NGHIÊN CỨU VỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G LTE

Mạng 4G sẽ cần thiết khi thị trường Việt Nam thực sự cần một dung lượng rất lớn để đáp ứng nhu cầu thực tế, cần thêm thời gian để khai thác hiệu quả hạ tầng đầu tư cũng như việc lựa chọn băng tần khai thác phù hợp. Mạng 4G LTE khi được triển khai, đưa vào sử dụng trong thực tế hứa hẹn sẽ mang lại nhiều dịch vụ tiện ích cho khách hàng.

-

NGUYỄN THÀNH TRUNG

NGHIÊN CỨU VỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG

MẠNG 4G LTE

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI -2014

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRUNG KIÊN

Phản biện 1: TT.PGS.TS BẠCH NHẬT HỒNG

Phản biện 2: TS NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG

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 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

Mạng 4G sẽ cần thiết khi thị trường Việt Nam thực sự cần một dung lượng rất lớn để đáp ứng nhu cầu thực tế, cần thêm thời gian để khai thác hiệu quả hạ tầng đầu tư cũng như việc lựa chọn băng tần khai thác phù hợp Mạng 4G LTE khi được triển khai, đưa vào sử dụng trong thực tế hứa hẹn sẽ mang lại nhiều dịch vụ tiện ích cho khách hàng Để đảm bảo

sự hài lòng của khách hàng, các nhà khai thác phải chú ý đến hệ thống giám sát chất lượng dịch vụ Việc đảm bảo chất lượng dịch vụ sẽ là yếu tố quyết định để nâng cao uy tín và khả năng thu hút khách hàng đối với mỗi nhà mạng Chính vì vậy, để giải quyết vấn đề này, đề tài “Nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS trong mạng 4G LTE” được lựa chọn để

có cơ hội nghiên cứu, tìm hiểu kĩ hơn về các giải pháp cho vấn đề chất lượng dịch vụ

Chương 1: Tổng quan về tổ chức mạng và dịch vụ trên mạng LTE Chương 1 đưa ra được những khái niệm cơ bản nhất, giúp người đọc hiểu được mô hình tổng quan về kiến trúc và dịch vụ của một mạng LTE

Chương 2: Nghiên cứu về QoS trong LTE, nghiên cứu về kiến trúc QoS, chất lượng mạng và các tham số về chất lượng mạng, các đặc trưng của mạng LTE xét trên khía cạnh QoS, phân tích các yêu cầu đặt ra đối với chất lượng mạng trên LTE liên quan đến các giải pháp cho vấn đề QoS trên LTE

Chương 3: Nghiên cứu về giải pháp cho vấn đề QoS trên mạng LTE Phân tích các hướng nghiên cứu các kết quả hiện tại cũng như cơ sở lý thuyết chuẩn hóa và tình hình chuẩn hóa QoS trên LTE Chỉ ra các tồn tại liên quan đến vấn đề QoS trên LTE cần giải quyết tiếp theo, từ đó khuyến nghị với các nhà khai thác, cung cấp dịch vụ LTE trong việc

tổ chức mạng 4G trong tương lai

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỔ CHỨC MẠNG VÀ DỊCH VỤ

TRÊN MẠNG LTE 1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

1.2 Kiến trúc và các thành phần của mạng LTE

Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói

với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu

1.2.1 Thiết bị người dùng (UE)

UE là thiết bị mà ngừời dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn đang sử dụng hiện tại trong mạng 2G và 3G hoặc một máy tính xách tay

1.2.2 E-UTRAN Node B (eNodeB)

Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB (eNodeB) Đơn giản đặt eNB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến liên quan trong phần cố định của hệ thống Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp là UE và EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC

1.2.3 Thực thể quản lý tính di động (MME)

Thực thể quản lý di dộng (MME) là phần tử diều khiển chính trong EPC

1.2.4 Cổng phục vụ (S-GW)

Trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống, chức năng cao cấp của S-GW là quản lý đường hầm UP và chuyển mạch S-GW là một phần của hạ tầng mạng nó được duy trì ở các phòng điều hành trung tâm của mạng

1.2.5 Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW)

Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW, cũng thường được viết tắt là PDN-GW) là tuyến biên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bên ngoài Nó là nút cuối di động mức cao nhất trong hệ thống, và nó thường hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho UE Nó thực hiện các chức năng chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi các dịch vụ được đề cập Tương tự như S-GW, các P-GW được duy trì tại các phòng điều hành tại một vị trí trung tâm

