu lƣợng đƣợc cân với độ dài cân tải 10 20 giây trƣớc gọi bị chặn Hình 4.9 a-b mô tả kêt mô trƣờng hợp HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Chƣơng IV 107 Chỉ số cân tải Chỉ số cân tải hệ thống với chiều dài LBC khác Thời gian (giây) Mức sử dụng tài nguyên % Hình b: Mức sử dụng tài nguyên cho BS2 với chiều dài LBC khác Thời gian (giây) Hình 9: Chỉ số cân tải tức thời (a) mức sử dụng tài nguyên BS với độ dài vòng cân tải LBC khác [2] Chiều dài LBC đƣợc mô thay đổi từ 50 mili giây (đối với thuật toán cân tải sở [10] độ dài LBC 100ms) đến 30 giây Khi khoảng thời gian LBC dài thuật tốn đợi lâu phản ứng lại với việc tăng lƣu lƣợng Chỉ số cân tải gần với giá trị trƣờng hợp chiều dài LBC nhỏ suốt q trình mơ phỏng, với độ dài LBC khác khơng có khác rõ rệt mức, chiều dài đƣợc tăng lên đến 30 giây xảy chặn gọi Khơng có hiệu ứng ping-pong với chiều dài LBC chí với chiều dài LBC đƣợc mơ nhỏ 50 mili giây HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Chƣơng IV 108 Nhƣng khơng có tƣơng quan rõ ràng độ dài LBC nhỏ tổng số lần cân tải đƣợc kích hoạt Cân tải đƣợc kích hoạt lần với 50 mili giây thực thi (lúc 14, 42, 80 ,và 126 giây) 500 mili giây thực thi (lúc 14, 57, 92 ,và 126 giây) Khi chiều dài LBC tăng lên, với độ dài LBC giây cân tải kích hoạt lần, cịn độ dài LBC 10 giây cân tải kích hoạt lần Đáng ngạc nhiên độ dài LBC 20 giây, cân tải đƣợc kích hoạt hai lần khơng xảy chặn gọi Cuối với độ dài LBC 30 giây gọi bị chặn trƣớc cân tải đƣợc kích hoạt gọi đến cịn lại đƣợc chấp nhận Thuật tốn cân tải cân tải cho lƣu lƣợng non-BE tĩnh chí với độ dài LBC 20 giây, nên sử dụng giá trị thấp biến động mức luồng xảy thay đổi MCS Từ kết mơ ta nói với thơng tin lƣu lƣợng LBC dài hiệu Kênh lƣu lƣợng tĩnh kích thƣớc khoảng thời gian trung bình quan trọng khả cân tải giữ nguyên cho dù có thời gian trung bình ngắn thời gian báo cáo SCR lớn Vì giá trị mặc định giây đƣợc sử dụng cấu trúc mạng WiMAX dƣờng nhƣ chọn lựa hợp lý Khi phân tích kỹ hơn, thấy lƣu lƣợng có biến đổi lớn việc chọn chiều dài LBC phù hợp khó khăn mặt nên chọn chiều dài trung bình lớn để báo cáo kết trung bình tốt hơn, nhƣng mặt khác làm ngắn khoảng thời gian báo cáo SCR để đáp ứng kịp thời với điều kiện thay đổi Nhƣ tốt hết không thay đổi chiều dài LBC nhiều nhƣng tăng độ dự trữ trễ lƣu lƣợng biến động nhiều Một vấn đề khác thú vị phát sinh q trình mơ việc sử dụng kết đo từ LBC giống tính tốn mức độ sử dụng tài nguyên trung bình để đảm bảo chúng phản ánh tình trạng tải thực hệ thống Trong [10], thời gian ngắt quãng cho chuyển giao dài khơng có tải trung bình đƣợc báo cáo suốt thời gian ngắt quãng, thay vào sử dụng giá trị cũ Bởi hầu hết trƣờng hợp mơ thời gian ngắt quãng suốt trình chuyển giao cho tất trƣờng hợp nhỏ 100ms, tỷ lệ tải VoIP tồn tải khơng đáng kể nên giá trị trung bình tính tốn đƣợc khơng thay đổi nhiều Tuy HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ 109 Chƣơng IV nhiên, thời gian ngắt quãng lớn tải hệ thống giảm tạm thời trƣờng hợp xét tin SCR không đƣợc gởi giá trị cũ đƣợc sử dụng để tính giá trị trung