Chuyển giao dọc trong mạng di động thế hệ tiếp theo

Mục ñích nghiên cứu Luận văn này nghiên cứu vấn ñề chuyển giao dọc trong các mạng hỗn hợp, cụ thể là giữa mạng Wireless LAN và mạng UMTS hướng ñến mục tiêu là chuyển giao không ngắt quã

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

DƯƠNG HỮU ÁI

CHUYỂN GIAO DỌC TRONG MẠNG DI ĐỘNG

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH

Phản biện 1: TS Nguyễn Lê Hùng

Phản biện 2: TS Lương Hồng Khanh

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 25

tháng 6 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

• Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn ñề tài

Chuyển giao dọc ñã và ñang là xu thế phát triển và nghiên cứu của ngành truyền thông trên toàn thế giới, cụ thể và nổi bật nhất là khả năng chuyển giao liên mạng giữa mạng tế bào và mạng cục bộ không dây WLAN Chuyển giao dọc không còn là những nghiên cứu ñơn lẻ mà ñã

và ñang ñược chuẩn hóa bởi nhiều tổ chức như 3GPP, 3GPP2, IEEE, IETF,…

Xuất phát từ nhu cầu phát triển của ngành truyền thông trên toàn thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng, chúng tôi quyết ñịnh chọn

ñề tài với tên: Chuyển giao dọc trong mạng di ñộng thế hệ tiếp theo ñể

tiến hành nghiên cứu Chúng tôi hy vọng tạo ñược một tài liệu tham khảo

tốt cho những người bắt ñầu tìm hiểu về Mạng di ñộng thế hệ tiếp theo

và hy vọng mô phỏng và làm sáng tỏ vấn ñề nhằm góp phần làm phong phú thêm các kết quả trong lĩnh vực này

2 Mục ñích nghiên cứu

Luận văn này nghiên cứu vấn ñề chuyển giao dọc trong các mạng hỗn hợp, cụ thể là giữa mạng Wireless LAN và mạng UMTS hướng ñến mục tiêu là chuyển giao không ngắt quãng có trễ chuyển giao nhỏ và tỉ lệ mất gói thấp Bên cạnh ñó, luận văn cũng nghiên cứu chuẩn IEEE 802.21

h ỗ trợ cho chuyển giao dọc

Các kết quả bằng phân tích lí thuyết và mô phỏng cho thấy sử dụng kết hợp chuẩn IEEE 802.21 với giao thức Mobile IP như giao thức quản lí di ñộng lớp 3 hoặc việc sử dụng giao thức Mobile SCTP ñều có

ưu ñiểm và hiệu quả cao hơn khi thực hiện chuyển giao dọc giữa mạng UMTS và WLAN so với việc sử dụng giao thức Mobile IPv6

3 Đối tượng và nhiệm vụ nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

• Về nội dung: Tập trung nghiên cứu kỹ thuật chuyển giao dọc

và chuyển giao giữa UMTS và WLAN

• Về phương pháp: Sử dụng kỹ thuật chuyển giao dọc ñể nghiên cứu chuyển giao giữa UMTS và WLAN

Nhiệm vụ nghiên cứu

• Nghiên cứu quá trình chuyển giao giữa UMTS và WLAN

• Khảo sát các thông số trong quá trình chuyển giao và sự thay ñổi của các tham số vào các giao thức khác nhau Đánh giá, nhận xét các kết quả tương ứng với các giao thức tương ứng

4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết vấn ñề chuyển giao trong các mạng không ñồng nhất, chúng tôi sử dụng kỹ thuật chuyển giao dọc với sử dụng giao thức Mobile IPv6, giao thức Mobile IPv6 với sự hỗ trợ của chuẩn IEEE 802.21 và sử dụng giao thức SCTP trong quá trình chuyển giao giữa mạng UMTS và WLAN

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Để ñạt ñược chuyển giao dọc không bị ñứt quãng trong các môi trường mạng không ñồng nhất, nó là cần thiết ñể ñảm bảo tính liên tục và chất lượng dịch vụ, có nghĩa là ñộ trễ thấp và mất gói thấp trong thời gian chuyển giao

