Chuyển giao trong mạng tích hợp 3g và wlan

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................

............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng 01 năm 2008

I


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày tháng 01 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐOÀN THANH VIỆT

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 10/10/1982

Nơi sinh : NhaTrang-Khánh Hịa

Chun ngành: Kỹ thuật điện tử

MSSV:01405335

Khố (Năm trúng tuyển): 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI: CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG TÍCH HỢP 3G VÀ WLAN
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Tìm hiểu mạng tích hợp 3G/Wlan.
 Tìm hiểu q trình chuyển giao dọc trong mạng tích hợp 3G/Wlan.
 Đưa ra phương pháp cải thiện thơng lượng trong q trình chuyển giao
dọc.
 Mô phỏng phương pháp đề xuất.
 So sánh và nhận xét kết quả đạt được.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 5-2-2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 17-12-2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN.
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

II


LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện đề tài này, ngoài những nỗ lực không ngừng của bản thân, tôi đã nhận
được sự giúp đỡ lớn lao từ phía thầy cơ, bạn bè và gia đình.
Xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô khoa Điện-Điện tử của trường đại

học bách khoa TPHCM-những người đã tận tình dạy dỗ, dìu dắt tơi trong suốt những năm
học đại học và cao học. Đặc biệt xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS Phạm Hồng Liên
người đã hết lòng hướng dẫn tôi thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận văn. Cảm ơn
gia đình đã ln động viên để tơi có thể hồn thành tốt luận văn.

Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 12 năm 2007
Đoàn Thanh Việt

III


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Internet đã trở nên thành một trong số nhiều công nghệ quan trọng và thịnh hành nhất
trong những mạng máy tính cũng như mạng viễn thơng. Dựa vào kiến trúc phân lớp và khả
năng chuyển gói của nó, cơng nghệ IP cung cấp những dịch vụ linh hoạt và có khả năng
phát triển tới những ứng dụng khác nhau qua nhiều mạng không đồng nhất
(heterogenerous networks). Ngày nay công nghệ không dây phát triển, những người sử
dụng di động có thể kết nối tới những hệ thơng tin khơng dây khác nhau với những mục
đích khác nhau. Trong số nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau, mạng cục bộ
không dây (Wlan) và mạng tế bào đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong việc cung
cấp thoại và dữ liệu cho nhu cầu của người dùng.
Mạng Wlan với những phiên bản 802.11b, 802.11g, 802.11a cung cấp tốc độ truyền dữ
liệu khá nhanh. Trong đó phiên bản 802.11b ứng dụng rộng rãi với việc dùng dải tần số
2.4Ghz và cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 11Mbps trong phạm vi hàng trăm mét. Mạng tế
bào với những thế hệ 2G như GSM, 2.5G như GPRS, 3G như CDMA hoặc UMTS được
thiết kế vùng phủ rộng với băng thông thấp. Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng thế hệ thứ 3
cũng chỉ hỗ trợ tới 2Mbps trong vùng phủ vài cây số. Chính vì những đặc điểm như trên
nên việc bổ sung cho nhau những mặt hạn chế của hai mạng để tạo nên một mạng mới có
thể hội tụ những dịch vụ chất lượng cao.

Bài tốn được đặt ra là nâng cao thơng lượng tcp truyền trong mạng tích hợp 3G/Wlan
khi xảy ra quá trình chuyển giao dọc. Luận văn này tập trung vào việc cải thiện quá trình
truyền dữ liệu sau khi chuyển giao dọc. Phương pháp đưa ra là đặt lại giá trị ngưỡng theo
dung lượng của mạng để tăng tốc độ truyền dữ liệu một cách nhanh nhất sau khi tốc độ bị
giảm đáng kể trong quá trình chuyển giao dọc.

IV


Mục lục
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Trang

1.1 Giới thiệu .........................................................................................................1
1.2 Mục tiêu của luận văn và các cơng trình liên quan .........................................2
1.3 Những đóng góp của luận văn .........................................................................3
1.4 Cấu trúc luận văn ............................................................................................4
CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG
2.1 Giới thiệu mạng 3G .........................................................................................6
2.2 Giới thiệu mạng Wlan .....................................................................................10
2.3 Mơ hình mạng tích hợp 3G và Wlan ...............................................................13
2.3.1 Những yêu cầu và thách thức trong mạng 3G/Wlan ..............................14
2.3.2 Cấu trúc mạng tích hợp của mạng 3G/Wlan ..........................................17
2.4 Giới thiệu Mobile IP........................................................................................23
2.5 Giao thức TCP .................................................................................................32
CHƯƠNG 3: CHUYỂN GIAO DỌC TRONG MÔ HÌNH TÍCH HỢP LỎNG
3.1 Chuyển giao dọc dùng Mobile IP ...................................................................48
3.2 Hiệu năng của TCP trong mạng 3G/Wlan.......................................................51
3.3 Mơ hình và giải pháp cải thiện thơng lượng trong q trình slowstart ...........54

