(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu các thuật toán lập lịch tối ưu cho UGS trong WIMAX luận văn ths công nghệ thông tin 60 48 15

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM VĂN THUẬN

NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TỐI ƯU
CHO UGS TRONG WIMAX

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – 2015


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM VĂN THUẬN

NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TỐI ƯU
CHO UGS TRONG WIMAX
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS DƯƠNG LÊ MINH

Hà Nội – 2015

3

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình đã
ni dưỡng, giáo dục và tạo điều kiện tốt nhất để cho con thực hiện đề tài này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới
Thầy TS. Dương Lê Minh, người đã định hướng đề tài, cung cấp cho tôi những
kiến thức, những tài liệu và tận tình hướng dẫn chỉ bảo tơi trong suốt q trình
thực hiện đề tài luận văn cao học này, từ những ý tưởng trong đề cương nghiên
cứu, phương pháp nghiên cứu, phương pháp giải quyết vấn đề cho đến những
lần kiểm tra cuối cùng để hoàn thành luận văn này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Thầy, Cô giáo trong bộ môn
Truyền dữ liệu và Mạng máy tính, Khoa Cơng nghệ thơng tin, những người đã
mang trí tuệ, cơng sức truyền đạt giúp tơi mở rộng kiến thức về Cơng nghệ
thơng tin nói chung và Mạng máy tính nói riêng, đó là những kiến thức q báu
và sẽ rất có ích với tơi trong giai đoạn hiện tại và tương lai.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Nhà trường, Phịng
Đào tạo sau đại học, Đại học Cơng nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều
kiện tốt nhất giúp tơi trong suốt q trình học tập.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến người thân, bạn bè, đồng nghiệp
những người đã luôn động viên khuyến khích tơi trong suốt q trình học tập
cũng như thực hiện đề tài luận văn của mình.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015
Học viên

Phạm Văn Thuận

4

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn này là do tơi tự
nghiên cứu tìm hiểu dựa trên các tài liệu và tơi trình bày theo ý hiểu của bản
thân dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy TS. Dương Lê Minh. Các nội dung
nghiên cứu, tìm hiểu và kết quả thực nghiệm là hồn tồn trung thực.
Luận văn này của tơi chưa từng được ai cơng bố trong bất cứ cơng trình nào.
Trong q trình thực hiện luận văn này tơi đã tham khảo đến các tài liệu
của một số tác giả, tôi đã ghi rõ tên tài liệu, nguồn gốc tài liệu, tên tác giả và tôi
đã liệt kê trong mục “DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO” ở cuối luận văn.
Học viên

Phạm Văn Thuận


5

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................. 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT……………………………………………………..7
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ 7
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... 12
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 13
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG .............. 15
1.1 Tổng quan ................................................................................................ 15
1.2 Các phiên bản của WiMAX ..................................................................... 17
1.3 Đặc điểm WiMAX cố định và WiMAX di động ......................................... 18
1.3.1 WiMAX cố định (Fixed WiMAX): ....................................................... 18
1.3.2 WiMAX di động (Mobile WiMAX) ..................................................... 19

1.4 Các ứng dụng của WiMAX...................................................................... 21
1.4.1 Ứng dụng WiMAX cho mạng truy nhập ............................................... 21
1.4.2 Ứng dụng WiMAX cho mạng đường trục ............................................. 21
1.4.3 Ứng dụng WiMAX kết hợp Wi-Fi ........................................................ 22
1.5 So sánh công nghệ WiMAX và các công nghệ khác .................................... 23
1.5.1 WiMAX và WiFi .................................................................................. 23
1.5.2 WiMAX và 3G ..................................................................................... 24
1.5.3 WiMAX và LTE ................................................................................... 25
CHƯƠNG II. LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC TRONG WIMAX .... 26
2.1 Tổng quan ................................................................................................ 26
2.2 Lớp điều khiển truy cập môi trường MAC ............................................... 26
2.3 Lớp con hội tụ CS ....................................................................................... 28
2.3.1 Chức năng và nhiệm vụ ........................................................................ 28
2.3.2 Kết nối, định danh kết nối CID và luồng dịch vụ SF ............................. 29
2.3.3 Phân loại ............................................................................................... 29
2.4 Lớp con phần chung MAC CPS .................................................................. 30
2.4.1 Địa chỉ MAC và kết nối ..................................................................... 31
2.4.2 Định dạng MAC PDU ....................................................................... 31
2.4.2.1 MAC PDU chung ........................................................................... 31
2.4.2.2 Tiêu đề MAC PDU khơng có payload (PDU u cầu băng thông) .. 33
2.5 Lớp con bảo mật PS .................................................................................... 36
2.6 . Quản lý chất lượng dịch vụ QoS:............................................................... 36
2.7 Cấu trúc khung TDD trong chế độ PMP ...................................................... 36
CHƯƠNG III. CƠ CHẾ LẬP LỊCH HỖTRỢ QoS TRONG WiMAX ........... 39
3.1 Tổng quan ................................................................................................... 39
3.2 Hỗ trợ QoS trong chuẩn 802.16 ................................................................... 39


