LỜI MỞ ĐẦU
Khác với mạng GSM hỗ trợ chủ yếu là các dịch vụ cơ bản như thoại, SMS, data tốc độ
thấp, mạng 3G với ưu điểm của công nghệ băng rộng cung cấp cho người dùng rất nhiều dịch vụ tiện ích như các dịch vụ data tốc độ cao, ứng dụng trực tuyến, dich vụ tương tac,
nhưng ngược lại sẽ đòi hỏi cao hon về chất lượng dịch vụ, chất lượng trải nghiệm dịch vụ. Đây là bài toán quan trọng cần được nhà cung cấp dịch vụ giải quyết một cách thỏa đáng.
Hiện nay trên thế giới số lượng thuê bao 3G khoảng 4,3 tỉ trên tổng số 6,8 tỉ, chiếm 63% Tại một số quốc gia như Nhật Bản, Hàn Quốc thuê bao 3G chiếm khoảng 90% tổng số thuê bao của các nhà mạng Từ năm 2007, sự ra đời của thế hệ điện thoại thông minh như
iPhone, SamSung, và các thiết USB hỗ trợ truy cập Internet cho máy tính PC, Laptop thông qua mạng di động đã thúc đây mạnh mẽ nhu cầu người dùng sử dụng điện thoại cho
các ứng dụng tải đữ liệu (download), ứng dụng trực tuyến (streaming), duyệt web, chia sẻ tài nguyên Ngày càng nhiều người dùng có thói quen sử dụng thiết bị điện thoại di động để thực hiện những công việc mà trước đây chỉ được thực hiện trên máy tính Điều này dẫn tới
các mạng di động 3G đối mặt với thách thức tương tự như mạng cố định, đó là: sự giới hạn
về tài nguyên, băng thông, sự tắc nghẽn trên mạng và kết quả là ảnh hưởng tới chất lượng trải nghiệm đối với người dùng đầu cuối.
Kinh nghiệm từ các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu trên thé giới như
Vodafone, T-Mobile, SK Telecom, và các nhà cung cap thiết bị như Nokia Siemens,
Ericsson đều cho thấy sự bùng nỗ về nội dung và các ứng dụng giá trị gia tăng trên nền băng rộng khi dịch vụ 3G ra đời Điều này đòi hỏi phải có một hệ thống quản lý chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng cung cấp cho khách hàng.
Chính vì vậy việc nghiên cứu giải pháp và xây dựng phương án đảm bảo dịch vụ từ đầu
cuối tới đầu cuối (e2e) cho khách hàng là hết sức cần thiết.
Về nội dung, luận văn được chia làm bốn chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về giải pháp QoS trong mạng 3G UMTS
Chương 2: Trình bày về QoS trong mạng vô tuyến.
Chương 3:Trình bày về QoS trên mạng IP Core.
Chương 4:Trình bày về triển khai QoS trên mạng lõi UMTS Vinaphone.
Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Tiến Ban đã tận tình hướng dẫn và
cung cap cho em nhiêu tài liệu phục vụ việc hoàn thiện luận văn này.
Trang 2Chương 1 - GIỚI THIEU CHUNG VE GIẢI PHÁP E2E QOS
TRONG MẠNG 3G UMTS
Trước khi đi sâu vào tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật về chất lượng dịch vụ (QoS) cũng
như phương án triên khai trên thực tê, chúng ta cân năm sơ bộ vê kiên trúc mạng cũng như
một số van đề kỹ thuật liên quan đến mang 3G UMTS.
1 1 KIÊN TRÚC MẠNG 3G UMTS
Một mạng UMTS bao gồm ba thành phần chính là: thiết bị di động (User
Equipment), mạng truy cập vô tuyến UTRAN và mạng lõi (Core Network) Các thành phần này bao gồm các thành phần nhỏ kết nối với nhau như hình vẽ:
Phần này sẽ đưa ra khái niệm, kiến trúc và các thuộc tính của mô hình QoS thuộc các phiên bản khác nhau được định nghĩa bởi 3GPP từ R97/98, R99 đến các phiên bản mới nhất
hiện nay là R5,6,7.
1.2.1 Release 97 và 98 (R87/98)
QoS Release 97/98 là chuẩn được 3GPP định nghĩa để sử dụng cho các mạng GPRS/EDGE Các thuộc tính QoS chính của R97/98 bao gồm:
- Precedence class: Quy định mức ưu tiên cho các loại kênh mang dịch vụ (bearer
service) Có 3 loại là high, normal va low.
- Delay class: Quy định độ trễ truyén tin của dich vụ từ đầu cuối tới server khi truyền
qua mạng GPRS.
