Điều khiển tốc độ cho thuê bao data 3g trên mạng MOBIFONE

Một cách để đạt được những mục tiêu trên là tạo ra giá trị bằng cách giới thiệu các dịch vụ và kế hoạch dữ liệu mới sử dụng giải pháp kỹ thuật điều khiển tốc độ QoS.. Trên cơ sở nhìn nhậ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Văn Nghị

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO THUÊ BAO DATA 3G

TRÊN MẠNG MOBIFONE

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Mạnh Hùng

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012

MỞ ĐẦU

Hiện công nghệ 3G đã được triển khai ở rất nhiều nước trên thế giới Cùng với tính vượt trội tốc độ truyền dữ liệu so với công nghệ 2G và sự thâm nhập các thiết bị smart phone thì nhu cầu sử dụng internet tốc độ cao qua các máy di động ngày càng tăng về các dịch vụ như video, TV di động Nhà khai thác phải nâng cấp mạng lưới phù hợp với các thiết bị đầu cuối và có các chính sách dữ liệu cước hấp dẫn khách hàng Cung cấp cước truy nhập data thấp với tốc độ sẽ tăng thêm số lượng khách hàng Tuy nhiên chi phí để đáp ứng các nhu cầu truy nhập dữ liệu không giới hạn của khách hàng và doanh thu từ data lại trái ngược nhau Chi phí đầu tư đáp ứng yêu cầu khách hàng lại quá cao Nhà khai thác làm thế nào để có lợi nhuận từ việc tăng trưởng dữ liệu mạnh, quản lý tài nguyên mạng một cách hiệu quả với chi phí đầu tư thấp và tập trung cho các khách hàng kinh nghiệm Một cách để đạt được những mục tiêu trên là tạo ra giá trị bằng cách giới thiệu các dịch vụ và kế hoạch

dữ liệu mới sử dụng giải pháp kỹ thuật điều khiển tốc độ QoS

Trên cơ sở nhìn nhận tầm quan trọng của việc điều khiển tốc độ QoS cho thuê bao mang lại lợi ích cho cả thuê bao và nhà mạng, luận văn này đã được xây dựng với những nội dung chính như sau:

Chương I: Tổng quan về mạng 3G

Chương II: Điều khiển tốc độ cho thuê bao data trên mạng di động

Chương III: Áp dụng điều khiển tốc độ thuê bao Data trên mạng MobiFone

Em xin gửi lời cảm ơn các thầy cô giáo đã tận tình dạy dỗ em trong hơn 2 năm học tập tại Học viện Công nghệ bưu chính viễn thông Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn T.S Nguyễn Mạnh Hùng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 06 năm 2012

Học viên

Nguyễn Văn Nghị

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 3G

1.1 Cấu trúc cơ bản của mạng 3G

1.1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được cho trên hình 1.1 và

lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2

Hình 1.1: Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Hình 1.2: Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 1.3 cho thấy lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

Hình 1.3: Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

1.1.2 Giới thiệu về cấu trúc mạng WCDMA

Cấu trúc mạng 3G WCDMA có thể được mô hình hóa theo nhiều cách khác nhau Ở đây sẽ giới thiệu một số cấu trúc mạng cơ bản bao gồm:

● Mô hình khái niệm

● Mô hình cấu trúc

● Cấu trúc quản lý tài nguyên

● Cấu trúc dịch vụ mạng UMTS

1.1.3 Cấu trúc mạng truy cập vô tuyến UTRAN

Nhiệm vụ chính của UTRAN là tạo và duy trì các kênh mang truy cập vô tuyến (RAB) để thực hiện thông tin giữa thiết bị di động (UE) với mạng lõi (CN) UTRAN nằm giữa hai giao diện mở Uu và Iu Nhiệm vụ của UTRAN là phối hợp với mạng lõi thực hiện các dịch vụ mạng qua các giao diện này

UTRAN bao gồm nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem) Mỗi RNS bao gồm một số trạm gốc (node B), giao diện Uu và một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC RNC kết nối với node B bằng giao diện Iub Các RNS giao tiếp với nhau sử dụng giao diện mở Iur mang cả thông tin báo hiệu và lưu lượng

