Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đánh giá giao thức thương lượng và tái thương lượng chất lượng dịch vụ trong mạng UMTS

Với phạm vi khảo sát của đề t i, cơ chế và cách thức của quá trình thương lượng, tái thương lượng QoS trong mạng UMTS được tìm hiểu, trong đó kết quả mô phỏng tập trung khảo sát việc quả

CÁC CƠ SỞ LÍ THUY T

MẠNG TRUY NH P UTRAN

H nh 2.4: Kiến trúc mạng truy nhập UMTS (UTRAN)

So với mạng GSM/GPRS, mạng UMTS cho phép tốc độ truyền dữ liệu lớn, việc sử dụng băng thông hiệu quả, nhờ ứng dụng công nghệ WCDMA trong mạng truy cập vô tuyến UTRAN

Mạng truy nhập UTRAN có 04 giao diện chính:

• Giao diện Uu: là giao diện giữa thiết bị đầu cuối UE với NodeB Giao diện Uu còn gọi là giao diện vô tuyến trong mạng truy cập UMTS

• Giao diện Iub: là giao diện giao tiếp giữa NodeB và RNC Khác với GSM, Iub trong mạng UTRAN là giao diện mở

• Giao diện Iur: dùng để giao tiếp giữa hai RNC với nhau Đây l một giao diện mới so với mạng GSM, giúp hỗ trợ mobile khi đang trong tình trạng handover mềm

Trang 7 sang một NodeB khác đang đƣợc điều khiển bởi một RNC khác mà không cần đến sự tham gia của mạng Core

• Giao diện Iu: đây l giao diện tương tác giữa RNC và mạng Core

2.2.1 Các thành phần hệ thống mạng con vô tuyến (RNS)

NodeB: cung cấp kênh truyền vô tuyến giữa thiết bị đầu cuối với mạng UMTS

Các chức năng quan trọng đƣợc thực hiện bởi NodeB là:

• Mã hoá kênh truyền (Channel Coding)

• Tương thích tốc độ (Rate Matching)

• Trải phổ/Giải trải phổ (Spreading/Despreading )

• Điều khiển công suất lặp nội (Inner-loop power control) Điều khiển mạng vô tuyến (RNC): điều khiển một hoặc nhiều NodeB Các chức năng quan trọng của RNC là:

• Quản lí tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management)

• Điều khiển chuyển giao cuộc gọi (Hand-over control)

• Kiểm soát cuộc gọi (Admission control)

• Điều khiển công suất vòng lặp ngoại cho đường lên/ xuống (Downlink power control and uplink outer loop power control)

2.2.2 Các giao thức trong mạng truy nhập UTRAN

H nh 2.5: Mô hình giao thức tổng quan của mạng truy nhập UTRAN

• Theo chiều ngang, bao gồm hai tầng chính: tầng vô tuyến và tầng vận chuyển

Tất cả các vấn đề liên quan đến UTRAN hầu nhƣ tập trung ở tầng mạng vô tuyến Tầng vô tuyến bao gồm các giao thức đƣợc thiết kế đặc biệt cho hệ thống UMTS, giải quyết các vấn đề trong việc quản lý và sử dụng tài nguyên kênh truyền vô tuyến (RABs) Các giao thức tầng mạng vô tuyến thì độc lập với công nghệ sử dụng trong tầng vận chuyển, do đó m các công nghệ n y đƣợc chọn lựa sao cho không làm thay đổi bất kì các tiêu chuẩn của mạng UTRAN

Tầng mạng vận chuyển chịu trách nhiệm cho việc quản lí và sử dụng tài nguyên kênh truyền vận, nhƣ l thiết lập, duy trì và giải phóng các kênh truyền vận (transport bearer)

• Theo chiều dọc: cấu trúc giao thức mạng UTRAN đƣợc chia làm hai tầng:

- Tầng điều khiển (Control plane) bao gồm các giao thức liên can đến việc thiết lập tín hiệu và ứng dụng, nhƣ l NBAP, ALCAP, RNSAP, RANAP

- Tầng dữ liệu (User plane): trong khi tầng điều khiển chịu trách nhiệm về phần thiết lập tín hiệu, thì tầng dữ liệu liên quan đến việc xử lí và truyền tải dữ liệu người dùng trong hệ thống UTRAN

2.2.3 Ngăn xếp giao thức UTRAN Để hiểu rõ hơn các giao thức trên, ngăn xếp giao thức UTRAN đƣợc trình bày như dưới đây:

H nh 2.6: Ngăn xếp giao thức UTRAN

Cấu trúc giao thức UTRAN đƣợc chia theo chiều dọc thành "tầng truy cập” (Access Stratum) và "tầng không truy cập" (Non-Access Stratum), và theo chiều ngang thành một "mặt phẳng quản lí” (Control plane) v "mặt phẳng dữ liệu" (User plane) Giao

Trang 9 thức thuộc lớp 1 và 2 thuộc tầng truy cập, còn giao thức lớp ba thì chia l m đôi, một phần thuộc cùng tầng truy cập với lớp 1 và 2, một phần thuộc tầng không truy cập

