Lớp vận chuyển trong mạng truy nhập LTE

Mẫu 1a MẪU BÌA LUẬN VĂN CĨ IN CHỮ NHŨ VÀNG Khổ 210 x 297 mm BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH THANH HÀ ĐINH THANH HÀ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LỚP VẬN CHUYỂN TRONG MẠNG TRUY NHẬP LTE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội – Năm 2014 Mẫu 1b MẪU TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH THANH HÀ LỚP VÂN CHUYỂN TRONG MẠNG TRUY NHẬP LTE Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN: PGS VŨ QUÝ ĐIỀM Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thực thân, thực sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức kinh điển, xuất phát từ yêu cầu phát sinh công việc thực tế để hình thành hướng nghiên cứu Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng, tuân thủ nguyên tắc kết thực tế thu thập trình nghiên cứu hoàn toàn trung thực Hà Nội, tháng năm 2014 Tác giả luận văn Đinh Thanh Hà Trang LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn PGS Vũ Quý Điềm tận tình hướng dẫn quý thầy cô khoa, viện Điện tử – Viễn Thông, viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội truyền dạy kiến thức quý báu chương trình cao học Cảm ơn anh Nguyễn Lê Hưng – Senior Engineer công nghệ LTE thuộc Công ty TNHH Nokia Siemens Networks Việt Nam tất bạn đồng nghiệp nhiệt tình giúp đỡ, góp ý cung cấp thông tin tư liệu để hoàn thành luận văn Trang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI GIỚI THIỆU CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 11 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ CÔNG NGHỆ LTE 14 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động 14 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ( 1G) 14 1.1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai ( 2G) 14 1.1.3 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba ( 3G) 18 1.2 Giới thiệu công nghệ LTE 20 CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG LTE VÀ GIAO THỨC SỬ DỤNG 25 2.1 Kiến trúc mạng LTE 25 2.1.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống 26 2.1.2 Thiết bị người dùng ( UE) 27 2.1.3 E-UTRAN NodeB (eNodeB) 28 2.1.4 Thực thể quản lý tính di động (MME) 29 2.1.5 Cổng phục vụ ( S-GW) 32 2.1.6 Cổng mạng liệu Gi( P-GW) 35 2.1.7 Chức sách tính cước tài nguyên ( PCRF) 36 2.1.8 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 37 2.2 Các giao diện giao thức kiến trúc hệ thống 38 2.3 QoS kiến trúc dịch vụ vận chuyển 43 Trang 2.4 Giao thức trạng thái chuyển tiếp trạng thái 44 2.5 Hỗ trợ tính di động liên tục 45 2.6 Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm 48 CHƯƠNG III: LỚP VẬN CHUYỂN TCP TRONG MẠNG LTE 53 3.1 Mơ hình TCP/IP 53 3.2 Các tầng mơ hình TCP/IP 54 3.2.1 Lớp truy nhập mạng - Network Acces Layer 55 3.2.2 Lớp Internet - Internet Layer 55 3.2.3 Lớp vận chuyển - Transport Layer 55 3.2.4 Lớp ứng dụng - Application Layer 56 3.3 Các giao thức, dịch vụ mạng TCP/IP 56 3.3.1 Các giao thức lớp mạng - Network Layer Protocols 56 3.3.2 Các giao thức lớp vận chuyển - Transport