1.1.4 Cấu trúc mạng lõi theo tiêu chuẩn 3GPP R99

3GPP R99 là hệ tiêu chuẩn UMTS đầu tiên, trong đó thể hiện một hệ thống truy cập

vô tuyến băng rộng với mạng lõi (CN) được nâng cấp từ GSM Mạng lõi sử dụng hạ tầng GSM và phần mở rộng GPRS để sử dụng cho các dịch vụ gói Mạng lõi được chia thành hai khối chức năng: khối chức năng chuyển mạch kênh CS và khối chức năng chuyển mạch gói

PS

1.1.5 Cấu trúc phân lớp của WCDMA

Cấu trúc phân lớp của WCDMA được xây dựng trên cơ sở các tiêu chuẩn của UMTS Các giao thức giữa các phần tử trong mạng WCDMA được chia thành hai phần

chính: tầng không truy nhập và tầng truy nhập Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức:

- Lớp vật lý (L1)

- Lớp kết nối số liệu (L2)

- Lớp mạng (L3)

1.1.6 Các giao diện trong mạng 3G

Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử lôgic Cấu trúc giao diện được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập lôgic với nhau, điều này cho phép thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần còn lại

1.1.7 Các loại kênh trong UTRAN

Các kênh trong UTRAN gồm các kênh logic, kênh vật lý và kênh truyền tải

1.2 Cấu trúc mạng GSM/UMTS triển khai trên mạng Mobifone

Mạng Mobifone đã được phủ sóng 64/64 tỉnh thành, được chia thành sáu khu vực tương ứng với 6 miền

Tần số sử dụng: mạng thông tin di động VMS – Mobifone sử dụng 02 băng tần:

● Băng tần GSM900: Độ rộng 8 MHz, gồm 40 tần số từ 84 đến 124

● Băng tần GSM1800: Độ rộng 20MHz, gồm 100 tần số từ tần số 610 đến 710

● Băng tần sử dụng cho 3G: 2100 Ghz, băng A

Để đáp ứng cho dự báo thuê bao và lưu lượng như kể trên, cần xây dựng mạng 3G đủ đáp ứng dung lượng và vùng phủ sóng theo nhu cầu

VMS lựa chọn nâng cấp mạng hiện thời lên mạng 3G tiêu chuẩn WCDMA, với các phần tử mạng lõi cần được nâng cấp để tương thích kết nối với mạng 3G, bổ sung thêm các phàn tử mạng RAN

1.3 Dịch vụ data 3G trên mạng MobiFone và yêu cầu điều khiển tốc độ

1.3.1 Dịch vụ data trên mạng MobiFone

Sau khi triển khai 3G, MobiFone đã cung cấp nhiều dịch vụ data cho thuê bao trên mạng, cụ thể một số dịch vụ chủ yếu gồm dịch vụ Mobile Internet, dịch vụ Fast Connect, dịch vụ Mobile TV và dịch vụ WAP Portal

1.3.2 Ưu tiên dịch vụ và QoS cho thuê bao di động

Mạng thông tin di động thứ 3 UMTS giới thiệu các dịch vụ dựa trên IP cho người dùng di động Một vài dịch vụ mới (chẳng hạn như video streaming) cần mức bảo vệ chất lượng dịch vụ QoS từ mạng để làm việc một cách chính xác

Trong mạng hiện tại, để nâng cao chất lượng QoS được xử lý bằng cách mở rộng mạng lưới, đường truyền Tuy nhiên, cách tiếp cận này không phù hợp với truyền thông di động khi mà nguồn tài nguyên vô tuyến bị hạn chế Với giải pháp QoS dựa trên phân lớp QoS khác nhau (phân lớp lưu lượng traffic class) thì việc sử dụng nguồn tài nguyên mạng di động sẽ được tối ưu

Người dùng mạng di động chỉ quan tâm chất lượng dịch vụ to-end Dịch vụ end-to-end liên quan tới toàn mạng và phải thiết lập các tham số QoS theo các cấp độ khác nhau

1.3.3 Kiến trúc UMTS QoS

Dịch vụ mang được xem xét là end-to-end, nghĩa là từ thiết bị đầu cuối TE tới thiết bị đầu cuối khác Để thực hiện QoS cho một dịch vụ cần các đặc tính được định nghĩa và chức năng được thiết lập từ nguồn tới đích của dịch vụ Một dịch vụ mang bao gồm tất cả các khía cạnh có thể cung cấp của một QoS đã được cam kết Khía cạnh này là ở giữa báo hiệu điều khiển khác nhau, truyền tải mặt phẳng người dùng và chức năng quản lý QoS Kiến trúc phân lớp dịch vụ mang được chỉ ra trong hình 1.23

