các ph-ơng pháp giám sát kênh truyền vô tuyến và ứng dụng trong quản lý chất l-ợng dịch vụ cho mạng di động các thế hệ tiếp theo

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng Học viện kỹ thuật Quân sự --- Vũ văn hiển Nghiên cứu các phương pháp giám sát kênh truyền vô tuyến và ứng dụng trong quản lý chất lượng dịch vụ ch

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật Quân sự

-

Vũ văn hiển

Nghiên cứu các phương pháp giám sát kênh truyền vô tuyến và ứng dụng trong quản lý chất lượng dịch vụ cho mạng di động các thế hệ tiếp theo

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Hà Nội - năm 2005

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật Quân sự

-

Vũ văn hiển

Nghiên cứu các phương pháp giám sát kênh truyền vô tuyến và ứng dụng trong quản lý chất lượng dịch vụ cho mạng di động các thế hệ tiếp theo

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin liên lạc

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật Quân sự

-

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

truyền vô tuyến và ứng dụng trong quản lý chất lượng dịch vụ cho mạng di động các thế hệ tiếp theo

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin liên lạc

Mã số: 2.02.03

Ngày giao đề tài luận văn: 21.10.2004

Ngày hoàn thành luận văn: 16.05.2005

Người thực hiện: Vũ Văn Hiển Cấp bậc: Đại úy

Lớp: Cao học Kỹ thuật VTĐT & TTLL Khoá: 15

Hệ đào tạo Sau Đại học ( tập trung)

Cán bộ hướng dẫn:

Họ và tên: Võ Kim Cấp bậc: Đại tá

Học hàm, học vị: PGS, TS Đơn vị công tác: Khoa VTĐT, HVKTQS

Hà Nội - năm 2005

Mục lục

Trang phụ bìa

Danh mục các chữ viết tắt

Mục lục

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Danh mục các bảng biểu

Lời mở đầu 1

Chương I: Tổng quan về dịch vụ và chất lượng dịch vụ của các hệ thống thông tin 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Mục tiêu của luận văn 7

1.3 Nội dung của luận văn 7

Chương II: Khái quát về sự phát triển của thông tin di động và hệ thống di động GSM 9

2.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến di động 9

2.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động 9

2.1.1.1 Hệ thống thông tin di động tế bào 10

2.1.1.2 Sự khác biệt với các hệ thống thông tin khác 10

2.1.1.3 Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống thông tin di động tế bào11 2.1.2 Xu hướng phát triển của điện thoại di động 13

2.1.2.1 Những hệ thống truy cập vô tuyến trong tương lai cho những dịch vụ kết hợp với sự quản lý nguồn tài nguyên mt cách mềm dẻo 16

2.1.2.2 Bước tiến tới công nghệ di động 4G 18

2.2 Khái quát về hệ thống GSM 19

2.2.1 Khái niệm về công nghệ GSM 19

2.2.2 Cấu trúc và thành phần của mạng GSM 20

2.2.2.1 Cấu trúc tổng thể 20

2.2.2.2 Các thành phần của mạng 21

2.2.3 Dịch vụ GPRS 22

2.2.3.1 Các dịch vụ dữ liệu hiện tại trong mạng GSM 22

2.2.3.2 Thị trường và viễn cảnh 22

2.2.3.3 Cấu trúc cơ bản hệ thống GPRS 26

Chương III: Cơ sở nền tảng về dịch vụ và chất lượng dịch vụ 27

3.1 ứng dụng và dịch vụ 27

3.2 Chất lượng dịch vụ QoS 30

3.2.1 Các định nghĩa về chất lượng dịch vụ 30

3.2.2 Phân lớp QoS 32

3.2.3 Các nguyên tắc bảo đảm QoS 33

3.3 Các kiến trúc hỗ trợ QoS 35

3.3.1 Các kiến trúc QoS cho truyền thông đa phương tiện 35

3.3.2 Các kiến trúc QoS cho Internet 37

3.3.3 Các mô hình QoS cho mạng vô tuyến di động 40

3.4 Tác động của môi trường vô tuyến và sự di động đến chất lượng

dịch vụ 43

3.4.1 Lỗi bít vô tuyến ( Bit Error Rate BER ) 43

3.4.2 Sự dao động củta kênh truyền vô tuyến 43

3.4.3 Sự di động 44

3.4.4 Kết nối với mạng cố định 45

3.4.5 Băng thông kênh truyền thấp 46

3.4.6 Một số vấn đề khác 46

3.5 Kết luận chương III 47

Chương IV: Nghiên cứu các phương pháp giám sát kênh truyền

vô tuyến 49

4.1 Giới thiệu chung 49

4.2 Tổng quan một số kỹ thuật giám sát 49

4.2.1 Giám sát RTT 49

4.2.2 Giám sát RTO 50

4.2.3 Giám sát tổn thất 51

4.2.4 Giám sát băng thông 51

4.2.4.1 Giới thiệu chung 51

4.2.4.2 Mô hình một gói ( One Packet Model) 52

4.2.4.3 Mô hình cặp gói ( Packet Pair Model ) 58

4.2.4.4 Mô hình chuỗi gói ( Packet Train Model) 60

4.2.5 Giám sát kênh truyền vô tuyến 62

4.2.5.1 Giới thiệu chung 62

4.2.5.2 giải pháp giám sát kênh truyền vô tuyến dựa trên tỷ lệ tổn

thất gói tin 64

4.2.5.3 Giải pháp giám sát kênh truyền vô tuyến dựa trên trao đổi

RTS/CTS 66

4.3 Mô hình tổng quát giám sát băng thông và kênh truyền vô tuyến 70

4.3.1 Giám sát tốc độ luồng 71

4.3.2 Giám sát băng thông vô tuyến 76

4.3.3 Giám sát trạng thái kênh vô tuyến 78

4.3.4 Đánh giá kết quả mô hình giám sát kênh 78

4.4 Kết luận chương IV 81

Chương V: Mô hình lập lịch hỗ trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến 83

5.1 Giới thiệu chung 83

5.2 Một số vấn đề của lập lịch bình đẳng 84

5.3 Phân tích bộ lập lịch vô tuyến 86

5.4 Bộ lập lịch gói vô tuyến ( Packetized Wireless Scheduler PWS ) 91

5.5 Mô tả bộ lập lịch gói vô tuyến 93

5.5.1 Giám sát băng thông và trạng thái kênh truyền vô tuyến 93

5.5.2 Chức năng điều khiển 94

5.6 Kết quả đánh giá mô hình lập lịch có giám sát kênh truyền

vô tuyến 95

5.7 Kết luận chương V 98

Chương VI: Mô hình quản lý chất lượng dịch vụ trên cơ sở giám sát kênh

truyền vô tuyến 99

6.1 Giới thiệu chung 99

6.2 Tổng quan về mô hình 99

6.3 Mô tả mô hình quản lý QoS 100

6.3.1 Kết hợp giám sát kênh truyền vô tuyến với bộ lập lịch 100

6.3.2 Kết hợp giám sát kênh truyền vô tuyến với quản lý bộ đệm 102

6.4 Kết luận chương VI 104

Kết luận và hướng phát triển tiếp của luận văn 105

Tài liệu tham khảo 106

danh mục các Chữ viết tắt

Bit Error Rate

Carrier Sense Multiple Access

Co-Channel Interference

Class-Based Queueing

Code Division Multi-Access

Cellular Digital Packet Data

Channel Independent Fair

Carrier to Interference Ratio

Digital Signal Processor

Direct Sequence Spectrum Spread

Frequency Shift Keying

Tỉ lệ lỗi bít Phương thức truy nhập đa sóng Giao thoa đồng kênh

Truy vấn tự động Dịch vụ tốc độ bít cố định

Đa truy cập phân chia theo mã

Số liệu gói tế bào

Tỉ số sóng mang trên can nhiễu

Bộ xử lý tín hiệu số Trải phổ chuỗi trực tiếp

Kỹ thuật điều chế khóa dịch tần

Frequency Division Multi-Access

Frame Error rate

Global System for Mobile

Communication

International Mobile

Telecommunications 2000

Internet Protocol

Internet Protocol Version 4

Internet Protocol Version 6

Telecommunication

Standardization Sector of ITU

Local Area Network

Medium Access Control

Real-Time Transport Protocol

Round Trip Time

Signal to noise Interference Ratio

Signalling Link Selection

Short Message Service

Signal to Noise Ratio

Transport Control Protocol

Time Division Multi-Access

User Datagram Protocol

Đa truy nhập phân chia tần số

Tỉ số lỗi khung

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Tiêu chuẩn viễn thông di động quốc tế 2000

