Phân tích hiệu năng quá trình handoff trong mạng thông tin di động 4g

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG


Nguyễn Trƣờng Giang
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG QUÁ TRÌNH HANDOFF
TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: 60.48.15

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ


HÀ NỘI – 2013





Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Hồ Khánh Lâm


Phản biện 1: ………………………………………………

Phản biện 2: ……………………………………………

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



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

1

LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã lớn
mạnh một cách nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng
trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện trong đó
phải kể đến dịch vụ Video. Với xu hướng phát triển như hiện
nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa thông tin di
động sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống
hàng ngày. Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới,
thế hệ 4G, cần phải có những tính năng vượt trội hơn so với
khả năng của 3G. Các mạng di động cho phép người sử dụng
có thể truy nhập các dịch vụ trong khi di chuyển , sự di động
của các người sử dụng đầu cuối gây ra một sự biến đổi động cả
trong chất lượng liên kết và mức nhiễu, người sử dụng đôi khi
còn yêu cầu thay đổi trạm gốc phục vụ. Quá trình này được gọi
là chuyển giao. Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử
lý sự di động của người sử dụng đầu cuối. Nó đảm bảo tính

liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di
chuyển qua ranh giới các ô tế bào, giữa các mạng khác nhau.
Quá trình chuyển giao trong mạng di động 4G là một vấn đề rất
quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới QoS của mạng. Luận văn
này thực hiện nghiên cứu “Phân tích hiệu năng quá trình
Handoff trong mạng thông tin di động 4G”. Nhằm mục đích
giới thiệu mô hình chuyển giao sử dụng hàng đợi ưu tiên động
cho các nút 4G đa dịch vụ, từ đó tìm ra một thiết kế hiệu quả về
mô hình hàng đợi cho việc triển khai trên mạng 4G.
Luận văn gồm 3 chương:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 4G và
quá trình Handoff.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về mô hình hàng đợi dùng
phân tích hiệu năng quá trình handoff của mạng thông tin di
động 4G.
Chƣơng 3: Phân tích và đánh giá kết quả.
2

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G VÀ
QUÁ TRÌNH HANDOFF
1.1. XU HƢỚNG CÔNG NGHỆ
Công nghệ truyền thông không dây 3G
Đây là thế hệ thứ ba của mạng di động đang hướng tới tốc
độ dữ liệu cao cho các ứng dụng như gọi điện thoại video,
video và âm thanh, hội nghị truyền hình và các ứng dụng đa
phương tiện . Có hai hợp tác tồn tại cụ thể là 3GPP và 3GPP2
sau này là một trong những tiêu chuẩn cho 3G dựa trên công
nghệ CDMA. Theo ITU (Liên minh Viễn thông quốc tế) các
yêu cầu sau đây phải được đáp ứng bởi bất kỳ mạng được gọi

là một mạng 3G như đề xuất bởi 3GPP.
- Tốc độ truyền dữ liệu (xuống liên kết) 144Kbps tối
thiểu cho việc di chuyển các thiết bị cầm tay và 384Kbps cho
thiết bị cố định.
- Về nhu cầu băng thông và truy cập internet băng
thông rộng 2Mbps cũng theo quy định của 3GPP.
Chính kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng bởi các mạng
3G CDMA biến thể. Đối với các mạng CDMA hiện có cho
GSM sẽ tiếp tục sử dụng WCDMA (Wide band CDMA) sử
dụng 5 MHz chiều rộng băng tần kênh có khả năng cung cấp
2Mbps tốc độ dữ liệu. Ngoài ra công nghệ CDMA khác như
CDMA2000, CDMA2000 1x EV-DO được sử dụng ở những
nơi khác nhau trên toàn thế giới cho các mạng 3G.
Công nghệ truyền thông không dây 4G
Đây là thế hệ tiếp theo của các mạng di động như được
quy định bởi ITU và người tiền nhiệm của các mạng 3G. Hiện
nay có hai công nghệ đầy hứa hẹn đang được xem xét trong khi
3

nói chuyện về di chuyển lên 4G do tỷ lệ dữ liệu cao như tốc độ
100Mbps trong môi trường di động và 1Gbps trong môi trường
cố định. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave
Access) và LTE (Long Term Evolution) là những công nghệ
đang được xem xét. Thông số kỹ thuật sau đây cần phải được
đáp ứng bởi bất kỳ mạng nào được coi là 4G:
- Tốc độ 100Mbps tốc độ dữ liệu trong môi trường di động và
1Gbps trong môi trường cố định.
- Mạng lưới hoạt động trên các gói tin IP (Tất cả các mạng IP).
- Năng động kênh phân bổ kênh băng thông khác nhau từ
5MHz đến 20 MHz theo yêu cầu của ứng dụng.

