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

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ CẨM DƢƠNG NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ LẬP LỊCH HIỆU QUẢ TRONG CÔNG NGHỆ MẠNG WIMAX Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu Mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S Dƣơng Lê Minh Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ngƣời thầy TS Dƣơng Lê Minh, thầy dành nhiều thời gian tâm huyết hƣớng dẫn nghiên cứu giúp hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Thầy dẫn dắt cho tới vấn đề khoa học, định hƣớng nghiên cứu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi tốt cho học tập nghiên cứu Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô trƣờng Đại học Công nghệ tham gia giảng dạy chia sẻ kinh nghiệm quý báu cho tất học viên nói chung cá nhân nói riêng Cuối cùng, bày tỏ lòng biết ơn giúp đỡ thầy cô, anh, chị, em đồng nghiệp khoa Công nghệ Thông tin - trƣờng Đại học Thủ đô Hà Nội, quan nơi công tác tạo điệu kiện tốt cho thời gian nhƣ động viên hoàn thành luận văn Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2015 Học viên Bùi Thị Cẩm Dƣơng LỜI CAM ĐOAN Những kiến thức trình bày luận văn tìm hiểu, nghiên cứu trình bày lại theo cách hiểu Trong trình làm luận văn, có tham khảo tài liệu có liên quan ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu không chép với hỗ trợ giảng viên hƣớng dẫn Các nội dung nghiên cứu kết luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2015 Học viên Bùi Thị Cẩm Dƣơng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC .4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ WIMAX 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 hội tụ chuyên biệt dịch vụ Error! Bookmark not defined 1.4.2 Lớp phần chung MAC (CPS) Error! Bookmark not defined 1.4.3 Lớp bảo mật Error! Bookmark not defined 1.5 CƠ CHẾ YÊU CẦU THIẾT LẬP KẾT NỐI Error! Bookmark not defined 1.5.1 Đƣờng xuống DL Error! Bookmark not defined 1.5.2 Đƣờng 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 CHƢƠNG 2.KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WIMAX Error! Bookmark not defined 2.1 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ Error! Bookmark not defined 2.1.1 Yêu cầu QoS Error! Bookmark not defined 2.1.2 Yêu cầu lập lịch QoS tầng Error! Bookmark not defined 2.1.3 Các chế yêu cầu – đáp ứng Error! Bookmark not defined 2.1.4 Các yêu cầu 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 5 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 CHƢƠNG 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 trƣờng mô Error! Bookmark not defined 3.1.2 Kịch mô 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 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay, mạng truy cập không dây băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access) lĩnh vực đƣợc tập trung nghiên cứu phát triển Trong đó, Wi-Fi 3G công nghệ phát triển với tốc độ liệu tăng nhanh Tuy nhiên, WiFi 3G có hạn chế sử dụng đƣợc phạm vi nhỏ với tốc độ không cao Công nghệ mạng WiMAX đời, giải pháp kinh tế triển khai internet cho vùng xa, địa hình khó khăn số ngƣời dùng không đủ nhiều để đầu tƣ triển khai mạng cáp quang cho mạng đƣờng trục 3G Yêu cầu mạng truy cập không dây băng thông rộng hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ đồng thời cho nhiều dịch vụvới đòi hỏi QoS khác WiMAX với hỗ trợ đảm bảo chất lƣợng dịch vụ (QoS) hoàn toàn đáp ứng dịch vụ chất lƣợng gồm có thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến với ứng dụng nhƣ hội nghị video giám sát video, mạng riêng bảo mật (yêu cầu an ninh cao).Chất lƣợng dịch vụ tiêu chí quan trọng để đo lƣờng hiệu mạng, đƣợc cung cấp thông qua việc phân lớp lập lịch cho lớp dịch vụ với mức độ QoS riêng Do đó, lập lịch lƣu lƣợng hiệu quan trọng mạng WiMAX Luận văn tập trung tìm hiểu cách thức, thuật toán để giải toán lập lịch nêu