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

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

Luận văn được hoàn thành tại:
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đinh Văn Dũng

Phản biện 1: ……………………………………………………
……………………………………………………

Phản biện 2: ……………………………………………………
……………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:.
- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự 1G,
các hệ thống thông tin di động số thế hệ thứ 2 ra đời đánh
dấu sự thành công của công nghệ GSM với hơn 70% thị
phần thông tin di động trên toàn cầu. Tuy nhiên GSM chỉ
đáp ứng tốt dịch vụ thoại trong khi nhu cầu dịch vụ số liệu
ngày một gia tăng và hệ thống thông tin di động thế hệ thứ
3 ra đời đáp ứng các nhu cầu về truyền số liệu. Hướng tới
sự phát triển tiếp theo trong tương lai, mạng không dây thế
hệ thứ 4 sẽ tích hợp các công nghệ như WLAN và mạng
thông tin di động thế hệ thứ 3.

Đề tài “Nghiên cứu phương pháp quản lý chuyển
vùng trong mạng 4G” sẽ đánh giá năng lực của các đề xuất
quản lý chuyển vùng giữa các mạng truy nhập vô tuyến
khác nhau: WLAN, 3G, Wimax. Luận văn xác định các yêu
cầu đặt ra đối với vấn đề quản lý chuyển vùng trong mạng
4G. Năng lực của các đề xuất trên được khảo sát nhờ công
cụ phần mềm mô phỏng NS-2.
Nội dung của đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Mạng 4G và vấn đề quản lý di động.
Chương 2: Giao thức quản lý chuyển vùng trong
mạng 4G.
Chương 3: Đánh giá quản lý chuyển vùng giữa
WLAN và UMTS bằng mô phỏng.


I. NỘI DUNG CHÍNH CỦA TỪNG CHƯƠNG
CHƯƠNG 1
Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông
tin di động thế hệ thứ 4 (4G), về lịch sử và xu hướng phát
triển, mô hình cấu trúc mạng và các dịch vụ được triển
khai trong mạng di động 4G. Tiếp đó chương sẽ đề cập đến
vấn đề quản lý di động trong mạng, khái niệm về chuyển
vùng trong quản lý di động cũng như sự cần thiết của việc
nghiên cứu các phương pháp chuyển vùng trong mạng di
động 4G.
Mô hình cấu trúc mạng 4G

Hình 1.5: Mô hình cấu trúc mạng 4G

Lớp truy nhập vô tuyến

Nhiệm vụ chính của mạng truy nhập vô tuyến
RAN(Radio Access Network) là tạo và duy trì các kênh
mang truy nhập vô tuyến RAB (Radio Acess Bearer) để
thực hiện thông tin giữa thiết bị di động UE (User
Equipment) và mạng lõi CN (Core Network).
Lớp mạng lõi
Mạng lõi phải tích hợp được tất cả các mạng viễn
thông khác nhau như mạng di động, WLAN, WiMAX, các
mạng không dây khác…
Lớp chức năng
Lớp chức năng dùng để điều khiển hệ thống như điều
khiển hệ thống báo hiệu, điều khiển lưu lượng, bảo mật
thông tin… đồng thời cung cấp cơ sở hạ tầng cho lớp dịch
vụ, cung cấp các loại hình dịch vụ khác nhau.
Lớp dịch vụ
Cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu của người dùng,
có chất lượng cao như: các dịch vụ thông tin định vị, dịch
vụ đa phương tiện chất lượng cao, dịch vụ điều khiển từ
xa…


CHƯƠNG 2:
Chương 2 trình bày về hai giao thức chuyển vùng
trong mạng 4G đó là Giao thức Mobile IP, Giao thức MIH
(chuẩn IEEE 802.21)
Giao thức Mobile IP- Nguyên lý hoạt động
Khi MN đang trong mạng thường trú, nó sẽ được
phân phối một địa chỉ IP thường trú. Lúc này MN đang
trong mạng thường trú của nó, thì nút di động MN nhận các
gói tin này và trả lời chúng như một máy chủ thông thường

(đây là một yêu cầu quan trọng của IP di động). Nhưng nếu
MN đi khỏi mạng thường trú thì MN cần có một đại diện
thay mặt nó. Đại diện này là đại diện thường trú HA (Home
Agent) có thể thông tin với MN trong suốt thời gian di
chuyển mà không phụ thuộc vào vị trí hiện tại của MN. Do
đó, ta có thể coi HA là vị trí vật lý của MN. Vậy khi MN đi
khỏi nơi thường trú, nó phải có một địa chỉ tạm trú và
thông báo địa chỉ này cho HA để biết được địa điểm hiện
tại của MN. Có nhiều cách để có địa chỉ này, nhưng tiện
nhất là MN có địa chỉ này từ một đại diện. Đại diện này
được gọi là đại diện tạm trú FA (Foreign Agent) [10].
Do đó khi một MN ra khỏi mạng thường trú tới
mạng ngoài, MN phát hiện là nó đang ở mạng khác nó sẽ
gửi yêu cầu đăng ký thông qua FA đến HA để được lưu
động trong một thời gian. Đáp ứng này gửi đến MN (thông
qua FA) cho phép hoặc từ chối việc đăng ký này. Trường
hợp này thực hiện khi MN dùng FA để đăng ký, còn nếu
MN bảo vệ địa chỉ theo cách khác thì nó không cần bước
đăng ký qua FA.