Sự khác nhau giữa công nghệ mạng 3G và 4G
1. Tốc độ tải dữ liệu 3G trong khoảng 2Mbps ở chế độ
tĩnh trong khi các chi tiết kỹ thuật 4G nó phải là 1 Gbps và tốc
độ môi trường di động tốc độ tải 3G khoảng 384Kbps và 100
Mbps trong mạng 4G.
2. Kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng ở 3G là CDMA và
các biến thể của nó . 4G cả hai công nghệ (LTE và WiMAX)
sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access) trong nhận dữ liệu.
3. Trong đường lên LTE sử dụng SC-FDMA (Single
Carrier FDMA) và WiMAX tiếp tục sử dụng OFDMA trong
khi mạng 3G sử dụng CDMA biến thể.
1.2. CẤU TRÚC MẠNG
1.2.1. Kiến trúc chung của mạng 4G
4G là một mạng toàn cầu tích hợp dựa được xây dựng
theo mô hình hệ thống mở.
4


Hình 1. 1 Cấu trúc mạng di động 4G
Kiến trúc này bao gồm một nhân mạng chung, nhân này
được kết nối tới các phần khác nhau của mạng dây và mạng
không dây.
Nó được kết nối tới mạng chuyển mạch điện thoại công
cộng (PSTN), mạng số các dịch vụ được tích hợp (ISDN)
thông qua các trạm GPRS (GGSN). GGSN là một thành phần
chính của mạng GPRS. GGSN đóng vai trò là mạng liên kết
giữa mạng GPRS và các mạng chuyển mạch gói ngoài, nó cũng
giống như mạng Internet và mạng X25.
Các kiến trúc mạng 4G được thảo luận ở đây là dựa trên

IPv6, tính linh động của IPv6 sẽ xử lý chuyển đổi giữa các tế
bào.

1.2.2. Điểm nhấn trong mạng 4G
4G được bắt đầu với giả thiết rằng mạng trong tương lai
sẽ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói (đây sự phát triển từ
5

những giao thức đang được sử dụng trong mạng Internet hiện
tại). Mạng di động 4G dựa trên nền tảng IP có những lợi thế
cơ bản bởi vì IP thích hợp và độc lập với công nghệ truy cập
vùng phủ sóng. Điều đó có nghĩa là mạng 4G được thiết kế
và có thể phát triển độc lập từ những mạng truy
cập.

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy nhập phân chia
theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequency division
multiplexing), OFDM là một dạng của điều chế sóng mang,
làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng bit truyền tại dải
thông B thành nhiều dòng bit song song N với khoảng cách
B/N. Mỗi dòng bit N có tốc độ bit nhỏ hơn dòng bit ban đầu,
nhưng tổng của chúng là một dòng bit có tốc độ rất cao.
Anten thông minh (MIMO): Trong hệ thống anten
MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra), dòng số liệu từ một thiết bị đầu
cuối được tách thành n dòng số liệu riêng biệt có tốc độ thấp
hơn (N là số anten phát). Mỗi dòng số liệu này sẽ được điều
chế vào các symbol (tín hiệu) của các kênh truyền. Các dòng số
liệu này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu,
được phát đồng thời, vì vậy, về mặt lý thuyết, hiệu suất phổ tần
được tăng lên gấp N lần. Các tín hiệu được phát đồng thời qua

kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M anten
của hệ thống thu.
1.3. CÁC CÔNG NGHỆ MẠNG 4G
1.3.1. UMB (Ultra Mobile Broadband)
UMB (Mạng thông tin di động siêu băng rộng) là thế hệ
mạng thông tin di động tiếp nối của CDMA2000 được phát
triển bởi 3GPP2 mà chủ lực là Qualcomm. UMB được sánh
ngang với công nghệ LTE của 3GPP. UMB sử dụng OFDMA,
MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như các kỹ
thuật angten hiện đại để tăng khả năng của mạng, tăng vùng
phủ và tăng chất lượng dịch vụ. UMB có thể cho tốc độ dữ liệu
6

