HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ---------------------------------------

Bùi Văn Phú

NGHIÊN CỨU CÁC CƠ CHẾ ĐẢM BẢO QOS TRONG MẠNG DI ĐỘNG UMTS VÀ ÁP DỤNG QOS ĐỐI VỚI CÁC PHÂN LỚP THUÊ BAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2013

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRƯƠNG TRUNG KIÊN

(Ghi rõ học hàm, học vị)

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

1

MỞ ĐẦU Thị trường viễn thông di động trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã trải

qua giai đoạn phát triển bùng nổ về vùng phủ sóng và số lượng thuê bao hòa mạng. Mối

quan tâm lớn nhất hiện nay đối với cả nhà khai thác mạng và người dùng là chất lượng dịch

vụ QoS (Quality of Service). Có thể nói QoS là yếu tố cạnh tranh mang tính sống còn đối

với mọi nhà khai thác để giữ thuê bao, phát triển thuê bao mới và hạn chế thuê bao rời

mạng. QoS chính là tiêu chí cơ bản để đảm bảo doanh thu của nhà khai thác mạng hiện nay.

Các dịch vụ và ứng dụng của mạng UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service)

có thể chia thành hai nhóm: 1) nhóm dịch vụ nhạy cảm với độ trễ: conversation (thoại

AMR, thoại VoIP), báo hiệu; 2) nhóm dịch vụ nhạy cảm với tốc độ: streaming, interactive,

background, IMS signaling. Với tính đa dạng của các dịch vụ và ứng dụng trong mạng 3G,

vấn đề quản lý, cấp phát và đảm bảo QoS cho các loại hình dịch vụ, cho các phân lớp thuê

bao đang là vấn đề nghiên cứu hết sức phức tạp.

Trong những năm gần đây lĩnh vực này đã và đang được các tổ chức nghiên cứu và

áp dụng. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại những vấn đề chưa được giải quyết hoặc giải quyết

chưa triệt để. Hầu hết các đề xuất QoS cho mạng 3G hiện nay chủ yếu quan tâm về vấn đề

chính sách hơn là giải quyết trực tiếp các vấn đề kỹ thuật như định tuyến, xếp hàng, lập lịch.

Theo thời gian với sự hội tụ giữa các công nghệ 2G, 3G, và tiến đến 4G trong tương lai thì

việc đảm bảo QoS cho từng lớp dịch vụ là một vấn đề thiết thực cần nghiên cứu kỹ.

Tại Việt Nam, các nhà mạng lớn đã triển khai cung cấp dịch vụ 3G kể từ năm 2009

cho đến nay, lượng khách hàng và số trạm phát sóng 3G ngày nay gần như đã bão hòa. Bài

toán đảm bảo QoS cho các phân lớp thuê bao dựa trên mức độ ưu tiên sử dụng dịch vụ

ARP/THP khác nhau (ARP – Allocation Retention Priority, THP – Traffic Handling

Priority), đặc biệt là lớp thuê bao VIP (Very Important Person), đang nhận được nhiều sự

quan tâm từ các nhà khai thác mạng đến người sử dụng dịch vụ. Nhà khai thác có thể tạo ra

nhiều loại hình gói cước khác nhau với các mức QoS cam kết khác nhau để hấp dẫn khách

hàng. Người sử dụng có nhiều lựa chọn hơn trong việc sử dụng dịch vụ phù hợp với nhu cầu

của mình. Hiện nay các nhà mạng đang triển khai thử nghiệm loại hình dịch vụ này cho

phân lớp thuê bao VIP và có kế hoạch triển khai thương mại trên toàn mạng. Do vậy, đề tài

“Nghiên cứu các cơ chế đảm bảo QoS trong mạng di động UMTS và áp dụng QoS đối với

các phân lớp thuê bao” trong thời điểm hiện nay là việc làm rất thiết thực và có ý nghĩa

thực tiễn to lớn.

2

Đề tài được cấu trúc gồm bốn chương như sau:

Chương 1 Nghiên cứu cấu trúc mạng UMTS và chất lượng dịch vụ (QoS)

Chương 2 Nghiên cứu các phân lớp dịch vụ của mạng UMTS, các cơ chế đảm

bảo QoS, cách tính toán và đánh giá các tham số QoS

Chương 3 Nghiên cứu chỉ tiêu QoS của các dịch vụ và ứng dụng cụ thể

Chương 4 Xây dựng bài đo QoS dựa trên phân lớp thuê bao và khuyến nghị

triển khai.

Đề tài này tập trung nghiên cứu cấu trúc mạng 3G, các phân lớp dịch vụ và ứng dụng

trên nền mạng 3G, các cơ chế đảm bảo QoS cho từng loại hình dịch vụ/ứng dụng, cách tính

toán đánh giá các tham số QoS, các chỉ tiêu QoS cho một số loại dịch vụ/ứng dụng cụ thể

theo các tổ chức tiêu chuẩn, xây dựng bài đo và đo thực tế đối với cơ chế đảm bảo QoS dựa

trên phân lớp thuê bao. Cuối cùng, dựa trên kết quả nghiên cứu và đo thực tế trên mạng

UMTS của Mobifone sử dụng thiết bị của Huawei, đề tài cũng đưa ra một số khuyến nghị

áp dụng QoS cho các mạng UMTS tại Việt Nam.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trương Trung Kiên, người đã luôn chỉ bảo

tôi tận tình và chu đáo trong quá trình làm luận văn. Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn tới

gia đình tôi, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, ngày 31 tháng 08 năm 2013

Bùi Văn Phú

3

Chương 1 Nghiên cứu cấu trúc mạng UMTS và chất lượng dịch vụ

(QoS) Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu cấu trúc mạng 3G UMTS, định nghĩa QoS

trong mạng viễn thông theo ITU-T G.100 và giới thiệu quy trình quản lý chất lượng dịch vụ

làm nền tảng cho việc nghiên cứu QoS trong mạng UMTS. Trong chương này cũng đề cập

đến việc đảm bảo các KPI chính (chỉ số chất lượng mạng lưới). Đảm bảo KPI chính là yếu

tố quyết định để đảm bảo QoS của dịch vu.