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của MIPv4
(Nguồn: Tài liệu tham khảo [10])
Chuyển vùng trong mobile IP: gồm trường hợp MN
đi từ FA1 sang FA và trường hợp MN đi từ FA sang vùng
không có FA
Giao thức MIH của IEEE - Mô hình kiến trúc MIH
Kiến trúc MIH (Media- Independent Handover-
IEEE 802.21) bao gồm các User MIH đặt tại lớp Lớp 4 sử
dụng điểm truy nhập dịch vụ MIH (SAPs) để truyền thông
với các dịch vụ MIH ở các lớp thấp hơn [2].

Mobile Node
Access Point
Link
events
Link
commands
MIH
Events
MIH
Commands
MIH User 1
MIHF
L2
2
L2
1
MIHF
L2
Query
or
configure
Response
Query
or
configure
Response
Technology dependent
Technology independent
MIH User 2
MIH

Events
MIH
Commands
Link
events
Link
commands
Mobile Node
Access Point
Link
events
Link
commands
MIH
Events
MIH
Commands
MIH User 1
MIHF
L2
2
L2
1
MIHF
L2
Query
or
configure
Response
Query

or
configure
Response
Technology dependent
Technology independent
MIH User 2
MIH
Events
MIH
Commands
Link
events
Link
commands

Hình 2.2: Mô hình kiến trúc MIH
(Nguồn: Tài liệu tham khảo [2])
Khối chức năng MIH (MIHF) đặt giữa lớp 2 và lớp
3. Khối chức năng này cung cấp dịch vụ chuyển vùng bao
gồm các dịch vụ sự kiện (ES), dịch vụ thông tin (IS) và
dịch vụ chung (CS) thông qua SAPs. Ngoài ra kiểm soát
tắc nghẽn có thể được yêu cầu phụ thuộc vào tổng lượng dữ
liệu của một MIH sinh ra. Bởi vậy một số thông báo tín
hiệu MIH nên được thực hiện thông qua giao thức truyền
thông tin cậy như TCP- mà yêu cầu phân phối và kiểm soát
tắc nghẽn .



CHƯƠNG 3:

Chương 3 giới thiệu về phần mềm mô phỏng mạng
NS-2 và trình bày kết quả mô phỏng chuyển vùng giữa
mạng UMTS và WLAN. Giới thiệu về các tham số sẽ ảnh
hưởng tới hiệu năng chuyển vùng. Sau đó trình bày
topology mạng thực hiện chuyển vùng giữa mạng UMTS và
WLAN và các scenario chuyển vùng. Phần cuối của
chương trình bày kết quả hiệu năng chuyển vùng khi điều
chỉnh các tham số mô phỏng.
Các tham số đánh giá hiệ năng chuyển vùng
Các tham số được đề cập sau đây được sử dụng để
đánh giá hiệu năng chuyển vùng [19]. Độ trễ chuyển giao,
Tỉ lệ ngắt kết nối, Tỉ lệ mất gói, Số gói tin không đúng thứ
tự, Hiệu năng phát hiện di chuyển, Xác suất tạo ra link
trigger bị lỗi
Cấu hình và các tham số mô phỏng

0.0.0 1.0.0
2.0.0
3.0.0
2.0.13.0.1
RA
RA
Agent App
Agent App
0.0.0 1.0.0
2.0.0
3.0.0
2.0.13.0.1 2.0.13.0.1
RA
RA

Agent App
Agent App

Hình 3.3: Topology mạng mô phỏng chuyển vùng giữa
UMTS và WLAN

Hình 3.4: Topology mạng mô phỏng chuyển vùng
UMTS sang WLAN trên ns-2
Quá trình mô phỏng thực hiện với 2 scenario.

Scenario 1: Phát hiện di chuyển dựa trên RA
0.0.0 1.0.0
2.0.0
3.0.0
2.0.13.0.1
RA
RA
Agent App
Agent App
2.0.13.0.1
Agent App
2.0.13.0.1
Agent App
Prefix expired
0.0.0 1.0.0
2.0.0
3.0.0
2.0.13.0.1 2.0.13.0.1
RA
RA

Agent App
Agent App
2.0.13.0.1 2.0.13.0.1
Agent App
2.0.13.0.1 2.0.13.0.1
Agent App
Prefix expired

Hình 3.5: Topology phát hiện di chuyển dựa trên RA
Các kết quả mô phỏng như sau:
DELAY và MAX_RA_DELAY). Kết quả như sau:
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12
Thời gian gửi quảng bá router tối thiểu (s)
Độ trễ chuyển giao (s)