đường xuống tới 280Mbit/giây và dữ liệu đường lên tới
75Mbit/giây.
1.3.2. WiMAX (IEEE 802.16m)
WiMAX 802.16m (hay còn gọi là WiMAX II) được phát
triển từ chuẩn IEEE 802.16e, là công nghệ duy nhất trong các
công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công
nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (kỹ
thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM). Công nghệ
WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho
các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người
dùng tĩnh. Khoảng cách truyền của WiMAX II là khoảng 2 km
ở môi trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông
thôn.
1.3.3. LTE (Long-Term Evolution)
Long Term Evolution - Sự tiến hóa trong tương lai xa LTE
là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển.
UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên

toàn thế giới. Các mục tiêu của công nghệ này là: Tốc độ đỉnh
tức thời với băng thông 20 MHz: tải xuống là 100Mbps, tải lên
là 50Mbps. Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một
người dùng trên 1MHz so với mạng HSDPA: tải xuống gấp 3,4
lần; tải lên: gấp 2,3 lần. Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển
của thuê bao từ 0-15km/h, tốt : từ 15-120km/h, duy trì được
hoạt động: 120-350km/h. Độ dài băng thông linh hoạt: có thể
hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz,
10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống.
1.3.4. So sánh công nghệ LTE với công nghệ WIMAX
Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt
nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng. Cả hai công nghệ đều
dựa trên nền tảng IP. Cả hai đều dùng kỹ thuật MIMO để cải
thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu
phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật
7

OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video. Theo
lý thuyết, chuẩn WiMax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống
tối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến
300Mbps.
1.4 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HANDOFF TRONG HỆ
THỐNG KẾT NỐI DI ĐỘNG
1.4.1. Giới thiệu
Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự
di động của người sử dụng đầu cuối. Nó đảm bảo tính liên tục
của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di chuyển
từ qua ranh giới các ô tế bào.
Chuyển giao có thể được thực hiện bởi nhà mạng,
thiết bị đầu cuối, người sử dụng.

1.4.2. Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao
Thủ tục chuyển giao có thể chia thành 3 pha : Đo đạc,
quyết định, và thực thi chuyển giao.
Trong pha đo đạc chuyển giao, các thông tin cần thiết
để đưa ra quyết định chuyển giao được đo đạc. Các thông số
cần đo thực hiện bởi máy thường là tỷ số Ec/I02 (Ec: là năng
lượng kênh hoa tiêu trên một chip, và I0 : là mật độ phổ công
suất nhiễu tổng thể) của kênh hoa tiêu chung (CPICH) của cell
đang phục vụ máy di động đó và của các cell lân cận.
Trong pha quyết định chuyển giao, kết quả đo được
so sánh với các ngưỡng đã xác định và sau đó sẽ quyết định có
bắt đầu chuyển giao hay không.
Trong pha thực thi, quá trình chuyển giao được hoàn
thành và các thông số liên quan được thay đổi tuỳ theo các kiểu
chuyển giao khác nhau.
8

1.4.3. Các kiểu handoff
Chuyển giao bên trong hệ thống (Intra-system HO):
Chuyển giao bên trong hệ thống xuất hiện trong phạm vi một
hệ thống.
Chuyển giao giữa các hệ thống (Inter-system HO):
Kiểu chuyển giao này xuất hiện giữa các cell thuộc về 2 công
nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAT) hay Các chế độ truy
nhập vô tuyến khác nhau (RAM). Trường hợp phổ biến nhất
cho kiểu đầu tiên dùng để chuyển giao giữa các hệ thống
WCDMA và GSM/EDGE.
Chuyển giao cứng (HHO- Hard Handover):
HHO là một loại thủ tục chuyển giao trong đó tất cả các liên
kết vô tuyến cũ của một máy di động được giải phóng trước khi

các liên kết vô tuyến mới được thiết lập.
Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm
hơn(Softer HO):
Chuyển giao mềm chỉ có trong công nghệ CDMA. So
với chuyển giao cứng thông thường, chuyển giao mềm có một
số ưu điểm. Tuy nhiên, nó cũng có một số các hạn chế về sự
phức tạp và việc tiêu thụ tài nguyên tăng lên. Việc quy hoạch
chuyển giao mềm ban đầu là một trong các phần cơ bản của
của việc hoạch định và tối ưu mạng vô tuyến.
1.5. HANDOFF TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 4G
Mạng 4G là 1 mạng được biết đến với nhiều công nghệ
mạng khác nhau, bởi vậy ta có thế khái quát Quá trình một
thiết bị di động (điện thoại di động, máy tính xách tay, hay pda
…) đang kết nối vào mạng mà thay đổi điểm kết nối (từ mạng
này sang mạng khác) gọi là quá trình chuyển giao (handover
hay handoff).
9

