Nghiên cứu cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng wimax

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG wimax Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: PHẠM NGỌC LINH Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH THÁI NGUYÊN - 2013 Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự - Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Phạm Ngọc Linh Lớp: Cao học - K13 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh Ngày giao đề tài: … tháng … năm 20… Ngày hoàn thành: ….tháng ……năm 20 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh Phạm Ngọc Linh BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, luận văn không giống hoàn toàn luận văn công trình có trƣớc Thái Nguyên, ngày 08 tháng 05 năm 2013 Tác giả luận văn Phạm Ngọc Linh Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập tốt nghiệp, nhận đƣợc giúp đỡ tận tình thầy cô giáo môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn thời gian thực đề tài, cảm ơn giúp đỡ gia đình, bạn bè đồng nghiệp thời gian qua Mặc dù cố gắng, xong điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế nhiều hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô nhƣ bạn bè, đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Phạm Ngọc Linh Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii LỜI NÓI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nhờ phát triển không ngừng khoa học công nghệ, truyền thông băng thông rộng ngày trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi ích cho ngƣời sử dụng Bên cạnh việc cung cấp dịch vụ nhƣ truy cập Internet, trò chơi tƣơng tác, hội nghị truyền hình,… truyền thông băng thông rộng di động đƣợc ứng dụng rộng rãi, cung cấp kết nối tin cậy cho ngƣời sử dụng di chuyển qua phạm vi rộng lớn Trong đó, truy cập băng rộng không dây lĩnh vực mang lại quan tâm đáng kể tổ chức nghiên cứu nhƣ nhà cung cấp thiết bị, nhà khai thác mạng Ngày giới hƣớng tới tƣơng tác toàn cầu truyền thông băng rộng không dây, điều không mang lại hội tụ truyền thông toàn cầu mà mang lại nhiều lợi nhuận mặt kinh tế, giúp cho việc phát triển khoa học, công nghệ, trị, văn hoá,… nƣớc toàn giới Trong bối cảnh đó, WiMAX đời nhằm cung cấp phƣơng tiện truy cập Internet không dây tổng hợp thay ADSL Wi-Fi Hệ thống WiMAX có khả cung cấp đƣờng truyền vô tuyến với tốc độ lên đến 70Mbps với bán kính phủ sóng lên đến 50km Tuy diễn đàn WiMAX đƣa thông số kỹ thuật lớp PHY lớp MAC cho phần lớn chuẩn nhƣng số chuẩn thông số chung chƣa đƣợc đề cập Điều dẫn đến khác biệt việc sử dụng kỹ thuật WiMAX nhà cung cấp thiết bị, chẳng hạn nhƣ kỹ thuật lập lịch cho WiMAX Để bảo đảm chất lƣợng truyền dẫn thông tin cho lƣu lƣợng khác nhau, nhà cung cấp thiết bị cần điều chỉnh thông số theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho ứng dụng đa phƣơng tiện có băng thông rộng, chẳng hạn tốc độ liệu cao nhƣ VoIP, Video, luồng âm nhƣ ứng dụng tốc độ liệu thấp nhƣ lƣớt Web Trong số ứng dụng truyền thông thời gian thực, độ trễ tín hiệu thông số quan trọng Ví dụ nhƣ theo nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.16, độ trễ cho phép VoIP 120 ms, độ trễ vƣợt 150 ms chất lƣợng thoại bị giảm sút nghiêm trọng giá trị vƣợt 200 ms chấp nhận đƣợc Để giải vấn đề này, ngƣời ta nghiên cứu thuật toán lập lịch WiMAX nhằm cải thiện chất lƣợng dịch vụ cho ứng dụng khác hệ thống WiMAX Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu chế đảm bảo Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv chất lƣợng dịch vụ mạng Wimax” đề tài có tính cấp bách thực tiễn cao MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tổng quan WiMAX - Nghiên cứu lớp MAC lớp vật lý WiMAX - Phân tích số kỹ thuật lập lịch WiMAX - Mô số kỹ thuật lập lịch phần mềm NS2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Có