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1 Giới thiệu NS-2 ..............................................................................................56
4.2 Mơ hình, giao thức, các tình huống mô phỏng ..............................................57
4.2.1 Cấu trúc hệ thống mô phỏng ................................................................57
4.2.2 Giao thức ..............................................................................................58
4.2.3 Các thông số mô phỏng và tình huống mơ phỏng ...............................61
4.3 Kết quả mơ phỏng ..........................................................................................61
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.....................................75

V


CHỈ MỤC HÌNH
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của mạng UMTS...............................................................7
Hình 2.2: Mặt phẳng User ...........................................................................................9
Hình 2.3 Mặt phẳng Control .......................................................................................9
Hình 2.4: Các mạng WLAN độc lập...........................................................................10
Hình 2.5: Infrastructure WLAN..................................................................................11
Hình 2.6: Chồng giao thức trong mạng Wlan .............................................................13
Hình 2.7: Quan hệ giữa tốc độ dữ liệu và khả năng di động ......................................15
Hình 2.8: Mơ hình mạng 3G và các điểm tích hợp.....................................................18
Hình 2.9: Mơ hình tích hợp chặt .................................................................................19
Hình 2.10: Mơ hình tích hợp lỏng...............................................................................22
Hình 2.11: Định dạng Agent Solicitation....................................................................25
Hình 2.12: Định dạng agent Advertisement................................................................26
Hình 2.13: Định dạng Registration Request ...............................................................28
Hình 2.14: Định dạng Registration Reply...................................................................28
Hình 2.15: Thủ tục khám phá agent và đăng ký .........................................................29
Hình 2.16: Định tuyến trong MIP ...............................................................................31
Hình 2.17: Mơ hình OSI..............................................................................................32

Hình 2.18: TCP three way handshake........................................................................35
Hình 2.19: Đóng kết nối TCP ....................................................................................35
Hình 2.20: Q trình Slowstart ..................................................................................38
Hình 2.21: Quá trình Congestion control....................................................................39
Hình 2.22: Cwnd trong Slowstart và Congestion Avoidance .....................................40
Hình 2.23: Sack Permitted option ...............................................................................42
Hình 2.24: TCP sack khi bị mất 1 gói ......................................................................44
Hình 2.25: TCP sack khi bị mất nhiều gói trong cùng một cửa sổ .............................45
Hình 3.1: Cấu trúc mạng tích hợp dùng Mobile IP.....................................................48
Hình 3.2: Sơ đồ quá trình chuyển giao .......................................................................50
Hình 3.3: Q trình chuyển giao dọc ..........................................................................53
Hình 3.4: Mơ hình mạng .............................................................................................55

VI


Hình 4.1: Kiến trúc mạng tích hợp 3G/Wlan ..............................................................57
Hình 4.2: Mơ hình mạng tích hợp 3G/Wlan trong ns-2..............................................58
Hình 4.3: Giao thức trong mạng 3G ...........................................................................58
Hình 4.4: Giao thức trong mạng Wlan........................................................................59
Hình 4.5: Mơ hình mạng tích hợp 3G/Wlan ...............................................................60
Hình 4.6 Cwnd dùng tcp reno .....................................................................................62
Hình 4.7: Cwnd khi dùng tcp sack ..............................................................................62
Hình 4.8: Cwnd dùng tcp reno khi ssthresh3G=20, ssthreshwlan=50……. ...................65
Hình 4.9: Cwnd trong hai trường hợp đặt và khơng … ..............................................
đặt ssthresh3G=20 ssthreshwlan=50……………………………………... .....................65
Hình 4.10:Thơng lượng MH nhận khi đặt và ………………………….....................66
khơng đặt ssthresh3G=20, ssthreshwlan=50………………………………. ..................
Hình 4.11: Cwnd khi dùng tcp reno khi ssthresh3G=30, ssthreshwlan=65.. ..................67
Hình 4.12: Cwnd trong hai trường hợp đặt và không đặt ……………… ..................