Thủ tục Internet Thủ tục Internet phiên bản thứ 4 Thủ tục Internet phiên bản thứ 6

Bộ phận tiêu chuẩn hóa về viễn thông của ITU

Mạng nội bộ

Điều khiển truy nhập trung gian Phát hiện nhiều người sử dụng Mật độ phổ công suất

Chất lượng dịch vụ Thủ tục điều khiển thời gian thực Thời gian truyền dẫn

Thủ tục truyền dẫn thời gian thực

Kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến

Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu Lựa chọn kết nối báo hiệu Dịch vụ bản tin ngắn

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm Thủ tục điều khiển truyền dẫn

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Giao thức gói dữ liệu người sử dụng

Wireless Application Protocol

Wokstation System Function

Wireless LAN

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Đường lên Thủ tục ứng dụng không dây Chức năng trạm làm việc Mạng không dây nội bộ

danh mục các Hình vẽ, đồ thị

Hình 2.1 Dạng Cell của hệ thống di động tế bào 10

Hình 2.2 Mô hình một hệ thống di động trên nền IP 17

Hình 2.3 Quá trình phát triển của hệ thống dao động từ 1G đến 4G 19

Hình 2.4 Cấu trúc chung của GSM 20

Hình 2.5 Mô hình mạng GSM 21

Hình 2.6 Các dịch vụ dữ liệu của GSM pha 2+ 25

Hình 2.7 Cấu trúc hệ thống GPRS 26

Hình 3.1 Liên hệ giữa dịch vụ và ứng dụng 28

Hình 3.2 Tốc độ, trễ và tỷ lệ tổn thất của các ứng dụng 28

Hình 3.3 Các mức QoS 33

Hình 3.4 Sự phân loại các mô hình đề nghị trong Internet 40

Hình 3.5 Phân loại các tiếp cận chính cho QoS vô tuyến 42

Hình 4.1 Mô tả giám sát băng thông- mô hình một gói 53

Hình 4.2 Phân bố giá trị RTT theo kích thước gói 55

Hình 4.3 Một mẫu đo không tuân theo phân bố thông thường 57

Hình 4.4 Một mẫu đo với hai nhóm giá trị RTT 58

Hình 4.5 Độ tách rời cặp gói 58

Hình 4.6 Biểu đồ đo băng thông qua 1000 gói đo trên kênh truyền 100 Mbps 60

Hình 4.7 Mô tả đo băng thông - mô hình nhiều gói 61

Hình 4.8 Mô hình kênh và các trường hợp tiên đoán 68

Hình 4.9 Mô tả kỹ thuật giám sát 73

Hình 4.10 Tiên đoán băng thông cấp phát cho luồng i 73

Hình 4.11 Giám sát tốc độ nguồn CBR 79

Hình 4.12 Giám sát tốc độ nguồn mũ On/Off 79

Hình 4.13 Giám sát tốc độ nguồn ON/OFF Pareto 80

Hình 4.14 Giám sát tốc độ nguồn TCP/RENO 81

Hình 5.1 So sánh WFQ và PWS 1 88

Hình 5.2 So sánh WFQ và PWS 2 89

Hình 5.3 Bù dịch vụ 92

Hình 5.4 Giám sát băng thông và kênh vô tuyến trong bộ lập lịch 94

Hình 5.5 Mô hình đánh giá của PWS 95

Hình 5.6 WFQ 96

Hình 5.7 PWS 96

Hình 5.8 PWS với 2 luồng UDP và 1 luồng FTP 97

Hình 5.9 Chỉ số bình đẳng của 3 luồng UDP với trọng số khác nhau 97

Hình 6.1 Mô hình quản lý QoS trên cơ sở giám sát kênh 99

Hình 6.2 Kết hợp lập lịch lưu lượng (hướng lên ) 101

Hình 6.3 Kết hợp với quản lý bộ đệm ( hướng xuống ) 103

Danh mục các Bảng biểu Bảng 4.1 Các chuẩn WLAN 64

Bảng 4.1 Kết hợp các sự kiện đối với việc phát một gói dữ liệu DATA 67

Lời nói đầu

Các mạng viễn thông ở nhiều quốc gia trên thế giới phát triển ngày càng nhanh, các sản phẩm mới được các nhà cung cấp tung ra thị trường ngày càng nhiều, chúng được trang bị nhiều phần mềm có khả năng hỗ trợ nhiều thiết bị khác nhau Môi trường mạng viễn thông càng phức tạp, đa dạng và có tính cạnh trang cao Các mạng còn có đặc trưng khác nhau, chồng chéo nhiều tầng lớp và dịch vụ Các yếu tố này làm tăng chi phí quản lý mạng (chi phí hoạt

động vượt cả chi phí về vốn) Điều này trở thành mối quan tâm chính của nhiều tập đoàn, nhà khai thác viễn thông, nhà cung cấp thiết bị và các tổ chức tiêu chuẩn hóa

Trong những năm qua, cùng với sự gia tăng của các dịch vụ đa phương tiện ( Multimedia) và Internet, mạng viễn thông đã có những bước tiến triển vượt bậc đánh dấu bằng sự ra đời của các hệ thống thông tin di động thế hệ mới Mạng máy tính và mạng thông tin di động đã và sẽ không còn có khoảng cách trong tương lai Thông tin di động là một dịch vụ kinh doanh không thể thiếu được ở hầu hết các nhà khai thác viễn thông trên thế giới Thông tin di động là một phương tiện liên lạc càng không thể thiếu trong thời

đại kinh tế thị trường năng động (mọi lúc, mọi nơi) Từ các máy thuê bao di

động, người dùng có thể truy cập được mọi thông tin trên Internet, có thể truyền tải thông tin đa phương tiện vv ngoài các dịch vụ tiếng nói trước đây Việc hòa nhập Internet và các hệ thống di động mới cho phép các nhà khai thác mạng thông tin di động thừa hưởng mọi thành quả, mọi ứng dụng đã sẵn

có cho Internet Chính vì vậy, Internet đã được xem là chìa khóa cho sự thành công và phát triển của mạng di động thế hệ mới và tiếp theo

Do đó, việc hòa nhập Internet và mạng di động thế hệ tiếp theo cũng nảy sinh nhiều vấn đề thách thức cần giải quyết Một trong những vấn đề còn cần phải giải quyết đố là việc quản lý chất lượng dịch vụ Ngay bản thân Internet hiện nay cũng chỉ cung cấp dịch vụ Best-effort (nỗ lực tối đa), nghĩa là không bảo đảm chất lượng dịch vụ Trong khi đó các ứng dụng ngày càng đa dạng,

có các đặc tính khác nhau và yêu cầu chất lượng dịch vụ hết sức khác nhau Đối với các ứng dụng đa phương tiện, nhiều vấn đề lại rất khắt khe Mặt khác, vấn đề

hỗ trợ chất lượng dịch vụ lại càng trở lên nan giải hơn trong môi trường mạng vô

tuyến với điều kiện truyền tải có thể rất khắc nghiệt như nhiễu cao, fading, đường

truyền biến đổi theo điều kiện môi trường Vì vậy có thể dẫn đến lỗi bít tăng cao

Chính vì những lý do đó, vấn đề quản lý chất lượng dịch vụ trong môi trường mạng di động thế hệ mới đã và đang trở thành đề tài nóng bỏng Đây cũng chính là phạm vi nghiên cứu đặt ra trong bản luận văn này Do xác định

yếu tố cơ bản tác động vào chất lượng dịch vụ chính là điều kiện môi trường

vô tuyến, luận văn này đặt ra vấn đề nghiên cứu các phương pháp giám sát kênh truyền và nghiên cứu xem xét việc ứng dụng chúng vào một mô hình kết

hợp nhằm hỗ trợ việc quản lý chất lượng dịch vụ cho mạng di động hiện tại và

đi động Vấn đề quản lý chất lượng dịch vụ trong mạng di động thế hệ mới và

đặt ra vấn đề nghiên cứu của bài toán

Chương II: Giới thiệu chung về các hệ thống thông tin di động thế hệ

mới, tiếp theo và hệ thống thông tin GSM

Chương III: Nghiên cứu cơ sở nền tảng về dịch vụ và chất lượng dịch

vụ Chương này giới thiệu chung về khái niệm, đặc tính dịch vụ và chất lượng

dịch vụ, các kiến trúc hỗ trợ QoS, ảnh hưởng của môi trường vô tuyến đến chất lượng dịch vụ của mạng di động