6

3.3 Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông ....................................................... 40
3.4 Các thông số hỗ trợ QoS ............................................................................. 41
3.4.1 Băng thông ........................................................................................... 41
3.4.2 Độ trễ Lacency (Delay) ......................................................................... 41
3.4.3 Jitter ...................................................................................................... 42
3.4.4 Tỷ số mất tin Packet loss....................................................................... 42
3.4.5 Thông lượng ............................................................................................ 42
3.5 Phân lớp QoS .............................................................................................. 42
3.5.1 Dịch vụ cấp phát không yêu cầu (UGS) ................................................ 43
3.5.2 Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS) ................................................... 44
3.5.3 Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực (nrtPS) ........................................... 44
3.5.4 Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng (ertPS) ................................... 44
3.5.5 Dịch vụ nỗ lực tối đa (BE) .................................................................... 44
3.6 Kiến trúc QoS trong giao thức MAC 802.16 ............................................... 45
3.7 Các thuật toán phổ biến cho lập lịch lớp MAC trong chuẩn 802.16.......... 46
3.7.1 Thuật toán Round Robin (RR) ........................................................... 46
3.7.2 First-In-First-Out (FIFO) ................................................................. 48
3.7.3 Priority queue (PQ)............................................................................ 48
3.7.4 Hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ ................................................. 49
3.7.5 Deficit Round Robin (DRR) .............................................................. 49
3.7.6 Hàng đợi xoay vòng theo trọng số WRR ........................................... 54
CHƯƠNG IV. MỘT SỐ KỸ THUẬT LẬP LỊCH ĐỀ XUẤT CHO WIMAX 56
4.1 Tổng quan: .................................................................................................. 56
4.2. Thuật toán lập lịch Round Robin ............................................................... 56
4.3 Cài đặt và thử nghiệm trên mô phỏng .......................................................... 56
4.3.1 Cấu trúc trạm BS .................................................................................. 58
4.3.2 Cấu trúc trạm MS.................................................................................. 59
4.3.3 Bộ lập lịch UL/DL ................................................................................ 60
4.4 Kịch bản mô phỏng ..................................................................................... 61
4.5 Kết luận ...................................................................................................... 66

4.6 Thuật toán DRR .......................................................................................... 66
4.7 Kết luận và đánh giá .................................................................................... 69
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 71
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................... 73


7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Từ viết tắt

1
2

3G
AC

Third Generation
Admission Control
Advanced Encryption
Standard
Airlink
Automatic Repeat
reQuest
Asynchronous Transfer
Mode

Backhaul
Best Effort
Base Station
Broadband Wireless
Access
Bandwidth Request
Constant Bit Rate
Connection Identifier
Cyclic Prefix
Customer Premises
Equipment
Common Part Sublayer
Convergence Sublayer
Deficit Counter
Downlink
Deficit Round Robin
Digital Subscriber Line
Extensible
Authentication
Protocol

3

AES

4

Airlink

5

ARQ

6

ATM

7
8
9

Backhaul
BE
BS

10

BWA

11
12
13
14

BWR
CBR
CID
CP

15

CPE

16
17
18
19
20
21

CPS
CS
DC
DL
DRR
DSL

22

EAP

23

ertPS

Extended rtPS

24
25
26

FCFS
FCH
FDD

First Come First Serve
Frame Control Header
Frequency Division

Nghĩa
Thế hệ thứ 3
Kiểm sốt cho phép
Chuẩn mã hóa tiên tiến
Liên kết vơ tuyến
Yêu cầu truyền lại tự động (Cơ
chế tự động phát lại)
Phương thức truyền không đồng
bộ
Kết nối đường trục
Dịch vụ nỗ lực tối đa
Trạm cơ sở
Truy cập không dây băng thông
rộng
Yêu cầu băng thông
Tốc độ bit cố định
Định danh kết nối
Chuỗi bảo vệ
Thiết bị đầu cuối thuê bao
Lớp con phần chung
Lớp con hội tụ

Bộ đếm dư thừa
Đường xuống
Thuật toán lập lịch DRR
Đường dây thuê bao số
Giao thức chứng thực mở rộng
Dịch vụ thăm dò thời gian thực
mở rộng
Đến trước phục vụ trước
Tiêu đề điều khiển khung
Song công phân chia theo tần số


8

27

FIFO

28

FSH

29
30

FTP
Grant

31

HTTP

32

ICI

33

IEEE

34

IP

35

ISDN

36

ISI

37
38
39

LAN
LOS
LTE

Duplexing
First In First Out
Fragmentation
Subheader
File Transfer Protocol
Grant
Hypertext Transfer
Protocol
Inter-Carrier
Interference
Institute of Electrical
and Electronics
Engineers
Internet Protocol
Integrated Services
Digital Network
Inter-Symbol
Interference
Local Area Network
Line Of Sight
Long Term Evolution

40

MAC

Media Access Control

41

MIMO

42

MPDU

43

MPEG

44
45

MS
NLOS

46

nrtPS

47

OFDM

48

OFDMA

Multiple Input Multiple
Output

MAC Protocol Data
Unit
Motion Picture Experts
Group
Mobile Station
Non Line of Sight
Non-Real-Time Polling
Services
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Orthogonal Frequency
division Multiple
Access

Vào trước ra trước
Tiêu đề con phân mảnh
Giao thức truyền tập tin
Cấp phát
Giao thức truyền siêu văn bản
Nhiễu liên kênh

Viện kỹ thuật điện và điện tử
Giao thức liên mạng
Mạng số tích hợp đa dịch vụ
Nhiễu xun ký hiệu
Mạng vùng cục bộ
Tầm nhìn thẳng
Tiến hóa dài hạn
Lớp điều khiển truy nhập môi
trường

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
Đơn vị dữ liệu giao thức lớp
MAC
Nhóm chuyên gia ảnh động
Trạm di động
Khơng tầm nhìn thẳng
Dịch vụ thăm dị phi thời gian
thực
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao


9

49

73
74

Protocol Data Unit
Packet Header
PHS
Suppression
PHY
Physical
Privacy Key
PKM
Management

PMP
Point-to-Multipoint
Polling
Polling
PQ
Priority Queuing
QoS
Quality of Service
Radio Frequency
RFID
Identification
RR
Round Robin
Radio Resource
RRM
Management
Real-Time Polling
rtPS
Services
SAP
Service Access Point
SDU
Service Data Unit
SF
Service Flows
SFID
Service Flow ID
SOFDMA
Scalable OFDMA
SS

Security Sublayer
SS
Subscriber Station
SubCarriers SubCarriers
SubChannels SubChannels
Transport Control
TCP
Protocol
Time Division
TDD
Duplexing
Unsolicited Grant
UGS
Services
UL
Uplink
UWB
Ultra Wide band

75

VAD

Voice with activity
detection

76

VBR

Variable Bit Rate

50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72

PDU

Đơn vị dữ liệu giao thức
Chặn mào đầu tải tin

Lớp vật lý
Quản lý khóa riêng tư
Điểm đến đa điểm
Thăm dò
Hàng đợi ưu tiên
Chất lượng dịch vụ
Nhận dạng tần số sóng vơ tuyến
Xoay vịng
Quản lý tài ngun vơ tuyến
Dịch vụ thăm dò thời gian thực
Điểm truy nhập dịch vụ
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
Luồng dịch vụ
Định danh luồng dịch vụ
OFDMA mở rộng
Lớp con bảo mật
Trạm thuê bao
Sóng mang con
Kênh con
Giao thức điều khiển truyền tải
Ghép sông công theo tần số
Dịch vụ cấp phát tự nguyện
Đường lên
Băng tần siêu rộng
Thăm dị sự hoạt động của tiếng
nói
(khử khoảng lặng)
Tốc độ bit thay đổi

10

77

WEP

78
79
80

WFQ
Wi-Fi
WPA

81

WPA2

82

WRR

Wired Equivalent
Privacy
Weighted Fair Queuing
Wireless Fidelity
WiFi Protected Access
WiFi Protected Access
2
Weighted Round Robin

Bảo mật tương đương có dây
Hàng đợi cân bằng có trọng số
Mạng khơng dây Wifi
Chuẩn mã hóa WPA
Chuẩn mã hóa WPA 2
Hàng đợi xoay vòng theo trọng
số


11

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Miền phủ sóng của các cơng nghệ mạng khơng dây hiện nay.................. 15
Hình 1.2. Các thành viên Forum WiMAX .............................................................. 15
Hình 1.3: Kiến trúc mạng IEEE 802.16 kết nối điểm đa điểm (PMP) ..................... 16
Hình 1.4: WiMAX làm việc như thế nào ................................................................ 17
Hình 1.5: Cơng nghệ OFDMA so với cơng nghệ OFDM ........................................ 20
Hình 1.6: Ứng dụng WiMAX cho mạng truy nhập ................................................. 21
Hình 1.7: Ứng dụng WiMAX cho kết nối đường trục ............................................. 22
Hình 1.8: Ứng dụng WiMAX kết hợp WiFi............................................................ 22
Hình 1.9: Phạm vi ứng dụng kết hợp WiMAX và Wi-Fi ......................................... 23
Hình 1.10: Dự báo th bao 4G trên tồn thế giới................................................... 25
Hình 2.1: Kiến trúc giao thức WiMAX ................................................................... 27
Hình 2.2: PDU và SDU trong tầng giao thức .......................................................... 27
Hình 2.3: Lớp con hội tụ của WiMAX ................................................................... 28
Hình 2.4: Phân loại và ánh xạ CID (SS đến BS) ..................................................... 30
Hình 2.5: Phân loại và ánh xạ CID (BS đến SS) ..................................................... 30
Hình 2.6: Định dạng MAC PDU............................................................................. 31
Hình 2.7: Cụ thể định dạng tiêu đề MAC chung ..................................................... 32

Hình 2.8: Định dạng tiêu đề báo hiệu MAC loại I .................................................. 33
Hình 2.9: Tiêu đề báo hiệu MAC loại II ................................................................. 34
Hình 2.10: Phân mảnh MAC SDU thành n MAC PDU........................................... 35
Hình 2.11: Đóng gói MAC PDU ............................................................................ 36
Hình 2.12: Ví dụ của cấu trúc OFDM với TDD trong PMP .................................... 37
Hình 2.13: Khung OFDMA ở chế độ TDD ............................................................. 38
Hình 3.1: Một truy cập khơng dây băng thơng rộng điển hình BWA với trường hợp
sử dụng WiMAX .................................................................................................... 39
Hình 3.2: Yêu cầu và cấp phát băng thông trong lớp dịch vụ BE ............................ 41
Hình 3.3: Cơng thức tính độ trễ trung bình ............................................................. 41
Hình 3.4: Cơng thức tính biến thiên trễ trung bình .................................................. 42
Hình 3.5: Cơng thức tính tỷ số mất mát gói tin ....................................................... 42
Hình 3.6: Cơng thức tính thơng lượng .................................................................... 42
Hình 3.7a: Kiến trúc chất lượng dịch vụ 802.16...................................................... 45
Hình 3.7b: Kiến trúc chi tiết chuẩn QoS 802.16...................................................... 46
Hình 3.8: Thuật tốn lập lịch RR ............................................................................ 47
Hình 3.9: Thuật tốn hàng đợi FIFO ....................................................................... 48
Hình 3.10: Hàng đợi ưu tiên PQ ............................................................................. 48
Hình 3.11: Hàng đợi WFQ ..................................................................................... 49
Hình 3.12: Hoạt động của hàng đợi ưu tiên DRR.................................................... 49