bình Quan trọng nhận kết đo từ BS lân cận, BS đƣợc đồng với nhƣ nào? Để cho thuật tốn hoạt động việc đo xác cần thiết, có nghĩa BS phải đƣợc đồng mức độ Các BS lân cận nên đo tải khoảng thời gian giống báo cáo tình trạng tải khoảng thời gian để có định chuyển giao Việc thay đổi chiều dài LBC mà khơng làm đồng thủ tục phức tạp khơng có thành phần tập trung điều khiển tồn (Ví dụ nhƣ ASN profile C) Đây khía cạnh khác giải thích sử dụng giá trị mặc định giống cho chiều dài LBC phản ứng lại với lƣu lƣợng cách thay đổi độ dự trữ trễ Việc BS đồng đề tài cần đƣợc nghiên cứu tƣơng lai Trong phần mô thấy cân tải với chuyển giao thực nhanh nhƣ để giải phóng tài nguyên (mức sử dụng tài ngun có độ dốc giảm đáng kể kích hoạt cân tải) Điều làm tăng khả cân tải để tác động trở lại việc thay đổi lƣu lƣợng cách nhanh bù lại cho phản ứng chậm độ dài LBC dài 4.2.2 Kết luận từ kết mô Mặc dù việc đánh giá đƣợc thực môi trƣờng tĩnh với lƣu lƣợng tĩnh, nhƣng có đƣợc thơng tin có giá trị đặc điểm thuật toán cân tải sở cân tải nói chung Tất phần mô cho thấy cân tải phƣơng pháp hiệu để tăng cƣờng mức sử dụng tài nguyên toàn hệ thống WiMAX di động Trong phần mô hệ thống thực với trạm BS tải, nói chung thuật tốn cân tải sở tránh đƣợc tƣợng chặn gọi (so với 19 gọi bị nghẽn không dùng cân tải), cải thiện thông lƣợng BE phân phối tải qua hệ thống tốt Vấn đề cần tối ƣu kích thƣớc ngƣỡng độ dự trữ trễ độ dự trữ trễ nhỏ gây hiệu ứng ping-pong dựa chuyển giao độ dự trữ trễ lớn gây chặn gọi HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Chƣơng IV 110 rớt thơng lƣợng BE Điều đƣợc giải thích tƣơng lai phát triển thêm kỹ thuật mà điều chỉnh ngƣỡng kích thích theo lƣu lƣợng thay đổi Hơn nữa, độ biến động mức độ sử dụng tài nguyên hệ thống Fsys tăng hiệu ứng pingpong dựa biến động xảy Vấn đề đƣợc làm rõ với việc thiết lập ngƣỡng tự động phát triển thêm kỹ thuật đa ngƣỡng đƣợc thảo luận 3.3.2.1 Một vấn đề khó khăn thiết lập thủ công giá trị độ trễ độ trễ đƣợc thiết lập giá trị phần trăm mức tải trung bình, có nghĩa độ lớn độ dự trữ trễ tăng mức tải trung bình tăng ngƣỡng kích thích trở nên lớn dung lƣợng hệ thống Điều có nghĩa với giá trị mức sử dụng tài nguyên trung bình L thấp độ dự trữ trễ nhỏ Vì thế, để đảm bảo cho thuật tốn cân tải khả thi giới hạn giới hạn dƣới cho ngƣỡng kích thích dựa mức độ sử dụng tài nguyên đƣợc thiết lập Nhƣ thảo luận phần trƣớc, giới hạn TU ,bas, max dựa điều khiển thâm nhập lập lịch để cân tải đƣợc kích hoạt trƣớc xảy chặn gọi dịch vụ giảm BS bị nghẽn Giới hạn dƣới TU ,bas,min đƣợc thiết lập thời điểm mà cân tải bắt đầu có hiệu Ngƣỡng cực đại đƣợc sử dụng thay giá trị ban đầu Cân tải không đƣợc kích hoạt Quá tải Quá tải T U Cân Chƣa tải TU,bas,max TU,bas,min L U Cân T L Chƣa tải Hình 10: Giới hạn giới hạn dƣới cho ngƣỡng kích thích thuật toán cân tải sở [2] HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ 111 Chƣơng IV Từ hình 4.10 ta thấy ngƣỡng đƣợc tính nằm hai giới hạn dƣới giá trị đƣợc sử dụng, nhƣng giá trị đƣợc tính nằm ngồi hai giới hạn giá trị giới hạn tƣơng ứng đƣợc sử