Chương IV: Nghiên cứu các phương pháp giám sát kênh truyền vô

tuyến Chương này tập trung phân tích, đánh giá một số kỹ thuật giám sát các

tham số kênh truyền, giám sát băng thông, giám sát kênh và trình bày một số

mô hình tổng quát cho giám sát băng thông và kênh truyền vô tuyến

Chương V: Mô hình lập lịch hỗ trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh

truyền vô tuyến Chương này nghiên cứu và phân tích một mô hình lập lịch hỗ trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến

Chương VI: Nghiên cứu mô hình quản lý chất lượng dịch vụ trên cơ sở

giám sát kênh truyền vô tuyến Chương này nghiên cứu khả năng ứng dụng các phương pháp giám sát trong một mô hình kết hợp nhằm đảm bảo việc hỗ trợ quản lý chất lượng dịch vụ trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến

Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển tiếp của luận văn này

Do hạn chế về thời gian cũng như khả năng có hạn, trong luận văn này

có những thiếu sót, những hạn chế là không thể tranh khỏi Tôi rất mong nhận

được những ý kiến đóng góp để bản luận văn này hoàn thiện hơn và có thể

đưa vào áp dụng thực tế để nâng cao chất lượng dịch vụ các thế hệ điện thoại

di động đang khai thác và triển vọng sắp tới

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo Phó Giáo sư - Tiến sỹ Võ Kim, Phó Giáo sư-Tiến sỹ Đinh Thế Cường, và các thầy cô trong Khoa Vô tuyến điện tử trường HVKTQS đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo

điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này

Chương I : tổng quan về dịch vụ và chất lượng dịch vụ

Sự hội tụ này sẽ mang lại một thị trường tiềm năng cho các nhà cung cấp dịch vụ và mang đến nhiều thuận lợi cho người sử dụng, nhưng nó cũng tạo ra những thách thức nghiêm ngặt, khắt khe cho các nhà thiết kế các hệ thống Các kỹ thuật phát triển trong công nghệ vô tuyến và thiết bị xách tay cho phép mạng di động thế hệ mới hỗ trợ các ứng dụng bao gồm các ứng dụng

đa phương tiện, y tế, du lịch, giáo dục, thương mại điện tử, thương mại di

động và một số ứng dụng mới trên cơ sở QoS Tuy nhiên, việc hỗ trợ các ứng dụng này ở một chất lượng dịch vụ chấp nhận được là rất khó khăn và là một nhiệm vụ đầy thách thức

Chất lượng dich vụ (Quality of Service QoS) được xem là khả năng của mạng để hỗ trợ các yêu cầu ứng dụng của người sử dụng và đảm bảo rằng các tham số như: trễ (delay), trôi trễ (Jitter), thông lượng (througput)/băng thông (bandwidth) và tổn thất lưu lượng (loss) được thỏa mãn Ví dụ, các ứng dụng

thời gian thực như tiếng nói và video có yêu cầu nghiêm ngặt về trễ, trôi trễ và tổn thất Nếu các gói của ứng dụng này đến quá trễ, chúng là vô ích và sẽ bị hủy bỏ Như thế, chất lượng dịch vụ bị giảm cấp và ứng dụng không thể dùng

được Trong khi nhiều ứng dụng đa phương tiện ngày nay được thiết kế để chịu đựng một vài sự giảm cấp QoS, nó vẫn mong muốn rằng mạng cung cấp

dự báo bảo đảm QoS bên trong một giới hạn chấp nhận được Vì các yêu cầu của ứng dụng là khác nhau và QoS thực tế phụ thuộc vào sự quan tâm của các ứng dụng riêng biệt, QoS có thể được hiểu là khả năng của mạng để phân biệt dịch vụ Hỗ trợ các loại ứng dụng với các đặc tính lưu lượng và yêu cầu QoS rất khác nhau liên quan đến bảo đảm chất lượng thực thi và sự phân biệt dịch

vụ là một nhiệm vụ thách thức đối với việc thiết kế mạng

Quản lý tài nguyên đóng vai trò chính trong việc cung cấp QoS Tài nguyên hạn chế của mạng (băng thông, bộ đệm) nên được phân phối một cách bình đẳng cho các ứng dụng cạnh tranh để các yêu cầu QoS được thỏa mãn

Rõ ràng rằng các cơ chế kiểm soát QoS liên quan chặt với quản lý tài nguyên

là điều kiện cần thiết trong mạng để thỏa mãn các mục tiêu thiết kế mạng: bảo

đảm chất lượng thực thi, phân biệt dịch vụ, phân phối tài nguyên mạng bình

đẳng trong khi sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng

Có nhiều vấn đề ảnh hưởng đến bảo đảm QoS cho các ứng dụng bao gồm sự đồng nhất về mạng, về ứng dụng, về giao thức và các tính chất đặc biệt của môi trường mạng vô tuyến như băng thông, điều kiện kênh truyền biến

đổi, sự di động, băng thông kênh truyền thấp, vấn đề thực thi thấp của các đầu cuối di động, điều kiện môi trường

Các mạng di động thế hệ trước ( 1G, 2G ) được thiết kế trên công nghệ chuyển mạch kênh, trong khi mạng di động thế hệ mới và tiếp theo sẽ được xây dựng trên công nghệ chuyển mạch gói dựa trên cơ sở IP, nhằm hòa nhập với mạng Internet, loại bỏ sự bất đồng về mạng và cung cấp một phạm vi rộng các dịch vụ cho người sử dụng Tuy nhiên, chuyển mạch gói có điểm bất lợi trong việc kiểm soát QoS và kiểm soát tắc nghẽn

Cho đến bây giờ đã có nhiều kỹ thuật mạng hỗ trợ QoS cho mạng chuyển mạch gói Ví dụ như ATM, Subnet Band Width Manager (SBM) và UMTS Mặc dù các kỹ thuật này có một vài điểm thuận lợi, song chúng không thể được triển khai nếu không có một vài cơ chế kiểm soát để tránh tắc nghẽn,

để bảo đảm QoS riêng biệt Đó là lý do tại sao có nhiều mô hình và kiến trúc QoS được đề nghị trong một vài năm qua Trong số chúng, hai mô hình cho Internet là được chú ý: đó là mô hình IntServ (Integrated Service) và mô hình DiffServ (Differentiated Service) Tuy nhiên hai mô hình này vẫn còn một vài vấn đề Ví dụ, sự phức tạp của mô hình IntServ và tính hạt trong sự phân biệt dịch vụ của mô hình DiffServ Do những lý do này mà Internet hiện thời không hỗ trợ QoS Internet đối sử các gói của các ứng dụng theo các cách giống nhau, có nghĩa không bảo đảm sự thực thi và không phân biệt dịch vụ Chỉ có một dịch vụ được cung cấp cho tất cả các ứng dụng: Đó là Best-effort Các kiến trúc và cơ chế hỗ trợ QoS mới sẽ vẫn được tiếp tục phát triển trong tương lai

Các mô hình và kiến trúc QoS dựa trên hai nguyên tắc chính:

1) Hỗ trợ QoS trong ứng dụng sử dụng sự thích nghi của ứng dụng 2) Hỗ trợ QoS trong mạng và thiết bị đầu cuối sử dụng cấp phát tài nguyên trong mạng

Một số cơ chế kiểm soát QoS được thực hiện trong kiểm soát chấp nhận kết nối, giữ trước tài nguyên, định tuyến trên cơ sở QoS, điều độ lưu lượng, lập lịch lưu lượng, quản lý bộ đệm, kiểm soát luồng và tắc nghẽn, duy trì QoS Một vài cơ chế này được xem xét như là các thành phần chính của một kiến trúc QoS có thể

Các cơ chế kiểm soát QoS được thiết kế cho mạng cố định (hữu tuyến) như Internet không thể áp dụng trực tiếp cho mạng vô tuyến do các đặc tính khác biệt của phương tiện truyền dẫn Ví dụ tổn thất trong mạng hữu tuyến chủ yếu là do tắc nghẽn Điều đó là không đúng trong mạng vô tuyến Hơn nữa một vài vấn đề như điều kiện môi trường, sự di động , ảnh hưởng đến việc bảo đảm QoS trong mạng vô tuyến Do đó mô hình QoS cần phải được

thiết kế lại trong ngữ cảnh của mạng vô tuyến Sự điều chỉnh này là cần thiết nhằm giải quyết các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của các ứng dụng qua môi trường vô tuyến

Các kiến trúc hỗ trợ QoS cần phải đưa ra câu trả lời cho các câu hỏi chính như :

1) Nguồn gây ra suy giảm QoS là gì ?

2) Các nguồn này có thể được giám sát và tiên đoán như thế nào (các thủ tục giám sát ) ?

3) Các phản ứng phù hợp nào của hệ thống sẽ diễn ra (các thủ tục điều khiển ) ?