nhiều thông số đƣợc quan tâm phân tích chất lƣợng dịch vụ hệ thống mạng WiMAX 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài không sâu vào kiến trúc mạng WiMAX mà tập trung nghiên cứu cách thức xây dựng khối sở, tham số thiết kế thành phần WiMAX để làm cho việc phân tích sau - Đề tài nghiên cứu, phân tích kỹ thuật thuật toán lập lịch, thực mô kỹ thuật lập lịch nhằm thể ảnh hƣởng đến việc cải thiện QoS hệ thống mạng WiMAX Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu xuyên suốt luận văn kết hợp lý thuyết mô phỏng, cụ thể tiến hành bƣớc nhƣ sau: - Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu phân tích kỹ thuật lập lịch liên quan - Xây dựng mô hình mạng WiMAX để thực mô - Đánh giá kết mô Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài WiMAX kỹ thuật mạng băng rộng không dây trội lựa chọn phát triển kỹ thuật mạng băng rộng cố định truyền thống hiệu chi phí WiMAX hỗ trợ ứng dụng đa phƣơng tiện khác nhƣ thoại qua giao thức internet (VoIP), truyền hình hội nghị, chơi game online Những ứng dụng gồm nhiều loại khác theo nhu cầu tự nhiên chúng có nhiều yêu cầu khác phải đƣợc thỏa mãn Để thỏa mãn loại yêu cầu khác cần thiết phải xem xét đến yêu cầu dịch vụ (QoS) QoS, tiêu chí quan trọng đƣợc chấp nhận để đo lƣờng hiệu mạng, đƣợc Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v cung cấp thông qua phân lớp việc lập lịch loại khác lớp lƣu lƣợng đƣợc định nghĩa tiêu chuẩn Mỗi lớp có yêu cầu băng thông riêng cung nhƣ mức độ QoS riêng, mà cần phải trì Nhiều loại thuật toán lập lịch lƣu lƣợng cho mạng không dây nhƣ Round Robin, Proportional Fairness thuật toán WFQ kết hợp Leaky Bucket….Trong số chế thuận tiện, số khác biệt dịch vụ, số tạo khác biệt hoàn toàn dịch vụ với thực thi có độ phức tạp cao việc lập lịch hiệu quan trọng mạng WiMAX Vì vậy, vấn đề nghiên cứu, phân tích sâu kỹ thuật lập lịch cải thiện QoS WiMAX cần thiết tình hình Các kết đề tài sát với thực tế có tính thực tiễn cao Cấu trúc luận văn WiMAX công nghệ hoàn toàn mẻ chƣa đƣợc triển khai rộng rãi Các chuẩn đƣợc xây dựng, hoàn thiện nhiều vấn đề đƣợc nhà nghiên cứu, triển khai quan tâm, vấn đề chất lƣợng dịch vụ mạng đƣợc trọng Đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh thầy cô giáo Khoa điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung: “Nghiên cứu chế đảm bảo chất lƣợng dịch vụ mạng Wimax” Đề tài gồm nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng Quan Về Mạng Truy Nhập Băng Rộng-WiMAX Toàn chƣơng đƣa nhìn tổng quan số công nghệ mạng truy nhập băng rộng, đặc thù loại công nghệ truy nhập nhằm tạo sở khách quan để đánh giá lựa chọn công nghệ phù hợp Chƣơng trình bày rõ khác biệt gữa hai mô hình ứng dụng WiMAX cố định WiMAX di động Dựa vào đặc điểm khác định dạng giúp nhà cung cấp dịch vụ hoàn cảnh cụ thể lựa chọn mô hình phù hợp triển khai thực tế Chƣơng 2: Mạng WiMAX Nghiên cứu cấu trúc hệ thống, cấu hình mạng, kiến trúc mạng ƣu nhƣợc điểm mạng Wimax Chƣơng 3: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG WIMAX Học viên tìm hiểu chế đảm bảo chất lƣợng dịch vụ wimax, khảo sát số Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi thuật toán lập lịch gói đƣợc đƣa báo khoa học số nhà nghiên cứu giới, từ đánh giá ƣu điểm nhƣợc điểm thuật toán Chƣơng 4: ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG MỘT SỐ KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG WIMAX Học viên tập trung phân tích đánh giá hiệu hai thuật toán đƣợc đƣa khảo sát thuật toán PF thuật toán WFQ kết hợp với điều khiển tốc độ luồng Leaky Bucket Các phân tích đánh giá chƣơng này, dựa kết mô thu đƣợc từ module WiMAX Do đề tài mới, đƣợc hoàn thành thời gian ngắn điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, với lực thân hạn chế nên chƣa đề cập đƣợc hết vấn đề liên