Trong lớp 2 và 3 thì mặt phẳng quản lí và mặt phẳng dữ liệu đƣợc thực hiện trên các kênh truyền riêng biệt Trong lớp 1, một số kênh chỉ mang thông tin của mặt phẳng điều khiển, trong khi một số kênh khác thì đƣợc sử dụng chung cho cả hai mặt phẳng

Lớp 2 đƣợc chia thành các lớp con:

• MAC (Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường)

• RLC (Radio link Control: điều khiển liên kết vô tuyến)

• PDCP (Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ dữ liệu gói)

• BMC (Broadcast/Multicast Control: điều khiển quảng bá/đa phương) Trong mặt phẳng C, lớp 3 đƣợc chia thành nhiều lớp nhỏ hơn, trong đó lớp con thấp nhất l RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) dùng để giao tiếp với lớp 2 Lớp con cao hơn liên quan đến điều khiển tín hiệu và thuộc về phần mạng Core network, ví dụ nhƣ l MM (Mobility Management) v CC (Connection Management), GMM (GPRS Mobility Management), SM (Session Management) Lớp 3 không tồn tại trong mặt phẳng dữ liệu U plane cũng nhƣ giao thức PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U plane

Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến, sử dụng các kênh vật lí để truyền dẫn Ở mạng truy cập UTRAN, có 3 dạng kênh truyền:

• Kênh lôgic: tương ứng với đặc tính của từng loại thông tin truyền trên giao diện vô tuyến Thường kênh logic được chia làm hai dạng: kênh điều khiển và kênh dữ liệu

• Kênh truyền tải: cho biết thông tin đƣợc truyền đi nhƣ thế nào trên giao diện vô tuyến Có hai dạng kênh truyền tải: kênh truyền tải chung và kênh truyền tải riêng

• Kênh vật lí: là tài nguyên vô tuyến, đƣợc xác định bằng một tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên hoá (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên) Kênh vật lí chỉ có ở giao diện vô tuyến như hình 2.7 mô tả dưới đây:

H nh 2.7: Các loại kênh truyền trong mạng UTRAN

I N TR C QoS TRONG MẠNG UMTS

H nh 2.8: Kênh truyền UTRAN ánh xạ ở hai đường downlink và uplink Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến từ lớp cao xuống lớp vật lý, các lớp cao phải chuyển các thông tin n y đến lớp MAC thông qua các kênh logic Sau đó, lớp MAC sắp xếp các thông tin nhận đƣợc lên các kênh truyền tải để đến lớp vật lý Cuối cùng lớp vật lý mới sắp xếp các thông tin này lên các kênh vật lý và truyền ra ngoài không khí

2.3 KIẾN TR C QoS TRONG MẠNG UMTS 2.3.1 Mô hình QoS trong mạng UMTS

H nh 2.9: Mô hình chất lƣợng dịch vụ đầu cuối (End to End QoS ) [6]

Trên hình 2.9, để ứng dụng đến đuợc điểm đầu cuối người dùng, luồng dữ liệu truyền tải phải đi qua nhiều phân đoạn mạng khác nhau Do đó, muốn đảm bảo chất lƣợng dịch vụ toàn phần end-to-end QoS, thì phải kết hợp đảm bảo QoS cho từng phân đoạn mạng (phân đoạn mạng cục bộ, mạng UMTS và mạng ngoài internet)

Theo [2], thiết bị đầu cuối TE đƣợc kết nối với mạng UMTS thông qua thiết bị di động ME và đƣợc đảm bảo chất lƣợng dịch vụ thông qua kênh truyền dữ liệu cục bộ (MT/TE Local Bearer Service)

Việc khảo sát ở đây tập trung chính ở phần đảm bảo chất lƣợng dịch vụ mạng UMTS đƣợc cung cấp bởi dịch vụ kênh truyền dữ liệu UMTS (UMTS bearer service), vì phần mạng cục bộ và mạng internet bên ngoài nằm ngoài phạm vi của mạng UMTS

Việc phân tầng dịch vụ UMTS theo từng phần mạng gi p cho người dùng có thể thuận lợi hơn khi thương lượng (negotiate), tái thương lượng (renegotiate) tài nguyên mạng dựa trên cấp độ yêu cầu QoS, yêu cầu về băng thông của ứng dụng và tài nguyên sẵn có của mạng

2.3.1 Chất lƣợng dịch vụ kênh truyền dữ liệu của mạng UMTS (UMTS bearer QoS )

UMTS Bearer QoS bao gồm hai thành phần quan trọng:

2.3.1.1 Chất lƣợng dịch vụ kênh truyền phần mạng vô tuyến (RAB QoS)

RAB đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong việc thiết lập tín hiệu (signalling) và truyền tải dữ liệu người dùng giữa MT và nút cạnh của mạng Core (SGSN) với chất lượng dịch vụ đã được thương lượng hoặc với chất lượng dịch vụ mặc định

Do đó RAB đƣợc cấu thành từ hai thành phần kênh truyền dữ liệu giao diện vô tuyến Uu (RB) và kênh truyền dữ liệu giao diện NodeB và RNC (Iu bearer)

• Kênh truyền dữ liệu của giao diện vô tuyến (RB) chịu trách nhiệm đảm bảo các yêu cầu chất lƣợng của giao diện vô tuyến (Air interface); trong đó Radio Network Controller (RNC) sẽ đảm nhận phân phối tối ƣu các t i nguyên vô tuyến dựa trên yêu cầu từ mạng Core