Trang 3- Reliablity class: Dinh nghĩa độ tin cậy cho gói tin.
- Throughput class: Định nghĩa giá trị băng thông tối đa (Peak throughput) và băng
thông thực (Mean throughput) cho PDP context.
Chuan QoS R97/98 được thiết kế dé áp dụng cho các ứng dụng phi thời gian thực
(các lớp dịch vụ interactive và background), không hỗ trợ cho các ứng dụng thời gian thực
như streaming, conversation.
1.2.2 Release 99
R99 là chuân QoS đầu tiên định nghĩa cho mạng 3G, là nâng cấp quan trọng từ hệ
thống 2G GSM R99 đưa ra mô hình QoS end-to-end bao gồm toàn bộ quá trình từ UE, qua
lớp mạng RAN/BSS, PS Core và tới các mạng IP ngoài (External networks) QoS R99 định
nghĩa chức năng cho từng thành phần tham gia vào quá trình cung cấp dịch vụ: thiết bị đầu
cuối UE, RAN/BSS, các node mạng Core GPRS và giao diện giữa chúng Tuy nhiên QoS R99 không định nghĩa tiêu chuẩn cho các giao diện MT/TE hay giao diện tới mạng IP
(external networks) Bộ tiêu chuẩn QoS này tiếp tục được phát triển trong 3GPP R5.
Trong mô hình QoS R99 end-to-end, các lớp lưu lượng được chia ra là 02 loại: theo
thời gian thực (lớp conversation, lớp streaming) và không theo thời gian thực (lớp
interactive và lớp background) Việc phân loại ra các lớp do tính chất khác nhau giữa các
ứng dụng và yêu câu của các ứng dụng.
Hình 1.3: Kiến trúc QoS R99 end-to-end [6]
Trang 4- Dịch vụ end-to-end: Dich vu end-to-end được cung cap bởi các dich vụ phía dưới, bao gồm toàn bộ quá trình từ UE tới lớp mạng ngoài (external networks).
- Dịch vụ truyền tải UMTS (UMTS bearer service): Định nghĩa các chuẩn QoS trong mạng UMTS, bao gồm lớp dịch vụ truyền tải mạng truy cập vô tuyến và lớp dịch vụ truyền
tải mang 161.
- Lớp dich vu truyền tai mạng lõi (Core Network Bearer Service): Dịch vụ nay được cung cấp trên các phan tử mạng lõi GPRS và giao diện giữa chúng Nó điều khién và tối ưu hóa các lớp mạng truyền tải bên dưới dé cung cấp dịch vụ truyền tải UMTS.
- Dịch vụ truyền tải mạng đường trục (Backbone Bearer Service): Mạng đường trục
bao gồm các lớp 1 đến lớp 3 trong mô hình OSI Mạng đường trục có thể truyền tải các loại
lưu lượng có nhu cầu QoS khác nhau, để có thê phục vụ cho từng loại ứng dụng của người dùng cuối.
- Lớp dich vụ truyền tải mạng truy cập vô tuyến (RAB service): bao gồm các chuẩn QoS quy định cho các thiết bị trên mạng vô tuyến là RNC, NodeB và các giao diện trên đó Lớp này được cung cấp bởi 02 lớp dịch vụ: Lớp dịch vụ truyền tải vô tuyến và lớp dịch vụ truyền tải truy cập RAN.
- Lớp dich vụ truyền tải vô tuyến (Radio Bearer Service): Dịch vụ này bao gồm tat ca
các vấn đề liên quan tới giao diện truyền tải vô tuyến.
- Lớp dịch vụ truyền tải truy cập RAN (RAN Accesess Bearer Service): Lớp dịch vụ
này cùng với lớp truyền tải dịch vụ vật lý (Physical Bearer Service) cung cấp các dịch vụ
kết nỗi giữa mạng truy cập vô tuyến RAN và mạng lõi CN Lớp dịch vụ này sử dụng các
dịch vu được cung cấp bởi các dịch vụ truyền tải Iu và Gb.
1.3 Kết luận
Chương I đã đưa ra cái nhìn chung nhất về cau trúc mạng 3G UMTS cũng như các thiết bị và các thành phần quan trọng trong mạng Kiến trúc E2E QoS trong mạng 3G
UMTS cũng được giới thiệu trong chương này.
