giảm trễ

chống nghẽn mang

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Mạng viễn thông của các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ. Nhu cầu về dịch vụ mạng ngày càng phong phú và đòi hỏi nhiều mức độ chất lượng dịch vụ khác nhau. Xu hướng phát triển là tiến tới hội tụ về mạng và hội tụ về dịch vụ. Tài nguyên của mạng thì có giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin ngày càng tăng. Chính vì vậy hiện tượng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi. Để giải quyết vấn đề này có hai hướng giải quyết tổng quát nhất, đó là: - Tăng tài nguyên mạng (mở rộng nút mạng, tăng các tuyến truyền dẩn, tăng băng thông của mạng…) - Điều khiển chống tắc nghẽn mạng. Với cách thứ nhất chi phí đầu tư lớn, làm thay đổi phần cứng của mạng và không thể thực hiện thường xuyên được. Cách thứ hai sủ dụng thuật toán, các giao thức để điều khiển chống nghẽn mạng. Cách này đầu tư nhỏ, không ảnh hưởng đến phần cứng của mạng và rất mềm dẻo linh hoạt và đây cũng là phương án khả thi thích hợp với điều kiện ở Việt Nam. Tuy nhiên điều khiển chống tắc nghẽn mạng là một vấn đề phức tạp, nhất là khi mạng ngày càng phát triển rộng lớn, dịch vụ gia tăng nhanh, các dịc vụ mới ngày càng nhiều, số lượng người sử dụng tăng đột biến kèm theo vấn đề lưu lượng tăng vọt và biến đổi động…Vì vậy, điều khiển chống nghẽn mạng ngày càng trở nên cấp thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các vấn đề mạng vô tuyến băng thông thấp,đồng thời nghiên cứu kỹ thuật hạn chế tắc nghẽn mạng mà ở đây là thuật toán hàng đợi (xếp hàng), mô phỏng, đánh giá để có thể ứng dụng thực tế sau này. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề tắc nghẽn mạng, các kỹ thuật chống nghẽn mạng, thuật toán hàng đợi, sau đó dung phân mềm It Guru Opnet để mô phỏng. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và sử dụng mô phỏng bằng phần mềm máy tính để đánh giá kết quả nghiên cứu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài Đảm bảo vấn đề chất lượng dịch vụ cho mạng đa dịch vụ là một vấn đề phức tập đã và đang có rất nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước. Tuy nhiên, việc áp dụng vào thực tế cho mỗi mạng không phải là một công thức cứng nhắc nào. Do vậy, việc nghiên cứu giải pháp chống tắc nghẽn trên đường vô tuyến băng thông thấp là việc làm thiết thực có ý nghĩa khoa học và thực triễn cao. 6. Cấu trúc của bài nghiên cứu Cấu trúc bài nghiên cứu: Chương I : Tổng quan về mạng vô tuyến. Chương II: Phương pháp quản lý và tránh tắc nghẽn trong mạng vô tuyến băng thông thấp. Chương III: Quản lý hàng đợi và các thuật toán. 1 Chương IV: Mô phỏng và phân tích. Kết luận và hướng phát triển. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN Trong gần 10 năm qua mạng vô tuyến (không dây) đã phát triển với tốc độ chóng mặt. Có rất nhiều loại hình mạng, nhiều công nghệ, nhiều chuẩn vô tuyến đã và đang được chuẩn hóa. Ngày nay mạng không dây đang trở nên phổ biến trong các tổ chức, doanh nghiệp và cá nhân. Nó đang dần dần thay thế mạng có hữu tuyến bởi những ưu điểm mà nó mạng lại trong cuộc cách mạng công nghệ truyền thông hiện đại hiện nay. 