Tối ưu hóa quá trình quản lý vị trí thuê bao
trong mạng di động thế hệ sau
An Optimal Solution to Location Management in Next
Generation Wireless Networks
Đinh Văn Dũng

Abstract: The next generation wireless networks vision
requires efficient handoff management schemes that
support mobile users with seemless migration between
mobile networks while providing high bit rate services.
This paper proposes a Markov decision based model to
location management optimization problems. The proposed
optimal location management solution can be applied to
the IP based or ATM based next generation wireless
networks. In this paper, DMIP which is an application of
the proposed model to Cellular IP- a micromobility
proposal to IETF is also described. Finaly, it presents a
performance analysis of the DMIP solution compared to
the existing proposals such as Cellular IP, Hawaii, and
HMIP. The evaluation has been archieved under NetSim-
xG environment (x-Generation wireless Network
Simulator).
I. GIỚI THIỆU
Mạng thông tin di động thế hệ sau với công nghệ
ATM và IP là bước đột phá từ thế hệ di động 2G và
3G. Xu thế phát triển này đã đặt ra yêu cầu cho giới
nghiên cứu là cần tìm ra phương pháp quản lý di động
đáp ứng được nhu cầu của thuê bao với tốc độ di
chuyển khác nhau, mạng có kích cỡ tế bào khác nhau

Phân cấp (Hierarchical Mobility)
− Phân cấp kiểu Tunneling (Hierarchical Tunneling)
− Quản lý di động tại tầng IP (Mobile-Specific
Routing)
Quản lý di động theo nguyên tắc phân cấp xử lý sự
di động một cách cục bộ và độc lập với hệ thống mà
thuê bao đăng ký HA (Home Agent) nhằm giảm ảnh
hưởng của sự di động lên chất lượng dịch vụ. Vì vậy
địa chỉ IP của thuê bao di động (MT) không còn phản
ánh vị trí vật lý của nó. Thay vào đó, HA chỉ
cần biết
địa chỉ IP của bộ định tuyến gốc (Gateway) của các
trạm gốc – vùng mà thuê bao đang di chuyển. Mạng
không cần phải thông báo về vị trí của thuê bao với
HA khi thuê bao đang di chuyển. Giao thức quản lý di
động bảo đảm các gói tin gửi tới MT qua bộ định
tuyến gốc được chuyển tới trạm gốc mà MT đang kết
nối vào. Để có thể định tuyến như vậy, giao thức cần
duy trì một cơ sở dữ liệu cục bộ giúp cho việc ánh xạ
từ địa ch
ỉ IP sang “địa chỉ IP cục bộ” trong mạng mà
MT đang kết nối. Có thể phân loại tiếp 2 kiểu quản lý
di động có cấu trúc quản lý theo nguyên tắc phân cấp
này là: phân cấp kiểu Tunneling và quản lý di động
tại tầng IP.
Kết quả đánh giá các công trình nghiên cứu liên
quan đến quản lý vị trí thuê bao cho thấy vấn đề ra

bao có thể cập nhật lại vị trí hiện thời của mình trong
mạng ATM, hay cập nhật bảng định tuyến trong mạng
IP di động. Gía trị
σ
0
=0 nghĩa là
σ
0
là thời điểm kết
thúc cuộc gọi. Gọi thời điểm bắt đầu cuộc gọi tiếp là
biến ngẫu nhiên T. Biến ngẫu nhiên d(T) biểu diễn
thời điểm ra quyết định cuối cùng của MT, trước khi
cuộc gọi tiếp được thiết lập vào thời điểm T.
Gọi tập A={Y,N} là quyết định của thuê bao di
độ
ng. Ở đây, Y ký hiệu trạng thái thuê bao ra quyết
định và N là trạng thái bỏ qua. Biểu diễn hành động
của MT vào thời điểm n bằng biến ngẫu nhiên a
n
.
Kiểu hành động mà MT chọn (ra quyết định) phụ
thuộc vào vị trí thuê bao so với vị trí ra quyết định
trước. Ta biểu diễn trạng thái này qua tập S. Trạng
thái vị trí s
∈
S chứa các thông tin như: khoảng cách tới
vị trí ra quyết định lần trước, khoảng cách tới vùng
giáp ranh giữa hai tế bào, số tế bào vô tuyến đã đi qua,
v.v Ta có thể biểu diễn quá trình quản lý vị trí thuê
bao theo 2 mô hình: quá trình liên tục (mạng ra quyết