6 C ấu trúc của luận văn

Ngoài các phần mở ñầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, phần nội dung chính của luận văn gồm có bốn chương

Chương 1 Tổng quan về sự phát triển của mạng thông tin di ñộng Chương 2 Trình bày tổng quan về mạng UMTS, WLAN và kiến trúc kết hợp

Ch ương 3 Trình bày về kỹ thuật chuyển giao dọc

Chương 4.Nghiên cứu mô phỏng chuyển giao giữa UMTS và

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.2.2 Mạng thế hệ thứ hai

Một tính năng quan trọng của hệ thống thế hệ thứ hai là khả năng dịch vụ dữ liệu của nó Ví dụ, IS-95 hỗ trợ dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh, fax kỹ thuật số, IP, MIP, và dữ liệu gói số mạng tế bào CDPD GSM cung cấp dịch vụ tin nhắn ngắn và dữ liệu chuyển mạch kênh ở mức tốc ñộ lên tới 9.6 kbps cho mỗi khe

1.2.3 Các mạng 2G+

Các tính năng nổi bật của kiến trúc này như sau

Thứ nhất, nó bao gồm một mạng xương sống dựa trên IP/ATM Thứ hai, nó kết nối với các mạng ñã có một cách khá ñơn giản

Th ứ ba, nó cho phép xử lý phân tán, do ñó giảm tải mạng lõi, và cung cấp một nền tảng các dịch vụ mới, tính năng, và các ứng dụng (chẳng hạn như là một tính năng mới, MPEG-2, hoặc ứng dụng MPEG- 4) có th ể ñược phát triển, thử nghiệm và ñược cài ñặt trong hệ thống mạng khi cần thiết Cuối cùng, kiến trúc tương thích với một mạng lưới toàn IP là xu hướng của tương lai

1.2.4 Mạng thế hệ thứ ba

Các ñối tác dự án 3G ñược xác ñịnh 3G là một kiến mạng chuyển mạch gói toàn IP Kiến trúc này thực sự là một sự tiến hóa của mạng GPRS Một số yêu cầu cơ bản sau ñây mà mạng IP phải ñáp ứng ñược

• Điện thoại di ñộng phải có khả năng chuyển vùng liền mạch từ một mạng IP tới mạng 2G, 2G+, GSM/GPRS và các phiên bản trước ñó của mạng 3G, và ngược lại

• Chuyển giao phải ñược hỗ trợ giữa bất kỳ hai mạng IP, giữa bất

kỳ hai mạng truy cập vô tuyến trong cùng mạng IP, giữa bất kỳ hai bộ ñiều khiển mạng vô tuyến trong cùng mạng truy cập vô tuyến mặt ñất UMTS (UTRAN) trong bất kỳ mạng IP, và giữa một mạng IP và bất kỳ mạng 2G hoặc 2G+

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG UMTS, WLAN VÀ KIẾN TRÚC

Radio Access Network -UTRAN) và mạng lõi (Core Network-CN)

2.1.3 Chuyển giao trong mạng UMTS

2.2.4 Các tiêu chuẩn WLAN

2.3 KI ẾN TRÚC KẾT HỢP

2.3.1 Các thách thức và yêu cầu

Thế hệ mạng di ñộng không dây trong tương lai sẽ dựa trên mạng toàn IP dẫn ñến một liên kết toàn cầu và kết hợp giữa các mạng viễn thông khác nhau Điều này sẽ yêu cầu các kiến trúc kết hợp và các giao thức di ñộng mới ñể cung cấp chuyển vùng liền mạch và chất lượng dịch

Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu ETSI quy ñịnh rõ trong hai cách tiếp cận chung cho sự liên kết: ñược gọi là tích hợp lỏng và tích hợp

chặt

Tích hợp lỏng

Tích hợp chặt

CHƯƠNG 3

KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO DỌC

3.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CHUYỂN GIAO

3.1.1 Giới thiệu

3.1.2 Quy ết ñịnh chuyển giao dọc

3.1.2.1 Cấu trúc cơ bản của USHA

3.1.2.2 Mô hình quyết ñịnh thông minh

3.1.3 Thiết kế kiến trúc và hệ thống

3.1.3.1 Đặc ñiểm của hệ thống

B3G ho ặc 4G ước tính sẽ ñược thực hiện khoảng năm 2010 hoặc

2011 và dựa trên năm yếu tố: (1) các dịch vụ hoàn toàn hội tụ, (2) truy cập di ñộng ở khắp nơi, (3) thiết bị người dùng ña dạng, (4) các mạng ñộc lập, (5) phụ thuộc phần mềm

