Nghiên cứu cơ chế lập lịch hiệu quả trong công nghệ mạng WiMAX

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI THỊ CẨM DƢƠNG

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ LẬP LỊCH HIỆU QUẢ TRONG
CÔNG NGHỆ MẠNG WIMAX

Ngành: Công nghệ Thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S Dƣơng Lê Minh

Hà Nội - 2015


2

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ngƣời thầy TS. Dƣơng Lê Minh,
thầy đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hƣớng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn
thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Thầy đã dẫn dắt cho tôi tới những vấn đề khoa học,
định hƣớng nghiên cứu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất cho tôi học tập và
nghiên cứu.
Tôi cũng xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trƣờng Đại học Công
nghệ đã tham gia giảng dạy và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu cho tất cả các học

viên nói chung và cá nhân tôi nói riêng.
Cuối cùng, tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn về sự giúp đỡ của các thầy cô, anh, chị,
em đồng nghiệp trong khoa Công nghệ Thông tin - trƣờng Đại học Thủ đô Hà Nội, cơ
quan nơi tôi công tác đã tạo điệu kiện tốt nhất cho tôi về thời gian cũng nhƣ động viên
tôi hoàn thành bài luận văn.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2015

Học viên

Bùi Thị Cẩm Dƣơng


3

LỜI CAM ĐOAN
Những kiến thức trình bày trong luận văn là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và trình
bày lại theo cách hiểu. Trong quá trình làm luận văn, tôi có tham khảo các tài liệu có
liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đó. Tôi xin cam đoan đây là công trình
nghiên cứu của tôi và không sao chép của bất kỳ ai với sự hỗ trợ của giảng viên hƣớng
dẫn. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong luận văn này là trung thực và chƣa từng
đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào.

Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2015

Học viên

Bùi Thị Cẩm Dƣơng


4

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................3
MỤC LỤC .......................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................... Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................... Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................6
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ WIMAX ......................................................................7
1.1

GIỚI THIỆU WIMAX .......................................................................................7

1.1.1

Lịch sử phát triển.........................................................................................7

1.1.2

Kiến trúc WiMAX .......................................................................................9

1.2

CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX ...................................................10

1.3

ỨNG DỤNG CỦA WIMAX ........................... Error! Bookmark not defined.

1.4

LỚP MAC TRONG WIMAX .......................... Error! Bookmark not defined.

1.4.1

Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ ........... Error! Bookmark not defined.

1.4.2

Lớp con phần chung MAC (CPS) ............. Error! Bookmark not defined.

1.4.3

Lớp con bảo mật ........................................ Error! Bookmark not defined.

1.5

CƠ CHẾ YÊU CẦU THIẾT LẬP KẾT NỐI .. Error! Bookmark not defined.

1.5.1

Đƣờng xuống DL ...................................... Error! Bookmark not defined.

1.5.2

Đƣờng lên UL ........................................... Error! Bookmark not defined.

1.6

TDD FRAME ................................................... Error! Bookmark not defined.

1.6.1

TDD Downlink-subframe ......................... Error! Bookmark not defined.

1.6.2

TDD Uplink-subframe .............................. Error! Bookmark not defined.

1.7

KIẾN TRÚC QoS VÀ QoS SCHEDULING ... Error! Bookmark not defined.

1.7.1

Kiến trúc QoS ............................................ Error! Bookmark not defined.

1.7.2

QoS Scheduling ......................................... Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 2.KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WIMAX ............ Error!
Bookmark not defined.
2.1

CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ .............................. Error! Bookmark not defined.

2.1.1

Yêu cầu về QoS ......................................... Error! Bookmark not defined.

2.1.2

Yêu cầu về lập lịch QoS tại từng tầng....... Error! Bookmark not defined.

2.1.3

Các cơ chế yêu cầu – đáp ứng ................... Error! Bookmark not defined.

2.1.4

Các yêu cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS .... Error! Bookmark not defined.

2.2

MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH ............. Error! Bookmark not defined.

2.2.1

First Come First Serve .............................. Error! Bookmark not defined.

2.2.2

Early Deadline First .................................. Error! Bookmark not defined.

