Phân tích hiệu năng hệ thống WiMAX triển khai theo mô hình lưới mesh

HOÀNG QUANG HUY BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THƠNG TIN PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG WiMAX TRIỂN KHAI THEO MƠ HÌNH LƯỚI (MESH) HỒNG QUANG HUY 2006 - 2008 Hà Nội 2009 HÀ NỘI 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG WiMAX TRIỂN KHAI THEO MƠ HÌNH LƯỚI (MESH) NGÀNH: CƠNG NGHỆ THƠNG TIN MÃ SỐ: HỒNG QUANG HUY Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN THÚC HẢI HÀ NỘI 2009 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH iv DANH MỤC BẢNG v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU ix CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ WiMAX VÀ CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN 1.1 Khái niệm WiMAX chuẩn IEEE 802.16 1.2 Đặc điểm công nghệ WiMAX 1.2.1 Một số đặc điểm kỹ thuật 1.2.2 Các đặc tính nâng cao hiệu WiMAX 1.2.2.1 Phân tập phát .6 1.2.2.2 Sự tạo chùm .7 1.2.2.3 Ghép kênh không gian 1.2.3 Tầng vật lý WiMAX 1.2.2.1 Cấu hình kênh tầng vật lý 1.2.2.2 Mã hóa điều chế thích ứng WiMAX 1.2.4 Tầng điều khiển truy cập phương tiện truyền MAC 1.3 Nghiên cứu công nghệ OFDM .10 1.3.1 Các đặc tính truyền sóng kênh truyền vơ tuyến 10 1.3.2 Nguyên lý điều chế đa sóng mang trực giao OFDM .11 1.3.3 Mơ hình hệ thống OFDM .13 1.3.3.1 Mơ hình hệ thống OFDM tổng quát 13 1.3.3.2 Sự trải trễ vai trò chuỗi bảo vệ .14 1.3.3.3 Mô tả toán học ký hiệu OFDM 16 1.3.4 Đánh giá OFDM 16 1.3.4.1 Ưu điểm 16 1.3.4.2 Nhược điểm .17 1.4 Công nghệ đa truy cập OFDMA .18 1.4.1 Khái niệm phân tập đa người dùng điều chế thích nghi 19 1.4.1.1 Sự phân tập đa người dùng WiMAX .19 1.4.1.2 Điều chế thích nghi 19 1.4.2 Khái niệm công nghệ đa truy cập OFDMA 21 1.4.3 Cấu hình kênh lưu lượng OFDMA 22 1.4.3.1 Kênh lưu lượng phụ thuộc vào tính di động .22 1.4.3.2 Kênh lưu lượng OFDMA 23 i Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) 1.5.4 Đánh giá cơng nghệ OFDMA .24 1.4.5 Thực OFDMA WiMAX cố định 24 1.4.5.1 Một số khái niệm 24 1.4.5.2 Cấu trúc khung 26 1.5 Giải pháp cấp phát kênh động, phân tán cho WiMAX 28 1.5.1 Sơ lược cấp phát kênh 28 1.5.2 Phân loại phương pháp cấp phát kênh .30 1.5.2.1 Cấp phát kênh tĩnh (FCA) .30 1.5.2.2 Cấp phát kênh động (DCA) 32 1.5.2.3 Cấp phát kênh lai (HCA) 33 1.5.2.4 Cấp phát kênh ngẫu nhiên .33 1.6 Nguyên lý thiết kế triển khai kiến trúc WiMAX 34 1.6.1 Nguyên lý thiết kế 34 1.6.2 Mơ hình tham chiếu mạng .34 1.6.2.1 Mô tả chức ASN .36 1.6.2.2 Mô tả chức CSN 38 1.6.2.3 Các điểm tham chiếu .39 1.6.3 Phân tầng giao thức qua mạng WiMAX 40 1.6.4 Phát chọn mạng 41 1.6.5 Cấp phát địa IP 42 1.7 Kết luận chương 43 CHƯƠNG - PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG WiMAX TRONG MÔI TRƯỜNG CỐ ĐỊNH VÀ DI ĐỘNG 44 2.1 Hiệu hệ thống WiMAX cố định .45 2.1.1 Sơ lược hệ thống 45 2.1.2 Các vấn đề chất lượng dịch vụ 46 2.1.3 Mơ hình hệ thống WiMAX cố định 47 2.1.4 Tiếp cận tốn học cho phân tích hiệu 48 2.1.4.1 Mơ hình hàng đợi G/M/1 49 2.1.4.2 Phương trình chức 49 2.1.4.3 Phân bố Power-Tail 50 2.1.4.4 Giải thuật Fitting .51 2.1.4.5 Thông lượng truyền lớp lưu lượng 53 2.2 Hiệu hệ thống WiMAX môi trường di động 56 2.2.1 Biểu đồ khối hệ thống OFDM 56 2.2.2 Phân tích hiệu theo xác suất lỗi bít 58 2.2.3 Phân tích hiệu theo nhiễu liên kênh truyền .64 2.3 Kết luận chương 69 CHƯƠNG – TRIỂN KHAI HỆ THỐNG WiMAX