Phân tích hiệu năng quá trình handoff trong mạng thông tin di động 4g

Các mạng di động cho phép người sử dụng có thể truy nhập các dịch vụ trong khi di chuyển , sự di động của các người sử dụng đầu cuối gây ra một sự biến đổi động cả trong chất lượng liên

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Hồ Khánh Lâm

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

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

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã lớn mạnh một cách nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện trong đó phải kể đến dịch vụ Video Với xu hướng phát triển như hiện nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa thông tin di động sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới, thế hệ 4G, cần phải có những tính năng vượt trội hơn so với khả năng của 3G Các mạng di động cho phép người sử dụng

có thể truy nhập các dịch vụ trong khi di chuyển , sự di động của các người sử dụng đầu cuối gây ra một sự biến đổi động cả trong chất lượng liên kết và mức nhiễu, người sử dụng đôi khi còn yêu cầu thay đổi trạm gốc phục vụ Quá trình này được gọi

là chuyển giao Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử

lý sự di động của người sử dụng đầu cuối Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di chuyển qua ranh giới các ô tế bào, giữa các mạng khác nhau Quá trình chuyển giao trong mạng di động 4G là một vấn đề rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới QoS của mạng Luận văn này thực hiện nghiên cứu “Phân tích hiệu năng quá trình Handoff trong mạng thông tin di động 4G” Nhằm mục đích giới thiệu mô hình chuyển giao sử dụng hàng đợi ưu tiên động cho các nút 4G đa dịch vụ, từ đó tìm ra một thiết kế hiệu quả về

mô hình hàng đợi cho việc triển khai trên mạng 4G

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 4G và

quá trình Handoff

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mô hình hàng đợi dùng

phân tích hiệu năng quá trình handoff của mạng thông tin di động 4G

Chương 3: Phân tích và đánh giá kết quả

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G VÀ QUÁ TRÌNH HANDOFF

1.1 XU HƯỚNG CÔNG NGHỆ

Công nghệ truyền thông không dây 3G

Đây là thế hệ thứ ba của mạng di động đang hướng tới tốc

độ dữ liệu cao cho các ứng dụng như gọi điện thoại video, video và âm thanh, hội nghị truyền hình và các ứng dụng đa phương tiện Có hai hợp tác tồn tại cụ thể là 3GPP và 3GPP2 sau này là một trong những tiêu chuẩn cho 3G dựa trên công nghệ CDMA Theo ITU (Liên minh Viễn thông quốc tế) các yêu cầu sau đây phải được đáp ứng bởi bất kỳ mạng được gọi

là một mạng 3G như đề xuất bởi 3GPP

- Tốc độ truyền dữ liệu (xuống liên kết) 144Kbps tối thiểu cho việc di chuyển các thiết bị cầm tay và 384Kbps cho thiết bị cố định

- Về nhu cầu băng thông và truy cập internet băng thông rộng 2Mbps cũng theo quy định của 3GPP

Chính kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng bởi các mạng 3G CDMA biến thể Đối với các mạng CDMA hiện có cho GSM sẽ tiếp tục sử dụng WCDMA (Wide band CDMA) sử dụng 5 MHz chiều rộng băng tần kênh có khả năng cung cấp 2Mbps tốc độ dữ liệu Ngoài ra công nghệ CDMA khác như CDMA2000, CDMA2000 1x EV-DO được sử dụng ở những nơi khác nhau trên toàn thế giới cho các mạng 3G

Công nghệ truyền thông không dây 4G

Đây là thế hệ tiếp theo của các mạng di động như được quy định bởi ITU và người tiền nhiệm của các mạng 3G Hiện nay có hai công nghệ đầy hứa hẹn đang được xem xét trong khi

nói chuyện về di chuyển lên 4G do tỷ lệ dữ liệu cao như tốc độ 100Mbps trong môi trường di động và 1Gbps trong môi trường

cố định WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) và LTE (Long Term Evolution) là những công nghệ đang được xem xét Thông số kỹ thuật sau đây cần phải được đáp ứng bởi bất kỳ mạng nào được coi là 4G:

- Tốc độ 100Mbps tốc độ dữ liệu trong môi trường di động và 1Gbps trong môi trường cố định

- Mạng lưới hoạt động trên các gói tin IP (Tất cả các mạng IP)

- Năng động kênh phân bổ kênh băng thông khác nhau từ 5MHz đến 20 MHz theo yêu cầu của ứng dụng

Sự khác nhau giữa công nghệ mạng 3G và 4G

1 Tốc độ tải dữ liệu 3G trong khoảng 2Mbps ở chế độ tĩnh trong khi các chi tiết kỹ thuật 4G nó phải là 1 Gbps và tốc

độ môi trường di động tốc độ tải 3G khoảng 384Kbps và 100 Mbps trong mạng 4G

2 Kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng ở 3G là CDMA và các biến thể của nó 4G cả hai công nghệ (LTE và WiMAX)

sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) trong nhận dữ liệu

3 Trong đường lên LTE sử dụng SC-FDMA (Single Carrier FDMA) và WiMAX tiếp tục sử dụng OFDMA trong khi mạng 3G sử dụng CDMA biến thể

1.2 CẤU TRÚC MẠNG

1.2.1 Kiến trúc chung của mạng 4G

4G là một mạng toàn cầu tích hợp dựa được xây dựng theo mô hình hệ thống mở

Hình 1 1 Cấu trúc mạng di động 4G

Kiến trúc này bao gồm một nhân mạng chung, nhân này được kết nối tới các phần khác nhau của mạng dây và mạng không dây

Nó được kết nối tới mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), mạng số các dịch vụ được tích hợp (ISDN) thông qua các trạm GPRS (GGSN) GGSN là một thành phần chính của mạng GPRS GGSN đóng vai trò là mạng liên kết giữa mạng GPRS và các mạng chuyển mạch gói ngoài, nó cũng giống như mạng Internet và mạng X25

Các kiến trúc mạng 4G được thảo luận ở đây là dựa trên IPv6, tính linh động của IPv6 sẽ xử lý chuyển đổi giữa các tế bào

1.2.2 Điểm nhấn trong mạng 4G

4G được bắt đầu với giả thiết rằng mạng trong tương lai

sẽ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói (đây sự phát triển từ

những giao thức đang được sử dụng trong mạng Internet hiện tại) Mạng di động 4G dựa trên nền tảng IP có những lợi thế

cơ bản bởi vì IP thích hợp và độc lập với công nghệ truy cập vùng phủ sóng Điều đó có nghĩa là mạng 4G được thiết kế

và có thể phát triển độc lập từ những mạng truy cập

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), OFDM là một dạng của điều chế sóng mang, làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N với khoảng cách B/N Mỗi dòng bit N có tốc độ bit nhỏ hơn dòng bit ban đầu, nhưng tổng của chúng là một dòng bit có tốc độ rất cao

Anten thông minh (MIMO): Trong hệ thống anten MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra), dòng số liệu từ một thiết bị đầu cuối được tách thành n dòng số liệu riêng biệt có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát) Mỗi dòng số liệu này sẽ được điều chế vào các symbol (tín hiệu) của các kênh truyền Các dòng số liệu này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu, được phát đồng thời, vì vậy, về mặt lý thuyết, hiệu suất phổ tần được tăng lên gấp N lần Các tín hiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M anten của hệ thống thu

1.3 CÁC CÔNG NGHỆ MẠNG 4G

1.3.1 UMB (Ultra Mobile Broadband)

UMB (Mạng thông tin di động siêu băng rộng) là thế hệ

mạng thông tin di động tiếp nối của CDMA2000 được phát triển bởi 3GPP2 mà chủ lực là Qualcomm UMB được sánh ngang với công nghệ LTE của 3GPP UMB sử dụng OFDMA, MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như các kỹ thuật angten hiện đại để tăng khả năng của mạng, tăng vùng phủ và tăng chất lượng dịch vụ UMB có thể cho tốc độ dữ liệu

đường xuống tới 280Mbit/giây và dữ liệu đường lên tới 75Mbit/giây

1.3.2 WiMAX (IEEE 802.16m)

WiMAX 802.16m (hay còn gọi là WiMAX II) được phát

triển từ chuẩn IEEE 802.16e, là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM) Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng tĩnh Khoảng cách truyền của WiMAX II là khoảng 2 km

ở môi trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn

1.3.3 LTE (Long-Term Evolution)

Long Term Evolution - Sự tiến hóa trong tương lai xa LTE

là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Các mục tiêu của công nghệ này là: Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: tải xuống là 100Mbps, tải lên

là 50Mbps Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz so với mạng HSDPA: tải xuống gấp 3,4 lần; tải lên: gấp 2,3 lần Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao từ 0-15km/h, tốt : từ 15-120km/h, duy trì được hoạt động: 120-350km/h Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz,

10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống

1.3.4 So sánh công nghệ LTE với công nghệ WIMAX

Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật

OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video Theo

lý thuyết, chuẩn WiMax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps

1.4 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HANDOFF TRONG HỆ THỐNG KẾT NỐI DI ĐỘNG

1.4.1 Giới thiệu

Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự

di động của người sử dụng đầu cuối Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di chuyển

từ qua ranh giới các ô tế bào

Chuyển giao có thể được thực hiện bởi nhà mạng, thiết bị đầu cuối, người sử dụng

1.4.2 Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao

Thủ tục chuyển giao có thể chia thành 3 pha : Đo đạc, quyết định, và thực thi chuyển giao

Trong pha đo đạc chuyển giao, các thông tin cần thiết

để đưa ra quyết định chuyển giao được đo đạc Các thông số cần đo thực hiện bởi máy thường là tỷ số Ec/I02 (Ec: là năng lượng kênh hoa tiêu trên một chip, và I0 : là mật độ phổ công suất nhiễu tổng thể) của kênh hoa tiêu chung (CPICH) của cell đang phục vụ máy di động đó và của các cell lân cận

Trong pha quyết định chuyển giao, kết quả đo được

so sánh với các ngưỡng đã xác định và sau đó sẽ quyết định có bắt đầu chuyển giao hay không

Trong pha thực thi, quá trình chuyển giao được hoàn thành và các thông số liên quan được thay đổi tuỳ theo các kiểu chuyển giao khác nhau

1.4.3 Các kiểu handoff

Chuyển giao bên trong hệ thống (Intra-system HO):

Chuyển giao bên trong hệ thống xuất hiện trong phạm vi một

hệ thống

Chuyển giao giữa các hệ thống (Inter-system HO):

Kiểu chuyển giao này xuất hiện giữa các cell thuộc về 2 công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAT) hay Các chế độ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAM) Trường hợp phổ biến nhất cho kiểu đầu tiên dùng để chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE

Chuyển giao cứng (HHO- Hard Handover):

HHO là một loại thủ tục chuyển giao trong đó tất cả các liên kết vô tuyến cũ của một máy di động được giải phóng trước khi các liên kết vô tuyến mới được thiết lập

Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn(Softer HO):

Chuyển giao mềm chỉ có trong công nghệ CDMA So với chuyển giao cứng thông thường, chuyển giao mềm có một

số ưu điểm Tuy nhiên, nó cũng có một số các hạn chế về sự phức tạp và việc tiêu thụ tài nguyên tăng lên Việc quy hoạch chuyển giao mềm ban đầu là một trong các phần cơ bản của của việc hoạch định và tối ưu mạng vô tuyến

1.5 HANDOFF TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Mạng 4G là 1 mạng được biết đến với nhiều công nghệ mạng khác nhau, bởi vậy ta có thế khái quát Quá trình một thiết bị di động (điện thoại di động, máy tính xách tay, hay pda

…) đang kết nối vào mạng mà thay đổi điểm kết nối (từ mạng này sang mạng khác) gọi là quá trình chuyển giao (handover hay handoff)

1.5.1 Chuyển giao ngang (horizontal handoff)

Là quá trình chuyển giao chỉ ảnh hưởng đến lớp kết nối (lớp hai) mà không làm thay đổi địa chỉ IP (nằm ở lớp ba) Ví

dụ như khi thiết bị di động di chuyển giữa hai điểm truy nhập (Access Point) của mạng LAN không dây (WLAN) được quản

lý bởi cùng một Router

1.5.2 Chuyển giao dọc (vertical handover)

Quá trình chuyển giao làm ảnh hưởng đến cả lớp kết nối và lớp mạng được gọi là chuyển giao dọc Quá trình chuyển giao này có thể làm thay đổi địa chỉ IP của thiết bị Ví dụ: thiết

bị di động có thể di chuyển giữa các điểm truy nhập thuộc quyền quản lý của các Router truy nhập khác nhau; hay thiết bị

di động có thể di chuyển giữa hai mạng thuộc về hai nhà cung cấp khác nhau; hay thiết bị di động có thể di chuyển khỏi vùng phủ sóng của 1 mạng WLAN và đi vào vùng phủ sóng của 1 mạng di động: GPRS hoặc UMTS mà hai mạng này được quản

lý bởi các nhà cung cấp khác nhau như hình vẽ bên dưới

Hình 1 2 Chuyển giao dọc

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ HÌNH HÀNG ĐỢI DÙNG PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG QUÁ TRÌNH HANDOFF CỦA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

2.1 MỘT SỐ LÝ THUYẾT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN HÀNG ĐỢI

2.1.1 Quá trình Poisson

Quá trình ngẫu nhiên Poisson là một quá trình cơ bản rất hay được áp dụng trong mô hình hàng đợi vì vậy trong phần này ta sẽ tìm hiểu lí thuyết chung của quá trình ngẫu nhiên này Quá trình Poisson là một quá trình ngẫu nhiên mà biến ngẫu nhiên mô tả quá trình tuân theo phân bố mũ Tính chất đặc trưng của quá trình ngẫu nhiên này là tính không nhớ, tính đơn nhất và tính dừng

2.1.2 Quy tắc Little

Phát biểu : Độ dài trung bình của hàng đợi tích của tốc

độ khách hàng đến và thời gian thường trú của khách hàng trong hàng đợi

chuyển từ một trạng thái đến trạng thái khác từng bước thời gian tương ứng với các xác suất cố định

2.2.2 Quá trình sinh chết của M/M/1

Hàng đợi M/M/1, trong đó M thứ nhất chỉ các thời gian giữa các lần đến của các khách hàng,, và M thứ hai là các thời gian phục vụ  Cả  và  đều là có phân bố mũ Số 1

là chỉ hệ thống có duy nhất một server và sử dụng nguyên tắc phục vụ FIFO Hàng đợi có kích thước vô hạn

Các trạng thái được biểu diễn bằng các vòng tròn và số hiệu bên trong vòng tròn là toàn bộ số khách hàng (bản tin) trong hệ thống: cả đang chờ trong hàng và đang được phục vụ Các liên kết mũi tên có hướng giữa các trạng thái được gán giá trị là tốc độ tương đối của hệ thống chuyển giữa các trạng thái Nhãn  tương ứng với các tốc độ đến của các khách hàng (bản tin, msg/sec), và nhãn  tương ứng với tốc độ đi khỏi của các khách hàng (bản tin, msg/sec)

2.2.3 Các xác suất trạng thái vững bền (steady state probabilities)

Ta có các xác suất của các trạng thái bền vững của chuỗi M/M/1 markov như sau:

)

6

2 ( )

1 ( )

1 (

)

1 (

1

1

0 0

1 0

1 0 1 1

0

k k

K K

k k

U U U

U U

U U U

2.2.4 Các thông số đo hiệu năng

2.2.4.1 Mức độ sử dụng trung bình của server (server

utilization), E[U]

Mức độ sử dụng, U, của server, tỷ lệ thuận với thời gian

bận của server, và tồn tại với xác suất bận của server (10),

được xác định như là phân số của thời gian mà server bận Tốc

độ đến càng lớn, thì mức sử dụng U của server càng cao (server

càng bận); tốc độ đi càng lớn (server phục vụ càng nhanh) thì mức độ sử dụng càng thấp Đặt







U , khi đó mức độ sử dụng trung bình E U của hệ thống M/M/1

là:

U U U U

U U U U

0

)1(

1)1( )1

(

(2.8)

2.2.4.2 Thông lượng trung bình của server, E[T]

Thông lượng trung bình E [T] là tốc độ mà các khách

)1()1

U U N