Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ trong mạng Wimax

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH KIẾN TRÚC CHƢƠNG TRÌNH ĐẢM BẢO YÊU CẦU CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG WIMAX Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRỊNH ANH VŨ Hà Nội, 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết riêng tôi, hướng dẫn TS Trịnh Anh Vũ, không chép Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu thông tin đăng tải tác phẩm, tạp chí trang Web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Tác giả luận văn Nguyễn Thị Tuyết Trinh LỜI CẢM ƠN Tôi hoàn thành luận văn khích lệ giúp đỡ từ thầy cô giáo, gia đình bạn bè Đầu tiên, muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn tôi, Tiến sỹ Trịnh Anh Vũ – Bộ môn Thông Tin Vô Tuyến – Khoa Công Nghệ - Trường đại học Công Nghệ, người tận tình hướng dẫn suốt trình thực luân văn Tôi muốn đặc biệt gửi lời cảm ơn tới giáo viên Trường đại học Công Nghệ dạy để đạt kết ngày hôm Tôi cảm ơn bạn bè mình, người luôn sẵn sàng hỗ trợ Và cuối cùng, từ đáy lòng mình, cảm ơn gia đình tôi, chồng luôn động viên, hỗ trợ hoàn thành việc học Họ nguồn động viên vô tận đời MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng – Giới thiệu chung mô hình WiMAX chiến lƣợc phân bổ tài nguyên2 1.1 Cấu trúc lớp vật lý hệ thống WiMAX 1.1.1 Đặc điểm 1.1.2 IFFT 1.1.3 Cấu trúc symbol OFDM 1.2 Lớp MAC WiMAX 1.2.1 Cấu trúc slot khung 1.2.2 Lập lịch lớp MAC Chƣơng – Kỹ thuật đa truy cập 12 2.1 Phân loại giao thức đa truy cập 12 2.1.1 Giao thức đa truy cập không tranh chấp (lập lịch) 13 2.1.2 Giao thức đa truy cập tranh chấp (ngẫu nhiên) 14 2.2 Giao thức ALOHA 14 2.2.1 ALOHA nguyên thủy (Pure ALOHA hay p-ALOHA) 14 2.2.2 ALOHA phân khe (Slotted ALOHA hay s-ALOHA) 16 2.3 Mô máy tính 18 2.3.1 Mô hình hóa hệ thống thông tin gói 18 2.3.2 Cấu hình mô 20 2.4 Mô thuật toán ALOHA 21 2.4.1 Chương trình kết mô thuật toán p-ALOHA 21 2.4.2 Chương trình kết mô thuật toán s-ALOAH 23 Chƣơng – Lôgic mờ điều khiển tiếp nhận WiMAX 26 3.1 Lôgic mờ 26 3.1.1 Giới thiệu 26 3.1.2 Phép toán tập mờ 27 3.1.3 Quy tắc mờ 27 3.1.4 Điều khiển lôgic mờ 28 3.2 Mô hình hệ thống WiMAX 29 3.3 Cấp phát tài nguyên WiMAX điều khiển quản lý 31 3.3.1 Nguồn lưu lượng ma trận xác suất đến 31 3.3.2 Sự truyền kênh 32 3.3.3 Không gian trạng thái Ma trận chuyển tiếp 33 3.3.4 Phép đo QoS 35 3.3.5 Áp dụng điều khiển lôgic mờ cho điều khiển tiếp nhận 36 Chƣơng - Mô hình hệ thống OFDM vấn đề lập lịch WiMAX 39 4.1 Mô hình hệ thống OFDM 40 4.1.1 Lập lịch lựa chọn tần số phân tập tần số 40 4.1.2 Khái niệm khe lớp vật lý 40 4.1.3 Chỉ thị chất lượng kênh truyền 40 4.1.4 Lớp dịch vụ UGS rtPS 41 4.2 Cấp phát tần số thời gian theo yêu cầu QoS 41 4.2.1 Điều kiện kênh truyền đồng 43 4.2.2 Lựa chọn T 43 4.2.3 Kết cứng 44 4.2.4 Thuật toán xấp xỉ đầu vào phụ thuộc cho LP(1) 45 4.2.5 Phương pháp thực nghiệm dựa luồng tương tranh cực đại 46 4.3 Cấp phát kênh phối hợp với công suất 48 4.3.1 Phân tích thông lượng trạng thái SINR cao 51 4.3.2 Phân tích thông lượng trạng thái SINR thấp 54 4.4 Mô thuật toán Heuristic cho cấp phát tài nguyên WiMAX 55 4.4.1 Thuật toán Heuristic 55 4.4.2 Một số toán thường gặp 55 4.4.3 Mô cho toán lập lịch dùng thuật toán Heuristic 57 4.4.4 Kịch kết mô 59 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 65 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Cấu trúc symbol miền tần số Hình Cấu trúc symbol miền thời gian Hình Biểu diễn nguồn thời gian nguồn tần số Hình Cấu trúc khung TDD Hình Cấu trúc khung ví dụ hệ thống R-MAC Hình Mô hình hàng đợi điều khiển logic mờ 10 Hình 2.1 (a) TDMA (b) FDMA 13 Hình 2.2 ALOHA nguyên thủy (p-ALOHA) 15 Hình 2.3 Sự xung đột gói tin hệ thống p-ALOHA 15 Hình 2.4 s-ALOHA 16 Hình 2.5 Tranh chấp gói hệ thống s-ALOHA 17 Hình 2.6 Xung đột gói tin truyền 18 Hình 2.7 Cấu hình mô máy tính có 20 Hình 2.8 Lưu lượng yêu cầu thông lượng p-ALOHA 22 Hình 2.9 Lưu lượng yêu cầu thời gian trễ trung bình p-ALOHA 23 Hình 2.10 Lưu lượng yêu cầu thông lượng s-ALOHA 24 Hình 2.11: Lưu lượng yêu cầu trễ trung bình s-ALOHA 24 Hình Phép toán tập mờ 27 Hình Quá trình mờ, cấu suy luận giải mờ 28 Hình 3 Cấu trúc khung IEEE 802.16 với chế độ TDD-OFDMA 30 Hình Sơ đồ khối kiểm soát nhận lôgic mờ 37 Hình Cấu trúc khung hệ thống vô tuyến 39 Hình Lập công thức