1.5.1. Chuyển giao ngang (horizontal handoff)
Là quá trình chuyển giao chỉ ảnh hưởng đến lớp kết nối
(lớp hai) mà không làm thay đổi địa chỉ IP (nằm ở lớp ba). Ví
dụ như khi thiết bị di động di chuyển giữa hai điểm truy nhập
(Access Point) của mạng LAN không dây (WLAN) được quản
lý bởi cùng một Router
1.5.2. Chuyển giao dọc (vertical handover)
Quá trình chuyển giao làm ảnh hưởng đến cả lớp kết
nối và lớp mạng được gọi là chuyển giao dọc. Quá trình chuyển
giao này có thể làm thay đổi địa chỉ IP của thiết bị. Ví dụ: thiết
bị di động có thể di chuyển giữa các điểm truy nhập thuộc

quyền quản lý của các Router truy nhập khác nhau; hay thiết bị
di động có thể di chuyển giữa hai mạng thuộc về hai nhà cung
cấp khác nhau; hay thiết bị di động có thể di chuyển khỏi vùng
phủ sóng của 1 mạng WLAN và đi vào vùng phủ sóng của 1
mạng di động: GPRS hoặc UMTS mà hai mạng này được quản
lý bởi các nhà cung cấp khác nhau như hình vẽ bên dưới.

Hình 1. 2 Chuyển giao dọc
10


Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ HÌNH HÀNG ĐỢI DÙNG
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG QUÁ TRÌNH HANDOFF CỦA
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

2.1. MỘT SỐ LÝ THUYẾT ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG
TÍNH TOÁN HÀNG ĐỢI
2.1.1. Quá trình Poisson
Quá trình ngẫu nhiên Poisson là một quá trình cơ bản rất
hay được áp dụng trong mô hình hàng đợi vì vậy trong phần
này ta sẽ tìm hiểu lí thuyết chung của quá trình ngẫu nhiên này.
Quá trình Poisson là một quá trình ngẫu nhiên mà biến ngẫu
nhiên mô tả quá trình tuân theo phân bố mũ .Tính chất đặc
trưng của quá trình ngẫu nhiên này là tính không nhớ, tính đơn
nhất và tính dừng.
2.1.2. Quy tắc Little
Phát biểu : Độ dài trung bình của hàng đợi tích của tốc
độ khách hàng đến và thời gian thường trú của khách hàng
trong hàng đợi.

RQ  .


Q: số khách hàng trung bình trong hệ thống xếp hàng
: tốc độ đến của các khách hàng đến
R: thời gian thường trú của khách hàng trong hệ thống.
2.2. HÀNG ĐỢI M/M/1
2.2.1. Các hệ thống Markov
Hệ thống markov (Markov system) hay quá trình
Markov (Markov process), hay chuỗi Markov (Markov chain)
là hệ thống có thể ở trong một số trạng thái, và nó có thể
11

chuyển từ một trạng thái đến trạng thái khác từng bước thời
gian tương ứng với các xác suất cố định.
2.2.2. Quá trình sinh chết của M/M/1
Hàng đợi M/M/1, trong đó M thứ nhất chỉ các thời gian
giữa các lần đến của các khách hàng,

, và M thứ hai là các
thời gian phục vụ

. Cả

và

đều là có phân bố mũ. Số 1
là chỉ hệ thống có duy nhất một server và sử dụng nguyên tắc
phục vụ FIFO. Hàng đợi có kích thước vô hạn.

Các trạng thái được biểu diễn bằng các vòng tròn và số
hiệu bên trong vòng tròn là toàn bộ số khách hàng (bản tin)
trong hệ thống: cả đang chờ trong hàng và đang được phục vụ.
Các liên kết mũi tên có hướng giữa các trạng thái được gán giá
trị là tốc độ tương đối của hệ thống chuyển giữa các trạng thái.
Nhãn

tương ứng với các tốc độ đến của các khách hàng (bản
tin, msg/sec), và nhãn

tương ứng với tốc độ đi khỏi của các
khách hàng (bản tin, msg/sec).
2.2.3. Các xác suất trạng thái vững bền (steady state
probabilities)
Ta có các xác suất của các trạng thái bền vững của
chuỗi M/M/1 markov như sau:


)
6
.
2
(
)
1
(
)
1
(

)
1
(
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
k
k
K
K
k
k
U
U
U
U
U
U
U
U
U










































