Hình1.23: Kiến trúc UMTS QoS

1.3.4 Yêu cầu điều khiển tốc độ cho thuê bao data 3G mạng MobiFone

Lưu lượng data đến cuối năm 2011 tăng gấp gần 4 lần so với thời điểm cuối năm

2010 Lưu lượng vào thời điểm tháng 5/2012 tăng gấp đôi so với thời điểm cuối năm 2011

Và dự kiến lưu lượng 3G sẽ còn tăng nhiều lần đến cuối năm 2012 và trong những năm tiếp theo nhu cầu dùng data ngày càng tăng

Mặc dù lưu lượng dữ liệu data tăng nhưng doanh thu về data 3G của mạng MobiFone không tăng theo tỷ lệ thuận Do đó chi phí về thuê kênh internet sẽ tăng lên làm cho lợi nhuận từ dịch vụ data giảm

Mặt khác, các gói cước, dịch vụ trên mạng MobiFone hiện tại như trình bày tại mục 1.3.1 chưa phân biệt được mức ưu tiên QoS dịch vụ cho từng khách hàng, điều khiển QoS, tốc độ cho các khách hàng VIP để tăng chất lượng mạng data Do đó việc cần thiết phải điều khiển tốc độ cho thuê bao 3G mạng MobiFone

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO THUÊ BAO DATA TRÊN

MẠNG DI ĐỘNG

2.1 Tổng quan

Điều khiển tốc độ data cho thuê bao di động 3G được thực hiện trên hai phần cơ bản

là hệ thống mạng lõi và mạng vô tuyến, tổng quan trên các thiết bị được mô tả hình 2.1 dưới đây

Hình 2.1 Điều khiển tốc độ trong mạng lõi

Các thiết bị vô tuyến tham gia vào điều khiển tốc độ QoS gồm RNC và NodeB, trong khi các thiết bị mạng lõi gồm nhiều thiết bị như HLR, SGSN, GGSN, PCRF và SCG SCG đóng vai trò như là thiết bị DPI kiểm tra các gói tin tới lớp 7 để phân biệt cho từng dịch vụ Tùy từng điều kiện thì chức năng DPI có thể được tích hợp trên GGSN để giảm thiểu số Node trên mạng

2.2 Các tham số QoS

2.2.1 Tổng quan

Đồng nhất tham số QoS làm cho có thể chuyển đổi thuộc tính QoS dựa trên giao thức mang Nó đảm bảo cơ chế QoS liên tục Để đảm bảo QoS cho thuê bao data, QoS được đồng nhất như chỉ ra trong hình sau:

Hình 2.2: Đồng nhất tham số QoS

2.2.2 Giới thiệu tham số QoS

Các tham số QoS bao gồm ARP, GBR, MBR, THP, TC, SPI, DSCP, PHB và QCI

2.3 Nguyên tắc QoS

2.3.1 Nguyên tắc

- HLR lưu giữ thông tin thuê bao như ARP, GBR, MRB, TC và THP

- UE thực hiện đàm phán QoS với RNC, SGSN và GGSN trước khi khởi động một dịch vụ để đảm bảo chính sách QoS liên tục từ đầu cuối tới đầu cuối

- GGSN gửi một bản tin yêu cầu chính sách QoS tới PCRF sau khi nhận một yêu cầu ngữ cảnh PDP từ UE PCRF tạo ra một chính sách QoS dựa trên thông tin thuê bao và chính sách QoS nội bộ

- Tham số QoS được đồng nhất tới các tham số có thể được xác định bởi RNC, SGSN và GGSN

- RNC, SGSN, GGSN thực hiện vận hành dựa trên cấu hình của tham số QoS đồng nhất và chính sách QoS tương ứng

- RAB sắp xếp hàng đợi truyền dẫn và thi hành điều khiển nghẽn dựa trên đồng nhất tham số QoS

CN

Backhaul

HLR PCRF

ARP TC THP MBR GBR

ARP TC THP MBR GBR

User Priority THP Class SPI SPI Weight

RNC

Mapped Received

SPI SPI Weight

GBR

CN NodeB

DSCP

Backhaul

EXP

- NodeB phân bổ tài nguyên vô tuyến và thi hành điều khiển công suất dựa trên cấu hình tham số QoS phân phối từ RNC

