tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng wimax

1
LỜI NÓI ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Nhờ sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, truyền thông băng
thông rộng đang ngày càng trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi ích cho
người sử dụng. Bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ như truy cập Internet, các trò
chơi tương tác, hội nghị truyền hình,… thì truyền thông băng thông rộng di động
cũng đang được ứng dụng rộng rãi, cung cấp các kết nối tin cậy cho người sử
dụng ngay cả khi di chuyển qua một phạm vi rộng lớn. Trong đó, truy cập
băng rộng không dây là một lĩnh vực mang lại sự quan tâm đáng kể của các tổ
chức nghiên cứu cũng như các nhà cung cấp thiết bị, các nhà khai thác mạng.
Ngày nay thế giới đang hướng tới tương tác toàn cầu trong truyền thông băng
rộng không dây, điều này không chỉ mang lại sự hội tụ về truyền thông toàn
cầu mà còn mang lại nhiều lợi nhuận về mặt kinh tế, giúp cho việc phát triển
khoa học, công nghệ, chính trị, văn hoá,… giữa các nước trên toàn thế giới.
Trong bối cảnh đó, WiMAX ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy
cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế ADSL và Wi-Fi. Hệ thống
WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền vô tuyến với tốc độ lên đến
70Mbps và với bán kính phủ sóng lên đến 50km.
Tuy diễn đàn WiMAX đã đưa ra các thông số kỹ thuật của lớp PHY và lớp
MAC cho phần lớn các chuẩn nhưng trong một số chuẩn các thông số chung
vẫn chưa được đề cập. Điều này dẫn đến sự khác biệt trong việc sử dụng các kỹ
thuật trong WiMAX giữa các nhà cung cấp thiết bị, chẳng hạn như kỹ thuật lập
lịch cho WiMAX. Để bảo đảm chất lượng truyền dẫn thông tin cho các lưu lượng
khác nhau, các nhà cung cấp thiết bị cần điều chỉnh các thông số theo tiêu chuẩn
IEEE 802.16 cho các ứng dụng đa phương tiện có băng thông rộng, chẳng hạn
tốc độ dữ liệu rất cao như là VoIP, Video, luồng âm thanh và cũng như các ứng
dụng tốc độ dữ liệu thấp như là lướt Web. Trong một số ứng dụng truyền thông
thời gian thực, độ trễ tín hiệu là một trong các thông số quan trọng. Ví dụ như
theo nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.16, độ trễ cho phép của VoIP là 120 ms, khi độ
trễ vượt quá 150 ms thì chất lượng thoại sẽ bị giảm sút nghiêm trọng và khi

giá trị này vượt quá 200 ms thì không thể chấp nhận được. Để giải quyết vấn
đề này, người ta nghiên cứu các thuật toán lập lịch trong WiMAX nhằm cải thiện
chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng khác nhau trong hệ thống WiMAX. Vì vậy,
đề tài “Nghiên cứu các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng
Wimax” là một đề tài có tính cấp bách và thực tiễn cao.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh cùng
các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học
Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung: “Nghiên
cứu các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng Wimax”. Đề tài gồm các
nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng Quan Về Mạng Truy Nhập Băng Rộng-WiMAX. Toàn
chương một đã đưa ra cái nhìn tổng quan nhất về một số công nghệ mạng truy nhập
băng rộng, những đặc thù của các loại công nghệ truy nhập này nhằm tạo cơ sở
2
khách quan để đánh giá và lựa chọn công nghệ phù hợp. Chương này cũng trình bày
rõ sự khác biệt gữa hai mô hình ứng dụng WiMAX cố định và WiMAX di động.
Dựa vào những đặc điểm khác nhau của các định dạng này giúp các nhà cung cấp
dịch vụ trong từng hoàn cảnh cụ thể sẽ lựa chọn mô hình phù hợp trong triển khai
thực tế.
Chương 2: Mạng WiMAX. Nghiên cứu về cấu trúc của hệ thống, cấu hình
mạng, kiến trúc mạng và các ưu nhược điểm của mạng Wimax.
Chương 3: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG
MẠNG WIMAX.
Học viên tìm hiểu cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ wimax, khảo sát một số
thuật toán lập lịch gói đã được đưa ra trong các bài báo khoa học của một số nhà
nghiên cứu trên thế giới, từ đó đánh giá những ưu điểm và nhược điểm của các thuật
toán đó.
Chương 4: ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG MỘT SỐ KỸ THUẬT LẬP LỊCH
TRONG WIMAX.
Học viên sẽ tập trung phân tích đánh giá hiệu năng của hai thuật toán được

đưa ra khảo sát đó là thuật toán PF và thuật toán WFQ kết hợp với điều khiển tốc độ
luồng bằng Leaky Bucket. Các phân tích đánh giá trong chương này, đều dựa trên
kết quả mô phỏng thu được từ module WiMAX.
3
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG-WiMAX
1.1 Mạng Truy Nhập băng rộng
Định nghĩa mạng truy nhập:Theo các khuyến nghị của ITU-T(Liên minh viễn
thông quốc tế phát triển các tiêu chuẩn quốc tế),mạng truy nhập là một chuỗi các
thực thể truyền dẫn giữa SNI (Service Node Interface– Giao diện nút dịch vụ) và
UNI (User Network Interface – Giao diện người sử dụng - mạng). Mạng truy nhập
chịu trách nhiệm truyền tải các dịch vụ viễn thông. Giao diện điều khiển và quản lý
mạng là Q.
Hình 1.1 Kết nối mạng truy nhập với các thực thể mạng
1.2 Tổng quan về WiMAX
WiMAX là từ viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access
có nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba. Với WiMAX cố định có
tốc độ tương đương với ADSL, trong khi không cần dùng dây dẫn đến các thuê bao.
Người sử dụng các thiết bị đầu cuối chỉ cần mua một thiết bị Indoor WiMAX (kích
thước bằng một modem ADSL) là có thể dùng được Internet tốc độ cao. WiMAX di
động có tố độ lớn hơn WiFi nhưng phạm vi phủ sóng lớn hơn rất nhiều so với Wifi.
Công nghệ WiMAX, là công nghệ không dây băng thông rộng đang phát triển rất
nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng và được coi là có tiềm năng to lớn
để trở thành giải pháp “dặm cuối” lý tưởng nhằm mang lại khả năng kết nối Internet
tốc độ cao tới các gia đình và công sở.
1.2.1 Diễn đàn WiMAX
1.2.2 Các đặc điểm của WiMAX
1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16
1.2.1 Diễn đàn WiMAX
1.2.2 Các đặc điểm của WiMAX

