Tom tat lv th s nguyen xuan bach

1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

Nguyễn Xuân Bách

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠNG LÕI 3G

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI -2012

1

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bạch Nhật Hồng

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 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1

MỞ ĐẦU

Mạng UMTS bao gồm hai phần, phần mạng lõi (Core Network) và phần mạng

truy nhập (RAN- Radio Access Network). Mạng lõi CN liên quan đến vấn đề chuyển

mạch và định tuyến lưu lượng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, phần mạng

truy nhập liên quan đến vấn đề cung cấp tài nguyên vô tuyến và điều khiển truy nhập

vô tuyến.

Phần mạng lõi CN đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định năng lực phục vụ

cũng như khả năng nâng cấp mạng. Tất cả các nhu cầu xuất phát từ phần mạng truy

nhập đều phải thông qua xử lý của phần mạng lõi, và bất cứ những sự thay đổi nào từ

phần RAN cũng đều dựa trên khả năng phục vụ của phần CN. Vì vậy việc nghiên cứu

tính toán dung lượng mạng lõi CN là hết sức quan trọng.

Đề tài “Tính toán thiết kế mạng lõi 3G” sẽ trình bày chi tiết các thuật toán để định

cỡ miền chuyển mạch gói của mạng UMTS. Sự phân tích dựa vào lưu lượng và thông

lượng dữ liệu được tạo ra trên các giao diện của các thực thể mạng trong mạng

UMTS. phục vụ cho quá trình vận hành khai thác cũng như phát triển nâng cấp hệ

thống mạng lõi 3G đảm bảo phục vụ kịp thời nhu cầu đang tăng nhanh của người sử

dụng.

2

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động và giới thiệu hệ thống thông tin

IMT-2000

1.1.1 Lịch sử phát triển

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba, 3G ra đời với mục tiêu là thực hiện một

hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới. Khác với các dịch vụ được

cung cấp bởi những hệ thống thông tin di động hiện nay chủ yếu là thoại (công nghệ

tương tự là đặc trưng hệ thống thế hệ thứ nhất, công nghệ số là đặc trưng của hệ

thống thế hệ thứ 2), hệ thống 3G nhằm vào các dịch vụ băng rộng như truy nhập

Internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lượng cao tương đương mạng hữu tuyến

1.1.2 Hệ thống thông tin di động 3G theo IMT-2000

1.2 Nâng cấp từ CDMA IS-95 (cdmaOne) lên 3G

1.3 Hướng phát triển theo nhánh WCDMA từ GSM

Các mạng WCDMA mới được xây dựng trên sự thành công của GSM và tận dụng

cơ sở hạ tầng sẵn có của những nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển về

dịch vụ và mạng là từ mạng GSM hiện nay, qua giai đoạn phát triển GPRS và cuối

cùng tiến lên mạng WCDMA.

1.3.1 GPRS

GPRS là hệ thống 2.5G được nâng cấp từ GSM chủ yếu về mạng lõi theo nguyên

tắc chuyển mạch gói. GPRS tăng cường các dịch vụ số liệu của GSM một cách đáng

kể bằng cách cung cấp các kết nối dữ liệu chuyển mạch gói đầu cuối đến đầu cuối,

cho tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 171,.2 kbps và hỗ trợ các giao thức Internet

TCP/IP và X.25.

1.3.2 EDGE

Để tiếp tục tối ưu hoá hệ thống GSM của mình, nhà khai thác có thể sử dụng công

nghệ EDGE. EDGE là một một bước phát triển cao hơn của GPRS nhằm tiếp cận gần

3

hơn với yêu cầu của 3G, nó có thể triển khai trên phổ tần sẵn có của các nhà khai thác

TDMA và GSM. So với GPRS, EDGE tập trung vào các cải thiện phần truy nhập vô

tuyến bằng cách sử dụng các phương thức điều chế mức cao và một số kỹ thuật mã

hoá tiên tiến khác. Nhờ vậy tốc độ dữ liệu tối đa của người sử dụng trên một sóng

mang 200 kHz có thể đạt được là 473,6 kbps.

1.3.3 WCDMA

Điều kiện trển khai là nhu cầu dịch vụ dữ liệu chiếm phần lớn trong lưu lượng.

Để triển khai mạng một cách nhanh chóng và hiệu quả, hệ thống phải tương thích

ngược với mạng lõi GSM-MAP của GSM. Chung hệ thống báo hiệu, đầu cuối di

động có thể chuyển vùng với hệ thống GSM hiện có. Điều này đòi hỏi phải có máy

cầm tay hai chế độ GSM/GPRS hoặc GSM/GPRS/WCDMA.

1.4 Hướng phát triển tiếp theo của WCDMA

Tổ chức 3GPP thực hiện chuẩn hoá cho nhánh công nghệ WCDMA. Tính đến

thời điểm hiện nay, lộ trình chuẩn hóa các tính năng của mạng di động theo cấu trúc

NGN của 3GPP được liệt kê dưới đây:

R99: Hoàn thành vào tháng 12/2000.

R4: phần gói với GGSN và SGSN vẫn giữ nguyên

R5,6: đây là giải pháp sử dụng mạng lõi hướng tới toàn IP,

R7,8: Giới thiệu HSPA +, áp dụng công nghệ MIMO, nâng cao tốc độ download

và upload.