mà chuẩn IEEE.802.16 có phần để ngỏ cho nhà phát triển dịch vụ lựa chọn CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Luận văn gồm phần sau: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ WiMAX Chƣơng giới thiệu tảng tiêu chuẩn IEEE 802.16 WiMAX, trình bày kiến trúc WiMAX, đặc tính bật WiMAX, đặc biệt lớp MAC WiMAX, cấu trúc MAC TDD Frame, yêu cầu chất lƣợng dịch vụ Chƣơng 2: KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WiMAX Chƣơng tập trung tìm hiểu yêu cầu chất lƣợng dịch vụ (QoS), chế yêu cầu lập lịch hỗ trợ QoS phân tích số thuật toán lập lịch Chƣơng 3: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS Chƣơng thực mô thuật toán lập lịch dịch vụ BE UGS, giới thiệu thuật toán lập lịch đề xuất nhằm mục đích cải thiện chất lƣợng dịch vụ mạng 7 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ WIMAX WiMAX, viết tắt Worldwide Interoperability for Microwave Access – hay IEEE 802.16 – wireless microwave access – truy cập vô tuyến sóng cực ngắn, công nghệ không dây dựa chuẩn IEEE 802.16 cung cấp kết nối Internet băng thông rộng chocả mạng cố định di động khoảng cách lớn nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) kết nối dạng lƣới (mesh) Công nghệ mạng WiMAX phát triển qua bốn giai đoạn, dù không phân chia rõ ràng tuần tự: (1) hệ thống lặp cục 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 chuẩn [03] Dựa tiêu chuẩn IEEE 802.16, đƣợc gọi WirelessMAN Truyền thông WiMAX hƣớng kết nối Tất dịch vụ từ lớp vật lý lên WiMAX MAC, bao gồm dịch vụ kết nối, mô hình kết nối SS (Subscriber Station) BS (Base Station) lớp MAC Một SS có nhiều kết nối đến BS với mục đích cung cấp nhiều dịch vụ đến ngƣời sử dụng Kết nối đƣợc xác định 16-bit (CIDs), tạo điều kiện thuận lợi dải thông cho kết nối hỗ trợ QoS môi trƣờng kết nối không dây tự động Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX chế độ PMP 1.1 GIỚI THIỆU WIMAX 1.1.1 Lịch sử phát triển IEEE 802.16 – 2001: Chuẩn WiMAX đƣợc 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 rộng rãi hệ thống vô tuyến băng thông rộng với chi phí hiệu thay truy nhập băng thông rộng có dây, đảm bảo khả tƣơng thích thiết bị khác nhau, dải tần hoạt động từ 10 GHz đến 66 GHz, khoảng cách 2-7km Nhƣợc điểm dùng đƣờng truyền thẳng LOS (Light Of Sight) IEEE 802.16a: bổ sung thêm dải tần số 2-11 GHz, giúp việc truyền sóng môi trƣờng có vật cản bị che khuất dễ dàng hơn, bổ sung kỹ thuật cho lớp vật lý giúp tối ƣu kênh truyền theo băng tần ứng dụng IEEE 802.16b: hoạt động dải tần số 5-6 GHz, cung cấp dịch vụ với chất lƣợng cao, nhƣ ứng dụng truyền video, audio, real-time IEEE 802.16d hay IEEE 802.16-2004: mở rộng đặc điểm kĩ thuật WiMAX dải tầng số 2–11 GHz, mô tả hệ thống WiMAX phù hợp tiêu chuẩn đến môi trƣờng mạng không dây tự động, thích ứng kiểu mạng lƣới mà thiết bị cuối liên lạc với BS thông qua thiết bị cuối khác, giúp mở rộng vùng phủ sóng BS Chuẩn hỗ trợ hai phƣơng thức truyền song công phân chia theo tần số (FDD - Frequency Division Duplexing) truyền song công phân chia theo thời gian (TDD - Time Division Duplexing) Điểm bật phiên ghép nối đơn vị giao thức liệu (PDU – Protocol Data Unit) với đơn vị dịch vụ liệu (SDU – Service Data Unit) IEEE 802.16e – 2005: đƣợc hoàn thiện năm 2005, dựa tảng WiMAX cho ứng dụng di động, thƣờng đƣợc biết đến với tên gọi “Mobile WiMAX” Phiên đƣa phƣơng pháp điều chế, đa truy nhập sử dụng công nghệ OFDMA cho phép tín hiệu chia thành nhiều kênh khác (subchannelization) nhằm giảm thiểu nhiễu đa đƣờng Đa lựa chọn cho mô hình MAC, song công (kép, duplexing), băng tần hoạt động, … Nhiều chuẩn đƣợc phát triển phù hợp đa dạng ứng dụng kịch phát triển, cung cấp loạt lựa chọn thiết kế cho nhà phát triển hệ thống Có thể nói rằng, IEEE 802.16 tập hợp chuẩn 9 1.1.2 Kiến trúc WiMAX Hình 1.2: Kiến trúc mạng WiMAX Kiến trúc mạng WiMAX gồm hai phần: 1.1.2.1Trạm gốc Trạm gốc(BS – Base Station) đƣợc kết