ssthresh3G=30, ssthreshwlan=65………………………………………….. ..................67
Hình 4.13: Thơng lượng MH nhận khi đặt và khơng……………………..................
đặt ssthresh3G=30 ssthreshwlan=65………………………………………. ...................68
Hình 4.14 Cwnd khi dùng tcp sack khi ssthresh3G=20, ssthreshwlan=55… .................69
Hình 4.15: Cwnd trong hai trường hợp đặt và…………………………. . .................
khơng đặt ssthresh3G=20 ssthreshwlan=55……………………………….. ..................69
Hình 4.16 Thơng lượng MH nhận khi đặt và khơng đặt ssthresh3G=20 .....................
ssthreshwlan=55............................................................................................................70
Hình 4.17 Cwnd khi dùng tcp sack khi ssthresh3G=30, ssthreshwlan=65 .....................71
Hình 4.18: Cwnd trong hai trường hợp đặt và không đặt ssthresh3G=30 ...................
ssthreshwlan=65........................................................................................... .................71
Hình 4.19 Thơng lượng MH nhận khi đặt và khơng đặt ssthresh3G=30 .....................
ssthreshwlan=65............................................................................................................72
Hình 4.20 Cwnd khi dùng tcp sack khi ssthresh3G=45, ssthreshwlan=80 .....................73
Hình 4.21: Cwnd trong hai trường hợp đặt và không đặt ssthresh3G=45 ...................
ssthreshwlan=80.............................................................................................................73

VII


Hình 4.22 Thơng lượng MH nhận khi đặt và khơng đặt ssthresh3G=45… .................
ssthreshwlan=80............................................................................................................74

CHỈ MỤC BẢNG

VIII


Bảng 2.1: Cấu trúc TCP header ...................................................................... 33
Bảng 2.2: Sack option format ......................................................................... 43

Bảng 4.1: Thông số mô phỏng ........................................................................ 61
Bảng 4.2: Thông lượng của MH và mức độ cải thiện………………………..75

Lý lịch trích ngang
Họ và tên: Đồn Thanh Việt
Nơi sinh: Nha Trang
Ngày tháng năm sinh: 10-10-1982
Địa chỉ liên lạc: Số 1 hùng vương, Nha Trang, Khánh Hòa.
Email:

IX


Quá trình đào tạo:
 2000-2005: Học đại học tại trường đại học Bách Khoa TPHCM, nghành điện
tử viễn thông.
 2005-2007: Học cao học tại trường đại học Bách Khoa TPHCM, nghành kỹ
thuật điện tử.
Q trình cơng tác:
 2005-2006: Làm tại công ty cổ phần CT-IN.
 2007
: Làm tại công ty cổ phần Visco.

X


Trang 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu

Internet đã trở nên thành một trong số nhiều công nghệ quan trọng và thịnh hành
nhất trong những mạng máy tính cũng như mạng viễn thông. Dựa vào kiến trúc phân
lớp và khả năng chuyển gói của nó, cơng nghệ IP cung cấp những dịch vụ linh hoạt và
có khả năng phát triển tới những ứng dụng khác nhau qua nhiều mạng không đồng nhất
(heterogenerous networks). Ngày nay công nghệ không dây phát triển, những người sử
dụng di động có thể kết nối tới những hệ thông tin không dây khác nhau với những
mục đích khác nhau. Trong số nhiều cơng nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau, mạng
cục bộ không dây (WLAN) và mạng tế bào đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi
trong việc cung cấp thoại và dữ liệu cho nhu cầu của người dùng.
Hai cơng nghệ này có những đặc điểm khác nhau ở lớp vật lý. Mạng Wlan với
những phiên bản 802.11b, 802.11g, 802.11a cung cấp tốc độ truyền dữ liệu khá nhanh.
Trong đó phiên bản 802.11b ứng dụng rộng rãi với việc dùng dải tần số 2.4Ghz và
cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 11Mbps trong phạm vi hàng trăm mét. Mạng tế bào với
những thế hệ 2G như GSM, 2.5G như GPRS, 3G như CDMA hoặc UMTS được thiết
kế vùng phủ rộng với băng thông thấp. Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng thế hệ thứ 3
cũng chỉ hỗ trợ tới 2Mbps trong vùng phủ vài cây số. Chính vì những đặc điểm như
trên nên việc bổ sung cho nhau những mặt hạn chế của hai mạng để tạo nên một mạng
mới có thể hội tụ những dịch vụ chất lượng cao.
Trên con đường phát triển của mạng không dây IP, chúng ta gặp một số vấn đề như
khả năng di động là một vấn đề cần được giải quyết. Quá trình chuyển giao ảnh hưởng
chất lượng của các ứng dụng dựa trên nền IP mà bản thân các ứng dụng này yêu cầu
phải có một giải pháp chuyển giao liền mạch (seamless handover). Giao thức IP được
thiết kế dựa với giả thiết là những node có địa chỉ IP cố định tại những điểm đặc biệt
trong Internet. Để hỗ trợ cho tính di dộng trong mạng IP thì cần có giao thức quản lý di
động. Quản lý di động gồm có hai phần: quản lý vị trí (location management) và quản