1.1 Cấu trúc hệ thống UMTS

UMTS Rel-5 đưa ra giải pháp hội tụ giữa thoại và số liệu. Tương tự như cấu trúc

GPRS, UMTS bao gồm 3 phần chính là: máy điện thoại di động (MS), UTRAN và mạng lõi

(CN). Máy điện thoại di động trao đổi thông tin với Node B là thiết bị điều khiển kênh vô

tuyến trong vùng phủ sóng hay còn gọi là tế bào. Các Node B lại chịu sự điều khiển bởi bộ

điều khiển mạng vô tuyến (RNC). Trong cấu trúc UMTS, Node B tương đương như trạm

gốc (BTS) trong cấu trúc GPRS, còn RNC tương đương với bộ điều khiển trạm gốc (BSC)

của GPRS. RNC và các Node B tạo nên một phân hệ mạng vô tuyến (RNS). Các RNCs kết

nối với nhau thông qua giao diện Iur. Mỗi RNC kết nối với mạng lõi thông qua giao diện Iu

là giao diện hỗ trợ các dịch vụ thoại và số liệu.

1.2 Chất lượng dịch vụ QoS

1.2.1 Định nghĩa QoS

Theo E.800, QoS được định nghĩa như sau: "QoS là các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu

năng của dịch vụ, nó xác định mức độ hài lòng của khách hàng đối với dịch vụ".

Tuy nhiên để tương thích với E.800 và định nghĩa có thể sử dụng được trong hợp

đồng giữa nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng, ở đây chúng ta định nghĩa QoS như sau:

"QoS là mức độ mà nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp cho khách hàng theo hợp đồng đã

được cam kết", định nghĩa này bao gồm tập hợp các tham số có thể đo được của E.800.

Định nghĩa sau trên thực tế đã định hướng hơn đến thị trường mặc dù QoS có thể

được xác định dựa trên đánh giá của khách hàng trong cả hai định nghĩa. Trên thực tế kết

quả cuối cùng là dịch vụ đó là thoả mãn hay không thoả mãn.

1.2.2 Bốn quan điểm về QoS

Ma trận định nghĩa QoS được minh họa trong Hình 1.1 chỉ ra các tiêu chí đánh giá

chất lượng của chức năng thông tin mà bất kỳ dịch vụ nào cũng phải cung cấp [ITU-T

G.1000].

4

Hình 1.1 Bốn góc nhìn của QoS

Các thành phần của ma trận định nghĩa QoS là:

Yêu cầu QoS của khách hàng

QoS dự kiến được cung cấp bởi nhà cung cấp dịch vụ

QoS thực tế được cung cấp bởi nhà cung cấp dịch vụ

QoS theo đánh giá của khách hàng.

1.2.3 Các thành phần mạng di động có ảnh hưởng đến QoS

Chất lượng là một đặc tính của cuộc gọi có phạm vi từ đầu cuối đến đầu cuối. Do

vậy, mỗi thành phần của mạng đều có ảnh hưởng đến chất lượng này. Các thành phần cần

được xem xét là kết nối vô tuyến từ thiết bị người dùng đến trạm gốc của tế bào di động,

mạng vô tuyến mặt đất kết nối tế bào di động và bộ phận điều khiển, gateway đến mạng lõi,

mạng lõi, và mạng ngoại vi phía đầu xa (cố định và di động).

Ngoài ra, chất lượng cũng bị ảnh hưởng bởi khả năng của toàn mạng trong việc

truyền yêu cầu của từng cuộc gọi trong mặt phẳng điều khiển và hỗ trợ yêu cầu chất lượng

trong suốt cuộc gọi trong mặt phẳng người dùng.

5

1.3 QoS trong mạng UMTS 1.3.1 Các yếu tố QoS trong UMTS

Các dịch vụ UMTS gắn liền với các yếu tố QoS sau:

Đưa ra tập hợp hữa hạn các định nghĩa và đặc điểm chỉ tiêu QoS có thể điều

khiển được. Các chỉ tiêu này phải đơn giản và các thông tin liên quan càng ít càng

tốt.

Đưa ra mối quan hệ giữa các ứng dụng và các dịch vụ UMTS. Mối quan hệ này

phải tính đến đặc điểm không đổi xứng của đường lên (Uplink) và đường xuống

(Downlink).

Tương thích với các hệ thống QoS hiện tại và có thể phân thành nhiều cấp QoS

khác nhau.

Hỗ trợ QoS cho các kết nối dựa trên phiên và cho phép hỗ trợ nhiều luồng QoS

kết nối đến 1 địa chỉ.

Quản lý QoS để sử dụng tài nguyên một cách có hiệu quả nhất.

Thay đổi các chỉ tiêu QoS khi phiên đã được thiết lập và hoạt động

1.3.2 Quản lý KPI hệ thống để đảm bảo QoS Quản lý mạng gồm hai chức năng chính: quản lý hành chính và quản lý năng lực.

Quản lý hành chính bao gồm việc bảo dưỡng các hệ thống đăng ký (như HSS, HLR, VLR,

EIR) được sử dụng cho việc quản lý truy nhập dịch vụ và quản lý di động. Quản lý năng lực

gòm việc cấu hình, phân bổ tài nguyên, thống kê mạng và kiểm soát lỗi.

UMTS đề xuất thu thập số liệu thông kê sau mỗi khoảng thời gian (ví dụ là 5, 15, 30,

60 phút) phù hợp với loại thống kê. Báo cáo có thể được truyền về một cách thường xuyên

bởi các phần tử mạng đang được giám sát hoặc theo yêu cầu bởi bộ phận quản lý. Các loại

thống kê chính cho từng loại thiết bị được giới thiệu bên dưới.