4) Các phản ứng này nên được thực hiện khi nào (các thủ tục quyết định) ? Như vậy, trong các kiến trúc hỗ trợ QoS cần có các cơ chế kiểm sát QoS, kiểm soát các nguồn gây ra suy giảm QoS nhằm điều chỉnh chất lượng dịch vụ

1.2 Mục tiêu của luận văn

Đối với môi trường vô tuyến, yếu tố cơ bản tác động chất lượng dịch vụ

chính là điền kiện môi trường vô tuyến Do đó, việc giám sát đánh giá chất

lượng kênh truyền vô tuyến ( Băng thông, trạng thái ) có một ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc xây dựng các mô hình/kiến trúc hỗ trợ QoS

Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu, phân tích các phương pháp giám sát kênh truyền vô tuyến liên quan đến vấn đề chất lượng dịch vụ của các thế hệ điện thoại di động; nghiên cứu kết hợp các phương pháp đó trong một mô hình quản lý chất lượng dịch vụ phù hợp với điều kiện môi trường nhằm đạt được dịch vụ chấp nhận được cho các ứng dụng cũng như tận dụng hiệu quả tài nguyên của mạng vô tuyến

1.3 Nội dung của luận văn

Nội dung của luận văn được tổ chức như sau:

Chương I: Tổng quan Chương này giới thiệu những đặc trưng cơ bản

của mạng di động thế hệ mới, vấn đề quản lý chất lượng dịch vụ trong mạng

di động thế hệ mới và đặt ra vấn đề cần nghiên cứu của bài toán

Chương II: Giới thiệu chung về các hệ thống thông tin di động thế hệ

mới, tiếp theo và hệ thống thông tin GSM

Chương III: Cơ sở nền tảng về dịch vụ và chất lượng dịch vụ Chương

này giới thiệu chung về khái niệm, đặc tính dịch vụ và chất lượng dịch vụ, các kiến trúc QoS, ảnh hưởng của môi trường vô tuyến đến chất lượng dịch vụ

Chương IV: Nghiên cứu các phương pháp giám sát kênh truyền vô

tuyến Chương này tập trung phân tích, đánh giá một số kỹ thuật giám sát các tham số kênh truyền, giám sát băng thông, giám sát kênh và trình bày một mô hình tổng quát cho giám sát băng thông và kênh truyền vô tuyến

Chương V: Mô hình lập lịch hỗ trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh

truyền vô tuyến Chương này nghiên cứu, phân tích một mô hình lập lịch hỗ trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến

Chương VI: Mô hình quản lý chất lượng dịch vụ trên cơ sở giám sát

kênh truyền vô tuyến Chương này nghiên cứu khả năng ứng dụng các phương pháp giám sát trong một mô hình kết hợp nhằm đảm bảo việc hỗ trợ quản lý chất lượng dịch vụ trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến

Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển tiếp

Chương II Khái quát về sự phát triển của thông tin

vô tuyến di động và hệ thống di động GSM

2.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến di động

2.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động

Năm 1880, nhà bác học Hertz là người đầu tiên đưa ra trình diễn về thống tin vô tuyến Sau đó vào năm 1897, Marconi đã thực hiện thu phát giữa

2 máy thu phát cách xa nhau (18 dặm) và vừa liên lạc vừa di chuyển Năm

1921 thông tin di động đã được ứng dụng ở sở cảnh sát Detroit, sử dụng truyền thông tin qua đường vô truyến giữa các xe ô tô (trên băng tần 2 MHz) Năm 1932 cảnh sát thành phố Nework đã thiết lập được một mạng thông tin

di động tương đối hoàn chỉnh (sử dung băng tần 2 MHz) Tại thời điểm này do công nghệ còn kém nên thiết bị to và cồng kềnh, chất lượng kém Tuy nhiên

do ưu điểm của thông tin di động nên nó được sử dụng ở rất nhiều các lĩnh vực như quân sự, cảnh sát, cứu thương, cứu hoả Chất lượng thông tin di động hồi đó rất kém Đó là do đặc tính truyền sóng vô tuyến làm cho tín hiệu thu

được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu đã được phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và thời gian trễ Tổng vectơ của các tín hiệu này làm cho

đường bao tín hiệu thu được bị thăng giáng rất mạnh và nhanh, nhất là khi trạm thông tin di động di chuyển thì mức tín hiệu thu thường bị thay đổi lớn

và nhanh làm cho chất lượng thoại suy giảm trông thấy Tất nhiên tất cả các

đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại, song hồi đó chống lại chúng là bằng kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai Mặc dầu vậy năm 1947 phòng thí nghiệm Bell Lab ở Mỹ đã thai nghén ý đồ về một mạng tế bào Thời kỳ ấp ủ

đó phải chờ đợi các phát triển cần thiết trong công nghệ Chỉ tới khi có các mạch tích hợp thiết kế được một cách tuỳ chọn, các bộ vi xử lý, các mạch tổ hợp tần số, các công nghệ chuyển mạch phát triển (nhanh và dung lượng lớn), mạng vô tuyến tế bào mới trở thành hiện thực vào đầu thập kỷ 80

2.1.1.1 Hệ thống thông tin di động tế bào

Một trong những hệ thống thông tin di động hiện nay là hệ thống thông

tin di động số cellular sử dụng kỹ thuật GSM Từ cellular xuất phát từ từ

“cell” có nghĩa là tế bào Hệ thống thông tin di động cung cấp các dịch vụ viễn

thông khác nhau cho thuê bao với 2 đặc điểm nổi bật là thuê bao có thể di chuyển không giới hạn từ nơi này tới nơi khác ngay cả khi đang tiến hành cuộc gọi Hệ thống bao gồm trạm cố định (trạm gốc - BTS) được triển khai ở trung tâm, triển khai trên những cột tháp cao và trạm di động (máy cần tay -MS)

Kết nối giữa MS và BTS là kết nối vô tuyến Mọi vấn đề kỹ thuật của hệ thống đều xuất phát từ 2 đặc điểm này Hệ thống thông tin này được gọi là hệ

thống thông tin di động cellular vì toàn bộ vùng phủ sóng của hệ thống được chia thành từng cell nhỏ Trong một cell có một BTS Các MS thực chất không kết nối với nhau mà khi nằm trong cell nào sẽ kết nối trực tiếp với BTS của

cell đó Việc kết nối từ MS tới MS khác hay là thuê bao thuộc mạng khác

được BTS kết hợp với các thành phần khác của hệ thống đảm nhiệm Dạng cell

được minh họa trong hình 2.1

Hình 2.1 Dạng Cell của hệ thống di động tế bào

2.1.1.2 Sự khác biệt với các hệ thống thông tin khác

Người sử dụng thông thường (không có chuyên môn) có thể nhầm lẫn

hệ thống thông tin di động số cellular với một số hệ thống thông tin khác Hệ

thống trước tiên được kể đến ở đây là hệ thống thông tin được sử dụng cho các dịch vụ taxi hoặc sử dụng riêng cho cảnh sát Trong hệ thống này những người

sử dụng (là lái xe tắc xi hay cảnh sát) vẫn có thể liên lạc với trung tâm hoặc với nhau trong khi di chuyển qua giao diện vô tuyến như với hệ thống thông

tin di động cellular, song thực chất trong hệ thống này không có sự phân chia

cell Người ta đạt được mục đích thông tin di động bằng cách phát quảng bá

với công suất càng lớn càng tốt, sử dụng anten càng cao càng tốt Và thực chất thì sự di chuyển là có giới hạn Hệ thống thứ 2 cần so sánh là hệ thống điện

thoại kéo dài (cordless) Với một số máy kéo dài tiên tiến thuê bao có thể di

chuyển trong phạm vi 15 km hoặc hơn, song thực chất khoảng cách này vẫn là giới hạn và điện thoại kéo dài dựa trên mạng thoại PSTN để kết nối thuê bao

với người sử dụng khác Với mạng thông tin di động cellular, cự li di chuyển

của thuê bao là không bị giới hạn Ngoài hai hệ thống trên ở một số công trường xây dựng cũng có sử dụng một số máy cầm tay di động Hệ thống này cũng bị giới hạn bởi khoảng cách Chính những sự khác biệt giữa mạng thông

tin di động cellular và các mạng thoại khác đã làm nảy sinh rất nhiều vấn đề

kỹ thuật cần giải quyết

2.1.1.3 Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống thông tin di động tế bào