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khái niệm về mạng vô tuyến Mạng vô tuyến là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẩn bằng dây. Khi dùng các loại cáp ta gặp một số khó khăn như cơ sở cài đặt cố định, khoảng cách không xa, vì vậy để khắc phục những khuyết điểm trên người ta dùng đường truyền vô tuyến. Đường truyền vô tuyến mang lại những lợi ích sau: - Cung cấp nối kết tạm thời với mạng cáp có sẵn. - Những người liên tục di chuyển vẫn nối kết vào mạng dùng cáp. - Lắp đặt đường truyền vô tuyến ở những nơi địa hình phức tạp không thể đi dây được. - Phù hợp cho những nơi phục vụ nhiều kết nối cùng một lúc cho nhiều khách hàng. Ví dụ như: Dùng đường vô tuyến cho phép khách hàng ở sân bay kết vào mạng để duyệt Internet. - Dùng cho những mạng có giới hạn rộng lớn vượt quá khả năng cho phép của cáp đồng và cáp quang. - Dùng làm kết nối dự phòng cho các kết nối hệ thống cáp. Tuy nhiên, đường truyền vô tuyến cũng có một số hạn chế: - Tín hiệu không an toàn. - Dễ bị nghe lén. - Khi có vật cản thì tín hiệu suy yếu rất nhanh. - Băng thông không cao. 1.1.2 Truyền dẩn vô tuyến 1.1.3 Sóng vi ba trên mặt đất 1.1.3.1 Mô tả vật lý Loại ăng ten song vi ba phổ biến nhất chính là anten hình đĩa parabol, có kích thước điển hình là khoảng 3m đường kính. Anten này được dung để tryền một chùm hẹp theo đường thẳng để đến anten nhận. Anten song vi ba thường nằm ở vị trí cao đáng kể so với mặt đất để mở rộng phạm vi giữa những anten và có thể tránh những trở ngại trên đường truyền. Để đạt được khoảng cách truyền dài, một 2 loạt các trạm tiếp sức sóng vi ba được sử dụng. Các trạm song vi ba được kết nối với nhau qua liên kết điểm- điểm trong khoảng cách mong muốn. 1.1.3.2.Ưng dụng Ứng dụng chính của các hệ thống song vi ba trên mặt đất là dịch vụ thông tin liên lạc đường dài. Đây là một sự thay thế cho cáp đồng trục hoặc cáp quang. Các hệ thống này đòi hỏi ít bộ khếch đại và bộ lặp so với cáp đồng trục nhưng chỉ cho phép truyền thẳng.Sóng vi ba được sử dụng cho cả thoại và truyền hình. Một ứng dụng khác ngày càng phổ biến của song vi ba là cho những liên kết ngắn điểm – điểm giữa những tòa nhà. Liên kết này được sử dụng cho truyền hình có khép kín được xem như một liên kết dữ liệu giữa các mạng cục bộ. 1.1.3.3 Đặc tính truyền dẫn Truyền dẫn sóng vi ba bao gốm một phần đáng kể của phổ điện từ. Tần số phổ biến sử dụng để truyền từ 1- 40 GHz. Tần số càng cao thì băng thông tiềm năng cũng tăng chính vì thế tốc độ truyền dữ liệu tiềm năng cũng tăng. Đối với bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào, nguyên nhân chính là sự suy hao. Đói với vi ba ( và tần số vô tuyến ), mất mát có thể được diễn tả theo công thức: 2 4 10log( ) d L π λ = Trong đó d ( khoảng cách ) và λ ( bước sóng ) có cùng đơn vị đo. Như vậy mất mát biến thiên theo một hàm bậc hai của khoảng cách. Ngược lại, đối với cắp xoắn đôi và cáp đồng trục, mất mát biến thiên theo hàm mũ đối với khoảng cách ( tuyến tính trong đơn vị decibels). Vì vậy, bộ lặp hoặc bộ khếch đại có thể được đặt chác nhau ở những khoảng cách xa hơn, điển hình 10-100km. Một nguyên nhân khác của suy hao chính là do nhiễu chồng. Với sự phổ biến ngày càng tăng của song vi ba, khu vực truyền dẫn chồng chéo lên nhau do đó các dải tần số được quy định một cách nghiêm ngặt. 1.1.4. Sóng vệ tinh 1.1.4.1 Mô tả vật lý Một vệ tinh liên lạc chính là một trạm tiếp song vi ba. Nó được sử dụng để liên kết hai hay nhiều trạm thu và phát song vi ba trên mặt đất. Các vệ tinh nhận tín hiệu trên một