LTE (Long Term evolution)

Nhìn vào lộ trình chuẩn hóa IMS của 3GPP, chúng ta có thể thấy: HSDPA bắt

đầu được chuẩn hóa từ phiên bản Release 5 (hoàn thành từ giữa năm 2002). Tiếp theo

phiên bản Release 5 tính đến thời điểm hiện nay đã có 4 phiên bản được chuẩn hóa.

Phiên bản Release 6 giới thiệu HSUPA và bổ sung thêm một số tính năng dịch vụ

IMS và hoàn thiện một số tính năng (về tính cước, chất lượng dịch vụ…) của phiên

bản Release 5.

Đặc trưng cơ bản đối với phiên bản Release 7 của 3GPP là chuẩn hóa tính năng

hỗ trợ truy nhập với mạng băng rộng cố định.

4

1.4.1 HSDPA

1.4.2 HSUPA

1.4.3 HSPA+

Tổng kết chương:

Chương này đã trình bày quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, cho

ta cái nhìn khái quát về các giai đoạn phát triển của hệ thống thông tin đi động và xu

hướng phát triển trong giai đoạn tới, trong đó tập trung trình bày sự phát triển từ

mạng 2G lên mạng 3G.

5

CHƯƠNG II – KIẾN TRÚC MẠNG LÕI UMTS

Chương 1 đã trình bày quá trình phát triển của mạng 2G lên mạng 3G. Trong

chương này sẽ trình bày kiến trúc của mạng lõi 3G UMTS. Miền chuyển mạch gói

của mạng UMTS thế hệ thứ 3 phục vụ tất cả các dịch vụ liên quan đến dữ liệu gói cho

thuê bao di động.

2.1 Kiến trúc mạng lõi UMTS

Miền chuyển mạch gói (PS) và miền chuyển mạch kênh (CS) bao gồm mạng lõi

(CN) của hệ thống 2G (GSM) và hệ thống mạng 3G (UMTS).

Ở phiên bản R99, phiên bản đầu tiên của mạng 3G UMTS, miền mạng lõi CN có

cùng các thực thể mạng và kiến trúc mạng với pha GSM. Tuy nhiên, ở phiên bản R4,

phiên bản thứ 2 của mạng UMTS có sự thay đổi ở miền chuyển mạch kênh, ở đó hỗ

trợ chế độ kênh mang tách biệt khỏi kênh điều khiển. Khi đó mạng CN sẽ hỗ trợ

nhiều phương dạng kênh mang như ATM/IP/TDM.

Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng mạng lõi UMTS

Theo các chuẩn 3GPP TS23.060, 3GPP TS24.008, 3GPP TS23.002, miền chuyển

mạch gói về mặt vật lý bao gồm SGSN, GGSN và Charging Gateway. Theo các

chuẩn 3GPP TS29.060 và 3GPP TS29.061, SGSN chịu trách nhiệm phân phối gói dữ

6

liệu từ và đến MS nằm trong vùng quản lý của nó. Nhiệm vụ của nó bao gồm việc

định tuyến và chuyển tải gói tin, quản lý di động (quản lý nhập mạng/rời mạng và

quản lý vị trí), quản lý liên kết logic, và chức năng nhận thực, tính cước. Các giao

diện của nó bao gồm Iu-Ps là giao diện kết nối tới RNC, giao diện Gn/Gp giao diện

với GGSN, giao diện Gr với HLR, giao diện Gs với MSC server hay MSC, giao diện

Gd với SMC (Short Message Center) và giao diện Ga với Charging Gateway.

GGSN là một cổng kết nối giữa mạng UMTS PS/GPRS và các mạng dữ liệu bên

ngoài (ví dụ: Internet). Nó thực hiện các chức năng như định tuyến và đóng gói dữ

liệu giữa MS và mạng dữ liệu ngoài, điều khiển an ninh, điều khiển truy nhập và

quản lý mạng. Đối với phía UMTS PS/GPRS một MS sẽ lựa chọn một GGSN như

một thiết bị định tuyến giữa nó với mạng ngoài trong tiến trình kích hoạt ngữ cảnh

giao thức dữ liệu gói PDP mà trong đó bộ APN (Access Point Name) sẽ xác định

điểm truy nhập tới mạng dữ liệu gói đích. Đối với phía mạng dữ liệu gói bên ngoài

GGSN là một bộ định tuyến mà có thể xác định được địa chỉ IP của tất cả MS trong

mạng UMTS PS/GPRS. GGSN cung cấp giao diện Gc để kết nối với HLR, giao diện

Gn/Gp với SGSN, giao diện Gi với các mạng dữ liệu ngoài, và giao diện Ga với

Charging Gateway(CG).

Charging Gateway là một khối tính cước cho miền chuyển mạch gói. Đôi khi kết

hợp với SGSN thực hiện chức năng thu thập, kết hợp, lọc và lưu trữ chi tiết cuộc gọi

Call Detail Record (CDR) xuất phát từ SGSN và giao tiếp với trung tâm tính cước để

chuyển CDR đã được xắp sếp tới trung tâm tính cước.