Layer Protocols 58 3.3.3 Các dịch vụ lớp ứng dụng - Application LayerProtocols 61 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA TCP TRONG MẠNG LTE BẰNG CHƯƠNG TRÌNH OPNET 64 4.1 Thủ tục handover mạng LTE 64 4.1.1 Inter-eNB handover 64 4.1.2 Intra-eNB handover 65 4.2 Các đặc tính TCP/IP lớp truy nhập LTE 67 4.2.1 Chức điều khiển nghẽn mạng TCP 67 4.2.2 Các thể TCP (TCP Flavors) 70 4.3 Giới thiệu phần mềm OPNET 72 4.4 Mô TCP Flavor OPNET Simulator 74 4.4.1 Nội dung mô 74 4.4.2 Các thông số mô 74 4.4.3 Kết mô LTE flavor 75 4.5 Mô HO mạng LTE OPNET 77 4.5.1 Nội dung mô 77 Trang 4.5.2 Kiến trúc tham khảo 77 4.5.3 Phát triển giao thức 79 4.5.4 Các mơ hình mơ 80 4.5.5 Các bước xử lý liệu trình HO 83 4.5.6 Kết mô HO mạng LTE 84 KẾT LUẬN 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 Trang DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tiến trình phát triển thơng tin di động 14 Hình 2.1 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng 25 Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống cho mạng có E-UTRAN 26 Hình 2.3 eNodeB kết nối tới nút logic khác chức 29 Hình 2.4 MME kết nối tới nút logic khác chức 32 Hình 2.5 S-GW kết nối tới nút logic khác chức 33 Hình 2.6 P-GW kết nối tới node logic khác chức 36 Hình 2.7 PCRF kết nối tới nút logic khác & chức 37 Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển EPS 39 Hình 2.9 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng EPC 41 Hình 2.10 Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển mặt phẳng người dùng cho giao diện X2 42 Hình 2.11 Kiến trúc dịch vụ mang truyền EPS 44 Hình 2.12 Trạng thái UE chuyển tiếp trạng thái 45 Hình 2.13 Hoạt động chuyển giao 46 Hình 2.14 Khu vực theo dõi cập nhật cho UE trạng thái RRC rảnh rỗi 48 Hình 2.15 Khu vực dịch vụ eMBMS khu vực MBSFN 50 Hình 2.16 Kiến trúc logic eMBMS 51 Hình 2.17 Kiến trúc mặt phẳng người dùng eMBMS cho đồng nội dung 52 Hình 3.1 Mơ hình lớp TCP/IP 53 Hình 3.2 Kiến trúc OSI TCP/IP 54 Hình 3.3 Đường liệu qua phần tử mạng 54 Hình 3.4 Các tầng mơ hình TCP/IP 55 Hình 3.5 Cấu trúc gói tin IP ( IP datagram ) 56 Hình 3.6 Vị trí ARP RARP giao thức TCP/IP 57 Hình 3.7 Sơ đồ ARP RARP TCP/IP 57 Hình 3.8 Vị trí TCP segment gói tin TCP/IP 59 Trang Hình 3.9 Khuôn dạng TCP segment 59 Hình 3.10 Vị trí UDP segment gói tin TCP/IP 61 Hình 3.11 Khn dạng UDP datagram 61 Hình 4.1 Inter-handover 66 Hình 4.2 Intra-Handover 67 Hình 4.3 Kích thước TCP CWnd giai đoạn slow-start tránh nghẽn 69 Hình 4.4 Các đáp ứng TCP với số trường hợp 72 Hình 4.5 OPNET Modeler 73 Hình 4.6 OPNET Modeler cấu trúc phân cấp 74 Hình 4.7 Mơ hình mơ 75 Hình 4.8 Thời gian download cho trường hợp gói tin 76 Hình 4.9 Thời gian download cho trường hợp gói tin trễ 76 Hình 4.10 Thời gian download cho trường hợp jitter 77 Hình 4.11 Hệ thống LTE mơ 78 Hình 4.12 Các giao thức LTE 79 Hình 4.13 Cấu trúc mơ hình quy trình lớp MAC 80 Hình 4.14 Ví dụ Intra-eNB HO 81 Hình 4.15 Ví dụ cho Inter-eNBHO 83 Hình 4.16 Xử lý liệu khoảng thời gian HO 84 Hình 4.17 Thiết lập tham số mơ hình FTP 86 Hình 4.18 Mơ hình di động 88 Hình 4.19 Cơ cấu chuyển giao mơ hình mơ 89 Hình 4.20 Thời gian Intra-eNB Inter-eNB HO 90 Hình 4.21 Số RLC gói bị HO 91 Hình 4.22 TCP phân khúc bị trễ 92 Hình 4.23 Số lượng TCP truyền lại 93 Hình 4.24 Kích thước congestion-window fligh size 94 Hình 4.25 Thời gian đáp ứng trung bình FTP DL 94 Trang DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Các đặc điểm cơng nghệ LTE 21 Bảng 2.1 Các giao thức giao diện LTE 43 Trang Upload/download inter-request time: uniform (30 sec – 60 sec) Một UE thực ba download FTP liên tiếp Mỗi download bắt đầu với kết nối TCP Có nghĩa UE thiết lập tối đa kết nối TCP • Hình 4.17: Thiết lập tham số mơ hình FTP Mơ hình HTTP Số trang phiên => trang Kích thước trang trung bình => 100.000 byte • Số đối tượng trang => • Khung trang => Kbytes • Đối tượng khác => 100 Kbytes Trang 86 Thời gian đọc tin (mặc định) => 12 giây (và không bao gồm thời gian tải trang Thời gian bắt đầu đọc bắt đầu sau hoàn tất việc tải trang trước đó) Mỗi trang sử dụng kết nối TCP riêng biệt tất đối tượng trang tải thơng qua kết nối TCP Mơ hình VoIP Codec: AMR 12,2 kbps (GSM EFR) • No silence suppression • 50 khung hình / giây, Khung hình / IP gói tin • Codec delay: 40 ms Transport: RTP/UDP Traffic idleness: 0.5 Call duration: const(90) s Call Inter-arrival time: const(90) + exp(50) s Silence length: exponential (0.65) Talk spurt: exponential (0.352) Cấu hình áp dụng cho incoming outgoing voice stream - Hoạt động HO TCP: Phần mô tả kịch mô đơn giản trình bày hoạt động HO TCP thơng qua mơ hình có khơng có HO Như thảo luận chương trước, mơ hình di động gửi số HO tới eNB nguồn, eNB đích UE bắt đầu giai đoạn HO Trong mơ này, cấu hình thiết lập mơ hình di động mơ tả hình 4.18 Mơ hình di động (RDMM) sử dụng với độ phân giải lấy mẫu giây Bán kính vịng trịn eNB thiết lập 375 mét Trang 87 Hình 4.18: Mơ hình di động Trong mơ hình mơ này, 18 người sử dụng phủ sóng eNB Mỗi eNB phục vụ người dùng với kịch sau: 3users/cell, 1FTP người sử dụng, 17 người sử dụng VoIP Tất người dùng có QCI = (Best Effort) Có hai kênh truyền thực hiện, cho đường lên UP, cho kênh truyền đường xuống DL Các liên kết thiết lập băng thông đến 10 Mbps Tồn cấu trúc mơ hình mơ mơ tả hình 4.19 Trang 88 Hình 4.19: Cơ cấu chuyển giao mơ hình mơ Sử dụng cấu hình mơ trên, kết phân tích cho kịch có khơng có chuyển giao HO sau: Với trường hợp có HO: Intra-eNB Inter-eNB HO hiển thị thông qua cell UE thuộc quản lý eNB vào thời điểm tức thời Trong kịch mà khơng có chuyển giao HO, UE nằm cell eNB toàn thời gian mơ Trong kịch có chuyển giao HO, UE di chuyển từ cell sang cell khác vòng eNB ngược lại (Intra-eNB HO), UE di chuyển từ eNB1 đến eNB ngược lại cho Inter-eNB HO Trang 89 Hình 4.20: Thời gian Intra-eNB Inter-eNB HO Trong trường hợp Inter-eNB HO, liệu thông tin HO đặt eNB đầu cuối phải di chuyển từ eNB nguồn đến eNB đích Q trình truyền liệu thông tin HO phức tạo khơng dễ để truyền tồn liệu HO theo thời gian thực eNB giai đoạn reset lớp RLC Điều gây tượng gói tin lần