Nghiên Cứu Cơ Chế Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Trong Mạng Wimax

Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 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 Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 10 of 126 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 Footer Page 10 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 112 of 126 94 lập lịch phải đợi khoảng thời gian dài để cải thiện chất lƣợng kênh kết nối định Thuật toán PF quản lý đƣợc công kết nối khoảng thời gian dài Tuy nhiên nhƣợc điểm thuật toán PF chế đảm bảo đƣợc tốc độ tối thiểu cho kết nối, đặc biệt phục vụ ngƣời dùng dƣới điều kiện kênh truyền khác nhau, QoS khó đƣợc cung cấp Ngoài PF không trì đƣợc băng thông cân xứng theo tỷ lệ kết nối, đặc biệt trƣờng hợp khoảng thời gian ngắn Sở dĩ nhƣ công thức PF có giá trị tốc độ trung bình Ri (t) , giá trị đƣợc tính dựa vào giá trị tốc độ tức thời trƣớc nên có khoảng thời gian tƣơng đối dài giá trị phản ánh xác tốc độ trung bình kết nối Thuật toán PF đƣợc thiết kế để lợi dụng hiệu ứng phân tập đa ngƣời dùng (multiuser diversity), có nhiều ngƣời dùng hoạt động hệ thống lập lịch cho kết nối có tốc độ liệu lớn khe thời gian định 4.2.2 Thuật toán WFQ kết hợp ràng buộc Leaky Bucket Thuật toán WFQ có sở xuất phát từ thuật toán mô hình chất lỏng (fluid models) thuật toán GPS [15].Thuật toán GPS cho phép kết nối khác khác dịch vụ đƣợc chia sẻ GPS gán cho kết nối i trọng số Trong suốt khoảng thời gian tắc nghẽn (backlogged), lập lịch phục vụ kết nối bị tắc nghẽn i theo lƣợng dịch vụ tỉ lệ với trọng số Theo [17] chứng minh đƣợc sử dụng với ràng buộc Leaky Bucket, thuật toán GPS đảm bảo yêu cầu QoS giới hạn trễ giới hạn gói Hơn nữa, lập lịch tái cấp phát công phần băng thông không đƣợc sử dụng cho kết nối hoạt động theo trọng số cách ly đƣợc ảnh hƣởng xấu từ kết nối hoạt động không tốt mạng Tuy nhiên việc phân tích thuật toán GPS theo mô hình chất lỏng không với hoạt động mạng thực tế mô hình chất lỏng phục vụ đồng thời kết nối, mạng gói thực tế phục vụ đƣợc gói thời điểm Do có nhiều thuật toán xấp xỉ GPS đƣợc đề xuất cho hệ thống gói, thuật toán tiếng WFQ [16] hay đƣợc biết đến với tên gọi khác PGPS [15] Trong phần giới thiệu thuật Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 112 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 113 of 126 95 toán điều khiển tốc độ Leaky Bucket, sau học viên phân tích ƣu điểm thu đƣợc sử dụng WFQ kết hợp với ràng buộc Leaky Bucket 4.2.1.1 Điều khiển tốc độ Leaky Bucket Leaky Bucket [17] thuật toán tiếng đƣợc sử dụng để xác định tính chất lƣu lƣợng số mô hình mạng để điều khiển, giới hạn tốc độ luồng lƣu lƣợng trƣớc vào mạng Leaky Bucket sử dụng hai tham số là: Ri tốc độ thẻ (token) chảy vào bucket (bit/s) Bm độ sâu bucket (bits) Tất thẻ vƣợt Bm bị loại bỏ Leaky Bucket hoạt động nhƣ hình 4.8: Khi gói có độ dài L (bits) rời hàng đợi có L thẻ chảy khỏi bucket Nếu độ sâu bucket nhỏ L gói phải đợi b( t k )>L, với b( t k ) độ sâu gói thứ k thời điểm t Hình 4.8 Gới hạn tốc độ luồng với Token Bucket 4.2.2.2 Thuật toán WFQ với ràng buộc Leaky Bucket Hai hệ thống hàng đợi với chế lập lịch gói khác đƣợc xem nhƣ hệ thống tƣơng đƣơng với hai hệ thống có dung lƣợng kênh đầu ra, tập phiên kết nối, mô hình đến (arrival pattern) dịch vụ (service share) cho kết nối [17] Thuật toán WFQ (hệ thống gói) xấp xỉ thuật toán GPS (hệ thống chất lỏng) cách đƣa thời gian kết thúc ảo (Virtual Finish Time hay Finish Tag), thời gian bắt đầu ảo (Virtual Start