THEO MƠ HÌNH LƯỚI (MESH) 70 3.1 Giới thiệu mở đầu 71 3.2 Nghiên cứu tổng quan chế độ lưới WiMAX 72 ii Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) 3.2.1 Khung điều khiển mạng 73 3.2.2 Khung điều khiển lập lịch 74 3.2.3 Phân tích hiệu lập lịch phân tán 80 3.2.3.1 Mơ hình tiếp cận 81 3.2.3.2 Kịch lựa chọn để phân tích .83 3.2.3.3 Kịch triển khai thực tế 89 3.2.3.4 Ước lượng đơn vị đo hiệu 90 3.3 Triển khai hệ thống 91 3.3.1 Nghiên cứu hệ thống triển khai 91 3.3.2 Mơ hình triển khai 93 3.3.3 Một số đánh giá kiến trúc đề xuất 96 3.4 Kết mô đánh giá 98 3.4.1 Phương thức giả lập tham số hệ thống 98 3.4.2 Kết mô 100 3.5 Kết luận chương 102 KẾT LUẬN SAU CÙNG 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 iii Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sự tận dụng dải thông FDM OFDM .12 Hình 1.2: Hệ thống OFDM .13 Hình 1.3: Khái niệm chuỗi bảo vệ 15 Hình 1.4: Vai trị chuỗi bảo vệ 16 Hình 1.5: OFDMA miền tần số miền thời gian 21 Hình 1.6: Cấu trúc khung TDD .27 Hình 1.7: Mơ hình tái sử dụng tần số 31 Hình 1.8: Mơ hình tham chiếu mạng 35 Hình 1.9: Biểu diễn logic kiến trúc đầu cuối mạng WiMAX 41 Hình 2.1: Hệ thống BS SS 47 Hình 2.2: Biểu đồ khối hệ thống OFDM 56 Hình 2.3: Hệ thống STBC – OFDM Alamouti 64 Hình 2.4: Biểu đồ khối đề xuất cho hệ thống STBC - OFDM 66 Hình 3.1: Cấu trúc khung lưới IEEE 802.16 73 Hình 3.2: Khung điều khiển mạng .74 Hình 3.3: Khung điều khiển lập lịch 75 Hình 3.4: Mơ tả tơpơ mạng hai mức hàng xóm 77 Hình 3.5: Sự tranh chấp khung điều khiển lập lịch 78 Hình 3.6: Bắt tay ba bước chế độ IEEE 802.16 Mesh 80 Hình 3.7: Các nút mức hàng xóm 83 Hình 3.8: Dải rộng tiến trình Zk(t) 84 Hình 3.9: Kịch tranh chấp khe s nút j với nút k 85 Hình 3.10: Kịch tranh chấp không đồng hệ số holdoff 88 Hình 3.11: Tơ pơ mạng nút biết khơng biết lịch trình 89 Hình 3.12: Một trường có nhiều khu vực chi nhánh .91 Hình 3.14: Có nhiều trường tỉnh thành .92 Hình 3.15: Sinh viên học tập nơi 92 Hình 3.16: Mơ hình hệ thống mạng lưới 94 iv Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hoạt động chức ASN mô tả triển khai 38 Bảng 1.2 Các điểm tham chiếu WiMAX 40 Bảng 3.1 Một số khoảng cách hệ thống 95 Bảng 3.2 Các tham số toạ độ địa hình .98 Bảng 3.3 Các giá trị nút 99 Bảng 3.4 Các tham số liên quan tới ăngten truyền nút 99 Bảng 3.5 Các tham số liên quan tới kênh truyền 99 v Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt AAA AAS ADC AM AMC ASN ASN-GW ASP AWGN BE BEP BER BS BSC BTS CBR CCI CDMA CP CRC CS CSN DAC DFT DL DNS DSA DSC DSD DSL DSP FCH FDD FDMA Tiếng Anh Nghĩa Việt authentication, authorization, and Xác thực, uỷ quyền, tính cước accounting advanced antenna systems Các hệ thống Ăngten tiên tiến analog-to-digital converter Bộ chuyển đổi tương tự số amplitude modulation Điều chế biên độ adaptive modulation and coding Mã hố điều chế thích nghi access services network Mạng dịch vụ truy cập ASN gateway Cổng ASN application service provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng additive white Gaussian noise Nhiễu trắng Gaussian best effort Dịch vụ nỗ lực tốt bit error probability Xác suất lỗi bit bit error rate Tỷ lệ lỗi bit base station Trạm gốc (Trạm sở) base station controller Bộ điều khiển trạm gốc base station transceivers Trạm thu phát gốc constant bit rate Tốc độ bít khơng đổi cochannel interference Nhiễu đồng kênh code