12

2.2.4. Các thông số đo hiệu năng
2.2.4.1. Mức độ sử dụng trung bình của server (server
utilization), E[U]
Mức độ sử dụng, U, của server, tỷ lệ thuận với thời gian
bận của server, và tồn tại với xác suất bận của server
)1(
0


,
được xác định như là phân số của thời gian mà server bận. Tốc
độ đến càng lớn, thì mức sử dụng U của server càng cao (server
càng bận); tốc độ đi càng lớn (server phục vụ càng nhanh) thì
mức độ sử dụng càng thấp. Đặt


U

, khi đó mức độ sử dụng
trung bình
 
UE
của hệ thống M/M/1
là:
 
U
U
UUUUUUUE
k
k





1
32
00
)1(
1
)1( )1(1

(2.8)
2.2.4.2. Thông lượng trung bình của server, E[T]
Thông lượng trung bình
][TE
là tốc độ mà các khách
hàng ra khỏi hệ thống:

 




 UUETE ][
(2.9)
2.2.4.3. Số lượng khách hàng trung bình có trong hệ
thống, E[N]
Gồm cả số khách hàng trong hàng đợi và trong server,
là:
 
)(1
)1(
)1(
2








U
U
U
U
UNE
(2.11)

13

2.2.4.4. Thời gian đáp ứng trung bình của hệ thống, E[R]

][RE
được tính theo luật Little ,
][.][ RENE


:

 







1
)1(
][NE
RE
(2.12)
2.3. HÀNG ĐỢI M/G/1
Hệ thống M/G/1 có đặc điểm:
M (memoryless): quá trình đến là quá trình Poisson với
tốc độ


G (general): là phân bố xác suất chung của biến
x
tuỳ
tiện – là thời gian phục vụ khách hàng:
]_[)( xtimeservicePxG 

Phân bố chung có thể là rời rạc hay liên tục.
Đối với phân bố rời rạc ta có các moment:
)(][);(][
1 1
22
i
N
i
N
i
iii
xxxExxxE

 
 

;
22
][][][ xExExV 
.
Đối với phân bố chung liên tục ta có:
 
 


0 0
22
)(
)(;)(][;)(.][
dx
xdG
xgdxxgxxEdxxgxxE

2.3.1. Một số số đo hiệu năng của hệ thống M/G/1
Nếu xét khách hàng đến là các bản tin thì hệ thống
M/G/1 là hệ thống mà các bản tin đến hệ thống độc lập với
nhau và các độ dài của bản tin là chung.
14










,1minU
thì U được coi là mức độ sử dụng của
server.
Giá trị trung bình thời gian chờ đợi trung bình:
)1(2
][
][

2
U
SE
WE



(2.28)
Thời gian đáp ứng trung bình của server:

)1(2
][
][][][][
2
U
SE
SESEWERE



(2.29)
Trong đó:



 USE ;
1
][

2.3.2. Hàng đợi M/G/1 với các quãng nghỉ (vacation)

Một biến đổi quan trọng trên hàng đợi M/G/1 là cho phép
server có các khoảng tạm nghỉ (vacation) – nghĩa là rỗi khi có
công việc cần phải thực hiện.
Thời gian chờ đợi trung bình của khách hàng khi tính đến
thời gian tạm ngưng sẽ là:
][2
][
)1(2
][
][
22
VE
VE
U
SE
WE 



(2.34)
Đáp ứng trung bình của hệ thống:

][2
][
)1(2
][
][][
22
VE
VE

U
SE
SERE 



(2.35)
15

Chƣơng 3
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH CHUYỂN
GIAO SỬ DỤNG MÔ HÌNH HÀNG ĐỢI

3.1. Giới thiệu
Trong phần này mô hình hàng đợi được dùng để quản lý
độ trễ trong mạng 4G. Có một bộ phân lớp và một bộ định lịch
cho MT. Bộ phân lớp xác định các gói trong các hàng đợi khác
nhau là một loại lớp giao thông. Bộ định lịch phải quyết định
gói tin nào sẽ được phục vụ trước.
3.2. Đặt vấn đề
Luận văn sẽ giới thiệu một mô hình phân tích cho việc
triển khai hàng đợi ưu tiên (Priority Queueing – PQ) trong một
nút 4G để tính toán độ trễ của hàng đợi. Mô hình này dựa trên
hệ thống hàng đợi M/D/1 (một lớp đặc biệt của các hệ thống
hàng đợi M/G/1). Có năm lớp giao thông khác nhau được hỗ
trợ trong mạng 4G. Ta giả sử các hàng đợi khác nhau thì tương
ứng với các loại giao thông khác nhau với một bộ phân lớp và
một bộ định lịch. Tất cả các lớp có thể sử dụng băng thông của
lớp khác. Luận văn tập trung vào việc tìm ra một con đường ít
chi phí, trễ thấp cho dữ liệu thời gian thực.