HLR chịu trách nhiệm lưu trữ, cập nhật, sửa đổi, hay xóa thông tin thuê bao,

kiểm soát thông tin đăng ký dịch vụ cơ bản, dịch vụ bổ xung, và thông tin vị trí của

các thuê bao. Ngoài ra nó còn thực hiện chức năng quản lý an ninh thuê bao. Đứng ở

phương diện vật lý HLR cung cấp giao diện D để kết nối với VLR trong MSC server,

giao diện C để kết nối với MSC server hoặc MSC trong mạng lõi GSM, giao diện Gr

với SGSN, giao diện Gc với GGSN. Loại báo hiệu được phân phối đi và đến HLR là

Mobile Aplication Part (MAP).

Trong miền chuyển mạch kênh của UMTS, MSC server là một thực thể chức

năng làm nhiệm vụ thiết lập dịch vụ cuộc gọi, quản lý di động, chuyển giao và các

7

dịch vụ bổ xung khác. Theo nguyên lý tách riêng chức năng điều khiển khỏi kênh

mang trong mạng lõi UMTS, nó thực sự là một bộ điều khiển cho MGW để thiết lập

các hướng cuộc gọi giữa các MS thông qua giao diện Mc. MSC server về mặt vật lý

cũng tích hợp một VLR để lưu giữ dữ liệu của thuê bao. MSC server cung cấp một

giao diện tùy chọn Gs với SGSN.

Tổng kết chương:

Chương này đã trình bày chi tiêt kiến trúc mạng lõi 3G UMTS, trong đó giới

thiệu sơ đồ cấu trúc tổng quát của mạng lõi cũng như các phần tử mạng liên quan qua

các Release sơ khai cho tới Release gần đây đang được các nhà khai thác sử dụng.

8

CHƯƠNG III - TOÁN TÍNH TOÁN THÔNG LƯỢNG TRÊN CÁC

GIAO DIỆN CỦA MẠNG LÕI GÓI UMTS Chương này trình bày chi tiết về các giao thức trên các giao diện trong miền

chuyển mạch gói, cấu trúc bản tin và các tham số liên quan, từ đó tính toán được

thông lượng trên các giao diện kết nối giứa các phần tử mạng trong miền chuyển

mạch gói 3G UMTS. Do giao diện Iu-PS mới được định nghĩa trong mạng lõi UMTS

so với các giao diện khác nên phần này sẽ trình bày thuật toán tính toán thông lượng

cho giao diện Iu-PS trước tiên. Thuật toán thông lượng cho các giao diện khác như là

Gn, Gi, Gs và Gr do chúng đã hình thành trong mạng GPRS nên chúng sẽ được trình

bày dựa trên một quy tắc chung: lưu lượng tổng (Erlang hoặc kích cỡ bản tin), tỉ lệ

lưu lượng theo thời gian để tính toán sự phân phối lưu lượng cho mỗi thực thể mạng

và mỗi liên kết mạng.

3.1 Giao diện Iu-PS

Giao diện Iu-PS là giao diện giữa bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và node hỗ

trợ GPRS phục vụ (SGSN) và giao diện Iu-CS giữa RNC và MGW tạo thành giao

diện Iu.

3.1.1 Kích thước mào đầu của GTP-U

Mào đầu của giao thức GTP-U có độ dài thay đổi, nhỏ nhất là 8 tytes. Như trong

Bảng 8 ta có Octet 1 gồm 3 cờ là cờ PN, cờ S và cờ E. Độ dài tối đa của mào đầu của

giao thức GTP-U là 12 Octet, nó sẽ được áp dụng trong quá trình tính toán của chúng

ta sau này.

3.1.2 Kích thước mào đầu của giao diện Iu-UP trong công thức thông lượng ở mặt

phẳng người dùng:

Chúng ta sẽ đề cập chính tới chế độ Support mode trong quá trình tính toán do

chế độ này phức tạp hơn chế độ transparent mode. Có một số kiểu đơn vị dữ liệu gói

PDU được định nghĩa cho giao thức Iu-UP là loại 0, loại 1 và loại 14 là các kiểu điển

hình của định dạng PDU.

9

Ngoại trừ PDU loại 1 có phần FCSP chiếm 1 octet, do vậy kích thước mào đầu

loại 1 là 3 octets, còn lại hầu hết các loại khác có kích thước mào đầu là 4 octets. Do

đó chúng ta sẽ sử dụng mào đầu có kích thước 4 octets cho những phân tích, tính toán

sau này.

3.1.3 Tính toán thông lượng của mặt phẳng người dùng trên giao diện Iu-PS

Các gói dữ liệu gửi qua giao diện Iu-PS sử dụng giao thức ATM. Do đó để tính

toán thông lượng trên giao diện Iu-PS đầu tiên ta phải tính xem cần bao nhiêu tế bào

ATM để truyền tải gói tin. Kích thước gói tổng bao gồm trung bình cộng của gói tin,

mào đầu của Iu-UP, mào đầu của GTP-U, mào đầu của UDP, mào đầu của giao thức

IP và AAL5. Kích thước thực sự của tế bào ATM để tải các gói tin đã được đóng gói

là 53 – mào đầu của ATM. Kết quả là, số tế bào ATM để tải các gói tin đã được đóng

gói cho bởi công thức:

NATMCell = ( Špacket + HIu-UP + HGTP + HUDP + HIP + HAAL5 ) / (53- HATM) (3.1)

Trong đó

Špacket là giá trị kích thước gói trung bình có được từ mô hình lưu lượng do nhà vận

hành mạng cung cấp.