HO xảy Hình 4.21 cho thấy số lượng gói tin RLC bị HO Lưu ý kịch mà khơng có HO, khơng có tượng gói RLC mất: Trang 90 Hình 4.21 Số RLC gói bị HO Vào đầu thủ tục Inter-eNB HO, liệu người dùng lưu trữ đệm lớp PDCP eNB nguồn chuyển tiếp đến eNB đích thơng qua định tuyến mạng lõi router sau Gói tin liệu đến eNB nguồn tái định tuyến để chuyển đến eNB đích eNB đích nhận liệu chuyển tiếp để tái định tuyến lưu lại đệm kết nối UE eNB đích thiết lập Khi kết nối downlink GW mở, gói liệu downlink liệu trực tiếp truyền đến eNB đích đồng thời Thủ tục gây cho gói tin TCP bị truyền trễ làm tăng khả truyền lại timeout Hình 4.22 thể độ trễ gói tin TCP gửi kịch HO có giá trị cao độ trễ gói tin khơng có HO Trang 91 Hình 4.22: TCP phân khúc bị trễ Do bị gói tin lớp RLC, cộng với trễ gói tin phải lưu trữ đệm trước truyền trình chuyển tiếp liệu từ eNB nguồn đến eNB đích nên giá trị TCP truyền lại tăng đáng kể kịch có HO Nó thể hình 4.23, số gói tin truyền lại thể với tổng số lấy mẫu Lưu ý với cấu hình mơ hình mạng tương tự, kịch mà không HO không gây truyền lại TCP: Trang 92 Hình 4.23: Số lượng TCP truyền lại Cơ chế tránh nghẽn mô tả chi tiết hiệu suất TCP hai kịch Hình 4.24 cho thấy có nhiều lần kích thước cửa sổ congestion-window xuống để bắt đầu lại giá trị khởi tạo trường hợp có HO kích thước cửa sổ congestion-window kết nối TCP trường hợp khơng có HO liên tục lên Hình fligh size bên phải cho thấy tổng số lưu lượng liệu gửi chưa có phản hồi acknowledge Fligh size có giá trị khoảng nhỏ ccongestion-window giá trị advertizewindow ( kích thước TCP đệm nhận) Nó thể hình 4.24, kích thước fligh size kết nối TCP trường hợp có HO xuống nhiều lần Hiện tượng gây truyền lại TCP làm giảm lượng throughput lớp Transport Trang 93 Hình 4.24: kích thước congestion-window fligh size Hình 4.25 minh họa hoạt động end-to-end hai trường hợp: có khơng có HO Hình bên phải thời gian đáp ứng response time trung bình download liệu FTP hai kịch giá trị cao trường hợp có HO có tượng gói tin truyền lại Hình 4.25: Thời gian đáp ứng trung bình FTP DL Trang 94 Tóm lại, Hệ thống OPNET thực mơ tác động HO ảnh hưởng tới hiệu suất hoạt động TCP Đầu tiên, gói tin bị giao thức RLC thiết lập lại sau HO Thứ hai, thời gian truyền lại gói tin có xuất thời gian trễ đệm thời gian chuyển tiếp thủ tục HO Những hiệu ứng gây tượng truyền lại gói tin lớp TCP sau gây ảnh hưởng tới người dùng đầu cuối Trang 95 KẾT LUẬN Qua bốn chương luận văn vào nghiên cứu nội dung: lịch sử phát triển mạng thông tin di động qua thời ký phát triển với ưu nhược điểm mơ hình hệ thống Các u cầu tất yếu thực tiễn tốc độ liệu, tối ưu đường truyền, băng thơng … địi hỏi mạng thơng tin di động phải phát triển lên hệ mạng LTE đích đến mạng di động tương lai đặc biệt Việt Nam mà mạng di động 3G triển khai thành công lâu từ năm 2010 Trong mơ hình kiến trúc mạng di động tương lai, mạng LTE xây dựng hoàn toàn tảng mạng IP lớp vận chuyển TCP đóng vai trị vơ to lớn việc định tuyến, truyền tải liệu đảm bảo hệ thống hoạt động xác Từ nghiên cứu trên, luận văn