3.1.3.2 Kỹ thuật sự di ñộng theo chiều dọc

Kiến trúc hệ thống phân thành ba phần: Kỹ thuật di ñộng, quản lý tài nguyên, quản lý dịch vụ

3.1.3.3 Các mạng truy cập không ñồng nhất

3.1.3.4 Các mô hình kết hợp

Có hai mô hình kết hợp giữa mạng WLAN với các mạng tế bào,

mô hình tích hợp lỏng và tích hợp chặt Với hai mô hình có thể giải quyết ñược vấn ñề quản lý di ñộng toàn cầu

3.1.3.5 Cấp phát tài nguyên

Có th ể chia sẻ lưu lượng giữa các mạng không dây không ñồng nhất, ñặc biệt là khi xem xét các mô hình tích hợp chặt, thực hiện chuyển giao dọc là một cách thức cấp phát tài nguyên

3.1.4 Quản lý di ñộng trong các mạng không ñồng nhất

Vấn ñề quản lý di ñộng bao gồm các kịch bản di ñộng theo chiều dọc, phương pháp, ñiều khiển, thuật toán, cách tiến hành, các giao thức,

các thông số, tham số và ño các tham số

3.1.4.1 Di ñộng vi mô và vĩ mô

3.1.4.2 Cách thức chuyển giao

Thủ tục chuyển giao nói chung bao gồm các vấn ñề như sự ñăng

ký, kết hợp, bỏ kết hợp, ñể thực hiện chuyển giao cơ cấu quyết ñịnh

chuyển giao ño lường nhiều thông số khác nhau

3.2 CÁC GIAO THỨC QUẢN LÍ DI DỘNG VÀ CHUẨN IEEE 802.21

3.2.1 Giao thức Mobile IP version 4 (MIPv4)

Hoạt ñộng của MIPv4 ñược thể hiện như hình 3.12

Hình 3.12: Mô tả hoạt ñộng giao thức Mobile IPv4

3.2.2 Giao thức Mobile IPv6 (MIPv6)

Th ủ tục cơ bản của MIPv6 ñược mô tả trong hình 3.13

Hình 3.13: Các thủ tục hoạt ñộng của giao thức Mobile IPv6 3.2.3 Một số giao thức mở rộng cho giao thức Mobile IPv6

Giao thức Mobile IPv6 phân cấp (HMIPv6)

Giao thức chuyển giao nhanh (FMIPv6)

3.2.4 Giao thức Stream Control Transmission Protocol (SCTP)

Giao th ức truyền dẫn ñiều khiển luồng SCTP là một giao thức ở lớp chuyển vận (lớp 4) ñược phát triển ñể khắc phục các nhược ñiểm của hai giao thức TCP và UDP, và có thể xem như là sự kết hợp của hai giao

3.2.4.2 Mở rộng giao thức SCTP hỗ trợ cho chuyển giao

M ột mở rộng của giao thức SCTP bổ sung thêm việc cấu hình lại ñịa chỉ tự ñộng (DAR) ñược `gọi là giao thức mobile SCTP (mSCTP) [24, 29] Với mSCTP, mỗi ñầu cuối SCTP có thể thêm hoặc xóa một ñịa chỉ IP của một liên kết SCTP Nó cũng có thể thực hiện hoạt ñộng Primary Change nhằm thay ñổi ñịa chỉ chính

3.2.4.3 Triển khai giao thức mSCTP cho chuyển giao giữa mạng UMTS và WLAN

3.2.5 Chuẩn IEEE 802.21 Media Independent Handover (MIH)

3.2.5.1 Kiến trúc MIH

Hình 3.19: ServiceMô hình MIHF tổng quát

Các ñiểm truy nhập dịch vụ (Service Access Points-SAP)