dụng thay Để tránh hiệu ứng pingpong dựa chuyển giao tình mà tải trung bình L gần với giới hạn TU ,bas,max nên thiết lập giá trị mức độ sử dụng tài nguyên trung bình cực đại Lmax Dựa kết mơ phỏng, kết luận với thông tin lƣu lƣợng, điều khiển thâm nhập lập lịch đƣợc sử dụng giới hạn đƣợc thiết lập TU ,bas,max  84% Để đảm bảo độ trễ hiệu tải trung bình L cao giá trị mức độ sử dụng tài ngun trung bình cực đại đƣợc thiết lập Lmax  76% tƣơng ứng vƣợt qua gần 10% giá trị độ trễ theo TU ,bas,max , nhƣ đủ để tránh hiệu ứng pingpong dựa chuyển giao Giới hạn dƣới đƣợc thiết lập TU ,bas,min  60% chí cao khơng bị suy giảm lƣu lƣợng non-BE lƣu lƣợng BE đạt đƣợc giới hạn điều khiển thâm nhập Khi giá trị độ trễ 20% đƣợc đánh giá tốt mơ thuật tốn cân tải sở đƣợc ứng dụng thực tế với giá trị lân cận Các mơ cho thấy thuật tốn cân tải sở có khả cân tải cho lƣu lƣợng non-BE tƣơng đối tĩnh, chí với độ dài LBC 20 giây Khi mức độ sử dụng tài nguyên thay đổi, vấn đề thách thức chọn lựa độ dài trung bình khoảng thời gian báo cáo SCR phù hợp để mặt kết tin cậy đƣợc truyền, mặt khác để hệ thống phản ứng lại cách nhanh chóng theo thay đổi lƣu lƣợng Kết mơ đƣợc sử dụng nhƣ thị sơ để xác định nên dùng cân tải để giải phóng đủ tài nguyên cho chuyển giao giải cứu xảy đến chiếm giữ dải bảo vệ dành riêng để tránh rớt gọi Trong mô phỏng, thấy mức độ sử dụng tài nguyên giảm mạnh vào lúc cân tải đƣợc kích hoạt vài trƣờng hợp cân tải tạo đủ tài nguyên tất chuyển giao đến BS đƣợc chấp nhận HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Chƣơng IV 112 Tuy nhiên, nghẽn xảy thuê bao di chuyển nhiều so với trƣờng hợp mô (ở BS2 xảy nghẽn gấp hai lần so với BS chƣa tải) tổng tải cung cấp cho hệ thống cao Hơn nữa, kích thƣớc vùng chồng lấn số lƣợng MS khu vực chồng lấn có tác động đến phần tài nguyên mà cân tải giải phóng Tất yếu tố làm giảm hiệu cân tải khơng thể kết luận dùng cân tải mà đảm bảo lƣợng tài nguyên cần thiết để đáp ứng cho chuyển giao giải cứu đến Nếu sử dụng dải bảo vệ động có tác động lên q trình kích thích cân tải Trong trƣờng hợp nhƣ mở rộng thuật tốn cân tải cở sở để thiết lập TU ,bas, max (và Lmax ) theo dải bảo vệ chuyển giao 4.3 Kết luận chƣơng Trong chƣơng này, với cấu hình hệ thống kèm theo tỷ lệ phân bổ MS nhƣ tham số cần thiết cho loại lƣu lƣợng, đánh giá sơ thuật toán cân tải sở cho WiMAX di động môi trƣờng tĩnh với lƣu lƣợng non-BE dựa VoIP lƣu lƣợng BE dựa HTTP Phần đầu giới thiệu chƣơng trình mơ dựa NS2, sau mơ tả mơ hình mạng thiết lập lƣu lƣợng trƣờng hợp mô phỏng, cuối xem xét trƣờng hợp mô thực tế thị hiệu có đƣợc Trong phần thứ hai, trình bày phân tích kết mô trƣờng hợp Các vấn đề nêu là: Cân tải cải thiện mức độ sử dụng tài nguyên hệ thống nhƣ nào? Ngồi cịn đánh giá đƣợc ảnh hƣởng độ lớn độ dự trữ trễ vòng cân tải LBC lên hiệu cân tải HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ 113 Kết luận hƣớng phát triển đề tài KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Mục đích luận văn tìm hiểu cân tải, mà trọng tâm cân tải với chuyển giao trực tiếp khởi tạo trạm sở BS đƣợc tiến