• Dịch vụ kênh truyền dữ liệu của giao diện Iu (Iu bearer) thì chịu trách nhiệm đảm bảo các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ cho tầng vận chuyển từ mạng UTRAN đến mạng Core, với nhiều dịch vụ khác nhau tương ứng với sự đa dạng về yêu cầu chất lƣợng dịch vụ của các ứng dụng

2.3.1.2 Chất lƣợng dịch vụ kênh truyền dữ liệu phần mạng lõi (Backbone Bearer

QoS) Đây l phần chất lƣợng dịch vụ trong nội bộ mạng lõi Core, và không mang tính chất đặc trƣng cho mạng UMTS Vì việc đảm bảo chất lƣợng dịch vụ ở phần này sẽ tái sử dụng các tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ đã có trước đây Cụ thể là mạng Core sử dụng chuyển mạch gói dựa trên nền tảng IP, vậy nên cơ chế chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP nhƣ l DiffServ v RSVP sẽ đƣợc sự dụng trong phần mạng này

2.3.2 Chất lƣợng dịch vụ kênh truyền dữ liệu mạng bên ngoài (External Bearer QoS)

Phần n y đảm bảo sự tương tác giữa các thỏa thuận QoS của mạng bên ngoài với mạng UMTS, v đựợc chịu trách nhiệm bởi GGSN - cửa ngõ của mạng UMTS và mạng bên ngoài Ở đây mạng bên ngoài chủ yếu là mạng internet nên sẽ sử dụng các tiêu chuẩn v cơ chế QoS của mạng IP

2.3.2 Các lớp dữ liệu trong mạng UMTS và thuộc tính chất lƣợng dịch vụ QoS

2.3.2.1 Phân loại các lớp traffic trong mạng UMTS Dữ liệu chuyển mạch gói (Packet-switched traffic): là những ứng dụng không phải thời gian thực v thường sử dụng giao thức vận chuyển TCP Điển hình của lớp này là các dịch vụ internet, nhƣ l truy cập web hoặc truyền tải dữ liệu FTP

Dữ liệu chuyển mạch mạch (Circuit-switched traffic): tương ứng với các ứng dụng thời gian thực, có độ trễ thấp, tỉ lệ mất gói nhỏ nhƣ: voice, audio, video Các ứng dụng này sử dụng kênh truyền dành riêng nhằm đảm bảo băng thông tối thiểu đƣợc đáp ứng cho các loại ứng dụng này

Hai loại dữ liệu trên đƣợc xác định nhƣ l hai lớp dữ liệu chính trong mạng UMTS hiện tại Theo [2], hai loại dữ liệu này được chia thành bốn lớp dịch vụ tương ứng với yêu cầu khác nhau về QoS Bốn lớp đó l :

• Lớp hội thoại (Conversation Class)

• Lớp dữ liệu luồng (Streaming Class)

• Lớp dữ liệu tương tác (Interactive Class)

• Lớp dữ liệu nền (Background Class) Trong đó, điểm khác biệt chính của 4 lớp dịch vụ này nằm ở mức độ nhạy cảm về độ trễ của các gói tin

Bảng 1: Các lớp QoS trong mạng UMTS [7]

Lớp hội thoại có độ nhạy trễ cao nhất, trong khi đó lớp dữ liệu nền có độ nhạy trễ thấp nhất Lớp hội thoại và lớp dữ liệu luồng yêu cầu d nh trước một lượng băng thông nhất định, hai lớp n y đều liên quan đến ứng dụng thời gian thực nhƣ video, thoại

QUẢN L CHẤT LƯ NG D CH V UMTS

Chức năng phiên dịch (Translation function)

Chức năng "Translation" tại thiết bị đầu cuối MT và cổng gateway GGSN sẽ chuyển đổi giữa các yêu cầu về dịch vụ bao gồm các thuộc tính QoS của mạng nội bộ UMTS với các thông số QoS tương ứng của các giao thức điều khiển mạng dịch vụ bên ngoài.

Chức năng quản lí dịch vụ (Bearer service manager)

"UMTS BS Manager" kết hợp với "RAB Manager" sẽ đảm nhận vai trò quản lý các chức năng của mặt phẳng điều khiển nhƣ l thiết lập, điều chỉnh, duy trì chất lƣợng dịch vụ của ứng dụng đang kết nối Mỗi dịch vụ quản lí kênh truyền là một tập hợp những dịch vụ quản lí riêng biệt trên các thành phần nút mạng, bao gồm UMTS, phần vô tuyến, giao diện Iu, và mạng core.

