Nghiên cứu cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng wimax

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ
TRONG MẠNG wimax

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Học viên: PHẠM NGỌC LINH
Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH

THÁI NGUYÊN - 2013
Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Học viên: Phạm Ngọc Linh

Lớp: Cao học - K13
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh
Ngày giao đề tài: …..tháng ….. năm 20….
Ngày hoàn thành: ….tháng ……năm 20....
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh

Phạm Ngọc Linh

BAN GIÁM HIỆU

KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này
không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trƣớc đó.
Thái Nguyên, ngày 08 tháng 05 năm 2013
Tác giả luận văn

Phạm Ngọc Linh

Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình
của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng Đại học
Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS
Nguyễn Hữu Thanh đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề
tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, xong do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

Phạm Ngọc Linh

Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

iii

LỜI NÓI ĐẦU
1. 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
ngƣời sử dụng. Bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ nhƣ truy cập Internet, các trò
chơi tƣơng tác, hội nghị truyền hình,… thì truyền thông băng thông rộng di động
cũng đang đƣợc ứng dụng rộng rãi, cung cấp các kết nối tin cậy cho ngƣời 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 nhƣ các nhà cung cấp thiết bị, các nhà khai thác mạng. Ngày nay thế giới
đang hƣớng tới tƣơng 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 nƣớc trên toàn thế giới.
Trong bối cảnh đó, WiMAX ra đời nhằm cung cấp một phƣơng tiện truy cập
Internet không dây tổng hợp có thể thay thế ADSL và Wi-Fi. Hệ thống WiMAX có
khả năng cung cấp đƣờng truyền vô tuyến với tốc độ lên đến 70Mbps và với bán kính
phủ sóng lên đến 50km.
Tuy diễn đàn WiMAX đã đƣa ra các thông số kỹ thuật của lớp PHY và lớp
MAC cho phần lớn các chuẩn nhƣng trong một số chuẩn các thông số chung vẫn
chƣa đƣợc 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 nhƣ kỹ thuật lập lịch cho
WiMAX. Để bảo đảm chất lƣợng truyền dẫn thông tin cho các lƣu lƣợng 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 phƣơng tiện có băng thông rộng, chẳng hạn tốc độ dữ liệu rất
cao nhƣ là VoIP, Video, luồng âm thanh và cũng nhƣ các ứng dụng tốc độ dữ liệu
thấp nhƣ là lƣớt 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 nhƣ theo nhóm tiêu chuẩn IEEE
802.16, độ trễ cho phép của VoIP là 120 ms, khi độ trễ vƣợt quá 150 ms thì chất
lƣợng thoại sẽ bị giảm sút nghiêm trọng và khi giá trị này vƣợt quá 200 ms thì
không thể chấp nhận đƣợc. Để giải quyết vấn đề này, ngƣời ta nghiên cứu các thuật
toán lập lịch trong WiMAX nhằm cải thiện chất lƣợng dịch vụ cho các ứng dụng

khác nhau trong hệ thống WiMAX. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu các cơ chế đảm bảo

Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

iv
chất lƣợng dịch vụ trong mạng Wimax” là một đề tài có tính cấp bách và thực tiễn cao.

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan về WiMAX.
- Nghiên cứu về lớp MAC và lớp vật lý trong WiMAX.
- Phân tích một số kỹ thuật lập lịch trong WiMAX.
- Mô phỏng một số kỹ thuật lập lịch bằng phần mềm NS2.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Có rất nhiều thông số đƣợc quan tâm khi phân tích chất lƣợng dịch vụ trong hệ
thống mạng WiMAX.

3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Đề tài này không đi sâu vào kiến trúc mạng WiMAX mà tập trung nghiên cứu
cách thức xây dựng các khối cơ sở, các tham số thiết kế và các thành phần trong
WiMAX để làm căn cứ cho việc phân tích sau này.
- Đề tài nghiên cứu, phân tích các kỹ thuật và thuật toán lập lịch, thực hiện mô
phỏng các kỹ thuật lập lịch nhằm thể hiện ảnh hƣởng đến việc cải thiện QoS trong hệ
thống mạng WiMAX.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu xuyên suốt của luận văn là kết hợp lý thuyết và mô

