Nghiên cứu kỹ thuật lập lịch QoS để nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng LTE

Nghiên cứu kỹ thuật lập lịch QoS để nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng LTE Thông qua việc nghiên cứu và đánh giá chất lượng dịch vụ trong mạng LTE dựa trên các mô hình chất lượng dịch vụ QoS, các thuật toán lập lịch QoS để phân tích đánh giá các loại dịch vụ khác nhau trong mạng LTE. Từ đó xây dựng và lựa chọn các thuật toán lập lịch phù hợp để triển khai các dịch vụ mạng LTE trong thời gian tới một cách hiệu quả, tối ưu, sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng lưới.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, người tiêu dùng ngày càng sử dụng nhiều các ứngdụng miễn phí trên các thiết bị di động tại các điểm có Wi-fi nhưSkype, Viber, Google Voice, Các ứng dụng này cũng có thể kết nốithông qua mạng 3G với chất lượng đủ để thực hiện cuộc gọi di độngmiễn sao người dùng còn ở trong vùng phủ sóng của mạng di động.Với sự phát triển của công nghệ LTE, là một công nghệ mới thế hệthứ 4 (4G), đã cho phép các dịch vụ này thu hút nhiều di động sửdụng hơn thông qua các kết nối dữ liệu tốc độ cao hơn với các tùychọn như thoại và video HD Các nhà khai thác mạng có nguy cơđược xem là nhà cung cấp thứ cấp của các dịch vụ liên lạc thời gianthực hoặc xấu hơn, họ có thể hoàn toàn bị bỏ qua

Với khả năng truy cập thay thế thông qua Wi-fi và với việctruy cập thông qua di động băng rộng và phần nào được bảo vệ bởi

áp lực và quan tâm từ người tiêu dùng trên các mạng trung lập, có vẻnhư các nỗ lực nhằm loại bỏ các dịch vụ Over-The-Top (OTT) củabên thứ ba sẽ thất bại Tuy nhiên, vẫn có những có hội cho các nhàkhai thác mạng để bảo vệ cho thị trường và doanh thu của họ Ngàycàng có nhiều nhà khai thác mạng triển khai các dịch vụ và ứng dụngthời gian thực với thương hiệu riêng của họ Nó cũng được cung cấptrên bất cứ kết nối dữ liệu có sẵn, có thể là cố định, Wi-fi, di độngbăng rộng của chính nhà khai thác, hay của đối thủ cạnh tranh Nóichung, các ứng dụng thời gian thực OTT riêng của các nhà khai thácmạng sẵn có cho bất cứ ai sử dụng cho dù họ có đăng ký thuê baohay không Vì vậy, nếu các khách hàng muốn các cuộc gọi miễn phí,

họ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các dịch vụ được cung cấp bởi

chính nhà khai thác mạng cho họ, như vậy lợi thế miễn phí của cácnhà cung cấp dịch vụ thứ ba sẽ không còn

Để tận dụng lợi thế, các nhà khai thác mạng có thể tập trungvào 2 khác biệt chính sau:

+ Điểm khác biệt đầu tiên đó là độ tin cậy Các cuộc gọi trênOTT có thể không đáng tin cậy, và nhiều người sử dụng sẽ trải qua

sự thất vọng khi các kết nối bị rớt liên tục, tác động xấu đến chấtlượng đàm thoại Vấn đề này thậm chí có thể xảy ra ngay cả vớimạng băng rộng cố định Do đó, với khả năng kết hợp giữa di động

và độ tin cậy, nhà khai thác mạng có thể làm tốt điều này

+ Điểm khác biệt thứ hai là chất lượng dịch vụ (QoS), được

sự kiểm soát của các nhà khai thác mạng và có thể được điều chỉnh

để phù hợp hơn với trải nghiệm của người dùng cuối QoS là một tậphợp các chất lượng dịch vụ dựa trên phép đo như độ trễ dữ liệu, mức

độ đảm bảo băng thông, tỷ lệ mất gói, độ công bằng,…

Để cung cấp các dịch vụ như Voice over IP (VoIP), Video,Streaming, với chất lượng tốt nhất, đòi hỏi nhà khai thác mạng phảiđảm bảo chất lượng dịch vụ QoS thật tốt, phân bổ tài nguyên, băngthông hợp lý cho người dùng Một kỹ thuật quan trọng trong mạngLTE là kỹ thuật lập lịch QoS, đây là một kỹ thuật nhằm đảm bảo chấtlượng đối với các dịch vụ thời gian thực, đồng thời cung cấp hiệusuất cao nhất cho các dịch vụ thời gian không thực Các kỹ thuật lậplịch QoS đã được phát triển nhiều trong mạng LTE như PF, M-LWDF, EXP/PF, với các thuật toán nhằm tối ưu hiệu năng, tàinguyên và chất lượng các dịch vụ

Từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài ”Nghiên cứu kỹ thuật lập lịch QoS để nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng LTE”

2 Mục đích nghiên cứu

Thông qua việc nghiên cứu và đánh giá chất lượng dịch vụtrong mạng LTE dựa trên các mô hình chất lượng dịch vụ QoS, cácthuật toán lập lịch QoS để phân tích đánh giá các loại dịch vụ khácnhau trong mạng LTE Từ đó xây dựng và lựa chọn các thuật toán lậplịch phù hợp để triển khai các dịch vụ mạng LTE trong thời gian tớimột cách hiệu quả, tối ưu, sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng lưới

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Lý thuyết tổng quan về mạng LTE

- Nghiên cứu QoS trong mạng LTE

- Nghiên cứu kỹ thuật lập lịch QoS trong mạng LTE

- Công cụ mô phỏng LTE-Sim

- Xây dựng các kịch bản mô phỏng so sánh các dịch vụ khácnhau dựa trên công cụ mô phỏng LTE-Sim

4 Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng các tình huống,các dịch vụ ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ trong mạng LTE

Các bước tiến hành cụ thể như sau:

+ Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến

5 Bố cục đề tài

Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hướng phát triển, Tàiliệu tham khảo, kết cấu luận văn gồm các chương sau :

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động LTE

Nội dung trình bày tổng quan hệ thống thông tin di độngLTE, giao diện vô tuyến, phân lớp trong eNodeB và các kỹ thuậttrong giao diện vô tuyến LTE

Chương 2: Chất lượng dịch vụ trong mạng LTE

Trình bày về QoS trên giao diện vô tuyến, các yêu cầu củaQoS trong mạng LTE và lập lịch QoS trong lớp MAC

Chương 3: Các kỹ thuật lập lịch QoS trong mạng LTE

Nội dung chương trình bày các kỹ thuật lập lịch QoS như PF,M-LWDF, EXP/PF, EXP-Rule, LOG và các thuật toán, tính năng củacác kỹ thuật lập lịch này

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng dịch vụ trong mạng LTE

Chương này trình bày về chương trình mô phỏng LTE-Sim,xây dựng kịch bản mô phỏng, đánh giá các kết quả mô phỏng và sosánh các kỹ thuật lập lịch QoS trên các dịch vụ Video, VoIP và BestEffort

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Tài liệu nghiên cứu là tập hợp các bài báo, báo cáo hội nghị,sách tham khảo, các luận văn và các trang Web, được trích dẫn trongsuốt luận văn này cũng như được liệt kê ở phần tài liệu tham khảocủa luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về công nghệ LTE, côngnghệ đa truy nhập OFDMA, phân biệt các phân lớp trong eNodeB,chức năng của các kênh sử dụng trong lớp MAC cũng như trình bày

về các kỹ thuật quan trọng trong các phân lớp giao diện vô tuyếnLTE

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE

1.3 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG LTE

1.3.1 Mô hình kiến trúc tham chiếu

Hình 1 1 cho thấy các mô hình tham chiếu của mạngLTE, mô tả kiến trúc logic của mạng

Hình 1.1 Mô hình tham chiếu LTE [12]

1.3.2 Kiến trúc mạng E-UTRAN

- eNodeB

- UE

1.4 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN

1.4.1 Chức năng của các lớp

1.4.2 Hệ thống kiến trúc tiến hóa (SAE)

- Serving Gateway (S-GW

- Mobility Mamagement Entity (MME)

- Packet Data Network Gateway (PDN-GW)

1.5 LỚP MAC

1.5.1 Các kênh logic

a Các kênh điều khiển

b Các kênh lưu lượng

1.5.2 Các kênh vận chuyển

a Kênh vận chuyển đường xuống

b Kênh vận chuyển đường lên

1.5.3 Ánh xạ các kênh logic vào kênh vận chuyển

1.5.4 Các kênh vật lý

1.5.5 HARQ

1.5.6 Lập lịch MAC

1.5.7 Giao diện lập lịch MAC

- Giao diện điều khiển

- Giao diện lập lịch

1.1 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương này mô tả tổng quan về công nghệ LTE So với cáccông nghệ khác nhau hiện có, LTE cung cấp cho các thuê bao vôtuyến với lợi thế đáng kể so với liên lạc truyền thống và phi truyềnthống thông qua các kỹ thuật 3G đang cung cấp hiện tại LTE cũng sẽcho phép mở ra các cơ hội kinh doanh vô tuyến trong các khu vựcmới do khả năng băng rộng di động tiên tiến từ 1,4 lên đến 20 MHz,cùng với sự hỗ trợ cho cả phổ FDD và TDD

LTE-SAE cũng tương thích với GSM, WCDMA/HSPA, SCDMA và CDMA LTE có mặt không chỉ ở thế hệ tiếp theo điện thoại

TD-di động, mà còn trong máy tính xách tay, máy tính bảng, máy ảnh, máyquay và các thiết bị khác được hưởng lợi từ băng rộng di động

Tóm lại, nội dung chương này là cái nhìn tổng quan về hệ thốngthông tin di động LTE, là cơ sở tiến hành nghiên cứu và thực hiện môphỏng các kỹ thuật lập lịch lớp MAC trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

TRONG MẠNG LTE

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Hệ thống LTE sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, kiếntrúc toàn-IP, có các ưu điểm của công nghệ chuyển mạch gói và côngnghệ không dây mới nhất, đó là tăng dung lượng và giảm chi phí.Việc không sử dụng chuyển mạch kênh đồng nghĩa với việc thoại vàcác dịch vụ thời gian thực truyền đi cùng với dịch vụ thời gian khôngthực trên giao diện vô tuyến và mạng lõi Khi đó lợi thế toàn cục củaLTE chỉ được phát huy khi thực hiện bởi một mạng lưới kết hợpnhuần nhuyễn dịch vụ thời gian thực và dịch vụ thời gian không thực

Do đó một kiến trúc QoS end-to-end, dựa trên kiến trúc phân lớp chấtlượng dịch vụ QoS, được định nghĩa trong LTE để hỗ trợ cho sự kếthợp của các dịch vụ này

1.6 QOS TRONG LTE

1.1.1 Nghẽn trong LTE

1.1.2 QoS đối với VoIP

1.1.3 QoS trong LTE

a Kênh mang trong LTE

b Thông số QoS kênh mang EPS

c Kênh mang EPS

d Kênh mang GBR và non-GBR

e Kênh mang mặc định và kênh mang chuyên dụng

1.1.4 Yêu cầu QoS trong LTE

1.2 LẬP LỊCH QOS TRONG LTE

Trong LTE, mỗi kênh logic có một mô tả QoS tương ứng ảnhhưởng đến hành vi của các thuật toán lập lịch tài nguyên eNodeB.Việc ánh xạ giữa các mô tả QoS của các dịch vụ khác nhau và cácthuật toán lập lịch tài nguyên trong eNodeB sẽ là một yếu tố khácbiệt chính giữa các nhà sản xuất thiết bị mạng vô tuyến Trong môitrường mạng không đồng nhất, việc đảm bảo QoS end-to-end sẽ dẫnđến những thách thức đặc biệt

Chương này cũng mô tả các thuật toán lập lịch cơ bản Việclựa chọn và thực hiện các thuật toán lập lịch trình phù hợp là yêu cầucủa nhà cung cấp để cân bằng QoS, độ công bằng và sự phức tạp khithực hiện Trong nội dung chương tiếp theo, luận văn sẽ nghiên cứu

kỹ hơn các thuật toán lập lịch QoS như PF, M-LWDF, EXP/PF, FLS,EXP-Rule và LOG.

CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT LẬP LỊCH QOS

TRONG MẠNG LTE

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Nội dung chương này sẽ trình bày về các kỹ thuật lập lịchQoS phổ biến hiện nay và các thuật toán sử dụng trong lập lịch Qua

đó hiểu rõ về tính năng, ưu điểm và nhược điểm của các thuật toánlập lịch, ứng dụng trong hệ thống LTE, là cơ sở để đánh giá và lựachọn thuật toán lập lịch sẽ được mô phỏng trong chương tiếp theo, làbước kiểm nghiệm quan trọng các thuật toán lập lịch QoS cho LTE

2.2 CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG XUỐNG TRONG LTE

Mạng LTE được kết hợp bởi vùng phủ sóng lớn (macro) vànhỏ (fem-to-cell), gồm có hai phần:

- Mạng truy cập vô tuyến

- Mạng lõi chuyển mạch gói

2.3 KỸ THUẬT LẬP LỊCH QOS TRONG LTE

2.3.1 Proportional Fair (PF)

2.3.2 Modified Largest Weighted Delay First (M-LWDF) 2.3.3 Exponential/PF Algorithm (EXP/PF)

2.3.4 Frame Level Scheduler (FLS)

2.3.5 Exponential Rule Algorithm (EXP)

2.3.6 Logarithmic Rule Algorithm (LOG)

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Nội dung của chương này mô tả nguyên lý của các thuật toánlập lịch QoS trong LTE Nội dung nghiên cứu các tính chất của cácchiến lược lập lịch tài nguyên khác nhau cho các dịch vụ thời gian

thực và Best Effort Chiến lược cấp phát tài nguyên của lập lịch QoSnhận thức tốt hơn PF về tỷ lệ mất gói, thông lượng, độ trễ và độ côngbằng đối với lưu lượng thời gian thực Thuật toán PF có thể là mộtgiải pháp tốt đối với các tiến trình thời gian không thực nhưng khôngthích hợp để xử lý các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực

Chiến lược cấp phát tài nguyên đóng một vai trò quan trọngtrong việc cấp phát tài nguyên vô tuyến giữa các trạm khác nhau, với

sự phân tích tốt về thời gian và tần số bằng cách xem xét các điềukiện kênh cũng như các yêu cầu về QoS Để có thể đánh giá và sosánh hiệu năng lập lịch của các loại lập lịch QoS đã đề cập, chươngtiếp theo sẽ mô phỏng tình huống thực tế của eNodeB với các dịch vụkhác nhau như Video, VoIP và Best Effort

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT

LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong chương này, luận văn sẽ giới thiệu phần mềm mô phỏngLTE-Sim [4], cấu trúc hoạt động của phần mềm và cách thực thựchiện mô phỏng trên nền Windows, Linux Mô phỏng bằng LTE-Sim

sẽ cho ra các kết quả bao gồm tỷ lệ mất gói, độ trễ, thông lượng, độcông bằng và hiệu suất phổ của các dịch vụ phổ biến như Video,VoIP và Best Effort

3.2 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG LTE-SIM 3.2.1 Cấu trúc phần mềm của LTE-Sim

LTE-Sim bao gồm 4 thành phần chính:

- Simulator

- NetworkManager

- FlowsManager

- FrameManager

3.2.2 Cơ chế hoạt động của LTE-Sim

3.2.3 Xây dựng cấu trúc mô phỏng LTE

3.2.4 Thiết lập môi trường làm việc

a Cài đặt trên Windows

b Cài đặt trên Linux:

Lưu lượng Thời gian thực: Video (242 kbps), VOIP

Thời gian không thực: Best Effort (InfiniteBuffer)

Thuật toán lập lịch PF, MLWDF, EXP/PF, FLS, EXP, LOG

3.3.2 Kịch bản mô phỏng

3.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

3.4.1 Lập lịch QoS khi số lượng UE thay đổi

a Tỷ lệ mất gói (PLR)

Hình 4.2 Tỷ lệ mất gói của tiến trình Video

Hình 4.3 Tỷ lệ mất gói của tiến trình VoIP

Hình 4.4 Tỷ lệ mất gói của tiến trình Best Effort

b Thông lượng (Throughput)

Hình 4.5 Thông lượng của tiến trình Video

Hình 4.6 Thông lượng của tiến trình VoIP

Hình 4.7 Thông lượng của tiến trình Best Effort

c Độ trễ (Delay)

Hình 4.8 Độ trễ của tiến trình Video

Hình 4.9 Độ trễ của tiến trình VoIP

Hình 4.10 Độ trễ của tiến trình Best Effort

d Chỉ số công bằng (Fairness Index)

Hình 4.11 Chỉ số công bằng của tiến trình Video

Hình 4.12 Chỉ số công bằng của tiến trình VoIP

Hình 4.13 Chỉ số công bằng của tiến trình Best Effort

e Hiệu quả phổ (Spectral Efficiency)