. Hàm c(s,a) biểu diễn chi phí báo
hiệu khi thuê bao ra quyết định a ở trạng thái s.
Quy tắc miêu tả quá trình mạng lựa chọn phương
pháp quản lý vị trí thuê bao thích ứng tại các thời
điểm ra quyết định. Gọi quy tắc là hàm a
t
. Hàm này
biểu thị quyết định cập nhật vị trí thuê bao tại thời
điểm t và thuê bao đang ở trạng thái s. Gọi phương án
là chuỗi các quy tắc
π
=( , , ). Ký hiệu
1
a
2
a
Π
là
tập các phương án. Đặt
là chi phí báo hiệu
để thuê bao cập nhật vị trí khi MT ở trạng thái
và
có quyết định
. Đặt là chi phí mạng tìm
vị trí hiện tại của thuê bao trước khi sử dụng dịch vụ
(thiết lập cuộc gọi cho dịch vụ có kết nối hoặc truy
nhập dịch vụ phi kết nối). Gọi
là chi phí
quản lý vị trí thuê bao trung bình (LM-Location
Management) để MT sử dụng phương án

=
)(),()(
)(
)(
0
Tdp
Td
n
nnusLM
scascEsC
ππ
(1)
Biểu thức (1) thể hiện sự thoả hiệp giữa chi phí cập
nhật vị trí thuê bao (sử dụng kênh vô tuyến, kênh
mạng cố định, cập nhật cơ sở dữ liệu tại các nút mạng,
v.v ) và chi phí tìm kiếm vị trí thuê bao trong cơ sở
dữ liệu tại các nút mạng. Nếu thường xuyên cập nhật
vị trí thuê bao thì sử dụng nhiều tài nguyên khan hiếm
của mạng (như kênh vô tuyến) song chi phí tìm kiếm
giảm và ngược lại.
)(
)(Tdp
sc
Triển khai (1), tác giả đã tìm thấy
như ở
công thức sau:
)(sC
LM
π
)(sC

−
−+
µτ
Như vậy chính là chi phí để quản lý vị
trí thuê bao di động trong khoảng thời gian từ
σ
),(
nnLM
asc
n
đến
σ
n+1
, cho biết thuê bao ra quyết định a
n
khi ở trạng
thái s
n
. Biểu thức (2) là chi phí quản lý vị trí thuê bao
di động trung bình của quá trình ra quyết định Markov
với tốc độ 1/
µ
và thời gian vô hạn.
III. HỆ PHƯƠNG TRÌNH TỐI ƯU
Gọi
π
opt
là phương án điều khiển tối ưu thuộc tập
. π
Π

)(sC
LM
)(sC
LM
= (4)
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
∑
∞
=
−
0
),(min
n
nnLMs
asceE
n
µσ
π
Như vậy, hàm mục tiêu là tổng chi phí để quản lý vị
trí thuê bao. Khi thiết kế các giao thức quản lý di
động, người ta đã xét đến các tiêu chí tối ưu về chất
lượng dịch vụ cũng như một số chỉ tiêu liên quan đến
chất lượng của quá trình chuyển vùng, vì vậy trong
bài toán tối ưu quá trình quản lý vị trí thuê bao này, ta
không xét đến các ràng buộc kèm theo.