5

2.2.3

Strict Priority ............................................. Error! Bookmark not defined.

2.2.4

Fair Queuing .............................................. Error! Bookmark not defined.

2.2.5

Round Robin ............................................. Error! Bookmark not defined.

2.2.6

Weighted Round Robin ............................. Error! Bookmark not defined.

2.2.7

Weighted Fair Queuing ............................. Error! Bookmark not defined.

2.2.8

Deficit Weighted Round Robin ................. Error! Bookmark not defined.

2.2.9

Cross-Layer ............................................... Error! Bookmark not defined.

2.3

SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN ..................... Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3.THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS ........... Error! Bookmark not
defined.
3.1 CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM TRÊN MÔ PHỎNG .... Error! Bookmark not
defined.
3.1.1

Môi trƣờng mô phỏng ............................... Error! Bookmark not defined.

3.1.2

Kịch bản mô phỏng ................................... Error! Bookmark not defined.

3.2

THUẬT TOÁN “LẬP LỊCH HỖN HỢP” ....... Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................11


6

MỞ ĐẦU
1.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, mạng truy cập không dây băng thông rộng BWA (Broadband Wireless
Access) đang là lĩnh vực đƣợc tập trung nghiên cứu và phát triển. Trong đó, Wi-Fi và
3G là những công nghệ đang phát triển với tốc độ dữ liệu tăng nhanh. Tuy nhiên, WiFi và 3G có hạn chế chỉ sử dụng đƣợc trong phạm vi nhỏ và với tốc độ không cao.
Công nghệ mạng WiMAX ra đời, là giải pháp kinh tế khi triển khai internet cho những
vùng xa, địa hình khó khăn ở đó số ngƣời dùng không đủ nhiều để đầu tƣ triển khai
mạng cáp quang cho mạng đƣờng trục 3G.
Yêu cầu đối với mạng truy cập không dây băng thông rộng là hỗ trợ chất lƣợng
dịch vụ đồng thời cho nhiều dịch vụvới những đòi hỏi về QoS khác nhau. WiMAX
với sự hỗ trợ đảm bảo chất lƣợng dịch vụ (QoS) hoàn toàn đáp ứng những dịch vụ chất
lƣợng gồm có thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng
nhƣ hội nghị video và giám sát video, mạng riêng bảo mật (yêu cầu an ninh cao).Chất
lƣợng dịch vụ là tiêu chí quan trọng để đo lƣờng hiệu năng của một mạng, đƣợc cung
cấp thông qua việc phân lớp và lập lịch cho 5 lớp dịch vụ với các mức độ QoS riêng.
Do đó, lập lịch lƣu lƣợng hiệu quả là rất quan trọng trong mạng WiMAX.
Luận văn này tập trung tìm hiểu những cách thức, thuật toán để giải quyết bài
toán lập lịch nêu ở trên mà trong chuẩn IEEE.802.16 còn có phần để ngỏ cho các nhà
phát triển dịch vụ lựa chọn.
2.

CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn gồm các phần chính sau:
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ WiMAX

Chƣơng 1 giới thiệu nền tảng của tiêu chuẩn IEEE 802.16 và WiMAX, trình bày
kiến trúc WiMAX, các đặc tính nổi bật của WiMAX, và đặc biệt là lớp MAC trong
WiMAX, cấu trúc MAC trong TDD Frame, và các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ.
Chƣơng 2: KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WiMAX
Chƣơng 2 tập trung tìm hiểu yêu cầu chất lƣợng dịch vụ (QoS), các cơ chế yêu

cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS và phân tích một số thuật toán lập lịch
Chƣơng 3: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS
Chƣơng 3 thực hiện mô phỏng thuật toán lập lịch trong dịch vụ BE và UGS, giới
thiệu thuật toán lập lịch đề xuất nhằm mục đích cải thiện chất lƣợng dịch vụ mạng.