băng tần, khếch đại hay lập tín hiệu đó và truyền nó đi trên một băng tần khác. Một vệ tinh xoay quanh quỹ đạo sẽ hoạt động trên một số băng tần, được gọi là các kênh tiếp sóng. Hình 1 mô tả một cách chung chung hai cấu hình phổ biến cho truyền thông tin vệ tinh. Trong hình đầu tiên, vệ tinh được sử dụng để cung cấp một liên kết điểm- điểm giữa hai anten cách xa nhau trên mặt đất . Ở hình thứ hai, vệ tinh cung cấp giao tiếp giữa một trạm phát và một trạm thu trên mặt đất. Để một vệ tinh hoạt động hiệu quả, vệ tinh cần phải đứng yên so với trái đất. Nếu không, vệ tinh sẽ có lúc nằm ngoài tầm ngắm của các trạm trên mặt đất. Để duy trì trạng thái này, vệ tinh phải có chu kỳ quay bằng chu kỳ quay trái đất. Hai vệ tinh sử dụng cùng băng tần, nếu chúng gần nhau thì sẽ giao thoa sóng với nhau. Để tránh vấn đề này, các tiêu chuẩn được đưa ra để quy định về vị trí cũng như tần số của các vệ tinh. 1.1.4.2 Ứng dụng 3 Các vệ tinh truyền thông là một cuộc cách mạng công nghệ cũng quan trọng như cáp quang. Các ứng dụng quan trọng nhất của vệ tinh : • Truyền hình vệ tinh. • Truyền dẫn điện thoại đường dài. • Mạng kinh doanh riêng. Satellite antenna Earth station Hình 1.1: Point –to – point link Satellie antenna Multiple Multiple receivers Transmitter receivers Hình 1.2: Cấu hình truyền thông của vệ tinh 1.1.4.3 Đặc tính truyền dẫn Dãy tần số tối ưu cho truyền dẫn vệ tinh trong khoảng 1- 10 GHz. Nếu dưới 1GHz tín hiệu sẽ chịu nhiều loại nhiễu trong tự nhiên bao gồm : thiên hà, mặt 4 trời, nhiễu không khí, nhiễu chống do con người gây ra từ các thiết bị điện. Trên 10 GHz, tín hiệu bị suy hao mạnh bởi sức hút của bầu khí quyển và mưa gió. Hầu hết các vệ tinh cung cấp các dịch vụ điểm- điểm ngày nay sử dụng băng tần trong khoảng 5.925-6,425 GHz để truyền từ trái đất đến vệ tinh (uplink) và băng thông một trong khoảng 3,7-4,2 GHz để truyền từ vệ tinh đến trái đất (downlink). Sự kết hợp này được gọi băng tần 4 / 6GHz. Lưu ý rằng uplink và downlink có tần số khác nhau. Một số đặc tính của truyền thông vệ tinh cần phải được lưu ý. Trước tiên, việc truyền dẫn phải qua một khoảng cách dài nên có một sự chậm trễ bằng 1/4 giây nếu truyền từ một trạm đến một trạm khác ở mặt đất thông qua vệ tinh. Sự trì hoãn này là đáng chú ý trong các cuộc hội thoại thông thường. Nó cũng làm nãy sinh những vấn đề trong các lĩnh vực kiểm soát lỗi và điều khiễn luồng. Thứ hai, nhiễu trạm có thể truyền đến vệ tinh, và tín hiệu từ vệ tinh có thể được nhận bởi nhiều trạm. 1.1.5. Phát sóng vô tuyến 1.1.5.1 Mô tả vật lý Sự khác biệt giữa sóng vô tuyến và sóng vi ba: sóng vô tuyến thì không có hướng còn sóng vi ba thì có hướng. Hơn nũa sóng vô tuyến không cần những anten có hình đĩa và các anten có thể đặt một cách linh động. 1.1.5.2 Ứng dụng Sóng vô tuyến là một thuật ngữ chung được sử dụng để chỉ các sóng có tần số trong khoảng 3 kHz đến 300 GHz. Dãy tần số từ 30 MHz đến 1 GHz bao gồm đài FM, truyền hình UHF và VHF. Dãy tần số này cũng được sử dụng cho một số ứng dụng mạng dữ liệu. 1.1.5.3 Đặc tính truyền dẫn Dãy tần số từ 30 MHz đến 1 GHz là một dãy tần hiệu quả để loan truyền tín hiệu. Không giống như các trường hợp sóng điện từ có tần số thấp hơn, tầng điện vô hình đối với các sóng vô tuyến có tần số lớn hơn 30 MHz. Do đó việc truyền dẫn bị giới hạn trong một khoảng nhất định, và những trạm