Năm lớp giao thông được xem xét:
1) Lớp C1 (UGS: Dịch vụ cấp phát không yêu cầu)
2) Lớp C2 (RTPS: Dịch vụ gói tin thời gian thực)
3) Lớp C3 (ERTPS: Dịch vụ gói tin thời gian thực mở
rộng)
4) Lớp C4 (NRTPS: Dịch vụ gói tin không thời gian thực)
5) Lớp C5 (BE: Nỗ lực tối đa)
16

3.3 Hàng đợi ƣu tiên
Trong luận văn này, năm hàng đợi trong một nút 4G được
xem xét đó là lớp 1, lớp 2, lớp 3, lớp 4, lớp 5 tương ứng với
mỗi lớp giao thông. Tất cả các lớp được sắp xếp mức ưu tiên từ
cao xuống thấp. Ở đây, một logic ưu tiên chặt chẽ được sử
dụng trong bộ đặt lịch, có nghĩa là luôn phục vụ hàng đợi có
mức ưu tiên cao nhất đầu tiên. Nếu hàng đợi có mức ưu tiên
cao hơn rỗng thì đến lượt hàng đợi có mức ưu tiên kế tiếp được
phục vụ. Các gói tin được liên hệ với hàng đợi với mức ưu tiên
thứ nhất (Q1) (cao nhất) đến hàng đợi với mức ưu tiên thứ 5
(Q5) (thấp nhất) được gọi là lớp 1 (C1) đến lớp 5 (C5) với các
độ dài trung bình tương ứng từ L1 đến L5. Các gói từ C1 đến
C5 đến dựa theo quá trình Poisson với tỷ lệ đến tương ứng từ 1
đến 5. Mạng 4G là một tập các mạng như MANET, Ad-hoc,
WLAN, vệ tinh (Satellite), di động (Cellular) Ta có 5 lớp
giao thông cho QoS của mạng 4G cho mỗi mạng (VoIP,
Stream Audio/Video, VoIP (với phát hiện hoạt động – Activity
Detection, FTP, truyền dữ liệu – Data transfer, duyệt Web –
Web browsing). Với mỗi giao thông mạng ta có 5 hàng đợi.
Gọi Q1, Q2, Q5 là các hàng đợi tương ứng của các lớp C1,
C2, C5. Gọi L1, L2, L5 là độ dài tương ứng của 5 hàng

đợi. Gọi 1, 2, …5 lần lượt là tỷ lệ đến của các gói tin. Gọi
μ1,μ2, , μ5 là tỉ lệ dịch vụ của các gói tin.
3.3.1 Hàng đợi ƣu tiên Q
1
(các gói C
1
)
Chúng ta bắt đầu với hàng đợi ưu tiên cao nhất Q
1
. Chúng
ta giả sử rằng yêu cầu dịch vụ trung bình cho lớp giao thông C
1

là E[S
1
] = 1/μ
1
. Mô men bậc hai của yêu cầu dịch vụ của lớp
giao thông C
1
là E[S
1
2
]. Ở đây mục tiêu chính là tìm ra mức trễ
hàng đợi cho tất cả các gói tin lớp C
1
. Trễ hàng đợi được định
nghĩa là thời gian đợi mong muốn E[W
1
] trong hàng đợi Q

1

cho gói tin của lớp C
1
trước khi nó được phục vụ. Dựa theo
logic của bộ định lịch ưu tiên, thời gian đợi mong muốn của
gói tin thuộc lớp C
1
bao gồm hai điểm:
17

1) T
R
: Các gói tin đã được phục vụ và cần thêm thời gian
để phục vụ xong
2) T
1
: Thời gian cần để phục vụ tất cả các gói tin có cùng
độ ưu tiên đã xuất hiện trong hệ thống tại điểm đến của
gói tin mới được lựa chọn ngẫu nhiên.
Thời gian đợi mong muốn được thể hiện bằng công thức:
E[W
1
] = E[T
R
] + E[T
1
] (3.1)
E[T
R

