Nghiên cứu phương pháp quản lý chuyển vùng trong mạng 4G

Header Page of 113 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - LỮ THỊ PHƯƠNG NGA NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ CHUYỂN VÙNG TRONG MẠNG 4G CHUYÊN NGÀNH : TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH MÃ SỐ : 60.48.15 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 Footer Page of 113 Luận văn hoàn thành tại: Header Page ofHọc 113 viện Công nghệ Bưu Viễn thông Tập đoàn Bưu Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS Đinh Văn Dũng Phản biện 1: …………………………………………………… …………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………… …………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Footer Page of 113 Header Page of 113 Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự 1G, hệ thống thông tin di động số hệ thứ đời đánh dấu thành công công nghệ GSM với 70% thị phần thông tin di động toàn cầu Tuy nhiên GSM đáp ứng tốt dịch vụ thoại nhu cầu dịch vụ số liệu ngày gia tăng hệ thống thông tin di động hệ thứ đời đáp ứng nhu cầu truyền số liệu Hướng tới phát triển tương lai, mạng không dây hệ thứ tích hợp công nghệ WLAN mạng thông tin di động hệ thứ Đề tài “Nghiên cứu phương pháp quản lý chuyển vùng mạng 4G” đánh giá lực đề xuất quản lý chuyển vùng mạng truy nhập vô tuyến khác nhau: WLAN, 3G, Wimax Luận văn xác định yêu cầu đặt vấn đề quản lý chuyển vùng mạng 4G Năng lực đề xuất khảo sát nhờ công cụ phần mềm mô NS-2 Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Mạng 4G vấn đề quản lý di động Chương 2: Giao thức quản lý chuyển vùng mạng 4G Chương 3: Đánh giá quản lý chuyển vùng WLAN UMTS mô Footer Page of 113 Header Page of 113 I NỘI DUNG CHÍNH CỦA TỪNG CHƯƠNG CHƯƠNG Chương giới thiệu tổng quan hệ thống thông tin di động hệ thứ (4G), lịch sử xu hướng phát triển, mô hình cấu trúc mạng dịch vụ triển khai mạng di động 4G Tiếp chương đề cập đến vấn đề quản lý di động mạng, khái niệm chuyển vùng quản lý di động cần thiết việc nghiên cứu phương pháp chuyển vùng mạng di động 4G Mô hình cấu trúc mạng 4G Hình 1.5: Mô hình cấu trúc mạng 4G Footer Page of 113 Header Page of 113 Lớp truy nhập vô tuyến Nhiệm vụ mạng truy nhập vô tuyến RAN(Radio Access Network) tạo trì kênh mang truy nhập vô tuyến RAB (Radio Acess Bearer) để thực thông tin thiết bị di động UE (User Equipment) mạng lõi CN (Core Network) Lớp mạng lõi Mạng lõi phải tích hợp tất mạng viễn thông khác mạng di động, WLAN, WiMAX, mạng không dây khác… Lớp chức Lớp chức dùng để điều khiển hệ thống điều khiển hệ thống báo hiệu, điều khiển lưu lượng, bảo mật thông tin… đồng thời cung cấp sở hạ tầng cho lớp dịch vụ, cung cấp loại hình dịch vụ khác Lớp dịch vụ Cung cấp dịch vụ theo yêu cầu người dùng, có chất lượng cao như: dịch vụ thông tin định vị, dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, dịch vụ điều khiển từ xa… Footer Page of 113 Header Page of 113 CHƯƠNG 2: Chương trình bày hai giao thức chuyển vùng mạng 4G Giao thức Mobile IP, Giao thức MIH (chuẩn IEEE 802.21) Giao thức Mobile IP- Nguyên lý hoạt động Khi MN mạng thường trú, phân phối địa IP thường trú Lúc MN mạng thường trú nó, nút di động MN nhận gói tin trả lời chúng máy chủ thông thường (đây yêu cầu quan trọng IP di động) Nhưng MN khỏi mạng thường trú MN cần có đại