hành nhƣ mạng WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e loại có tiềm để nâng cao mức độ sử dụng tài nguyên chất lƣợng dịch vụ tồn hệ thống Ngồi cịn nghiên cứu sơ chất lƣợng hệ thống đƣợc đƣợc đảm bảo nhƣ cho lƣu lƣợng chuyển giao giải cứu (lƣu lƣợng có mƣu tiên mức cao) WiMAX di động, chuyển giao giải cứu có ảnh hƣởng nhƣ đến cân tải hai phƣơng pháp đƣợc kết hợp với nhƣ nào? Chúng ta kết luận cân tải với chuyển giao trực tiếp phƣơng pháp hiệu để nâng cao mức độ sử dụng tài nguyên toàn hệ thống nâng cao khả đáp ứng chất lƣợng dịch vụ WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e Tuy nhiên, thân cân tải tự khơng thể giải phóng đủ tài nguyên cho chuyển giao giải cứu đến tất trƣờng hợp nên cần xem xét đến việc sử dụng dải bảo vệ chuyển giao Dựa kiến thức có đƣợc thuật tốn cân tải dựa mức độ sử dụng tài nguyên sở đƣợc thiết kế riêng cho WiMAX di động đề xuất nâng cao đƣợc thực Phần đầu đƣa kiến thức sở để ngƣỡng kích thích cân tải cách tự động phần thứ hai trình bày tảng cân tải điều khiển trạm gốc BS cho MS nỗ lực tốt (BE MS, Best Effort MSs) Phần thứ ba đề xuất kỹ thuật sở để kích thích cân tải mơi trƣờng biến động với đa ngƣỡng Ý tƣởng nhằm giảm thiểu chuyển giao ping-pong không cần thiết cho kết nối nhạy với độ trễ kết nối chấp nhận độ trễ đƣợc truy cập nhiều băng thông mơi trƣờng biến đổi Sau thảo luận ƣu tiên chuyển giao giải cứu WiMAX di động với dải bảo vệ động Điều dẫn đến đề xuất kỹ thuật kích thích dựa chiếm giữ tài nguyên mà cân tải đƣợc kích thích phụ thuộc vào dải bảo vệ dành HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ 114 Kết luận hƣớng phát triển đề tài riêng Kỹ thuật đƣợc tăng cƣờng kỹ thuật kích thích đa dải bảo vệ, băng thơng đƣợc dành riêng cho lƣu lƣợng ƣu tiên mức cao Có thể kết luận kỹ thuật kích thích dựa mức chiếm giữ tài nguyên bổ sung tốt cho cân tải dựa mức độ sử dụng tài nguyên hai kỹ thuật kết hợp tạo nên phƣơng pháp hiệu cho cân tải Cuối phần đánh giá sơ thuật toán sở môi trƣờng tĩnh Mặc dù phần mô không đƣợc bao quát nhƣng đạt đƣợc thông tin có giá trị tham số sở thuật toán hiệu tổng thể thuật toán Thuật tốn thực tốt mơi trƣờng mơ sau đƣợc kết hợp với giá trị ngƣỡng kích thích lân cận để đảm bảo có tính khả thi Nhƣ đƣợc giới thiệu trƣớc đây, lƣu lƣợng biến đổi nhiều chuyển giao đƣợc thực với kỹ thuật điều chỉnh ngƣỡng tự động Cũng nhƣ lƣu lƣợng tăng trạng thái di chuyển thuê bao kéo dài, cần xem xét việc sử dụng kỹ thuật kích thích đa ngƣỡng kỹ thuật kích thích dựa chiếm giữ tài nguyên Các kỹ thuật đƣợc triển khai nghiên cứu kỹ tƣơng lai đánh giá với mô cụ thể Cân tải BE đƣợc điều khiển BS xem nhƣ phần mở rộng có tiềm nên phần yêu cầu bổ sung vào đặc tả cấu trúc mạng WiMAX chuẩn IEEE 802.16e, khả bổ sung thay đổi nên đƣợc thực trƣớc triển khai thực tế Phần quan trọng khác cần tiến hành đặc tả tồn phân biệc khác cân tải trực tiếp chuyển giao giải cứu Nếu cân tải ƣu tiên chuyển giao đƣợc tiến hành đồng thời chuyển giao đƣợc ƣu tiên khác BS đích Một đề xuất đƣợc đƣa chuyển giao trực tiếp dựa cân tải đƣợc thực cho MS mà nằm