Nghiên cứu phương pháp quản lý chuyển vùng trong mạng 4g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --- LỮ THỊ PHƯƠNG NGA NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ CHUYỂN VÙNG TRONG MẠNG 4G C

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠO

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

LỮ THỊ PHƯƠNG NGA

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ CHUYỂN VÙNG

TRONG MẠNG 4G

CHUYÊN NGÀNH : TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH

MÃ SỐ : 60.48.15

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2010

Luận văn được hoàn thành tại:

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học: TS Đinh Văn Dũng

Phản biện 1: ………

………

Phản biện 2: ………

………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự 1G, các hệ thống thông tin di động số thế hệ thứ 2 ra đời đánh dấu sự thành công của công nghệ GSM với hơn 70% thị phần thông tin di động trên toàn cầu Tuy nhiên GSM chỉ đáp ứng tốt dịch vụ thoại trong khi nhu cầu dịch vụ số liệu ngày một gia tăng và hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

3 ra đời đáp ứng các nhu cầu về truyền số liệu Hướng tới

sự phát triển tiếp theo trong tương lai, mạng không dây thế

hệ thứ 4 sẽ tích hợp các công nghệ như WLAN và mạng thông tin di động thế hệ thứ 3

Đề tài “Nghiên cứu phương pháp quản lý chuyển

vùng trong mạng 4G” sẽ đánh giá năng lực của các đề xuất

quản lý chuyển vùng giữa các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau: WLAN, 3G, Wimax Luận văn xác định các yêu cầu đặt ra đối với vấn đề quản lý chuyển vùng trong mạng 4G Năng lực của các đề xuất trên được khảo sát nhờ công

cụ phần mềm mô phỏng NS-2

Nội dung của đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Mạng 4G và vấn đề quản lý di động Chương 2: Giao thức quản lý chuyển vùng trong mạng 4G

Chương 3: Đánh giá quản lý chuyển vùng giữa WLAN và UMTS bằng mô phỏng

I NỘI DUNG CHÍNH CỦA TỪNG CHƯƠNG

CHƯƠNG 1

Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G), về lịch sử và xu hướng phát triển, mô hình cấu trúc mạng và các dịch vụ được triển khai trong mạng di động 4G Tiếp đó chương sẽ đề cập đến vấn đề quản lý di động trong mạng, khái niệm về chuyển vùng trong quản lý di động cũng như sự cần thiết của việc nghiên cứu các phương pháp chuyển vùng trong mạng di động 4G

Mô hình cấu trúc mạng 4G

Hình 1.5: Mô hình cấu trúc mạng 4G

Lớp truy nhập vô tuyến

Nhiệm vụ chính của mạng truy nhập vô tuyến RAN(Radio Access Network) là tạo và duy trì các kênh mang truy nhập vô tuyến RAB (Radio Acess Bearer) để thực hiện thông tin giữa thiết bị di động UE (User Equipment) và mạng lõi CN (Core Network)

Lớp mạng lõi

Mạng lõi phải tích hợp được tất cả các mạng viễn thông khác nhau như mạng di động, WLAN, WiMAX, các mạng không dây khác…

Lớp chức năng

Lớp chức năng dùng để điều khiển hệ thống như điều khiển hệ thống báo hiệu, điều khiển lưu lượng, bảo mật thông tin… đồng thời cung cấp cơ sở hạ tầng cho lớp dịch

vụ, cung cấp các loại hình dịch vụ khác nhau

Lớp dịch vụ

Cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu của người dùng,

có chất lượng cao như: các dịch vụ thông tin định vị, dịch

vụ đa phương tiện chất lượng cao, dịch vụ điều khiển từ xa…

CHƯƠNG 2:

Chương 2 trình bày về hai giao thức chuyển vùng trong mạng 4G đó là Giao thức Mobile IP, Giao thức MIH (chuẩn IEEE 802.21)

Giao thức Mobile IP- Nguyên lý hoạt động

Khi MN đang trong mạng thường trú, nó sẽ được phân phối một địa chỉ IP thường trú Lúc này MN đang trong mạng thường trú của nó, thì nút di động MN nhận các gói tin này và trả lời chúng như một máy chủ thông thường (đây là một yêu cầu quan trọng của IP di động) Nhưng nếu

MN đi khỏi mạng thường trú thì MN cần có một đại diện thay mặt nó Đại diện này là đại diện thường trú HA (Home Agent) có thể thông tin với MN trong suốt thời gian di chuyển mà không phụ thuộc vào vị trí hiện tại của MN Do

đó, ta có thể coi HA là vị trí vật lý của MN Vậy khi MN đi khỏi nơi thường trú, nó phải có một địa chỉ tạm trú và thông báo địa chỉ này cho HA để biết được địa điểm hiện tại của MN Có nhiều cách để có địa chỉ này, nhưng tiện nhất là MN có địa chỉ này từ một đại diện Đại diện này được gọi là đại diện tạm trú FA (Foreign Agent) [10]

Do đó khi một MN ra khỏi mạng thường trú tới mạng ngoài, MN phát hiện là nó đang ở mạng khác nó sẽ gửi yêu cầu đăng ký thông qua FA đến HA để được lưu động trong một thời gian Đáp ứng này gửi đến MN (thông qua FA) cho phép hoặc từ chối việc đăng ký này Trường

hợp này thực hiện khi MN dùng FA để đăng ký, còn nếu

MN bảo vệ địa chỉ theo cách khác thì nó không cần bước đăng ký qua FA

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của MIPv4

(Nguồn: Tài liệu tham khảo [10]) Chuyển vùng trong mobile IP: gồm trường hợp MN

đi từ FA1 sang FA và trường hợp MN đi từ FA sang vùng không có FA

Giao thức MIH của IEEE - Mô hình kiến trúc MIH

Kiến trúc MIH (Media- Independent Handover- IEEE 802.21) bao gồm các User MIH đặt tại lớp Lớp 4 sử

dụng điểm truy nhập dịch vụ MIH (SAPs) để truyền thông

với các dịch vụ MIH ở các lớp thấp hơn [2]

Link

events

Link

commands

MIH

Events

MIH

Commands

MIH User 1

MIHF

L2 2

L2 1

MIHF

L2

Query or configure Response

Query or configure Response

Technology dependent

Technology independent MIH User 2

MIH

Events

MIH Commands

Link events

Link commands

Link

events

Link

commands

MIH

Events

MIH

Commands

MIH User 1

MIHF

L2 2

L2 1

MIHF

L2

Query or configure Response

Query or configure Response

Technology dependent

Technology independent MIH User 2

MIH

Events

MIH Commands

Link events

Link commands

Hình 2.2: Mô hình kiến trúc MIH

(Nguồn: Tài liệu tham khảo [2])

Khối chức năng MIH (MIHF) đặt giữa lớp 2 và lớp

3 Khối chức năng này cung cấp dịch vụ chuyển vùng bao

gồm các dịch vụ sự kiện (ES), dịch vụ thông tin (IS) và

dịch vụ chung (CS) thông qua SAPs Ngoài ra kiểm soát

tắc nghẽn có thể được yêu cầu phụ thuộc vào tổng lượng dữ

liệu của một MIH sinh ra Bởi vậy một số thông báo tín

hiệu MIH nên được thực hiện thông qua giao thức truyền

thông tin cậy như TCP- mà yêu cầu phân phối và kiểm soát

tắc nghẽn

CHƯƠNG 3:

Chương 3 giới thiệu về phần mềm mô phỏng mạng NS-2 và trình bày kết quả mô phỏng chuyển vùng giữa mạng UMTS và WLAN Giới thiệu về các tham số sẽ ảnh hưởng tới hiệu năng chuyển vùng Sau đó trình bày topology mạng thực hiện chuyển vùng giữa mạng UMTS và WLAN và các scenario chuyển vùng Phần cuối của chương trình bày kết quả hiệu năng chuyển vùng khi điều chỉnh các tham số mô phỏng

Các tham số đánh giá hiệ năng chuyển vùng

Các tham số được đề cập sau đây được sử dụng để

đánh giá hiệu năng chuyển vùng [19] Độ trễ chuyển giao,

Tỉ lệ ngắt kết nối, Tỉ lệ mất gói, Số gói tin không đúng thứ

tự, Hiệu năng phát hiện di chuyển, Xác suất tạo ra link trigger bị lỗi

Cấu hình và các tham số mô phỏng

2.0.0

3.0.0

2.0.1 3.0.1 RA

RA

Agent App

Agent App

2.0.0

3.0.0

2.0.1 3.0.1 2.0.1 3.0.1 RA

RA

Agent App

Agent App

Hình 3.3: Topology mạng mô phỏng chuyển vùng giữa

UMTS và WLAN

Hình 3.4: Topology mạng mô phỏng chuyển vùng

UMTS sang WLAN trên ns-2

Quá trình mô phỏng thực hiện với 2 scenario

Scenario 1: Phát hiện di chuyển dựa trên RA

2.0.0

3.0.0

2.0.1 3.0.1

RA

RA

Agent App

Agent App

2.0.1 3.0.1 Agent App

2.0.1 3.0.1

Agent App

Prefix expired

2.0.0

3.0.0

2.0.1 3.0.1 2.0.1 3.0.1

RA

RA

Agent App

Agent App

2.0.1 3.0.1 2.0.1 3.0.1 Agent App

2.0.1 3.0.1 2.0.1

3.0.1

Agent App

Prefix expired

Hình 3.5: Topology phát hiện di chuyển dựa trên RA

Các kết quả mô phỏng như sau:

DELAY và MAX_RA_DELAY) Kết quả như sau:

2

4

6

8

10

12

Thời gian gửi quảng bá router tối thiểu (s)

Hình 3.6: Ảnh hưởng của khoảng thời gian RA tới độ

trễ chuyển giao

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Thời gian hoạt động của router (s)

Hình 3.7: Ảnh hưởng thời gian hoạt động của router

tới độ trễ chuyển giao

Scenario 2: Phát hiện di chuyển dựa trên các sự kiện Phát hiện liên kết/ Thiết lập liên kết/ Ngắt liên kết (Link Detected/ Link Up/ Link Down event)

0.0.0 1.0.0

2.0.0

3.0.0

2.0.1 3.0.1

RA

RA

Agent App

Agent App Link UP

Link Down

RS

2.0.0

3.0.0

2.0.1 3.0.1 2.0.1 3.0.1

RA

RA

Agent App

Agent App Link UP

Link Down

RS

Hình 3.8: Topology phát hiện di chuyển dựa trên Link

Detected/UP/Down

Các kết quả mô phỏng

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

MAX_RA_DELAY_TIME (s)

Hình 3.9: Ảnh hưởng của tham số MAX_RA_DELAY

tới độ trễ chuyển giao

( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] )

10

20

30

40

50

60

70

MAX_RA_DELAY_TIME (s)

Hình 3.10: Ảnh hưởng của MAX_RA_DELAY tới hiệu

năng phát hiện di chuyển

Hình 3.11: Ảnh hưởng của số lượng tín hiệu nhỡ đối với

độ trễ chuyển giao

( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] )

20

40

60

80

Số tín hiệu nhỡ trước khi ngắt liên kết

Hình 3.12: Ảnh hưởng của lượng tín hiệu nhỡ với hiệu năng phát hiện di chuyển

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Số gói tin bị lỗi trước khi ngắt liên kết

Hình 3.13: Ảnh hưởng của số gói tin bị lỗi đối với độ trễ

chuyển giao

( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] )

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Số gói tin bị lỗi trước khi ngắt liên kết

Hình 3.14: Ảnh hưởng của số gói tin bị lỗi đối hiệu

năng phát hiện di chuyển

( Nguồn: Tài liệu tham khảo [19] )

II Kết luận

Một trong những vấn đề mà các nhà nghiên cứu quan tâm nhất trong quản lý di động là quá trình chuyển vùng trong di động Do nghiên cứu để đảm bảo được tín hiệu liên tục và đạt hiệu quả cao nhất khi điểm di động di chuyển giữa các trạm phát sóng khác nhau, giữa các công nghệ di động khác nhau là một vấn đề rất khó Luận văn đã tập trung tìm hiểu hai giải pháp quản lý chuyển vùng trong mạng di động thế hệ thứ 4 đó là giao thức chuyển vùng Mobile IP và giao thức chuyển vùng MIH (chuẩn IEEE 802.21) Quá trình chuyển vùng được thực hiện giữa mạng UMTS và WLAN Phần cuối của luận văn trình bày kết quả mô phỏng chuyển vùng giữa mạng UMTS và WLAN, phân tích đánh giá các độ đo hiệu năng chuyển vùng dựa

trên các tham số khác nhau và đưa ra các kết quả mô phỏng Kết quả đánh giá mô phỏng cho phép chúng ta lựa chọn được giá trị các tham số thích hợp nhằm đạt hiệu quả chuyển vùng cao nhất

Hướng nghiên cứu mở rộng đề tài:

Luận văn mới chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu hai giao thức chuyển vùng và mô phỏng quá trình chuyển vùng giữa mạng UMTS và WLAN mà chưa đánh giá được điểm mạnh điểm yếu của từng phương pháp chuyển vùng khi sử dụng các tham số đầu vào giống nhau Để đáp ứng được yêu cầu đánh giá, lựa chọn phương pháp chuyển vùng thích hợp cần phải tập trung tìm hiểu thêm về các phương pháp chuyển vùng hiện nay và mô hình hóa các công nghệ là ứng cử cho mạng 4G như MIMO, MC-WCDMA, IMS và tích hợp vào phần mềm NS-3 Sau đó, đánh giá năng lực quản lý di động của MIH, Mobile IP khi thuê bao chuyển vùng giữa các mạng truy nhập vô tuyến với các công nghệ khác nhau như 4G-3G WLAN- WiMAX

III Tài liệu tham khảo

[1] Christian Prehofer, Wolfgang Kellerer, Robert Hirschfeld, Hendrik Berndt, Katsuya Kawamura,

“An Architecture Supporting Adaptation and Evolution in Fourth Generation Mobile Communication Systems” [2] David Griffith, Richard Rouil, Nade Golmie (2008, November 15), “ Performance Metrics for

IEEE 802.21 Media Independent Handover (MIH) Signaling”

[3] De La Oliva, “An overview of IEEE 802.21: media-independent handover services”

[4] D.Rouffet, S Kerboeuf, L Cai, V Capdevielle (2005), “4G Mobile” Alcatel Telecommunication Review

[5] Frederic Paint, Paal Engelstad, Erik Vanem, Thomas Haslestad, Anne Mari Nordvik, Kjell Myksvoll, Stein Svaet, “Mobility Aspects in 4G Networks”

[6] Georgia J Xie and I.F Akyildiz (2002), “

A distributed dynamic regional location management scheme for Mobile IP” in Proc IEEE INFOCOM

[7] Gergely V Zaruba, Wei Wu, Mohan J Kumar, Sajal K Das, “ NGIneUS: Intelligent User Shadows for Next Generation Wireless Services”,

Department of Computer Science and Engineering, University of Texas at Arlingto

[10] http://www.vntelecom.org/

[11] J Xie and I.F Akyildiz (2002), “An optimal location management scheme for minimizing signaling cost in Mobile IP”

[12] Juan Carlos, Farrokh Khatibi, Junghoon Jee, Byungjun Bae, “ IEEE 802.21 and Broadcast Handovers ”

[13] Kumudu S Munasinghe (9/2008), “A Unified Mobility Management Architecture for

Interworked Heterogeneou Mobile Networks”

[14] Knunal Ganguly , “A Study of Mobile IP” [15] Miikka Poikselka, Georg Mayer, Hisham Khartabil, Aki Niemi, “The IMSIP Multimedia Concepts and Services in the Mobile Domain”

[16] M.M.A.Khan, M.F.B.Ismail, K Dimyati (2010, April 15), ”Interworking between WiMAX and UMTS to provide seamless service”

[17] National Institute of Standards and

Technology (2007, January) The Network Simulator NS-2

NIST add on IEEE 802.21 model

[18] Nilanjan Banerjee, Wei Wu, Kalyan Basu, Sajal K.Das (2003, October), “Analysis of SIP-based mobility management in 4G wireless network”

[19] Nicolas Montavont, Richard Rouil, Nada Golmie, “Effects of router configuration and link layer trigger parameters on handover performance ”

[20] Networking the Sky (2009) Seamless

Handover Strategies

[21] Raj Tain (2008), “Media Independent Handover (MIH)”

[22] Stefano M.Faccin, Poornima Lalwaney, Basavara Jpatil (2004, January), “IP Multimedia Services : Analysis of Mobile IP and SIP Interactions in 3G Networks.”

[23] The Focus project on 4G Mobile Network Architectures &Protocols, WINLAB,Rutgers University,

http://www.winlab.rutgers.edu/pub/docs/focus/MobNet2.ht

ml

[24] 4GW (4

th

generation wireless infrastructures) project, Personal Computing and Communications group, Lund Institute of Technology Available at: http://www.s3.kth.se/radio/4GW/