diện thay mặt Đại diện đại diện thường trú HA (Home Agent) thông tin với MN suốt thời gian di chuyển mà không phụ thuộc vào vị trí MN Do đó, ta coi HA vị trí vật lý MN Vậy MN khỏi nơi thường trú, phải có địa tạm trú thông báo địa cho HA để biết địa điểm MN Có nhiều cách để có địa này, tiện MN có địa từ đại diện Đại diện gọi đại diện tạm trú FA (Foreign Agent) [10] Do MN khỏi mạng thường trú tới mạng ngoài, MN phát mạng khác gửi yêu cầu đăng ký thông qua FA đến HA để lưu động thời gian Đáp ứng gửi đến MN (thông qua FA) cho phép từ chối việc đăng ký Trường Footer Page of 113 Header Page of 113 hợp thực MN dùng FA để đăng ký, MN bảo vệ địa theo cách khác không cần bước đăng ký qua FA Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động MIPv4 (Nguồn: Tài liệu tham khảo [10]) Chuyển vùng mobile IP: gồm trường hợp MN từ FA1 sang FA trường hợp MN từ FA sang vùng FA Giao thức MIH IEEE - Mô hình kiến trúc MIH Kiến trúc MIH (Media- Independent HandoverIEEE 802.21) bao gồm User MIH đặt lớp Lớp sử Footer Page of 113 Header Page of 113 dụng điểm truy nhập dịch vụ MIH (SAPs) để truyền thông với dịch vụ MIH lớp thấp [2] MIH User MIH User MIH MIH MIH MIH Events Commands Events Commands MIHF Link events Link commands L21 Technology dependent Technology independent Query or configure Query or configure MIHF Response Link events Link commands L22 L2 Mobile Node Access Point Hình 2.2: Mô hình kiến trúc MIH (Nguồn: Tài liệu tham khảo [2]) Khối chức MIH (MIHF) đặt lớp lớp Khối chức cung cấp dịch vụ chuyển vùng bao gồm dịch vụ kiện (ES), dịch vụ thông tin (IS) dịch vụ chung (CS) thông qua SAPs Ngoài kiểm soát tắc nghẽn yêu cầu phụ thuộc vào tổng lượng liệu MIH sinh Bởi số thông báo tín hiệu MIH nên thực thông qua giao thức truyền thông tin cậy TCP- mà yêu cầu phân phối kiểm soát tắc nghẽn Footer Page of 113 Response Header Page 9CHƯƠNG of 113.3: Chương giới thiệu phần mềm mô mạng NS-2 trình bày kết mô chuyển vùng mạng UMTS WLAN Giới thiệu tham số ảnh hưởng tới hiệu chuyển vùng Sau trình bày topology mạng thực chuyển vùng mạng UMTS WLAN scenario chuyển vùng Phần cuối chương trình bày kết hiệu chuyển vùng điều chỉnh tham số mô Các tham số đánh giá hiệ chuyển vùng Các tham số đề cập sau sử dụng để đánh giá hiệu chuyển vùng [19] Độ trễ chuyển giao, Tỉ lệ ngắt kết nối, Tỉ lệ gói, Số gói tin không thứ tự, Hiệu phát di chuyển, Xác suất tạo link trigger bị lỗi Footer Page of 113 Header Page 10 of 113 Cấu hình tham số mô 0.0.0 1.0.0 3.0.0 Agent App 2.0.0 RA RA 3.0.1 2.0.1 Agent App Hình 3.3: Topology mạng mô chuyển vùng UMTS WLAN Hình 3.4: Topology mạng mô chuyển vùng UMTS sang WLAN ns-2 Footer Page 10 of 113 Header Page 11 of 113 Quá trình mô thực với scenario Scenario 1: Phát di chuyển dựa RA 0.0.0 1.0.0 3.0.0 Agent App 2.0.0 RA RA Prefix expired 3.0.1 2.0.1 3.0.1 2.0.1 3.0.1 2.0.1 Agent App Agent App Agent App Hình 3.5: Topology phát di chuyển dựa RA Các kết mô sau: DELAY MAX_RA_DELAY) Kết sau: Footer Page 11 of 113 Header Page 12 of 113 Độ trễ chuyển giao (s) 14 12 10 0 10 12 Thời gian gửi quảng bá router tối thiểu (s) Hình 3.6: Ảnh hưởng khoảng thời gian RA tới độ trễ chuyển giao 90 Độ trễ chuyển giao (s) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80 100 Thời gian hoạt động router (s) Hình 3.7: Ảnh hưởng