division multiple access Đa truy cập phân chia theo mã cyclic prefix Tiền tố vòng cyclic redundancy check Mã kiểm tra dư thừa convergence sublayer Tầng (lớp) hội tụ connectivity services network Mạng dịch vụ kết nối digital-to-analog converter Bộ chuyển đổi số tương tự discrete Fourier transform Biến đổi Fourier rời rạc downlink Đường xuống, hướng xuống domain name system Hệ thống tên miền dynamic service allocation Cấp phát dịch vụ động dynamic service change Chuyển dịch vụ động dynamic service delete Huỷ bỏ dịch vụ động digital subscriber line Đường thuê bao số digital-signal processing Xử lý tín hiệu số frame control header Phần Header điều khiển khung frequency division duplexing Song công phân chia theo tần số frequency division multiple Đa truy cập phân chia theo tần số vi Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Viết tắt FER FFT FM FTP FWA GPRS GSM GW ICI ICMP IDFT IEEE IFFT ISI LOS LSB MAC MIMO MISO MN MPLS M-QAM MS MSB NAP NLOS NRM nrtPS NSP NTP NWG OFDM Tiếng Anh Nghĩa Việt access frame error rate fast Fourier transform frequency modulation file transfer protocol fixed wireless access General packet radio services global system for mobile communications gateway intercarrier interference Tỷ lệ lỗi khung Biến đổi Fourier nhanh Điều chế tần số Giao thức truyền tập tin Truy cập không dây cố định Các dịch vụ vô tuyến thông dụng Hệ thống truyền thơng di động tồn cầu Cổng kết nối Nhiễu liên sóng mang Giao thức thơng điệp điều khiển Internet control message protocol Internet inverse discrete Fourier Biến đổi Fourier rời rạc ngược transform Institute of Electrical and Hiệp hội kỹ sư điện điện Electronics Engineers tử giới inverse fast Fourier transform Biến đổi Fourier nhanh ngược inter-symbol interference Nhiễu liên ký hiệu line of sight Tầm nhìn thẳng least significant bit Bít ý nghĩa media access control Điều khiển truy cập phương tiện multiple input multiple output Đa xuất đa nhập multiple input/single output Đa nhập đơn xuất mobile node Nútdi động multiprotocol label switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức multilevel QAM Điều chế QAM đa mức mobile station Trạm di động most significant bit Bít quan trọng network access provider Nhà cung cấp truy cập mạng non–line-of-sight Không cần tầm nhìn thẳng network reference model Mơ hình tham chiếu mạng Dịch vụ dị hỏi khơng cần thời non–real-time polling service gian thực network services provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng network timing protocol Giao thức định thời mạng Network Working Group Nhóm làm việc NWG orthogonal frequency division Đa phân chia tần số trực giao vii Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Viết tắt SIR SISO SLA SNR S/P SS Tiếng Anh multiplexing orthogonal frequency division multiple access probability density function packet error rate parallel to serial quality of service quadrature amplitude modulation quadrature phase shift keying radio frequency reference point radio resource real-time polling service single input/multiple output signal-to-interference-plus-noise ratio signal-to-interference ratio single input/single output service-level agreement signal-to-noise ratio serial to parallel subscriber station STBC space/time block code OFDMA PDF PER P/S QoS QAM QPSK RF RP RR rtPS SIMO SINR TCP transport control protocol TDD time