1.2.6 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên

Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF) là phần tử mạng chịu trách nhiệm về chính sách và điều khiển tính cước (PCC) Nó tạo ra các quyết định về cách xử lý các dịch vụ về QoS, và cung cấp thông tin cho PCEF được đặt trong P-GW, và nếu được áp dụng cho cả BBERF được đặt trong S-GW, để cho việc thiết lập các phần tử mang thích hợp và việc lập chính sách

1.2.7 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)

Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) chứa số liệu đăng ký thuê bao của nguời sử dụng; thông tin về các PDN (mạng số liệu gói); lưu thông tin dộng nhu số nhận dạng MME

mà hiện thời UE đang đăng nhập hay đăng ký; cũng có thể liên kết với trung tâm nhận thực

1.3 Kết luận chương I

LTE được xem như là thế thệ thứ tư, thế hệ tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Chương 1 đã đưa ra được những khái niệm tổng quan nhất về công nghệ mạng LTE

và trình bày về kiến trúc cũng như các thành phần của mạng LTE

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ QOS TRONG MẠNG LTE 2.1 Khái niệm QoS

Chất lượng dịch vụ QoS là một khái niệm rộng và có thể tiếp cận theo nhiều hướng khác nhau Theo khuyến nghị E 800 ITU-T chất lượng dịch vụ là “Một tập các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thoả mãn của người sử dụng đối với dịch vụ”

ISO 9000 định nghĩa chất lượng là “cấp độ của một tập các đặc tính vốn có đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của người dùng”

2.2 Chất lượng mạng và các tham số chất lượng mạng

2.2.1 Khái niệm về chất lượng mạng

Theo ITU-E800 chất lượng mạng là khả năng của mạng cung cấp các chức năng liên quan đến thông tin giữa những người sử dụng

Theo quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ, khái niệm chất lượng mạng NP là một chuỗi các tham số mạng có thể được xác định, được đo và được điều hành để có thể đạt mức

độ hài lòng của người sử dụng về chất lượng dịch vụ

2.2.2 Các tham số chất lượng mạng

 Băng thông hiện thời (throughput)

 Trễ (latency hoặc delay)

 Rung pha (biến động trễ-jitter)

 Tỷ lệ mất gói (loss)

 Độ khả dụng (available)

2.3 Đặc trưng của mạng LTE dựa trên khía cạnh chất lượng dịch vụ QoS

Để thực hiện tốt nhất các ý tưởng về QoS trong một mạng LTE, chúng ta phải hiểu các loại kênh mang và các đặc tính liên quan với mỗi kênh mang Phân loại theo chức năng thì có hai loại kênh mang là GBR và Non-GBR Còn phân loại theo cấu hình thì hai loại kênh mang hiện có là kênh mang riêng (Dedicated bearer) và kênh mang mặc định (Default Bearer)

QoS trong LTE

Kênh mang mặc định

Kênh mang riêng

Non-GBR

GBR

Non-GBR

Hình 2.1: Các loại kênh mang trong kiến trúc QoS LTE

2.3.1 Kênh mang mặc định (Default Bearer)

Kênh mang mặc định là dịch vụ nỗ lực tốt nhất có nghĩa là tốc độ và chất lượng có thể thay đổi phụ thuộc vào việc sử dụng mạng và thời gian trong ngày Mỗi kênh mang mặc định đi kèm với một địa chỉ IP Mỗi thuê bao LTE băng rộng có thể có thêm kênh mang Mỗi kênh mang mặc định sẽ có một địa chỉ IP riêng biệt QCI 5-9 (Không GBR) có thể được gán cho kênh mang mặc định

2.3.2 Kênh mang riêng (Dedicated Bearer)

Kênh mang riêng cung cấp đường hầm dành riêng cho một hoặc nhiều luồng lưu lượng cụ thể (ví dụ như VoIP, video ) Kênh mang riêng là những kênh mang thứ cấp được tạo ra ở trên kênh mang mặc định hiện có Kênh mang riêng chia sẻ địa chỉ IP trước đó được thiết lập bởi kênh mang mặc định vì vậy kênh mang riêng không yêu cầu chiếm địa chỉ IP

bổ sung Kênh mang riêng chủ yếu được sử dụng như các dịch vụ GBR (Guaranted Bit Rate) mặc dù nó cũng có thể là một dịch vụ Non- GBR

2.3.3 GBR và non-GBR

2.3.4 Các thuộc tính liên quan đến kênh mang LTE

1 Định danh lớp QoS (QCI)

2 Độ ưu tiên duy trì cấp phát (ARP)

