Nghiên cứu cơ chế lập lịch hiệu quả trong công nghệ mạng WiMAX

Yêu cầu đối với mạng truy cập không dây băng thông rộng là hỗ trợ chất lượng dịch vụ đồng thời cho nhiều dịch vụvới những đòi hỏi về QoS khác nhau.. WiMAX với sự hỗ trợ đảm bảo chất lượn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI THỊ CẨM DƯƠNG

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ LẬP LỊCH HIỆU QUẢ TRONG

CÔNG NGHỆ MẠNG WIMAX

Ngành: Công nghệ Thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S Dương Lê Minh

Hà Nội - 2015

LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến người thầy TS Dương Lê Minh,

thầy đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này Thầy đã dẫn dắt cho tôi tới những vấn đề khoa học, định hướng nghiên cứu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu

Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trường Đại học Công nghệ đã tham gia giảng dạy và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu cho tất cả các học viên nói chung và cá nhân tôi nói riêng

Cuối cùng, tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn về sự giúp đỡ của các thầy cô, anh, chị,

em đồng nghiệp trong khoa Công nghệ Thông tin - trường Đại học Thủ đô Hà Nội, cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điệu kiện tốt nhất cho tôi về thời gian cũng như động viên tôi hoàn thành bài luận văn

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2015

Học viên

Bùi Thị Cẩm Dương

LỜI CAM ĐOAN

Những kiến thức trình bày trong luận văn là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày lại theo cách hiểu Trong quá trình làm luận văn, tôi có tham khảo các tài liệu có liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đó Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và không sao chép của bất kỳ ai với sự hỗ trợ của giảng viên hướng dẫn Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào

Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2015

Học viên

Bùi Thị Cẩm Dương

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ WIMAX 7

1.1 GIỚI THIỆU WIMAX 7

1.1.1 Lịch sử phát triển 7

1.1.2 Kiến trúc WiMAX 9

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX 10 1.3 ỨNG DỤNG CỦA WIMAX Error! Bookmark not defined

1.4 LỚP MAC TRONG WIMAX Error! Bookmark not defined

1.4.1 Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ Error! Bookmark not defined

1.4.2 Lớp con phần chung MAC (CPS) Error! Bookmark not defined

1.4.3 Lớp con bảo mật Error! Bookmark not defined

1.5 CƠ CHẾ YÊU CẦU THIẾT LẬP KẾT NỐI Error! Bookmark not defined

1.5.1 Đường xuống DL Error! Bookmark not defined

1.5.2 Đường lên UL Error! Bookmark not defined

1.6 TDD FRAME Error! Bookmark not defined

1.6.1 TDD Downlink-subframe Error! Bookmark not defined

1.6.2 TDD Uplink-subframe Error! Bookmark not defined

1.7 KIẾN TRÚC QoS VÀ QoS SCHEDULING Error! Bookmark not defined

1.7.1 Kiến trúc QoS Error! Bookmark not defined

1.7.2 QoS Scheduling Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2.KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WIMAX Error! Bookmark not defined

2.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ Error! Bookmark not defined

2.1.1 Yêu cầu về QoS Error! Bookmark not defined

2.1.2 Yêu cầu về lập lịch QoS tại từng tầng Error! Bookmark not defined

2.1.3 Các cơ chế yêu cầu – đáp ứng Error! Bookmark not defined

2.1.4 Các yêu cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS Error! Bookmark not defined

2.2 MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH Error! Bookmark not defined

2.2.1 First Come First Serve Error! Bookmark not defined

2.2.2 Early Deadline First Error! Bookmark not defined

2.2.3 Strict Priority Error! Bookmark not defined

2.2.4 Fair Queuing Error! Bookmark not defined

2.2.5 Round Robin Error! Bookmark not defined

2.2.6 Weighted Round Robin Error! Bookmark not defined

2.2.7 Weighted Fair Queuing Error! Bookmark not defined

2.2.8 Deficit Weighted Round Robin Error! Bookmark not defined

2.2.9 Cross-Layer Error! Bookmark not defined

2.3 SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3.THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS Error! Bookmark not defined