Time hay Start Tag) thời gian hệ thống ảo (Virtual System Time) Nếu phiên kết nối thỏa mãn ràng buộc Leaky Bucket (Ri , Bm,i ) trễ hàng đợi gói phiên kết nối không vƣợt Bm , i Ri Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 113 of 126 L , C http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 114 of 126 96 Hình 4.9 Bộ lập lịch gói WFQ kết hợp với ràng buộc Leaky Bucket Với tF thời gian khung (tF= 5ms hầu hết hệ thống WiMAX đƣợc triển khai nay) Vậy theo phân tích cho ta thấy thuật toán WFQ thuật toán lập lịch phức tạp nhƣng hiệu quả, đảm bảo tốt yêu cầu QoS tính công Về bản, kết nối có hàng đợi FIFO riêng trọng số đƣợc cấp phát động cho hàng đợi Băng thông đƣợc cấp phát kết nối tỷ lệ với trọng số kết nối Việc xác định trọng số cho kết nối phụ thuộc vào yêu cầu dịch vụ, quy tắc cho việc xác định trọng số Khi kết hợp WFQ với ràng buộc tốc độ Leaky Bucket cung cấp đảm bảo QoS mặt đƣờng bao trễ từ đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho ứng dụng thời gian thực nhƣ VoIP, Video… điều mà thuật toán PF không thực đƣợc Hơn ƣu điểm WFQ khả cấp lại băng thông không sử dụng luồng cho luồng khác có nhu cầu, tùy thuộc vào trọng số chúng Để đảm bảo QoS việc xác định tham số trọng lƣợng quan trọng, tham số đƣợc xác định dựa độ dài hàng đợi, trễ kích thƣớc băng thông yêu cầu Trong phần tiếp theo, học viên thực số kịch mô để đánh giá hai thuật toán phân tích để có nhìn cụ thể hơn, từ hoàn thiện chứng minh suy đoán lý thuyết Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 114 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 115 of 126 97 4.3 Xây dựng kịch mô [19] 4.3.1 Mô hình mạng Hình 4.10 Mô hình mạng sử dụng kịch mô Mô hình mạng sử dụng kịch mô gồm có trạm gốc BS với bán kính phủ sóng 500m, SourceNode để truyền gói tin thuộc luồng dịch vụ khác tới BS thông qua liên kết 100Mbps, trễ 1ms, hàng đợi DropTail Trong bán kính phủ sóng BS có MS MS1 đến MS4 lần lƣợt nhận luồng dịch vụ UGS, rtPS, nrtPS BE, MS5 lại nhận luồng Background Traffic (BGT) với dịch vụ BE có thông lƣợng lớn để làm tăng tối đa tải mạng (bursty) 4.3.2 Lựa chọn nguồn traffic Bảng Các tham số luồng dịch vụ sử dụng kịch mô Dịch vụ UGS rtPS nrtPS BE Background traffic Loại traffic 110 Exponential ON-OFF traffics burst time=350ms,idle time=650ms rate=64kbps Video trace(Star wars)traffic FTP traffic packetSize_=1000 bytes, Window=8 FTP traffic packetSize_=1000 bytes, Window=5 CBR traffic, packetSize_=1000bytes, interval_=0.001 Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 115 of 126 Từ node Tới node Tốc độ trung bình SN SN MS1 MS2 2.4Mbps 3Mbps SN MS3 3Mbps SN MS4 1.8Mbps SN MS5 8Mbps http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 116 of 126 98 Bảng 4.1 liệt kê tham số luồng dịch vụ sử dụng kịch mô phỏng, luồng rtPS sử dụng Video Trace traffic với file trace nguồn “Star wars“ lấy từ trang web [20] 4.3.3 Các tham số sử dụng kịch mô Bảng 4.2 liệt kê tham số điều chế lớp PHY cho băng thông hệ thống lần lƣợt MHz 10 MHz Kịch mô đƣợc xây dựng sử dụng băng thông 10 MHz phƣơng pháp điều chế QAM-64 với tốc độ mó hóa ¾ (3 bit liệu, bit sửa lỗi) nên tính toán đƣợc tổng thông lƣợng tối đa hệ thống khoảng 12.6 Mbps Bảng 4.3 liệt kê tham số sử dụng kịch mô Bảng 4.2 Các tham số điều chế lớp PHY Tham số Downlink Băng thông hệ thống MHz Kích thƣớc FFT Uplink Downlink Uplink 10 MHz 512 1024 Sóng mang Null 92 104 184 184 Sóng mang Pilot 60 136 120 280 Sóng mang liệu 360 272 720 560 Số kênh 15 17 30 35 Độ rộng symbol, Ts 102,9 microseconds Độ rộng