Kiểm soát đăng nhập (Admission control)

Chức năng "Admision/Capabiltiy" sẽ chịu trách nhiệm duy trì các thông tin về các t i nguyên chƣa cấp phát cũng nhƣ các t i nguyên đã đƣợc phân bổ cho các dịch vụ UMTS Ứng với yêu cầu tài nguyên từ mỗi dịch vụ, Admision/Capabiltiy sẽ quyết định dịch vụ nào sẽ đƣợc cấp phát tài nguyên và sẽ d nh riêng t i nguyên đó cho các dịch vụ đã đƣợc chấp nhận

Việc kiểm soát đăng nhập trong SGSN có trách nhiệm cuối cùng trong việc chấp nhận hay từ chối việc kích hoạt PDP context cũng nhƣ các yêu cầu QoS của dịch vụ đó

GGSN và UTRAN sẽ kiểm tra lại khả năng của chúng có thể cung cấp tài nguyên cho dịch vụ tương ứng với QoS đã được chấp nhận trong PDP context.

Kiểm soát thuê bao (Subcription control)

Kiểm tra quyền đăng ký của thuê bao sử dụng dịch vụ tương ứng với yêu cầu cụ thể về QoS Mỗi dịch vụ quản lý UMTS có thể tham khảo kết quả của kiểm soát đăng nhập (Admission control) trước khi cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng Riêng dịch vụ quản lí UMTS trong 3G-GGSN còn có thể tham chiếu đến các kết quả thực thể kiểm soát thuê bao

Mặt phẳng Dữ liệu

H nh 3.3: Các chức năng quản lí dịch vụ QoS của UMTS trong mặt phẳng dữ liệu

Mặt phẳng dữ liệu gồm bốn chức năng: đánh dấu dữ liệu, phân loại dữ liệu, quản lý t i nguyên v điều phối lưu lượng

Các chức năng n y đƣợc sử dụng để duy trì các đặc tính truyền dữ liệu theo đ ng cam kết đã đƣợc xác định bởi mặt phẳng điều khiển

3.2.1 Chức năng liên kết dữ liệu (Mapping function): mỗi gói tin đƣợc đánh dấu với một mức QoS mong muốn cho gói tin đó truyền trên kênh truyền Chức năng n y đƣợc đặt ở UTRAN và Gateway

3.2.2 Chức năng phân loại dữ liệu (Classifcation function)

Mỗi gói tin sẽ đƣợc phân loại dựa trên mức QoS của từng ứng dụng trong trường hợp người dùng sử dụng nhiều dịch vụ UMTS cùng một lúc Sự phân loại này đƣợc trích ra từ tiêu đề gói tin hoặc dựa trên tính chất đặc điểm của từng ứng dụng

3.2.3 Quản lí tài nguyên (Resource manager)

Phân phối các tài nguyên sẵn có trong mạng cho tất cả các dịch vụ mà chia sẻ chung một t i nguyên đó tùy theo mức yêu cầu QoS

Quản lí tài nguyên bao gồm việc quản lí băng thông, lập lịch (scheduling) và kiểm soát công suất

3.2.3 Điều phối lưu lượng (Traffic conditioner)

Cung cấp sự cân đối giữa yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS đã được thương lượng với lưu lượng dữ liệu Phần điều phối lưu lượng đầu tiên là phần thiết lập chính sách (policing), phần này sẽ so sánh lưu lượng dữ liệu truy cập với các thuộc tính QoS liên quan và phần định hình lưu lượng (Traffic shaping performs) sẽ định dạng lại lưu lượng dữ truyền trong kênh truyền tương thích với điều kiện cho phép của tài nguyên dựa trên các yêu cầu QoS của các ứng dụng đó

Thuật toán sử dụng ở đây l “Token Bucket Algorithm” Điều phối lưu lượng sẽ cung cấp sự tương thích giữa lưu luợng kênh truyền với các yêu cầu QoS tại MT cho đường lên (uplink) và tại gateway GGSN cho đuờng xuống (Downlink)

3.3 Cơ chế thương lượng và tái thương lượng QoS

Theo [13], chi tiết cơ chế quản lý QoS đƣợc mô tả dựa trên các chức năng quản lí QoS cùng với sự tương tác trực tiếp của việc kiểm soát hồ sơ người dùng (User profile Control), kiểm soát mạng (network control), kiểm soát đường truyền lên và xuống

(Uplink and Downlink Controller) theo trình tự sau:

• Bước 1: Lấy Kịch bản của dịch vụ đa phương tiện Video conference bao gồm nhiều luồng dữ liệu nhƣ audio, video, dữ liệu file, mạng UMTS sẽ trích lọc thông tin từ hệ cơ sở dữ liệu của người dùng (User Profile) để biết được mức độ yêu cầu chất lượng dịch vụ m người dùng mong muốn từ mỗi loại dữ liệu độc lập

• Bước 2: Từ những thông tin ban đầu này, mạng UMTS sẽ khởi tạo quá trình thương lượng chất lượng dịch vụ QoS Mục đích của quá trình thương lượng này là luôn cố gắng đạt đƣợc mức độ chất lƣợng dịch vụ cao nhất dựa trên nguồn tài nguyên hiện tại đang còn trống trong mạng mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của các người dùng đang kết nối

• Bước 3: hi người dùng kích hoạt một ứng dụng dịch vụ mới, thì thực thể đầu tiên mà mạng UMTS sử dụng để quản lý QoS là chức năng phiên dịch (Translation) Chức năng n y đƣợc đặt ở thiết bị đầu cuối MT dùng để chuyển đổi những yêu cầu ứng dụng từ phía người dùng sang những thuộc tính điển hình của mạng UMTS