No KPI name Value

1 Customer care KPI

1.1 Anwer subscriber within 60s (%) >80%

1.2 Anwer subscriber within SLA (%) >85%

2 Handle subscriber complaint

2.1 Subscriber complaint with evident/01 Quarter (%) 0.25

2.2

Response to subscriber after receiving complain within 48 hour

(%) 100

6

3 Quality of Service

3.1 Voice CSSR (%) 99.25

3.2 Voice CDR (%) 0.55

3.3 Data CSSR (%) 99.00

3.4 Data CDR (%) 0.85

3.5 Radio Network Availability (%) 99.50

3.6 Bad Cell Rate (%) 4.00

3.7 SMS Successful Rate (SMS Successful Rate on SMSC) (%) 94.00

3.8

FP_CPR (Call Successful Process Rate on CallNode of Fun Ring

system (%) 99

Bảng 1.1 Yêu cầu KPI của một nhà khai thác ở Việt Nam.

1.4 Kết luận

Trong chương này, chúng ta đã lần lượt nghiên cứu tổng quan về cấu trúc mạng

UMTS. Định nghĩa về QoS của ITU, bốn quan điểm về QoS và mô hình quản lý QoS. QoS

Trong mạng UMTS chính là mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài cũng đã được nêu ra.

Cùng với đó là yêu cầu KPI của nhà mạng để đảm bảo QoS của dịch vụ. Đây sẽ là cơ sở lý

thuyết quan trọng để có thể đi sâu nghiên cứu kiến trúc quản lý QoS trong mạng UMTS,

cách thức thực hiện QoS trong UMTS và QoS toàn trình (QoS đầu cuối tới đầu cuối end-to-

end) trong Chương 2.

7

Chương 2 Nghiên cứu các phân lớp dịch vụ của mạng UMTS, các cơ

chế đảm bảo QoS, cách tính toán và đánh giá các tham số

QoS Chương này sẽ nghiên cứu cơ chế quản lý và thực thi QoS trong mạng UMTS. Chúng

ta cũng sẽ nghiên cứu bốn loại hình dịch vụ cơ bản (bốn lớp dịch vụ cơ bản) của mạng

UMTS bao gồm: Conversation, Streaming, Interactive và Background. Các cơ chế đảm bảo

QoS thông qua hồ sơ thuê bao. Các tiêu chí đánh giá QoS và cách tính toán các tham số

QoS chính bao gồm Trễ, Thông lượng, Lỗi và Xác suất cuộc gọi.

2.1 Quản lý QoS trong UMTS

Chất lượng dịch vụ QoS là một phản ánh đầy đủ năng lực dịch vụ của một hệ

thốngWCDMA. Nhóm tham số này xác định mức độ hài lòng của người sử dụng đối với

dịch vụ cung cấp bởi nhà khai thác viễn thông. Do đó, chất lượng dịch vụ QoS là một nhân

tố quan trọng cần phải được nghiên cứu kỹ trong hệ thống WCDMA.

Trong UTRAN, QoS được xác định bởi chiến lược quản lý QoS như chỉ ra trong

Hình 2.1 dưới đây:

Hình 2.1 Chiến lược quản lý QoS trong UTRAN

8

2.2 Các phân lớp dịch vụ UMTS cơ bản

UMTS và GPRS định nghĩa các lớp QoS cơ bản cho các loại hình dịch vụ, mà chúng

ta sẽ gọi là phân lớp dịch vụ cơ bản. Người sử dụng của các phân lớp dịch vụ này có thể liên

lạc với cả mạng cố định và các mạng di động khác, do đó, chất lượng toàn trình (end-to-

end) cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các tính năng của mạng đầu xa. Mặc dù các khả năng

dịch vụ của UMTS và GPRS khác nhau rất lớn, chúng cùng hỗ trợ bốn lớp QoS như sau:

1. Conversational;

2. Streaming;

3. Interactive;

4. Background.

2.2.1 Lớp dịch vụ Conversation

2.2.2 Dịch vụ Streaming

2.2.3 Dịch vụ Interactive

2.2.4 Dịch vụ Background.

2.3 Cơ chế quản lý QoS trong mạng UMTS, cơ chế ánh xạ các tham số QoS vào các

Node mạng

Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên phương pháp để UTRAN thực hiện quản lý QoS.

Phần này bao gồm các nội dung sau:

Kiến trúc QoS

Ánh xạ QoS lên UTRAN

Quản lý QoS ở UTRAN.

2.3.1 Kiến trúc QoS

3GPP TS 23.107 mô tả khái niệm QoS và kiến trúc. Ngoài ra, tiêu chuẩn này cung

cấp các tham số QoS dựa trên dịch vụ kênh mang UMTS.

9

Hình 2.2 Kiến trúc QoS trong UMTS

2.3.2 Ánh xạ QoS lên UTRAN

2.3.2.1 Các lớp QoS trong UMTS

Như trình bày ở trên, 3GPP TS 23.107 định nghĩa bốn loại lưu lượng UMTS

Conversational, Streaming, Interactive, Background.

Sự khác biệt chính giữa các loại này thể hiện ở QoS là mức độ nhạy cảm với độ trễ,

cụ thể như sau:

Lớp Conversational nhạy cảm với độ trễ nhất. Nó được sử dụng để mang lưu lượng

có tính chất thời gian thực. Lưu lượng thời gian thực yêu cầu độ trễ ngắn nhất và tuần

tự thời gian nghiêm ngặt giữa các luồng dữ liệu. Do đó, lớp lưu lượng này có yêu cầu

QoS cao nhất.

Lớp Streaming được sử dụng để mang các luồng dữ liệu theo một hướng duy nhất.

Nó không có yêu cầu cao về độ trễ, nhưng tuần tự thời gian phải được giữ trong một

luồng lưu lượng và jitter trễ end-to-end của các luồng dữ liệu phải được giám sát.

Lớp Interactive được sử dụng để truyền dẫn các dịch vụ Internet truyền thống, như

duyệt web và truy xuất dữ liệu. Thời gian RTT là một tham số quan trọng, và các gói

dữ liệu cần được phát trong suốt với các tốc độ bit thấp.

