Một số phương pháp quản lý di động và ải thiện hiệu năng huyển giao dọ

Nguồn Thông số Tham sốDiễn tả chi tiếtMạng liền kềĐộ trễĐộ trễ e2e, độ trễ trung bình Thời gian trễ từ khi gói tin phát đến khi nhận được.Độ trễ mạng Thời gian nhận gói tinVùng phủVùng p

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRẦN VĂN THỦY

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ DI ĐỘNG VÀ CẢI

THIỆN HIỆU NĂNG CHUYỂN GIAO DỌC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH

Hà Nội - Năm 2014

M Ụ C LỤ C

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 5

DANH SÁCH HÌNH VẼ 6

LỜI MỞ ĐẦ 8 U CHƯƠNG I: TỔNG QUAN V CHUY N GIAO D C 10 Ề Ể Ọ 1 Đ nh nghĩa và phân loị ại chuy n giao 10 ể 1.1 Định nghĩa 10

1.2.Phân loại chuy n giao 10 ể 2 Chuyển giao dọc (VHO) 12

2.1 Thu thập thông tin chuy n giao.ể 13

2.2 Quyế ịt đnh chuyển giao 18

2.3 Th c hiự ện chuyển giao 20

3 Các tham số đánh giá hiệu năng VHO 21

CHƯƠNG II: MỘT S THU T TOÁN CHUY N GIAO 23 Ố Ậ Ể 1 Thuật toán d a trên tham s RSS 23 ự ố 1.1 Phương pháp dựa trên th i gian lưu trú c a MN 24 ờ ủ 1.2 Phương pháp dựa trên ngưỡng RSS 24

1.3 Phương pháp dựa trên tr ng thái quét kênh 25 ạ 1.4 Phương pháp dự báo tham số RSS 26

2 Quyế ịt đnh chuy n giao dể ựa trên tham s ốQoS 28

2.1 Phương pháp dựa trên băng thông khả ụ d ng (BW) 29

2.2.Phương pháp dựa trên tham s ốSINR 30

2.3 Phương pháp dựa trên User profile 32

3 Quyế ịt đnh chuy n giao dể ựa trên ch c năng đánh giá 34 ứ 3.1 Đánh giá ti n ích ngưệ ời dùng 35

3.2 Chức năng đánh giá chi phí 36

3.3 Chức năng đánh giá mạng 37

4 Quyế ịt đnh chuy n giao sể ử ụ d ng mạng thông minh 38

4.1 Artificial Neural Network (ANN) 39

4.2 Fuzzy logic 40

4.3 VHO dựa trên giao thức thông minh 42

5 Phương pháp dựa trên b i c nh 43 ố ả 5.1 Phương pháp dựa trên Mobile Agent 45

5.2 Nhận biế ố ảnh sử ụt b i c d ng quá trình phân tích phân cấp AHP 46

5.3 Phương pháp dự báo b i c nh 47 ố ả 5.4 Phương pháp hợp tác nh n biế ố ảậ t b i c nh 47

5.5 Phương pháp sử ụ d ng MIH 48

6 Đánh giá các phương pháp VHO 50

7 Phương pháp kế ợt h p Fuzzy Logic và các tham s ốQoS 54

7.1 Thu thập thông tin chuy n giao.ể 55

7.2 Bước quyết đ nh trưị ớc chuyển giao 56

7.3 Thuật toán chuy n giao 57 ể 7.4 Quyế ịt đnh chuyển giao 59

7.5 Đánh giá kết qu 59 ả CHƯƠNG III: MỘT S GIAO TH C H TR CHUY N GIAO D C 64 Ố Ứ Ỗ Ợ Ể Ọ 1 Mobile IPv4 64

2 Mobile IPv6 66

3 FMIPv6 70

3.1 Dự báo chuy n giao 71 ể 3.2 Phản ứng chuyển giao 72

4 FPMIPv6 72

4.1 Chuyển giao nhanh FPMIPv6 74

4.2 Phương pháp cả ếi ti n FPMIPv6 77

KẾT LUẬ 85 N TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

LỜI CAM ĐOAN

hoàn thành luận văn này

DANH M C T Ụ Ừ VIẾ T T Ắ T

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân lo i chuyạ ển giao 11

Hình 1.2: Thủ ụ t c qu n lý chuyả ển giao dọc 13

Hình 1.3: Phân loại các phương pháp quyế ịt đnh VHA 18

Hình 1.4: Phân loại các thu t toán chuy n giao dọc 20 ậ ể Hình 1.5: Quản lý di động và quản lý chuyển giao 22