Dưới đây trình bày sơ lược một số vấn đề trong thông tin di động Các vấn để này đều xuất phát từ 2 đặc trưng trên của hệ thống thông tin di động:

nghiệt Để tránh gây nhiễu lẫn nhau thông thường các cell lân cận sử dụng các

tần số khác nhau Hơn thế nữa tài nguyên tần số là hữu hạn Chính vì vậy với

các cell cách nhau một cự li nhất định thì có thể sử dụng lại tần số Việc sử

dụng lại tần số có thể theo các mảng mẫu khác nhau Khi số thuê bao di động

tăng lên, mạng di động sẽ tiến hành chia nhỏ các cell Việc chia nhỏ có thể không phải trên tất cả các cell mà chỉ tiến hành với các cell có lưu lượng lớn Khi

đó yêu cầu qui hoạch lại các tần số Trong thông tin di động cellular qui hoạch

và sử dụng lại tần số là một vấn đề quan trọng vì nó liên quan đến hiệu suất của mạng

+ Điều khiển công suất: Khác với hệ thống thông tin di động sử dụng mô

hình quảng bá, trong hệ thống thông tin di động cellular mỗi MS nằm trong

cell nào sẽ kết nối trực tiếp với BTS của cell đó qua giao diện vô tuyến Giao

diện vô tuyến kết nối qua môi trường không gian luôn chịu ảnh hưởng của

hiệu ứng xa gần (near–far effect), hiệu ứng che lấp (Shadowing effect), hiệu

ứng Doppler Để đảm bảo chất lượng thông tin hệ thống cần phải điều khiển công suất sao cho các MS có cự li tới BTS khác nhau sẽ phát với công suất khác nhau để tín hiệu nhận được tại BTS có công suất như nhau Có nghĩa là BTS thay đổi công suất phát phù hợp, để tín hiệu nhận được của MS ở cự ly khác nhau là như nhau Việc điều khiển công suất thực chất nhằm làm tối thiểu mức công suất phát của MS và BTS Việc giảm nhỏ công suất phát này

nhằm: Giảm nhỏ nhiễu của MS gây ra cho MS khác trong cùng cell và trong các cell lân cận và giảm nhỏ nhiễu do BTS gây ra cho các BTS ở các cell lân

cận Điều khiển công suất sẽ khắc phục được hiệu ứng xa gần Khi ở gần BTS,

MS sẽ phát với công suất nhỏ hơn khi nó ở xa MS sử dụng năng lượng của pin Việc giảm nhỏ công suất phát sẽ giúp tiết kiệm nguồn năng lượng, kéo dài thời gian hoạt động

+ Chuyển giao: Khác với mạng PSTN, thuê bao di động có thể di

chuyển ngay cả khi thực hiện cuộc gọi Trong quá trình thực hiện cuộc gọi

thuê bao có thể di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của cell hiện tại và sang vùng phủ sóng của cell mới Khi đó MS sẽ yêu cầu kết nối với BTS của cell mới Quá

trình chuyển kết nối từ BTS này sang BTS khác được gọi là chuyển giao Nếu không thực hiện chuyển giao tốt thì có nguy cơ cuộc gọi bị cắt đứt khi đang dang dở

+ Đa truy cập: Tài nguyên tần số để kết nối MS và BTS là có hạn, mặt

khác nhu cầu liên lạc của thuê bao là không thường xuyên Chính vì vậy các kênh tần số được cấp phát theo kiểu động Điều này có nghĩa là các thuê bao

sẽ được cấp kênh khi cần thiết và kênh sẽ được giải phóng dành cho thuê bao

khác khi thuê bao đang sử dụng nó kết thúc cuộc gọi Nói một cách khác các

kênh tần số được sử dụng theo kiểu trung kế Hệ thống còn được gọi là hệ

thống trung kế vô tuyến vì số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn rất nhiều so với số

thuê bao Điều này đòi hỏi phải có một cách thức quản lý kênh vô tuyến, cấp

phát cho các thuê bao, phân chia kênh vô tuyến này cho các thuê bao theo một

cách nào đó Kỹ thuật này được gọi là đa truy cập

+ Quản lý di động: Khác với các mạng khác kết nối với thuê bao qua

đường cáp cố định, mạng thông tin di động kết nối với thuê bao qua đường vô

tuyến Thuê bao sẽ di chuyển vì vậy mạng phải có khả năng quản lý, xác định

vị trí của thuê bao

+ Sớm định thời: Khoảng cách giữa các MS trong một cell với BTS là

khác nhau vì vậy sự trễ truyền dẫn là khác nhau Chính vì vậy trong suốt quá

trình liên lạc BTS làm chuẩn về mặt thời gian BTS sẽ liên tục đo sự lệch định

thời các cụm phát đi từ MS Trên cơ sở đo lường đó BTS sẽ qui định sớm định

thời của MS cho mỗi MS so với định thời chuẩn

+ Roaming: Các mạng thông tin di động khác nhau có thể cùng cung

cấp dịch vụ cho một thuê bao xác định khi các nhà cung cấp di động có thể

hợp tác với nhau Chính nhờ sự hợp tác này mà thuê bao vẫn được phục vụ khi

di chuyển đến vùng phủ sóng của một mạng khác Khả năng mà thuê bao vẫn

thực hiện được cuộc gọi khi ở trong vùng phủ sóng của một mạng khác được

gọi là Roaming Việc roaming giữa các mạng sẽ tạo ra một vùng phủ sóng

rộng hơn, đem lại chất lượng phục vụ tốt hơn cho thuê bao

2.1.2 Xu hướng phát triển của của điện thoại di động

Những xu hướng phát triển của thông tin di động tiếp theo đưa ra

" Cuộc sống sau thế hệ thông tin di động thứ 3 (3G) " Đó là khi chúng ta

chuyển động hướng về một " Xã hội cơ sở kiến thức chung ", con người đang

ngày càng chiếm lĩnh vai trò trung tâm cùng với sự phát triển của kỹ thuật và

dịch vụ nhằm đáp ứng các yêu cầu của họ Công nghệ nghiên cứu và phát triển

(R&D) đang dần dần đạt được một sự thống nhất tự nhiên, xuyên suốt các

lĩnh vực công nghệ khác nhau và cung cấp một " tầm nhìn hệ thống để giải quyết những thách thức về xã hội và kinh tế" Trong bối cảnh này, thông tin di

động đã trở thành một trong những lĩnh vực phát triển mạnh mẽ nhất Hiện tại, tốc độ phát triển của lĩnh vực này thật đáng kinh ngạc với 700 triệu thuê bao vào cuối năm 2000 ( trong đó 70% sử dụng công nghệ GSM) và cho tới năm

2003, con số này sẽ vào khoảng 1,2 tỷ thuê bao, đến đầu năm 2005 sẽ vào khoảng vài tỷ thuê bao Sự phát triển của lĩnh vực này trong tương lai sẽ gắn liền với các dịch vụ tiền năng to lớn của thế hệ thức 3 (3G) và nhu cầu tiếp tục

mở rộng sự phát triển của lĩnh vực này trong tương lai sẽ gắn liền với các dịch

vụ tiềm năng to lớn của thế hệ thứ 3 (3G) và nhu cầu tiếp tục mở rộng hơn sự lựa chọn cho người sử dụng như các phương pháp truy nhập, dịch vụ và nội dung dịch vụ ở bất cứ nơi đâu, bất cứ lúc nào bằng bất cứ thiết bị đầu cuối nào Tuy nhiên, cùng với sự phổ biến của thông tin di động và sự phát triển phi thường của Internet, các tiềm năng đầy đủ của những ứng dụng kiến thức cơ

sở và dịch vụ vẫn chưa được thực sự khai thác hết

Viễn cảnh về một xã hội thông tin ngày nay yêu cầu đáp ứng cho nhiều loại thiết bị khác nhau bao gồm cả khả năng đánh địa chỉ IP cho tất cả những thiết bị gia dụng, máy tính cá nhân, bộ phận cảm biến, đầu từ và chúng đều

được kết nối toàn cầu Để giải quyết những yêu cầu kết kết nối phức tạp này,

hệ thống thông tin di động không dây và các khái niệm kĩ thuật phải đưa ra và hoàn thiện Sự phát triển này đã vượt xa hơn những dự tính Người sử dụng và các thiết bị thông tin có khả năng di chuyển qua các mạng hỗn hợp và các môi trường dịch vụ hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau và áp dụng các giao diện không gian thích hợp cho việc tối ưu hóa sử dụng tài nguyên tần số Trong phạm vi này, vấn đề quan trọng là bằng cách nào để đạt được sự phối hợp và