1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16
Mạng
truy
nhập
Thuê
bao
Các
thưc thể
mạng
(PSTN ,
ISDN )
Q
SNI- Giao
diện nút dịch
vụ
UNI- Giao
diện người
sử dụng
mạng
4
Bảng 1.1. So sánh các chuẩn 802.16 [4]
802.16 802.16a 802.16d 802.16e
Phổ (GHz) 10 – 66 2 – 11 2 – 11 2 – 6
Cấu hình Trực xạ Không trực xa Không trực xạ Không trực xạ
Tốc độ bit 32 – 134
Mbps
Kênh 28
MHz
75 Mbps
Kênh 20 MHz

<=70 MHz
Kênh 20 MHz
15 Mbps (max
75 Mbps)
Kênh 5 MHz
Điều chế
QPSK,
16QAM,
64QAM
OFDM 256
sóng mang
con QPSK ,
16QAM ,
64QAM
OFDM 256 sóng
mang con, BPSK
QPSK ,16QAM ,
64QAM
OFDM
512/1024/2048
BPSK,QPSK ,
16QAM ,
64QAM
Tính di dộng Cố định Cố định Cố định Di động
Băng thông
(MHz)
20, 25 ,28 1.5 tới 20 1.25 tới 20 1.5 tới 20
Bán kính
cell
2 – 7 km 7-10 km max

50
2 -7 km 2 -7 km
1.2.4 Các định dạng của diễn dàn WiMAX
1.3 Các mô hình ứng dụng
Tổng kết
Toàn chương một đã đưa ra cái nhìn tổng quan nhất về một số công nghệ
mạng truy nhập băng rộng, những đặc thù của các loại công nghệ truy nhập này
nhằm tạo cơ sở khách quan để đánh giá và lựa chọn công nghệ phù hợp.
Chương này cũng trình bày rõ sự khác biệt gữa hai mô hình ứng dụng
WiMAX cố định và WiMAX di động. Dựa vào những đặc điểm khác nhau của các
định dạng này giúp các nhà cung cấp dịch vụ trong từng hoàn cảnh cụ thể sẽ lựa
chọn mô hình phù hợp trong triển khai thực tế .
Với những tìm hiểu sơ lược ta cũng thấy công nghệ WiMAX tỏ ra có rất nhiều
đặc tính ưu viêt trong việc triển khai dịch vụ băng thông rộng cho cả thiết bị cố định,
xách tay và di động, thậm chí đến các vùng mà với các công nghệ trước đây là khó
khăn hoặc không thể. Trong chương tiếp theo ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về kiến trúc
mạng và các kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ WiMAX.
5
CHƯƠNG 2: MẠNG WiMAX
2.1 Mô hình cấu trúc hệ thống WiMAX
Hình 2.1 Mô hình cấu trúc của WiMAX
2.2 Mặt phẳng truyền tin(dữ liệu/ điều khiển):
Mặt phẳng này gồm 2 lớp và được phân chia thành 4 lớp nhỏ hơn:
- MAC
o Lớp con tiếp ứng CS (Convergence Sublayer)
o Lớp con phần chung CPS (Common Part Sublayer)
o Lớp con bảo mật PS (Privaci Sublayer)
- PHY (physical)
2.2.1 Lớp con tiếp ứng (hay lớp con hội tụ dịch vụ chuyên biệt MAC_CS)
MAC CS nằm trên MAC CPS và sử dụng thông qua MAC SAP, các dịch vụ

được cung cấp bởi MAC CPS. Lớp này thực hiện các chức năng sau:
- Nhận các đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) từ lớp cao hơn.
- Thực hiện phân loại các PDU lớp cao hơn.
- Xử lí (nếu cần) các PDU lớp cao hơn trên cơ sở phân loại.
- Phát các CS PDU đến các MAC SAP thích hợp.
- Nhận CS PDU từ thực thể cùng cấp.
2.2.2 Lớp con phần chung (MAC CPS- common part sublayer)
Phần lõi của lớp MAC IEEE 802.16 là MAC CPS, có nhiệm vụ là :
- Định nghĩa tất cả các quản lý kết nối.
- Phân phối băng thông, yêu cầu và cấp phát, thủ tục truy nhập hệ thống.
- Lập lịch đường lên, điều khiển kết nối và ARQ.
6
- Truyền thông giữa CS và CPS được các điểm truy nhập dịch vụ MAC
(MAC SAP) duy trì. Thiết lập, thay đổi, xóa kết nối và truyền tải dữ liệu
trên các kênh là bốn chức năng cơ bản trong quá trình truyền thông tại lớp
này.
2.2.3 Lớp MAC_PS
Hai chức năng chính:
- Bảo mật qua các không gian truyền dẫn.
- Bảo vệ khỏi các đánh cắp dịch vụ.
2.2.4 Đặc điểm lớp MAC của WiMAX
2.2.5 Lớp vật lý (PHY, physical layer)
2.2.6 Các kỹ thuật truyền thông số trên lớp PHY
2.3 Cấu hình mạng
2.3.1 Cấu hình điểm-đa điểm PMP
2.3.2 Cấu hình mắt lưới MESH
2.4 Kiến trúc mạng WIMAX
2.4.1 Quá trình vào mạng
2.4.2 Một số nguyên lí cơ bản trong triển khai mạng WiMAX
2.4.3 Các dịch vụ và các ứng dụng được hỗ trợ trong WiMAX.