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG


Trang 2

lý chuyển giao (handoff management) [10]. Quản lý vị trí là quản lý q trình cập nhật
vị trí của node, trong khi quản lý chuyển giao là duy trì kết nối của những node di
chuyển giữa hai mạng độc lập nhau. Trong luận văn này chúng ta chỉ quan tâm đến
quản lý chuyển giao.
Có nhiều giải pháp quản lý di động để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao như Mobile
IP, Hawaii, Cellular IP…Trong luận văn này chúng ta chọn Mobile IP là giải pháp để
quản lý di động. Mặc dù Mobile IP đã giải quyết được những vấn đề cơ bản về tính di
động của các node trong mạng IP nhưng nó vẫn cịn nhiều hạn chế là thời gian trễ
chuyển giao lớn, tỉ lệ mất gói cao…làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của các ứng
dụng trên nền IP đang sử dụng trong mạng IP này.
1.2 Mục tiêu của luận văn và các cơng trình liên quan
Luận văn này nhằm giải quyết một trong những thách thức được đặt ra là vấn đề
chuyển giao dọc. Đây là một trong những vấn đề quan trọng trong mạng tích hợp
3G/Wlan vì nó ảnh hưởng đến q trình truyền dữ kiệu trong loại mạng này. Bài toán
mà luận văn đặt ra là giảm một cách thấp nhất ảnh hưởng của quá trình chuyển giao
dọc đối với quá trình truyền dữ liệu trong mạng tích hợp. Luận văn đã đưa ra giao thức
quản lý di động mobile ip trong mạng tích hợp, từ đó phân tích q trình chuyển giao
dọc dưới sự quản lý của moble ip. Khi xảy ra chuyển giao dọc thì quá trình truyền dữ
liệu bị gián đoạn trong thời gian trễ chuyển giao. Nếu thời gian trễ chuyển giao lớn thì
ảnh hưởng rất xấu đến quá trình truyền dữ liệu trong mạng. Trong luận văn này ta sẽ
cải thiện thông lượng tcp sau khi xảy ra quá trình chuyển giao dọc.
Có rất nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm cải thiện thơng lượng khi xảy ra qua trình
chuyển giao dọc. Dựa vào quá trình nghiên cứu về chuyển giao dọc trong mạng
3G/Wlan, q trình cải thiện thơng lượng tcp theo những cách sau:
 Giảm thời gian trễ chuyển giao: Khi thời gian trễ chuyển giao được giảm xuống
thì khoảng thời gian truyền dữ liệu tăng lên, do đó thơng lượng trung bình sẽ
tăng lên. Việc giảm thời gian trễ chuyển giao có thể được thực hiện bằng cách

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Trang 3

cải tiến giao thức quản lý di động [14] [15][16]. Ngoài ý nghĩa hạn chế thời gian
gián đoạn truyền dữ liệu cịn có ý nghĩa là mong muốn thời gian trễ chuyển giao
sẽ nhỏ hơn thời gian timeout. Khi đó với việc điều khiển bằng giao thức tcp sẽ
khơi phục lại gói bị mất một cách nhanh chóng do đó thơng lượng sẽ giảm
khơng đáng kể. Thế nhưng mong muốn này khó thực hiện mặc dù đã cải tiến
các giao thức quản lý di động theo kết luận của [13].
 Lưu lại những gói được truyền trong q trình chuyển giao trong bộ đệm [2]:
Những gói được truyền trong quá trình chuyển giao sẽ bị rớt vì tuyến cũ bị mất.
Do đó để tránh mất gói ta sẽ lưu trữ những gói này vào trong bộ đệm và chuyển
chúng đến tuyến mới. Tuy nhiên do kích thước bộ đệm hạn chế nên khi số lượng
gói gửi lớn thì dẫn đến bộ đệm bị tràn và do đó cũng dẫn đến hiện tượng
timeout.
 Cải thiện q trình slowstart: do khơng thể tránh được quá trình slowstart khi
xảy ra quá trình chuyển giao nên ở [18] đã đưa ra phương pháp cải thiện băng
thông ở trong giai đoạn slowstart. Sau quá trình chuyển giao dọc thì do bị gián
đoạn trong một thời gian dài nên việc truyền dữ liệu sẽ đi vào quá trình
slowstart với mức ngưỡng ssthresh rất thấp. Do mức ngưỡng này sẽ làm cho quá
trình truyền dữ liệu phải mất một khoảng thời gian rất dài để đạt được tốc độ
phù hợp với mạng. Để giải quyết thì sau khi hồn tất q trình chuyển giao thì
mức ngưỡng được đặt cao hơn nhằm giảm bớt thời gian cần để đạt được kích
thước cửa sổ lớn.
1.3 Những đóng góp của luận văn
Giải pháp quản lý di động Mobile IP được hoạt động trong lớp mạng do IETF
chuẩn hóa. Khi có q trình chuyển giao xảy ra thì Mobile IP cần có những báo hiệu để
thực hiện việc chuyển giao thành cơng, do đó trong thời gian này thì kết nối tcp bị gián
đoạn không thể truyền được dữ liệu. Khi q trình chuyển giao thành cơng thì kết nối

tcp mới bắt đầu truyền tiếp dữ liệu và đồng thời kết nối tcp sẽ phải mất một khoảng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG


Trang 4

thời gian để có thể đạt được tốc độ truyền trước khi chuyển giao. Do đó thơng lượng
truyền qua kết nối tcp sẽ bị giảm đáng kể. Đa số các cơng trình nghiên về chuyển giao
dùng Mobile IP đều sử dụng phương pháp điều khiển tắc nghẽn ở lớp chuyển vận là
tcp-reno. Nhưng trong q trình chuyển giao gói bị mất nhiều trong cùng một cửa sổ
điều khiển tắc nghẽn, do đó tcp-reno sẽ khơng hoạt động hiệu quả. Trong luận văn này
ta sẽ đề nghị một phương pháp điểu khiển tắc nghẽn là tcp-sack kết hợp với Mobile IP
để nâng cao thơng lượng trong kết nối tcp.
Đóng góp của luận văn:
 Phân tích cơ chế tích hợp mạng 3G và Wlan.
 Phân tích q trình chuyển giao dọc dùng giao thức Mobile IP trong
mạng 3G và Wlan.
 Đề ra phương pháp đặt giá trị ngưỡng mới sau khi chuyển giao dọc để
cải thiện thông lượng tcp.
 Mô phỏng bằng ns-2 và so sánh hiệu quả về thông lượng trong kết nối
tcp khi sử dụng phương pháp cải thiện băng thông đề ra.
1.4 Cấu trúc luận văn
Chương 1: Giới thiệu chung
Trong chương này chúng ta giới thiệu chung về vần đề tích hợp mạng 3G và
Wlan cũng như vấn đề chuyển giao trong mạng tích hợp. Từ đặc điểm chuyển
giao dọc chúng ta đề nghị phương pháp quản lý di động Mobile IP kết hợp với
giao thức điều khiển tắc nghẽn TCP-Sack để cải thiện thông lượng trong kết nối
tcp.
Chương 2: Kiến thức nền tảng

Trong chương này chúng ta trình bày một số kiến thức cơ bản dùng trong luận
văn như: mơ hình mạng tích hợp 3G/Wlan, giao thức mobile ip và tcp.
Chương 3: Chuyển giao dọc trong mô hình tích hợp lỏng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG


Trang 5

Trình bày quá trình chuyển giao trong mạng 3G/Wlan và ảnh hưởng quá trình
chuyển giao trong việc truyền dữ liệu. Đề ra phương pháp đặt ngưỡng để cải
thiện thông lượng tcp.
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả
Trong chương này chúng ta phân tích q trình chuyển giao.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Trong chương này chúng ta đánh giá phương pháp cải thiện thông lượng đề
nghị. Từ đó rút ra hướng phát triển đề tài.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG


Trang 5

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG


Trang 6

CHƯƠNG 2
KIẾN THỨC NỀN TẢNG

Trong chương này ta sẽ trình bày những kiến thức cơ bản mà có liên quan đến luận
văn như: các mơ hình tích hợp của mạng 3G/Wlan, hoạt động của giao thức mobile ip
và tcp.

2.1 Giới thiệu mạng 3G
UMTS (Universal Mobile Telecommunication system) là công nghệ di động thế hệ
thứ 3 do châu âu phát triển. UMTS phát triển dựa trên nền tảng của mạng thế hệ thứ hai
GSM (Global System for Mobile communication).
Cấu trúc cơ bản của mạng UMTS trong hình 2.1:
 User Equipment (UE): là thiết bị đầu cuối và nó kết nối với UTRAN (UMTS
Terrestrial Radio Access Network) qua giao diện vô tuyến Uu.
 UTRAN: gồm nhiều Node B được kết nối đến RNC (Radio Network
Controllers) qua giao diện Iub.
 Core network (CN): mạng lõi kết nối đến các mạng ngoài như là mạng điện
thoại công cộng (PTSN), internet, hoặc các mạng di dộng khác. Mạng lõi có
chức năng định tuyến, nhận thực...Nó được chia làm 2 miền: miền chuyển mạch
kênh circuit switched (CS) và miền chuyển mạch gói packet switched (PS).

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG


Trang 7

Circuit switched Domain
NODE B
RNC

MSC/VLR

GMSC

NODE B
UE

HLR
NODE B

RNC

NODE B
UTRAN
SGSN

GGSN

Packet Switched domain

Core Network

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của mạng UMTS
Trong miền chuyển mạch kênh:
 MSC (mobile services switching center): trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di
động có nhiệm vụ chính là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử
dụng mạng thông tin di động.
 GMSC (gate MSC): MSC cổng làm nhiệm vụ giao diện với mạng chuyển mạch
kênh ngoài.
 VLR (Visitor Location Register): bộ ghi định vị tạm trú là cơ sở dữ liệu có
nhiệm vụ lưu trữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong
vùng phục vụ của MSC. Chức năng của VLR thường liên kết với chức năng của
MSC.

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG


Trang 8

 HLR (Home Location Register): bộ ghi định vị thường trú là cơ sở dữ liệu lưu
trữ các thông tin liên quan của thuê bao đến việc cung cấp các dịch vụ.
Trong miền chuyển mạch gói:
 SGSN (Serving GPRS support node): nút hỗ trợ dịch vụ GPRS có chức năng
giống như MSC trong miền chuyển mạch kênh.
 GGSN (Gateway GPRS support node): Nút hỗ trợ cổng GPRS cung cấp giao
diện giữa mạng UMTS và mạng số liệu gói ngoại vi khác như internet, các
mạng intranet liên kết và các mạng không dây khác.
Các giao thức trong UMTS
3GPP TS 23.060 [11] định nghĩa cấu trúc giao thức UMTS theo lớp cho cả mặt
phẳng user (user plane) và mặt phẳng control (control plane). Các giao thức của trong
hai mặt phẳng này chia thành 3 lớp chính:
 Lớp mạng vận chuyển (transport network layer): chịu trách nhiệm cung cấp dịch
vụ vận chuyển cho cả hai mặt phẳng. Lớp mạng vận chuyển này gồm: Medium
Access Control (MAC), Reliable Link Control (RLC), Physical (PHY),
Asynchronous transfer mode (ATM) và ATM adaptation layer 5 (AAL5).
 Lớp mạng vô tuyến (radio network layer): nằm trên lớp mạng vận chuyển có
nhiệm vụ điều khiển việc thiết lập, duy trì và giải phóng kênh vơ tuyến (radio
access bearers-RAB) và truyền dữ liệu. Trong mặt phẳng control thì giao thức
trong lớp mạng vô tuyến là radio access network application part (RANAP) và
radio resources control (RRC). Trong mặt phẳng user thì giao thức trong lớp
mạng vô tuyến là packet data convergence protocol (PDCP) và GPRS tunneling
protocol user (GTP-U).
 Lớp mạng hệ thống (system network layer): cho phép SGSN cung cấp những

dịch vụ liên lạc đến UE. Trong mặt phẳng control thì giao thức trong lớp mạng
hệ thống là GPRS mobility management (GMM) và session management (SM).

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG


Trang 9

Aplication

IP,PPP

System
Network
protocol

IP,PPP

PDCP

RLC
MAC

PDCP GTP-U

GTP-U

RLC

UDP/IP UDP/IP

UDP/IP

GTP-U

GTP-U

Radio
Network
protocol

UDP/IP

MAC

AAL5

AAL5

L2

L2

L1

ATM

ATM

L1

L1

Transport
Network
protocol

L1

UE

Uu

UTRAN

Iu-ps

SGSN

Gn GGSN

Hình 2.2: Mặt phẳng User

GMM/SM

GMM/SM

System
Network
protocol

RRC

RRC

RANAP

RANAP

RLC

RLC

SCCP

SCCP

Radio
Network
protocol

MAC

MAC

Signalling
Bearer
AAL5

Signalling

Bearer
AAL5

Transport
Network
protocol

ATM

ATM

L1

UE

L1

Uu

UTRAN

Iu-Ps

Hình 2.3 Mặt phẳng Control

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG

SGSN

Trang 10

2.2 Giới thiệu mạng Wlan
Hệ thống Wlan (wireless local area network) là một hệ thống truyền dữ liệu băng
rộng rất linh hoạt. Đó là hệ thống mở rộng, gia tăng việc lựa chọn đối với mạng
wire_LAN trong cùng một tòa nhà hay trong một trường học. Do truyền và nhận dữ
liệu qua sóng điện từ, Wlan làm giảm các kết nối hữu tuyến và truyền thông với các
thiết bị di động, cấu hình đơn giản và cho phép thực hiện các mạng LAN di động.
Wlan được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực sản xuất, kinh doanh, y tế… Năng
suất lao động tăng lên do sử dụng các thết bị đầu cuối di động truyền các thông tin thời
gian thực về đơn vị xử lý trung tâm. Các thiết bị đầu cuối truy nhập vào mạng Wlan
thông qua các bộ chuyển đổi LAN vơ tuyến ví dụ như PC card trong máy tính xách tay,
bộ chuyển đổi ISA hoặc PCI trong máy tính cá nhân hay được tích hợp sẵn trong các
thiết bị cầm tay. Bộ chuyển đổi Wlan cung cấp giao tiếp giữa hệ thống vận hành mạng
client (NOS-network operating system) và sóng điện từ. Cấu hình Wlan có các dạng
sau:
 Các Wlan độc lập: cấu hình đơn giản nhất của mạng Wlan là dạng các Wlan độc
lập (peer to peer) kết nối các nhóm PC với bộ biến đổi không dây. Tại mỗi thời
điểm, hai hay nhiều bộ biến đổi khơng dây có thể được cài đặt một cách độc lập.
Các loại mạng này không cần phải quản trị cũng như tái cấu hình.

Hình 2.4: Các mạng Wlan độc lập

 Infrastructure Wlan: trong mạng Wlan này, các điểm đa truy cập liên kết mạng
Wlan với mạng hữu tuyến và cho phép người sử dụng chia sẻ tài nguyên mạng

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG


Trang 11

một cách hiệu quả. Các điểm này không chỉ kết nối với mạng hữu tuyến mà còn
trung chuyển lưu lượng trong các vùng lân cận. Các điểm đa truy cập có thể phủ
tồn bộ một tịa nhà. Cấu trúc mạng Wlan bao gồm các bộ thu/phát (hay còn gọi
là các điểm truy nhập) kết nối với hệ thống hữu tuyến từ các vị trí cố định theo
chuẩn cáp Ethernet. Các điểm truy nhập sẽ thu, đệm và phát dữ liệu giữa mạng
Wlan và mạng hữu tuyến. Mỗi điểm truy nhập có thể hỗ trợ một nhóm user nhỏ
trong phạm vi vài trăm mét. Các điểm truy nhập (hay các antenna của các điểm
truy nhập) thường được đặt trên cao nhưng cũng có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào
mà có thể che phủ hết vùng được yêu cầu.

HỆ THỐNG PHÂN PHỐI

AP

AP

BSS

BSS

ESS= Extended service sets

Hình 2.5: Infrastructure Wlan
BSS (Basic Service Sets): Tập dịch vụ cơ bản dùng để chỉ một nhóm cùng nằm trong
một AP. Các user cùng nằm trong một AP thì đều có BSS giống nhau.
ESS (Extended Service Sets): Tập dịch vụ mở rộng là tập hợp một hay nhiều BSS (AP)
lại với nhau thông qua hệ thống phân phối.

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG

Trang 12

Ưu điểm của Wlan
Wlan nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống thông qua việc chia sẻ hiệu quả
nguồn tài nguyên và dữ liệu chung. Với mạng này, người sử dụng dễ dàng truy nhập
vào mạng thông tin chia sẻ mà không cần phải quan tâm đến việc tìm nơi để cắm dây
hay người quản trị mạng cũng có thể dễ dàng thiết lập hay mở rộng mạng mà không
cần phải thêm hay bớt dây. Nhờ vào đặc điểm này Wlan đã mang lại nhiều lợi ích cho
người sử dụng.
 Tính linh động làm tăng hiệu quả và dịch vụ nhờ việc trao đổi thông tin thời
gian thực giúp cải thiện năng suất và dịch vụ mà điều này không thể thực hiện
được ở wire_LAN.
 Cài đặt đơn giản và nhanh chóng: việc thiết lập mạng khơng dây được thực hiện
nhanh, dễ dàng đồng thời giảm thiểu thời gian kéo dây âm tường hay trần nhà.
 Cài đặt linh hoạt: Wlan có thể được cấu hình ở nhưng nơi mà kết nối hữu tuyến
khó thực hiện được.
 Giảm chi phí sở hữu: phần cứng của mạng khơng dây được trang bị lúc ban đầu
tốn kém hơn mạng hữu tuyến. Tuy nhiên, nếu hoạt động trong khoảng thời dài
thì chi phí tổng cộng sẽ nhỏ hơn so với mạng hữu tuyến mà lợi nhuận lại cao
hơn.
 Khả năng mở rộng: Wlan có thể được cấu hình với nhiều dạng cấu trúc đáp ứng
rộng rãi cho nhiều nhu cầu sử dụng và cài đặt. Cấu hình dễ dàng thay đổi từ các
mạng nhỏ độc lập dùng cho nhóm ít người sử dụng đến các mạng lớn với hàng
ngàn user mà cho phép chuyển vùng (roaming) trên vùng rộng lớn.
Giao thức trong mạng Wlan

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG

Trang 13

Aplication
TCP/UDP
IP
Logical Link Control
MAC
802.11
Hình 2.6: Chồng giao thức trong mạng Wlan
2.3 Mơ hình mạng tích hợp 3G và Wlan
Sự tiêu chuẩn hóa mạnh mẽ các mạng LAN khơng dây và các hoạt động nghiên cứu
phát triển quốc tế, kết hợp với sự triển khai thành công các mạng Wlan gần đây là bằng
chứng đầu tiên cho thấy công nghệ Wlan sẽ đóng vai trị chủ chốt trong các mạng dữ
liệu di động thế hệ thứ tư. Với thực tế đó, một địi hỏi cấp thiết là phải tích hợp được
các mạng Wlan với các mạng dữ liệu di động thế hệ thứ ba để có khả năng cung cấp
các dịch vụ dữ liệu với tốc độ cao ở những vị trí chiến lược. Dựa vào nhu cầu đó để
đưa ra đề xuất và thảo luận về một số cấu trúc lý thuyết có thể thực hiện để kết nối các
mạng Wlan vào các mạng 3G và đáp ứng các yêu cầu của những mơ hình mạng thơng
dụng nhất. Các cấu trúc này có thể giúp người dùng mạng 3G có thể hưởng lợi từ các
kết nối IP dung lượng lớn tại các hotspot cũng như duy trì được dịch vụ khi chuyển
vùng thông qua một số công nghệ truy nhập vơ tuyến như IEEE 802.11, UTRAN, hay
GERAN (GPRS RAN). Hình 2.7 trình bày mối quan hệ giữa khả năng di động và tốc
độ truyền dữ liệu. Khi tốc độ dữ liệu càng cao thì khả năng di động càng thấp và ngược
lại. Việc tích hợp hai mạng 3G và Wlan thành một mạng mới gọi là mạng không đồng
nhất (Heterogeneous) để tận dụng ưu điểm của hai loại mạng trên là tốc độ truyền dữ
liệu cao và khả năng di động lớn.
Những cố gắng để phát triển các mạng không đồng nhất, liên quan tới các mạng dữ
liệu di động thế hệ thứ tư (4G) đồng thời liên quan tới rất nhiều thách thức về mặt kỹ

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG


Trang 14

thuật như việc chuyển giao dọc (vertical handover) trong các mạng không đồng nhất,
kỹ thuật bảo mật vô tuyến 3G, việc nhận thực, cách tính cước, việc chia sẻ mạng Wlan
bởi một số mạng 3G để duy trì QoS ổn định và cung cấp nhiều loại hình dịch vụ.
2.3.1 Những yêu cầu và thách thức trong mạng 3G/Wlan
Sau đây là một số mơ hình mạng và các u cầu đi kèm được đề nghị bởi [6]
Mơ hình mạng 1- Chăm sóc khách hàng và tính cước chung
Đây là dạng đơn giản nhất của mạng tích hợp, nó cung cấp một sự chăm sóc khách
hàng và tính cước chung cho các th bao.
Mơ hình mạng 2-Tính cước và điều khiển truy nhập dựa trên nền mạng 3G
Mơ hình mạng này yêu cầu việc xác thực, cấp quyền và tính cước (authentication,
authorization, and accounting -AAA) đối với các thuê bao 3G trong mạng Wlan
được thực hiện bởi mạng di động thường trú 3G của các thuê bao này. Ví dụ, một
thuê bao mạng 3G đang ở trong một mạng Wlan có thể sử dụng usim của nó để
nhận thực như vẫn thường thực hiện trong một mạng 3G. Việc cấp quyền được
cung cấp bởi mạng di động thường trú 3G dựa trên dữ liệu lưu trữ của thuê bao đó
trong mạng 3G. Mơ hình mạng này có thể tạo ra kết nối IP cho các thuê bao mạng
3G thông qua mạng Wlan. Nói một cách đơn thuần là người sử dụng được cung cấp
một kết nối IP tới mạng Internet hoặc Intranet thông qua một mạng Wlan. Ngoại trừ
liên kết IP, khơng có một dịch vụ xác định nào được u cầu.

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC NỀN TẢNG