HIu-UP : giá trị mào đầu của gói Iu-UP

HIP : giá trị mào đầu của gói IP

HAAL5 : giá trị mào đầu của gói AAL5

HATM : giá trị mào đầu của tế bào ATM.

Khi tính toán cho mạng chuyển mạch gói, các nhà vận hành mạng sẽ ước tính một

số các tham số lưu lượng quan trọng liên quan đến mô hình lưu lượng, như là kích

thước trung bình của gói tin, số lượng thuê bao ước tính, tỉ lệ người dùng truy cập

trong giờ bận, thông lượng trung bình trên một người dùng trong giờ bận và tham số

dự phòng. Với những điều kiện được cung cấp bởi mô hình lưu lượng này, giá trị

thông lượng thuần túy mà trong đó không có bất kỳ mào đầu nào được tính bởi công

thức:

PureThroughput = Ns * RAtach * RActive/Actach * ThUser/S * 8 (3.2)

Trong đó:

10

Ns : Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G

ThUser/S : thông lượng trung bình của mỗi người dùng trên giây (bps)

RActach : tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận

RActive/Actach : tỉ lệ người dùng tham gia mạng và kích hoạt PDP trong giờ bận

Tuy nhiên trong môi trường mạng thực tế có thêm mào đầu và tham số dự phòng,

từ công thức (3.2) ta có thông lượng người dùng trên giao diện Iu-PS cho bởi công

thức:

ThUPIuPS = Ns * RAtach * RActive/Actach * (RDown * ThUser/S ) * (NATMCell * 53/ Špacket) *

*8/FRedundancy (3.3)

Trong đó:





Špacket là giá trị kích thước gói trung bình có được từ mô hình lưu lượng do nhà vận

hành mạng cung cấp.

NATMCell : Số tế bào ATM nhận được từ công thức (3.1)

RDown : Tỉ lệ thông lượng đường xuống so với thông lượng dữ liệu lên và xuống

( NATMCell x 53/ Špacket ) : tỉ số kích thước tế bào ATM trên kích thước gói thuần túy.

Nó giải thích tác động của mào đầu trên giao diện Iu-PS.

RDown x ThUser/S : thông lượng dữ liệu của thuê bao trên một hướng. Giả sử rằng

thông lượng đường xuống cao hơn đường lên. Nếu ngược lại thì Rdown sẽ thay bằng

Rup .

3.1.4 Những bản tin trên mặt phẳng điều khiển

3.1.5 Tính toán thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên giao diện Iu-PS

Có 8 bản tin chính đóng góp thông lượng chính ở mặt phẳng điều khiển trên giao

diện Iu-PS. Tuy nhiên, Bảng 11 liệt kê ra 11 loại bản tin, các bản tin này có thể được

ước tính và cung cấp bởi nhà vận hành mạng theo dữ liệu thống kê trong quá trình

11

vận hành. 8 bản tin đầu tiên đã được giới thiệu ở trên, 3 bản tin còn lại có tính tùy

chọn, nó có thể được quyết định bởi nhà vận hành mạng và ứng dụng vào công thức

tính thông lượng dưới đây.

Thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên giao diện Iu-PS cho bởi công thức:

ThCPIuPS = Ns * RAtach * ∑ (푁푖푢푝푠푖 * Liupsi) * 8 / 3600 (3.4)


RActach : tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận Bảng 3.6 chú thích các tham số trong công thức 3.4

NIuPSi LIuPSi

1 Authentication times per busy hour Length of messages per authentication

2 Attachment times in busy hour Length of messages per attachment in

Iu-PS

3 Detachment times in busy hour Length of messages per detachment in

Iu-PS

4 Inter SGSN route update times in

busy hour

Length of messages per inter SGSN

route update

5 Intra SGSN route update times in

busy hour

Length of messages per intra SGSN

route update

6 Intra SGSN SRNC times inbusy

hour

Length of messages per intra SGSN

SRNC.

7 PDP activation times in busy hour Length of messages per PDP activation

8 PDP deactivation times in busy

hour

Length of messages per PDP

deactivation

9 Periodic SGSN route area update

times In busy hour

Length of messages per periodical

SGSN route update

10 Short message service mobile

originated (SMS MO) times in busy

hour

Length of messages per SMS service

11 SMS MT times in busy hour Length of messages per SMS service

Tổng lưu lượng của 8 hoặc 11 bản tin này tạo thành lưu lượng tổng thể ở mặt

phẳng điều khiển trên giao điện Iu-PS. Bên cạnh 11 bản tin đã đề cập, một số bản tin

12

khác như là bản tin ấn định kênh P-TMSI (Packet-Temporary Mobile Subscriber

Identity), bản tin kiểm tra nhận dạng, và bản tin yêu cầu dịch vụ… do kích cỡ bản tin

nhỏ và ít sử dụng nên nó không đề cập trong quá trình tính toán trên mặt phẳng giao

diện này. Nếu các bản tin này được yêu cầu bởi nhà vận hành mạng và các tham số hệ

thống của họ khó đánh giá được thì người ta thêm vào công thức (3.4) một tham số

dự phòng trong quá trình tính toán.