2.5. Những ưu điểm và môi trường ứng dụng của WiMAX
2.5.1 Ưu điểm
2.5.2 Môi trường ứng dụng của WiMAX
Tổng kết
Sau khi tìm hiểu kiến trúc mạng WiMAX với những kỹ thuật ưu việt được sử
dụng giúp công nghệ WiMAX có những đặc điểm vượt trội như khả năng che phủ
trong cả điều kiện tầm nhìn thằng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).
Cho phép nhà khai thác cung cấp dữ liệu băng rộng đến nhiều đối tượng khách hàng.
Công nghệ WiMAX cũng có rất nhiều ưu điểm đem lại từ các công nghệ như:
công nghệ OFDM, điều chế thích nghi và hiệu chỉnh lỗi…. Ngoài ra, WiMAX cũng
có nhiều tính năng tuỳ chọn như: ARQ, kênh con hoá, phân tập, và mã hoá không
gian - thời gian hứa hẹn sẽ đem lại cho nhà khai thác hiệu suất và chất lượng dịch vụ
cao hơn so với các công nghệ khác.
Dựa vào những cơ sở kỹ thuật này để đánh giá tính khả thi của công nghệ giúp
các nhà khai thác dịch vụ cân bằng giữa giá thành và hiệu suất; lựa chọn các tính
năng hợp lý cho mô hình kinh doanh cụ thể.
7
CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
TRONG MẠNG WIMAX
3.1 Các vấn đề về bảo mật
Bảo mật là một chủ đề rộng và phức tạp. Ở phần này chỉ đưa ra một giới thiệu
ngắn gọn về bảo mật. Chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề đang tồn tại, một số cơ chế
bảo mật và sử dụng một số ví dụ liên quan tới các dịch vụ không dây băng rộng đặc
biệt là WiMax. Một kiến trúc bảo mật được coi là tốt cho hệ thống thông tin vô
tuyến nếu như nó hỗ trợ được các yêu cầu cơ bản sau.
- Tính riêng tư: Cung cấp sự bảo vệ khỏi việc nghe trộm khi dữ liệu của người
sử dụng đi ngang qua mạng từ nguồn tới đích.
- Tính toàn vẹn dữ liệu: Đảm bảo được dữ liệu người sử dụng và các bản tin
điều khiển, bản tin quản lý không bị can thiệp, sửa đổi khi truyền đi.
- Sự chứng thực: Có một cơ chế xác nhận ra rằng một người sử dụng (hoặc một

thiết bị) là chính nó như khai báo ban đầu. Ngược lại một người sử dụng hoặc một
thiết bị cũng có thể kiểm tra việc chứng thực của mạng mà nó kết nối tới. Hai quá
trình trên kết hợp với nhau cho ta một sự chứng thực tương trợ lẫn nhau.
- Sự cho phép: Có một cơ chế để có thể xác nhận rằng một người sử dụng bất
kỳ có được cho phép để nhận một dịch vụ nào đó hay không.
3.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến
3.2.1 Tổng quan quản lý tài nguyên vô tuyến mạng không dây
Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép để truyền tin. Vấn đề của quản lý
tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần cố định cho trước hệ thống
hoạt động với chất lượng tốt nhất và với tốc độ truyền số liệu cao nhất. Với chất
lượng càng cao và tốc độ truyền số liệu cao, người ta nói hệ thống có hiệu suất sử
dụng phổ tín hiệu cao. Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM - Radio Resource
Management) là một trong những vấn đề thách thức nhất và quan trọng nhất của các
mạng thông tin vô tuyến hiện đại. Một chiến lược quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả
và thông minh có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống.
3.2.2 Mục đích của quản lý tài nguyên vô tuyến trong các mạng không dây
Trong các mạng không dây hiện đại, đặc biệt là các mạng không dây băng
rộng thì băng thông, tần số, khe thời gian, cũng như công suất hoạt động của hệ
thống đều là những tài nguyên hữu hạn rất quan trọng và quý giá và nhiệm vụ
của các nhà phát triển là phân phối, quản lý, tối ưu hóa các tài nguyên này để
đạt được hiệu quả sử dụng cao nhất, ít tốn kém nhất và hạn chế tối đa các nhiễu có
trong hệ thống để đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng như tiết kiệm công suất
truyền cho hệ thống .
Ngoài ra các vấn đề về nhiễu trong hệ thống và giữa các hệ thống khác nhau
cũng là một vấn đề lớn cần xem xét. Khi trong hệ thống tồn tại nhiễu thì sẽ làm
giảm đáng kể hiệu năng hoạt động vì thế các bài toán cấp phát tài nguyên cũng
phải quan tâm đặc biệt với các vấn đề chống nhiễu như chống nhiễu trong kênh,
nhiễu xuyên kênh, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa truy cập để đảm bảo chất lượng
hoạt động của hệ thống.
8