Hình 3.6: Ảnh hưởng của khoảng thời gian RA tới độ
trễ chuyển giao.
0
10
20
30
40

50
60
70
80
90
0 20 40 60 80 100
Thời gian hoạt động của router (s)
Độ trễ chuyển giao (s)

Hình 3.7: Ảnh hưởng thời gian hoạt động của router
tới độ trễ chuyển giao.
Scenario 2: Phát hiện di chuyển dựa trên các sự
kiện Phát hiện liên kết/ Thiết lập liên kết/ Ngắt liên kết
(Link Detected/ Link Up/ Link Down event)
0.0.0 1.0.0
2.0.0
3.0.0
2.0.13.0.1
RA
RA
Agent App
Agent App
Link UPLink Down
RS
0.0.0 1.0.0
2.0.0
3.0.0
2.0.13.0.1 2.0.13.0.1
RA
RA

Agent App
Agent App
Link UPLink Down
RS

Hình 3.8: Topology phát hiện di chuyển dựa trên Link
Detected/UP/Down.
Các kết quả mô phỏng
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
MAX_RA_DELAY_TIME (s)
Độ trễ chuyển giao (s)

Hình 3.9: Ảnh hưởng của tham số MAX_RA_DELAY
tới độ trễ chuyển giao
( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] )
0
10
20
30
40
50
60

70
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
MAX_RA_DELAY_TIME (s)
Hiệu năng phát hiện di chuyển (%)

Hình 3.10: Ảnh hưởng của MAX_RA_DELAY tới hiệu
năng phát hiện di chuyển

Hình 3.11: Ảnh hưởng của số lượng tín hiệu nhỡ đối với
độ trễ chuyển giao
( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] )
0
20
40
60
80
100
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Số tín hiệu nhỡ trước khi ngắt liên kết
Hiệu năng phát hiện di chuyển (%)

Hình 3.12: Ảnh hưởng của lượng tín hiệu nhỡ với hiệu
năng phát hiện di chuyển
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3

0.35
0.4
0.45
0.5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Số gói tin bị lỗi trước khi ngắt liên kết
Độ trễ chuyển giao (s)

Hình 3.13: Ảnh hưởng của số gói tin bị lỗi đối với độ trễ
chuyển giao
( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] )
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Số gói tin bị lỗi trước khi ngắt liên kết
Hiệu năng phát hiện di chuyển (%)

Hình 3.14: Ảnh hưởng của số gói tin bị lỗi đối hiệu
năng phát hiện di chuyển
( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] )
II. Kết luận
Một trong những vấn đề mà các nhà nghiên cứu quan
tâm nhất trong quản lý di động là quá trình chuyển vùng
trong di động. Do nghiên cứu để đảm bảo được tín hiệu
liên tục và đạt hiệu quả cao nhất khi điểm di động di

chuyển giữa các trạm phát sóng khác nhau, giữa các công
nghệ di động khác nhau là một vấn đề rất khó. Luận văn đã
tập trung tìm hiểu hai giải pháp quản lý chuyển vùng trong
mạng di động thế hệ thứ 4 đó là giao thức chuyển vùng
Mobile IP và giao thức chuyển vùng MIH (chuẩn IEEE
802.21). Quá trình chuyển vùng được thực hiện giữa mạng
UMTS và WLAN. Phần cuối của luận văn trình bày kết
quả mô phỏng chuyển vùng giữa mạng UMTS và WLAN,
phân tích đánh giá các độ đo hiệu năng chuyển vùng dựa
trên các tham số khác nhau và đưa ra các kết quả mô
phỏng. Kết quả đánh giá mô phỏng cho phép chúng ta lựa
chọn được giá trị các tham số thích hợp nhằm đạt hiệu quả
chuyển vùng cao nhất.
Hướng nghiên cứu mở rộng đề tài:
Luận văn mới chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu hai
giao thức chuyển vùng và mô phỏng quá trình chuyển vùng
giữa mạng UMTS và WLAN mà chưa đánh giá được điểm
mạnh điểm yếu của từng phương pháp chuyển vùng khi sử
dụng các tham số đầu vào giống nhau. Để đáp ứng được
yêu cầu đánh giá, lựa chọn phương pháp chuyển vùng thích
hợp cần phải tập trung tìm hiểu thêm về các phương pháp
chuyển vùng hiện nay và mô hình hóa các công nghệ là
ứng cử cho mạng 4G như MIMO, MC-WCDMA, IMS và
tích hợp vào phần mềm NS-3. Sau đó, đánh giá năng lực
quản lý di động của MIH, Mobile IP khi thuê bao chuyển
vùng giữa các mạng truy nhập vô tuyến với các công nghệ
khác nhau như 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
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]
[9]
[10]
[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”.
[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:
/>ml
[24] 4GW (4
th
generation wireless
infrastructures) project, Personal Computing and
Communications group, Lund Institute of Technology.
Available at: