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.

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, người tiêu dùng ngày càng sử dụng nhiều các ứng dụng miễn phí trên các thiết bị di động tại các điểm có Wi-fi như Skype, Viber, Google Voice, Các ứng dụng này cũng có thể kết nối thông qua mạng 3G với chất lượng đủ để thực hiện cuộc gọi di động miễn 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 hệ thứ 4 (4G), đã cho phép các dịch vụ này thu hút nhiều di động sử dụng hơn thông qua các kết nối dữ liệu tốc độ cao hơn với các tùy chọn như thoại và video HD. Các nhà khai thác mạng có nguy cơ được xem là nhà cung cấp thứ cấp của các dịch vụ liên lạc thời gian thực hoặc xấu hơn, họ có thể hoàn toàn bị bỏ qua. Với khả năng truy cập thay thế thông qua Wi-fi và với việc truy 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 vẻ như các nỗ lực nhằm loại bỏ các dịch vụ Over-The-Top (OTT) của bên thứ ba sẽ thất bại. Tuy nhiên, vẫn có những có hội cho các nhà khai thác mạng để bảo vệ cho thị trường và doanh thu của họ. Ngày càng có nhiều nhà khai thác mạng triển khai các dịch vụ và ứng dụng thời gian thực với thương hiệu riêng của họ. Nó cũng được cung cấp trên bất cứ kết nối dữ liệu có sẵn, có thể là cố định, Wi-fi, di động băng rộng của chính nhà khai thác, hay của đối thủ cạnh tranh. Nói chung, các ứng dụng thời gian thực OTT riêng của các nhà khai thác mạng sẵn có cho bất cứ ai sử dụng cho dù họ có đăng ký thuê bao hay 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 2 chính nhà khai thác mạng cho họ, như vậy lợi thế miễn phí của các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba sẽ không còn. Để tận dụng lợi thế, các nhà khai thác mạng có thể tập trung vào 2 khác biệt chính sau: + Điểm khác biệt đầu tiên đó là độ tin cậy. Các cuộc gọi trên OTT 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 chất lượng đàm thoại. Vấn đề này thậm chí có thể xảy ra ngay cả với mạng 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 tập hợp 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 phải đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS thật tốt, phân bổ tài nguyên, băng thông hợp lý cho người dùng. Một kỹ thuật quan trọng trong mạng LTE là kỹ thuật lập lịch QoS, đây là một kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng đối với các dịch vụ thời gian thực, đồng thời cung cấp hiệu suất cao nhất cho các dịch vụ thời gian không thực. Các kỹ thuật lập lịch QoS đã được phát triển nhiều trong mạng LTE như PF, M- LWDF, EXP/PF, với các thuật toán nhằm tối ưu hiệu năng, tài nguyên 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”. 3 2. Mục đích nghiên cứu 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. 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 khác nhau 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 đề tài + Xây dựng mô hình để phân tích chất lượng dịch vụ trong LTE + Sử dụng công cụ mô phỏng LTE-Sim để tính toán, mô phỏng + So sánh các dịch vụ khác nhau để đánh giá các kết quả + Đề xuất, kiến nghị liên quan đến nội dung nghiên cứu. 4 5. Bố cục đề tài Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hướng phát triển, Tài liệu 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 động LTE, giao diện vô tuyến, phân lớp trong eNodeB và các kỹ thuật trong 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 của QoS 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 của các 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 so sánh các kỹ thuật lập lịch QoS trên các dịch vụ Video, VoIP và Best Effort. 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 trong suốt luận văn này cũng như được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo của luận văn. 5 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, công nghệ 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 tuyến LTE. 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. cho thấy các mô hình tham chiếu của mạng LTE, mô tả kiến trúc logic của mạng. Hình 1. Mô hình tham chiếu LTE [12] 1.3.2. Kiến trúc mạng E-UTRAN - MME/S-GW - eNodeB - UE 6 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 các công nghệ khác nhau hiện có, LTE cung cấp cho các thuê bao vô tuyến với lợi thế đáng kể so với liên lạc truyền thống và phi truyền thống thông qua các kỹ thuật 3G đang cung cấp hiện tại. LTE cũng sẽ cho phép mở ra các cơ hội kinh doanh vô tuyến trong các khu vực mới 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. 7 LTE-SAE cũng tương thích với GSM, WCDMA/HSPA, TD- SCDMA và CDMA. LTE có mặt không chỉ ở thế hệ tiếp theo điện thoại di động, mà còn trong máy tính xách tay, máy tính bảng, máy ảnh, máy quay 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 thống thông tin di động LTE, là cơ sở tiến hành nghiên cứu và thực hiện mô phỏng 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, kiến trúc toàn-IP, có các ưu điểm của công nghệ chuyển mạch gói và công nghệ 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 và các dịch vụ thời gian thực truyền đi cùng với dịch vụ thời gian không thực trên giao diện vô tuyến và mạng lõi. Khi đó lợi thế toàn cục của LTE chỉ được phát huy khi thực hiện bởi một mạng lưới kết hợp nhuần 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 chất lượng dịch vụ QoS, được định nghĩa trong LTE để hỗ trợ cho sự kết hợp 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 8 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 