2.3.2 Đồng nhất tham số QoS

Tham số QoS phải đồng nhất giữa tham số từ mạng ngoài và trong mạng UMTS Tham số QoS đồng nhất giữa các dịch vụ mang trong mạng UMTS Các tham số được thảo luận như sau:

● Từ các tham số ứng dụng tới tham số dịch vụ mang UMTS

● Từ tham số dịch vụ mang UMTS tới tham số dịch vụ mang truy nhập vô tuyến

● Từ tham số dịch vụ mang UMTS tới tham số dịch vụ mang mạng lõi

2.4 Điều khiển tốc độ trong mạng vô tuyến

Trong mạng vô tuyến, điều khiển tốc độ được thực hiện trên thiết bị RNC và NodeB Các thành phần này cung cấp các chức năng sau:

Đồng nhất tham số QoS: RNC đồng nhất độ ưu tiên vị trí và chiếm giữ ARP, lớp lưu

lượng TC, và độ ưu tiên xử lý lưu lượng THP tới chỉ thị ưu tiên lập lịch SPI và mức quan trọng SPI dựa trên chính sách QoS nội bộ

Dịch vụ khác nhau (DiffServ): NodeB lập lịch tài nguyên vô tuyến dựa trên SPI và mức quan trọng SPI

RNC xác định dù dịch vụ được ủy quyền nhà cung cấp nội dung hoặc nhà cung cấp dịch vụ và được chiếm giữ tài nguyên vô tuyến dựa trên dịch vụ

Mã điểm dịch vụ khác nhau (DSCP) trong các gói tin dịch vụ xác định loại dịch vụ Theo các dạng dịch vụ, RNC ưu tiên dịch vụ cho lưu giữ tài nguyên vô tuyến

RNC ưu tiên thuê bao cho việc chiếm giữ tài nguyên vô tuyến dựa trên ARP

Điều khiển nghẽn: Khi mạng bị nghẽn ở mức độ nhẹ, RNC giảm tốc độ cho thuê

bao thường, hoặc chuyển thuê bao thường tới tần số hoặc hệ thống khác Điều này đảm bảo dịch vụ cho các thuê bao ưu tiên VIP

Khi tài nguyên mạng bị thiếu, Node B thay đổi tài nguyên mạng tới các thuê bao theo

độ ưu tiên

Điều khiển truy nhập: Điều khiển truy nhập ngăn chặn hệ thống khi thực hiện quá

nhiều dịch vụ và duy trì QoS Trong mạng vô tuyến, ngưỡng điều khiển truy nhập có ảnh hưởng tới tài nguyên như là tài nguyên công suất, tài nguyên mã, tài nguyên tần số và tài

nguyên về truyền tải Iub Điều này cho phép RNC cung cấp các dịch vụ khác nhau cho các thuê bao khác nhau

Nếu tài nguyên vô tuyến là không còn khi có một thuê bao quan trọng khởi tạo một dịch vụ, thuê bao này có thể nhận được tài nguyên dự trữ từ các thuê bao bình thường Điều này làm tăng tỷ lệ thành công truy nhập cho thuê bao quan trọng Nếu một thuê bao không thể truy nhập được mạng, RNC sẽ đưa thuê bao này vào một hàng đợi ưu tiên và bắt đầu bộ đếm nhịp Khi bộ đếm nhịp hết, RNC sẽ cấp phát tài nguyên vô tuyến cho thuê bao này với mức ưu tiên tích hợp cao nhất Điều này làm tăng tỷ lệ truy nhập thành công của các thuê bao quan trọng

2.4.1 Yêu cầu cấp phát tài nguyên

Mạng lõi khởi tạo việc cấu hình lại tải tin vô tuyến truy nhập (RAB) bằng cách gửi RANAP: bản tin yêu cầu chỉ định RAB tới UTRAN Bởi vì chức năng giữ cuộc gọi trong các thủ tục cấu hình lại RAB mạng lõi trên giao diện Iu-CS được hỗ trợ Cuộc gọi mới sau khi thay thế cuộc gọi AMR-WB đang diễn ra có thể là 1 cuộc gọi AMR Điều đó có thể dẫn tới việc cấu hình AMR-AMR-WB mà không được mong muốn trong bởi mạng lõi và việc cấu hình lại RAB được khởi sự