• Bước 4: Những thuộc tính đã được chuyển đổi này sẽ được gửi đến thực thể UMTS BS Manager, tại MT, để thiết lập hoặc điều chỉnh dịch vụ kênh truyền

• Bước 5: Mỗi UMTS BS Manager tại MT sẽ tương tác với thực thể UMTS BS Manager tương ứng tại nút mạng CN Edge (SGSN) và nút mạng cổng Gateway

(GGSN), kết hợp với việc kiểm soát chức năng đăng nhập (Admission/Capabiltiy Control) để kiểm tra khả năng đáp ứng của mạng cũng nhƣ tính khả dụng của dịch vụ đƣợc yêu cầu

• Bước 6: Cùng l c đó, UMTS BS Manager tại nút mạng CN EDGE sẽ kiểm tra tính hợp lệ của người dùng đối với dịch vụ yêu cầu thông qua chức năng kiểm soát thuê bao (subcription control)

• Bước 7: Nếu ứng dụng hợp lệ, thì UMTS BS Manager tại nút mạng CN EDGE sẽ liên lạc với chức năng kiểm soát cuộc gọi nhập để kiểm tra lƣợng tài nguyên mạng còn trống

• Bước 8: Sau đó, UMTS BS Manager tại nút mạng CN EDGE sẽ chuyển đổi những thuộc tính UMTS BS thành các thuộc tính RAB trong mạng UTRAN

Tương tự, thực thể UMTS BS Manager của mạng UTRAN sẽ liên lạc với chức

Trang 19 năng kiểm soát đăng nhập để kiểm tra lƣợng tài nguyên còn trống trong mạng UTRAN

• Bước 9: Mỗi thực thể UMTS BS Manager sẽ chuyển đổi những thuộc tính của nó sang các thuộc tính của lớp dưới để tiếp tục cung cấp chất lượng dịch vụ ở tầng thấp hơn

• Bước 10: Nếu một trong các quá trình này không thành công, thì yêu cầu dịch vụ cụ thể đó sẽ bị từ chối Ngƣợc lại, nếu tất cả các phân mạng đều đƣợc cấp phát tài nguyên thì bản tin báo hiệu thành công của quá trình thương lượng chất lượng dịch vụ sẽ được gửi đến người dùng

3.4 Quá tr nh thương lượng QoS (QoS Negotiation Procedure)

H nh 3.4: Tiến tr nh thương lượng RAB QoS trong quá trình thiết lập RAB cho miền

Trong nội bộ mạng UMTS, QoS đƣợc thiết lập thông qua thủ tục kích hoạt gói giao thức dữ liệu (Packet Data Protocol (PDP) Context Activation)

Các thiết bị đầu cuối (UE) sẽ gửi một bản tin yêu cầu kích hoạt PDP Context (Active PDP Context Request message) đến SGSN với những yêu cầu rõ ràng về QoS đƣợc xác định trong các thông số đính kèm ở bản tin.Với những thuộc tính QoS này, các

UMTS QoS signalling

Tín hiệu QoS (QoS signaling) là cách thức mà các yêu cầu về QoS đƣợc trao đổi, thiết lập giữa các nút mạng với nhau Để cung cấp end-to-end QoS, các yêu cầu QoS cần phải đƣợc trao đổi giữa các nút liên mạng Phần UMTS Bearer QoS thì yêu cầu tín hiệu QoS thiết lập giữa các thành phần trong mạng UMTS: UE, SGSN, RNC và Gateway GGSN Mạng bên ngoài yêu cầu tín hiệu QoS giữa UE, nút cuối và bộ định tuyến Router trên mạng Internet Trong phạm vi đề cương, việc tìm hiểu QoS đƣợc giới hạn trong phần truy cập vô tuyến UTRAN của mạng UMTS (RAB) Để quản lý QoS, mạng UMTS sử dụng hai quá trình sau đây:

3.6.1 Thiết lập phiên (Session setup)

Trong thiết lập phiên, các yêu cầu về QoS đƣợc trao đổi trong bản tin báo hiệu, v đƣợc chỉ định cụ thể trong các bản tin báo hiệu có chứa các tham số QoS bắt buộc Định dạng cho các bản tin n y cũng nhƣ các thông số QoS thì khác nhau cho từng mạng Sau khi phiên đƣợc thiết lập, tất cả các gói dữ liệu trong phiên đó nhận đƣợc QoS giống nhau Các tín hiệu RAB trong mạng UMTS và RSVP trong Internet chính là các ví dụ cụ thể về việc sử dụng các giao thức việc quản lý QoS

3.6.2 Trao đổi lưu lượng (Traffic exchange)

Trong quá trình trao đổi lưu lượng, mỗi gói tin được đánh dấu để phân loại gói tin đó thuộc lớp QoS n o hi đó, gói tin đƣợc truyền trong mạng, tại các nút mạng sẽ xử lí gói tin n y theo đánh dấu QoS trong tiêu đề của gói tin Mỗi giá trị chỉ ra trong trường QoS sẽ được ánh xạ tương ứng với một băng thông xác định trước, độ trễ, tỉ lệ lỗi gói v độ ƣu tiên của gói tin