Trang 5Chương 2 - QOS TRONG MẠNG VÔ TUYẾN
2.1 CAC VAN DE QOS TRONG MẠNG VÔ TUYẾN
Như đã biết, dé dam bảo chất lượng dịch vu end-to-end cho thiết bị đầu cuối thì tat cả các thiết bi mạng tham gia vào quá trình cung cấp dich vụ đều phải bắt tay với nhau và dam bảo được QoS Đầu tiên QoS sẽ được định nghĩa cho từng thuê bao sử dụng dịch vụ tai Core
Network Khi thuê bao gửi yêu cầu sử dụng dịch vụ, CN sẽ thỏa thuận với mạng vô tuyến UTRAN, thiết bị đầu cuối dựa vao các tham số QoS đã được định nghĩa Nếu quá trình thỏa
thuận thành công, thuê bao đó sẽ được cấp một tập các thuộc tính QoS đã được thống nhất bởi các node mạng Quá trình thiếp theo, tất cả các node mạng bao gồm các node mạng
phần vô tuyến Sẽ cung cấp dịch vụ cho thuê bao dựa vào các giá trị QoS đó.
Tại phan vô tuyến, tinh năng quan lý QoS được sử dụng dé thực thi các giá trị QoS
đã được thỏa thuận cho thuê bao Quá trình thực hiện tính năng quản lý QoS diễn ra như
1 Mạng lõi CN gửi các tham số QoS đã được thỏa thuận cho thuê bao tới RNC trên
giao diện Iu.
2 Dựa vào các kịch bản quan ly QoS, RNC sé anh xạ các thuộc tinh QoS nhận đượctừ mạng CN thành các thuộc tính trong mạng ƯTRAN sử dụng cho RNC và NodeB Sau đó
RNC sẽ gửi một số thuộc tính QoS cho NodeB.
3 Dựa vào các thuộc tinh này và dựa vào các kịch ban quản lý QoS, RNC va NodeB
sẽ thực hiện các kỹ thuật quản lý cấp phát tài nguyên (Resource allocation and management), kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) và kỹ thuật quản lý tài nguyên
truyền tải (TRM) để cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau cho mỗi loại thuê bao khác
nhau.
Trang 6NBAP (hub) and RNSAP (lur) _
_8cheduling priority indicator (SPI)
‘SPI weight
Maximum bit rate (MBE)
‘Guaranteed bit rate (GBR)
Happy bit rate (HBR)
Discard timer
RANAP (lu)Traffic class
.Allocatlon/retention priority (ARP)Maximum bit rate (MBR).
Guaranteed bit rate (GBR)
‘Transfer delay :
Hình 2.1: Các kịch ban quan lý QoS [8]
2.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM)
Việc quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) trong mạng UMTS có nhiệm vụ cải thiện
việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến Các mục dich của công việc quản lý tài nguyên vô
tuyến RRM có thể tóm tắt như sau:
- Đảm bảo QoS cho các dịch vụ khác nhau.
- Duy tri vùng phủ sóng đã được hoạch định.
- Tối ưu dung lượng hệ thống.
Đối với các mạng 3G, việc phân bé tài nguyên và định cỡ quá tải của mạng không còn khả thi nữa do các nhu cầu khó dự đoán trước và các yêu cầu khác nhau của các dịch vụ khác nhau Vì thế, quản lý tài nguyên bao gồm 2 phần: đặt cấu hình và đặt lại cấu hình tài nguyên vô tuyến, cụ thể:
- Việc đặt cấu hình tài nguyên vô tuyến có nhiệm vụ phân phát nguồn tài nguyên một
cách hợp lý cho các yêu cầu mới đến hệ thống dé cho mạng không bị quá tai và duy trì tính én định Tuy nhiên, nghẽn có thể xuất hiện trong mạng 3G vì sự di chuyên ngẫu nhiên của
người sử dụng.
- Việc đặt lại cấu hình có nhiệm vụ cấp phat lại nguồn tài nguyên trong phạm vi của
mạng khi hiện tượng nghẽn bắt đầu xuất hiện Chức năng này có nhiệm vụ đưa hệ thống bị
quá tải trở vê lưu lượng tải mục tiêu một cách nhanh chong và có thê điêu khiên được.
Trang 7RRM chia ra làm các phần chính sau: Quản lý công suất (Power Control:PC), Quản lý chuyển giao (Handover Control), quản lý truy cập (Admistion Control: AC), quản lý tải
(Load Control: LC) và lập lịch (Packet Scheduling: PS).