3.2.3 Một số giải pháp cho quản lý tài nguyên vô tuyến
Có một số các giải pháp khác nhau cho vấn đề RRM trong các mạng không
dây hiện nay. Chúng ta có thể tạm chia các mô hình giải pháp đó ra làm hai
nhóm là nhóm các thiết kế RRM tĩnh (fixed design) và nhóm các thuật toán RRM
động (dynamic RRM algorithms).
Trong một mô hình RRM tĩnh, các quyết định quản lý tài nguyên được thực
hiện chỉ một lần, thường là trước khi hệ thống được triển khai. Một khi quyết định
này được đưa ra, để thay đổi phạm vi và cách thức hoạt động thì không thể tái
cấp phát lại tài nguyên hệ thống mà bắt buộc phải dừng hoạt động của hệ thống
và tiếp tục đưa ra một quyết định khác. Nếu các mạng không dây là tĩnh và xác
định (derterministic) thì các thiết kế và cấp phát tĩnh là đủ để sử dụng. Tuy nhiên,
một đặc điểm quan trọng và cố hữu của mạng không dây đó là tính di động và
phân phối tải nên mọi giả thiết xem xét trong thiết kế và cấp phát tĩnh sẽ thay đổi
liên tục trong khi hệ thống hoạt động. Nói cách khác, tất cả quyết định cấp phát là
có xu hướng thay đổi trong các mạng vô tuyến thực tế. Do đó ở đây mô hình tĩnh
không còn thích hợp nữa, thay vào đó nếu ta thực hiện đáp ứng các thay đổi trên
thì có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của các mạng vô tuyến.
Các thuật toán RRM động, có hai cách tiếp cận cơ bản tới RRM động đó là
các thuật toán RRM động tập trung và các thuật toán RRM động phân tán. Trong
RRM tập trung, quyền quản lý tập trung về một điểm (một trạm gốc BS trong
mạng), trạm đó sẽ thu thập thông tin từ các node mạng khác trong mạng, tính toán
thay đổi trong cấp phát tài nguyên và thông báo lại sự thay đổi đó cho toàn thể các
node mạng khác. Trong RRM phân tán, mỗi một thành phần mạng (các node
mạng) đều thu thập các thông tin và tự điều chỉnh thay đổi các chiến lược cấp
phát tài nguyên. Chú ý rằng các thuật toán RRM động phân tán thường ít xảy ra
quá tải hơn các thuật toán RRM động tập trung. Tuy nhiên hoạt động của các thuật
toán phân tán có thể khó dự đoán riêng rẽ từng hành động thay đổi độc lập của
từng node mạng, và sự thay đổi của node mạng này có thể gây ảnh hưởng tới hoạt
động của node mạng khác trong mạng. Do đó trước khi áp dụng các thuật toán
phân tán vào thực tế thì người ta thường dùng các phương pháp mô phỏng trên

máy tính để phân tích hoạt động của mạng trước. Hơn nữa, nếu không đạt đến
một trạng thái hội tụ ổn định, thì nhiều băng thông của hệ thống sẽ bị mất bởi sự
quá tải của các bản tin báo hiệu về sự thay đổi diễn ra trong quản lý và cấp phát
tài nguyên.
3.2.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng IEEE 802.16
Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến sẽ tạo nên sự cạnh tranh lành mạnh
giữa các nhà phát triển dịch vụ WiMAX, nhà cung cấp nào quản lý tài nguyên vô
tuyến tốt hơn, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt hơn thì nhà cung cấp đó sẽ chiếm
ưu thế trên thị trường. Đứng về phương diện người dùng cá nhân trong
WiMAX, RRM phải đảm bảo tối thiểu công suất phát của thiết bị người dùng
(trong mối quan hệ ràng buộc của tốc độ và công suất truyền) đồng thời phải hạn
chế tối đa hiện tượng nhiễu đồng kênh CCI giữa người dùng thuộc những cell khác
nhau bằng cách chọn cấp phát hợp lý các kênh con cho những người dùng nằm
9
trong vùng nhiễu (vùng xen phủ) giữa hai cell.
Đứng về phương diện các loại hình dịch vụ. Do trong WiMAX định nghĩa ra 5
loại hình dịch vụ gồm có: Unsolicited grant service (UGS), Real- time polling service
(rtPS), Non-real-time polling service (nrtPS), Best effort service (BE), Extended real-
time variable rate (ERT-VR) service nên phải đảm bảo cấp phát tài nguyên cân đối
theo thứ tự ưu tiên cho các loại hình dịch vụ, cho các kết nối hiện thời và các kết nối
mới để đảm bảo được các tham số QoS của hệ thống. Công việc quản lý tài nguyên
vô tuyến như vậy được thực hiện bằng các thuật toán scheduling sẽ được khảo sát kỹ
ở các chương sau của bản luận văn tốt nghiệp này.
Đứng về phía hệ thống WiMAX/OFDMA, phải tối thiểu tổng công suất
truyền của hệ thống, tối đa thông lượng, vùng phủ và dung lượng, tối thiểu chi phí
và độ phức tạp của hệ thống.
3.3 Kiến trúc chất lượng dịch vụ
Để có được sự hỗ trợ QoS hiệu quả đến người sử dụng, nhà phân phối thiết
bị WiMAX cần phải thiết kế và thực thi thiết lập các thành phần giao thức theo
những tiêu chuẩn. Nó bao gồm chính sách lưu lượng, shaping lưu lượng, điều khiển