ảnh hưởng qua lại liên tục tại mặt phẳng điều khiển và dịch vụ của các kỹ thuật truy cập không dây (bao gồm mạng cấu trúc tế bào, không dây, khu vực cá nhân, cố định không dây, phát thanh và có thể bao gồm các thiết bị vệ tinh) thông qua một nều tảng IP chung đáp ứng cho nhiều loại yêu cầu dịch vụ ": Cuộc sống sau thế hệ thông tin di động thứ 3" đạt ra một số thách thức về mặt

kỹ thuật mà những người hoạt động trong lĩnh vực vô tuyến phải đối diện khi phát triển các hệ thống vượt ra khỏi thế hệ 3G Một số nhà khoa học đã đưa ra một số ý tưởng gần gũi với sự phát triển của mạng không dây và các loại dịch

vụ đi kèm vượt ra khỏi thế hệ 3G và đáp ứng một số yêu cầu thực tế như sau:

Thứ nhất, với nội dung " Cung cấp đầy đủ khả năng truyền dẫn cho đa

phương tiện truyền thông băng rộng Một bước tiến của công nghệ 4G" đã thể hiện ở những nỗ lực nghiên cứu và phát triển về thông tin di động băng rộng

được tiến hành theo chương trình nghiên cứu và phát triển về thông tin di động

ở châu âu như RACE II, ACTS và ITS Những hạn chế và yêu cầu cụ thể cho

hệ thống này được đưa ra cùng với những phương án kĩ thuật có thể Ngoài ra còn giới thiệu kết quả thí nghiệm một hệ thống thông tin di động băng rộng

đầu tiên để cho thấy khả năng thực thi của những hệ thống này Đồng thời qua

đó đưa ra một cái nhìn tổng thể về cách hệ thống thông tin di động băng rộng liên kết với hệ thống thế hệ 3G và con đường để tiến lên thế hệ sau (4G)

Thứ hai, với nội dung " Hệ thống truy cập vô tuyến tương lai cho các

dịch vụ kết hợp với sự quản lý tài nguyên mềm dẻo" nêu bật lên xu thế phát triển của hệ thống mạng bao gồm di động tế bào, mạng thông tin mặt đất và

vệ tinh kết hợp cùng nhau hình thành một mạng lưới chung cho tương lai Thêm vào đó, những yếu tố quan trọng của phương pháp truy nhập đa phương tiện, đa phần trong tương lai với sự chú trọng đặc biệt vào sự quản lý tài nguyên linh động cũng được giới thiệu

Thứ ba là" Chất lượng dịch vụ cho hệ thống toàn bộ trên nền IP(A11 IP)

vượt qua thế hệ 3G" của một hệ thống kết hợp vùng phủ truy cập vô tuyến băng rộng nội bộ dựa trên HIPERLAND/2 cùng với một số các vùng phủ vô tuyến di động rộng hơn Nó cho phép phủ sóng toàn bộ các dịch vụ trên nền tảng IP cho những thuê bao đang trong những điểm nóng và đang di chuyển

Thứ tư là " Nâng cấp dịch vụ IP cung cấp cho mạng không dây hỗn hợp:

một con đường tiến tới thế hệ 4G", tập trung vào những khía cạnh làm suy yếu

đường truyền không dây và lưu lượng yêu cầu có ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ cung cấp qua các hệ thống hỗn hợp

Thứ năm là " Những thiết bị đầu cuối có khả năng thiết lập lại cấu hình

tổng quan về giải pháp kiến trúc", trình bày những khía cạnh kĩ thuật quan

trọng nhận dạng thiết bị người sử dụng, có khả năng thiết lập lại cấu hình dựa

trên những kĩ thuật phầm mềm vô tuyến Nó bao gồm các chức năng như

mode điều khiển, mode chuyển mạch, băng gốc thích ứng, tải phần mềm cũng

như sự liên hệ mật thiết của các chức năng này với các nhu cầu thức tế trong mạng

2.1.2.1 Những hệ thống truy cập vô tuyến trong tương lai cho những

dịch vụ kết hợp với sự quản lý nguồn tài nguyên một cách mềm dẻo

Mạng vô tuyến hiện thời đặt ra yêu cầu được cung cấp những dịch vụ tích

hợp băng thông rộng tới tất cả những người sử dụng (thuê bao) Để thực hiện

những vấn đề này thì phụ thuộc vào sự phát triển của những sản phẩm và nâng

cao cải tiến những hệ thống hỗ trợ những sản phẩm này Hệ thống di động tế

bào mới và hệ thống vệ tinh hiện tại đang phát triển để cung cấp những dịch vụ

tích hợp băng thông rộng Những người sử dụng (thuê bao) trong hệ thống sẽ

được cung cấp các dịch vụ với chất lượng và tốc độ cao Việc phân phối dịch vụ

một cách rõ ràng và bảo đảm sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến, quản lý tài

nguyên hệ thống là rất cần thiết

Việc nghiên cứu UMTS đưa ra song song với sự phát triển kinh doanh

thương mại và việc triển khai GSM Việc mở rộng, phát triển mạng lõi (Core)

UMTS sẽ dựa trên nền tảng mạng đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN), phương

thức truyền không đồng bộ (ATM), mạng thông minh (IN) B-ISDN được coi là

công nghệ chính trong việc mở rộng mạng Trong giai đoạn này, Internet vẫn còn

hạn chế với những cộng đồng các nhà khoa học, các kĩ sư trong các trường đại

học và các viện Nghiên cứu

World Wide Wed (WWW) ra đời đã tạo nên một thị trường lớn cho sự

tăng trưởng của các dịch vụ sử dụng Internet Sự hội tụ của công nghệ di động tế

bào và Internet toàn cầu đang diễn ra, điển hình là công nghệ GPRS và hướng tới

là công nghệ Mobile - IP với hai vấn đề chính là đưa ra định hướng kết nối IP tới

những trạm di động (Mobile Station) và dần đưa công nghệ IP vào trong mạng Core của di động Các nhà cung cấp dịch (ISP) đóng vai trò trong việc vận hành khai thác di động và như vậy sẽ làm thay đổi mô hình kinh doanh truyền thống

UMTS tạo ra hai vùng riêng biệt, một vùng dịch vụ chuyển mạch (circuit) dựa trên những trung tâm chuyển mạch và một vùng dịch vụ gói xây dựng dựa trên những cổng (Gateway) có hỗ trợ những nút mạng Khi sử dụng IP như là một nhân tố thích hợp, sự tích hợp này được thực hiện bằng việc cung cấp IP khác nhau dựa vào những dịch vụ của những đặc tính mạng lõi (Core) và đầu cuối người sử dụng (user terminal) theo những giao thức của IETF đưa ra Dựa vào chuẩn của IETF kết nối về thoại (voice), video và dữ liệu

Laptop computer

Server Server Server

RNC

Node B

Smart border router

Hình 2.2 Mô hình một hệ thống di động trên nền IP

Kiến trúc tham chiếu mô tả trong hình 2.2 minh hoạ một giải pháp thực hiện ở mức cao hơn của việc tích hợp giữa hệ thống di động và IP Việc giải

quyết những vấn đề cơ bản là việc sử dụng lại một cách hiệu quả UTRAN và gán

trực tiếp để nâng cao mạng trục Mobile IP qua các giao diện chuẩn của IETF

Những lợi ích chủ yếu của việc sử dụng kiến trúc liên quan tới các

phiên làm việc, sự thay đổi và việc nhận thực Ví dụ việc nhận thực trở thành

một dịch vụ mạng sử dụng công nghệ UMTS SIM (USIM) Những khái niệm

tương tự nhau ứng dụng cho những đặc tính của di động Những thuận lợi đó

không nâng cao được tại các mức IP và UMTS, bởi vì hai mức đã tích hợp đầy

đủ trong Internet không dây UMTS Sự bổ sung việc tích hợp cũng đạt được

với những mạng IP khác, như mạng LAN cố định và mạng LAN không dây

(W-LANs) Đó là sự hợp lệ của việc thực hiện tích hợp một cách đầy đủ giữa

Internet và di động/ truyền thông không dây, kiến trúc này đòi hỏi mỗi sự

thay đổi phải đảm bảo chắc chắn các đặc tính của giao thức IP, phải hợp lệ để

tương thích với những đòi hỏi của hệ thống di động và hệ thống không dây

(mobile/ wireless systems) Điều này sẽ không làm ảnh hưởng tới sự phát triển

của giao thức IP phù hợp sử dụng cho hệ thống di động

2.1.2.2 Bước tiến tới công nghệ di động 4G

Thông tin di động băng rộng là kết quả của R & D thực hiện dưới

chương trình khung R & D EUROPEAN là RACE II, ACTS & IST nhưng với

sự quan trọng đặc biệt của kinh nghiệm đạt được trong suốt 4 năm với với kế

hoạch SAMBA

Nhà cung cấp di động đã triển khai mở rộng 2G, 2.5 G (GPRS) nhưng

với mục đích nâng cấp công nghệ tới hệ thống 3G mà khoản đầu tư đồ sộ được

thực hiện cho giấy cấp phép về tần số và triển khai mạng Mô hình mới tiếp

theo sau 3G là sự cung cấp phổ biến đa dạng và ứng dụng cho người sử dụng,

nhờ đó thêm vào sự đa dạng tới " mọi nơi, mọi lúc" Trong quan điểm này, mở

rộng băng thông và băng rộng (băng rộng ở đây giới hạn là 2 Mb/s) là cần

thiết yêu cầu thị trường (truyền hình chất lượng cao 34 Mb/s )