Hình 2.1: Lưu đồ thu t toán VHO d a trên RSS 23 ậ ự Hình 2.2: Sơ đồ VHO d a trên QoS 29 ự Hình 2.3: Lưu đồ ậthu t toán VHO d a trên SINR 31 ự Hình 2.4: Lưu đồ quá trình VHO d a trên chức năng đánh giá 35 ự Hình 2.5: Cấu trúc và cơ chế ạ ộho t đ ng phương pháp VHO sử ụ d ng m ng thông ạ minh 40

Hình 2.6: Lưu đồ ực hiện chuyển giao sth ử ụ d ng Fuzzy logic 41

Hình 2.7: Cơ chế phương pháp nhận th c b i c nh 44 ứ ố ả Hình 2.8: Cấu trúc MIHF 49

Hình 2.9: Sơ đồ ấ c u trúc phương pháp kế ợt h p Fuzzy logic và RSS 55

Hình 2.10: Sơ đồ thu t toán quyậ ết định chuyển giao 58

Hình 2.11: Hàm tương quan các tham sốquyế ịt đnh chuyển giao 58

Hình 2.12: Kết quả so sánh thời gian chuyển giao 61

Hình 2.13: Kết qu so sánh độả cân b ng t i 62 ằ ả Hình 2.14: Kết quả so sánh tỷ ệ ớt cuộc gọ 63 l r i Hình 3.1: Cấu trúc MIPv4 65

Hình 3.2: Thủ ụ t c chuyển giao trong MIPv4 65

Hình 3.3: Cấu trúc MIPv6 67

Hình 3.4: Nguyên lý hoạ ột đ ng MIPv6 68

Hình 3.5: Thủ ụ t c chuyển giao trong MIPv6 69

Hình 3.6: Cơ chếFMIPv6 71

Hình 3.7: Kiến trúc mạng EPC 74

Hình 3.8: Thủ ụ t c chuyển giao sử ụ d ng FPMIPv6 75

L Ờ I MỞ ĐẦ U

Chuyển giao chính là mấu chốt của vấ ề ản đ qu n lý di đ ng, đ c biệt khi thực hiện ộ ặ

CH ƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHUY Ể N GIAO DỌC

1 Định nghĩa và phân loạ i chuy n giao ể

1.1 Định nghĩa

1.2.Phân lo ạ i chuy ể n giao.

nhập vô tuyến khác nhau

- Chuyển giao cứng (HHO Hard Handover): Quá trình chuyển giao trong đó tất -

lập kết nối vô tuyến mới

 Chuyển giao ngang (Horizontal Handover): Quá trình chuyển giao giữa 2

chuyển vào vùng lân cận và chuyể ổn đ i phương thức kết nối ừ ạng này t m

chuyển giao

2 Chuyển giao dọ c (V HO)

Chuyển giao dọc (VHO) là quá trình người dùng chuyể ổn đ i kết nối giữa 2 mạng

i Thu thập thông tin chuyển giao

- Một vài tham số để ựa chọn mạng như: Băng thông (BW), RSS, ận tốc l v

iii Thực hiện chuyển giao

Quản lý di động Quản lý chuyển giao

BƯỚC THỰC HIỆN CHUYỂN GIAO

Thuật toán chuyển giao

BƯỚC QUYẾT ĐỊNH CHUYỂN GIAO

BƯỚC THU THẬP THÔNG TIN

CHUYỂN GIAO

Phát hiện mạng mục tiêu Trạng thái MN

Sở thích người dùng

2.1 Thu thậ p thông tin chuy n giao ể

tiết trong Bảng 1.1) Quá trình thu thập thông tin dựa vào giám sát các lớp mạng

L P Ớ THAM SỐ

 Thời gian k t n i: Là th i gian MN v n duy trì k t n i v i m ng hi n ế ố ờ ẫ ế ố ớ ạ ệ