khung microseconds OFDM Symbols/Frame 48 Data OFDM Symbols 44 Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 116 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 117 of 126 99 Bảng 4.3 Các tham số sử dụng kịch mô Tham số Lớp vật lý Giá trị WirelessMAN-OFDMA Cấu trúc khung TDD Downlink ratio 0.66 Độ dài khung 0.005s Băng thông 10MHz Điều chế mó hóa 64-QAM 3/4 (Profile 7) Kênh fading ITU_PDP PED_A Kích thƣớc topo mô 1100m× 1100m Bán kính phủ sóng BS 500m Thời điểm truyền liệu 10s Thời điểm ngừng truyền liệu 40s Thời điểm kết thúc mô 50s Tỉ lệ trọng số i (WFQ) UGS:rtPS:nrtPS:BE:BGT=5:4:3:2:1 Tỉ lệ số trễ Tc (PF) UGS:rtPS:nrtPS:BE:BGT=12:15:20:30:60 4.4 Kết mô Để kiểm tra ƣu nhƣợc điểm hai thuật toán trình bày phần trƣớc, học viên tìm hiểu hai kịch mô Trong kịch cho phép MS di động kịch lại MS cố định vùng phủ sóng trạm BS Cả hai kịch sử dụng hai thuật toán PF WFQ với hỗ trợ Leaky Bucket Kết thu đƣợc nhƣ sau 4.4.1 Kịch di động Thông lượng Trên đồ thị hình 4.11 4.12 (thời gian lấy mẫu 2s) ta thấy đƣợc Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 117 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 118 of 126 100 phân bố thông lƣợng MS sử dụng luồng dịch vụ khác với hai thuật toán PF WFQ Có thể thấy có di động MS nên thông lƣợng luồng không ổn định không đạt đƣợc mức thông lƣợng giới hạn đặt Leaky Bucket (nominated rate), rõ ràng thời điểm 32s có sụt giảm thông lƣợng luồng nrtPS BE hai MS nhận hai luồng xa BS Tuy nhiên tổng thông lƣợng luồng sử dụng thuật toán WFQ lớn tổng thông lƣợng sử dụng thuật toán PF thuật toán WFQ thông lƣợng luồng phân bố gần với mức thông lƣợng giới hạn thuật toán PF Qua đánh giá thấy rõ thuật toán PF đảm bảo phân bố công thông lƣợng cho luồng nhƣng tính ổn định giá trị thông lƣợng không cao so với sử dụng thuật toán WFQ Hình 4.11 Thông lượng luồng dịch vụ với lập lịch WFQ kịch di động Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 118 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 119 of 126 101 Hình 4.12 Thông lượng luồng dịch vụ với lập lịch PF kịch di động Độ trễ hàng đợi Để khảo sát độ trễ hàng đợi hai lập lịch ta tiến hành lấy giá trị trễ hàng đợi gói tin (với dịch vụ thời gian thực rtPS) đƣợc gửi BS tiến hành vẽ đồ thị phân bố trễ sử dụng hàm phân bố trễ xác suất Nhìn vào đồ thị hàm phân bố xác suất (hình 4.13) ta thấy trừ PF thuật toán có độ trễ hàng đợi cao nhiều so với WFQ, nhƣ kết hoàn toàn phù hợp với lý thuyết lập lịch phân tích Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 119 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 120 of 126 102 Hình 4.13 Đồ thị xác suất trễ với lập lịch WFQ PF kịch di động 4.4.2 Kịch cố định Các kết thu đƣợc phần mô với kịch cố định sát hợp lý với phân tích lý thuyết nhƣ kết kịch di động phân tích nên phần học viên đƣa đồ thị để so sánh đối chiếu kết Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 120 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 121 of 126 103 Thông lượng Hình 4.14 Thông lượng luồng dịch vụ với lập lịch WFQ kịch cố định Hình 4.15 Thông lượng luồng dịch vụ với lập lịch PF kịch cố định Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 121 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 122 of 126 104 Độ trễ hàng đợi Hình 4.16 Đồ thị xác suất trễ với lập lịchWFQ PF kịch cố định Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 122 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 123 of 126 105 KẾT LUẬN Công nghệ truy nhập không dây băng rộng WiMAX công nghệ có tiềm phát