3 Tốc độ bit tối đa (MBR)

4 Tốc độ bit đảm bảo (GBR)

5 Tốc độ bit lớn nhất kết hợp (AMBR)

2.3.5 Các thủ tục thiết lập kênh mang (Bearer)

Khi một kênh mang được thiết lập, các kênh mang đi qua từng giao diện trình bày ở trên đã được thiết lập Các PCRF gửi một bản tin “Dự phòng quyết định PCC (thay đổi chính sách kiểm soát) cho biết QoS được yêu cầu đối với kênh mang đến P-GW P-GW sử dụng chính sách QoS này để gán tham số QoS cấp kênh mang Sau đó P-GW gửi một bản tin “Yêu cầu tạo kênh mang riêng” bao gồm QoS và UL TFT được sử dụng trong UE đến S -GW S-GW chuyển tiếp bản tin “Yêu cầu tạo kênh mang riêng” (bao gồm QoS, UL TFT và

ID kênh mang S1) tới MME ( bản tin thứ 3 trong hình 2.2) Các MME sau đó xây dựng một tập các thông tin cấu hình quản lý phiên bao gồm cả UL TFT và ID kênh mang EPS , và kể

cả bản tin " Yêu cầu thiết lập kênh mang" mà nó sẽ gửi cho các eNodeB (bản tin thứ 4 trong hình 2.2) Cấu hình quản lý thông tin trong phiên NAS và do đó được bởi eNodeB tới UE một cách rõ ràng Yêu cầu thiết lập kênh mang cũng cung cấp QoS của kênh mang cho các eNodeB, thông tin này được sử dụng bởi các eNodeB để kiểm soát đầu vào các cuộc gọi và cũng để đảm bảo QoS cần thiết bằng cách lập lịch phù hợp cho các gói tin IP của mang chuyển Các eNodeB ánh xạ QoS kênh mang EPS tới QoS kênh mang vô tuyến Sau đó nó báo hiệu một bản tin “Cấu hình lại kết nối RRC” (bao gồm cả QoS kênh mang vô tuyến, cấu hình quản lý phiên và ID kênh mang vô tuyến EPS) đến UE để thiết lập các kênh mang vô tuyến (bản tin thứ 5 trong hình 2.2) Các bản tin “Cấu hình lại kết nối RRC” có chứa tất cả các thông số cấu hình cho giao diện vô tuyến Điều này chủ yếu cho các cấu hình của lớp 2 (các tham số PDPC, RLC và MAC), nhưng các tham số lớp cần thiết cho UE để khởi tạo chồng giao thức Bản tin 6 đến bản tin 10 là những bản tin tương ứng để xác nhận rằng các kênh mang đã được thiết lập chính xác

(A)

1 PCC decision provision

2.Creat Dedicated Bearer Request

4.Bearer Setup Request

5.RRC connection

Reconfiguration

3.Creat Dedicated Bearer Request

6.RRC connection

ReconfigurationComplete

7.Bearer Setup Respond

8.Creat Dedicated Bearer Respond

9.Creat Dedicated Bearer Respond

10 PCC ACK

Hình 2.2 Lược đồ mô tả quá trình thiết lập kênh mang (Bearer)

2.3.6 Các cơ chế QoS

Các cơ chế được sử dụng để cung cấp QoS trong hệ thống EPS có thể được chia thành các thủ tục báo hiệu mặt phẳng điều khiển và các chức năng mặt phẳng người dùng, mỗi phần sẽ được mô tả dưới đây:

 Các thủ tục báo hiệu mặt phẳng điều khiển:

Bộ điều khiển chính sách trong mạng xác định xem làm thế nào mỗi luồng gói tin cho mỗi thuê bao phải được xử lý về mặt các thông số QoS được kết hợp với việc xử lý luồng gói tin này Bộ điều khiển chính sách có thể đưa ra cái gọi là quy tắc chính sách điều khiển và tính cước (PCC) cho gateway, lần lượt được sử dụng như là một thiết bị kích hoạt để thiết lập một kênh mang mới hoặc sửa đổi một kênh mang hiện có để xử lý luồng lưu lượng gói tin

cụ thể hoặc sửa đổi việc xử lý một luồng gói tin

 Các chức năng mặt phẳng người dùng

Cấu hình của các nút cho phép họ thực hiện chức năng QoS mặt phẳng người dùng Các chức năng này có thể được phân bổ cho các nút khác nhau và được phân loại thành các chức năng mà có tác dụng cho mỗi luồng gói tin, mỗi kênh mang (hoặc nhóm đó), hoặc mỗi DSCP