12

Hình 3.13: Hàng đợi WRR ..................................................................................... 54
Hình 4.1: Mơ hình thuật tốn RR ............................................................................ 56
Hình 4.2: Q trình mơ phỏng với NS-2 ................................................................. 57
Hình 4.3: Sự kết hợp giữa C++ và OTcl trong NS-2 ............................................... 58
Hình 4.4: Cấu trúc trạm BS .................................................................................... 58
Hình 4.5: Cấu trúc trạm di động MS ....................................................................... 60

Hình 4.6: Các thành phần của bộ lập lịch tại BS và SS ........................................... 61
Hình 4.7: Tham số sử dụng trong kịch bản ............................................................. 61
Hình 4.8: Kịch bản mơ phỏng cho luồng BE và UGS ............................................. 62
Hình 4.9: Đồ thị thông lượng các luồng dịch vụ BE và UGS với thuật tốn RR khi
cố định kích thước gói tin 1500byte ........................................................................ 63
Hình 4.10: Đồ thị độ trễ gói tin cho các luồng dịch vụ với kích thước gói cố định .. 64
Hình 4.11: Đồ thị thơng lượng các luồng dịch vụ BE và UGS với thuật tốn RR khi
kích thước gói tin thay đổi ...................................................................................... 65
Hình 4.12: Đồ thị độ trễ gói tin cho các luồng dịch vụ với kích thước gói thay đổi . 66
Hình 4.13: Mơ hình thuật tốn DRR cho dịch vụ UGS (1)...................................... 67
Hình 4.14: Mơ hình thuật tốn DRR cho dịch vụ UGS (2)...................................... 67
Hình 4.15: Đồ thị tổng kích thước gói tin được gửi đi theo từng luồng ...................... 70
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng tóm tắt chuẩn 802.16 ..................................................................... 18
Bảng 1.2: Các bản mô tả chứng nhận cho WiMAX cố định ................................... 19
Bảng 1.3: Đặc điểm WiMAX cố định và WiMAX di động ..................................... 19
Bảng 1.4: Các bản mô tả chứng nhận cho WiMAX di động ................................... 20
Bảng 1.5: So sánh giữa WiMAX và WiFi ............................................................... 24
Bảng 1.6: So sánh 3G và WiMAX .......................................................................... 24
Bảng 2.1: Trường tiêu đề chung MAC.................................................................... 32
Bảng 2.2: Trường tiêu đề MAC khơng có payload.................................................. 33
Bảng 3.1: Các lớp dịch vụ trong mạng WiMAX ..................................................... 43
Bảng 3.2: Bảng so sánh các thuật toán lập lịch ....................................................... 55
Bảng 4.1: Tham số mô phỏng ................................................................................. 62
Bảng 4.2. Thông lượng trung bình cho các luồng khi cố định kích thước gói tin là
1500byte ................................................................................................................. 63
Bảng 4.3: Độ trễ trung bình cho các luồng dịch vụ với kích thước gói cố định ....... 63
Bảng 4.4: Bảng thông lượng cho các luồng dịch vụ khi thay đổi kích thước gói tin 64
Bảng 4.5: Độ trễ trung bình cho các luồng dịch vụ với kích thước gói thay đổi ...... 65
Bảng 4.6: Tổng kích thước gói tin được gửi đi (byte) ................................................ 69

13

MỞ ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của khoa học cơng nghệ, mạng thế hệ mới phát
triển mang tính chất hội tụ, đáp ứng các nhu cầu thiết yếu và đòi hỏi của xã hội về tốc
độ truyền tin, độ chính xác và sự đa dạng hố các loại hình dịch vụ. Trong đó, truyền
thơng băng thơng rộng đang ngày càng trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi
ích cho người sử dụng. Để đáp ứng các yêu cầu đó, nhiều cơng nghệ mới đã được
nghiên cứu và ra đời như 3G, Wi-Fi, LTE, WiMAX... Công nghệ đang được chú trọng
và được các nhà phát triển mạng quan tâm đó là cơng nghệ WiMAX.
Cơng nghệ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là công
nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng cho một vùng rộng dựa trên chuẩn IEEE 802.16 sử
dụng băng tần thấp hơn 66 GHz bao gồm các phiên bản LOS và NLOS. Mạng truy cập
không dây băng thông rộng dựa trên công nghệ WiMAX cung cấp các dịch vụ đa
phương tiện trên nền IP như VoIP, điện thoại di động, truyền dữ liệu tốc độ cao, truyền
hình theo yêu cầu... WiMAX có ưu thế vượt trội so với các công nghệ cung cấp dịch
vụ băng thông rộng hiện nay về tốc độ truyền dữ liệu, phạm vi phủ sóng và giá cả thấp
do cung cấp các dịch vụ trên nền IP.
Để đảm bảo chất lượng truyền dẫn thông tin với các lưu lượng khác nhau, các
nhà cung cấp thiết bị cần điều chỉnh các thông số theo chuẩn IEEE 802.16 cho các
ứng dụng multimedia có băng thơng rộng, như là VoIP, Video, luồng âm thanh và
cũng như các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp như là lướt Web, truyền file.
Trong một số ứng dụng truyền thông thời gian thực như VoIP, thơng lượng và độ
trễ tín hiệu là rất được quan tâm. Độ trễ đối với các ứng dụng tương tác thời gian thực
như VoIP là < 150 ms là khơng gây ra vấn đề gì, giác quan con người không cảm nhận
được độ trễ này. Với độ trễ từ 150-400 ms là có thể được chấp nhận nhưng chất lượng
kém hơn. Với độ trễ > 400 ms thì cực tệ khơng chấp nhận được (phía nhận sẽ khơng
xem xét tới bất kì gói tin nào đến trễ hơn một ngưỡng nào đó, các gói tin coi như là