10

Lớp Background được sử dụng để nhận hoặc phát dữ liệu trong chế độ cơ bản. Như

các dịch vụ emal, SMS, và FTP. Lớp này không có yêu cầu cao về trễ, nhưng nó yêu

cầu các gói dữ liệu phải được phát trong suốt ở tốc độ bit thấp.

2.3.2.2 Các tham số QoS ở mang lõi (CN)

Mỗi dịch vụ mang UMTS được đặc tả bởi một số lượng chất lượng và các yếu tố chất

lượng, và chúng được liệt kê như dưới đây. Một số ứng dụng kế thừa một vài subflow khác

nhau trên các kênh mang truy nhập vô tuyến, chúng yêu cầu QoS tách biệt, đặc biệt đối với

bảo vệ chống lỗi, nhưng một số dịch vụ khác thì sử dụng cùng các đặc tính giống như kênh

mang UMTS. Trong đó một kênh mang truy nhập vô tuyến có nhiều hơn một subflow, nó

cũng có một số tương ứng các kênh mang vô tuyến.

Loại dịch vụ Conversation Streaming Interactive Background Tố độ bit lớn nhất √ √ √ √ Thứ tự phát √ √ √ √ Kích thước SDU lớn nhất √ √ √ √ Thông tin định dạng SDU √ √ - - Tỉ lệ lỗi SDU √ √ √ √ Tỉ lệ lỗi bit dư √ √ √ √ Phát SDU lỗi √ √ √ √ Trễ truyền tải √ √ - - Tốc độ bit đảm bảo √ √ - - Mức ưu tiên xử lý dịch vụ (THP) √ - √ - Mức ưu tiên cấp phát (ARP) √ √ √ √ Nhận diện nguồn phát √ √ - - Chỉ thị báo hiệu - - √ -

Bảng 2.1 Các tham số QoS định nghĩa bởi 3GPP.

Lưu ý:

- : không áp dụng

√: áp dụng

Đối với miền PS, QoS yêu cầu được đặt trong hồ sơ QoS IE như Hình 2.3 dưới đây:

11

Hình 2.3 Hồ sơ QoS của thuê bao trong miền PS

2.3.2.3 Cơ chế ánh xạ QoS trong UTRAN

QoS của các dịch vụ của UTRAN được điều khiển bởi các tham số liên quan. Các

tham số QoS của CN được ánh xạ tới các tham số QoS của UTRAN. Tất cả các tham số này

đảm bảo QoS của dịch vụ được cung cấp cho người sử dụng.

Đầu vào của ánh xạ QoS là các tham số QoS ở CN, và đầu ra là các tham số QoS vô

tuyến và tham số QoS truyền tải. Việc ánh xạ được thực hiện bởi RNC.

Đầu ra của ánh xạ QoS được áp dụng trong các chức năng liên quan của RNC và

NodeB. Các tham số NodeB được gửi tới NodeB thông qua giao diện Iub. Hình 2.4 dưới

đây chỉ ra cơ chế ánh xạ QoS này:

12

Hình 2.4 Cơ chế ánh xạ QoS trong UMTS

2.3.2.4 Ánh xạ QoS trên giao diện vô tuyến Uu

Ánh xạ RAB-to-RB (RAB-to-RAB Mapping).

Ánh xạ mức ưu tiên của người sử dụng (User Priority Mapping).

Ánh xạ mức ưu tiên tích hợp RAB (RAB Integrated Priority Mapping).

Ánh xạ HSPA SPI và GRB.

2.3.2.5 Ánh xạ QoS truyền tải trên giao diện Iub/Iur

Dựa trên các mô hình truyền tải, ánh xạ QoS truyền tải Iub/Iur bao gồm:

Ánh xạ dịch vụ dựa trên ATM (Service Mapping over ATM)

Ánh xạ dịch vụ dựa trên IP (Service Mapping over IP)

2.3.3 Quản lý QoS ở UTRAN

Chiến lược quản lý QoS ở UTRAN là cố gắng hết sức để đảm bảo QoS cho mỗi

người dùng và để cung cấp DiffServ cho các người dùng khác nhau, do đó đạt được các yêu

cầu của nhiều người sử dụng hơn.

13

Hình 2.5 Cơ chế quản lý QoS trong UTRAN

2.3.3.1 Đảm bảo QoS cho một người dùng

2.3.3.2 Phân biệt dịch vụ (DiffServ) cho các người sử dụng khác nhau

2.4 Các chỉ tiêu QoS trong mạng UMTS

Các chỉ tiêu đối với các lớp QoS cụ thể được mô tả trong Bảng 2.2.

Dịch vụ

Ứng dụng

Mức độ đối xứng

Tốc độ dữ liệu (kbps)

Các tham số chất lượng chính và yêu cầu Trễ End-to-

End một chiều (ms)

Thay đổi trễ trong một cuộc gọi (ms)

Mất thông tin (%)

Âm thanh Thoại Hai hướng 4-25

<150 (mức ưa thích) <400 (mức giới hạn ) <1 <3 FER

Hình ảnh

Thoại thấy hình Hai hướng 32-384

<150 (mức ưa thích) <400 (mức giới hạn ) Lip-Sync: <100 - <1 FER

Dữ liệu Trò chơi tương tác Hai hướng 28.8 <250 - 0

Dữ liệu Telnet

Hai hướng (không cân xứng) <1 <250 - 0

Bảng 2.2 Kỳ vọng chất lượng của người sử dụng đối với dịch vụ thoại và thời gian thực

14

2.5 QoS toàn trình (End-to-End QoS)

Nhiều ứng dụng sẽ liên quan tới các máy chủ ở các mạng bên ngoài, điều đó có nghĩa

là QoS phụ thuộc vào các máy chủ này cũng như mạng UTRAN. Trong phần này, chung ta

sẽ nghiên cứu cách tính toán các tham số QoS quan trọng nhất là Trễ, Rung pha, Thông

lượng và Tỉ lệ lỗi.