division duplexing TDM TDMA UDP UGS UL WAN Wi-Fi WiMAX WMAN time division multiplexing time division multiple access user datagram protocol unsolicited grant services uplink wide area network wireless fidelity worldwide interoperability for microwave access wireless metropolitan area network viii Nghĩa Việt Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao Hàm mật độ xác suất Tỷ lệ lỗi gói tin Bộ chuyển đổi song song nối tiếp Chất lượng dịch vụ Điều chế QAM Điều chế QPSK Tần số vô tuyến Điểm tham chiếu Tài ngun vơ tuyến Dịch vụ dị hỏi thời gian thực Đơn nhập đa xuất Tỷ số tín hiệu (giao thoa + nhiễu) Tỷ số tín hiệu nhiễu Đơn nhập đơn xuất Thoả thuận mức dịch vụ Tỷ số tín hiệu tạp nhiễu Bộ chuyển đổi nối tiếp song song Thuê bao Mã hoá khối không gian – thời gian Giao thức điều khiển truyền vận Song công phân chia theo thời gian Đa phân chia theo thời gian Đa truy cập phân chia theo mã Giao thức liệu người sử dụng Các dịch vụ cấp tự động Đường lên, hướng lên Mạng diện rộng Mạng không dây WiFi Mạng không dây WiMAX Mạng thị khơng dây Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) • Trên phương diện hình thức đào tạo, người học viên khơng trực tiếp nơi thầy giáo giảng, hay không thiết người học viên phải tới lớp để thực việc học tập hệ thống trường (đại) học ảo phát triển Hình vẽ 3.15 Hình 3.14: Có nhiều trường tỉnh thành Hình 3.15: Sinh viên học tập nơi 92 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Với vấn đề thứ nhất, u cầu hệ thống WiMAX mà ta xây dựng phải đảm bảo yếu tố quản lý, giám sát điều hành Với vấn đề thứ hai, yêu cầu hệ thống WiMAX ta phải đảm bảo yếu tố đồng quán liệu Và với vấn đề thứ ba, yêu cầu hệ thống WiMAX phải thể yếu tố hiệu thời gian tính tiện lợi đào tạo Một số vấn đề tác giả nêu cho lĩnh vực giáo dục trên, tương đồng với nhiều lĩnh vực khác xã hội, chẳng hạn như: hệ thống ngân hàng; điểm cảnh báo; hệ thống phát truyền hình… Tuy nhiên có nêu bật làm tốt lên hệ thống WiMAX ta triển khai theo mơ hình mang lại lợi ích cao hệ thống kinh tế xã hội Mặt khác, lĩnh vực có u cầu băng thơng độ tin cậy khác Đối với lĩnh vực mà tác giả muốn thử nghiệm cụ thể - mạng giáo dục – hệ thống có yêu cầu tương đối việc truyền liệu Dữ liệu truyền luồng video, luồng audio, văn bản, hình ảnh,… 3.3.2 Mơ hình triển khai Mơ hình triển khai đề cập tới vị trí trực tiếp tác động vào vận hành mạng, lưới SS BS Qua số nghiên cứu hệ thống triển khai lĩnh vực giáo dục phần trên, tác giả mạnh dạn khái quát hoá đề xuất mơ hình triển khai theo hệ thống lưới (Mesh) với mơ tả hình vẽ 93 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Hình 3.16: Mơ hình hệ thống mạng lưới Trong đó: • BS trạm gốc phát sóng WiMAX, hệ thống – BS nút mạng có vai trị chức Gateway phục vụ SS Sẽ có nhiều BS xây dựng tuỳ theo yêu cầu phạm vi phủ sóng • SS trạm thuê bao, hệ thống – SS nút mạng có vai trị chức điểm truy cập đáp ứng yêu cầu người sử dụng cuối (end user) SS hiểu cầu nối người sử dụng cuối với BS để truy cập vào Internet So với BS số lượng SS xây dựng nhiều, SS đại diện cho chi nhánh, khu vực trường học 94 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Khoảng cách vị trí SS BS thực tế tác giả đề xuất theo bảng sau Khoảng cách Giá trị Giữa trạm thuê bao (SS) Nhỏ 1Km Giữa trạm thuê bao (SS) với trạm gốc (BS) Nhỏ 5Km Giữa trạm gốc (BS) Nhỏ 10Km Bảng 3.1 Một số khoảng