mất). Và với các kết nối (conection) với BS, kết nối nào có kích thước gói tin lớn,
thường chiếm dụng băng thông lớn hơn, không công bằng cho các kết nối khác. Để
giải quyết các vấn đề này, học viên nghiên cứu các thuật toán lập lịch trong WiMAX
nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng thoại như VoIP, Từ đó cải tiến
một thuật tốn lập lịch cụ thể, áp dụng cải tiến này để xây dựng những hệ thống hỗ trợ
VoIP, mạng phục vụ chăm sóc khách hàng trong hệ thống WiMAX. Vì lẽ đó, luận văn
tập trung vào đề tài “Nghiên cứu các thuật toán lập lịch tối ưu cho UGS trong
WiMAX”.
Với nội dung nghiên cứu đã nêu ở trên, thì luận văn gồm có các nội dung trình
bày như sau.
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG


14

Chương này học viên trình bày tổng quan cơng nghệ WiMAX, các phiên bản hỗ
trợ trong WiMAX, các đặc điểm của WiMAX cố định và WiMAX di động, các ứng
dụng của WiMAX và so sánh WiMAX với các công nghệ khác.
CHƯƠNG II. LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC TRONG WIMAX
Chương này học viên tập chung vào nghiên cứu chi tiết lớp điều khiển truy nhập
MAC trong WiMAX. Lớp MAC bao gồm ba lớp con, lớp con hội tụ CS, lớp con phần
chung MAC CPS thực hiện chức năng MAC chính, dưới lớp con phần chung là lớp
con bảo mật. Phần cuối chương II, học viên trình bày cấu trúc khung TDD trong chế
độ PMP.
CHƯƠNG III. CƠ CHẾ LẬP LỊCH HỖTRỢ QoS TRONG WiMAX
Chương này, học viên phân tích chi tiết các thông số hỗ trợ QoS cho WiMAX
như băng thông, độ trễ, jitter, thông lượng. Sự phân lớp dịch vụ hỗ trợ trong WiMAX
và các thuật toán lập lịch trong WiMAX.
CHƯƠNG IV. MỘT SỐ KỸ THUẬT LẬP LỊCH ĐỀ XUẤT CHO WIMAX
Trong chương IV này học viên đi nghiên cứu chi tiết hơn về thuật toán RR và

thuật toán DRR, mơ phỏng thuật tốn RR từ đó đánh giá ưu nhược điểm thuật toán
RR, đề xuất hướng cải tiến.


15

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG
1.1 Tổng quan
Sự gia tăng nhanh chóng trong nhu cầu đối với mạng không dây băng thông rộng
tốc độ cao đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ mới trong những năm gần đây.
WiMAX là từ viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access - Công
nghệ truy cập vô tuyến băng rộng, là một trong những công nghệ này. WiMAX dựa
trên chuẩn IEEE 802.16, cung cấp giải pháp không dây linh hoạt cố định và di dộng và
một loạt các ứng dụng khác nhau, các hỗ trợ bao gồm cả chức năng đa phương tiện,
với các tham số chất lượng dịch vụ QoS khác nhau.
Khoảng cách

Hình 1.1: Miền phủ sóng của các công nghệ mạng không dây hiện nay
Diễn đàn WiMAX đã mô tả WiMAX là một công nghệ dựa trên các chuẩn cho
phép việc cung cấp các dặm cuối truy cập băng rộng không dây như là một cách thay
thế cho cáp và đường dây thuê bao DSL [1].

Hình 1.2. Các thành viên Forum WiMAX [8]
Các kiến trúc cơ bản IEEE 802.16 bao gồm một trạm gốc BS và một hoặc nhiều
hơn trạm thuê bao SS. BS đóng vai trò thực thể trung tâm để chuyển tất cả các dữ liệu


16

từ SS trong một chế độ PMP điểm đến đa điểm. Truyền dẫn diễn ra thông qua hai kênh

độc lập: Kênh Downlink (từ BS đến SS) và kênh Uplink (từ SS đến BS). Kênh Uplink
được chia sẻ giữa tất cả các SS trong khi kênh đường xuống Downlink chỉ được sử
dụng bởi BS.
Lớp vật lý IEEE 802.16, tốc độ của dữ liệu phụ thuộc vào băng thông và kỹ thuật
điều chế, việc sử dụng OFDM cho các kết nối tốc độ cao cho cả trạm cố định và di
động. Các giao thức lớp MAC định nghĩa cả song công phân chia tần số FDD và song
công phân chia theo thời gian TDD cho các kết nối của nó. Các kiến trúc bao gồm hai
thành phần, một trạm gốc (BS) và một số Dịch vụ (SS) với hai hướng truyền thông.
Thứ nhất là đường xuống (DL) truyền từ BS đến SS, và được thực hiện trong phương
pháp tiếp cận PMP, thứ hai là các hướng đường lên (UL). Các kênh UL là chung cho
tất cả các nút và các khe thời gian thông qua phương pháp TDD trên cơ sở nhu cầu đối
với dữ liệu đa phương tiện.