2.5.1 Trễ

2.5.2 Thay đổi độ trễ

2.5.3 Thông lượng (Throughput)

2.5.4 Lỗi (Error)

2.5.5 Xác xuất lỗi cuộc gọi.

2.6 Kết luận

Chương này chúng ta đã tập trung nghiên cứu cơ chế quản lý QoS trong UMTS. Bốn

loại hình dịch vụ cơ bản trong UMTS (Conversation, Streamning, Interactive, Background)

và các yêu cầu QoS của chúng. Các cơ chế ánh xạ QoS từ mạng lõi sang mạng UTRAN.

Phần cuối chương tập trung phân tích QoS toàn trình của tất cả các loại dịch vụ. Trong

chương tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu yêu cầu QoS của các ứng dụng/dịch vụ cụ thể

trong UMTS. Các ứng dụng và dịch vụ này thuộc một trong bốn nhóm dịch vụ đã nêu trên

để minh họa cụ thể hơn yêu cầu QoS trong UMTS.

15

Chương 3 Nghiên cứu chỉ tiêu QoS của các dịch vụ và ứng dụng cụ thể

Kênh mang UMTS tốc độ cao và có thể thay đổi một cách linh hoạt tùy theo yêu cầu

của người sử dụng đầu cuối. Điều đó cho phép UMTS hỗ trợ rất nhiều loại dịch vụ và ứng

đụng đa phương tiện khác nhau. Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu yêu

cầu QoS của các dịch vụ/ứng dụng tiêu biểu trong UMTS: các ứng dụng liên quan tới âm

thanh, các ứng dụng liên quan tới hình ảnh.

3.1 Giới thiệu

Các đặc tính mới nổi tiếng nhất của UMTS đó là tỷ lệ bit người sử dụng cao hơn: trên

các kết nối chuyển mạch kênh tỷ lệ này có thể đạt tới 384 kbps, và trên các kết nối chuyển

mạch gói tỷ lệ này có thể đạt tới 2 Mbps. Tỷ lệ bit cao hơn sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho

việc phát triển một số dịch vụ mới, chẳng hạn như điện thoại video và việc download dữ

liệu một cách nhanh chóng.

3.2 Các ứng dụng âm thanh

Ứng dụng nối tiếng nhất của đàm thoại phải kể đến đó là dịch vụ thoại trên vật mang

chuyển mạch kênh. Với Internet và đa phương tiện, một số các ứng dụng mới sẽ yêu cầu

loại này, ví dụ như ứng dụng VoIP và thoại video. Việc đàm thoại trong thời gian thực luôn

luôn được thực hiện giữa các peer (hoặc các group) của những người dùng đầu cuối. Đây là

loại duy nhất trong 4 loại mà các đặc tính cần bị áp đặt bởi nhận thức của con người.

3.2.1 Thoại trên miền CS

AMR là mã hóa thoại chính của UMTS, nó sử dụng các kênh mang vô tuyến và các

mức lỗi chấp nhận được để cấp phát tốc độ thích ứng. Giống với các thuật toán GSM ban

đầu, AMR có ba subflow RAB tương ứng với ba loại bit, mỗi loại tương ứng với một kênh

truyền tải dành riêng.

Kích thước gói

tin

Trễ

64 256 512 1,024 1,544 2,048 34M 45M 28 3.30 0.80 0.40 0.20 0.14 0.10 0.01 0.00 64 8.00 2.00 1.00 0.50 0.33 0.25 0.02 0.01 256 32.00 8.00 4.00 2.00 1.30 1.00 0.06 0.04 640 80.00 20.00 10.00 5.00 3.30 2.50 0.15 0.11

1,000 128.00 32.00 16.00 8.00 5.20 4.00 0.24 0.17 1,500 187.00 47.00 23.50 12.00 7.90 6.00 0.36 0.25

Bảng 3.1 Trễ thay đổi theo kích thước gói tin và tốc độ bit.

16

3.2.2 Thoại trên miền PS

3.2.3 Âm thanh MP3.

3.3 Các ứng dụng hình ảnh

3.3.1 Video

Do tính chất của nén video, yêu cầu BER là nghiêm ngặt hơn so với thoại. UMTS đã

xác định rằng ITU-T Rec. H.324M nên được sử dụng cho điện thoại video chuyển mạch

kênh và Session Initiation Protocol (SIP) để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện IP, bao

gồm cả điện thoại video.

3.3.2 JPEG và JPEG động

3.3.3 Hội nghị truyền hình H.261

3.3.4 MPEG-2

3.3.5 JPEG-2000

3.3.6 MPEG-4

3.3.7 H.263, H.324, và 3G-324M

3.4 Kết luận

Trong chương này, chúng ta đã lần lượt nghiên cứu QoS của các dịch vụ và ứng dụng

cụ thể trong UMTS. Mỗi loại hình dịch vụ/ứng dụng có yêu cầu QoS khác nhau đặc thù theo

nội dung thông tin. Dịch vụ thoại yêu cầu trễ thấp, dịch vụ dữ liệu luôn yêu cầu thông lượng

cao. Các ứng dụng phổ biến trong UMTS gồm ứng dụng mang thông tin âm thanh (thoại

trên miền CS và PS) và ứng dụng mang thông tin hình ảnh. Có rất nhiều thuật toán nén thoại

và dữ liệu đã được nghiên cứu và sử dụng cho các ứng dụng trên. Mỗi thuật toán đều có các

yêu cầu riêng về tỉ lệ nén tín hiệu, độ trễ xử lý, kích thước gói tin, …, các thông số này ảnh

hưởng tới QoS của dịch vụ sử dụng thuật toán đó.

17

Chương 4 Xây dựng bài đo QoS dựa trên phân lớp thuê bao và

khuyến nghị triển khai.