phát ở xa sẽ không thể cản trở nhau vì tính phản xạ của bầu khí quyển. Không giống như sóng vi ba,sóng vô tuyến ít bị ảnh hưởng bởi mưa. Cũng như với sóng vi ba, số lượng suy hao do khoảnh cách thỏa công thức : 2 4 10log( ) d L π λ = Nếu bước sóng dài hơn thì sóng vô tuyến sẽ ít bị suy hao hơn. 1.1.6 Hồng ngoại Tất cả mạng vô tuyến hồng ngoại đều hoạt động bằng cách dùng tia hồng ngoại để truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị. Phương pháp này có thể truyền tín hiệu ở tốc độ cao do dải thông cao của tia hồng ngoại. Thông thường mạng hồng ngoại có thể truyền với tốc độ từ 1-10Mbps. Miền tần số từ 100GHz đến 1000GHz. Có bốn loại mạng hồng ngoại : 5 • Mạng đường ngắm(đường thẳng): Mạng này chỉ truyền khi máy phát và máy thu có một đường ngắm rõ rệt giữa chúng. • Mạng hồng ngoại tán xạ: Kỹ thuật này phát tia truyền dội tường và sàn nhà rồi mới đến máy thu. Diện tích hiệu dụng bị giới hạn ở khoảng 100feet (35m) và có tín hiệu chậm do hiện tượng dội tín hiệu. • Mạng phản xạ: Ở loại mạng hồng ngoại này, máy thu-phát quang đặt gần máy tính sẽ truyền tới một vị trí chung, tại đây tia truyền được đổi hướng đến máy tính thích hợp. • Broadband optical telepoint: Loại mạng cục bộ vô tuyến hồng ngoại cung cấp các dịch vụ dải rộng. Mạng vô tuyến này có khả năng xử lý các yêu cầu đa phương tiện chất lượng cao, vốn có thể trùng khớp với các yêu cầu đa phương tiện của mạng cáp. Hình 1.3: Truyền giữ hai máy tính thông qua hồng ngoại 1.2 Tìm hiểu về băng thông thấp Trong truyền dẫn thông tin việc chuyển thông tin qua phương tiện truyền dẫn có tầm quan trọng rất đặc biệt do các thông tin của kênh bị tác động bởi môi trường truyền rất lớn. Các tác động này ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng truyền dẫn. Cùng với sự phát triển của công nghệ vật liệu và phát triển công nghệ thông tin số, dung lượng thông tin tăng lên, môi trưởng truyền dẫn sẽ bị bó hẹp do có nhiều thông tin hơn và do đó ảnh hưởng của các thong tin trên cùng một kênh truyền dẫn cũng tăng cao. Trong khi đó việc phát triển cơ sở hạ tầng cũng có giới hạn và nhiều nơi phát triển trên cơ sở các đường truyền thông dụng đã có sẵn (đường điện thoại, thông tin di động) việc truyền thông các thông tin trên các đường truyền dẫn có độ rộng băng thông hữu hạn đòi hỏi phải nghiên cứu và đưa ra các giải pháp giảm ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn. Khái niệm băng thông (bandwidth) là một trong những đặc trưng quan trọng của môi trường truyền dẫn. Băng thông là khoảng tần số mà môi trường truyền dẫn có thể đáp ứng được và đơn vị của nó là Hz (Hertz). Băng thông liên quan mật thiết đến tốc độ tối đa của 6 đường truyền (theo công thức tính toán của Nyquist), do vậy có đôi khi người ta hay dùng tốc độ tối đa (tính bằng bps) để chỉ băng thông của mạng. 1.2.1 Băng thông thấp 1.2.2 Khái niệm Nó có tốc độ xử lý các khối lượng dữ liệu thấp, chúng có tốc độ truyền là 1200 bit mỗi giây, trong khi tốc độ truyền của băng thông rộng lớn tới 56000 bit mỗi giây.Qua đây ta thấy những bất lợi của băng thông hẹp so với băng thông rộng như thế nào. Một hạn chế băng thông thường là do những hạn chế vật lý của môi trường và các thành phần điện tử được sử dụng để thực hiện truyền và nhận. 1.2.3 Ứng dụng của băng thông hẹp Băng thông hẹp được sử dụng để xử lý các khối lượng dữ liệu