3.1 CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM TRÊN MÔ PHỎNG Error! Bookmark not defined

3.1.1 Môi trường mô phỏng Error! Bookmark not defined

3.1.2 Kịch bản mô phỏng Error! Bookmark not defined

3.2 THUẬT TOÁN “LẬP LỊCH HỖN HỢP” Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, mạng truy cập không dây băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access) đang là lĩnh vực được tập trung nghiên cứu và phát triển Trong đó, Wi-Fi và 3G là những công nghệ đang phát triển với tốc độ dữ liệu tăng nhanh Tuy nhiên,

Wi-Fi và 3G có hạn chế chỉ sử dụng được trong phạm vi nhỏ và với tốc độ không cao Công nghệ mạng WiMAX ra đời, là giải pháp kinh tế khi triển khai internet cho những vùng xa, địa hình khó khăn ở đó số người dùng không đủ nhiều để đầu tư triển khai mạng cáp quang cho mạng đường trục 3G

Yêu cầu đối với mạng truy cập không dây băng thông rộng là hỗ trợ chất lượng dịch vụ đồng thời cho nhiều dịch vụvới những đòi hỏi về QoS khác nhau WiMAX với sự hỗ trợ đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) hoàn toàn đáp ứng những dịch vụ chất lượng gồm có thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng như hội nghị video và giám sát video, mạng riêng bảo mật (yêu cầu an ninh cao).Chất lượng dịch vụ là tiêu chí quan trọng để đo lường hiệu năng của một mạng, được cung cấp thông qua việc phân lớp và lập lịch cho 5 lớp dịch vụ với các mức độ QoS riêng

Do đó, lập lịch lưu lượng hiệu quả là rất quan trọng trong mạng WiMAX

Luận văn này tập trung tìm hiểu những cách thức, thuật toán để giải quyết bài toán lập lịch nêu ở trên mà trong chuẩn IEEE.802.16 còn có phần để ngỏ cho các nhà phát triển dịch vụ lựa chọn

2 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn gồm các phần chính sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ WiMAX

Chương 1 giới thiệu nền tảng của tiêu chuẩn IEEE 802.16 và WiMAX, trình bày kiến trúc WiMAX, các đặc tính nổi bật của WiMAX, và đặc biệt là lớp MAC trong WiMAX, cấu trúc MAC trong TDD Frame, và các yêu cầu chất lượng dịch vụ

Chương 2: KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WiMAX

Chương 2 tập trung tìm hiểu yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS), các cơ chế yêu cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS và phân tích một số thuật toán lập lịch

Chương 3: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS

Chương 3 thực hiện mô phỏng thuật toán lập lịch trong dịch vụ BE và UGS, giới thiệu thuật toán lập lịch đề xuất nhằm mục đích cải thiện chất lượng dịch vụ mạng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ WIMAX

WiMAX, viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access – hay IEEE 802.16 – wireless microwave access – truy cập vô tuyến sóng cực ngắn, là công nghệ không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.16 cung cấp kết nối Internet băng thông rộng chocả mạng cố định và di động ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) cho tới kết nối dạng lưới (mesh) Công nghệ mạng WiMAX phát triển qua bốn giai đoạn, dù không phân chia rõ ràng hoặc tuần tự: (1) hệ thống lặp cục bộ không dây, (2) hệ thống băng thông rộng truyền thẳng LOS – Line of Sight, (3) hệ thống băng thông rộng không truyền thẳng NLOS – non Line of Sight, (4) hệ thống không dây băng thông rộng dựa trên các chuẩn [03]

Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMAN Truyền thông trong WiMAX là hướng kết nối Tất cả dịch vụ từ lớp vật lý lên WiMAX MAC, bao gồm những dịch vụ kết nối, là những mô hình kết nối giữa SS (Subscriber Station)

và BS (Base Station) trong lớp MAC Một SS có thể có nhiều kết nối đến BS với mục đích cung cấp nhiều dịch vụ đến người sử dụng Kết nối được xác định bằng 16-bit (CIDs), tạo điều kiện thuận lợi dải thông cho kết nối và sự hỗ trợ QoS trong môi trường kết nối không dây tự động

Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX trong chế độ PMP

1.1 GIỚI THIỆU WIMAX

1.1.1 Lịch sử phát triển

IEEE 802.16 – 2001: Chuẩn WiMAX đầu tiên được thông qua vào tháng 10/2001, xác định mạng truyền không dây băng thông rộng từ điểm tới đa điểm với mục đích cho phép triển khai nhanh chóng và rộng rãi các hệ thống vô tuyến băng thông rộng với chi phí hiệu quả thay thế truy nhập băng thông rộng có dây, đảm bảo

khả năng tương thích giữa các thiết bị khác nhau, dải tần hoạt động từ 10 GHz đến 66 GHz, khoảng cách 2-7km Nhược điểm là chỉ dùng trên đường truyền thẳng LOS (Light Of Sight)

IEEE 802.16a: bổ sung thêm dải tần số 2-11 GHz, giúp việc truyền sóng trong môi trường có vật cản và bị che khuất dễ dàng hơn, bổ sung các kỹ thuật cho lớp vật lý giúp tối ưu kênh truyền theo băng tần ứng dụng

IEEE 802.16b: hoạt động trên dải tần số 5-6 GHz, cung cấp các dịch vụ với chất lượng cao, như ứng dụng truyền video, audio, real-time

IEEE 802.16d hay IEEE 802.16-2004: mở rộng các đặc điểm kĩ thuật của WiMAX ở dải tầng số 2–11 GHz, mô tả hệ thống WiMAX và sự phù hợp tiêu chuẩn đến môi trường mạng không dây tự động, thích ứng kiểu mạng lưới mà trong đó một thiết bị cuối có thể liên lạc với BS thông qua thiết bị cuối khác, giúp mở rộng vùng phủ sóng của BS Chuẩn này hỗ trợ cả hai phương thức truyền song công phân chia theo tần số (FDD - Frequency Division Duplexing) và truyền song công phân chia theo thời gian (TDD - Time Division Duplexing) Điểm nổi bật của phiên bản này là sự ghép nối của các đơn vị giao thức dữ liệu (PDU – Protocol Data Unit) với các đơn vị dịch vụ dữ liệu (SDU – Service Data Unit)

IEEE 802.16e – 2005: được hoàn thiện năm 2005, dựa trên nền tảng WiMAX cho các ứng dụng di động, thường được biết đến với tên gọi “Mobile WiMAX” Phiên bản này đưa ra phương pháp điều chế, đa truy nhập sử dụng công nghệ OFDMA cho phép các tín hiệu có thể chia thành nhiều kênh con khác nhau (subchannelization) nhằm giảm thiểu nhiễu đa đường

Đa lựa chọn cho mô hình MAC, song công (kép, duplexing), băng tần hoạt động,

… Nhiều chuẩn được phát triển phù hợp đa dạng ứng dụng và các kịch bản phát triển,

và cung cấp một loạt các lựa chọn thiết kế cho các nhà phát triển hệ thống Có thể nói rằng, IEEE 802.16 là một tập hợp của các chuẩn

1.1.2 Kiến trúc WiMAX

Hình 1.2: Kiến trúc mạng WiMAX Kiến trúc mạng WiMAX về cơ bản gồm hai phần:

1.1.2.1 Trạm gốc

Trạm gốc(BS – Base Station) được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể nối tới BS khác như một trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line Of Sight) Do đó, WiMAX có vùng phủ sóng rộng lớn

Trạm BS có các chức năng như:

- Tiếp nhận các kết nối và giao tiếp với các thiết bị đầu cuối

- Cho phép số lượng lớn lên tới vài ngàn phiên kết nối đồng thời

- Khả năng tương thích cao với nhiều thiết bị đầu cuối

- Khoảng cách kết nối lên đến 50km với tốc độ băng thông tối đa 70Mbps

1.1.2.2 Trạm thuê bao(SS –Subscriber Station)

Trạm thuê bao (SS –Subscriber Station) là các angten nhỏ kết nối với thiết bị thu đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX hoặc các card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động

Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ việc truyền dữ liệu đến các SS Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông trực tiếp giữa hai thiết bị đầu cuối của trạm thuê bao SS với nhau Kết nối giữa BS và các SS sẽ gồm một kênh uplink và 1 kênh downlink Kênh uplink sẽ chia sẻ băng thông cho nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm cung cấp thông tin quảng bá (broadcast) Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS, thông tin sẽ được trao