3.1.6 Tổng lưu lượng trên giao diện Iu-PS

Dựa vào kết quả tính toán của 3 phần trên, tổng lưu lượng trên giao diện Iu-PS là

tổng của lưu lượng trên mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển trên giao

diện Iu-PS. Công thức tính như sau:

THIuPS = THUPIuPS + THCPIuPS (3.5)

3.2 Giao diện Gn/Gp :

Giao diện Gn/Gp nằm giữa SGSN và GGSN. Cụ thể, giao diện Gn nằm giữa các

node GSN trong cùng mạng di động mặt đất công cộng (PLMN), còn giao diện Gp

nằm giữa các node GSN trên các PLMN khác nhau. Cả hai giao diện này sử dụng

cùng một chồng giao thức, trong đó giao thức đường hầm GPRS (GTP) được sử dụng

để truyền các gói dữ liệu đã được đóng gói thông qua đường hầm GPRS giữa SGSN

và GGSN. Bảng 12 chỉ ra chồng giao thức từ lớp cao nhất cho đến lớp cuối cùng

GTP/UDP/IP/LLC/MAC.

3.2.1 Công thức tính toán thông lượng gói GTP-U trên giao diện Gn/Gp :

Khi định cỡ thông lượng trên giao diện Gn/Gp, nhà vận hành mạng sẽ ước tính các

tham số dựa trên mô hình lưu lượng như số thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ chuyển

mạch gói 3G, tỉ lệ thuê bao nhập mạng, và tỉ lệ thuê bao đã nhập mạng đồng thời kích

hoạt ngữ cảnh giao thức dữ liệu gói (PDP).

Tỉ lệ mào đầu cũng được tính toán tương tự như ở giao diện Iu-PS. Cho bởi công

thức:

ROGn/Gp = ( Špacket + HGTP + HUDP+ HIP) / Špacket (3.6)

13

Với những điều kiện được cung cấp bởi mô hình lưu lượng của nhà khai thác và tỉ

lệ mào đầu trong công thức 6, thông lượng của gói tin GTP-U trên giao diện Gn/Gp là:

ThUGn/Gp = Ns * RAtach * RActive/Actach *(RDown * ThUser/S ) * ROGn/Gp * 8 (3.7)

Trong đó:





ROverhead : tỉ lệ mào đầu

RDown : Tỉ lệ thông lượng đường xuống so với thông lượng dữ liệu lên và xuống

RDown x ThUser/S : thông lượng dữ liệu của thuê bao trên một hướng. Giả sử rằng

thông lượng đường xuống cao hơn đường lên. Nếu ngược lại thì Rdown sẽ thay bằng

Rup .

3.2.2 Công thức tính toán thông lượng gói GTP-C trên giao diện Gn/Gp :

Trong công thức (3.7) ở trên, giả thiết rằng các gói tin GTP-U đóng góp thông

lượng chính trên giao diện Gn /Gp. Một vài gói tin GTP-C được xem như một phần

thiểu số thông lượng trên giao diện Gn /Gp. Để tính toán phần đóng góp của các gói

tin GTP-C vào thông lượng trên giao diện này, chúng ta xác định các bản GTP-C tin

chính đi qua giao diện Gn/Gp. Các bản tin đó bao gồm bản tin kích hoạt PDP context,

chỉnh sửa PDP context, và hủy kích hoạt PDP context. Trong bài này hai quá trình

kích hoạt và hủy kích hoạt PDP context được coi như đóng góp hầu hết thông lượng

của GTP-C trên giao diện Gn/Gp. Vì vậy ta tính thông lượng của gói GTP-C trên

giao diện Gn/Gp theo công thức:

ThCGn/Gp = Ns x RAtach x ∑ (푁푔푛푖 * Lgni) * 8 / 3600 (3.8)

Trong đó:



Các tham số khác được chỉ ra dưới bảng sau: Bảng 3.8 Các tham số trong công thức (3.8)

14

NGni LGni

1 Create PDP context times in busy hour Length of messages per create PDP context

2 Delete PDP context times in busy hour Length of messages per delete PDP context

3.2.3 Tổng lưu lượng trên giao diện Gn/Gp:

Dựa vào kết quả của các phần trên, thông lượng tổng trên giao diện Gn/Gp là tổng

hợp của thông lượng GTP-C và GTP-U, cho bởi công thức:

ThGn/Gp = ThCGn/Gp + ThUGn/Gp (3.9)

3.3 Giao diện Gr

Giao diện Gr nằm giữa SGSN và HLR. Nó chịu trách nhiệm chính là truyền tải

thông tin liên quan đến thuê bao trong miền chuyển mạch gói. SGSN thông báo trạng

thái về vị trí hiện tại của thuê bao đến HLR đồng thời nhận thông tin đăng ký từ

HLR.

3.3.1 Những bản tin chính đi qua giao diện Gr

3.3.2 Tính toán thông lượng trên giao diện Gr

Dựa vào 4 bản tin chính chúng ta có thể tính toán thông lượng cho giao diện Gr.

Trong bảng 14 dưới đây liệt kê những tham số cần thiết mà có thể ước tính bởi nhà

vận hành khai thác di động dựa vào quá trình vận hành trong quá khứ. Tổng thông

lượng của 4 bản tin này tạo nên lưu lượng tổng trên giao diện Gr. Nếu các bản tin

khác cần xem xét đến thì ta sẽ thêm vào công thức (3.10) dưới đây một tham số dự

phòng (Số dư).