7

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ WIMAX
WiMAX, viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access – hay
IEEE 802.16 – wireless microwave access – truy cập vô tuyến sóng cực ngắn, là công
nghệ không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.16 cung cấp kết nối Internet băng thông
rộng chocả mạng cố định và di động ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ
kiểu kết nối điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) cho tới kết nối dạng lƣới
(mesh) Công nghệ mạng WiMAX phát triển qua bốn giai đoạn, dù không phân chia rõ
ràng hoặc tuần tự: (1) hệ thống lặp cục bộ không dây, (2) hệ thống băng thông rộng
truyền thẳng LOS – Line of Sight, (3) hệ thống băng thông rộng không truyền thẳng
NLOS – non Line of Sight, (4) hệ thống không dây băng thông rộng dựa trên các
chuẩn. [03]
Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn đƣợc gọi là WirelessMAN. Truyền
thông trong WiMAX là hƣớng kết nối. Tất cả dịch vụ từ lớp vật lý lên WiMAX MAC,
bao gồm những dịch vụ kết nối, là những mô hình kết nối giữa SS (Subscriber Station)
và BS (Base Station) trong lớp MAC. Một SS có thể có nhiều kết nối đến BS với mục
đích cung cấp nhiều dịch vụ đến ngƣời sử dụng. Kết nối đƣợc xác định bằng 16-bit
(CIDs), tạo điều kiện thuận lợi dải thông cho kết nối và sự hỗ trợ QoS trong môi
trƣờng kết nối không dây tự động.

Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX trong chế độ PMP
1.1

GIỚI THIỆU WIMAX

1.1.1 Lịch sử phát triển
IEEE 802.16 – 2001: Chuẩn WiMAX đầu tiên đƣợc thông qua vào tháng
10/2001, xác định mạng truyền không dây băng thông rộng từ điểm tới đa điểm với
mục đích cho phép triển khai nhanh chóng và rộng rãi các hệ thống vô tuyến băng
thông rộng với chi phí hiệu quả thay thế truy nhập băng thông rộng có dây, đảm bảo


8

khả năng tƣơng thích giữa các thiết bị khác nhau, dải tần hoạt động từ 10 GHz đến 66
GHz, khoảng cách 2-7km. Nhƣợc điểm là chỉ dùng trên đƣờng truyền thẳng LOS
(Light Of Sight).
IEEE 802.16a: bổ sung thêm dải tần số 2-11 GHz, giúp việc truyền sóng trong
môi trƣờng có vật cản và bị che khuất dễ dàng hơn, bổ sung các kỹ thuật cho lớp vật lý
giúp tối ƣu kênh truyền theo băng tần ứng dụng.
IEEE 802.16b: hoạt động trên dải tần số 5-6 GHz, cung cấp các dịch vụ với chất
lƣợng cao, nhƣ ứng dụng truyền video, audio, real-time.
IEEE 802.16d hay IEEE 802.16-2004: mở rộng các đặc điểm kĩ thuật của
WiMAX ở dải tầng số 2–11 GHz, mô tả hệ thống WiMAX và sự phù hợp tiêu chuẩn
đến môi trƣờng mạng không dây tự động, thích ứng kiểu mạng lƣới mà trong đó một
thiết bị cuối có thể liên lạc với BS thông qua thiết bị cuối khác, giúp mở rộng vùng
phủ sóng của BS. Chuẩn này hỗ trợ cả hai phƣơng thức truyền song công phân chia
theo tần số (FDD - Frequency Division Duplexing) và truyền song công phân chia theo
thời gian (TDD - Time Division Duplexing). Điểm nổi bật của phiên bản này là sự
ghép nối của các đơn vị giao thức dữ liệu (PDU – Protocol Data Unit) với các đơn vị
dịch vụ dữ liệu (SDU – Service Data Unit).
IEEE 802.16e – 2005: đƣợc hoàn thiện năm 2005, dựa trên nền tảng WiMAX
cho các ứng dụng di động, thƣờng đƣợc biết đến với tên gọi “Mobile WiMAX”. Phiên

bản này đƣa ra phƣơng pháp điều chế, đa truy nhập sử dụng công nghệ OFDMA cho
phép các tín hiệu có thể chia thành nhiều kênh con khác nhau (subchannelization)
nhằm giảm thiểu nhiễu đa đƣờng.
Đa lựa chọn cho mô hình MAC, song công (kép, duplexing), băng tần hoạt động,
… Nhiều chuẩn đƣợc phát triển phù hợp đa dạng ứng dụng và các kịch bản phát triển,
và cung cấp một loạt các lựa chọn thiết kế cho các nhà phát triển hệ thống. Có thể nói
rằng, IEEE 802.16 là một tập hợp của các chuẩn.