=
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
∑
∞
=
−
0
),(min
n
nnLMs
asceE
n
µσ
π
Ở đây = ),(
nnLM
asc
)()1(),(
1
npnnu
sceasc
n+
−
−+
µτ

các gói tin đến đúng trạm gốc mà thuê bao đang kết
nối khi thuê bao đang sử dụng dịch vụ (Active). Trong
trường hợp thuê bao không sử dụng dịch vụ (Idle),
thông tin cập nhật vị trí thuê bao sẽ ít thường xuyên
hơ
n RC và được ghi vào PC. Đây là giải pháp nhằm
tiết kiệm tài nguyên mạng khi quản lý vị trí thuê bao.
Tuy nhiên, CIP đã đưa ra các chu kỳ cập nhật PC và
RC cố định trong suốt thời gian thuê bao truy nhập
mạng. Điều này dẫn đến sự tiêu phí nguồn tài nguyên
mạng không cần thiết khi thuê bao di chuyển.
Nhằm khắc phục nhược điểm của các giao thức
quản lý di động cục bộ trong đó có Cellular IP, tác giả
đề xuất giả
i pháp DMIP (Dynamic Mobile IP). Đây là
một ứng dụng của giải pháp ra quyết định tối ưu
Markov được trình bày ở phần trên để MT chọn thời
điểm tối ưu gửi thông tin về vị trí thuê bao. Để xử lý
bản chất ngẫu nhiên của mạng di động, DMIP chọn
chu kỳ gửi thông tin báo hiệu là động, khi thuê bao
không sử dụng dịch vụ. Với mục tiêu là tối thiểu tổng
lưu lượng báo hi
ệu để xử lý khi thuê di chuyển, ta có
được tập quyết định tối ưu (chu kỳ gửi gói tin báo
hiệu) cho mọi trạng thái của mạng (ví dụ như khoảng
cách từ thuê bao tới vị trí gửi bản tin Paging Update
lần trước). Kết quả mô phỏng ở phần sau khẳng định
được khả năng của DMIP so với 3 giao thức đã được
công bố là: Cellular IP, Hawaii và HMIP.
VI. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

o lưu lượng tới thuê bao di
động, ta kết nối đầu cuối mạng cố định (CH) vào
mạng di động.
Trong cấu hình mô phỏng mạng Cellular IP, các
trạm gốc BS(i) và bộ định tuyến R(i) đóng vai trò của
nút mạng Cellular IP, R0 đóng vai trò nút kết nối ra
mạng Internet. Trong mô hình Hawaii, tất cả các nút
định tuyến R1-R5, trạm gốc BS1-BS4 đều có chức
năng Hawaii, nút định tuyến gốc là R0. Giả thiết nút
di động đang ở trong mạng nơ
i đăng ký thuê bao, như
vậy không cần giao thức Mobile-IP khi CH truyền tin
tới MT.
Các bộ định tuyến được kết nối qua hệ thống cáp
truyền dẫn song công có tốc độ 10Mbit/s. Thuê bao di
động truy nhập vào mạng di động theo phương thức
CSMA/CA (Carrier Sencse Multiple Access with
Collision Avoidance). Các trạm gốc hoạt động ở các
dải tần khác nhau. Kết quả mô phỏng có được nhờ
việc quan trắc quá trình truyền tin từ CH tới một MT.
Nhiều mô hình di động của MT
đã được khảo sát. MT
lấy dữ liệu từ CH qua kết nối FTP với CH.
2. Ảnh hưởng của di động lên kết nối TCP
Phần này khảo sát sự ảnh hưởng của phương pháp
điều khiển chuyển vùng lên chất lượng truyền tin của
kết nối TCP qua tham số: thứ tự gói tin TCP ở đầu thu