Thông lượng trên giao diện Gr tính bởi công thức:

ThGr = Ns * RAtach * ∑ (푁푔푟푖 * Rgri * Lgri) * 8 / 3600 (3.10)

Trong đó:



3.4 Giao diện Gs

Giao diện Gs là giao diện có tính tùy chọn giữa MSC và SGSN. Mặc dù nó không

bắt buộc, một số dịch vụ chung giữa miền PS và CS có thể được thực hiện thông qua

15

giao diện này như là: cập nhật vị trí chung, nhập mạng, và rời mạng. Miền chuyển

mạch kênh cũng có thể gửi bản tin tìm gọi và bản tin quản lý di động qua giao diện

Gs. Chồng giao thức trên giao diện này là: BSSAP+/ SCCP/ MTP3/ MTP2/ MTP1.

Tương tự như giao diện Gr, thông lượng trên giao diện Gs cho bởi công thức:

ThGs = Ns * RAtach * ∑ (푁푔푠푖 * Rgsi * Lgsi) * 8 / 3600 (3.11)

Trong đó:



Các tham số khác được giải thích trong bảng dưới đây:

3.5 Giao diện Gi

Giao diện Gi là giao diện tham chiếu giữa GGSN và mạng dữ liệu gói ngoài

(PDN) như mạng Internet hoặc Intranet. Giao diện này chỉ rõ điểm cuối của miền

chuyển mạch gói khi mà mạng PDN thông thường thuộc về một nhà cung cấp dịch vụ

khác hoặc một kênh mang khác.

Về mặt lý thuyết, thông lượng thuần túy tại giao diện Gn bằng thông lượng thuần

túy tại giao diện Gi. Lưu lượng được truyền tải qua giao diện Gi thực sự bao gồm

data payload (như IP datagram), tùy chọn của đóng gói VPN, và mào đầu (như mào

đầu Ethernet). Giả sử hầu hết các thuê bao không được đóng gói VPN, tỉ lệ mào đầu

trên giao diện Gi là:

ROGi = ( Špacket + Hdatagram) / Špacket (3.12)

Trong đó

Špacket : Kích thước gói trung bình mà có thể thu được từ mô hình lưu lượng cung

cấp bởi nhà vận hành mạng.

Hdatagram : mào đầu của media trên giao diện Gi. Ví dụ như mào đầu của gói IP được

mang bởi packet over SDH (PoS) là 10 Octets. Mào đầu của gói IP được mang bởi

chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) và PoS là 14 Octets.

Do đó thông lượng trên giao diện Gi cho bởi công thức:

ThGi = Ns * RAtach * RActive/Actach *(RDown * ThUser/S ) * ROGi * 8 (3.13)

16

Tổng kết:

Trên đây ta đã có các công thức tính toán thông lượng cho các giao diện Iu-PS,

Gn/Gp, Gr, Gs, và Gi trong mạng chuyển mạch gói UMTS. Một số giao diện khác

như Gc và Gb không được đề cập do nó được cấu hình một cách tùy chọn trong mạng

chuyển mạch gói UMTS. Việc có cấu hình giao diện Gd kết nối với trung tâm tin

nhắn hay không phụ thuộc vào yêu cầu của nhà vận hành khai thác.

Trong quá trình tính toán thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên các giao diện

Iu-PS, Gr, và Gs, chỉ những bản tin chủ yếu đóng góp chính vào thông lượng cho mặt

phẳng điều khiển được lựa chọn. Chúng ta coi thông lượng trên mặn phẳng điều

khiển chỉ chiếm một phần nhỏ thông lượng (ít hơn 1-5%), việc bỏ qua các bản tin

không chủ yếu có thể chấp nhận được. Những bản tin thêm vào này nếu được yêu cầu

bởi nhà khai thác thì có thể thêm vào công thức tính toán tham số dự phòng. Khi tính

toán ta tính xấp xỉ thông lượng trên giao diện Gi do chúng ta giả thiết không có đóng

gói VPN trong gói dữ liệu nguồn. Do đó kết quả của tỉ lệ mào đầu trong công thức

(3.12) có thể nhỏ hơn giá trị thực tế. Một giá trị tỉ lệ mào đầu nhỏ hơn dẫn đến thông

lượng trên giao diện Gi trong công thức (3.13) cũng nhỏ hơn.

17

CHƯƠNG IV - BÀI TOÁN CỤ THỂ Từ cơ sở lý thuyết và các phương thức tính toán đã trình bày ở các chương trước

ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể. Tính toán dung lượng và khả năng phục vụ của

mạng dựa trên sơ đồ phủ sóng 3G UMTS Hình 4.1. Giả sử thiết kế cung cấp 1 SGSN

và 1 GGSN để phục vụ 100000 thuê bao 3G UMTS trong vùng trung tâm Hà Nội.