] là thời gian trông đợi còn lại để xử lý các gói tin
đang được phục vụ tại thời điểm bộ định lịch đang bận. Tuy
nhiên, vì thời gian đến của gói tin được lựa chọn ngẫu nhiên,
lớp đang được phục vụ lại không được xác định (là C
1
hay C
2
)
nên biểu thức nên được sửa thành:
(3.2)
Nếu chúng ta thay E[T
R
] và E[T
1
] trong (3.1) thì E[W
1
] sẽ
được tính như sau
(3.4)
Dựa theo xác suất xác định, thời gian phục vụ của bộ định
lịch của nút được áp dụng. Bộ định lịch trong nút mạng 4G cần
các đơn vị thời gian để phục vụ một gói C
k
với tỷ lệ truyền R,
mô men bậc hai của yêu cầu dịch vụ của gói tin C
k
có thể được
biểu thị như sau:
18

(3.5)
Tuy nhiên dựa trên thời gian đến của gói tin được lựa chọn
ngẫu nhiên mà không rõ là gói tin nào (C
1
hay C
2
) đang được
phục vụ, (3.4) được biểu diễn bằng:
(3.6)
Trong đó ρ1 và ρ2 là mức sử dụng từ các gói tin C
1
và C
2
với
độ dài trung bình tương ứng L
1
và L
2
.
3.3.2 Hàng đợi ƣu tiên Q
2
(Các gói C
2
)
Hàng đợi ưu tiên này được đặt lịch ngay sau hàng đợi lớp
giao thông đầu tiên C
1
. Thời gian đợi của một gói C
2
(là hàng

đợi mức ưu tiên thấp hơn) có thể được biểu diễn bằng:
(3.7)
Thay tất cả các giá trị vào, ta được:

Chuyển E[W
2
] về một phía ta được:
(3.9)
19

3.3.3 Các hàng đợi khác (Q3, Q4, Q5)
3.3.3.1 Lớp C3 (Q3)
Thời gian chờ mong đợi của lớp giao thông C3 được tính bởi:
(3.10)
3.3.3.2 Lớp C4 (Q4)
Thời gian chờ mong đợi của lớp giao thông C4 được tính bởi:
(3.11)
3.3.3.3 Lớp C5 (Q5)
Thời gian chờ mong đợi của lớp giao thông C5 được tính bởi:
(3.12)
3.4. Mô phỏng và phân tích hiệu năng
3.4.1 Cài đặt mạng
Mô phỏng của hệ thống này được thực thi trên Matlab. Có
5 mạng được xem xét. Phạm vi của tất cả các mạng được phân
bố trong hình chữ nhật cỡ [0, 0, 1000, 1000]. Các mạng được
phân bố có chồng lên nhau trong khu vực này để thể hiện một
mạng không đồng nhất. Các thiết bị đầu cuối nằm trong vùng
20

có chồng lấn sẽ phải thực hiện quá trình chuyển giao để đảm

bảo giao thông mạng thông suốt và chất lượng dịch vụ được
đảm bảo. Vùng của MANET là [300, 300, 500, 500], WiMAX
là [400, 400, 500, 500], WiFi là [380, 10, 520, 500], LTE là
[10, 500, 400, 500] và WSN là [10, 10, 500, 500].

Hình 3. 1 Cài đặt mô phỏng mạng
Mỗi mạng có các hàng đợi khác nhau với các lớp giao
thông tương ứng. Mỗi hàng đợi chứa các gói với một bộ phân
lớp. Và bộ định lịch sắp xếp lịch cho hàng đợi dựa vào mức ưu
tiên của các lớp giao thông. Các hàng đợi (như Q1, Q2, Q3, Q4
và Q5) được sắp xếp theo thứ tự các lớp C1, C2, C3, C4, C5.
100 nút mạng được tạo ra để thực hiện mạng này. Với mỗi nút,
một mô hình kênh phát sóng không gian tự do được giả thiết là
có tốc độ truyền khác nhau với mỗi mạng và độ dài hàng đợi là
40 gói tin.
3.4.2 Kết quả
Các tham số mô phỏng là tỉ lệ đến, tỷ lệ dịch vụ, độ dài
hàng đợi, tỷ lệ truyền, lưu lượng và trễ. Trong bảng 3.1 dưới là
kết quả mô phỏng. Ở đây lưu lượng sử dụng là 2.5% tại thời
21