cách hệ thống Một số lý cho việc đề xuất khoảng cách này: • Về mặt lý thuyết, WiMAX có phạm vi làm việc có bán kính lên tới 50Km, giá trị bị giảm nhiều thực tế Các lý để nói vấn đề suy giảm nghiên cứu cụ thể chương hai • Yêu cầu hệ thống WiMAX nói chung lĩnh vực giáo dục nói riêng lưu lượng đường truyền lớn, hệ thống vận hành hội tụ yêu cầu truy cập video, hình ảnh, âm thanh, văn bản,…Còn lĩnh vực giáo dục lưu lượng đường truyền tập trung thường xuyên với việc truyền luồng video học tập điểm cầu trường học • Mặt khác, khoảng cách cịn phân tách thành số kiểu, khoảng cách khu đô thị khoảng cách miền quê Mật độ nhà cửa dân cư đô thị lớn nhiều so với miền quê, độ nhiễu vật cản nhiều, số lượng truy cập kết nối lớn khoảng cách khu đô thị thường có xu hướng nhỏ nhiều so với miền quê để đảm bảo yếu tố truyền thông 95 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) 3.3.3 Một số đánh giá kiến trúc đề xuất Cùng với nghiên cứu chương hai, tác giả nhận thấy số điểm mạnh kiến trúc đề xuất sau: • Thứ - mơ hình mạng lưới (IEEE 802.16 – 2004) tích hợp kỹ thuật điều khiển quản lý thông điệp tầng MAC IEEE 802.16a (PMP) Thực chất mơ hình PMP phổ biến, vận hành đạt hiệu định Tích hợp thêm kỹ thuật điều khiển quản lý thông điệp vào hệ thống khơng ảnh hưởng nhiều đến chi phí mà lại đạt hiệu truyền thông mở rộng • Thứ hai - tôpô lưới không đơn việc mở rộng phạm vi mạng mà giảm chi phí triển khai mơi trường khơng cần tầm nhìn thẳng, mặt khác đảm bảo yếu tố tốc độ tính mềm dẻo cấu hình mạng Khi hệ thống WiMAX triển khai khu đô thị mật độ nhà cao tầng nhiều, hay đồi núi vấn đề che khuất tín hiệu khơng thể tránh khỏi Việc có giải pháp khắc phục khó khăn cách hiệu điều mà chuẩn IEEE 802.16 hướng tới, Mesh kết thể trình nghiên cứu khẳng định tính khả thi • Thứ ba - độ tin cậy khả sẵn sàng hệ thống, nút mạng bị cố, nút tách khỏi mạng để khắc phục mà khơng có ảnh hưởng đến kết nối dịch vụ người sử dụng, thân SS cịn lại giải việc kết nối Thực chất nút mạng hàng xóm ln có ghi chép hỗ trợ nhau, nút ngắt khỏi mạng hàng xóm vắng cịn có hàng xóm khác giúp việc cho Có thể hiểu hệ thống Mesh, nút mạng ln có kế hoạch dự phịng bên cạnh kết hoạch để thực thi kết nối truyền thơng 96 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Bên cạnh kiến trúc triển khai theo mơ hình lưới bộc lộ số hạn chế là: • Hệ thống ln có nguy rơi vào tắc nghẽn nút, thơng điệp điều khiển chọn đường xử lý trực tiếp nút bảo trợ cho nút Sự ngang cấp dẫn đến thời điểm nút gửi nhiều thông điệp kết nối đến nhiều hàng xóm mình, thơng điệp hàng xóm chuyển tới nút bảo trợ mức cao Rõ ràng rằng, có yêu cầu kết nối từ nút mà nút bảo trợ mức cao nhận nhiều thông điệp phát sinh ra, vào thời điểm mà hệ thống có nhiều nút yêu cầu kết nối xác suất để tìm nút bảo trợ trạng thái tắc nghẽn lớn Vì vậy, để khắc phục hạn chế người ta phải cần đến giao thức chọn đường thông minh cài đặt vào hệ thống cụ thể cho nút • Hệ thống cần phải có hoạch định rõ ràng dải thơng kênh truyền cho nút kết nối nút • Độ sâu chọn đường ảnh hưởng tới thời gian đáp ứng yêu cầu, hệ thống vận hành với số lượng lớn yêu cầu, xác suất để tìm yêu cầu truy cập bị bỏ qua lớn Giải pháp khắc phục vấn đề xây dựng hàng đợi yêu cầu rõ mức ưu tiên thứ tự thực Nhìn chung hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình Mesh có tính khả thi nhiều có số hạn chế kể Những