2.3.7 Kiểm soát QoS khởi tạo bởi phía mạng và phía thiết bị đầu cuối

Có hai mô hình khác nhau có thể được sử dụng để thiết lập một kênh mang riêng với một QoS cụ thể trong EPS Em xin đề cập đến các mô hình này như các mô hình kiểm soát QoS khởi tạo bởi phía thiết bị đầu cuối và khởi tạo bởi phía mạng Các nguyên lý cơ bản được mô tả trong hình 2.3 dưới đây

Sử dụng mô hình kiểm soát QoS khởi tạo bởi phía mạng, mạng khởi tạo tín hiệu để thiết lập một kênh mang riêng với một QoS cụ thể đối với các thiết bị đầu cuối và các RAN Quá trình này được kích hoạt bởi một chức năng ứng dụng (AF) hoặc chức năng kiểm tra sâu gói tin và các tín hiệu được truyền đi qua giao diện chuẩn (Rx và / hoặc GX) ) Sử dụng

mô hình này, các ứng dụng khách hàng có thể bỏ đi "access QoS unaware," có nghĩa là nó

không được yêu cầu quan tâm đến các đặc trưng của mô hình QoS của mạng truy nhập

Hình 2.3: Minh họa sự khác nhau giữa mô hình kiểm soát QoS khởi tạo bởi phía mạng

(hình trên) và khởi tạo bởi phía thiết bị đầu cuối (hình dưới)

Sử dụng mô hình kiểm soát QoS khởi tạo bởi phía thiết bị đầu cuối,nó là thiết bị đầu cuối mà khởi tín hiệu để thiết lập một kênh mang riêng với một QoS cụ thể đối với mạng (mà lần lượt gây ra một lệnh tới RAN) Việc kích hoạt cho tín hiệu này được truyền

qua một giao diện lập trình ứng dụng thiết bị đầu cuối (API) của nhà cung cấp dịch vụ Điều này có nghĩa là để xác định các thông tin QoS cho kênh mang, các ứng dụng khách hàng phải là"access QoS aware," có nghĩa là nó phải quan tâm đến các đặc tính cụ thể của mô hình QoS của mạng truy cập

2.3.8 Minh họa trường hợp sử dụng mô hình E2E

Trong trường hợp này, một thuê bao thiết lập một cuộc gọi thoại IMS ở đó ý tưởng QoS trong EPS được sử dụng để đạt được QoS Cụ thể là, mô hình kiểm soát QoS khởi tạo bởi phía mạng đã được trình bày trong phần trước được áp dụng Mục đích của trường hợp

sử dụng này là để minh họa phương pháp mà một nhà khai thác có thể sử dụng các cơ chế

đã được mô tả để cung cấp thuê bao và dịch vụ khác biệt

2.4 Ảnh hưởng của các yếu tố tới QoS

Trong các mạng vô tuyến, chất lượng dịch vụ được dựa trên đo lường hiệu quả của một hệ thống được phản ánh từ chất lượng truyền dẫn tới các dịch vụ đang có

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

Khả năng báo hiệu cũng cần được đáp ứng ở tất cả các phần trong mạng

Việc định tuyến sai cũng có thể xảy ra khi thông tin về địa chỉ bị làm sai lệch do lỗi đường truyền

Bên cạnh ảnh hưởng của mạng khi hoạt động bình thường, QoS còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bảo mật

Ngoài ra, tính toàn vẹn và xác thực dữ liệu cũng là những yêu cầu QoS quan trọng có thể được đảm bảo nhờ cơ chế mã hóa dữ liệu

2.5 Các yêu cầu đặt ra đối với chất lượng mạng trên LTE

Mục đích chính của mạng là cho phép người dùng có thể truy nhập và khai thác các dịch vụ trong mạng với tốc độ cao, chất lượng tốt, an toàn, bảo mật Vì vậy, để đáp ứng được các nhu cầu và các dịch vụ đó, mạng 4G LTE phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

 Khả năng kết hợp

 Mạng có tính mở

 Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng đa phương tiện trên nền IP

 Đảm bảo tính an toàn, bảo mật thông tin

 Mạng đảm bảo tính di động

 Mạng phải đảm bảo về tốc độ

2.6 Kết luận chương

Chương 2 đã tìm hiểu và nghiên cứu về kiến trúc QoS, chất lượng mạng và các tham

số về chất lượng mạng, các đặc trưng của mạng LTE xét trên khía cạnh QoS, phân tích các yêu cầu đặt ra đối với chất lượng mạng trên LTE liên quan đến các giải pháp cho vấn đề QoS trên LTE Một số trong những thách thức lớn của việc chuyển đổi các hệ thống hiện tại lên 4G là các dịch vụ bảo mật và đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS thông suốt cho quá trình trao đổi thông tin liên lạc của người dùng