điểm độ trễ mong đợi cho C1 = 0.1047 ms (micro giây), C2 =
01103ms, C3 = 0.1164ms, C4=0.123ms và C5 = 0.1265ms và
khi tỉ lệ đến tăng lên, mức lưu lượng sử dụng là 5% tại thời
điểm thời gian trễ mong đợi là 0.2127 , 0.2366 , 0.2648 ,
0.2983 và 0.3172 tương ứng với C1,C2, C3, C4 và C5. Tương
tự thế khi mức lưu lượng là 22% thì độ trễ tương ứng là 1.1646
ms , 2.1214 ms , 5.0788 ms, 28.4516 ms và 46.9596 ms Ở
đây tổng lưu lượng được phân lớp và các gói được phân bổ về
các hàng đợi khác nhau.

Bảng 3. 1 Trễ mong đợi cho các lớp giao thông khác nhau

Hình 3. 2 Lƣu lƣợng và Trễ
22

3.4.3 Phân tích và đề xuất mô hình chuyển giao
Trong bảng 3.1 trên ta thấy sự khác nhau giữa độ trễ của
Q1 và Q5 với một vài mức lưu lượng sử dụng của các nút 4G.
Ở đây trễ của Q5 lớn hơn của Q4 tại mọi thời điểm, Q4 lớn hơn
Q3 tại mọi thời điểm Từ những phân tích trên để áp dụng vào
quá trình chuyển giao trong mạng 4G tôi xin được đề cập đến
mô hình chuyển giao sử dụng hàng đợi ưu tiên động. Trong mô
hình này, một quản lý hàng đợi chung được sử dụng và thứ tự
ưu tiên trong hàng đợi có thể thay đổi theo thời gian nằm trong
hàng đợi. Hơn nữa, nguồn tài nguyên được xếp loại và dành
riêng, có thể đảm bảo truy cập của các loại dịch vụ có mức độ
ưu tiên cao. Mục đích của mô hình chuyển giao là đáp ứng
được các nhu cầu về chất lượng dịch vụ khác nhau, có thể cải
thiện hiệu suất hệ thống, giảm tỷ lệ rớt và nghẽn mạng.
Với mô hình này, ưu tiên của giao thông trong hàng đợi sẽ
được điều chỉnh liên tục, do đó, một thiết bị quản lý sự điều
chỉnh ưu tiên được sử dụng (CQM). CQM được gắn trên thiết
bị nhận. Nó quản lý hàng đợi chuyển giao và khởi tạo ưu tiên
cho giao thông, sau đó cập nhật các ưu tiên theo thời gian chờ
đợi trong hàng đợi.

Hình 3. 4 Kiến trúc của thiết bị nhận dựa trên CQM
23

CQM khởi tạo mức ưu tiên cho giao thông dựa theo yêu

cầu về QoS. Hàm ưu tiên X
0
(t,a) = A - t + a
X
0
: giá trị hàm ưu tiên.
A: hằng số khởi tạo.
t: thời gian trễ có thể chấp nhận được của dịch vụ.
a: sự đóng dấu bàn giao (vì ưu tiên bàn giao là cao hơn so
với các cuộc gọi mới).
Giá trị của hàm ưu tiên được tăng tuần tự với thời gian ở trong
hàng đợi.
X
i
(t,a) = X
0
(t,a) + T
đợi
(i ≥ 0)
T
đợi
là thời gian ở trong hàng đợi.
i: số của các loại hình dịch vụ khác nhau.
Các nguồn tài nguyên kênh được chia: rank0, rank1 và
rank2. Rank0 là các kênh thông thường; rank1 và rank2 là kênh
dành riêng. Kênh rank0 có thể được sử dụng bởi tất cả các loại
lưu lượng truy cập, kênh rank1 rank2 kênh cần ngưỡng truy
cập. Khi không có rank0 nào nhàn rỗi, luồng lưu lượng mới và
lưu lượng chuyển giao được cho vào hàng đợi trong CQM. Nếu
hàm ưu tiên có giá trị X

i
(t,a)> threshold1, luồng lưu lượng có
thể được truy cập vào kênh rank1, và nếu hàm ưu tiên có giá trị
X
i
(t,a)> threshold2 (threshold2> threshold1), luông lưu lượng
có thể được truy cập vào kênh rank2.
Bởi vì mức ưu tiên của lưu lượng trong hàng đợi là động
và giá trị của hàm ưu tiên tăng tuần tự theo thời gian trong
hàng đợi nên những lưu lượng có mức ưu tiên ban đầu thấp sẽ
không dễ dàng bị loại bỏ.