phỏng, cụ thể tiến hành các bƣớc nhƣ sau:
- Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu và phân tích kỹ thuật lập lịch liên quan.
- Xây dựng mô hình mạng WiMAX để thực hiện mô phỏng.
- Đánh giá kết quả mô phỏng.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
WiMAX là một trong những kỹ thuật mạng băng rộng không dây nổi trội nhất
và có thể là lựa chọn phát triển tiếp theo đối với kỹ thuật mạng băng rộng cố định
truyền thống do hiệu quả chi phí của nó. WiMAX hỗ trợ các ứng dụng đa phƣơng
tiện khác nhau nhƣ là thoại qua giao thức internet (VoIP), truyền hình hội nghị, chơi
game online. Những ứng dụng này là gồm nhiều loại khác nhau theo nhu cầu tự nhiên
và chúng có nhiều yêu cầu khác nhau phải đƣợc thỏa mãn. Để thỏa mãn những
loại yêu cầu khác nhau nó cần thiết phải xem xét đến các yêu cầu dịch vụ (QoS). QoS,
một tiêu chí quan trọng đƣợc chấp nhận để đo lƣờng hiệu năng của một mạng, đƣợc
Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

v
cung cấp thông qua bằng sự phân lớp và việc lập lịch của 5 loại khác nhau của các lớp
lƣu lƣợng đƣợc định nghĩa bởi các tiêu chuẩn. Mỗi lớp có các yêu cầu về băng thông
riêng của nó cung nhƣ mức độ QoS riêng, mà nó cần phải duy trì. Nhiều loại thuật
toán lập lịch lƣu lƣợng cho các mạng không dây nhƣ Round Robin, Proportional
Fairness và thuật toán WFQ kết hợp Leaky Bucket….Trong số những cơ chế thuận
tiện, một số không có sự khác biệt trong dịch vụ, một số tạo ra sự khác biệt hoàn toàn
về dịch vụ với sự thực thi có độ phức tạp cao vì vậy việc lập lịch hiệu quả là quan
trọng trong mạng WiMAX.
Vì vậy, vấn đề nghiên cứu, phân tích sâu hơn về các kỹ thuật lập lịch cải thiện
QoS trong WiMAX là cần thiết trong tình hình hiện nay. Các kết quả của đề tài này sát
với thực tế và có tính thực tiễn cao.

6. Cấu trúc luận văn
WiMAX là một công nghệ hoàn toàn mới mẻ và chƣa đƣợc triển khai rộng rãi.
Các chuẩn vẫn đang đƣợc xây dựng, hoàn thiện và vẫn còn nhiều vấn đề đƣợc các
nhà nghiên cứu, triển khai quan tâm, trong đó vấn đề chất lƣợng dịch vụ trong mạng
rất đƣợc chú trọng. Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu
Thanh cùng các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trƣờng 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 lƣợng dịch vụ trong mạng Wimax”.
Đề tài gồm các nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng Quan Về Mạng Truy Nhập Băng Rộng-WiMAX. Toàn
chƣơng một đã đƣa 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. Chƣơng 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.
Chƣơng 2: Mạng WiMAX. Nghiên cứu về cấu trúc của hệ thống, cấu hình
mạng, kiến trúc mạng và các ƣu nhƣợc điểm của mạng Wimax.
Chƣơng 3: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG
MẠNG WIMAX.
Học viên tìm hiểu cơ chế đảm bảo chất lƣợng dịch vụ wimax, khảo sát một số
Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

vi
thuật toán lập lịch gói đã đƣợc đƣa ra trong các bài báo khoa học của một số nhà
nghiên cứu trên thế giới, từ đó đánh giá những ƣu điểm và nhƣợc điểm của các thuật
toán đó.

Chƣơng 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 đƣợc đƣa
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 chƣơng này, đều dựa trên kết quả
mô phỏng thu đƣợc từ module WiMAX.
Do đây là một đề tài còn mới, đƣợc hoàn thành trong một thời gian ngắn và
điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, cùng với năng lực bản thân còn hạn chế nên có thể
chƣa đề cập đƣợc hết các vấn đề liên quan đến đề tài một cách đầy đủ, sâu sắc và cũng
không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu, trình bày. Kính mong
các thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đến nội dung của đề tài, góp ý kiến để tôi có
điều kiện tiếp thu và phát triển đề tài cũng nhƣ bổ xung thêm kiến thức cho bản thân
đƣợc đầy đủ, đúng đắn và để luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 08 tháng 05 năm 2013
Người thực hiện