Hình 4.1 Sơ đồ phủ sóng mạng 3G UMTS

Hình 4.2 Mô hình rút gọn mạng chuyển mạch gói

Bảng 4.1 - Mô hình lưu lượng cho miền chuyển mạch gói

18

Các tham số lưu

lượng

Giá trị Miêu tả

Kích cỡ mạng 100.000 Số thuê bao đăng ký UMTS/PS

ThUser/bps 600 Thông lượng trung bình của 1 người dùng

trên 1 giây (bps)

SPacket 400 Kích thước trung bình của một gói IP

RAttach 75% Tỉ lệ User nhập mạng trên tổng User

UMTS/PS

RActive/Attach 25% Tỉ lệ User kích hoạt dịch vụ/ user nhập mạng

NAttach 0.75 Thời gian nhập mạng của một user trong giờ

bận

NDetach 0.75 Thời gian rời mạng của một user trong giờ

bận

NPDP-Activation 1.5 Thời gian một user kích hoạt PDP trong giờ

bận

NPDP-Dactivation 1.5 Thời gian một user hủy kích hoạt PDP trong

giờ bận

NRoute-IntraSGSN 4 Thời gian cập nhật vùng định tuyến trong

cùng SGSN của một user trong giờ bận

NRoute-InterSGSN 0.1 Thời gian cập nhật vùng định tuyến khác

SGSN của một user trong giờ bận

NRoute-periodic 0.3 Thời gian cập nhật vùng định tuyến định kỳ

NRoute 4.4 NRoute = NRoute-IntraSGSN +NRoute-InterSGSN +

NRoute-periodic

RJoint Route 18% Tỉ lệ cập nhật vùng định tuyến chung

RJoint Location 18% Tỉ lệ cập nhật vị trí chung`

NSRSNC-Intra SGSN 0.07 Thời gian chuyển vùng dịch vụ RNC của

một user trong giờ bận (cùng SGSN)

NSRSNC-Inter SGSN 0.01 Thời gian chuyển vùng dịch vụ RNC của

một user trong giờ bận (Khác SGSN)

NSRSNC 0.08 NSRSNC = NSRSNC-IntraSGSN + NSRSNC-InterSGSN

NAuth 3.55 Thời gian nhận thực của một user trong giờ

19

bận

RAuth to HLR 20% Tỉ lệ nhận thực cần thiết để nhận được các

tham số từ HLR

NSMS-MO 0.1 Thời gian nhắn tin của một user trong giờ

bận (gọi đi)

NSMS-MT 0.5 Thời gian nhắn tin của một user trong giờ

bận (gọi đến)

NSMS 0.6 NSMS = NSMS-MO + NSMS-MT

RDown-up 3 Tỉ số dữ liệu đường xuống so với đường lên

LdMAP 0.2 Tải kiên kết của bản tin MAP

Bảng 4.2 - Tham số của miền chuyển mạch gói:

Tham số Độ dài bản

tin đề xuất

trên một

chiều

Miêu Tả

LAttach at Iu-PS 336 Độ dài bản tin nhập mạng tại giao diện Iu-

PS

LDetach at Iu-PS 336 Độ dài bản tin rời mạng tại giao diện Iu-

PS

LPDP-Active at Iu-PS 768 Độ dài bản tin trên mỗi lần kích hoạt PDP

tại giao diện Iu-PS

LPDP-Deactive at Iu-PS 768 Độ dài bản tin trên mỗi lần hủy kích hoạt

PDP tại giao diện Iu-PS

LRoute at Iu-PS 144 Độ dài bản tin mỗi lần cập nhật vùng định

tuyến tại giao diện Iu-PS

LSRNC at Iu-PS 1152 Độ dài bản tin mỗi lần chuyển vùng dịch

20

vụ RNC tại giao diện Iu-PS

LAuthen at Iu-PS 192 Độ dài bản tin mỗi lần nhận thực tại giao

diện Iu-PS

LSMS at Iu-PS 1022 Độ dài bản tin mỗi lần gửi tin nhắn tại

giao diện Iu-PS

LPDP-Active at Gn 300 Độ dài bản tin mỗi kích hoạt PDP tại giao

diện Gn

LPDP-Deactive at Gn 50 Độ dài bản tin mỗi hủy kích hoạt PDP tại

giao diện Gn

LAttach at Gr 294 Độ dài bản tin nhập mạng tại giao diện Gr

LRoute at Gr 71 Độ dài bản tin mỗi lần cập nhật vùng định

tuyến tại giao diện Gr

LAuthen at Gr 259 Độ dài bản tin mỗi lần nhận thực tại giao

diện Gr

LRoute at Gs 82 Độ dài bản tin mỗi lần cập nhật vùng định

tuyến tại giao diện Gs

Như ở công thức (3.1), (3.3) và (3.4) thông lượng của giao diện Iu-PS được tính

toán thông qua số tế bào ATM cho bởi công thức:

NATMCell = ( Špacket + HIu-UP + HGTP + HUDP + HIP + HAAL5 ) / (53- HATM)

= 477/48 ≈ 10

Thông lượng ở mặt phẳng người dùng trên giao diện Iu-PS

ThUPIuPS = Ns * RAtach * RActive/Actach * (RDown * ThUser/S ) * (NATMCell * 53/ Špacket) *

*8/FRedundancy = 100000*75%*25%*(600*3/4)*(10*53/400)*8/0.7 = 127.77 Mbps

Thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên giao diện Iu-PS:

ThCPIuPS = Ns * RAtach * ∑ (푁푖푢푝푠푖 * Liupsi) * 8 / 3600

= 100000*75%*4829*8/3600 = 804833.33 bps = 0.8 Mbps

Thông lượng tổng trên giao diện Iu-PS là :