trạm phát Do vậy thông s v ố ềnguồn phát, trạng thái pin của MN phả ải đ m bảo

Thời gian trễ từ khi gói tin phát đến khi nhận được

Vùng phủ

Vùng phủ mạng khả dụng

Khu vực được phủ sóng của mạng khả dụng

Chất

lượng

mạng

Thông lượng, tốc

Cấu trúc mào đầu của mạng

Cấu trúc overhead của mạng, quản lý các gói tin truyền trong mạng

Tính đa

dạng

Số lượng người dùng

Tổng số người dùng kết nối trong mạng

Thời gian cư trú

Thời gian thực hiện chuyển giao đến khi MN kết nối với mạng mới

2.2 Quyết định chuy n giao ể

xây dựng VHA như Hình 1.3

QUYẾT ĐỊNH CHUYỂN GIAO

PHƯƠNG PHÁP

DỰA TRÊN THAM

SỐ RSS

PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN THAM

SỐ QoS

PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN CHỨC NĂNG ĐÁNH GIÁ

PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG MẠNG THÔNG MINH

PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN TRẠNG THÁI CỦA MN

Dựa trên ngưỡng RSS

Dựa trên thời gian lưu trú

Đánh giá tiện ích người dùng Đánh giá chi phí dịch vụ Đánh giá mạng mục tiêu

Sử dụng thuật toán MIH

- Dựa trên tiêu chí này có thể phân loại thành thuật toán cơ bản và thuật toán cải

ti n ế

toán như fuzzy logic hay neural network

kiểu thuật toán chính

+ MADM (Multiple Attribute Decision- Making): Thuật toán đánh giá các

SAW TOPIC GRA

…

Multi Criteria Decsision

Function based Link reward Cost reward Self - design

Mathematical process

Fuzzy logic Neural Network Self - desing

Computer process

Numeric Subjective Parameters

Small

Degree of Context - Awareness

BƯỚC THU THẬP THÔNG TIN CHUYỂN GIAO

BƯỚC THỰC HIỆN CHUYỂN GIAO

2.3 Thực hiện chuy n giao ể

chuyển giao liên tục Trong giai đoạn này thực hi n 02 quá trình chính: Quệ ản lý

2.3.1 Quản lý chuyển giao

2.3.2 Quản lý di dộng

VHO như MIPv4, MIPv6, SIP, NEMO, HIP

3 Các tham số đánh giá hi u năng VHO ệ

bảo mật của mạng tương ứng

- Trễ chuyển giao: Quá trình chuyển giao giữa các node mạng hay từ ạ m ng này

Phương thức chuyển giao

Thủ tục chuyển giao

Điều khiển chuyển giao

Tiêu chuẩn hiệu năng Kịch bản di động

Giao thức di động

Tham số chuyển giao

RSS based, Timer based, Context based, Function based

Hard, Soft, Proactive, Reactive, Seamless

Registration, Association, Dissociation

Mạng điều khiển MN điều khiển , , Mạng hỗ trợ MN hỗ trợ ,

Thông lượng trễ mất gói chuyển giao vô , , ,

tích

VHO, HHO, DHO

MIP, FMIP, HMIP, CMIP, PHMIP,

SIP

RSS, Chi phí, BW, BER, SNR, CIR, PER

CHƯƠNG II: MỘT SỐ THU T TOÁN CHUYỂN GIAO Ậ

1 Thuật toán dựa trên tham số RSS

trình chuyển giao

Quét mạng khả dụng

Các mạng có thể thực hiện chuyển giao

Đo đạc thông số RSS của các mạng

Nếu RSS Hiện tại <

RSS Mạng mới

Chuyển giao sang mạng mới Yes No

d

1.1 Phương pháp dự a trên th i gian lưu trú c a MN ờ ủ

thực hiện VHO

1.2 Phương pháp dự a trên ngư ỡ ng RSS

- Để ố t i ưu hóa hi u năng c a phương pháp d đoán bàn giao dựệ ủ ự a trên tham số

1.3 Phương pháp dự a trên tr ng thái quét kênh ạ

RSShi ện tạ i < RSSngưỡng.