chuyển vùng lên số thứ tự gói tin TCP giống hai giao
thức trên. Thời gian trễ chuyển vùng khoảng 1,5s.
Tóm lại cả ba giao thức Cellular IP, Hawai và
HMIP đều có quy luật: rơi gói tin TCP khi thuê bao
chuyển vùng (kết nối sang trạm gốc khác). Thời gian
trễ chuyển vùng của Hawaii thấp nhất, sau đ
ó là
HMIP, cuối cùng là Cellular IP. Trong khi đó, giao
thức mới DMIP lại cho phép khả năng hồi phục kết
nối nhanh hơn Cellular IP nhờ vào giải pháp chọn chu
kỳ gửi bản tin Paging Update và Route Update động
theo giải pháp tối ưu là nghiệm của phương trình
Bellman.
3. Ảnh hưởng lên thông lượng TCP
Để xác định sự ảnh hưởng của giao thức quản lý di
động lên thông lượng của kết nối TCP của MT với
mạng Internet, ta kh
ảo sát các kịch bản mô phỏng với
các tốc độ chuyển vùng khác nhau của thuê bao di
động. Cho tốc độ chuyển vùng từ 0 lần/phút đến 29
lần/phút, ta xác định lưu lượng trung bình theo thời
gian hay thông lượng của kết nối TCP giữa CH và
MT khi chuyển tải dữ liệu từ CH tới MT bằng dịch vụ
FTP. Nếu chỉ là kết nối vô tuyến tới mạng di động
(tốc độ chuyển vùng =0), thông lượng kế
t nối TCP có
thể đạt tới 1Mbit/s. Nếu thuê bao tăng tốc độ tới 5 lần
chuyển vùng/phút, tương đương với tốc độ chuyển
động là 60 Km/h thì có thể nhận số liệu FTP với tốc
độ khoảng 600 Kbit/s. Tuy nhiên thông lượng chỉ còn

0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 5 10 15 20 25 30 35
Tèc ®é chuyÓn vïng (Handoff/phót)
Th«ng l−îng kÕt nèi TCP (Kbit/s)
Cellular IP
Hawaii
HMIP
DMIP
Poly. (DMIP)
Poly. (Cellular IP)
D
MIP: tè i −u
Cellular IP
Cellular IP

Hình 2. Thông lượng TCP và tốc độ chuyển vùng
Nguyên nhân mà DMIP nổi trội hơn nguyên bản
của nó Cellualar IP là vì đã chọn được quyết định tối
ưu gửi bản tin Route Update khi thuê bao đang thực

0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 5 10 15 2 0 2 5 3 0
Tèc ®é chuyÓn vïng (Handoff/phót)
TØ lÖ gãi TCP thÊt tho¸t (%)
Cellualar IP
Haw aii
HMIP
DMIP
Poly. (Haw aii)
Poly. (Cellualar IP)
Poly . (HMIP)
Poly . (DMIP)

Hình 3. Ảnh hưởng lên tỉ lệ mất gói tin TCP
Với loại thuê bao có tốc độ chuyển động để có <15
lần chuyển vùng/phút, giao thức Hawaii và HMIP
mang lại tỉ lệ thất thoát gói tin TCP thấp hơn Cellular
IP và DMIP. Điều này cho thấy khả năng cập nhật
bảng định tuyến của hai giao thức này tốt hơn khi thuê
bao chuyển vùng. Hơn nữa, hai giao thức này đã sử

4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30
Tốc độ chuyển vùng (Handoff/phút)
Tỉ lệ gói TCP Ack thất thoát (%)
Cellular IP
Hawaii
HMIP
DMIP
Poly. (Hawaii)
Poly. (Cellular IP)
Poly. (HMIP)
Poly. (DMIP)