nối với mạng Internet thông qua đƣờng truyền tốc độ cao dành riêng nối tới BS khác nhƣ trạm trung chuyển đƣờng truyền thẳng LOS (Line Of Sight) Do đó, WiMAX có vùng phủ sóng rộng lớn Trạm BS có chức nhƣ: - Tiếp nhận kết nối giao tiếp với thiết bị đầu cuối - Cho phép số lƣợng lớn lên tới vài ngàn phiên kết nối đồng thời - Khả tƣơng thích cao với nhiều thiết bị đầu cuối - Khoảng cách kết nối lên đến 50km với tốc độ băng thông tối đa 70Mbps 1.1.2.2Trạm thuê bao(SS –Subscriber Station) Trạm thuê bao (SS –Subscriber Station) angten nhỏ kết nối với thiết bị thu đặt nhà thuê bao thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX card PCMCIA gắn bên thiết bị di động Trong vùng phủ sóng, trạm BS điều khiển toàn việc truyền liệu đến SS Điều có nghĩa trao đổi truyền thông trực tiếp hai thiết bị đầu cuối trạm thuê bao SS với Kết nối BS SS gồm kênh uplink kênh downlink Kênh uplink chia sẻ băng thông cho nhiều SS kênh downlink có đặc điểm cung cấp thông tin quảng bá (broadcast) Trong trƣờng hợp vật cản SS BS, thông tin đƣợc trao 10 đổi băng tầng cao Ngƣợc lại, thông tin đƣợc truyền băng tầng thấp để chống nhiễu 1.2 CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX Hình 1.3: Các đặc tính bật công nghệ WiMAX - Khả mở rộng băng thông hỗ trợ tốc độ liệu: tốc độ lớp vật lý đạt 74 Mbps hệ điều hành sử dụng phổ rộng 20MHz, 25Mbps cho download, 6.7Mbps cho upload Linh hoạt phân bố tài nguyên sử dụng đƣờng truyền uplink đƣờng downlink - Hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ: lớp MAC WiMAX kỹ thuật hƣớng kết nối, đƣợc thiết kế để hỗ trợ đa ứng dụng bao gồm giọng nói, video, dịch vụ đa truyền thông MAC WiMAX đƣợc thiết kế hỗ trợ đa ngƣời dùng với nhiều kết nối thiết bị, với yêu cầu QoS khác - Bảo mật mạnh mẽ: cách mã hóa đƣờng truyền BS SS, sử dụng chuẩn mã hóa nâng cao (Advanced Encryption Standard – AES), giao thức quản lý key tính riêng tƣ với kỹ thuật xác thực dựa Giao thức xác thực mở rộng (Extensible Authentication Protocol – EAP), với định danh, username/password, xác nhận số, smart cards WiMAX hỗ trợ VLAN (Virtual LAN – mạng LAN ảo), cung cấp khả bảo vệ liệu đƣợc truyền ngƣời sử dụng khác BS - Hỗ trợ cho di động: hỗ trợ liền mạch an toàn cho ứng dụng di động chịu chậm trễ, nhƣ VoIP Khi SS đăng ký thành công sở liệu hệ thống BS, SS đƣợc cấp kết nối, tự nhận dạng xác định đặc tính đƣờng kết nối với BS 11 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 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 - April 2008, pages 1991-1996 12 [13]Najah Abu Ali, Pratik Dhrona, Hossam Hassanein,A performance study of uplink scheduling algorithms in point-to-multipointWiMAX networks, Elsevier B.V,2008 [14]Qingwen Liu, Xin Wang, nd Georgios B Giannakis, A Cross-Layer Scheduling Algorithm With QoSSupport in Wireless Networks, IEEE Transactions on vehicular technology, vol 55, no 3, 5/2006 [15] Gandeva B Satrya, Ign Wiseto P Agung, Niken D W Cahyani,Performance Analysis of Packet Scheduling With Qosin IEEE 802.16e Networks , 2012 7th International Conference on Telecommunication Systems, Services, and Applications (TSSA) [16]Carlos Valencia and Thomas Kunz,Scheduling Alternatives for Mobile WiMAXEnd-to-end Simulations and Analysis, "IWCMC’10, June 28– July 2, 2010, Caen, France [17]Akashdeep, Karanjeet S Kahlon, Harish Kumar, Survey ofscheduling algorithmsin IEEE802.16 PMP networks,Egyptian Informatics Journal (2014) 15, 25 –36 [18] Carlos G Bilich, “TCP OVER WIMAX NETWORKS”, WIRELESS ACCESS NETWORKS PROJECT NUMBER II, Technical Report # DIT-06-061, June 16th , 2005 [19] Juniper Networks, “Supporting Differentiated Service Classes: Queue Scheduling Disciplines”, 2001 [20]Link tải NS 2.31: http://nchc.dl.sourceforge.net/sourceforge/nsnam/ns-allinone2.31.tar.gz [21] Link tải WiMAX 2.6: https://github.com/barun-saha/ns2-wimax-bluetoothwsn/blob/master/ns-2.34/ns-2.31-WiMAX_AATG_R2.6.patch