không tốt

1.4 Phương pháp dự báo tham số RSS

nối, các chuyển giao không cần thiết và giảm xác suất chuyển giao lỗi Tuy

Do sự không đồng nhất giữa các mạng không dây giá trị ức RSS của các mạng

Phân loại Diễn tả chi tiết Ưu điểm Nhược điểm

- Giảm lỗi chuyển giao

- Giảm hiệu ứng

Giảm độ trễ chuyển giao

- Không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực

và so sánh với giá trị RSS mạng hiện thời

để đưa ra quyết định chuyển giao cho dịch

vụ dữ liệu mạng di dộng tế bào

- Giảm khởi xướng chuyển giao sai

- Giảm lỗi chuyển giao

- Tăng chuyển giao thất bại khi sử dụng dịch vụ dữ liệu

- Lãng phí tài nguyên mạng

- Thích ứng với các ứng dụng và người sử dụng

- Cải thiện thông lượng mạng

- Trễ chuyển giao cao

- Cần thêm bảng tra cứu tham số

- Giảm sự cố kết nối

- Giảm các chuyển giao không cần thiết

- Cân bằng tải các mạng mục tiêu

-pong

- Tăng độ trễ chuyển giao

- Sử dụng liên kết cao

Bảng 2.1: Các phương pháp dựa trên RSS

2 Quyết định chuyể n giao d a trên tham s ự ố QoS.

mạng WLAN sang 3G, GPRS

Mạng khả dụng

2.1 Phương pháp dự a trên băng thông kh ả ụ d ng (BW)

dụng và tính tương thích người dùng khi MN chuyển giao giữa mạng WLAN và

thông khá phức tạp và ngăn chặn các ng d ng mớứ ụ i do th c hi n VHO trong lúc ự ệ

2.2.Phương pháp dự a trên tham s ố SINR

2

log (1 )

B: Băng thông kênh truyền (Hz)

N: Tổng công suất nhiễu

Bắt đầu

Đo đạc mức SINR các mạng khả dụng

Chuyển đổi tương đương SINR

Nếu SINRTarget > SINR Current

Thực hiện chuyển giao

YES NO

thiết lớn

2.3 Phương pháp dự a trên User profile

hiện chuyển giao giữa GPRS và Wifi

wifi ( )wifi GPRS GPRS.

Trong đó

cwifi (h) và cGPRS là chi phí mỗi giây người dùng phả ả cho nhà cung i tr

người dùng Phương thức th c hi n bằự ệ ng cách tích h p Mobile IP giợ ống như

MN yêu cầu

- Tính toán băng thông không hiệu quả trong mạng di dộng

- Tối ưu tài nguyên mạng

- Giảm tỷ lệ rớt chuyền giao

- Trế chuyển giao cao

- Không áp dụng được khi MN di chuyển tốc độ cao

- Đảm bảo QoS tương ứng với người dùng

- Giảm tý lệ mất gói

- Tối ưu công suất pin MN

- Giảm trễ chuyển giao

- Tốn tài nguyên

Bảng 2.2: Các phương pháp VHO dựa trên QoS

3 Quy ế t đ ị nh chuy ể n giao dự a trên ch c năng đánh giá ứ

mục tiêu dựa trên một số tiêu chí Trên cơ sở ết quả đánh giá, nó sẽ chọn mạng k

Quét mạng

Tập hợp các tham số mạng ,

sở thích người dùng, chi phí dịch vụ

Nếu Giá dịch vụNew < Giá dịch

vụCurrent

MN thực hiện chuyển giao sang mạng mới

YES NO

3.1 Đánh giá tiệ n ích ngư ờ i dùng

Các tham số ợ đư c đánh giá đ đưa ra quy t đ nh chuyển giao: Sởể ế ị thích ngư i ờ

3.2 Chức năng đánh giá chi phí

dùng Hàm chi phí được mô tả như phương trình dưới đây [8]

Q wi = c iC + ws iS + wp iP + wd iD + wf iF

Trong đó:

[8] N Nasser, A Hasswa, and H Hassanein, “Handoffs in fourth generation heterogeneous

networks,”IEEE Commun Mag., vol 44, no 10, pp 96 – 103, 2006.

3.3 Chức năng đánh giá mạng

+ Thông lượng cao

Bảng 2.3 tóm tắ t các phương pháp VHO dựa trên chức năng đánh giá Các phương

VHO dựa trên chức năng

đánh giá tiện ích được thiết

- Tối ưu chi phí

- Tăng tuổi thọ pin của MN

- Cân bằng tài nguyên mạng

- Đảm bảo chuyển giao

- Tăng độ trễ

- Không thích hợp với ứng dụng thời gian thực

- Lựa chọn mạng không phù hợp

Chức năng

đánh giá

chi phí

VHO dựa trên chức năng

đánh giá chi phí của mạng

kết hợp với sở thích/ứng

dụng của người dùng để

đưa ra quyết định chuyển

giao tối ưu nhất

- Thông lượng cao

- Tối ưu độ trễ quyết định chuyển giao

- Tỷ lệ chặn chuyển giao thấp

- Trế chuyển giao cao

- Khó khăn khi tính toán chi phí một vài thông số

- Tăng dung lượng tải hệ thốngChức năng

- Giảm hiệu ứng Ping-pong

- Trế chuyển giao cao

- Chưa đánh giá QoS triệt để

4 Quyết định chuyể n giao s d ng m ng thông minh ử ụ ạ

thực c i thiện hiệĐể ả u năng chuyển giao ăng thông lượng, giảm số lượng (t

4 1 Artificial Neural Network (ANN)