Tiếp theo các nghiên cứu và phát triển công nghệ là nhằm tăng tốc độ

bit truyền dẫn lớn nhất và phát triển mạng tiến tới tất cả trên nền tảng IP

("all IP") để giảm giá thành triển khai mạng Hơn nữa đầu cuối sẽ phát triển theo tính định dạng radio cho phép hoạt động trong vùng của việc truy nhập công nghệ và mạng, kết hợp với các khả năng của công nghệ IP V.6

- Những dịch vụ không dây hộ trợ kết nối chéo những mạng không đồng nhất

- Phối hợp thích ứng chất lượng dịch vụ

- Sử dụng có hiệu quả về phổ tần

- Hệ thống IP đầu cuối tới đầu.

Hình 2.3 Quá trình phát triển của hệ thống dao động từ 1G đến 4G

2.2 Khái quát về hệ thống GSM

2.2.1 Khái niệm về công nghệ GSM

GSM (Global System for Mobile communication) Là hệ thống thông tin

di động số toàn cầu ở dải tần 900, 1800, 1900 MHz được Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) quy định GSM là một tổ hợp các giải pháp bao gồm hệ thống chuyển mạch kênh, hệ thống chuyển mạch gói, nút điều khiển vô tuyến và các trạm thu phát gốc cùng với cơ sở dữ liệu mạng, các dịch vụ cơ bản và các nút quản lý mạng Dễ dàng vận hành bảo dưỡng (O&M) được tích hợp trong mạng thông minh (IN/GSM), GSM cũng làm việc với các kỹ thuật

IP và kỹ thuật gói và là một nền tảng chính hướng tới hệ thống Viễn thông di

động phổ biến (UMTS) trong di động thế hệ thứ 3 và hơn nữa

Lưu động (Roaming) quốc tế cho phép các thuê bao chuyển động ở toàn

bộ vùng phủ sóng của GSM là hoàn toàn tự động, hệ thống sẽ tự động cập

nhật thông tin về vị trí của thuê bao GSM cung cấp một số tính năng như thoại, thông tin số liệu tốc độ cao, FAX và dịch vụ bản tin ngắn

2.2.2 Cấu trúc và thành phần của mạng GSM

2.2.2.1 Cấu trúc tổng thể

Mạng thông tin di động số thực chất là mạng di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) Một cách tổng quát thì PLMN hợp tác với các mạng cố định để thiết lập cuộc gọi, qua các giao diện PLMN tiếp xúc với bên ngoài, bao gồm các mạng ngoài, nhà khai thác và người sử dụng như trong hình 2.4

Ký hiệu:

NSS:mạng và hệ thống con chuyển mạch BSS: hệ thống con trạm gốc

OSS: hệ thống con khai thác MS: trạm di động

Hình 2.4 Cấu trúc chung của GSM

Như vậy, một hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau:

- Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem )

- Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)

- Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation Subsystem)

-Trạm di động MS (Mobile Station)

cộng NSS Hệ thống con chuyển mạch CSPDN Mạng số liệu công cộng chuyển

mạch theo mạch ISDN Mạng liên kết số đa dịch vụ PLMN Mạng di động công cộng mặt đất HLR Bộ ghi định vị thường trú MSC Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ

di động EIR Bộ ghi nhận dạng thiết bị MS Trạm di động

BSC Bộ điều khiển trạm gốc BSS Hệ thống con trạm gốc

2.2.3 Dịch vụ GPRS

2.2.3.1 Các dịch vụ dữ liệu hiện tại trong mạng GSM

Ngày nay có ba phương thức truyền dữ liệu thông tin bên trong mạng di

động GSM : một là sử dụng các dịch vụ truyền thông tin số không hạn chế GSM, hai là sử dụng thông tin ngắn với SMS, ba là sử dụng một dịch vụ truyền audio ở tần số 3,1 kHz Trong đó, dịch vụ truyền dữ liệu dựa trên các

hệ thống chuyển mạch kênh được sử dụng nhiều nhất Mạng di động GSM hiện tại chỉ cho phép đạt tốc độ truyền dẫn tối đa là 9,6 Kb/s qua một kênh lưu lượng TCH (nhỏ hơn rất nhiều lần con số 56,6 Kb/s mà một kết nối Internet truyền thống có thể đạt được)

Một trong những nhược điểm của mạng GSM hiện tại là thuê bao phải

sử dụng mạng điện thoại công cộng như một mạng truyền dẫn, phải trả tiền cho kết nối chuyển mạch kênh, Ngoài ra thời gian thiết lập cuộc gọi là khá dài trong trường hợp sử dụng modem để kết nối với Internet GSM không có dịch

vụ nhắn tin ngắn SMS qua Internet (một chiều), nếu có, chiều dài của bản tin nhắn bị hạn chế (160 ký tự) Việc quản lý tài nguyên không hiệu quả vì mỗi thuê bao cần một kênh lưu lượng TCH trong suốt quá trình tiến hành cuộc gọi

Với những nhược điểm kể trên, các dịch vụ dữ liệu di động sẽ không có khả năng được tung ra thị trường hàng loạt! Ngày nay với sự phát triển không ngừng của điện thoại di động cũng như các thuê bao Internet đã hứa hẹn một tiềm năng to lớn đối với thị thường dịch vụ dữ liệu không dây tế bào Trong tương lai không xa, yêu cầu đối với các dịch vụ dữ liệu sẽ trở nên rộng khắp

Đặc biệt, các thuê bao sẽ yêu cầu truy cập mạng Internet không dây tốc độ cao Do vậy, các dịch vụ dữ liệu tế bào hiện tại không đủ đáp ứng cho nhu cầu của các thuê bao

2.2.3.2 Thị trường và viễn cảnh

Trong thời đại hiện nay, không ai có thể phủ nhận các ưu điểm tuyệt vời của Internet Internet đã cung cấp cho người sử dụng các thông tin, các ứng dụng và các dịch vụ mới nhất, nhanh chóng và hiệu quả nhất với một mức giá khá hợp lý

Theo thống kê trong vài năm qua, trung bình cứ sau 9 tháng thì số lượng các trạm host Internet đã tăng gấp đôi Tiềm năng sử dụng Internet với mục đích thương mại và cá nhân không ngừng gia tăng Điều quan trọng là các nhà điều hành mạng điện thoại công cộng có khả năng đem lại các ưu

điểm của tiềm năng Internet đó hay không mà thôi Thực tế cho thấy việc sử dụng các dịch vụ số liệu phải theo phương thức chuyển mạch kênh, gây lãng phí tiềm năng mạng, nhất là phần vô tuyến Điều đó không thể đáp ứng nhu cầu đa dạng hiện nay khi đưa vào khai thác các dịch vụ thông tin hình ảnh, thương mại điện tử, trên Internet Việt Nam hiện nay, việc khai thác mạng Internet đã đưa các dịch vụ thông tin điện tử tới người sử dụng, thương mại

điện tử cũng đã được cung cấp và ngày càng thu hút số lượng khách hàng lớn Thông tin di động với kỹ thuật GSM cũng đã và đang phát triển mạnh mẽ thông qua số lượng thuê bao, vùng phủ sóng và số lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng

Do đó, khi số lượng thuê bao di động ngày một gia tăng, người ta cũng mong đợi số lượng thuê bao sử dụng mạng di động GSM để truyền dẫn cũng tăng lên một cách tỷ lệ Ngày nay (năm 2002) chỉ có từ 1% đến 2% thuê bao

di động GSM dùng các dịch vụ truyền số liệu và đến đầu năm 2005 tăng lên 15% đến 20%, các nhà điều hành mạng GPRS PLMN sẽ đưa ra ý tưởng về dịch vụ dữ liệu dựa trên việc mở rộng kinh doanh PLMN truyền thống thành các nguồn lợi tức mới như truy cập Internet và có khả năng là nhà cung cấp các dịch vụ một cách hoàn hảo nhất