thấp với tốc độ thấp hơn nhiều so với băng thông rộng. Chúng được sử dụng chủ yếu : • Cho các dòng điện báo và các thiết bị đầu cuối có tốc độ thấp • Đạo hàng, định vị • Phát thanh AM • Hàng hải, trạm thông tin duyên hải,chỉ dẩn tìm kiếm • Phát thanh song ngắn, cảnh sát, taxi… 1.2.3 Khó khăn khi triển khai băng thông thấp tại Việt Nam  Môi trường truyền song vô tuyến • Kênh thông vô tuyến: Song điện tử TB phát TB thu Lan truyền qua môi trường • Tác động của môi trường truyền song: o Làm suy giảm biên độ song o Làm méo dạng tín hiệu o Gây lỗi đối với tín hiệu do nhiễu  Ảnh hưởng môi trường của Việt Nam: Địa hình Việt Nam rất đa dạng theo các vùng tự nhiên như vùng Tây Bắc, Đông Bắc, Tây Nguyên có những đồi và những núi đầy rừng, trong khi đất phẳng che phủ khoảng ít hơn 20%. Núi rừng chiếm độ 40%, đồi 40%, và độ che phủ khoảng 75%, có bờ biển dài, mưa quanh năm với lượng mưa rất lớn…. do đó nó đã ảnh hưởng rất lớn đối với truyền dữ liệu qua song vô tuyến, nhất là khi đường truyền này có băng thông thấp. • Ảnh hưởng độ ghề của địa hình: Với địa hình có nhiều đồi núi thì việc truyền dữ liệu sẽ bị mất mát khá lớn 7 Hình 1.4: Mặt cắt ngang địa hình thực 8sin h λ θ < h: độ cao của mặt đất phẳng giả định so với mặt đất thực θ : góc tới tại điểm phát xạ Tia B Mặt sóng 1 Tia A Mặt song 2 8 Hình 1.5: Mô hình tiêu chuẩn Rayleigh o Khi tiêu chuẩn Rayleigh thỏa mãn sự phản xạ song không có tính phản xạ -> Mặt đất coi là mẳt phẳng Khi so sánh hai hình trên ta thấy rằng khi mặt đất bị ghề, nhiều đồi núi như Việt Nam thì sóng bị ảnh hưởng là rất lớn, nếu như đường truyền đó có băng thông thấp thì bên nhận nhận thông tin chậm chạp một phần là do địa hình gây ra, do đó việc lắp đặt các trạm thu và phát, vệ tinh, anten là một điều phức tạp và đầy thách thức. • Ảnh hưởng do mưa, sương mù, phân tử khí: Với khí hậu nhiệt đới gió mùa nên nước ta thường xuyên bị mưa với lượng mưa hàng năm là rất lớn, do đó nó cũng đã ảnh hưởng tới việc truyền song vô tuyến. Các phần tử khí, mưa, sương mù hấp thụ năng lượng của tầng đối lưu gây ra hiện tượng suy hao băng thông. Nó chủ yếu hấp thụ phần tử nước và ôxy nên gây ra hiện tượng này H 2 O O 2 Suy hao f=22 GHz dB/sm Tần số GHz Hình 1.6: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ song của O 2 và H 2 O vào tần số 9 Hấp thụ dB/km Tần số GHz Hình 1.7: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ trong mưa với cường độ mưa 100mh/h vào tần số o Với hai hình trên ta thấy rằng mưa, sương mù gâp suy hao cho tín hiệu cũng rất đáng kể, nếu đường truyền đó có băng thông rộng thì tuy ảnh hưởng nhưng đường truyền vẩn gữi dữ liệu tới bên thu một cách trọn vẹn, nhưng nếu đó là đường truyền băng thông thấp thì vấn đề sẽ nảy sinh, đường truyền càng chậm nay lại chậm hơn. -> Ngoài vấn đề địa hình và môi trường thì sự phân chia thành thị và nông thôn cũng là một nguyên nhân gây ra sự khó khắn trong việc lắp đặt đường truyền, thiết bị thu và phát… Đây cũng là nguyên nhân gây khó khăn cho đường truyền vô tuyến băng thông thấp. 10 . trong tự nhiên bao gồm : thiên hà, mặt 4 trời, nhiễu không khí, nhiễu chống do con người gây ra từ các thiết bị điện. Trên 10 GHz, tín hiệu bị suy hao mạnh. chuẩn Rayleigh thỏa mãn sự phản xạ song không có tính phản xạ -> Mặt đất coi là mẳt phẳng Khi so sánh hai hình trên ta thấy rằng khi mặt đất bị ghề,