Hình 4.14 Hiệu quả phổ của cell

3.4.2 Lập lịch QoS khi số lượng và tốc độ UE thay đổi

a Tỷ lệ mất gói

Hình 4.15 Tỷ lệ mất gói của Video khi UE 3km/h và 120km/h

b Thông lượng

Hình 4.16 Thông lượng của Video khi UE 3km/h và 120km/h

c Độ trễ

Hình 4.17 Độ trễ của tiến trình Video khi UE 3km/h và 120km/h

Hình 4.18 Độ trễ của VoIP khi UE 3km/h và 120km/h

Chương này mô tả các chức năng của phần mềm LTE-Sim để

mô phỏng mạng LTE Các tính năng trong chương trình mô phỏngnày cho phép các nhà nghiên cứu, các học viên kiểm tra các kỹ thuậtnâng cao để cải thiện mạng di động 4G, chẳng hạn như chức năng vềvật lý, kiến trúc và giao thức mạng mới, chiến lược lập lịch hiệu suấtcao, Bản chất mở của phần mềm LTE-Sim có thể cho phép nhữngngười quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực này đóng góp vào sự phát

triển kết cấu, cung cấp nền tảng tham chiếu để thử nghiệm và so sánhgiải pháp mới cho các hệ thống LTE.

Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng LTE-Sim rất thuật tiệncho việc phân tích, đánh giá các tính chất của các thuật toán lập lịchđối với tài nguyên của các dịch vụ thời gian thực và thời gian khôngthực Các chiến lược lập lịch QoS nhận thức phân bổ tài nguyên vềPLR, thông lượng, độ trễ và độ công bằng tốt hơn lập lịch PF đối vớilưu lượng thời gian thực Thuật toán lập lịch PF cho thấy chỉ số vềPLR cao, thông lượng thấp nhất và độ trễ cao khi cell tăng tải Do đó,thuật toán này chỉ thích hợp để điều khiển các dịch vụ thời giankhông thực Trong đó, thuật toán lập lịch FLS luôn cho các kết quảtốt trong tất cả các mô phỏng Khi thay đổi điều kiện mô phỏng của

UE từ 3km/h lên 120km/h, hầu như tất cả các thuật toán cũng đềucho thấy sự suy giảm về chất lượng của các dịch vụ Video, VoIP,Best Effort

Nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng của việc lựa chọn đúngđắn các chiến lược lập lịch tại eNodeB của mạng LTE Sự đánh giáthiếu sót về các thuật toán lập lịch thực hiện tại các eNodeB sẽ dẫnđến sự suy giảm chất lượng của các dịch vụ như Video, VoIP và BestEffort, ngay cả khi cell có tải thấp trong mạng LTE

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận:

Với sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống liên lạc khôngdây hiện nay, các mạng dữ liệu di động đang trải qua những yêu cầungày càng tăng cho tốc độ dữ liệu cao và tính di động rộng khắp.Trong năm 2008, công nghệ LTE đã được giới thiệu bởi 3GPP đểtăng cường năng lực và tốc độ của các mạng dữ liệu không dây LTE

và WiMAX là hai tiêu chuẩn đầy hứa hẹn trong công nghệ di độnghiện nay, và nó cũng được biết đến như là dịch vụ không dây thế hệthứ 4 (4G) LTE cung cấp một số lợi ích quan trọng cho các thuê baocũng như các nhà cung cấp dịch vụ Nó đáp ứng đáng kể yêu cầu củangười dùng bằng cách nhắm mục tiêu vào các ứng dụng di động băngthông rộng với tính di động nâng cao Cùng với sự phát triển bùng nổcủa thế hệ điện thoại thông minh, các ứng dụng như TV HD, chơigame trực tuyến, điện thoại truyền hình, chắc chắn sẽ trở nên hiệuquả hơn cho người sử dụng

Để hỗ trợ nhu cầu phong phú của các dịch vụ đa phương tiệnthời gian thực như Video trực tuyến, VoIP, internet, điều cần thiết

là phải đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng của dịch vụ (QoS).Trong đó tỷ lệ mất gói tin, độ trễ cần phải được giảm thiểu bằng cáchgiữ cho nó ở dưới ngưỡng yêu cầu của ứng dụng Trong một môitrường dịch vụ Video trực tuyến, VoIP và các dịch vụ đa phươngtiện, điều quan trọng là phải duy trì ngưỡng PLR dưới 1%, độ trễdưới 150ms [2], [6], như vậy các yêu cầu QoS của người sử dụngdịch vụ được thỏa mãn

Trong phạm vi luận văn này, các thuật toán lập lịch bao gồm

PF, M-LWDF, EXP/PF, FLS, EXP-Rule và LOG đã được nghiên cứu