Internet

Các thuê bao
Khu dân cư

Mạng
điện thoại
cơng cộng

Các th bao
Di động

Các th bao
Văn phịng

Hình 1.3. Kiến trúc mạng IEEE 802.16 kết nối điểm đa điểm (PMP)[6]
Nhóm IEEE 802.16 đã ban hành các tiêu chuẩn trong dải 10-66 GHz cho truyền

thơng tầm nhìn thẳng LOS và dải 2-11 GHz cho truyền thơng khơng có tầm nhìn thẳng
NLOS [3].


17

Hình 1.4: WiMAX làm việc như thế nào [4].
Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ QoS, nó hỗ trợ bốn loại luồng dịch vụ thời gian thực
và phi thời gian thực tại tầng MAC với các yêu cầu QoS khác nhau:
Dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS): UGS thiết kế hỗ trợ luồng dịch vụ thời gian
thực, dịch vụ này hỗ trợ tốc độ BIT không đổi (CBR), như ứng dụng Voice IP, các ứng
dụng này yêu cầu phân bổ băng thông khơng đổi.
Dịch vụ thăm dị thời gian thực (rtPS): Các ứng dụng này có các u cầu băng
thơng c�DD

Modulation Technique

BPSK

Simulation time

80s

Bảng 4.1: Tham số mơ phỏng
Khi cố định kích thước gói tin:


63

Khi cố định kích thước gói tin là: 1500byte, ta có bảng 4.2 kết quả thơng lượng

trung bình cho các luồng khác nhau, kết quả thông lượng bảng 4.2 là lấy giá trị trung
bình sau 10 lần mơ phỏng.
Luồng dịch vụ
Luồng UGS 1
Luồng UGS 2
Luồng UGS 3
Luồng BE

Kích thước gói

Thơng lượng (kbps)

1500byte
1500byte
1500byte
1500byte

239.43
239.70
238.85
155.03

Ghi chú

Bảng 4.2. Thơng lượng trung bình cho các luồng khi
cố định kích thước gói tin là 1500byte
Nhận xét: Thông lượng đạt được của các luồng không khác nhau nhiều, xoay
quanh giá trị 240 mbps. Hình 4.4 là đồ thị thơng lượng khi cố định kích thước gói tin.
300.00

Thơng lượng (kbps)

250.00
200.00

Luồng UGS 1
Luồng UGS 2

150.00

Luồng UGS 3
Luồng BE

100.00

Luồng BE1
50.00
0.00

Kịch bản
Luồng UGS 1 Luồng UGS 2 Luồng UGS 3 Luồng BE

Luồng BE1

Hình 4.9 Đồ thị thơng lượng các luồng dịch vụ BE và UGS với thuật toán RR
khi cố định kích thước gói tin 1500byte
Độ trễ (delay) trung bình gói tin, khi kích thước gói tin cố định, kết quả độ trễ
bảng 4.3 là lấy giá trị trung bình sau 10 lần mơ phỏng.:
Độ trễ trung bình
Tên luồng

(ms)
1.2185
Luồng UGS 1
1.2065
Luồng UGS 2
1.3042
Luồng UGS 3
1.2264
Luồng BE


64

Bảng 4.3 Độ trễ trung bình cho các luồng dịch vụ với kích thước gói cố định
Hình 4.5 là đồ thị độ trễ gói tin ứng với trường hợp gói tin có kích thước
1500byte.
2.5

2

Luồng UGS 1

Delay (ms)

1.5

Luồng UGS 2
Luồng UGS 3
1

Luồng BE
Luồng BE1

0.5

0
Luồng UGS 1 Luồng UGS 2 Luồng UGS 3

Luồng BE

Luồng BE1

Hình 4.10 Đồ thị độ trễ gói tin cho các luồng dịch vụ với kích thước gói cố định
Khi thay đổi kích thước gói tin
Kịch bản mơ phỏng như hình 4.8: Với 3 luồng dịch vụ UGS và 1 luồng BE, với
kích thước gói tin lần lượt là: 60byte, 150byte, 1500byte, 1500byte, áp dụng cho thuật
tốn RR.
Bảng thơng lượng trung bình qua 10 lần chạy:
Luồng dịch vụ

Kích thước gói

Thơng lượng (kbps)

Luồng UGS 1

60byte

12.69

Luồng UGS 2

150byte

26.89

Luồng UGS 3

1500byte

241.48

Luồng BE

1500byte

160.27

Ghi chú

Bảng 4.4 Bảng thông lượng cho các luồng dịch vụ khi thay đổi kích thước gói tin
Hình 4.6 là đồ thị thơng lượng khi kích thước gói tin thay đổi.