9

1.1.2 Kiến trúc WiMAX

Hình 1.2: Kiến trúc mạng WiMAX
Kiến trúc mạng WiMAX về cơ bản gồm hai phần:
1.1.2.1Trạm gốc
Trạm gốc(BS – Base Station) đƣợc kết nối với mạng Internet thông qua các
đƣờng truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể nối tới BS khác nhƣ một trạm trung
chuyển bằng đƣờng truyền thẳng LOS (Line Of Sight). Do đó, WiMAX có vùng phủ
sóng rộng lớn.
Trạm BS có các chức năng nhƣ:
- Tiếp nhận các kết nối và giao tiếp với các thiết bị đầu cuối.
- Cho phép số lƣợng lớn lên tới vài ngàn phiên kết nối đồng thời.
- Khả năng tƣơng thích cao với nhiều thiết bị đầu cuối.
- Khoảng cách kết nối lên đến 50km với tốc độ băng thông tối đa 70Mbps.
1.1.2.2Trạm thuê bao(SS –Subscriber Station)
Trạm thuê bao (SS –Subscriber Station) là các angten nhỏ kết nối với thiết bị thu
đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX hoặc các
card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động.
Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ việc truyền dữ liệu đến

các SS. Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông trực tiếp giữa hai
thiết bị đầu cuối của trạm thuê bao SS với nhau. Kết nối giữa BS và các SS sẽ gồm
một kênh uplink và 1 kênh downlink. Kênh uplink sẽ chia sẻ băng thông cho
nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm cung cấp thông tin quảng bá
(broadcast). Trong trƣờng hợp không có vật cản giữa SS và BS, thông tin sẽ đƣợc trao


10

đổi trên băng tầng cao. Ngƣợc lại, thông tin sẽ đƣợc truyền trên băng tầng thấp để
chống nhiễu.
1.2

CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX

Hình 1.3: Các đặc tính nổi bật của công nghệ WiMAX
- Khả năng mở rộng băng thông và hỗ trợ tốc độ dữ liệu: tốc độ lớp vật lý có thể
đạt 74 Mbps trong khi hệ điều hành sử dụng phổ rộng 20MHz, 25Mbps cho
download, 6.7Mbps cho upload. Linh hoạt phân bố tài nguyên sử dụng trên cả
đƣờng truyền uplink và đƣờng downlink.
- Hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ: lớp MAC trong WiMAX là kỹ thuật hƣớng kết nối,
đƣợc thiết kế để hỗ trợ đa ứng dụng bao gồm giọng nói, video, các dịch vụ đa
truyền thông. MAC WiMAX đƣợc thiết kế hỗ trợ đa ngƣời dùng với nhiều kết
nối trên thiết bị, với mỗi yêu cầu QoS khác nhau.
- Bảo mật mạnh mẽ: bằng cách mã hóa đƣờng truyền giữa BS và SS, sử dụng
chuẩn mã hóa nâng cao (Advanced Encryption Standard – AES), giao thức
quản lý key và tính riêng tƣ với kỹ thuật xác thực dựa trên Giao thức xác thực
mở rộng (Extensible Authentication Protocol – EAP), với định danh,
username/password, xác nhận số, smart cards. WiMAX cũng hỗ trợ VLAN
(Virtual LAN – mạng LAN ảo), cung cấp khả năng bảo vệ dữ liệu khi đang

đƣợc truyền giữa những ngƣời sử dụng khác nhau trên cùng BS.
- Hỗ trợ cho di động: hỗ trợ sự liền mạch an toàn cho các ứng dụng di động chịu
chậm trễ, nhƣ VoIP. Khi SS đăng ký thành công trong cơ sở dữ liệu hệ thống
của BS, SS sẽ đƣợc cấp kết nối, nó sẽ tự nhận dạng và xác định các đặc tính
của đƣờng kết nối với BS.