vùng chồng lấn phiên MS không tiến hành chuyển giao giải cứu nhƣ làm giảm tổng số chuyển giao q trình qt khơng cần thiết Tổng quan, luận văn đƣa ý tƣởng phát triển cân tải dựa chuyển giao WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e Trong tƣơng lai tiến hành đánh giá cụ thể hiệu kỹ thuật cân tải Việc mô tả dịch vụ lập lịch rtPS, nrtPS thích ứng với đặc tính lƣu lƣợng thay đổi, thực tế với HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ 115 Kết luận hƣớng phát triển đề tài trình đến Ngồi ảnh hƣởng q trình di chuyển ảnh hƣởng chuyển giao giải cứu kỹ thuật ƣu tiên chuyển giao giải cứu tƣơng ứng đƣợc đánh giá Cũng nhƣ việc mô chế chuyển giao mà làm tăng tốc độ chuyển giao, nhƣ kết nối trƣớc với BS đích, chuyển giao cứng tối ƣu (Optimized Hard Handover), FBSS MDHO ảnh hƣởng tái chọn thơng tin hữu ích hiệu thực tế mà cân tải với chuyển giao mang lại toàn hệ thống Các khía cạnh khác đáng quan tâm để nghiên cứu tƣơng lai với cân tải ƣớc lƣợng vận tốc vị trí (location and velocity estimation) (nhƣ xác định MS động/tĩnh), ảnh hƣởng nhiễu công suất phát, vấn đề đồng BS với ASN, điều khiển thâm nhập tiêu thụ nguồn Trong tƣơng lai mơ tả cân tải từ ô vi mô (micro cell) ô vĩ mô (macro cell) chí với hệ thống song song nhƣ LTE-Advanced Cuối cùng, giới thiệu trạm chuyển tiếp (IEEE 802.16j) WiMAX đƣợc mong đợi để cải thiện hiệu cân tải dựa chuyển giao Đây chủ đề thú vị để nghiên cứu làm cho cân tải hiệu đến mức loại bỏ rớt chuyển giao giải cứu (rescue handover drops) đảm bảo chất lƣợng toàn hệ thống Dựa ý tƣởng nêu luận văn kỹ thuật cân tải dựa chuyển giao với độ dự trữ trễ chuyển giao thích ứng (Adaptive handover hysteresis) đƣợc phát triển để làm giảm tối đa tỷ lệ rớt chuyển giao hệ thống mạng WiMAX di động chuẩn IEEE 802.16e HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Lời cảm ơn 116 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận Văn tốt nghiệp này, phấn đấu thân, em nhận đƣợc hƣớng dẫn, giúp đỡ động viên quý thầy cô, gia đình bạn bè Đầu Luận Văn, em xin đƣợc bày tỏ cảm ơn chân thành Em xin cảm ơn q thầy trƣờng Đại Học Giao Thơng Vận Tải Cơ Sở II nói chung, quý thầy cô môn Điện Tử - Viễn Thông nói riêng, truyền thụ kiến thức, giúp đỡ em suốt thời gian học trƣờng Đặc biệt em chân thành cảm ơn thầy, TS Nguyễn Cảnh Minh, ngƣời định hƣớng, trực tiếp hƣớng dẫn,cung cấp tài liệu, tận tình giúp đỡ để em hồn thành Luận Văn Tôi chân thành cảm ơn bạn lớp Cao học Kỹ Thuật Điện Tử - Khóa 18 giúp đỡ, thảo luận, trao đổi kiến thức với suốt thời gian học mái trƣờng Giao Thông Con xin đƣợc nói lên lịng biết ơn sâu sắc gia đình ủng hộ vật chất lẫn tinh thần chỗ dựa vững bƣớc đƣờng tƣơng lai Xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2012 Học viên thực Trần Quang Nhu HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Tài liệu tham khảo 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Marcos D.Katz, FrankH.P.Fizek (2009), “WiMAX Evolution Emerging Technologies and Applications”, John Wiley & Sons Ltd, UK [2] Thomas Casey (2008), “Base Station Controlled Load Balancing With Handovers In Mobile WiMAX”, Master’s thesis of Science in Technology, Helsinki University Of Technology [3] Yang Xiao (2008), “WiMAX/MobileFi Advanced Research And Technology”, Auerbach Publications, Taylor & Francis Group [4] Jeffrey G.Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed (2007), “Fundamentals Of WiMAX, Understanding Broadband Wireless Networking”, Theodore S.Rappaport Series Editor [5] Mustafa Ergen (2009), “Mobile Broadband: Including WiMAX And LTE”, Springer [6] S.N Moiseev, S.A Filin, M.S Kondakov, A.V Garnonov, A.Y.Savinkov, Y.S.Park, and S.H.Cheon (2006), “Load-balancing QoS-Guaranteed Handover in the IEEE 802.16e OFDMA Network”, Global Telecommunications Conference [7] M Gudmundson (1991), “Analysis of Handover Algorithms”, Proc Vehicular Tech Conf., pp 537- 42 [8] G.P Pollini (1996), “Trends in handover design”, IEEE Communications Magazine, Volume 34, Issue 3, pp 82 – 90 [9] Z Becvar and J Zelenka (2006), “Handovers in the Mobile WiMAX”, Czech Technical University [10] H Velayos, V Aleo, and G Karlsson (2004), “Load balancing in overlapping wireless LAN cells”, IEEE International Conference on Communications, Volume 7, pp.3833 – 3836 [11] S H Lee and Y Han (2007), “A Novel Inter-FA Handover Scheme for Load Balancing in IEEE 802.16e System”, IEEE 65th Vehicular Technology Conference, pp 763 – 767 HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh Luận văn thạc sỹ Tài liệu tham khảo 118 [12] S.N Moiseev, S.A Filin, M.S Kondakov, A V Garmonov, A Y Savinkov, Y S Park, and S H Cheon (2006), “Load Balancing QoS-Guaranteed Handover in the IEEE 802.11 Network”, IEEE 17th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2006, pp 1- [13] S.N Moiseev, S.A Filin, M.S Kondakov, A V Garmonov, A Y.Savinkov, Y S Park, and S H Cheon (2006), “Load Balancing QoS-Guaranteed Handover in the IEEE 802.16e OFDMA Network”, Global Telecommunications Conference, 20 06, pp.1-5 [14] T Fujii (1992), “Selective handover for traffic balance in mobile communications”, ICC’92, Volume 4, pp 212.3.1–212.3.7 [15] WiMAX Forum (2006), “Mobile WiMAX – Part II: A Comparative Analysis” [16] WiMAX Forum Network Architecture (2009), “Stage 2: Architecture Tenets, Reference Model and Reference Points, Part 2, release 1.0 Version 4” [17] G S V Radha Krishna Rao, G Radhamani (2008), “WiMAX A Wireless Technology Revolution”, Taylor & Francis Group, LCC, US [18] Yan Zhang, Hwa Chen (2008), “Mobile WiMAX Toward Broadband Wireless Metropolitan Area Networks”, Taylor & Francis Group, LCC, US [19] Ramjee Prasad, Fernando J.Velez (2010), “WiMAX Network Techno-Economic Vision and Challenges”, King’s College, Lodon [20] Seok-Yee Tang, Hanid R Sharif (2010), “WiMAX Security and Quality of Service”, John WiLey & Sons Ltd, United Kingdom [21] S Choi, G.- H Hwang, T Kwon, A.-R Lim and D.-H Cho (2005), “Fast handover scheme for real-time downlink services in IEEE 802.16e BWA system”, IEEE Vechicular Technology Conference, Volume 3, pp 2028 – 2032 The End -HVTH: Trần Quang Nhu CBHD: TS Nguyễn Cảnh Minh