hạn chế nêu giải khơng ảnh hưởng nhiều đến chi phí tổng thể hệ thống WiMAX, chủ yếu xây dựng giải thuật nút hệ thống Giải thuật đảm bảo yếu tố chọn đường, đảm bảo việc hoạch định dải thông kênh truyền tìm đường ngắn tới lưới BS 97 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) 3.4 Kết mơ đánh giá 3.4.1 Phương thức giả lập tham số hệ thống Việc ta hình dung hệ thống mà ta cần xây dựng địa hình cụ thể đó, để đơn giản tác giả xây dựng không gian hai chiều (toạ độ x, toạ độ y) Khi hệ thống WiMAX đề xuất triển khai cho giáo dục giả lập sau: • Đặt SS vị trí trường học, dựa khoảng cách đề xuất bảng Ví dụ: trường ĐH Bách Khoa Hà Nội trường ĐH Xây Dựng Hà Nội sử dụng SS, nhiên trường Kinh tế Quốc dân Hà Nội dùng riêng SS • Đặt BS ví trí cho đáp ứng nhiều SS theo mơ hình Mesh Thực tế vị trí BS lại phụ thuộc vào SS Ràng buộc BS khoảng cách chúng phải phù hợp để tái sử dụng tần số khơng tạo trạng thái nhiễu đồng kênh dẫn đến việc giảm sút hiệu ta nghiên cứu sơ qua chương Thực mô kịch học tập từ lớp học, học trò thầy giáo hai vị trí cách xa Quá trình thực cơng cụ QualNet 4.5.1, [tài liệu 25], tham số thiết lập cho hệ thống bảng sau Tham số Giá trị Hệ toạ độ mô Đề Tên hệ thống EducationWiMAX Thời gian mô thực tế 50s Toạ độ địa hình (x,y) 25000m, 25000m Bảng 3.2 Các tham số toạ độ địa hình 98 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Giá trị Các nút BS1 BS2 SS1 SS2 SS3 SS4 Độ cao Công suất truyền 80m 80m 80m 50m 50m 50m 20dBm 20dBm 15dBm 15dBm 15dBm 15dBm Độ thu nhận ăngten 15dB 15dB 10dB 10dB 10dB 10dB Bảng 3.3 Các giá trị nút Tham số liên quan tới Ăngten truyền Hiệu suất Ăngten Suy hao cáp Ăngten Suy hao kết nối ăngten Suy hao không tương hợp ăngten Kiểu Ăngten Giá trị 80% 20% 30% Đẳng hướng Bảng 3.4 Các tham số liên quan tới ăngten truyền nút Hệ thống mô gồm kênh truyền vận hành tần số 2,4GHz dải thông kênh truyền 20MHz Một số tham số ảnh hưởng khác tới kênh truyền bảng sau Tham số ảnh hướng tới kênh truyền Nhiệt độ môi trường Giới hạn truyền dẫn (propagation limit) Đường suy hao (Pathloss) Yếu tố che chắn (Shadowing) Sự giảm tín hiệu (Fading) Giá trị 290K -111.0dBm Tính tốn độ suy hao dựa phản xạ lại tín hiệu từ mặt đất Giá trị trung bình 4.0dB Khơng có Bảng 3.5 Các tham số liên quan tới kênh truyền 99 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) 3.4.2 Kết mô Tại tầng vật lý (PHY), tín hiệu truyền nút BS1 (ID1), BS2 (ID2), SS1 (ID3) SS3 (ID4) tương đối lớn, riêng với SS1 SS3 nút bảo trợ nên chúng đồng thời truyền tới BS SS cháu chúng Quan sát từ hình ta thấy hiệu suất sử dụng BS1, BS2 xấp xỉ 0.6/2.4 =40%, khơng cao lý số lượng yêu cầu chưa đủ lớn Tầng MAC nhận gói tin liệu từ tầng chuyển thể hình bên phải trên, thân nút bảo trợ SS1 SS3 nhận gói tin liệu 100 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Hiệu suất gửi nhận khung liệu tính toán cụ thể cho hai nút ứng dụng Teacher (ID7) Student (ID8), giá trị ID7 xấp xỉ 8/29 ≈ 27,6%, ID8 xấp xỉ 6/6.6 ≈ 91% Sự khác biệt nằm khâu chọn đường nút bảo trợ, nảy sinh tắc nghẽn nên số lượng gói nhận khoảng thời gian thực thi hệ thống Hiệu suất thực thi tầng mạng xấp xỉ 80%, rõ ràng với giá trị hồn tồn chấp nhận 101 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) Nhưng xét vào hai đầu mút ứng dụng, ID7 ID8 nhận thấy hiệu suất thực thi hệ thống xấp xỉ (91% + 27,6%)/2 ≈ 60% Giá trị cao với lưu lượng