chấp nhận kết nối và lập lịch gói.
Hình 3.3 Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông
3.3.1 Yêu cầu về QoS
3.3.2 Các lớp dịch vụ hỗ trợ QoS lập lịch
3. 3.3 Các mô hình ứng dụng lưu lượng
3.3.4 Cơ chế yêu cầu - đáp ứng
3.3.5 Bộ lập lịch WiMAX
Bộ lập lịch
Không nhận biết kênh truyền
Nhận biết kênh truyền
10
Hình 3.4 Các bộ lập lịch tại BS và các MS
3.3.6 Các yêu cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS
Để quyết định hàng đợi nào được phục vụ và bao nhiêu dữ liệu được phép
truyền, một kỹ thuật lập lịch rất đơn giản có thể được dùng là FIFO (First In First
Out). Kỹ thuật này rất đơn giản nhưng lại không công bằng. Một kỹ thuật lập lịch
phức tạp hơn một chút là RR (Round Robin). Kỹ thuật này cung cấp sự công bằng
giữa các thuê bao nhưng nó có thể không thoả mãn các yêu cầu QoS. Cũng như thế,
nhưng khi kích cỡ gói thay đổi thì sự công bằng lại là vấn đề khác. Trong phần này
sẽ đề cập đến các nhân tố mà những người thiết kế bộ lập lịch phải quan tâm, hay là
những yêu cầu của bộ lập lịch.
3.3.7 Phân loại các thuật toán lập lịch
Hiện nay có nhiều bộ lập lịch được đề xuất cho WiMAX. Hầu hết các đề
xuất đó tập trung vào bộ lập lịch ở BS, đặc biệt là bộ lập lịch DL-BS. Với bộ lập
lịch này, các thông tin về độ dài hàng đợi và kích thước gói là dễ dàng có được. Để
đảm bảo QoS cho MS ở bộ lập lịch UL-BS, các cơ chế thăm dò được bao hàm. Một
khi QoS có thể được đảm bảo, cách để phân chia băng thông cấp phát giữa các kết
nối là tuỳ thuộc vào bộ lập lịch MS.
Các thuật toán lập lịch phổ biến hiện tại cho WiMAX có thể được phân loại
vào 2 nhóm chính sau: các bộ lập lịch không quan tâm đến kênh truyền (channel-

unaware scheduler) và các bộ lập lịch có quan tâm đến kênh truyền (channel-aware
scheduler) như trong hình 3.5.
Hình 3.5 Phân loại các bộ lập lịch WiMAX.
11
3.4 Một số kỹ thuật lập lịch cơ bản
3.4.1 Các thuật toán lập lịch đơn nhất
3.4.1.1 Round Robin (RR)
Kỹ thuật này phù hợp nếu các thuê bao có cùng lưu lượng và các đặc điểm
vô tuyến. Thực tế thì dựa vào các đặc điểm vô tuyến, sẽ xác định phương pháp điều
chế và mã hoá MCS (Modulation and Coding Scheme) được sử dụng. Vì thế nếu tất
cả các thuê bao có cùng MCS và có cùng lưu lượng, thì chúng cần lượng tài nguyên
giống nhau và khi đó, bộ lập lịch RR có thể phù hợp trong các điều kiện đó. Tuy
nhiên các điều kiện đó thường không áp dụng trong ngữ cảnh WiMAX.
Hình 3.6 Bộ lập lịch Round Robin.
3.4.1.2 Weighted Round Robin (WRR)
Bởi vì RR không thể đảm bảo QoS cho các lớp dịch vụ khác nhau, RR kết
hợp với trọng lượng, Weighted Round Robin (WRR) [6], được áp dụng cho việc lập
lịch trong WiMAX. Các trọng lượng có thể được sử dụng để điều chỉnh theo các
yêu cầu về thông lượng và trễ. Về cơ bản, các giá trị trọng lượng tuân theo luật của
độ dài hàng đợi, trễ gói hay số lượng slot cần. Các trọng lượng thay đổi động theo
thời gian.
Chu kỳ reset
bộ đếm
Bộ lập WRR
Hình 3.7 Weighted Round Robin scheduler
12
3.4.1.3 Deficit Round Robin (DRR)
Bộ lập lịch Deficit Round Robin [10] kết hợp một hạn ngạch cố định Q
i
(quantum) và một bộ đếm dư thừa DC

i
(deficit counter) vào mỗi luồng dịch vụ i.
Khi bắt đầu một vòng mới, mỗi luồng dịch vụ i được tăng thêm vào DC
i
một lượng
bằng Q
i
. Gói ở đầu của hàng đợi i là thích hợp để giải phóng khỏi hàng đợi nếu DC
i
lớn hơn hoặc bằng độ dài L
i
của gói đó. Trong trường hợp này, DC
i
sẽ bị giảm đi
một lượng bằng L
i
. Nếu gói vừa phục vụ là gói cuối cùng của hàng đợi thì DC
i
sẽ
bị thiết lập về 0.
3.4.1.4 Early Deadline First (EDF)
Thuật toán EDF [3] được thiết kế đặc biệt cho các lưu lượng thời gian thực
như là các lớp dịch vụ UGS, ertPS và rtPS. Với các lưu lượng đó giới hạn trễ là
thông số QoS chính và về cơ bản các gói với trễ không chấp nhận được sẽ bị bỏ đi.
3.4.1.5 Weighted Fair Queuing (WFQ)
Weighted Fair Queuing (WFQ) [13] là một bộ lập lịch phức tạp, được sử
dụng cho các gói có kích thước thay đổi. Nó cung cấp sự quản lý ưu tiên lưu lượng,
tự động phân loại giữa các dòng lưu lượng độc lập mà không cần một danh sách cho
phép. Trong WFQ, các gói được phân loại theo luồng. Các gói với cùng địa chỉ IP
nguồn, địa chỉ IP đích, cổng TCP hoặc UDP nguồn, cổng TCP hoặc UDP đích sẽ