65
300.00

Thông lượng (kbps)

250.00

200.00

Luồng UGS 1
Luồng UGS 2

150.00

Luồng UGS 3

LuồngBE
BE
Luồng

100.00

Luồng BE1
50.00

0.00
Luồng UGS 1 Luồng UGS 2 Luồng UGS 3

Luồng BE

Luồng BE1Kịch

bản

Hình 4.11 Đồ thị thông lượng các luồng dịch vụ BE và UGS với thuật tốn RR
khi kích thước gói tin thay đổi

Nhận xét: Khi kích thước gói tin tăng lên, thơng lượng sẽ tăng, có sự thay đổi
lớn, với thời gian mô phỏng là tương tự nhau.
Độ trễ (delay) trung bình gói tin, khi kích thước gói tin thay đổi:
Độ trễ trung bình
Tên luồng
(ms)
1.0194
Luồng UGS 1
1.0258
Luồng UGS 2
1.2248
Luồng UGS 3
1.2490
Luồng BE
Bảng 4.5 Độ trễ trung bình cho các luồng dịch vụ với kích thước gói thay đổi
Đồ thị độ trễ được mơ tả như hình 4.7


66
2.5

Delay (ms)

2

Luồng UGS 1

1.5

Luồng UGS 2

Luồng UGS 3
1

Luồng BE
Luồng BE1

0.5

0

Kịch bản
Luồng UGS 1 Luồng UGS 2 Luồng UGS 3

Luồng BE

Luồng BE1

Hình 4.12 Đồ thị độ trễ gói tin cho các luồng dịch vụ với kích thước gói thay đổi
Nhận xét: Khi kích thước gói tin tăng lên, độ trễ trung bình cũng tăng lên, nhưng
độ trễ tăng khơng đáng kể.
4.5 Kết luận
Khi áp dụng thuật toán RR vào lập lịch gói tin cho luồng dịch vụ UGS, kết quả
là, thơng lượng chỉ cơng bằng khi các gói tin trong các luồng có kích thước bằng nhau
và khơng cơng bằng thơng lượng khi kích thước gói tin trong các luồng thay đổi. Các
giá trị về độ trễ delay, vẫn trong khoảng chấp nhận được. Vậy không đảm bảo các
thông số QoS.
4.6 Thuật toán DRR
Căn cứ vào nhược điểm của thuật toán lập lịch RR: Phục vụ xoay vòng cho các
luồng dịch vụ, khơng có sự phận biệt độ ưu tiên cho các luồng dịch vụ khác nhau. Chỉ
hiệu quả khi gói tin có cùng kích thước. Với luồng có độ dài gói tin lớn sẽ chiếm lợi

thế băng thơng, các hàng đợi khác sẽ phải chờ trong thời gian dài hơn.
Giải pháp được đưa ra, để khắc phục nhược điểm của thuật toán RR, với các
luồng UGS của các dịch vụ trong WiMAX, đề xuất áp dụng thuật toán DRR, các
connection cùng lớp dịch vụ UGS thay vì áp dụng thuật tốn RR, áp dụng thuật tốn
DRR.
Có thể áp dụng cải tiến này để xây dựng những hệ thống hỗ trợ VoIP, mạng phục
vụ chăm sóc khách hàng.
Mơ hình thuật tốn RR như hình 4.1: Cơ chế lập lịch xoay vịng cho các luồng
của dịch vụ UGS, công bằng với các gói tin có kích thước cố định, và khơng cơng
bằng khi gói tin có kích thước thay đổi. Và mơ hình thuật tốn cải tiến DRR áp dụng


67

cho WiMAX cho dịch vụ UGS như hình 4.8 và 4.9, luồng dịch vụ UGS được tách biệt
khỏi các luồng dịch vụ khác, cơng bằng hơn khi gói tin có kích thước thay đổi.

Hình 4.13: Mơ hình thuật tốn DRR cho dịch vụ UGS (1)

Hình 4.14: Mơ hình thuật tốn DRR cho dịch vụ UGS (2)
Áp dụng thuật toán DRR cho các luồng dịch vụ UGS, ứng với lượt đầu tiên,
luồng 1 được gửi 1 gói tin có kích thước 60byte, với thiết lập giá trị Quantum là 150,
DC (Deficit Counter) = 90 (Vì 150byte-60byte=90byte). Vì luồng 1 có kích thước gói
tin 60byte<150byte nên luồng 1 được gửi 2 gói (2*60byte=120byte), giá trị DC=150120=30 được lưu lại cho lần sau. Luồng 2 gói tin có kích thước 150byte=1500byte nên
luồng 2 được gửi 1 gói (1*150byte=150byte), DC=0. Luồng 3, gói tin có kích thước
1500byte > 150byte, luồng khơng được gửi gói, DC=150 được lưu lại cho lần sau. Các
lượt tiếp theo là hồn tồn tương tự.
Khi áp dụng thuật tốn DRR vào các luồng dịch vụ UGS, làm cho sự cấp phát
băng thông cho các luồng này được công bằng hơn, khi kích thước gói tin thay đổi.
Khi kích thước gói tin khơng khác nhau nhiều, thuật tốn sẽ cho kết quả tương tự như

thuật toán RR.
Đới với 5 luồng dịch vụ được hỗ trợ trong WiMAX, luồng dịch vụ UGS luôn
được ưu tiên cao nhất, được cấp một lượng băng thông cố định. Khi những ứng dụng