3.6.3 Quá tr nh người dùng khởi tạo phiên làm việc

H nh 3.6: Thiết lập QoS trong mạng UMTS

Trong mô hình triển khai mạng internet không dây 3G UMTS, các dịch vụ ứng dụng như thoại, video, duyệt web, email, truyền file thường được khởi xướng bởi người dùng/thiết bị đầu cuối UE, SGSN và RNC là ba thành phần quan trọng trong việc thiết lập QoS trong mạng UMTS chuyển mạch gói (Packet switching) Sau đây l các bước thiết lập QoS khi mới bắt đầu mỗi dịch vụ:

- UE yêu cầu khởi tạo phiên ở bước 1 UE tập hợp các yêu cầu QoS từ các ứng dụng, sau đó UE ánh xạ các yêu cầu này sang các thông số QoS thích hợp và gắn chúng trong gói tin giao thức "PDP context activation Request" để gửi đến SGSN

- SGSN thực hiện Admission control ở bước 2 và 3 Sau khi nhận đƣợc yêu cầu QoS từ UE, SGSN thực hiện quá trình kiểm soát truy nhập (Admission control) theo hai bước:

SGSN xác minh hồ sơ QoS (profile QoS) của thuê bao đã đăng kí tại HLR ở bước 2

- Bước 3, SGSN phân tích các nguồn tài nguyên hiện tại sẵn có v lưu lượng tải hiện tại trong mạng Nếu tài nguyên còn trống, SGSN yêu cầu RNC cấp phát tài nguyên vô tuyến thông qua bản tin RAB Assignment Đồng thời SGSN sẽ yêu cầu GGSN cấp phát địa chỉ IP Tiếp đến SGSN sẽ ánh xạ 1:1 các thông số QoS của UE sang các thông số QoS của tài nguyên vô tuyến (RAB QoS parameter) và gửi chúng đến RNC trong bản tin RAB Assignment Request thông qua RANAP

RNC ánh xạ các thông số QoS nhận đƣợc trong gói tin RAB Assignment Request sang yêu cầu về tài nguyên thực tế.Sự ánh xạ này tùy thuộc vào loại ứng dụng Bảng dưới đây l một ví dụ cho sự ánh xạ của ứng dụng dịch vụ Web tại RNC

Bảng 4: Sự ánh xạ của ứng dụng dịch vụ Web tại RNC

Khi mà yêu cầu về tài nguyên thực tế đã đƣợc xác định, RNC sẽ thực hiện kiểm soát đăng nhập (Admission control) một cách cụ thể và tối ƣu, để tận dụng tối đa t i nguyên vô tuyến Các yếu tố quyết định bao gồm: lưu lượng tải hiện tại trong hệ thống, sự ảnh hưởng đến độ ưu tiên v chất lượng của các cuộc gọi hiện tại

- Thiết lập liên kết vô tuyến tại bước 4 và 5:

RNC điều khiển Node B (bước 4-5) trong việc phân bổ nguồn lực thông qua giao thức NBAP Đầu tiên RNC gửi bản tin thiết lập liên kết vô tuyến ở layer2 (RLC và MAC) v xác định Iu QoS giữa RNC v NodeB Quá trình thương lượng được hoàn tất khi NodeB gửi bản tin trả lời về lại cho RNC

- Vô tuyến Beaer setup (bước 6-7):

Khi việc thiết lập liên kết vô tuyến giữa NodeB và RNC thành công, RNC thông báo đến UE việc phân bổ tài nguyên (radio channel, channel coding, interleaver) thông qua việc trao đổi các gói tin RRC (bước 6-7)

- Trả lời cấp phát RAB:

Sau khi hoàn tất việc cấp phát tài nguyên vô tuyến cho UE, RNC gửi bản tin RAB Assignment Response về lại cho SGSN, thông báo việc hoàn tất thiết lập RAB QoS cho mạng UTRAN

- GTP_Create PDP context (QoS profile) Bước 9-10 tiếp theo l bước thiết lập QoS cho mạng back-bone UMTS QoS sẽ được thiết lập trong mạng back-bone thông qua đường hầm GPRS (GPRS Tunneling Protocol (GTP)) Tại đây, QoS đƣợc ánh xạ sang external bearer QoS (DiffServor RSVP) và GGSN thực hiện việc phân bổ t i nguyên tương thích với QoS profile trong GTP message mà SGSN gửi đến Đây cũng l bước cuối cùng hoàn tất việc thiết lập

UMTS bearer QoS Tuy nhiên QoS của mạng back-bone sẽ không đƣợc đề cập nhiều ở đây vì thuộc ngoài phạm vi khảo sát của đề tài.