Hỡnh 4. nh hng lờn t l mt gúi tin TCP Ack
Kho sỏt tip t l tht thoỏt cỏc bn tin bỏo hiu
(xem Hỡnh 5). Vn l c ch truyn tin, Hawaii v
HMIP vt tri Cellular trong vic bo v thụng tin
bỏo hiu. cú c kh nng ny, hai giao thc trờn
ó s dng ngay tng chuyn ti UDP chuyn
thụng tin bỏo hiu trc khi qua tng IP, trong khi
Cellular IP úng gúi ngay thụng tin vo gúi IP.
Vi c ch gi bn tin bỏo hiu ng, DMIP ó lm
gim t l tht thoỏt gúi tin bỏo hi
u trung bỡnh l 30%
xung cũn 10%. Tuy nhiờn vi c ch truyn tin

ngh ATM v IP. Vi vic ỏp dng mụ hỡnh ra quyt
nh Markov, tỏc gi ó bin i hm mc tiờu v
dng chớnh tc ca h phng trỡnh ti u Bellman.
Tip ú, tỏc gi trỡnh by thut toỏn vũng lp theo giỏ
tr hm cú th ỏp dng vo tớnh toỏn trong thc t.
Ngoi ra, tỏc gi ó xu
t phng phỏp DMIP
nhm ti u kh nng hot ng ca giao thc
Cellular IP (CIP) ca IETF. DMIP l h qu ca vic
ỏp dng mụ hỡnh gii tớch nhm ti u quỏ trỡnh gi
thụng tin cp nht v trớ thuờ bao di ng trong mng
CIP. Kt qu mụ phng ó lm rừ kh nng ca gii
phỏp ny so vi cỏc gii phỏp khỏc ó c xut
lờn IETF.
Giao thc Cellular IP hay DMIP cú tớnh nng ni
tri hn Hawaii v HMIP v
s n gin trong vic
ng dng vỡ khụng cn thay i gỡ n cu hỡnh hin
cú ca cỏc nỳt mng. Tuy nhiờn, kt qu mụ phng
cho thy, giao thc Hawaii v HMIP ni tri hn v
kh nng cung cp thụng lng TCP cho u cui vi
tc chuyn vựng khỏc nhau. Hn na, hai giao
thc ny cũn cú c ch bo v bn tin d liu dch v
v bỏo hiu tt hn Cellular IP.
Khi quan trc mi quan h gia lu lng bỏo hiu
v chu k gi gúi tin bỏo hiu t thuờ bao Cellular
IP, ta thy nu chu k bộ thỡ thi gian phc hi kt
ni TCP sau khi thuờ bao chuyn kt ni sang trm
gc khỏc nhanh hn. Tuy nhiờn s tn nhiu ti
nguyờn mng x lý cỏc gúi tin ny. Trong mụi

động của thuê bao di động. Cùng với mô hình ra
quyết định Markov để phát triển tiếp bài toán tối ưu
hoá quản lý di động.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] AKYILDIZ F.I., J.MCNAIR, J. HO, H.
UZUNALIOGLU, AND W. WANG, “Mobility
Managemment in Next Generation Wireless Systems ,”
Proc. IEEE, Vol. 87, No. 8, Aug. 1999, pp. 1347 84.
[2] A. T. CAMPBELL ET AL., “IP Micro-Mobility
Protocols, “ ACM SIGMOBILE Review. Vol. 4, No.4.,
pp. 45-54, Oct. 2001.
[3] A. T. CAMPBELL ET AL., Comparison of IP Micro-
mobility Protocols, IEEE Wireless Communications, pp.
72-82, Feb. 2002.
[4] PUTERMAN M. L., Markov Decision Processes:
Discrete Stochastic Dynamic Programming. John
Wiley & Sons, Inc., 1994.
[5] DINH V. D., “Mobility Management in Wireless ATM
networks,” Master Thesis, School of Electrical
Engineering, University of Technology, Sydney (UTS),
Australia, November, 1996.
[6] TRAN V. T., DINH V. D. ET AL., “NetSim-ATM: An
Open ATM Network Simulation Suite,” it has been
accepted for publishing in the Proceeding of the Joint
4
th
IEEE International Conference on ATM and High
Speed Intelligent Internet (ICATM2001), Apr. 23-25,
2001, Seoul, Korea.
[7] DINH V. D., TRAN V. T. ET AL., “Mobile IP