Phạm Ngọc Linh

Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

vii

MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Lời nói đầu
Mục lục

Danh mục bảng
Danh mục hình vẽ
Bảng đối chiếu các thuật ngữ Việt - Anh
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG-WiMAX........................1
1.1 Mạng Truy Nhập băng rộng ..............................................................................................................1
1.1.1 Mạng xDSL [9] ..........................................................................................................................2
1.1.2 Modem cáp [5] ............................................................................................................................3
1.1.3 Truy nhập dịch vụ băng rộng qua vệ tinh (iPSTAR) [12].....................................................4
1.2 Tổng quan về WiMAX ......................................................................................................................9
1.2.1 Diễn đàn WiMAX .....................................................................................................................9
1.2.2 Các đặc điểm của WiMAX .......................................................................................................10
1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16 ...................................................................................................................10
1.2.4 Các định dạng của diễn dàn WiMAX......................................................................................16
1.3 Các mô hình ứng dụng [2] .................................................................................................................18
1.3.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) .........................................................................18
1.3.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di động .......................................................................................19
CHƢƠNG 2: MẠNG WiMAX ..................................................................................................................21
2.1 Mô hình cấu trúc hệ thống WiMAX [12]........................................................................................21
2.2 Mặt phẳng truyền tin:..........................................................................................................................21
2.2.1 Lớp con tiếp ứng (hay lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt MAC_CS) [2] ................................22
2.2.2 Lớp con phần chung (MAC CPS- common part sublayer) ..................................................22
2.2.3 Lớp MAC_PS [2] .......................................................................................................................32
2.2.4 Đặc điểm lớp MAC của WiMAX............................................................................................33
2.2.5 Lớp vật lý (PHY, physical layer) ..............................................................................................36
2.2.6 Các kỹ thuật truyền thông số trên lớp PHY.............................................................................40
Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

viii

2.3 Cấu hình mạng.....................................................................................................................................43
2.3.1 Cấu hình điểm-đa điểm PMP ....................................................................................................43
2.3.2 Cấu hình mắt lƣới MESH ..........................................................................................................43
2.4 Kiến trúc mạng WIMAX...................................................................................................................45
2.4.1 Quá trình vào mạng.....................................................................................................................48
2.4.2 Một số nguyên lí cơ bản trong triển khai mạng WiMAX ....................................................50
2.4.3 Các dịch vụ và các ứng dụng đƣợc hỗ trợ trong WiMAX....................................................51
2.5. Những ƣu điểm và môi trƣờng ứng dụng của WiMAX ..............................................................51
2.5.1. Ƣu điểm .......................................................................................................................................51
2.5.2 Môi trƣờng ứng dụng của WiMAX .........................................................................................52
CHƢƠNG 3: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG WIMAX.......56
3.1 Các vấn đề về bảo mật ............................................................................................. 56
3.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến .................................................................................... 60
3.2.1 Tổng quan quản lý tài nguyên vô tuyến mạng không dây ............................... 60
3.2.2 Mục đích của quản lý tài nguyên vô tuyến trong các mạng không dây.................................... 62
3.2.3 Một số giải pháp cho quản lý tài nguyên vô tuyến ............................................. 63
3.2.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng IEEE 802.16 .................................... 65
3.3 Kiến trúc chất lƣợng dịch vụ ................................................................................... 66
3.3.1 Yêu cầu về QoS ................................................................................................ 67
3.3.2 Các lớp dịch vụ hỗ trợ QoS lập lịch ................................................................ 68
3.3.3 Các mô hình ứng dụng lƣu lƣợng ..................................................................... 70
3.3.4 Cơ chế yêu cầu - đáp ứng ................................................................................. 70
3.3.5 Bộ lập lịch WiMAX ......................................................................................... 73
3.3.6 Các yêu cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS ........................................................... 75
3.3.7 Phân loại các thuật toán lập lịch ....................................................................... 76
3.4 Một số kỹ thuật lập lịch cơ bản ............................................................................... 78
3.4.1 Các thuật toán lập lịch đơn nhất ....................................................................... 78
3.4.2 Các thuật toán lai (HYBRID) ........................................................................... 82
CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG MỘT SỐ KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG
WIMAX ............................................................................................................................. 87

4.1 Môi trƣờng mô phỏng.............................................................................................. 87
Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>

ix
4.1.1 Các thành phần chính của trạm gốc Base Station triển khai bởi công cụ mô
phỏng ......................................................................................................................... 89
4.1.2 Các thành phần chính của trạm MS (Mobile Station) triển khai bởi công cụ
mô phỏng ............................................................................................................... 91
4.1.3 Bộ lập lịch UL/DL ........................................................................................... 91
4.2 Các thuật toán lập lịch gói sử dụng trong kịch bản mô phỏng ................................ 93
4.2.1 Thuật toán PF [18] ............................................................................................ 93
4.2.2 Thuật toán WFQ kết hợp ràng buộc Leaky Bucket .......................................... 94
4.3 Xây dựng kịch bản mô phỏng [19] .......................................................................... 97
4.3.1 Mô hình mạng................................................................................................... 97
4.3.2. Lựa chọn nguồn traffic .................................................................................... 97
4.3.3 Các tham số sử dụng trong kịch bản mô phỏng ............................................... 98
4.4 Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 99
4.4.1 Kịch bản di động .............................................................................................. 99
4.4.2 Kịch bản cố định ............................................................................................... 102
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 107

Số hóa bởi Trung tâm học liệu

/>