MÔ PHỎNG V ĐÁNH GIÁ

Giới thiệu

Phương pháp mô phỏng được sử dụng trong đề t i vì phương pháp n y có nhiều ưu điểm trong việc khảo sát các hệ thống phức tạp

Công cụ mô phỏng: Đối với hệ thống viễn thông, có nhiều phần mềm hỗ trợ trong việc mô phỏng, nghiên cứu, trong đó phần mềm OPNET MODELER được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học Phiên bản OPNET đƣợc sử dụng trong đề tài là OPNET MODELER 14.5

Vì phạm vi đề tài chỉ khảo sát QoS tại mạng truy cập UTRAN, nên giả sử rằng QoS của mạng core luôn luôn đƣợc đáp ứng

Quá trình mô phỏng tập trung vào 06 Kịch bản, trong đó các ứng dụng đƣợc khảo sát dựa trên 4 lớp dịch vụ cơ bản của UMTS nhƣ: Thoại, Video, FTP, HTTP

Mô hình mô phỏng: Để thực hiện quá trình mô phỏng, mạng UMTS đƣợc xây dựng dựa trên các thành phần sau:

 Mạng UTRAN: gồm NodeB và RNC, kết nối với mạng lõi UMTS thông qua kết nối ATM hoặc IP

 Mạng lõi UMTS : gồm SGSN, GGSN, kết nối với mạng internet thông qua

 Mạng internet : gồm các server cung cấp các dịch vụ nhƣ Web, FTP, Video …

Profile Definitions: thiết lập và quản lý các Profile cho các UE

Application Definitions: thiết lập và quản lý các dịch vụ

H nh 4.2: Cấu trúc mạng UMTS dùng trong mô phỏng

4.2 Quá trình mô phỏng thương lượng và tái thương lượng chất lượng dịch vụ

Trường hợp một người dùng mới yêu cầu tài nguyên mạng với tốc độ download tối đa tương ứng với hồ sơ QoS của mình Trong điều kiện tài nguyên mạng có hạn v các người dùng hiện tại không chấp nhận chất lượng dịch vụ của mình bị ảnh hưởng, thì mạng UMTS thực hiện việc thương lượng với người dùng mới về giảm

Quá trình mô phỏng thương lượng v tái thương lượng chất lượng dịch vụ QoS

yêu cầu chất lượng dịch vụ về tốc độ download tối thiểu để người dùng này được sử dụng tài nguyên mạng thay vì bị từ chối dịch vụ

Trường hợp ứng dụng mới với độ ưu tiên QoS cao hơn yêu cầu tài nguyên, thì các dịch vụ đang diễn ra m có độ ưu tiên QoS thấp hơn bắt buộc phải tái thương lƣợng lại tốc độ download của mình để đảm bảo dịch vụ mới đƣợc chấp thuận ở tốc độ cao nhất theo nhƣ yêu cầu

Mô phỏng việc thương lượng v tái thương lượng chất lượng dịch vụ trong trường hợp dịch vụ mới thuộc lớp có QoS cao hơn

Kịch bản thứ nhất khảo sát giữa các ứng dụng thuộc lớp dịch vụ dữ liệu nền (Background class) và lớp dịch vụ dữ liệu luồng (Streaming class)

Cụ thể các người dùng (UE) yêu cầu sử dụng cùng một loại ứng dụng l FTP nhưng với yêu cầu QoS khác nhau tương ứng với lưu lượng dữ liệu và tốc độ download khác nhau

H nh 4.3: Mô phỏng quá trình thương lượng và tái thương lượng QoS trong mạng

UMTS giữa lớp dịch vụ nền và lớp dịch vụ luồng

 Lưu lượng dữ liệu của từng người dùng:

- UE_1 ~ 3: FTP sẽ bắt đầu download tại thời điểm t = 100 giây, với profile ftp_QoS 3 (Background/RLC-AM)

- UE_4: FTP sẽ bắt đầu download tại thời điểm t = 200 giây, với profile ftp_QoS1 có độ ƣu tiên cao hơn (Streaming/ RLC-AM) và sẽ dừng tại thời điểm t = 300 giây

 Đặc tính QoS của từng người dùng: Đƣợc thể hiện qua loại ứng dụng cùng với yêu cầu của từng ứng dụng về tốc độ download tối thiểu và tối đa nhƣ bảng chi tiết sau:

UE UMTS QoS Profile Application Profile

4.2.1.1 Trường hợp tái thương lượng QoS:

UE_1~3 yêu cầu ứng dụng FTP với lưu lượng thấp, thuộc lớp dịch vụ nền Background có độ ưu tiên thấp hơn so với của UE_4 (FTP lưu lượng cao thuộc lớp dịch vụ luồng) Ở trường hợp tái thương lượng, khảo sát tốc độ download tối đa của UE_1~3 là 100 Kbps và tốc độ download tối đa của UE_4 là 64 Kbps.

H nh 4.4: Kết quả lưu lượng và tốc độ nhận được tại mỗi UE sau khi tái thương lượng

Tại thời điểm t = 200 giây, UE_4 yêu cầu download ứng dụng FTP lưu lượng lớn với tốc độ tối đa l 64 bps Do giới hạn tài nguyên mạng nên RNC đã khởi tạo quá trình tái thương lượng chất lượng dịch vụ của UE_2~3, giảm tốc độ download của các người dùng này từ tối đa 100 bps xuống tối thiểu 64 Kbps Nhờ đó m người dùng mới UE4 đƣợc chấp nhận dịch vụ tại tốc độ download tối đa 64 Kbps Sau khi UE_4 kết thúc việc truyền dữ liệu của mình, các UE_1~3 đƣợc khôi phục lại tốc độ tối đa ban đầu (hình 4.4)

4.2.1.2 Trường hợp thương lượng QoS: Ở trường hợp này vẫn giữ nguyên việc khảo sát tốc độ download tối đa của UE_1~3 l 100 bps nhƣng tăng yêu cầu về tốc độ download tối đa của UE_4 lên 200 Kbps.