xác định các luồng. Về cơ bản, mỗi kết nối có một hàng đợi FIFO riêng của nó, và
giá trị trọng lượng được gán động cho cho mỗi hàng đợi. Các tài nguyên được chia
sẻ theo tỉ lệ của trọng lượng như thuật toán WRR. Với sự thay đổi động của trọng
lượng, WFQ có thể đảm bảo tốc độ dữ liệu, trễ. Nhược điểm chính của WFQ là sự
phức tạp của nó.
Hình 3.10 Weighted Fair Queuing (WFQ)
3.4.2 Các thuật toán lai (HYBRID)
Hai thuật toán lai (kết hợp) sau đây sử dụng những cơ chế khác nhau cho
việc cấp phát băng thông cho những luồng dịch vụ khác nhau trong WiMAX.
Thuật toán lai (EDF+WFQ+FIFO) sử dụng một cơ chế ưu tiên chặt chẽ cho cấp
phát băng thông giữa các lớp, trong khi thuật toán lai (EDF+WFQ) cấp phát băng
thông cho các luồng dịch vụ dựa trên số lượng SS và tốc độ dành riêng tối thiểu
(MRTR) của SS trong mỗi lớp dịch vụ.
13
3.4.2.1 EDF + WFQ + FIFO
Hình 3.11 Cấu trúc cấp phát băng thông của thuật toán lai EDF+WFQ+FIFO
3.4.2.2 EDF + WFQ
K Vinay et al. đề xuất một thuật toán lai sử dụng thuật toán lập lịch EDF
cho các SS thuộc các lớp dịch vụ ertPS và rtPS và thuật toán WFQ cho các MS
thuộc các lớp dịch vụ nrtPS và BE. Cũng giống như thuật toán lai
(EDF+WFQ+FIFO) đã nói tới ở mục trên, công việc phân phối tổng băng thông
cho các lớp luồng dịch vụ được thực hiện lúc khởi đầu mỗi frame còn các thuật
toán EDF, WFQ được thực hiện tại thời điểm đến của mỗi gói tin. Tổng băng
thông được phân phối cho các MS thuộc các lớp luồng dịch vụ khác nhau.
TỔNG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ SƠ LƯỢC CÁC THUẬT TOÁN
Trong chương vừa rồi luận văn đã trình bày về bộ lập lịch và một số thuật
toán lập lịch cơ bản trong WiMAX. Tóm lại chúng ta đã biết được mục đích của
việc lập lịch là nhằm cung cấp đảm bảo các yêu cầu về QoS trong khi vẫn có
khả năng tận dụng một cách hiệu quả băng thông, nói cách khác lập lịch chính là
một kỹ thuật giúp quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management). Các

thuật toán lập lịch cơ bản là RR, WRR, WFQ, PF, Max CINR,…Từng thuật toán
có ưu nhược điểm riêng, ví dụ Max CINR tận dụng được tối đa tài nguyên băng
thông tuy nhiên không đảm bảo được tính công bằng, trong khi PF đảm bảo được
tính công bằng nhưng không đảm bảo được một tốc độ duy trì tối thiểu cho các
dịch vụ, đặc biệt trong những khoảng thời gian ngắn, còn RR là một thuật toán
đơn giản, thời gian xử lý nhanh và tốn ít dung lượng bộ nhớ, tuy nhiên có độ trễ
hàng đợi cao và không đảm bảo QoS. Bên cạnh những thuật toán được nêu trên
thì còn có rất nhiều các thuật toán khác được nghiên cứu phát triển, chẳng hạn
như: Delay Round Robin (DRR), Earliest Deadline First (EDF), Largest Weighted
Delay First (LWDF), Delay Threshold Priority Queuing (DTPQ),…Các thuật toán
14
này không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận văn.
Bảng 3.5 đưa ra một tổng kết và đánh giá sơ lược về các thuật toán đã khảo
sát ở những mục trên.
Bảng 3.5 Tổng kết các thuật toán lập lịch gói khảo sát
Stt
Tên thuật
toán lập lịch
Khả thi
cho
WiMax
Ưu điểm Nhược điểm
Các tham
số của
thuật toán
1 Round Robin
(RR)
Không
Đơn giản, dễ triển khai. Do người dùng có luồng lưu lượng,
chất lượng kênh vô tuyến và các

yêu cầu QoS khác nhau nên sử
dụng thuật toán này là không phù
hợp.
Không có
2
Weighted
Round Robin
(WRR)
[7]
Có Cấp phát băng thông tương đối
công bằng cho các SS, có thể sử
dụng để lập lịch cho cả đường
downlink và uplink.
Không đảm bảo giới hạn độ trễ,
không hoạt động tốt khi độ dài gói
thay đổi liên tục nếu không cung
cấp cho bộ lập lịch độ dài gói và
chiều dài hàng đợi, tuy nhiên làm
như vậy lại dẫn tới tăng độ phức
tạp triển khai.
Các giá trị
trọng số
(weight)
3
Deficit Round
Robin
(DRR) [7]
Có
Đơn giản khi triển khai, cấp
phát băng thông tương đối công

bằng cho các SS. Hiệu quả
trong trường hợp kích thức gói
tin đến thay đổi.
Chỉ có thể sử dụng cho đường
downlink
Số lượng tử
Qi cho mỗi
SS i
4
Early Deadline
First (EDF)[20]
Có
Cho độ trễ trung bình của
các luồng thời gian thực thấp.
Dẫn tới tình trạng “đói tài nguyên”
(starvation) của những người
dùng có độ ưu tiên về trễ thấp
hơn.
5 Weighted Fair
Queueing
(WFQ)
[16]
Có
Đảm bảo giới hạn trễ (Delay
bound) khi sử dụng kèm theo
ràng buộc về Leakey Bucket,
hơn nữa thuật toán này có thể
tái cấp phát phần băng thông
chưa sử dụng cho các kết nối
đang hoạt động một cách công