QoS chỉ có ý nghĩa khi được xem xét trong trường hợp có sự tranh chấp tài nguyên

giữa các dịch vụ, giữa những người sử dụng cùng một thời điểm, hoặc mạng bị tắc

nghẽn/không đủ tài nguyên theo yêu cầu. Hiện nay, thị trường viễn thông di động ở Việt

Nam đã qua giai đoạn phát triển về vùng phủ (giai đoạn phát triển về chiều rộng), thay vào

đó là giai đoạn phát triển về chiều sâu với yếu tố then chốt là đảm bảo chất lượng dịch vụ

(QoS). Để đảm bảo được điều đó, một trong những cách đang được định hướng triển khai ở

Việt Nam là “Phân loại dịch vụ (DiffServ) dựa trên phân lớp thuê bao”. Có nghĩa là mỗi

thuê bao hòa mạng sẽ được cam kết đảm bảo một mức QoS riêng (tỉ lệ thiết lập cuộc gọi,

tốc độ bit đảm bảo GBR, …). Về mặt kỹ thuật, thuê bao được gán các mức ưu tiên khác

nhau (SPI) và có các quyền khác nhau (quyền được chiếm kênh, bị chiếm kênh)… hình

thành nên các phân lớp thuê bao: thuê bao thông thường, thuê bao VIP (Gold, Silver,

Bronze). Khi có nghẽn mạng xảy ra, thuê bao có mức ưu tiên cao hơn sẽ được cấp phát

nhiều tài nguyên hơn, thậm chí có thể chiếm kênh của thuê bao có mức ưu tiên thấp để thực

hiện dịch vụ. Kết quả là, thuê bao sẽ được đảm bảo QoS theo mức cam kết của nhà khai

thác.

Chương này sẽ nghiên cứu cách thức triển khai QoS dựa trên mức độ ưu tiên của thuê

bao cho dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu BE (Background và Interactive) trong trường hợp

có mạng nghẽn, có sự tranh chấp tài nguyên. Xây dựng bài đo và kết quả đo trên mạng

Mobifone. Chương này cũng sẽ đưa ra một số khuyến nghị triển khai trên dịch vụ này trên

mạng di động UMTS ở Việt Nam.

4.1 QoS dựa trên phân lớp thuê bao;

4.1.1 Tính năng eMLPP cho dịch vụ thoại dựa trên mức ưu tiên của thuê bao (tính

năng ưu tiên cho dịch vụ thoại)

Tính năng eMLPP (enhanced Multi-Level Precedence and Pre-emption) cung cấp các

mức ưu tiên khác nhau đối với thiết lập cuộc gọi và với tính liên tục cuộc gọi trong trường

hợp chuyển giao.

Có 7 mức ưu tiên được định nghĩa trong 3GPP TS 22.067. Mức ưu tiên cao nhất (A)

được dự phòng cho sử dụng nội mạng. Mức ưu tiên cao thứ hai (B) có thể được sử dụng cho

18

nội mạng hoặc, tùy chọn, phụ thuộc vào các yêu cầu của đăng ký thuê bao. Hai mức ưu tiên

này (A và B) có thể chỉ được sử dụng nội mạng, ví dụ, trong miền của một MSC.

Năm mức ưu tiên khác được cung cấp cho thuê bao và có thể được áp dụng toàn cầu.

Bảy mức ưu tiên được định nghĩa như sau:

A (cao nhất, để sử dụng nội mạng)

B (để sử dụng nội mạng hoặc, tùy chọn, để đăng ký thuê bao)

0 (để đăng ký thuê bao)

1 (để đăng ký thuê bao)

2 (để đăng ký thuê bao)

3 (để đăng ký thuê bao)

4 (thấp nhất, để đăng ký thuê bao).

4.1.2 Tính năng phân loại dịch vụ HSPA dựa trên mức ưu tiên của thuê bao (tính năng

ưu tiên cho dịch vụ dữ liệu)

Do sự phát triển của công nghệ HSPA, kênh HSPA đang trở thành kênh mang chính

cho các dịch vụ của UMTS. Tính năng Phân loại dịch vụ HSPA dựa trên mức ưu tiên thuê

bao hoặc dịch vụ chỉ áp dụng đối với kênh HSPA. Nó cung cấp dịch vụ khác nhau cho

những người sử dụng dựa trên loại dịch vụ và mức ưu tiên của người sử dụng.

Phân loại dịch vụ HSPA cần sự hỗ trợ của các phần tử mạng như: CN, RAN và UE.

4.1.2.1 Phân loại ưu tiên dịch vụ HSPA dựa trên loại dịch vụ

Dịch vụ PS thường được mang trên kênh HSPA. Trong 3GPP Release 8, dịch vụ

AMR cũng có thể được mang trên kênh HSPA.

Dịch vụ được mang trên kênh HSPA được phân loại thanh dịch vụ nhạy cảm với trễ và

dịch vụ nhạy cảm với thông lượng như dưới đây.

4.1.2.2 Phân loại ưu tiên dịch vụ HSPA dựa trên mức ưu tiên của người sử dụng

Phân loại ưu tiên dịch vụ HSPA dựa trên mức ưu tiên của người sử dụng chủ yếu áp

dụng cho các dịch vụ BE (nhạy cảm với thông lượng). Có ba mức ưu tiên của người dùng

khác nhau: Gold, Silver và Copper. Với chức năng này, nhà khai thác cho phép thiết lập các

tham số như Guaranteed Bit Rate (GBR), Happy Bit Rate (HBR), và trọng số SPI khác nhau

cho dịch vụ BE của các mức ưu tiên theo người dùng khác nhau. Dựa trên những tham số

này, NodeB lập lịch tài nguyên trên giao diện Uu và điều khiển luồng trên giao diện Iub.

Theo cách này, phân loại mức ưu tiên dịch vụ HSPA sẽ được cung cấp tới người sử dụng

với các mức ưu tiên khác nhau.

19

Khi tài nguyên không đủ, người sử dụng có mức ưu tiên cao được cung cấp dịch vụ

với chất lượng tốt hơn.

4.1.2.3 Thiết lập ánh xạ QoS HSPA

4.1.2.3.1 Mô tả

CN gửi các tham số QoS tới mạng RAN thông qua bản tin thiết lập RAB trên giao

diện Iu. RAN khởi tạo các tham số QoS sử dụng ánh xạ QoS và thực hiện phân loại mức ưu

tiên dịch vụ HSPA dựa trên các tham số QoS. Hình sau đây chỉ ra ánh xạ QoS của HSPA.

Nhà khai thác có thể cấu hình ánh xạ QoS bằng cách thiết lập các tham số QoS trên RNC:

Bảng 4.1 Ánh xạ QoS trên RNC

4.1.2.3.2 Ánh xạ sang GBR

Mạng CN không thiết lập GBR cho các dịch vụ BE (các dịch vụ interactive và

background). Để đảm bảo tốc độ cơ bản cho hai loại dịch vụ này, RNC cho phép cấu hình

GBR cho chung. GBR thay đổi theo các mức ưu tiên của người dùng và các hướng kết nối.

Hướng Gold Silver Copper

Downlink 256 kbit/s 128 kbit/s 64 kbit/s

Uplink 256 kbit/s 128 kbit/s 64 kbit/s

Bảng 4.2 Ví dụ về ánh xạ GRB dựa trên mức ưu tiên của người dùng

Chú ý: GBR được cấu hình dựa trên mức ưu tiên của người dùng, các loại lưu lượng

(TC), mức ưu tiên xử lý lưu lượng (THP), các kênh mang R99/HSPA. Ví dụ trên chỉ nêu ra

cấu hình GBR dựa trên mức ưu tiên của người dùng.

4.1.2.3.3 Ánh xạ sang HappyBR

Như đã mô tả trước đây, HBR định nghĩa tốc độ dịch vụ BE được kỳ vọng dựa trên

trải nghiệm của người sử dụng. HBR được cấu hình trong RNC dựa trên mức ưu tiên người

dùng thông qua tham số HapppyBR.

4.1.2.3.4 Ánh xạ sang UserPriority

UserPriority được xác định bởi ARP:

20

ARP 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

UserPriority Error Gold Silver Copper

Bảng 4.3 Ánh xạ mặc định từ ARP sang UserPriority

4.1.2.3.5 Ánh xạ sang THPClass

THPClass được xác định bởi THP như sau:

THP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

THPClass High Medium Low

Bảng 4.4 Ánh xạ mặc định từ THP sang THPClass

4.1.2.3.6 Ánh xạ sang SPI

Ánh xạ của TC, mức ưu tiên của người sử dụng, và THPClass sang SPI được thiết

lập tại RNC như sau:

TrafficClass UserPriority THPClass SPI SPIWeight

Interactive Gold High 10 100%

Gold Medium 9 100%

Gold Low 8 100%

Silver High 7 100%

Silver Medium 6 100%

Silver Low 5 100%

Copper High 4 100%

Copper Medium 3 100%

Copper Low 2 100%

Background Gold None 8 100%

Silver None 5 100%

Copper None 2 100%

Bảng 4.5 Ánh xạ mặc định từ TrafficClass, UserPriority, và THPClass sang SPI

21

4.2 Xây dựng bài test đánh giá QoS của tính năng eMLPP (dành cho thoại) và tính

năng phân loại dịch vụ HSPA (dành cho dữ liệu) dựa trên mức ưu tiên của thuê

bao. Kết quả test thực tế trên mạng Mobifone;

Dựa trên nền tảng lý thuyết đã nghiên cứu từ Chương 1 đến Chương 4, phần này sẽ

xây dựng các bài đo và đo kiểm thực tế hai tính năng phân biệt dịch vụ trong UMTS cho hai

trường hợp đơn giản và phổ biến nhất trên mạng Mobifone dùng thiết bị của Huawei:

Bài đo phân biệt dịch vụ thoại eMLPP trên hệ thống 3G-UMTS của Mobifone sử

dụng thiết bị Huawei: bài đo với 2 thuê bao di động thoại với mức ưu tiên khác nhau

truy cùng một cell, gọi tới một thuê bao cố định trong trường hợp nghẽn mạng.

Phân biệt dịch vụ dữ liệu HSPA trên hệ thống 3G-UMTS của Mobifone sử dụng

thiết bị Huawei: bài đo với 3 thuê bao dữ liệu có các mức ưu tiên giống nhau/khác nhau

truy nhập đồng thời vào cùng một cell, thực hiện dịch vụ BE.

4.2.1 Bài đo phân biệt dịch vụ thoại eMLPP trên hệ thống 3G-UMTS của Mobifone sử

dụng thiết bị Huawei

4.2.2 Phân biệt dịch vụ dữ liệu HSPA trên hệ thống 3G-UMTS của Mobifone sử dụng

thiết bị Huawei

Đề tài này sẽ nghiên cứu hai bài đo cho dịch vụ dữ liệu HSPA trong trường hợp có

tranh chấp tài nguyên mạng dựa trên trọng số SPI:

Lập lịch HSDPA cho dịch vụ nhạy cảm với lưu lượng với mức ưu tiên giống nhau

(HSDPA Scheduling of Traffic Sensitive Service with Same Priority - BE service)

Lập lịch HSPA cho dịch vụ nhạy cảm thông lượng với khác mức ưu tiên khác nhau

(HSDPA Scheduling of Traffic Sensitive Service with Different Priority - BE

service)

4.3 Khuyến nghị triển khai

Hiện nay, tất cả các thuê bao hòa mạng đều không được thiết lập mức ưu tiên. Riêng

đối với thuê bao dữ liệu, nhà mạng chỉ có các gói cước hạn chế tốc độ tối đa (gói cước

1Mpbs, 2Mbps, 7,2Mbps, …), nhà mạng không cam kết tốc độ đảm bảo GBR cho thuê bao.

Điều đó có nghĩa là các thuê bao sẽ được đối xử như nhau khi nghẽn mạng hoặc tranh chấp

tài nguyên, bất kể thuê bao đó là thuê bao trả trước hay trả sau, thuê bao VIP hay thuê bao

thông thường. Điều đó ảnh hưởng lớn đến mức hài lòng khách hàng, đặc biệt là đối với phân

lớp thuê bao VIP (thường là thuê bao trả sau và có mức phát sinh cước hàng tháng hơn 50$).

