HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Trƣờng Giang
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG QUÁ TRÌNH HANDOFF
TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: 60.48.15

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Hồ Khánh Lâm Phản biện 1: ………………………………………………

Phản biện 2: ……………………………………………


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:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 4G và
quá trình Handoff.
Chƣơng 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.
Chƣơng 3: Phân tích và đánh giá kết quả.
2

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G VÀ
QUÁ TRÌNH HANDOFF
1.1. XU HƢỚNG 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

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.
4 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

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
6

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

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.
8

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

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
10 Chƣơng 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 ĐƢỢC 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.

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
(












































12

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

 




 UUETE ][
(2.9)
2.2.4.3. Số lượng khách hàng trung bình có trong hệ
thống, E[N]
Gồm cả số khách hàng trong hàng đợi và trong server,
là:
 
)(1
)1(
)1(
2








U
U
U
U
UNE
(2.11)

G (general): là phân bố xác suất chung của biến
x
tuỳ
tiện – là thời gian phục vụ khách hàng:
]_[)( xtimeservicePxG 

Phân bố chung có thể là rời rạc hay liên tục.
Đối với phân bố rời rạc ta có các moment:
)(][);(][
1 1
22
i
N
i
N
i
iii
xxxExxxE

 
 

;
22
][][][ xExExV 
.
Đối với phân bố chung liên tục ta có:
 
 


2
U
SE
WE



(2.28)
Thời gian đáp ứng trung bình của server:

)1(2
][
][][][][
2
U
SE
SESEWERE



(2.29)
Trong đó:



 USE ;
1
][

2.3.2. Hàng đợi M/G/1 với các quãng nghỉ (vacation)

U
SE
SERE 



(2.35)
15

Chƣơng 3
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH CHUYỂN
GIAO SỬ DỤNG MÔ HÌNH HÀNG ĐỢI

3.1. Giới thiệu
Trong phần này mô hình hàng đợi được dùng để quản lý
độ trễ trong mạng 4G. Có một bộ phân lớp và một bộ định lịch
cho MT. Bộ phân lớp xác định các gói trong các hàng đợi khác
nhau là một loại lớp giao thông. Bộ định lịch phải quyết định
gói tin nào sẽ được phục vụ trước.
3.2. Đặt vấn đề
Luận văn sẽ giới thiệu một mô hình phân tích cho việc
triển khai hàng đợi ưu tiên (Priority Queueing – PQ) trong một
nút 4G để tính toán độ trễ của hàng đợi. Mô hình này dựa trên
hệ thống hàng đợi M/D/1 (một lớp đặc biệt của các hệ thống
hàng đợi M/G/1). Có năm lớp giao thông khác nhau được hỗ
trợ trong mạng 4G. Ta giả sử các hàng đợi khác nhau thì tương
ứng với các loại giao thông khác nhau với một bộ phân lớp và
một bộ định lịch. Tất cả các lớp có thể sử dụng băng thông của
lớp khác. Luận văn tập trung vào việc tìm ra một con đường ít
chi phí, trễ thấp cho dữ liệu thời gian thực.

đợi. Gọi 1, 2, …5 lần lượt là tỷ lệ đến của các gói tin. Gọi
μ1,μ2, , μ5 là tỉ lệ dịch vụ của các gói tin.
3.3.1 Hàng đợi ƣu tiên Q
1
(các gói C
1
)
Chúng ta bắt đầu với hàng đợi ưu tiên cao nhất Q
1
. Chúng
ta giả sử rằng yêu cầu dịch vụ trung bình cho lớp giao thông C
1

là E[S
1
] = 1/μ
1
. Mô men bậc hai của yêu cầu dịch vụ của lớp
giao thông C
1
là E[S
1
2
]. Ở đây mục tiêu chính là tìm ra mức trễ
hàng đợi cho tất cả các gói tin lớp C
1
. Trễ hàng đợi được định
nghĩa là thời gian đợi mong muốn E[W
1
] trong hàng đợi Q