thời gian hoạt động router tới độ trễ chuyển giao Scenario 2: Phát di chuyển dựa kiện Phát liên kết/ Thiết lập liên kết/ Ngắt liên kết (Link Detected/ Link Up/ Link Down event) Footer Page 12 of 113 Header Page 13 of 113 0.0.0 1.0.0 3.0.0 Agent App 2.0.0 RA RA RS 3.0.1 2.0.1 Link Down Link UP Agent App Hình 3.8: Topology phát di chuyển dựa Link Detected/UP/Down Các kết mô Độ trễ chuyển giao (s) 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 MAX_RA_DELAY_TIME (s) Hình 3.9: Ảnh hưởng tham số MAX_RA_DELAY tới độ trễ chuyển giao ( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] ) Footer Page 13 of 113 Hiệu phát di chuyển (%) Header Page 14 of 113 70 60 50 40 30 20 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 MAX_RA_DELAY_TIME (s) Hình 3.10: Ảnh hưởng MAX_RA_DELAY tới hiệu phát di chuyển Hình 3.11: Ảnh hưởng số lượng tín hiệu nhỡ độ trễ chuyển giao ( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] ) Footer Page 14 of 113 Header Page 15 of 113 Hiệu phát di chuyển (%) 100 80 60 40 20 10 Số tín hiệu nhỡ trước ngắt liên kết Hình 3.12: Ảnh hưởng lượng tín hiệu nhỡ với hiệu phát di chuyển 0.5 Độ trễ chuyển giao (s) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Số gói tin bị lỗi trước ngắt liên kết Hình 3.13: Ảnh hưởng số gói tin bị lỗi độ trễ chuyển giao ( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] ) Footer Page 15 of 113 Header Page 16 of 113 Hiệu phát di chuyển (%) 60 50 40 30 20 10 0 10 15 20 25 30 35 40 45 Số gói tin bị lỗi trước ngắt liên kết Hình 3.14: Ảnh hưởng số gói tin bị lỗi đối hiệu phát di chuyển ( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] ) II Kết luận Một vấn đề mà nhà nghiên cứu quan tâm quản lý di động trình chuyển vùng di động Do nghiên cứu để đảm bảo tín hiệu liên tục đạt hiệu cao điểm di động di chuyển trạm phát sóng khác nhau, công nghệ di động khác vấn đề khó Luận văn tập trung tìm hiểu hai giải pháp quản lý chuyển vùng mạng di động hệ thứ giao thức chuyển vùng Mobile IP giao thức chuyển vùng MIH (chuẩn IEEE 802.21) Quá trình chuyển vùng thực mạng UMTS WLAN Phần cuối luận văn trình bày kết mô chuyển vùng mạng UMTS WLAN, phân tích đánh giá độ đo hiệu chuyển vùng dựa Footer Page 16 of 113 50 Header Page 17 of 113 tham số khác đưa kết mô Kết đánh giá mô cho phép lựa chọn giá trị tham số thích hợp nhằm đạt hiệu chuyển vùng cao Hướng nghiên cứu mở rộng đề tài: Luận văn dừng lại mức độ tìm hiểu hai giao thức chuyển vùng mô trình chuyển vùng mạng UMTS WLAN mà chưa đánh giá điểm mạnh điểm yếu phương pháp chuyển vùng sử dụng tham số đầu vào giống Để đáp ứng yêu cầu đánh giá, lựa chọn phương pháp chuyển vùng thích hợp cần phải tập trung tìm hiểu thêm phương pháp chuyển vùng mô hình hóa công nghệ ứng cử cho mạng 4G MIMO, MC-WCDMA, IMS tích hợp vào phần mềm NS-3 Sau đó, đánh giá lực quản lý di động MIH, Mobile IP thuê bao chuyển vùng mạng truy nhập vô tuyến với công nghệ khác 4G-3G WLAN- WiMAX III Tài liệu tham khảo [1] Christian Prehofer, Wolfgang Kellerer, Robert Hirschfeld, Hendrik Berndt, Katsuya Kawamura, “An Architecture Supporting Adaptation and Evolution in Fourth Generation Mobile Communication Systems” [2] David Griffith, Richard Rouil, Nade Golmie (2008, November 15), “ Performance Metrics for Footer Page 17 of 113 Header Page 