yêu cầu biến đổi hiệu suất thực thi giảm đáng kể so với lưu lượng u cầu khơng đổi Tại tầng truyền tải có nhiệm vụ nhận gói tin từ tầng ứng dụng gửi gói tin đến tầng ứng dụng Sự biến thiên việc nhận gửi gói tin tầng ứng dụng cho thấy hiệu suất thực thi tầng truyền tải, hiệu suất trung bình tính tổng số gói tin nhận/tổng số gói tin gửi ≈ 87% 3.5 Kết luận chương Chương ba này, tác giả tập trung vào nghiên cứu chế độ Mesh WiMAX, việc truyền thông theo mô hình Mesh nảy sinh vấn đề hoạt động tranh chấp kênh truyền Không đơn giản truyền thơng PMP, hệ thống Mesh ln có nguy rơi vào tắc nghẽn; người ta phải có giải pháp định để khắc phục nhược điểm Cụ thể, kênh 102 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) truyền vô tuyến phân chia thành khung làm việc chứa khung điều khiển khung liệu Thành phần khung điều khiển định đến thành bại việc tranh chấp kênh truyền Khung điều khiển khung điều khiển mạng (chứa cấu hình mạng) hay khung điều khiển lập lịch (chứa thông tin lập lịch tập trung lập lịch phân tán) Trong chương nghiên cứu này, tác giả hướng vào phân tích lập lịch phân tán; nút (có thể BS, SS) có định riêng việc xây dựng chọn đường Lập lịch phân tán giải vấn đề độ trễ thiết lập kết nối hạn chế nguy tắc nghẽn toàn hệ thống Nhưng phải thấy với lập lịch phân tán, người ta phải cần đến giải thuật lập lịch thông minh nút mạng Tham số mà tác giả muốn đề cập tới để đánh giá hiệu AB mô hình triển khai Mesh khoảng thời gian bắt tay TBattay hai AB ] nút A B với E [TBattay Việc đánh giá hiệu mơ hình Mesh tác giả mô công cụ QualNet, tham số thiết lập xác định dựa phân tích thực tiễn ban đầu Tuy nhiên có số tham số tác giả không đề cập tới coi lý tưởng cho hệ thống mô Công cụ QualNet cung cấp cách thức xây dựng hệ thống theo mơ hình Mesh, việc mơ có số điểm cịn hạn chế, khơng bao qt hết vấn đề lý thuyết trình bày 103 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) KẾT LUẬN SAU CÙNG Báo cáo Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình Mesh tác giả thực số công việc sau: Thứ – nghiên cứu đặc tính kỹ thuật đặc điểm cơng nghệ WiMAX, nghiên cứu công nghệ OFDM, công nghệ tạo nhiều luồng liệu độc lập cơng nghệ OFDMA thực thi phân tập người dùng tạo khả đa truy cập, với số giải pháp cấp phát kênh động phân tán, cuối vấn đề kiến trúc triển khai phận cấu thành kiến trúc (Chương 1); Thứ hai – nghiên cứu hiệu hệ thống WiMAX môi trường cố định di dộng, phần tác giả xây dựng mơ hình giả lập để có phân tích tốn học từ quy nạp cho hệ thống tổng quát (Chương 2); Thứ ba – nghiên cứu mơ hình triển khai Mesh (mơ hình lưới), chủ yếu tập trung vào chế độ lập lịch phân tán hệ thống triển khai theo mơ hình Mesh, mơ hình tác giả chọn lựa để thể việc triển khai thử nghiệm cuối tác giả xây dựng mơ hình Mesh triển khai thử nghiệm, mơ hình thiết lập dựa việc cấu hình tham số mơi trường giả lập QualNet Một số kết nhận tác giả đưa báo cáo (Chương 3) Tuy nhiên báo cáo gặp phải hạn chế sau: Thứ – tác giả chưa thể giải pháp cấp phát kênh động phân tán, có số lượng yêu cầu dải thông tổng dải thông cho phép Giải toán tối ưu yêu cầu quan trọng toát lên vấn đề hiệu tranh chấp dải thông kênh truyền khắc phục yếu tố nhiễu liên kênh truyền; Thứ hai – tác giả chưa xây dựng hệ thống Mesh mà hội tụ truy cập cố định di động; Thứ ba - hệ thống WiMAX mà tác giả thử nghiệm chưa vận hành thực tế Tất