Quản lý công suất được thực hiện trên mỗi kết nối, nhằm đảm bảo độ nhiễu là nhỏ nhất Quá trình chuyển giao là vô cùng quan trọng trong mạng di động do việc đi chuyên
của các thiết bị đầu cuối giữa các vùng biên cell Việc quản lý chuyên giao cũng được thực
hiện trên mỗi kết nối Các chức năng quản lý try cập (AC), quản lý tải (LC) và lập lịch (PS)
thực hiện trên từng Cell dùng dé đảm bao QoS và tối ưu hóa thông lượng trên một cell đối
với các yêu cầu chất lượng khác nhau của ứng dụng 2.3 Quản lý tài nguyên truyền tải (TRM)
Quan lý tài nguyên truyền tải (TRM) là kỹ thuật được sử dụng dé quản lý tài nguyên kênh truyền trên các giao diện trong mang RAN bao gồm Iub, Iur, Iu-CS, Iu-PS TRM ánh xạ các loại dịch vụ với các yêu cầu QoS khác nhau vào các loại kênh truyền tương ứng với các mức độ ưu tiên khác nhau Đây là một kĩ thuật quan trọng dé dam bao QoS và phân loại
chất lượng cho các loại thuê bao khác nhau, các loại dich vụ khác nhau TRM được thực thi
trên các thiết bị RAN sử dụng hai công cụ là độ ưu tiên truyền tải (Transport priority) và
QoS theo dịch vụ (service QoS).
2.3.1 Độ ưu tiên truyền tải
Độ ưu tiên truyền tải được thực thi bởi các nguyên lý: Differentiated Service Code
Point (DSCP), độ ưu tiên Virtual Local Area Network (VLAN) và Ưu tiên hàng đợi
(Priority Queue).
2.3.2 QoS theo dịch vụ
QoS theo dich vụ được phân thành các loại sau:
- Traffic class tại lớp vô tuyến: Dịch vụ conversation, dịch vụ streaming, dịch vụ
interactive, dich vụ background.
- Độ ưu tiên thuê bao (user priority): Dich vu của cùng một lớp được phân biệt với nhau
dựa vào giá trị ARP Giá trị ARP này là giá trị của mạng lõi CN và được gán cho mỗi thuê
bao Có 03 loại thuê bao khác nhau dựa vào giá trị ARP là vàng, bạc, đồng.
- Phân loại theo THP (traffic handling priority): Dịch vụ của loại lưu lượng interactive
với giá trị ARP giống nhau được phân biệt dựa vào giá trị THP THP được chia làm ba loại
là high priority, middle priority va low priority.
Trang 82.4 Anh xa thuộc tinh QoS vào mang RAN
Dé triển khai các công cu RRM và TRM trong mang truy cập vô tuyến, trên các thiết
bị mạng UTRAN sé sử dụng thuật toán ánh xạ thuộc tính QoS dé chuyén đổi các thuộc tinh
QoS nhận được từ mạng CN thành các thuộc tính QoS sử dụng trong mạng UTRAN Thuật
toán ánh xạ thuộc tính QoS được mô tả như sau:
CN d Sia Scheduling
= of! parameters Flow: control
DRNC NodeB
Hình 2.2: Chuyén déi thuộc tinh QoS vào mang RAN [10]
Tham sé đầu vao của thuật toán là các giá trị QoS nhận được từ mang lõi CN, giá tri đầu ra của thuật toán là các giá trị QoS cho phần vô tuyến (Radio parameters) và giá trị QoS
cho phan truyền tai (transport parameters) 2.5 Két Luan
Như đã biết, dé đảm bao chất lượng dịch vụ end-to-end cho thiết bị đầu cuối thì tất cả các thiết bị mạng tham gia vào quá trình cung cấp dịch vụ đều phải bắt tay với nhau và đảm
bảo được QoS Đầu tiên QoS sẽ được định nghĩa cho từng thuê bao sử dụng dịch vụ tại Core Network Khi thuê bao gửi yêu cầu sử dụng dịch vụ, CN sẽ thỏa thuận với mạng vô tuyến
UTRAN, thiết bị đầu cuối dựa vào các tham số QoS đã được định nghĩa Nếu quá trình thỏa thuận thành công, thuê bao đó sẽ được cấp một tập các thuộc tính QoS đã được thống nhất bởi các node mạng Quá trình thiếp theo, tất cả các node mạng bao gồm các node mạng phần vô tuyến sẽ cung cấp dịch vụ cho thuê bao dựa vào các giá trị QoS đó.
Trang 9Chương 3 - QOS TREN MẠNG IPCORE
3.1 Các mô hình thực thi QoS trong mạng IP
Chất lượng dịch vụ là quá trình tổng thê đầu cuối tới đầu cuối Dam bảo chất lượng dịch vụ tại lớp mạng truyền tải đường trục đóng vai trò quan trọng đối với quá trình đảm bảo QoS toàn trình Các nhà cung cấp dich vụ có thé sử dụng các công nghệ truyền tải khác nhau như ATM, IP, MPLS, TDM truyền thống cho lớp mạng truyền tải đường trục 3GPP
không mô tả yêu cầu kỹ thuật cho mạng này, do đó việc lựa chọn công nghệ do nhà khai
thác dịch vụ viễn thông quyết định Trong phần này chúng ta tập trung đề cập tới vấn đề QoS trong mang IP, MPLS vi đây là hai công nghệ chính được sử dụng phô biến hiện nay
cho mạng đường trục.
Với mạng đường trục sử dụng công nghệ IP truyền thống, IETF đề xuất 2 mô hình
quản lý chất lượng dịch vụ, mô hình Diffentiated Services (DiffServ) và mô hình Intergrated
Services (IntServ) Mô hình IntServ thực hiện việc đảm bảo tài nguyên băng thông dựa trên
giao thức báo hiệu Mô hình này có nhược điểm là phức tạp và không hiệu quả cho các
mạng lớn.
Mô hình dịch vụ phân biệt Diffserv
Diffserv không được định nghĩa bởi các chuẩn 3GPP mà được định nghĩa bởi một số tiêu chuẩn thuộc hệ thông IETF (RFCs) DiffServ dựa trên việc gan nhãn gói tin tại lớp biên va thực hiện hành động QoS tại các hop trên đường truyền dựa trên nhãn gói tin DIffServ
có tính mở rộng tốt hơn mô hình IntServ Nhược điểm của DiffServ đó là nó chỉ cung cấp
cơ chế QoS mềm, nó thực hiện đối xử, phân biệt một gói tin trên cơ sở so sánh với gói tin khác Khi mà mạng có quá nhiều lưu lượng ưu tiên sẽ dẫn đến chất lượng cho các loại lưu
lượng con lại bi suy giảm.
Diffserv cung cấp các loại dịch vụ khác nhau dựa trên cơ chế phân loại lưu lượng theo tính chất của loại lưu lượng Hai tham số chính được sử dụng trong mô hình này là DSCP và PBH được định nghĩa bởi các chuẩn RFC 2474 và RFC 2475.
DSCP (Differentiated services Code Point)
Sử dung mô hình QoS DiffServ cho việc tương tac giữa lớp vô tuyến di động với lớp đường trục truyền tải là thích hợp Các lớp dịch vụ UMTS của kết nối sẽ được ánh xạ vào
các giá trị DSCP khác nhau Theo chuan IETF, có 6-bit cho việc đánh dấu DSCP tương ứng
với 64 loại dịch vụ khác nhau.
Trang 10PBH (Per Hop Behaviors):
Sau khi gói tin được phân loại và gán giá trị DSCP, các gói tin có cùng giá trị DSCP
được nhóm thành một loại và kết hợp với tham số chiều đi tương ứng của bản tin sẽ hình thành một PBH Như vậy gói tin của nhiều ứng dụng khác nhau, của nhiều nguồn khác nhau
sẽ có thê được gan vao cùng một PBH.
BA AF11 kướng: ‘sup 23 QueLle for AF1x
sian mismm F H7 (Bronze Class) BA AF12 mm
Các loại PBH chính như sau:
e Default PBH:Được gan cho các ban tin có giá trị DSCP bằng “000000” Với loại lưu lượng này, mạng truyền tải sẽ đáp ứng tối đa yêu cầu dựa vào tài nguyên của nó.
e Expedited Forwarding (EF) PHB: Được gan cho các dịch vụ yêu cầu về mat gói
thấp, độ trễ thấp, nhảy trễ thấp (low-loss, low-latency, low-jitter), như thoại, video
và các dịch vụ trực tuyến Giá trị DSCP được gán cho các bản tin loại này là
101110B (46 thập phân hay 2EH hệ hexa).
e Assured Forwarding (AFxy) PHB: Đây là loại PBH chủ yêu được sử dụng để phân
loại và cung cấp dịch vụ cho các đối tượng khách hàng khác nhau trên mạng UMTS Vị dụ, lưu lượng có thể được chia thành 03 loại là vàng, bạc, đồng với loại vàng sẽ được ưu tiên 50% băng thông, vàng ưu tiên 30% băng thông và đồng được ưu tiên
20% băng thông AFxy được chia thành 04 loại AFx là AFI, AF2, AF3, AF4 Mỗi
loại sẽ được ấn định một lượng bộ nhớ đệm, và băng thông trên các giao diện khác nhau tùy thuộc vào việc cau hình SLA AFy định nghĩa 03 loại với 03 mức độ drop
gói tin khác nhau.