] là thời gian trông đợi còn lại để xử lý các gói tin
đang được phục vụ tại thời điểm bộ định lịch đang bận. Tuy
nhiên, vì thời gian đến của gói tin được lựa chọn ngẫu nhiên,
lớp đang được phục vụ lại không được xác định (là C
1
hay C
2
)
nên biểu thức nên được sửa thành:
(3.2)
Nếu chúng ta thay E[T
R
] và E[T
1
] trong (3.1) thì E[W
1
] sẽ
được tính như sau
(3.4)
Dựa theo xác suất xác định, thời gian phục vụ của bộ định
lịch của nút được áp dụng. Bộ định lịch trong nút mạng 4G cần
các đơn vị thời gian để phục vụ một gói C
k
với tỷ lệ truyền R,
mô men bậc hai của yêu cầu dịch vụ của gói tin C
k
có thể được
biểu thị như sau:
18


đợi mức ưu tiên thấp hơn) có thể được biểu diễn bằng:
(3.7)
Thay tất cả các giá trị vào, ta được:

Chuyển E[W
2
] về một phía ta được:
(3.9)
19

3.3.3 Các hàng đợi khác (Q3, Q4, Q5)
3.3.3.1 Lớp C3 (Q3)
Thời gian chờ mong đợi của lớp giao thông C3 được tính bởi:
(3.10)
3.3.3.2 Lớp C4 (Q4)
Thời gian chờ mong đợi của lớp giao thông C4 được tính bởi:
(3.11)
3.3.3.3 Lớp C5 (Q5)
Thời gian chờ mong đợi của lớp giao thông C5 được tính bởi:
(3.12)
3.4. Mô phỏng và phân tích hiệu năng
3.4.1 Cài đặt mạng
Mô phỏng của hệ thống này được thực thi trên Matlab. Có
5 mạng được xem xét. Phạm vi của tất cả các mạng được phân
bố trong hình chữ nhật cỡ [0, 0, 1000, 1000]. Các mạng được
phân bố có chồng lên nhau trong khu vực này để thể hiện một
mạng không đồng nhất. Các thiết bị đầu cuối nằm trong vùng
20

có chồng lấn sẽ phải thực hiện quá trình chuyển giao để đảm

Bảng 3. 1 Trễ mong đợi cho các lớp giao thông khác nhau

Hình 3. 2 Lƣu lƣợng và Trễ
22

3.4.3 Phân tích và đề xuất mô hình chuyển giao
Trong bảng 3.1 trên ta thấy sự khác nhau giữa độ trễ của
Q1 và Q5 với một vài mức lưu lượng sử dụng của các nút 4G.
Ở đây trễ của Q5 lớn hơn của Q4 tại mọi thời điểm, Q4 lớn hơn
Q3 tại mọi thời điểm Từ những phân tích trên để áp dụng vào
quá trình chuyển giao trong mạng 4G tôi xin được đề cập đến
mô hình chuyển giao sử dụng hàng đợi ưu tiên động. Trong mô
hình này, một quản lý hàng đợi chung được sử dụng và thứ tự
ưu tiên trong hàng đợi có thể thay đổi theo thời gian nằm trong
hàng đợi. Hơn nữa, nguồn tài nguyên được xếp loại và dành
riêng, có thể đảm bảo truy cập của các loại dịch vụ có mức độ
ưu tiên cao. Mục đích của mô hình chuyển giao là đáp ứng
được các nhu cầu về chất lượng dịch vụ khác nhau, có thể cải
thiện hiệu suất hệ thống, giảm tỷ lệ rớt và nghẽn mạng.
Với mô hình này, ưu tiên của giao thông trong hàng đợi sẽ
được điều chỉnh liên tục, do đó, một thiết bị quản lý sự điều
chỉnh ưu tiên được sử dụng (CQM). CQM được gắn trên thiết
bị nhận. Nó quản lý hàng đợi chuyển giao và khởi tạo ưu tiên
cho giao thông, sau đó cập nhật các ưu tiên theo thời gian chờ
đợi trong hàng đợi.

Hình 3. 4 Kiến trúc của thiết bị nhận dựa trên CQM
23

CQM khởi tạo mức ưu tiên cho giao thông dựa theo yêu

i
(t,a)> threshold1, luồng lưu lượng có
thể được truy cập vào kênh rank1, và nếu hàm ưu tiên có giá trị
X
i
(t,a)> threshold2 (threshold2> threshold1), luông lưu lượng
có thể được truy cập vào kênh rank2.
Bởi vì mức ưu tiên của lưu lượng trong hàng đợi là động
và giá trị của hàm ưu tiên tăng tuần tự theo thời gian trong
hàng đợi nên những lưu lượng có mức ưu tiên ban đầu thấp sẽ
không dễ dàng bị loại bỏ.