quan đến đề tài cách đầy đủ, sâu sắc tránh khỏi thiếu sót trình nghiên cứu, trình bày Kính mong thầy, cô giáo bạn quan tâm đến nội dung đề tài, góp ý kiến để có điều kiện tiếp thu phát triển đề tài nhƣ bổ xung thêm kiến thức cho thân đƣợc đầy đủ, đắn để luận văn đƣợc hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 08 tháng 05 năm 2013 Người thực Phạm Ngọc Linh Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Lời nói đầu Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ Bảng đối chiếu thuật ngữ Việt - Anh CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG-WiMAX 1.1 Mạng Truy Nhập băng rộng 1.1.1 Mạng xDSL [9] 1.1.2 Modem cáp [5] 1.1.3 Truy nhập dịch vụ băng rộng qua vệ tinh (iPSTAR) [12] 1.2 Tổng quan WiMAX 1.2.1 Diễn đàn WiMAX .9 1.2.2 Các đặc điểm WiMAX .10 1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16 10 1.2.4 Các định dạng diễn dàn WiMAX 16 1.3 Các mô hình ứng dụng [2] 18 1.3.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 18 1.3.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di động .19 CHƢƠNG 2: MẠNG WiMAX 21 2.1 Mô hình cấu trúc hệ thống WiMAX [12] 21 2.2 Mặt phẳng truyền tin: 21 2.2.1 Lớp tiếp ứng (hay lớp hội tụ dịch vụ đặc biệt MAC_CS) [2] 22 2.2.2 Lớp phần chung (MAC CPS- common part sublayer) 22 2.2.3 Lớp MAC_PS [2] .32 2.2.4 Đặc điểm lớp MAC WiMAX 33 2.2.5 Lớp vật lý (PHY, physical layer) 36 2.2.6 Các kỹ thuật truyền thông số lớp PHY 40 Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ viii 2.3 Cấu hình mạng 43 2.3.1 Cấu hình điểm-đa điểm PMP 43 2.3.2 Cấu hình mắt lƣới MESH 43 2.4 Kiến trúc mạng WIMAX 45 2.4.1 Quá trình vào mạng 48 2.4.2 Một số nguyên lí triển khai mạng WiMAX 50 2.4.3 Các dịch vụ ứng dụng đƣợc hỗ trợ WiMAX 51 2.5 Những ƣu điểm môi trƣờng ứng dụng WiMAX 51 2.5.1 Ƣu điểm .51 2.5.2 Môi trƣờng ứng dụng WiMAX 52 CHƢƠNG 3: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG WIMAX .56 3.1 Các vấn đề bảo mật 56 3.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến 60 3.2.1 Tổng quan quản lý tài nguyên vô tuyến mạng không dây 60 3.2.2 Mục đích quản lý tài nguyên vô tuyến mạng không dây 62 3.2.3 Một số giải pháp cho quản lý tài nguyên vô tuyến 63 3.2.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến mạng IEEE 802.16 65 3.3 Kiến trúc chất lƣợng dịch vụ 66 3.3.1 Yêu cầu QoS 67 3.3.2 Các lớp dịch vụ hỗ trợ QoS lập lịch 68 3.3.3 Các mô hình ứng dụng lƣu lƣợng 70 3.3.4 Cơ chế yêu cầu - đáp ứng 70 3.3.5 Bộ lập lịch WiMAX 73 3.3.6 Các yêu cầu lập lịch hỗ trợ QoS 75 3.3.7 Phân loại thuật toán lập lịch 76 3.4 Một số kỹ thuật lập lịch 78 3.4.1 Các thuật toán lập lịch đơn 78 3.4.2 Các thuật toán lai (HYBRID) 82 CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG MỘT SỐ KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG WIMAX 87 4.1 Môi trƣờng mô 87 Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ix 4.1.1 Các thành phần trạm gốc Base Station triển khai công cụ mô 89 4.1.2 Các thành phần trạm MS (Mobile Station) triển khai công cụ mô 91 4.1.3 Bộ lập lịch UL/DL 91 4.2 Các thuật toán lập lịch gói sử dụng kịch mô 93 4.2.1 Thuật toán PF [18] 93 4.2.2 Thuật toán WFQ kết hợp ràng buộc Leaky Bucket 94 4.3 Xây dựng kịch mô [19] 97 4.3.1 Mô hình mạng 97 4.3.2 Lựa chọn nguồn traffic 97 4.3.3 Các tham số sử dụng kịch mô 98 4.4 Kết mô 99 4.4.1 Kịch di động 99 4.4.2 Kịch cố định 102 KẾT LUẬN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 Số hóa Trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... UL/DL 91 4.2 Các thuật toán lập lịch gói sử dụng trong kịch bản mô phỏng 93 4.2.1 Thuật toán PF [18] 93 4.2.2 Thuật toán WFQ kết hợp ràng buộc Leaky Bucket 94 4.3 Xây dựng kịch bản mô phỏng [19] 97 4.3.1 Mô hình mạng 97 4.3.2 Lựa chọn nguồn traffic 97 4.3.3 Các tham số sử dụng trong kịch bản mô phỏng 98 4.4 Kết quả mô phỏng