11

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] IEEE, “IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems”,
IEEE Std 802.16™-2012.
[2]IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, “Part 1 6: Air Interface
for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2: Physical
and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile
Operation
in
Licensed
Bands”,
IEEE
Std
802.16e™-2005
and
IEEE Std 802.16™-2004/Cor1-2005.
[3] Jeffrey G. Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, “Fundamentals of WiMAX Understanding Broadband Wireless Networking”,
[4] Professor Nguyen DinhThong, “802.16 MAC Layer Scheduling and its Effect on
TCP performance”,
[5] Teerawat Issariyakul and Ekram Hossain,Springer Science Business Media, LLC,
233 Spring Street, New York, NY 10013, USA,“Introduction to Network Simulator
NS2”

[6] Sadia Murawwat, Shen Ting-Zhi, Muhammad Iqbal, Tariq Aziz, Umer Farooq,“An
overview of scheduling strategies for PMP mode in IEEE 802.16”, 2012.
[7] Jia-Ming Liang, You-Chiun Wang, and Yu-Chee Tseng, “Scheduling Problems
and Solutions in WiMAX Networks”, 2011.
[8] Seungwoon Kim and Ikjun Yeom, Member, IEEE, “TCP-Aware Uplink Scheduling
for IEEE 802.16”, IEEE Communications Letters, vol.11, no. 2, February 2007.
[9] NS-2 Development Team (Contacts: Shyam Parekh,Alcatel-Lucent; Biplab Sikdar,
RPI), “TheWiMAX Forum System Level Simulator NS-2 MAC+PHY Add-On for
WiMAX (IEEE 802.16)”, WIMAX Forum, Release 2.6 (In Collaboration with NIST),
Version 2.6 (Beta), March 20, 2009.
[10] “The ns Manual (formerly ns Notes and Documentation)”, The VINT Project, A
Collaboration between researchers atUC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC,
November 4, 2011.
[11]SyedAhsonMohammadIlyas,WiMAX:Technologies,PerformanceAnalysis,andQoS,
Taylor&FrancisGroup,NewYork, 2008.
[12]Jani Lakkakorpi, Alexander Sayenko, and Jani Moilanen,Comparison of Different
Scheduling Algorithms forWiMAX Base Station, Proceedings of the 2008 IEEE
Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2008). Las Vegas,
Nevada, USA. 31 March - 3 April 2008, pages 1991-1996.


12

[13]Najah Abu Ali, Pratik Dhrona, Hossam Hassanein,A performance study of
uplink scheduling algorithms in point-to-multipointWiMAX networks, Elsevier
B.V,2008.
[14]Qingwen Liu, Xin Wang, nd Georgios B. Giannakis, A Cross-Layer Scheduling
Algorithm With QoSSupport in Wireless Networks, IEEE Transactions on vehicular
technology, vol. 55, no. 3, 5/2006.
[15] Gandeva B Satrya, Ign. Wiseto P. Agung, Niken D W Cahyani,Performance

Analysis of Packet Scheduling With Qosin IEEE 802.16e Networks , 2012 7th
International Conference on Telecommunication Systems, Services, and Applications
(TSSA).
[16]Carlos Valencia and Thomas Kunz,Scheduling Alternatives for Mobile
WiMAXEnd-to-end Simulations and Analysis, "IWCMC’10, June 28– July 2, 2010,
Caen, France.
[17]Akashdeep, Karanjeet S. Kahlon, Harish Kumar, Survey ofscheduling
algorithmsin IEEE802.16 PMP networks,Egyptian Informatics Journal (2014) 15,
25 –36.
[18] Carlos G. Bilich, “TCP OVER WIMAX NETWORKS”, WIRELESS ACCESS
NETWORKS PROJECT NUMBER II, Technical Report # DIT-06-061, June 16th ,
2005
[19] Juniper Networks, “Supporting Differentiated Service Classes: Queue Scheduling
Disciplines”, 2001.
[20]Link tải NS 2.31: />[21] Link tải WiMAX 2.6: />