QUYẾT ĐỊNH CHUYỂN GIAO

Fuzzifier InferenceEngine

Knowledge Base Rules MembershipFunctions

Defuzzifier

Tham số quyết định chuyển giao

Lựa chọn mạng phù hợp

FUZZY LOGIC

ANN

Lớp Hidden

Lớp Input Lớp Output

ANN Training

ANN Learning

Điều khiển mạng

Mạng Core

Protocol Tham số đầu vào

minh

4.2 Fuzzy logic

- Cấu trúc fuzzy logic như Hình 2.6, gồm các phần tử chính như sau:

Thiết lập Fuzzy rule base

Fuzzy rules reduction

Chuyển giao ?

Chuyển giao sang mạng được lựa chọn

Yes No

:

chuyển giao Ưu điểm chính của phương pháp này là giảm tỷ ệ ớ l r t cu c kộ ết nối

4.3 VHO dựa trên giao th c thông minh ứ

Controlled Handovers)

Transmission Protocol)

VHO dựa

trên ANN

ANN được sử dụng để giải quyết các vấn đề trong quá trình VHO bằng cách tích hợp khả năng tự học các hành

- Tỷ lệ chuyển giao thành công lớn

- Giúp MN lựa chọn mạng tốt nhất

- Tăng độ chờ chuyển giao

- Tiêu tốn tài nguyên mạng

vi của mạng, khái quát hóa chuyển giao trong các tình huống thực tế.

- Giảm độ trễ chuyển giao

ưu tiên QoS và sở thích người dùng

- Giảm độ trễ chuyển giao

- Giảm tỷ lệ mất gói

- Phương thức lựa chọn mạng thông minh

- Tăng mức độ hài lòng về QoS với người dùng

- Quá trình xử lý đưa ra quyết định chuyển giao có độ trễ lớn

- Giảm tỷ lệ mất gói

- Tối ưu tài nguyên

- Tỷ lệ chuyển giao

- Tăng độ bảo mật cho người dùng

- Điều khiển tập trung

- Tăng thời gian xử

chí:

+ Các nhận bi t v thông tin ng c nh củế ề ữ ả a MN và m ng mục tiêu ạ

Mạng không dây

mạng trong vùng chuyển giao

- Thủ ục chuyển giao đòi hỏi MN truyền dữ liệu tới tất cả các mạng mụ t c tiêu để

nhóm sau:

5.1 Phương pháp dự a trên Mobile Agent

chính:

+ Cung cấp cơ chế thông minh đưa ra quy t đ nh chuy n giao b ng cách tích ế ị ể ằ

MN

5.2 Nh ậ n biế ố ảnh sử ụ t b i c d ng quá trình phân tích phân c p AHP ấ

giao Chức năng của AHP:

h l p

L L G

N

−

=

5.3 Phương pháp dự báo b i c ố ả nh.

5.4 Phương pháp hợ p tác nh n bi t b i c nh ậ ế ố ả

+ Quản lý di d ng: Đ m b o chuyểộ ả ả n giao li n mạch ề

này như:

5.5 Phương pháp sử ụ d ng MIH

trạng của mạng

+ MIIS (Media Independent Information Service): Thực hiện chức năng phát

Hình 2.8 : Cấu trúc MIHF

- Thích ứng với các mạng khác nhau

Phương

pháp dựa

trên AHP

Quyết định chuyển giao dựa trên cơ chế xác định trước mục tiêu và lựa chọn mạng

- Mạng có giá dịch vụ thấp

Phương

pháp dự báo

Mô hình mẫu tính di dộng của MN và lịch

sử dữ liệu người dùng được thu thập, đánh giá đưa ra quyết định chuyển giao

-pong khi di chuyển tốc độ thấp

- Phù hợp với các mạng không ổn định

- Trễ chuyển giao cao

- Tỷ lệ mất gói cao

- Không ổn định khi di chuyển tốc

- Quyết định chuyển giao hiệu quả

- Phân phối đầy đủ

- Thích hợp với ứng dụng thời gian thực

- Cải thiện khai thác

hệ thống

- Chi phí xử lý tín hiệu lớn

- Tỷ lệ mất gói cao

- Giảm thời gian đợi chuyển giao

- Lựa chọn mạng tối ưu

- Tiêu thụ nhiều tài nguyên

- Phân phối bối cảnh chưa tối ưu

- Cần hỗ trợ xử

lý tín hiệu

6 Đánh giá các phương pháp VHO.