Luận văn thạc sĩ: Đánh giá thuật toán lập lịch cho dịch vụ VoIP trong hệ thống WiMAX

• Tác giả: Vũ Hữu Hào
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Anh Vũ
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử-Viễn thông
• Đề tài: Đánh Giá Thuật Toán Lập Lịch Cho Dịch Vụ VoIP Trong Hệ Thống WiMAX
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

• MỤC LỤC
• KÍ HIỆU VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX
• 1.1. Lịch sử, quá trình phát triển
• 1.2. WiMax hoạt động như thế nào?
• 1.3. Các đặc điểm của WiMax
• 1.4. Các tiêu chuẩn của WiMAX
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WIMAX
• 2.1. Tầng vật lý của WiMAX
• 2.2. Kĩ thuật đa truy cập phân chia tần số trực giao OFDMA
• 2.3. Cấu trúc khung TDD
• 2.4. Tầng MAC trong WiMAX
• 2.4.1. Tầng hội tụ các dịch vụ chuyên biệt (Service-Specific Convergence Sublayer - CS)
• 2.4.2. Sự phân loại (Classification)
• 2.4.3. Quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề (Packet Header Suppression - PHS)
• 2.4.4. Tầng tập hợp truyền (Transmission Convergence Sublayer - TC Sublayer)
• 2.4.5. Cơ chế truyền gói tin MAC SDU, PDU
• 2.4.5.1. Định dạng gói MAC PDU
• 2.4.5.2. Gói tin tiêu đề MAC
• 2.4.5.3. Gói tin tiêu đề con
• 2.4.5.4. Phân mảnh và đóng gói các gói tin SDU
• 2.4.5.5. Cơ chế tự động lặp lại yêu cầu ARQ
• 2.4.6. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong chuẩn 802.1
• 2.4.6.1. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông
• 2.4.6.2. Phân loại luồng dịch vụ và các tham số điều khiển chất lượng dịch vụ QoS
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO QUÁ TRÌNH LÊN (UPLINK)
• 3.1. Các thuật toán cân bằng (Homogeneous Algorithm)
• 3.1.1. Thuật toán Weighted Round Robin (WRR)
• 3.1.2. Thuật toán Earliest Deadline First (EDF)
• 3.1.3. Thuật toán Weighted Fair Queuing (WFQ)
• 3.2. Các thuật toán lai
• 3.2.1. Thuật toán lai (EDF+WFQ+FIFO)
• 3.2.2. Thuật toán lai (EDF+WFQ)
• 3.3. Các thuật toán cơ hội
• 3.3.1. Thuật toán lập lịch xuyên tầng (Cross-Layer)
• 3.3.2. Thuật toán lập lịch lí thuyết hàng đợi (Queuing Theoretic)
• 3.4. Phân tích độ phức tạp
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO DỊCH VỤ VOIP TRONG HỆ THỐNG WIMAX
• 4.1. Voice Over IP?
• 4.2. Khái niệm VoIP
• 4.3. Mã hóa với kĩ thuật dò tìm thoại VAD (Voice Active Detection)
• 4.4. Truyền dẫn tiếng nói qua hệ thống WiMAX
• 4.5. Các thuật toán lập lịch trong hệ thống WiMAX
• 4.5.1. Thuật toán UGS
• 4.5.2. Thuật toán rtPS
• 4.5.3. Thuật toán ertPS
• 4.6. Phân tích và so sánh các thuật toán
• 4.6.1. Phân tích hiệu quả sử dụng tài nguyên
• 4.6.2. Phân tích dung lượng đạt được cho dịch vụ VoIP
• 4.6.3. Độ trễ truyền dẫn gói tin
• 4.6.4. Đánh giá các dịch vụ thông qua mô hình lập lịch WRR
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về công nghệ WiMAX

Công nghệ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) đã trở thành một trong những giải pháp quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ Internet băng thông rộng không dây. Được phát triển dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16, WiMAX cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao và khoảng cách lớn, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng. Hệ thống này hoạt động tương tự như WiFi nhưng với khả năng phủ sóng rộng hơn và tốc độ truyền cao hơn. WiMAX có thể cung cấp tốc độ lên đến 70Mbit/s và bán kính phủ sóng lên đến 50 km, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa. Đặc biệt, WiMAX hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, từ dịch vụ thoại đến video, nhờ vào khả năng quản lý băng thông và chất lượng dịch vụ (QoS) hiệu quả.

1.1. Lịch sử và quá trình phát triển

WiMAX đã được phát triển từ những năm đầu của thế kỷ 21, nhằm đáp ứng nhu cầu kết nối Internet không dây. Sự ra đời của WiMAX đã đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ truyền thông, cho phép người dùng truy cập Internet mà không cần dây cáp. Các tiêu chuẩn WiMAX đã được cải tiến liên tục, với các phiên bản mới như IEEE 802.16d/e, nhằm khắc phục những hạn chế của các hệ thống trước đó. WiMAX không chỉ cung cấp dịch vụ cho các khu vực đô thị mà còn mở rộng ra các khu vực nông thôn, giúp thu hẹp khoảng cách số giữa các vùng miền.