ThIuPS = ThUPIuPS + ThCPIuPS = 127.77 + 0.8 = 128.57 Mbps

Như ở công thức (3.7), (3.8) và (3.9) thông lượng trên giao diện Gn được tính như

sau:

21

- Tỉ lệ mào đầu cho bởi công thức:

ROGn/Gp = ( Špacket + HGTP + HUDP+ HIP) / Špacket = (400+12+8+20)/400 = 1.1

- Thông lượng của gói GTP-U trên giao diện Gn/Gp là:

ThUGn/Gp = Ns * RAtach * RActive/Actach *(RDown * ThUser/S ) * ROGn/Gp * 8

= 100000*75%*25%*(600*3/4)*1.1*8 = 74.25Mbps

- Thông lượng của gói GTP-C trên giao diện Gn/Gp là:

ThCGn/Gp = Ns x RAtach x ∑ (푁푔푛푖 * Lgni) * 8 / 3600

= 100000*75%*525*8/360 = 87500bps = 0.0875Mbps

Tổng thông lượng trên giao diện Gn/Gp là:

ThGn/Gp = ThUGn/Gp + ThCGn/Gp = 74,25 + 0.0875 = 74.34 Mbps

Thông lượng của Gr có thể được tính bởi công thức (3.10):

ThGr = Ns * RAtach * ∑ (푅푔푟푖 * Ngri * Lgri) * 8 / 3600

= 100000*75%*356*8/3600 = 59333.33bps

Nếu giao diện Gr được cấu hình bằng các liên kết E1 thì ta có số đường E1 cần

thiết là:

NE1 = THGr/[(56*1024)*LdMAP] = 59333.33/[(56*1024)*0.2] ≈ 6

Từ công thức (3.11) tính được thông lượng trên giao diện Gs:

ThGs = Ns * RAtach * ∑ (푁푔푠푖 * Rgsi * Lgsi) * 8 / 3600

= 100000*75%*61*8/3600 = 10166.67 bps

Do giao diện Gs dùng cho SGSN kết nối với 2G MSC bằng đường truyền E1

hoặc T1 sẽ được xác định như sau:

NE1 = THGs/[(56*1024)*LdMAP] = 10166.67/[(56*1024)*0.2] ≈ 2

Từ công thức (3.12), (3.13) ta tính được thông lượng của giao diện Gi. Trong

trường hợp này giả thiết gói tin IP được mạng bởi giao thức MPLS và POS, vì vậy

mào đầu trong chế độ kênh mang này là 14 Octets:

ROGi = ( Špacket + Hdatagram) / Špacket = (400 + 14) / 400 = 1.035

Do đó thông lượng trên giao diện Gi là:

ThGi = Ns * RAtach * RActive/Actach *(RDown * ThUser/S ) * ROGi * 8

= 100000*75%*25%*(600*3/4)*1.035*8 = 69.87 Mbps

22

KẾT LUẬN

Qua thời gian nghiên cứu tìm hiểu tôi đã hoàn thành luận văn Tính toán thiết kế

mạng lõi 3G. Luận văn gồm 4 chương: Chương 1, cho ta cái nhìn xuyên suốt về quá

trình phát triển của mạng thông tin di động. Chương 2, trình bày kiến trúc mạng lõi

3G UMTS, trong đó giới thiệu sơ đồ cấu trúc tổng quát của mạng lõi cũng như các

phần tử mạng liên quan qua các Release sơ khai cho tới Release gần đây đang được

các nhà khai thác sử dụng. Chương 3, trình bày chi tiết về các giao thức trên các giao

diện trong miền chuyển mạch gói, cấu trúc bản tin và các tham số liên quan, từ đó

tính toán được thông lượng trên các giao diện kết nối giứa các phần tử mạng trong

miền chuyển mạch gói 3G UMTS. Từ cơ sở lý thuyết và các phương thức tính toán

đã trình bày ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể trong chương 4, với mô hình mạng cụ

thể và các tham số mạng được cung cấp bởi nhà vận hành mạng Mobifone. Việc tính

toán này giúp các nhà vận hành khai thác độc lập trong quá trình triển khai đầu tư

thiết kế vận hành mạng để tối ưu chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành

(OPEX). Mô hình và các thuật toán cũng giúp nhà khai thác ước tính tổng dung

lượng cần thiết độc lập với nhà cung cấp thiết bị.

Hiện nay mạng viễn thông đang chuyển dần từ 3G UMTS lên 4G LTE (Long

Term Evolution). Mạng chuyển mạch gói sẽ hình thành hệ thống đa phương tiện IP

(IMS) từ pha R5 và hệ thống SAE (System Architecture Evolution) trong LTE. Sự

hội tụ giữa IMS với SAE yêu cầu sự tiếp cận tối ưu và có hệ thống. Chúng ta sẽ tiếp

tục nghiên cứu, định cỡ và quy hoạch cho mạng này trong những nghiên cứu tiếp

theo.

Do luận văn được viết trong khoảng thời gian ngắn nên không tránh khỏi những

thiếu xót. Rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các anh, chị để luận văn được

hoàn chỉnh hơn.

Documents

Tom tat lv th s nguyen xuan bach