triển lớn dựa ƣu điểm bật so với công nghệ nhƣ DSL, Wifi hay 3G Đó khả kết nối linh hoạt, khả trì tốc độ kết nối cao với vận tốc di chuyển tƣơng đối nhanh, WiMAX hứa hẹn đem đến cho ngƣời dùng khả truy nhập lúc nơi với tốc độ cao Với đặc tính linh hoạt kết nối phạm vi phủ sóng rộng, WiMAX có thuận lợi lớn việc lắp đặt triển khai vùng cao, vùng sâu, vùng xa nhƣ nơi mà địa hình phức tạp, dân cƣ đông đúc, đất đai chật chội khó triển khai lắp đặt sở hạ tầng cho thiết bị mạng hữu tuyến Do WiMAX đƣợc coi công nghệ có khả ứng dụng thực tế nhƣ hiệu kinh tế cao Trong luận văn tốt nghiệp học viên sâu nghiên cứu đặc tả quan trọng ảnh hƣởng tới nhiệm vụ lập lịch quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) quản lý chất lƣợng dịch vụ (QoS) lớp PHY lớp MAC đƣợc đề cập tới chuẩn IEEE 802.16/WiMAX Qua việc nghiên cứu đặc tả đó, học viên nêu lên điểm cần ý quản lý tài nguyên vô tuyến quản lý chất lƣợng dịch vụ mạng không dây băng rộng nhƣ WiMAX, đồng thời tiêu chí để đánh giá thuật toán lập lịch gói hiệu hỗ trợ quản lý vào việc quản lý tài nguyên vô tuyến, quản lý chất lƣợng dịch vụ đƣợc phân tích làm rõ Học viên có khảo sát, phân tích kỹ lƣỡng ƣu nhƣợc điểm khía cạnh quản lý tài nguyên vô tuyến số thuật toán lập lịch gói đƣợc nghiên cứu ứng dụng cộng đồng khoa học ngày Xuất phát từ ƣu nhƣợc điểm thuật toán phân tích đƣợc, học viên có đề xuất việc sử dụng thuật toán kết hợp thuật toán chia sẻ công theo trọng số Weighted Fair Queueing (WFQ) với thuật toán giới hạn tốc độ luồng Leaky Bucket Để làm rõ ƣu nhƣợc điểm mà thuật toán mang lại, học viên thực tìm hiểu thuật toán đề xuất so sánh, đánh giá hiệu với thuật toán lập lịch phổ biến Proportional Fair (PF) Kết mô sát với mong đợi lý thuyết, thuật toán PF cho phép phân phối băng thông Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 123 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 124 of 126 106 cho luồng dịch vụ theo số trễ cho trƣớc không tối đa tổng thông lƣợng hệ thống Mặt khác thuật toán PF đƣờng bao trễ hàng đợi, ta kiểm soát đƣợc độ trễ hàng đợi hệ thống thời điểm khác nhau, không đảm bảo hỗ trợ yêu cầu chất lƣợng dịch vụ QoS Đối với thuật toán WFQ tổng thông lƣợng thu đƣợc toàn hệ thống cao PF gần với mức mong muốn nhƣ xác định trƣớc tham số mô Với thuật toán WFQ việc cấp phát băng thông cho luồng dịch vụ khác trở nên ổn định hơn, băng thông đƣợc cấp phát trọng số fi cho trƣớc Môt ƣu điểm quan trọng thuật toán WFQ sử dụng phối hợp với ràng buộc Leaky Bucket giới hạn đƣợc trễ hàng đợi, giá trị trễ giới hạn Dmax hoàn toàn tính toán trƣớc đƣợc thay đổi tham số Leaky Bucket nhƣ Bm,i Ri , ta kiểm soát đƣợc trễ hàng đợi hệ thống , từ quản lý đƣợc yêu cầu chất lƣợng dịch vụ QoS Tuy thuật toán WFQ kết hợp Leaky Bucket mạnh mẽ xét khía cạnh cung cấp thông lƣợng cho hệ thống đảm bảo trễ hệ thống , nhƣng nhƣợc điểm dễ thấy thuật toán phức tạp dẫn đến tốn tài nguyên hệ thống Tuy nhiên với sức mạnh vi xử lý với công nghệ thời đại ngày nay, hoàn toàn khả thi để áp dụng triển khai thuật toán đề xuất vào thực tế Cũng nhiều việc phải làm để chứng minh tính hiệu thuật toán đề xuất thực tế nhƣng hƣớng phát triển trƣớc mắt luận văn thử nghiệm đánh giá kết hợp số thuật toán xấp xỉ khác GPS nhƣng dễ thực WFQ với điều khiển tốc độ Leaky Bucket Sau có kết luận thuật toán khả thi học viên phát triển khung làm việc (framework) để giải vấn đề nhiễu đồng kênh CCI hệ thống sử dụng đa truy nhập OFDMA nhƣ WiMAX/3GPP-LTE Giải đƣợc vấn đề có đƣợc nhìn toàn diện đầy đủ quản lý tài nguyên vô tuyến mạng IEEE 802.16/ WiMAX./ Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 124 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 125 of 126 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chakchai So-In, Raj Jain and Abdel-Karim Tamimi (2009), “Scheduling in IEEE 802.16e Mobile WiMAX Networks: Key Issues and a Survey”, IEEE Journal On Slected Areas In Communications, VOL 27, NO 2, 156-171 [2] Bài giảng CÔNG NGHỆ WIMAX-Nguyễn Việt Hùng – Học viện CNBCVT [3] Jeffrey G.Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed (2007), Fundamentals of WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking, Courier in Westford, Massachusetts [4] Kết nghiên cứu khoa học công nghệ - Viện KHKT Bƣu Điện- nhà xuất bƣu điện 2007 [5] Luận văn thạc sỹ - Nguyễn Thị Oanh-2006 mã số :2.07.00 ĐH Quốc Gia Hà Nội [6] M.Maode (2009), Current Technology Developments of WiMAX Systems, Springer Science + Business Media B.V [7] Q.Liu, X.Wang, G.B.Giannakis, A.Ramamoorthly (2006), “A Cross-Layer Scheduling Algorithm With QoS Support in Wireless Networks”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol 55, No 3, 839-847 [8] Shaswar Baban (2008),Design and Implementation of a Scheduling Algorithm for the IEEE 802.16e (Mobile WiMAX) Network, Department of Electronic Systems at the University of Westminster [9] Michel D Gallaher (2005),Alliance for telecommunication industry solution board ò directs meeting [10] M.Shreedhar, G.Varghese (1996), “Efficient fair queueing using deficit round-robin”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.4, No.3, 375-385 [12] Website :www.vnpt.com.vn/tapchibcvt [15] T.Tsai, C.Jiang, C.Wang (2006), “CAC and Packet scheduling Using Token Bucket for IEEE 802.16 Networks”, Journal of Communications, Vol 1, No 2, 30-37 [13] Jani Lakkakorpi (2009), Quality of service and resource management in ip and wireless networks, Helsinki University of Technology Department of Communications and Networking [14] www.isi.edu/nsnam/ns truy cập lần cuối 05/12/2010 [15] A.K Parekh, R.G Gallager, I Center, and Y Heights (1994), “A generalized processor sharing approach to flow control inintegrated services networks: the multiple node case”, IEEE/ACM transactions on networking Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 125 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 126 of 126 108 [16] A Demers, S Keshav, and S Shenker (1989), “Analysis and simulation of a fair Queueing algorithm”, Applications, Technologies, Architectures, and Protocols for Computer Communication [17] N.H Thanh, “Quality Of Service Support In An Ip-atm Enviroment”, Ph.D.dissertation, Bundeswehr University Munich [18] A Jalali, R Padovani, R Pankaj, Q Inc, and C.A San Diego (2000), “Data throughput of CDMA-HDR a high efficiency-high data ratepersonal communication wireless system”, 2000 IEEE 51st Vehicular Technology Conference Proceedings, 2000 VTC 2000-Spring Tokyo [19] Luận văn thạc sỹ - VŨTHẾDUẨN -2011 mã số :60.52.70 Đại học Đà Nẵng [20] http://trace.eas.asu.edu/TRACE/ltvt.html [21] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khƣơng, Nguyễn Trung Kiên (2006),“Thông tin vô tuyến”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [22] http://www.wimaxforum.org Số hóa Trung tâm học liệu Footer Page 126 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ... 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... 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. .. 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