luồng tương tranh 48 Hình Một polymatching: Hình vẽ polymatching giá trị cho bốn người dùng sáu kênh truyền (Chú ý rằng: Polymatching biểu diễn đường in đậm) 50 Hình 4 Biểu đồ cấu trúc G 53 Hình 5: Lưu đồ mô thuật toán Heuristic cho cấp phát tài nguyên mạng 58 Hình Thông lượng hệ thống với yêu cầu QoS 20 60 Hình Thông lượng hệ thống với yêu cầu QoS 40 61 Hình Thông lượng hệ thống với yêu cầu QoS 10 60 61 Hình Thông lượng hệ thống với yêu cầu QoS 5, 10, 40 60 62 BẢNG CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Từ viết tắt Nghĩa 3G Third Generation Thế hệ thứ ba AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa điều chế thích nghi BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DL Downlink Đường xuống FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FUSC Fully Used Subchannelization Phân kênh sử dụng toàn phần IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện kỹ thuật điện điện tử Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược MAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi trường MMPP Markov Modulated Poisson Process Quá trình Poisson điều chế Markov MS Mobile Station Trạm di động OFDM Orthogonal Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số Access trực giao PDU Packet Data Unit Đơn vị liệu gói PUSC Partially Used Subchannelization Phân kênh sử dụng phần QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương Frequency Division Đa phân chia theo tần số trực giao QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu nhiễu tạp âm SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu tạp âm TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian UL Uplink Đường lên WAN Wide Area Network Mạng khu vực rộng Wi-Fi Wireless Fidelity Mạng không dây Wifi WiMAX Worldwide Interoperability Microwave Access for Khả tương tác toàn cầu với truy nhập viba Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX MỞ ĐẦU Công nghệ WiMAX giải pháp tương thích tổng hợp cung cấp đa dịch vụ lúc cho nhiều người dùng khoảng cách xa đồng thời cho phép nhà khai thác dịch vụ hội tụ kỹ thuật mạng IP Do công nghệ 3G phát triển với tốc độ liệu không ngừng tăng việc nghiên cứu WiMAX có tính thời sự, đích nhắm cho phát triển công nghệ hệ sau (Long Term Evolution - LTE) đặc biệt giải pháp kinh tế triển khai internet cho vùng xa, địa hình khó khăn số người dùng không đủ nhiều để đầu tư triển khai mạng cáp quang cho mạng đường trục 3G WiMAX với hỗ trợ đảm bảo QoS hoàn toàn đáp ứng dịch vụ chất lượng gồm có Internet tốc độ cao, thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến với ứng dụng cộng thêm cho doanh nghiệp hội nghị video giám sát video, mạng riêng ảo bảo mật (yêu cầu an ninh cao) Thách thức mạng truy cập không dây băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access) điều phối để cung cấp hỗ trợ chất lượng dịch vụ đồng thời cho nhiều dịch vụ với đặc trưng khác với đòi hỏi QoS khác Những người dùng truy cập ngẫu nhiên vào mạng với yêu cầu dịch vụ khác mong muốn đáp ứng, nhà cung cấp muốn làm hài lòng khác hàng muốn đạt doanh thu cao qua cực đại thông lượng mạng Vì toán kiến trúc chƣơng trình hay lập lịch cho ngƣời dùng với yêu cầu QoS khác toán quan trọng, với mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho người dùng đồng thời mang lại hiệu kinh tế cho nhà khai thác mạng 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 Lập lịch thể qua ba giai đoạn: giải xung đột nhiều người dùng truy cập mạng (kỹ thuật đa truy cập), định chấp nhận gọi người dùng hay không nhận yêu cầu gọi từ người dùng (điều khiển tiếp nhận), cấp phát tài nguyên cho người dùng chấp nhận gọi (cấp phát tài nguyên) data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... Lưu lượng yêu cầu thông lượng p-ALOHA 22 Hình 2.9 Lưu lượng yêu cầu thời gian trễ trung bình p-ALOHA 23 Hình 2.10 Lưu lượng yêu cầu thông lượng s-ALOHA 24 Hình 2.11: Lưu lượng yêu. .. thu cao qua cực đại thông lượng mạng Vì toán kiến trúc chƣơng trình hay lập lịch cho ngƣời dùng với yêu cầu QoS khác toán quan trọng, với mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho người dùng đồng... yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX MỞ ĐẦU Công nghệ WiMAX giải pháp tương thích tổng hợp cung cấp đa dịch vụ lúc cho nhiều người dùng khoảng cách xa đồng thời cho phép nhà khai thác dịch vụ