II. Nguyên lý và hoạt động của hệ thống WiMAX

Hệ thống WiMAX bao gồm hai thành phần chính: trạm phát (Base Station - BS) và trạm thu (Subscriber Station - SS). Trạm phát có khả năng phủ sóng rộng lớn, kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao. Trạm thu có thể là các thiết bị như card mạng hoặc anten nhỏ, cho phép người dùng kết nối với mạng WiMAX. WiMAX sử dụng công nghệ OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) để tối ưu hóa việc sử dụng băng thông, cho phép nhiều người dùng truy cập đồng thời mà không làm giảm chất lượng dịch vụ. Hệ thống này cũng hỗ trợ cả hai phương thức truyền dẫn TDD (Time Division Duplexing) và FDD (Frequency Division Duplexing), giúp cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu.

2.1. Tầng vật lý và cấu trúc khung

Tầng vật lý của WiMAX chịu trách nhiệm về việc truyền tải dữ liệu qua các kênh không dây. Cấu trúc khung của WiMAX được thiết kế để tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu, với các trường thông tin được phân chia rõ ràng. Mỗi khung có thể chứa nhiều gói tin, cho phép truyền tải đồng thời nhiều loại dịch vụ khác nhau. Việc sử dụng công nghệ OFDM giúp giảm thiểu nhiễu và tăng cường khả năng truyền tải trong các điều kiện môi trường khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ VoIP, nơi mà độ trễ và chất lượng âm thanh là rất quan trọng.

III. Các thuật toán lập lịch cho dịch vụ VoIP trong hệ thống WiMAX

Dịch vụ VoIP (Voice over IP) yêu cầu các thuật toán lập lịch hiệu quả để đảm bảo chất lượng cuộc gọi. Trong hệ thống WiMAX, các thuật toán như UGS (Unsolicited Grant Service), rtPS (Real-Time Polling Service) và ertPS (Extended Real-Time Polling Service) được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu này. Các thuật toán này giúp quản lý băng thông và giảm thiểu độ trễ, đảm bảo rằng các gói tin thoại được truyền tải một cách liên tục và ổn định. Việc phân tích và so sánh hiệu quả của các thuật toán này là rất cần thiết để tối ưu hóa chất lượng dịch vụ VoIP trong môi trường WiMAX.

3.1. Phân tích hiệu quả sử dụng tài nguyên

Phân tích hiệu quả sử dụng tài nguyên trong các thuật toán lập lịch cho dịch vụ VoIP là rất quan trọng. Các thuật toán như UGS cung cấp băng thông cố định cho các cuộc gọi thoại, trong khi rtPS và ertPS cho phép điều chỉnh băng thông linh hoạt hơn. Việc so sánh hiệu quả sử dụng tài nguyên giữa các thuật toán này cho thấy rằng, mặc dù UGS đơn giản và dễ triển khai, nhưng rtPS và ertPS có thể cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn trong các tình huống có lưu lượng biến động. Điều này cho thấy sự cần thiết phải lựa chọn thuật toán phù hợp dựa trên yêu cầu cụ thể của dịch vụ.

IV. Đánh giá chất lượng dịch vụ VoIP trong hệ thống WiMAX

Đánh giá chất lượng dịch vụ VoIP trong hệ thống WiMAX không chỉ dựa trên tốc độ truyền tải mà còn phụ thuộc vào độ trễ, độ mất gói và chất lượng âm thanh. Các nghiên cứu cho thấy rằng, với việc sử dụng các thuật toán lập lịch hiệu quả, WiMAX có thể cung cấp chất lượng dịch vụ VoIP tương đương với các hệ thống truyền thống. Đặc biệt, việc tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu độ trễ là rất quan trọng để đảm bảo trải nghiệm người dùng tốt nhất. Các mô hình mô phỏng và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, việc áp dụng các thuật toán lập lịch phù hợp có thể cải thiện đáng kể chất lượng dịch vụ VoIP trong môi trường WiMAX.

4.1. So sánh chất lượng dịch vụ giữa các thuật toán

Việc so sánh chất lượng dịch vụ giữa các thuật toán lập lịch UGS, rtPS và ertPS cho thấy rằng, mỗi thuật toán có những ưu điểm và nhược điểm riêng. UGS cung cấp băng thông ổn định nhưng không linh hoạt, trong khi rtPS và ertPS có khả năng điều chỉnh băng thông tốt hơn nhưng có thể gặp khó khăn trong việc duy trì chất lượng dịch vụ trong các tình huống tải cao. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn thuật toán lập lịch phù hợp để tối ưu hóa chất lượng dịch vụ VoIP trong hệ thống WiMAX.