H nh 4.5: Kết quả lưu lượng và tốc độ nhận được tại mỗi UE sau khi thương lượng QoS

Tại thời điểm t = 200 giây, UE 4 bắt đầu truyền dữ liệu với yêu cầu về tốc độ tối đa là 200 Kbps Do tốc độ download yêu cầu lớn, và mặc dù có tái thương lượng với các người dùng hiện tại cũng không đủ để đáp ứng được tốc độ này nên RNC quyết định quá trình thương lượng dịch vụ đối với UE_4 để giảm yêu cầu xuống tốc độ tối thiểu (12.2 Kbps) mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của các người dùng hiện tại (hình 4.5)

4.2.1.3 So sánh việc thương lượng và tái thương lượng chất lượng dịch vụ QoS trong cùng kịch bản

Như kết quả của hình 4.6, ta thấy rằng tốc độ download của người dùng mới (UE4) trong trường hợp tái thương lượng thì cao hơn so với trường hợp thương lượng

H nh 4.6: Lưu lượng dữ liệu và tốc độ download của UE 4 trong trường hợp thương lượng và tái thương lượng chất lượng dịch vụ

 Nhận xét : Đó l vì trong trường hợp tái thương lượng, UE1 đã nhường phần tài nguyên của mình để cho UE4 đạt được tốc độ download tối đa Trong khi đó, ở trường hợp thương lƣợng, các UE khác không cho phép việc giảm tốc độ hiện tại của mình nên UE4 phải chấp nhận tốc độ download thấp hơn so với yêu cầu ban đầu (tốc độ download tối thiểu) thay vì bị từ chối dịch vụ

Về lưu lượng dữ liệu thì hầu như không có sự khác biệt lớn giữa hai trường hợp thương lượng v tái thượng lượng chất lượng dịch vụ

Mô phỏng việc thương lượng v tái thương lượng chất lượng dịch vụ trong trường hợp dịch vụ mới thuộc lớp có QoS cao hơn

Kịch bản thứ hai khảo sát giữa các ứng dụng thuộc lớp dịch vụ dữ liệu nền (Background class) và lớp dịch vụ hội thoại (Conversation Class)

Cụ thể các người dùng (UE) yêu cầu sử dụng các loại ứng dụng khác nhau (ở đây l ứng dụng FTP và hội nghị truyền hình (Video conferencing) tương ứng với yêu cầu QoS khác nhau về lưu lượng dữ liệu và tốc độ download

H nh 4.7: Mô phỏng quá trình thương lượng và tái thương lượng QoS trong mạng

UMTS giữa lớp dịch vụ nền và lớp dịch vụ thoại

 Lưu lượng dữ liệu của từng người dùng:

- UE_1 ~ 3: FTP sẽ bắt đầu download tại thời điểm t = 100 giây, với profile ftp_QoS 3 (Background/RLC-AM)

- UE_4: Ứng dụng video bắt đầu download tại thời điểm t = 200 giây, với profile Video_Light_QoS1 (Interactive MultiMedia/RLC-UM) và sẽ dừng lại tại thời điểm t = 400 giây trên tổng thời gian mô phỏng là 600 giây

4.2.2.2 Trường hợp thương lượng QoS:

4.2.2.2.1 Đặt tính QoS của từng người dùng:

UE_1~3 không cho phép thuơng luợng/tái thương lượng QoS v cũng không cho phép bị chiếm quyền ƣu tiên t i nguyên của mình (gurantee bitrate bằng với maximum bitrate, not vulnerable to pre-emption) trong khi UE4 thì cho phép thương lượng QoS (gurantee bitrate thấp hơn maximum bitrate) với cấu hình cụ thể theo bảng tóm tắt sau đây:

UE UMTS QoS Profile Application Profile

UE4 Video Conferencing Video_Conference_Light 64 12.2

H nh 4.8: Lưu lượng dữ liệu và tốc độ download của mỗi UE sau quá tr nh thương lƣợng QoS

UE1~3 khởi tạo yêu cầu download ftp tại thời điểm t 0 giây với lưu lượng thấp tương ứng với hồ sơ QoS ( FTP_Light)

Tại thời điểm t 0 giây, UE4 bắt đầu yêu cầu tài nguyên cho các ứng dụng video với tốc độ bit cao nhất maximum bitrate (64 Kbps) Khi ấy tài nguyên của mạng không đủ đáp ứng yêu cầu n y v do đặt tính QoS của từng UE, UE4 bắt buộc phải thương lượng QoS để giảm yêu cầu về tốc độ download

Sau khi thương lượng QoS, tốc độ download của các UE1~3 vẫn giữ nguyên như ban đầu (100 kbps) còn UE4 bắt đầu download dữ liệu của mình với tốc độ tối thiểu (12.2 bps) nhƣ kết quả ở hình 4.8

4.2.2.3 Trường hợp tái thương lượng QoS:

4.2.2.3.1 Đặt tính QoS của từng người dùng:

K T LU N V HƯ NG PHÁT TRIỂN ĐỀ T I