hạn chế hướng phát triển thời gian tới tác giả, để hồn thiện tốt vấn đề nghiên cứu hiệu hệ thống WiMAX áp dụng cho môi trường cụ thể 104 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE Standard 802.16-2004, “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems”, 28 February 2006 [2] Syed Ahson, Mohammad Ilyas (2008), WiMAX Technologies Performance Analysis and QoS, CRC Press - Taylor & Francis Group [3] Fuqiang LIU, Zhihui ZENG, Jian TAO, Qing LI and Zhangxi LIN, “Achieving QoS for IEEE 802.16 in Mesh Mode”, [4] Honglin Hu, Yan Zhang and Hsiao-Hwa Chen (2008), “An Effective QoS Differentiation Scheme for Wireless Mesh Networks”, IEEE Network 2008, pp 67-72 [5] Najah A Abu Ali, Abd-Elhamid M Taha and Hossam S Hassanein (2008), “IEEE 802.16 Mesh Schedulers - Issues and Design Challenges”, pp58-65 [6] Hung-Yu Wei, Samrat Ganguly and Rauf Izmailov (2007), Interference-Aware IEEE 802.16 WiMax Mesh Networks [7] WiMAX Forum (2006), “Mobile WiMAX Part1 Overview and Performance” [8] WiMAX Forum (2006), “Mobile WiMAX Part2 Comparative Analysis” [9] WiMAX Forum (2006), Comparative Summary” [10] Salim Nahle, Luigi Iannone, Benoit Donnet and Naceur Malouch (2007), “On the Construction of a WiMAX Mesh Tree” [11] V Teterin, S Hurley and S.M Allen (2007), “Optimizing Performance of WIMAX Networks through Automated Site Selection” [12] Jeffrey G Andrews, Arunabha Ghosh and Rias Muhamed (2007), “Prentice Hall Fundamentals of WiMAX Feb 2007” “Mobile 105 WiMAX_Performance and Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) [13] Mehmet S Kuran, Birkan Yilmaz, Fatih Alagoz and Tuna Tugcu (2006), “Quality of Service in Mesh Mode IEEE 802.16 Networks” [14] Claudio Cicconetti, Luciano Lenzini, and Enzo Mingozzi (2006), “Quality of Service Support in IEEE 802.16 Networks” [15] Frank Ohrtman (2006), “RMCUG Presentation Nov 2006 – WiMAX” [16] Jian Tao, Fuqiang Liu, Zhihui Zeng and Zhangxi Lin (2007), “Throughput Enhancement in WiMax Mesh Networks Using Concurrent Transmission” [17] Nico Bayer, Dmitry Sivchenko, Bangnan Xu, Veselin Rakocevic and Joachim Habermann (2008), “Transmission timing of signalling messages in IEEE 802.16 based Mesh Networks” [18] G S V Radha Krishna Rao and G Radhamani (2007), “WiMAX - A Wireless Technology Revolution” [19] Sanida Omerovic (2007), “Wimax overview” [20] Kai Dietze Ph.D., Ted Hicks and Greg Leon (2007), “WiMax System Performance Studies” [21] Taylor & Francis Group (2006), “WiMAX Taking Wireless to the MAX” [22] Taylor & Francis Group (2006), “WiMAX Applications” [23] Taylor & Francis Group (2006), “WiMAX Standards and Security” [24] Sanjay K Bose (2002), “GM1, GG1, GGm and MGmm Queues” [25] Scalable Network Technologies (2008), “QualNet 4.5.1 UsersGuide” 106 ... OFDM 12 Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) 1.3.3 Mơ hình hệ thống OFDM 1.3.3.1 Mơ hình hệ thống OFDM tổng qt Mơ hình hệ thống OFDM tổng qt thể hình 1.2 Ở mơ hình đó,... – TRIỂN KHAI HỆ THỐNG WiMAX THEO MÔ HÌNH LƯỚI (MESH) 70 3.1 Giới thiệu mở đầu 71 3.2 Nghiên cứu tổng quan chế độ lưới WiMAX 72 ii Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai. .. 92 Hình 3.16: Mơ hình hệ thống mạng lưới 94 iv Phân tích hiệu hệ thống WiMAX triển khai theo mơ hình lưới (Mesh) DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hoạt động chức ASN mô tả triển khai 38