bằng theo trọngsố.
Độ phức tạp triển khai cao.
6
Hybrib(EDF+
WFQ+FIFO)
[8]
Cho độ trễ trung bình của
các luồng thời gian thực thấp.
Độ phức tạp triển khai cao.
7
Hybrib(EDF+
WFQ)
Cho độ trễ trung bình của các
luồng thời gian thực thấp. Phân
phối băng thông công bằng hơn
thuật toán EDF+WFQ+FIFO
Độ phức tạp triển khai cao.
15
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG MỘT SỐ
KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG WIMAX
4.1 Môi trường mô phỏng
Môi trường thực hiện mô phỏng ở đây là NS-2 (Network Simulator) được
cài đặt trên hệ điều hành Linux. NS-2 là một công cụ mã nguồn mở cho phép mô
phỏng mạng chuyển mạch gói, hỗ trợ mô phỏng các giao thức như TCP, UDP, các
giao thức định tuyến, giao thức lớp MAC trên môi trường mạng vô tuyến và hữu
tuyến…Tuy nhiên bản thân NS-2 không hỗ trợ mô phỏng các thành phần của
chuẩn 802.16, để có thể thực hiện phần mô phỏng WiMAX, luận văn sử dụng
module hỗ trợ WiMAX của học viện NIST (National Institute of Standards and
Technology) đã được cấu hình thêm hai bộ lập lịch là PF và WFQ kết hợp Leaky
Bucket.

Hình 4.1 Quá trình thực hiện mô phỏng với phần mềm NS-2
Hình 4. 2 Sự kết hợp giữa C++ và OTcl trong NS-2
4.1.1 Các thành phần chính của trạm gốc Base Station triển khai bởi công cụ
mô phỏng
4.1.2 Các thành phần chính của trạm MS (Mobile Station) triển khai bởi công
cụ mô phỏng
4.1.3 Bộ lập lịch UL/DL
4.2 Các thuật toán lập lịch gói sử dụng trong kịch bản mô phỏng
4.2.1 Thuật toán PF
16
4.2.2 Thuật toán WFQ kết hợp ràng buộc Leaky Bucket
4.3 Xây dựng kịch bản mô phỏng [19]
4.3.1 Mô hình mạng
Hình 4.10 Mô hình mạng sử dụng trong các kịch bản mô phỏng
4.3.2. Lựa chọn nguồn traffic
4.3.3 Các tham số sử dụng trong kịch bản mô phỏng
4.4 Kết quả mô phỏng
Để kiểm tra ưu nhược điểm của hai thuật toán đó trình bày trong những phần
trước, học viên tìm hiểu hai kịch bản mô phỏng. Trong đó một kịch bản cho phép
các MS di động và kịch bản còn lại thì các MS cố định trong vùng phủ sóng của
trạm BS. Cả hai kịch bản đều sử dụng hai thuật toán PF và WFQ với sự hỗ trợ của
Leaky Bucket. Kết quả thu được như sau.
4.4.1 Kịch bản di động
1. Thông lượng
Trên đồ thị hình 4.11 và 4.12 (thời gian lấy mẫu là 2s) ta có thể thấy được sự
phân bố về thông lượng giữa 4 MS sử dụng 4 luồng dịch vụ khác nhau với hai thuật
toán PF và WFQ. Có thể thấy do có sự di động của các MS nên thông lượng của các
luồng không ổn định và không đạt được mức thông lượng giới hạn đặt ra bởi Leaky
Bucket (nominated rate), rõ ràng nhất ở thời điểm 32s có sự sụt giảm về thông lượng
của 2 luồng nrtPS và BE do hai MS nhận hai luồng này đi ra xa BS. Tuy nhiên tổng

thông lượng của các luồng khi sử dụng thuật toán WFQ là lớn hơn tổng thông lượng
khi sử dụng thuật toán PF và ở thuật toán WFQ thông lượng các luồng phân bố gần
với mức thông lượng giới hạn hơn là ở thuật toán PF.
Qua những đánh giá trên có thể thấy rõ thuật toán PF chỉ đảm bảo phân bố
công bằng thông lượng cho các luồng nhưng tính ổn định của giá trị thông lượng
không cao so với khi sử dụng thuật toán WFQ.
17
Hình 4.11 Thông lượng của các luồng dịch vụ với bộ lập lịch WFQ trong kịch bản di
động
Hình 4.12 Thông lượng của các luồng dịch vụ với bộ lập lịch PF trong kịch bản di
động
2. Độ trễ hàng đợi
18
Để khảo sát độ trễ hàng đợi ở hai bộ lập lịch ta tiến hành lấy các giá trị trễ
hàng đợi của từng gói tin (với dịch vụ thời gian thực rtPS) được gửi đi ở BS và tiến
hành vẽ đồ thị phân bố trễ sử dụng các hàm phân bố trễ xác suất.
Nhìn vào đồ thị hàm phân bố xác suất (hình 4.13) ta có thể thấy trừ PF là thuật
toán có độ trễ hàng đợi cao hơn nhiều so với WFQ, như vậy kết quả này hoàn toàn
phù hợp với lý thuyết về các bộ lập lịch phân tích ở trên.
Hình 4.13 Đồ thị xác suất trễ với bộ lập lịch WFQ và PF trong kịch bản di động
4.4.2 Kịch bản cố định
Các kết quả thu được của phần mô phỏng với kịch bản cố định cũng sát và hợp
lý với phân tích về lý thuyết như kết quả của kịch bản di động đó phân tích ở trên
nên ở phần này học viên chỉ đưa ra các đồ thị để so sánh và đối chiếu kết quả.
19
1. Thông lượng
Hình 4.14 Thông lượng của các luồng dịch vụ với bộ lập lịch WFQ trong kịch
bản cố định
Hình 4.15 Thông lượng của các luồng dịch vụ với bộ lập lịch PF
trong kịch bản cố định