Tiềm năng của GSM pha 2+

Để giải quyết những nhược điểm của mạng truyền dẫn hiện tại, hiệp hội viễn thông quốc tế ITU đã đưa ra một chuẩn chung cho thông tin di động thế

hệ 3 trong một dự án gọi là IMT-2000 Chuyển sang thế hệ 3 sẽ là tất yếu, nhưng chi phí đầu tư quá lớn nên đòi hỏi có một giải pháp quá độ mà có thể chấp nhận được cả từ phía nhà sản xuất, nhà khai thác và khách hàng Đó chính là công nghệ GSM phase 2+ mà tiêu biểu là dịch vụ vô tuyến GPRS

được chuẩn hóa bởi viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu ETSI

GPRS là một dịch vụ mới dành cho GSM nhằm cải thiện và đơn giản hóa truy cập không dây tới các mạng dữ liệu gói, ví dụ như tới mạng Internet

Nó áp dụng nguyên tắc vô tuyến gói để truyền các gói dữ liệu của người sử dụng một cách hiệu quả giữa trạm di động GSM và các mạng dữ liệu ngoài Các gói có thể được định tuyến trực tiếp từ các máy di động GPRS tới các mạng chuyển mạch Các mạng dựa trên giao thức Internet (ví dụ như mạng Internet hay các mạng intranets) và các mạng X25 đều được phiên bản hiện tại của GPRS hỗ trợ

GSM phase 2+ có hai mục đích chính Mục đích thứ nhất là đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn bằng cách kết hợp các kênh và đưa ra các kế hoạch mã hóa kênh mới Mục đích thứ hai là sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả hơn bằng cách sử dụng các gói thay vì các dịch vụ truyền dữ liệu sử dụng chuyển mạch kênh

GPRS đã khắc phục được các nhược điểm chính của thông tin chuyển mạch kênh truyền thống bằng cách chia nhỏ số liệu thành từng gói nhỏ rồi truyền đi theo một trật tự quy định và chỉ sử dụng các tài nguyên vô tuyến khi một người dùng thực sự cần phát hoặc thu Trong khoảng thời gian khi không

có số liệu nào được phát, kết nối tạm ngừng hoạt động nhưng nó lập tức kết nối lại ngay khi có yêu cầu Trong mạng GSM cũ, phải mất tới vài giây mới kết nối được và tốc độ truyền dẫn bị giới hạn, chỉ lên tới 9.6 kbit/s là cao nhất Thử nghiệm về GPRS đã cho thấy thời gian thiết lập một phiên là dưới một giây và tốc độ dữ liệu lên tới 171,2 kbit/s như mạng ISDN Thêm vào đó, truyền gói GPRS đưa ra nhiều hoá đơn người dùng “thân thiện” hơn so với các dịch vụ chuyển mạch kênh Trong các dịch vụ chuyển mạch kênh, hóa đơn dựa trên khoảng thời gian kết nối Nó không phù hợp cho các ứng dụng có lưu lượng gián đoạn Người dùng phải trả cho toàn bộ thời gian, thậm chí cho cả khoảng thời gian đợi khi không gửi bất kỳ một gói nào (ví dụ: khi người dùng

đang đọc trang Web chẳng hạn) Ngược lại, với các dịch vụ chuyển mạch gói, hóa đơn chỉ được tính dựa trên số lượng dữ liệu truyền đi hay nhận về Ưu

điểm cho người sử dụng là người đó có thể “online” trong một thời gian rất lâu

nhưng chỉ tính thời gian khi có một khối lượng dữ liệu được truyền đi hay nhận về

Thông qua việc sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến như vậy, hàng trăm khách hàng có thể đồng thời chia sẻ một băng thông và được một cell duy nhất phục vụ Tốc độ truyền dữ liệu sẽ tăng cao do các kỹ thuật nén dữ liệu được mở rộng bằng cách kết hợp các kênh lưu lượng và sử dụng mã hoá kênh mới Tốc độ tối đa theo lý thuyết là 171,2 kbps với điều kiện toàn bộ 8 khe thời gian đều được dùng cùng một lúc, gấp 10 lần so với tốc độ cao nhất của một hệ thống GSM hiện nay và gấp đôi tốc độ truy nhập Internet theo cách truyền thống

Tóm lại, GPRS đã cải thiện được việc tận dụng các tài nguyên vô tuyến,

đưa ra hoá đơn dựa trên khối lượng gửi/nhận, có tốc độ truyền dẫn cao hơn, thời gian truy cập ngắn hơn và đơn giản hóa truy cập vào mạng dữ liệu gói

14.4 kb/s

GPRS PDS GBS

CS1/ /CS4

Giảm bớt chức năng quản lý

Truyền dẫn bằng chuyển mạch kênh

Hình 2.6 Các dịch vụ dữ liệu của GSM pha 2+

Các dịch vụ dữ liệu của GSM pha 2+

cæng GGSN biªn (Boder GGSN ) CÊu tróc m¹ng GPRS thÓ hiÖn trong h×nh 2.7

BSC

PCU

VLRMSC

GsGb

M¹ng GPRS

M¹ng

®−êng trôc GPRS

SGSN

Gi÷a c¸c m¹ng PLMN

G`

BorderGGSN

Kªnh riªng

M¹ng d÷ liÖu ngoµi (IP, X.25 )

Intranet

PSPDNISDNPSTN

PCU: Packet Control Unit – Khèi ®iÒu khiÓn gãi

GGSN: Gateway GPRS Support Node – Cæng hç trî nót GPRS

SGSN: Serving GPRS Support Node – Nót hç trî dÞch vô GPRS

H×nh 2.7 CÊu tróc hÖ thèng GPRS

Chương III cơ sở nền tảng về dịch vụ và chất lượng dịch vụ

3.1 ứng dụng và dịch vụ

Người sử dụng trao đổi thông tin qua các ứng dụng, các ứng dụng được cho phép thông qua các dịch vụ bởi cơ sở hạ tầng hệ thống thông tin Song song với sự phát triển của mạng vô tuyến và sự bùng nổ của Internet, số lượng của các dịch vụ và các dịch vụ giá trị gia tăng ( ví dụ, di động được xem là một dịch vụ gia tăng giá trị của mạng vô tuyến ) của các hệ thống truyền thông vô tuyến và hữu tuyến đang ngày càng phát triển nhanh chóng và đa dạng Tuy nhiên, dịch vụ nào đáp ứng được các xu hướng trong xã hội và các yêu cầu của người sử dụng thì chắc chắn sẽ thành công Trong khi các dịch vụ

đang tồn tại sẽ vẫn giữ nguyên và vẫn sẽ là một phần trong việc cung cấp dịch

vụ của các nhà cung cấp Các mong muốn của khách hàng sẽ hướng đến các dịch vụ Multimedia băng rộng và các dịch vụ mang nhiều thông tin và yêu cầu cao về QoS

Khái niệm dịch vụ và ứng dụng được trình bày trong hình 3.1;Trong đó: + Dịch vụ là danh sách các sản phẩm mà nhà cung cấp đưa ra cho người

sử dụng lựa chọn:

Các dịch vụ là thành phần mà nhà cung cấp có thể chọn kinh doanh riêng biệt hoặc đóng gói Chúng hoàn toàn khác nhau với các nhà cung cấp dịch vụ trong môi trường mạng thế hệ mới ( Next Generation Network NGN )

và do đó người sử dụng sẽ lựa chọn nhà cung cấp dịch vụ thông qua sự lựa chọn các sản phẩm từ danh sách đề ra của nhà cung cấp

+ ứng dụng, là các khối riêng cho phép đưa ra các dịch vụ

ứng dụng trong suốt đối với người sử dụng và nó không xuất hiện trong hóa đơn tính cước của người sử dụng

+ Nội dung là các thông tin mà người sử dụng cần và sẵn sàng chi trả để

đạt được thông tin đó

+ Thiết bị cho phép người sử dụng tương tác với các ứng dụng để truy cập và sử dụng nội dung

Người sử dụng

Mạng/Thiết bị

Nhà cung cấp dịch vụ

Dịch vụ ứng dụng Nội dung

Hình 3.1 Liên hệ giữa dịch vụ và ứng dụng

Sự đa dạng của các ứng dụng với các yêu cầu về băng thông, tỷ lệ tổn thất, trễ khác nhau sẽ được hỗ trợ trong mạng vô tuyến di động thế hệ mới Ta

có thể phân loại các ứng dụng theo các yêu cầu về tốc độ, trễ và tỷ lệ tổn thất như sau:

Loại 1: Các ứng dụng băng thông nhỏ nhạy với trễ

Đòi hỏi của các ứng dụng này là thời gian thực, băng thông và tỷ lệ tổn thất nhỏ Ví dụ cho các ứng dụng này là: điện thoại tiếng nói, hội nghị thoại