đổi trên băng tầng cao Ngược lại, thông tin sẽ được truyền trên băng tầng thấp để chống nhiễu

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX

Hình 1.3: Các đặc tính nổi bật của công nghệ WiMAX

- Khả năng mở rộng băng thông và hỗ trợ tốc độ dữ liệu: tốc độ lớp vật lý có thể đạt 74 Mbps trong khi hệ điều hành sử dụng phổ rộng 20MHz, 25Mbps cho download, 6.7Mbps cho upload Linh hoạt phân bố tài nguyên sử dụng trên cả đường truyền uplink và đường downlink

- Hỗ trợ chất lượng dịch vụ: lớp MAC trong WiMAX là kỹ thuật hướng kết nối, được thiết kế để hỗ trợ đa ứng dụng bao gồm giọng nói, video, các dịch vụ đa truyền thông MAC WiMAX được thiết kế hỗ trợ đa người dùng với nhiều kết nối trên thiết bị, với mỗi yêu cầu QoS khác nhau

- Bảo mật mạnh mẽ: bằng cách mã hóa đường truyền giữa BS và SS, sử dụng chuẩn mã hóa nâng cao (Advanced Encryption Standard – AES), giao thức quản lý key và tính riêng tư với kỹ thuật xác thực dựa trên Giao thức xác thực

mở rộng (Extensible Authentication Protocol – EAP), với định danh, username/password, xác nhận số, smart cards WiMAX cũng hỗ trợ VLAN (Virtual LAN – mạng LAN ảo), cung cấp khả năng bảo vệ dữ liệu khi đang được truyền giữa những người sử dụng khác nhau trên cùng BS

- Hỗ trợ cho di động: hỗ trợ sự liền mạch an toàn cho các ứng dụng di động chịu chậm trễ, như VoIP Khi SS đăng ký thành công trong cơ sở dữ liệu hệ thống của BS, SS sẽ được cấp kết nối, nó sẽ tự nhận dạng và xác định các đặc tính của đường kết nối với BS

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] IEEE, “IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems”,

IEEE Std 802.16™-2012

[2]IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, “Part 1 6: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands”, IEEE Std 802.16e™-2005 and IEEE Std 802.16™-2004/Cor1-2005

[3] Jeffrey G Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, “Fundamentals of WiMAX - Understanding Broadband Wireless Networking”,

[4] Professor Nguyen DinhThong, “802.16 MAC Layer Scheduling and its Effect on TCP performance”,

[5] Teerawat Issariyakul and Ekram Hossain,Springer Science Business Media, LLC,

233 Spring Street, New York, NY 10013, USA,“Introduction to Network Simulator NS2”

[6] Sadia Murawwat, Shen Ting-Zhi, Muhammad Iqbal, Tariq Aziz, Umer Farooq,“An overview of scheduling strategies for PMP mode in IEEE 802.16”, 2012

[7] Jia-Ming Liang, You-Chiun Wang, and Yu-Chee Tseng, “Scheduling Problems and Solutions in WiMAX Networks”, 2011

[8] Seungwoon Kim and Ikjun Yeom, Member, IEEE, “TCP-Aware Uplink Scheduling for IEEE 802.16”, IEEE Communications Letters, vol.11, no 2, February 2007

[9] NS-2 Development Team (Contacts: Shyam Parekh,Alcatel-Lucent; Biplab Sikdar,

RPI), “TheWiMAX Forum System Level Simulator NS-2 MAC+PHY Add-On for WiMAX (IEEE 802.16)”, WIMAX Forum, Release 2.6 (In Collaboration with NIST),

Version 2.6 (Beta), March 20, 2009

[10] “The ns Manual (formerly ns Notes and Documentation)”, The VINT Project, A

Collaboration between researchers atUC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC, November 4, 2011

[11]SyedAhsonMohammadIlyas,WiMAX:Technologies,PerformanceAnalysis,andQoS,

Taylor&FrancisGroup,NewYork, 2008

[12]Jani Lakkakorpi, Alexander Sayenko, and Jani Moilanen,Comparison of Different Scheduling Algorithms forWiMAX Base Station, Proceedings of the 2008 IEEE

Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2008) Las Vegas, Nevada, USA 31 March - 3 April 2008, pages 1991-1996