20
2. Độ trễ hàng đợi
Hình 4.16 Đồ thị xác suất trễ với bộ lập lịchWFQ và PF trong kịch bản cố định
21
KẾT LUẬN
Công nghệ truy nhập không dây băng rộng WiMAX là một công nghệ có tiềm
năng phát triển rất lớn dựa trên những ưu điểm nổi bật của nó so với các công nghệ
như DSL, Wifi hay 3G. Đó là khả năng kết nối linh hoạt, khả năng duy trì một tốc
độ kết nối cao với một vận tốc di chuyển tương đối nhanh, chính vì vậy WiMAX
hứa hẹn sẽ đem đến cho người dùng khả năng truy nhập mọi lúc mọi nơi với tốc độ
cao.
Với đặc tính linh hoạt trong kết nối và phạm vi phủ sóng rộng, WiMAX có
thuận lợi lớn trong việc lắp đặt và triển khai tại những vùng cao, vùng sâu, vùng xa
cũng như tại những nơi mà địa hình phức tạp, dân cư đông đúc, đất đai chật chội và
rất khó triển khai lắp đặt cơ sở hạ tầng cho những thiết bị mạng hữu tuyến. Do đó
WiMAX được coi là một công nghệ có khả năng ứng dụng thực tế cũng như hiệu
quả kinh tế cao.
Trong bản luận văn tốt nghiệp này học viên đã đi sâu nghiên cứu các đặc tả
quan trọng nhất ảnh hưởng tới nhiệm vụ lập lịch quản lý tài nguyên vô tuyến
(RRM) và quản lý chất lượng dịch vụ (QoS) của lớp PHY và lớp MAC được đề
cập tới trong chuẩn IEEE 802.16/WiMAX. Qua việc nghiên cứu những đặc tả
đó, học viên nêu lên những điểm cần chú ý trong quản lý tài nguyên vô tuyến và
quản lý chất lượng dịch vụ trong một mạng không dây băng rộng như WiMAX,
đồng thời những tiêu chí để đánh giá một thuật toán lập lịch gói hiệu quả hỗ trợ
quản lý vào việc quản lý tài nguyên vô tuyến, quản lý chất lượng dịch vụ cũng
được phân tích và làm rõ. Học viên cũng đã có những khảo sát, phân tích kỹ lưỡng
về ưu nhược điểm về khía cạnh quản lý tài nguyên vô tuyến của một số thuật toán
lập lịch gói được nghiên cứu và ứng dụng bởi cộng đồng khoa học ngày nay.
Xuất phát từ những ưu nhược điểm của từng thuật toán phân tích được, học viên
có đề xuất việc sử dụng một thuật toán mới là sự kết hợp của thuật toán chia sẻ công

bằng theo trọng số Weighted Fair Queueing (WFQ) với thuật toán giới hạn tốc độ
luồng Leaky Bucket. Để làm rõ những ưu nhược điểm mà thuật toán này mang lại,
học viên thực hiện tìm hiểu thuật toán đề xuất và so sánh, đánh giá hiệu năng cùng
với thuật toán lập lịch phổ biến Proportional Fair (PF). Kết quả mô phỏng khá sát
với mong đợi về lý thuyết, thuật toán PF chỉ cho phép phân phối đều băng thông cho
các luồng dịch vụ theo các hằng số trễ cho trước chứ không tối đa tổng thông lượng
của hệ thống . Mặt khác thuật toán PF cũng không có một đường bao trễ hàng đợi,
do đó ta không thể kiểm soát được độ trễ hàng đợi của hệ thống tại những thời điểm
khác nhau, do đó không đảm bảo hỗ trợ yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS. Đối với
thuật toán WFQ thì tổng thông lượng thu được của toàn hệ thống là cao hơn PF và
gần với mức mong muốn như đó xác định trước trong các tham số mô phỏng. Với
thuật toán WFQ việc cấp phát băng thông cho các luồng dịch vụ khác nhau trở nên
ổn định hơn, băng thông được cấp phát đều hơn các trọng số f
i
cho trước. Môt ưu
điểm quan trọng nhất của thuật toán WFQ khi sử dụng phối hợp với ràng buộc về
Leaky Bucket là đó giới hạn được trễ hàng đợi, giá trị trễ giới hạn Dmax hoàn toàn
có thể tính toán trước được bằng các thay đổi các tham số của Leaky Bucket như
Bm,i và Ri , do đó ta có thể kiểm soát được trễ hàng đợi trong hệ thống , từ đó có
22
thể quản lý được các yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS. Tuy thuật toán WFQ kết hợp
Leaky Bucket khá mạnh mẽ xét trên khía cạnh về cung cấp thông lượng cho hệ
thống và đảm bảo trễ hệ thống , nhưng một nhược điểm dễ thấy của thuật toán này là
phức tạp dẫn đến tốn tài nguyên hệ thống . Tuy nhiên với sức mạnh của các bộ vi xử
lý với công nghệ của thời đại ngày nay, sẽ là hoàn toàn khả thi để áp dụng triển khai
thuật toán đề xuất này vào thực tế.
Cũng khá nhiều việc phải làm để chứng minh tính hiệu quả của thuật toán đề
xuất này trong thực tế nhưng hướng phát triển trước mắt của luận văn sẽ là thử
nghiệm và đánh giá sự kết hợp của một số thuật toán xấp xỉ khác của GPS nhưng dễ
thực hiện hơn WFQ với bộ điều khiển tốc độ Leaky Bucket. Sau khi đó có những

kết luận về thuật toán khả thi nhất học viên sẽ phát triển một khung làm việc
(framework) để giải quyết vấn đề nhiễu đồng kênh CCI trong các hệ thống sử dụng
đa truy nhập OFDMA như WiMAX/3GPP-LTE. Giải quyết được vấn đề này chúng
ta sẽ có được một cái nhìn toàn diện và đầy đủ hơn về quản lý tài nguyên vô tuyến
trong mạng IEEE 802.16/ WiMAX./