nêu nội dung yêu cầu đề tài nghiên cứu “Lớp vận chuyển mạng truy nhập LTE” Trong nghiên cứu đề cập tới vị trí, vai trị, chức lớp truy nhập TCP mạng truy nhập LTE từ mơ phỏng, tính tốn tham số TCP mạng LTE trường hợp xảy thực tiễn tỷ lệ lỗi mạng, độ trễ gói tin, trình truyền tin hệ thống đặc biệt trình chuyển giao handover LTE Các giá trị đo đạc thu q trình mơ chương bốn kết mơ hồn tồn dựa vào tham số có thực tế để phản ánh xác thực tế diễn trình triển khai mạng tương lai Luận văn đề cập tới phần cơng nghệ mạng LTE nhiên mở hướng cho việc nghiên cứu công nghệ di động tồn diện dựa phần mềm mơ OPNET để đánh giá chất lượng mạng từ tiến hành tối ưu hóa áp dụng vào trình triển khai mạng LTE tương lai Việt Nam Trang 96 Nhân đây, lần nữa, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS Vũ Q Điềm tận tình giúp đỡ tơi thời gian làm luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp ln động viên giúp đỡ tơi hồn thiện luận văn Trang 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] URL: www.cellular-news.com [2] URL: www.about.qkport.com/g/general_packet_radio_service [3] 3GPP TR 25.913 v8.0.0: “Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN)”, 2009 available at www.3gpp.org [4] 3GPP TS 36.300 v8.11.0: “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (EUTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN)”, Stage 2, 2009 available at www.3gpp.org [5] C Bettstetter, H Hartenstein, X Perez-Costa, “Stochastic properties of random waypoint mobility model”, Wireless Networks,vol.10, no.5, pp.555567, 2004 [6] D Pacifico, M Pacifico, C Fischione, H Hajalmrmasson, K H Johansson, “Improving TCP performance during the intra LTE handover”, IEEE Globecom ‘09, Honolulu, Hawaii, 2009 [7] E Dahlman, S Parkvall, J Skoeld, P Beming, 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, Academic Press, 2007 [8] F Khan, LTE for 4G Mobile Broadband: Air Interface Technologies and Performance, Cambridge University Press, 2009 [9] L Bo, Design, Development and Evaluation of a Solution for Packet Reodering in TCP Flow Splitting, Master’s thesis, Uni-Bremen, 2009 [10] M Allman, “TCP congestion control”, IETF RFC 2581, 1999 [11] P Lescuyer, T Lucidarme, Evolved Packet System (EPS): The LTE and SAE Evolution of 3G UMTS, Wiley, 2008 Trang 98 [12] S Floyd, V Jacobson, “Random early detection gateways for congestion avoidance”, IEEE/ACM Trans Netw.,vol.1, no.4, pp 397-413, 1993 Trang 99 ... CHƯƠNG III: LỚP VẬN CHUYỂN TCP TRONG MẠNG LTE 53 3.1 Mơ hình TCP/IP 53 3.2 Các tầng mơ hình TCP/IP 54 3.2.1 Lớp truy nhập mạng - Network Acces Layer 55 3.2.2 Lớp Internet... di động công nghệ LTE Chương 2: Kiến trúc mạng LTE giao thức sử dụng Chương 3: Lớp vận chuyển TCP mạng LTE Chương 4: Mô hoạt động TCP mạng LTE chương trình OPNET Tuy nhiên LTE công nghệ nghiên... phát quảng bá đa điểm Trong hệ thống LTE, MBMS sử dụng truy? ??n đơn ô truy? ??n đa ô Trong truy? ??n đơn ô , MBMS truy? ??n phạm vi ô cụ thể truy? ??n dẫn MBMS từ nhiều không hỗ trợ Truy? ??n dẫn MBMS đơn ô thực