Về mặt gói cước, hiện cũng chỉ có các gói cước rất đơn giản và hongg có cam kết chặt chẽ

22

về QoS. Do đó, việc thực hiện được tính năng phân biệt dịch vụ cho thuê bao thoại và thuê

bao dữ liệu cho phép nhà mạng có thể tung ra nhiều sản phẩm dịch vụ đa dạng hơn, linh

hoạt đối với mọi người sử dụng. Người sử dụng có nhiều cơ hội hơn trong việc lựa chọn sản

phẩm, dịch vụ khi hòa mạng tùy thuộc vào nhu cầu và thói quen sử dụng dữ liệu thực tế của

mình. Thuê bao sẽ được phân cấp thanh nhiều nhóm khác nhau: thuê bao thông thường,

thuê bao VIP (Gold, Silver, Bronze).

4.3.1 Tính năng thiết lập quyền ưu tiên dịch vụ thoại dựa trên eMLPP

Tính năng dịch vụ:

• Cho phép dành tài nguyên cho cuộc gọi có ưu tiên cao, giải phóng tài nguyên cuộc gọi có mức ưu tiên thấp đang diễn ra nếu cần.

• Ứng dụng khi thiết lập cuộc gọi (call setup) hoặc trong khi handover.

• Cho phép thiết lập 7 mức ưu tiên (A, B, 0, 1, 2, 3, 4).

• Cần hỗ trợ ở cả HLR, MSC, BSC/RNC

Phạm vi áp dụng:

• Có thể thiết lập theo từng cuộc gọi (với máy đầu cuối hỗ trợ eMLPP) hoặc thiết lập giá trị mặc định cho mọi cuộc gọi.

• Có thể tính cước khác nhau cho cuộc gọi (CDR)

Triển khai:

• Triển khai xác định khách hàng VIP, xây dựng cơ sở dữ liệu

• Cập nhật dữ liệu khách hàng VIP trên HLR.

• Cập nhật hệ thống tính cước CDR, bổ sung cước offline (CDR) nếu có.

• Trên ngHLR khai báo tham số CARP (CS Allocation/Retention Priority), Đối với thuê bao VIP khai báo tham số này =1, thuê bao thông thường tham số này = 3.

4.3.2 Thiết lập ưu tiên cho dịch vụ dữ liệu dựa trên phân biệt dịch vụ HSDPA

Tính năng dịch vụ:

• Có cam kết tốc độ đảm bảo ở cả đường xuống và đường lên cho từng phân lớp thuê bao.

• Trong trường hợp tranh chấp tài nguyên, tài nguyên sẽ được ưu tiên cấp phát cho thuê bao có mức ưu tiên cao để đảm bảo tốc độ dịch vụ tốt nhất.

Mạng lõi: gửi các tham số về chất lượng dịch vụ

• Tốc độ bit lớn nhất cho từng QoS profile.

• Tốc độ bit lớn nhất được bảo đảm cho từng QoS profile

23

• Ưu tiên cấp phát và duy trì linh hoạt.

• Ưu tiên điều khiển lưu lượng

Mạng vô tuyến: cần xem xét các tham số sau

• Tốc độ bit lớn nhất cho từng QoS profile

• Tốc độ bit lớn nhất được bảo đảm cho từng QoS profile

Hệ thống Provisioning khi thuê bao đăng ký dịch vụ data:

• Cơ sở dữ liệu thuê bao VIP

• Hệ thống provisioning: Lấy cơ sở dữ liệu thuê bao VIP là thông tin đầu vào.

• Khai báo thêm profile mới trên các hệ thống HLR (tùy theo chính sách). 4.4 Kết luận

Chương này đã đi sâu nghiên cứu tính năng phân biệt dịch vụ thoại eMLPP và dịch

vụ dữ liệu BE theo các tiêu chuẩn và khuyến nghị của 3GPP. Tiếp đó là các bài đo kiểm tra

các tính năng dịch vụ này áp dụng cho các phân lớp thuê bao cùng mức ưu tiên và có mức

ưu tiên khác nhau để chứng tỏ khả năng cung cấp và đảm bảo QoS cho các phân lớp thuê

bao của hệ thống UMTS. Bài đo này cũng đã được kiểm tra thực tế trên mạng UMTS của

nhà khai thác VMS. Phần cuối chương là một số khuyến nghị và lưu ý khi triển dịch vụ này

trên mạng UMTS, đặc biết lưu ý tới định nghĩa QoS dành cho phân lớp thuê bao VIP.

24

K ẾT LUẬN ĐỀ TÀI

Đề tài đã nghiên cứu QoS trong mạng viễn thông nói chung và mạng UMTS nói

riêng. Đặc biệt, đề tài đã nghiên cứu kiến trúc QoS trong mạng UMTS và cách thức đảm

bảo QoS của dịch vụ từ mạng lõi, đến mạng RAN và đến người sử dụng đầu cuối. Đề tài

cũng đã đưa ra các bài đo và kết quả đo thực tế đối với tính năng phân biệt dịch vụ trong

mạng UMTS của VMS để đảm bảo QoS cho người sử dụng trong trường hợp nghẽn mạng.

Cuối cùng, đề tài đã đưa ra được một số khuyến nghị triển khai các dịch vụ này trên mạng

thực tế.

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

Về cơ sở lý thuyết, đề tài đã nghiên cứu kỹ các nguyên tắc và cơ chế đảm bảo QoS

trong mạng UMTS. Về phần đo kiểm thực tế, đề tài mới chỉ xây dựng một số bài đo đối với

các trường hợp cơ bản (hai thuê bao thoại eMLPP, ba thuê bao dữ liệu HSPA) cùng truy

nhập một cell và có tranh chấp tài nguyên, nhưng chưa mô tả hết các tình huống nghẽn

mạng trên thực tế. Hướng nghiên cứu tiếp theo là xây dựng các bài đo cho trường hợp nhiều

phân lớp thuê bao với nhiều mức ưu tiên khác nhau truy nhập mạng đồng thời, thực hiện

nhiều phép đo và lấy kết quả thống kê để đánh giá khả năng đảm bảo QoS của mạng lưới

đối với tính năng phân loại dịch vụ trong UMTS cho cả dịch vụ thoại và dữ liệu.