Các loại dưới đây của việc chỉnh sửa RAB khởi tạo mạng lõi được cho phép cho các RAB lớp lưu lượng dịch vụ tương tác và dịch vụ nền để phản ánh sự thay đổi về chất lượng dịch vụ:

● Lớp lưu lượng (TC) dịch vụ tương tác và dịch vụ nền

● Tốc độ bit lớn nhất (MBR) cho hướng lên và hướng xuống

● Phân mức ưu tiên điều khiển lưu lượng (THP) của RAB dịch vụ tương tác

● Mức ưu tiên cấp phát và duy trì (ARP)

Khi mạng lõi PS khởi tạo thủ tục cấu hình lại RAB để thay đổi 1 hoặc nhiều tham số QoS TC, THP, ARP và MBR, điều khiển như sau:

● HS-DSCH: Tăng hoặc giảm tốc độ bit lớn nhất được tiến hành ngay lập tức

● E-DCH: Tăng hoặc giảm tốc độ bit lớn nhất được tiến hành ngay lập tức

● DL DCH: Nếu giảm tốc độ bit đươc yêu cầu do có sự thay đổi trong tốc độ bit lớn nhất của RAB, giảm cấp được tiến hành ngay lập tức Nếu tốc độ bit lớn nhất của RAB được nâng lên, yêu cầu về cấp phát dung lượng phải đợi

● UL DCH: Nếu giảm tốc độ bit được yêu cầu vì sự thay đổi tốc độ bit lớn nhất của RAB, việc giảm được tiến hành ngay lập tức Nếu tốc độ bit được nâng lên, yêu cầu về dung lượng phải đợi

2.4.2 Quá trình điều khiển tải

Tải được sinh ra từ lưu lượng các dịch vụ thời gian thực (RT) và dịch vụ không phải thời gian thực (NRT) cũng như nhiễu từ các cell khác và nhiễu nền Sự khác nhau giữa 2 loại lưu lượng dựa trên các thuộc tính về lưu lượng của các tải tin truy nhập vô tuyến của chúng (RAB) Không giống như các tải tin NRT RAB, RT RAB có tốc độ bit được đảm bảo

và yêu cầu về trễ truyền tải, điều kiện để RAN xem xét cấp phát tài nguyên Với lý do này, tải sinh ra do lưu lượng RT không thể bị điều khiển, trong khi lưu lượng NRT có thể linh hoạt, nó không cần sự đảm bảo về tốc độ dữ liệu Do đó, lưu lượng RT (không bao gồm dịch vụ luồng PS), cùng với nhiễu từ các cell lân cận và nhiễu nền, được đề cập như là tải không thể điều khiển được nghĩa là tốc độ bit của tải tin không được thay đổi với kết nối đó Lưu lượng NRT, có thể được điểu khiển một cách linh động và do đó có thể coi là tải có thể điều khiển được nghĩa là tốc độ bit tải tin có thể thay đổi tương ứng với kết nối đó Tải sinh

ra từ lưu lượng luồng PS có thể được coi là tải bán điều khiển nghĩa là các dịch vụ được truyền với tốc độ bit được đảm bảo trong các điều kiện tải thông thường nhưng tài nguyên của nó có thể bị giải phóng, nghĩa là tốc độ bit của nó có thể bị giảm về 0 kbps trong các điều kiện mạng bị quá tải Các tải tin RAB luồng CS và thoại CS và PS được xem xét như là lưu lượng thời gian thực RT

2.4 Điều khiển tốc độ trong mạng lõi

Điều khiển tốc độ trong mạng lõi liên quan đến các thành phần mạng lõi gồm SGSN, GGSN, PCRF và HLR

2.4.1 Trên SGSN

Để đảm bảo tốc độ QoS, SGSN cung cấp các chức năng sau:

● Điều khiển truy nhập: Đàm phán QoS được thực hiện giữa UE và SGSN sau khi

UE gửi bản tin yêu cầu ngữ cảnh PDP kích hoạt Nếu đàm phán thất bại, SGSN từ chối truy nhập thuê bao dùng dịch vụ

● Quản lý hàng đợi QoS: Các gói tin hàng đợi theo dạng QoS SGSN ưu tiên gói dữ liệu trong các hàng đợi QoS khác nhau cho việc chuyển hướng Khi mạng bị nghẽn, SGSN