MIHF giao tiếp với các lớp khác và các mặt phẳng chức năng sử dụng SAP Mỗi SAP bao gồm một tập hợp các dịch vụ ñặc trưng cho

nh ững tương tác giữa người sử dụng dịch vụ và nhà cung cấp dịch vụ

• MIH_SAP ñặc trưng cho ñiểm truy nhập dịch vụ ñộc lập về phương tiện (Media Independent SAP)

• MIH_LINK_SAP: ñặc trưng cho ñiểm truy nhập phụ thuộc về phương tiện (Media Dependent SAP)

• MIH_NET_SAP: Các ñiểm truy nhập dịch vụ phụ thuộc phương tiện (Media Dependent SAP)

3.2.5.2 Các ñiểm tham chiếu trong MIH

Có năm ñiểm tham chiếu trong MIH

• RP1: Mô tả các thủ tục của MIHF giữa MIH trên MN và MIH PoS trên thực thể mạng là PoA ñang phục vụ của MN (lớp 2)

• RP2: Mô tả các thủ tục của MIHF giữa MIH trên MN và MIH PoS trên thực thể mạng là PoA ứng cử của MN (lớp 3)

• RP3: Mô tả các thủ tục MIHF giữa MIHF trên MN và MIH PoS trên một thực thể mạng không phải là PoA của MN (lớp 3)

• RP4: Mô tả các thủ tục MIHF giữa một MIH PoS trong một thực thể mạng và một MIH non-PoS trong một thực thể mạng khác (lớp 3)

• RP5: Mô t ả các thủ tục MIHF giữa hai MIH PoS thuộc hai thực thể mạng khác nhau (lớp 3)

3.2.5.3 Các dịch vụ MIH

Các dịch vụ quản lí (Service management primitive)

Tr ước khi cung cấp các dịch vụ MIH, một thực thể MIH cần phải ñược cấu hình thích hợp thông qua các chức năng quản lí dịch vụ như sau:

Phát hiện dịch vụ MIH (MIH_Capability_Discovery)

Đăng kí MIH (MIH_registration)

Đăng kí các sự kiện MIH (MIH_event subscription)

Dịch vụ sự kiện (Media Independent Event Service)

Dịch vụ lệnh (Media Independent Command Service)

Dịch vụ thông tin (Media Independent Information Service)

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CHUYỂN GIAO

GIỮA UMTS VÀ WLAN

4.1 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO DỌC GIỮA MẠNG UMTS VÀ WLAN SỬ DỤNG CHUẨN IEEE 802.21 HỖ TRỢ CHO GIAO THỨC MIPv6

4.1.1 Kịch bản mô phỏng

Hình 4.1 mô tả cấu hình mạng mô phỏng chuyển giao giữa UMTS

và WLAN

Hình 4.1: Mô hình mô phỏng mạng

• Trường hợp 1: MN không sử dụng L2 trigger hoặc các khả

năng của chuẩn MIH ñể hỗ trợ cho giao thức quản lí di ñộng lớp 3 MIPv6: Quá trình phát hiện chuyển ñộng ñược thực hiện hoàn toàn thông qua các b ản tin RA (Router Advertisement) ñược gửi theo chu kì bởi AP

• Tr ường hợp 2: MN sử dụng các bản tin Link Detected/ Link

Up/ Link Down ñể thực hiện chuyển giao

• Trường hợp 3: MN sử dụng các bản tin Link Detected/ Link

Up và dùng bản tin Link Going Down thay cho bản tin Link Down ñể thực hiện chuyển giao

4.1.2 Kết quả mô phỏng

Trường hợp 1

• Ảnh hưởng của chu kì gửi các bản tin RA ñến trễ chuyển giao

từ mạng UMTS sang WLAN

Hình 4.6: Ảnh hưởng giữa chu kì gửi bản tin Router

Advertisement ñến trễ chuyển giao

• Ảnh hưởng của thời hạn Router Lifetime ñến trễ chuyển giao từ mạng WLAN sang UMTS