18 of 113 IEEE 802.21 Media Independent Handover (MIH) Signaling” [3] De La Oliva, “An overview of IEEE 802.21: media-independent handover services” [4] D.Rouffet, S Kerboeuf, L Cai, V Capdevielle (2005), “4G Mobile” Alcatel Telecommunication Review [5] Frederic Paint, Paal Engelstad, Erik Vanem, Thomas Haslestad, Anne Mari Nordvik, Kjell Myksvoll, Stein Svaet, “Mobility Aspects in 4G Networks” [6] Georgia J Xie and I.F Akyildiz (2002), “ A distributed dynamic regional location management scheme for Mobile IP” in Proc IEEE INFOCOM [7] Gergely V Zaruba, Wei Wu, Mohan J Kumar, Sajal K Das, “ NGIneUS: Intelligent User Shadows for Next Generation Wireless Services”, Department of Computer Science and Engineering, University of Texas at Arlingto [8] http://www.s3.kth.se/radio/4GW/ [9] http://www.3g.co.uk/ [10] http://www.vntelecom.org/ Footer Page 18 of 113 Header Page 19 of 113 [11] J Xie and I.F Akyildiz (2002), “An optimal location management scheme for minimizing signaling cost in Mobile IP” [12] Juan Carlos, Farrokh Khatibi, Junghoon Jee, Byungjun Bae, “ IEEE 802.21 and Broadcast Handovers ” [13] Kumudu S Munasinghe (9/2008), “A Unified Mobility Management Architecture for Interworked Heterogeneou Mobile Networks” [14] Knunal Ganguly , “A Study of Mobile IP” [15] Miikka Poikselka, Georg Mayer, Hisham Khartabil, Aki Niemi, “The IMSIP Multimedia Concepts and Services in the Mobile Domain” [16] M.M.A.Khan, M.F.B.Ismail, K Dimyati (2010, April 15), ”Interworking between WiMAX and UMTS to provide seamless service” [17] National Institute of Standards and Technology (2007, January) The Network Simulator NS-2 NIST add on IEEE 802.21 model [18] Nilanjan Banerjee, Wei Wu, Kalyan Basu, Sajal K.Das (2003, October), “Analysis of SIP-based mobility management in 4G wireless network” Footer Page 19 of 113 Header Page 20 of 113 [19] Nicolas Montavont, Richard Rouil, Nada Golmie, “Effects of router configuration and link layer trigger parameters on handover performance ” [20] Networking the Sky (2009) Seamless Handover Strategies [21] Raj Tain (2008), “Media Independent Handover (MIH)” [22] Stefano M.Faccin, Poornima Lalwaney, Basavara Jpatil (2004, January), “IP Multimedia Services : Analysis of Mobile IP and SIP Interactions in 3G Networks.” [23] The Focus project on 4G Mobile Network Architectures &Protocols, WINLAB,Rutgers University, available at: http://www.winlab.rutgers.edu/pub/docs/focus/MobNet2.ht ml th [24] infrastructures) 4GW project, (4 generation Personal wireless Computing and Communications group, Lund Institute of Technology Available at: http://www.s3.kth.se/radio/4GW/ Footer Page 20 of 113  ... tương lai, mạng không dây hệ thứ tích hợp công nghệ WLAN mạng thông tin di động hệ thứ Đề tài Nghiên cứu phương pháp quản lý chuyển vùng mạng 4G đánh giá lực đề xuất quản lý chuyển vùng mạng truy... đề quản lý chuyển vùng mạng 4G Năng lực đề xuất khảo sát nhờ công cụ phần mềm mô NS-2 Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Mạng 4G vấn đề quản lý di động Chương 2: Giao thức quản lý chuyển vùng. .. việc nghiên cứu phương pháp chuyển vùng mạng di động 4G Mô hình cấu trúc mạng 4G Hình 1.5: Mô hình cấu trúc mạng 4G Footer Page of 113 Header Page of 113 Lớp truy nhập vô tuyến Nhiệm vụ mạng