68

(Video, FTP, HTTP) của các luồng dịch vụ khác đang hoạt động. Nếu luồng ứng dụng
VoIP của dịch vụ UGS có u cầu cấp phát băng thơng, thì bộ lập lịch ngay lập tức sẽ
cấp phát một lượng băng thông (cố định) cho dịch vụ UGS, và băng thông cho các
dịch vụ khác sẽ giảm xuống.
Sau đây là thuật toán DRR sử dụng giả mã:
Trong đó:
// Q[i] = Giá trị lượng tử Quantumi của luồng thứ i;
// DC[i] = Giá trị Deficit Counter của luồng i;
// n = Số luồng đang hoạt động;
// P[i] = Số gói tin trong luồng i;
// NoP = Số thứ tự của gói tin; Sử dụng con trỏ, trỏ đến gói tin đầu tiên của luồng;
// Khi một gói tin được gửi đi, con trỏ sẽ trỏ đến gói tin kết tiếp;
// pS = Kích thước gói;
int n = m =get_num_conn(UGS); // Lấy số lượng UGS đang hoạt động
int DC[n];
int Q[n];
bool chk = true;
while (chk) // Kiểm tra số kết nối UGS đang hoạt động
for (int i = 1; i <= n; i++)
Q[i] = 150;
if (P[i] > 0) // Đảm bảo luồng i không rỗng
DC[i]= DC[i] + Q[i];
pS = getDataSize(i); // Kích thước gói tin của luồng thứ i

while (DC[i] >= pS) and (P[i] > 0)
DC[i] = DC[i] – pS;
// [Serve Packet] (Lập lịch cho gói tin này)
// Bao gồm: Lấy gói tin ra khỏi luồng, và thao tác gửi đi
// Và kiểm tra xem luồng có rỗng khơng
end while
if (DC[i]>=0 && P[i] == 0)
m--; //Khi luồng thứ i gửi hết gói tin, thì số luồng giảm đi 1
DC[i] = 0; //Khi đã truyền hết dữ liệu, thì DCi được khởi gán lại bằng 0
end if
end if
end for
if (m = 0)
chk = false;// Khi các gói tin trong các luồng lần lượt được phục vụ hết
end if
end while


69

4.7 Kết luận và đánh giá
Với mơ hình hóa các luồng như hình 4.13 và áp dụng thuật tốn DRR, ta giả sử
trong các luồng chứa một số lượng lớn các gói tin.
Với thuật tốn RR, xét với 100 lượt xoay vịng của thuật tốn RR, vì mỗi vịng
chỉ có một gói tin được gửi đi, nên ta có:
Luồng UGS 1: Tổng kích thước gói tin được gửi đi là 60*100=6000 byte
Luồng UGS 2: Tổng kích thước gói tin được gửi đi là 150*100=15000 byte
Luồng UGS 3: Tổng kích thước gói tin được gửi đi là 1500*100=15000 byte
Với thuật tốn DRR, xét với 100 lượt xoay vịng của thuật tốn DRR và giá trị
Quantum=150, ta có:

Vịng 1: Luồng 1 có 2 gói tin được gửi đi (DC=30, lưu lại cho vịng sau), luồng
2 có 1 gói tin được gửi đi (DC=0), luồng 3 có 0 gói tin được gửi đi (DC=150, lưu lại
cho các vịng sau)
Vịng 2: Luồng 1 có 3 gói tin được gửi đi (DC=0), luồng 2 có 1 gói tin được gửi
đi (DC=0), luồng 3 có 0 gói tin được gửi đi (DC=300, được lưu lại cho các vòng sau)
Tương tự như vậy cho các vòng 3, 4, 5…
Vòng 10: Tương tự như vậy, đến vòng thứ 10, luồng 1 có tổng 25 gói tin được
gửi đi, luồng 2 có tổng 10 gói tin được gửi đi, luồng 3 có tổng 1 gói tin được gửi đi
Tương tự như vậy cho các vòng 11, 12, …
Vòng thứ 100: Tương tự như vậy, đến vòng thứ 100 ta có:
Luồng UGS 1: Tổng kích thước gói tin được gửi đi là 25*60*10=15000 byte
Luồng UGS 2: Tổng kích thước gói tin được gửi đi là 10*150*10=15000 byte
Luồng UGS 3: Tổng kích thước gói tin được gửi đi là 1*10*1500=15000 byte
Ta có bảng tổng kích thước gói tin được gửi đi theo thuật tốn RR và DRR như
sau (đơn vị tính theo byte):

Bảng 4.6: Tổng kích thước gói tin được gửi đi (byte)
Ta có đồ thị tổng kích thước gói tin được gửi đi theo từng luồng với thuật toán
RR và DRR là như sau:


70

Hình 4.15: Đồ thị tổng kích thước gói tin được gửi đi theo từng luồng
Nhìn trên đồ thị 4.15 ta thấy, khi áp dụng thuật tốn DRR, tổng kích thước gói
tin được gửi đi của 3 luồng bằng nhau, vậy nó cơng bằng hơn khi áp dụng thuật cho
tốn RR.
UGS là dịch vụ cho các ứng dụng như VoIP, và khơng cho phép mất mát gói tin
lớn. Khi áp dụng thuật tốn RR, thơng lượng cho các luồng UGS khơng ổn định. Khi
áp dụng thuật toán DRR cho dịch vụ UGS, Công bằng thông lượng giữa các luồng

thuộc cùng lớp UGS, khi kích thước gói tin khác nhau.