Hình 4.8: Ảnh hưởng của giá trị MaxRADelay ñến trễ chuyển

giao từ UMTS sang WLAN

Hình 4.9: T ỉ lệ thời gian phát hiện di ñộng/trễ chuyển giao từ

UMTS sang WLAN

Hình 4.8 và 4.9 mô tả ảnh hưởng của thời giá trị này ñến trễ chuyển giao và tỉ lệ giữa thời gian phát hiện sự di chuyển/trễ chuyển giao

Ở ñây, ta khảo sát ảnh hưởng của ngưỡng số lượng bản tin beacon

bị mất trước khi khởi tạo sự kiện Link Down Hình 4.10 cho thấy rằng khi ngưỡng số lượng bản tin bị mất tăng thêm 1 thì trễ chuyển giao sẽ tăng thêm khoảng 100ms

So luong beacons bi mat truoc khi tao ra ban tin LINK DOWN

Hình 4.10: Ảnh hưởng số lượng bản tin beacon bị mất trước khi quyết ñịnh chuyển giao ñến trễ chuyển giao từ WLAN sang UMTS

Number of beacons loss before triggering LINK DOWN Scale of movement detection time/Handover Delay (%) WLAN->UMTS

Hình 4.11: Ảnh hưởng số lượng bản tin beacon bị mất trước khi quy ết ñịnh chuyển giao ñến tỉ lệ thời gian phát hiện di ñộng trễ

chuyển giao từ WLAN sang UMTS

Tr ường hợp 3

Hình 4.12 cho th ấy ảnh hưởng của việc khởi tạo chuyển giao sớm ñến hệ số mất kết nối, khoảng thời gian mà MN không thể nhận ñược gói tin t ừ bất kì một giao diện nào khi MN chuyển ñộng với các vận tốc khác

nhau (chuyển giao từ từ mạng WLAN sang UMTS) Khi tỉ lệ này bằng 0 ñồng nghĩa với quá trình chuyển giao không bị mất gói

pr limit (power threshold)

MN di chuyen voi v=1ms

MN di chuyen voi v=4ms

Hình 4.12: Ảnh hưởng của việc chuyển giao sớm ñến thời gian

ngắt kết nối chuyển giao WLAN sang UMTS

pr limit (power threshold)

MN di chuyen voi v=1ms

MN di chuyen voi v=4ms

Hình 4.13: Ảnh hưởng của việc chuyển giao sớm ñến số gói tin

nh ận trên giao diện WLAN (chuyển giao WLAN sang UMTS)

pr limit (power threshold)

4.2.1 Kịch bản mô phỏng

Kịch bản 1 (CN có một ñịa chỉ IP: single-home)

Kịch bản 2 (CN có hai ñịa chỉ IP: dual-home)

Hình 4.15: Kịch bản mô phỏng chuyển giao dọc sử dụng giao thức

SCTP

4.2.2 Kết quả mô phỏng

Trong kịch bản ñầu tiên, trễ chuyển giao từ UMTS-WLAN là 354ms, từ WLAN sang UMTS là 210ms; trong kịch bản thứ hai trễ chuyển giao từ UMTS-WLAN giảm xuống chỉ còn 121.3ms

Hình 4.16 mô tả trễ chuyển giao của kịch bản 1 khi MN chuyển giao từ mạng UMTS sang WLAN

Hình 4.16: Trễ chuyển giao kịch bản 1 khi chuyển giao từ mạng

UMTS sang WLAN

Dựa trên các kết quả ở hình 4.17, hình 4.18 và hình 4.19, thấy

r ằng hiệu quả về thông lượng MN nhận ñược trong kịch bản thứ hai cũng tốt hơn Do trong kịch bản thứ hai, xây dựng ñược một cấu trúc multi-

hai ñường rõ ràng cho việc truyền nhận dữ liệu giữa MN và CN Đường

dự phòng có thể phục vụ cho khả năng chống lỗi trong quá trình truyền

Hình 4.17: Trễ chuyển giao khi chuyển từ mạng UMTS sang

WLAN

Hình 4.18: Thông l ượng nhận ñược bởi MN khi chuyển giao từ

UMTS sang WLAN trong kịch bản 1