1.2.1. Lập lịch QoS nhận thức 1.2.2. Thuật toán lập lịch QoS GBR và non-GBR 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương này cung cấp mô tả tổng quan về QoS trong LTE và các lớp lưu lượng. Trong LTE, EPS cung cấp UE với kết nối IP tới mạng dữ liệu gói. EPS hỗ trợ nhiều luồng dữ liệu với QoS khác nhau cho mỗi UE cho các ứng dụng cần đảm bảo độ trễ và tỷ lệ bit như VoIP cũng như Best Effort. Kiến trúc mạng EPS, sóng mang EPS, cùng với các thuộc tính QoS liên quan cung cấp một kết cấu mạnh mẽ cho việc cung cấp một loạt các dịch vụ đồng thời cho người dùng cuối. Trong LTE, mỗi kênh logic có một mô tả QoS tương ứng ảnh hưởng 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 các thuật toán lập lịch tài nguyên trong eNodeB sẽ là một yếu tố khác biệt chính giữa các nhà sản xuất thiết bị mạng vô tuyến. Trong môi trường mạng không đồng nhất, việc đảm bảo QoS end-to-end sẽ dẫn đến những thách thức đặc biệt. Chương này cũng mô tả các thuật toán lập lịch cơ bản. Việc lựa chọn và thực hiện các thuật toán lập lịch trình phù hợp là yêu cầu của nhà cung cấp để cân bằng QoS, độ công bằng và sự phức tạp khi thực hiện. Trong nội dung chương tiếp theo, luận văn sẽ nghiên cứu 9 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 lịch QoS 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 toán lập lịch, ứng dụng trong hệ thống LTE, là cơ sở để đánh giá và lựa chọn thuật toán lập lịch sẽ được mô phỏng trong chương tiếp theo, là bước 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) và nhỏ (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 toán lập lịch QoS trong LTE. Nội dung nghiên cứu các tính chất của các chiến lược lập lịch tài nguyên khác nhau cho các dịch vụ thời gian 10 thực và Best Effort. Chiến lược cấp phát tài nguyên của lập lịch QoS nhận thức tốt hơn PF về tỷ lệ mất gói, thông lượng, độ trễ và độ công bằng đối với lưu lượng thời gian thực. Thuật toán PF có thể là một giải pháp tốt đối với các tiến trình thời gian không thực nhưng không thích hợp để xử lý các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực. Chiến lược cấp phát tài nguyên đóng một vai trò quan trọng trong 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 điều kiện kênh cũng như các yêu cầu về QoS. Để có thể đánh giá và so sánh hiệu năng lập lịch của các loại lập lịch QoS đã đề cập, chương tiếp theo sẽ mô phỏng tình huống thực tế của eNodeB với các dịch vụ khác 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 phỏng LTE-Sim [4], cấu trúc hoạt động của phần mềm và cách thực thực hiện 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, độ công 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 [...]... chức năng của phần mềm LTE- Sim để mô phỏng mạng LTE Các tính năng trong chương trình mô phỏng này cho phép các nhà nghiên cứu, các học viên kiểm tra các kỹ thuật nâng cao để cải thiện mạng di động 4G, chẳng hạn như chức năng về vật lý, kiến trúc và giao thức mạng mới, chiến lược lập lịch hiệu suất cao, Bản chất mở của phần mềm LTE- Sim có thể cho phép những người quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực này... 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 đúng đắn các chiến lược lập lịch tại eNodeB của mạng LTE Sự đánh giá thiếu sót về các thuật toán lập lịch thực hiện tại các eNodeB sẽ dẫn đến sự suy giảm chất lượng của các dịch vụ như Video, VoIP và Best Effort, ngay cả khi cell có tải thấp trong mạng LTE 22 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG... trường single-cell Mục tiêu chính nghiên cứu này là để cung cấp các kết quả để hỗ trợ trong quá trình triển khai mạng di động LTE, nhằm có được hiệu suất tổng thể tốt hơn Lập lịch là một trong những tính năng chính trong hệ thống LTE, bởi vì nó chịu trách nhiệm phân phối các nguồn lực sẵn có giữa các người dùng hoạt động để đáp ứng nhu cầu về QoS Trong kiến trúc mạng LTE, lập lịch gói (cho cả đường xuống... di động cao Tuy nhiên, chi tiết kỹ thuật 3GPP đã không định nghĩa bất kỳ chính sách lập lịch để hỗ trợ các dịch vụ ứng dụng thời gian thực hoặc thời gian không thực, cho nên việc thiết kế và triển khai phải dựa vào các nhà cung cấp Việc ứng dụng kỹ thuật lập lịch QoS trong hệ thống di động LTE đòi hỏi phải thu thập nhiều thông tin thực tế mạng lưới như lưu lượng hiện tại, lưu lượng phát triển trong tương... thực Thuật toán lập lịch PF cho thấy chỉ số về PLR 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 gian không thực Trong đó, thuật toán lập lịch FLS luôn cho các kết quả tốt 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 đều cho thấy sự suy giảm về chất. .. chiếu để thử nghiệm và so sánh giải pháp mới cho các hệ thống LTE Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng LTE- Sim rất thuật tiện cho việc phân tích, đánh giá các tính chất của các thuật toán lập lịch đối với tài nguyên của các dịch vụ thời gian thực và thời gian không thực Các chiến lược lập lịch QoS nhận thức phân bổ tài nguyên về PLR, thông lượng, độ trễ và độ công bằng tốt hơn lập lịch PF đối với lưu lượng. .. văn chỉ ở mức độ nghiên cứu và mô phỏng các thuật toán lập lịch QoS của 1 macro cell trong mạng LTE, qua đó đánh giá các thông số về tỷ lệ mất gói, thông lượng, độ trễ, độ công bằng và hiệu suất phổ Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu đánh giá hiệu quả của các thuật toán đối với các trường hợp multi-cell, Fem-to-cell và phân biệt từng loại thuê bao sử dụng dịch vụ để có thể đưa ra các... 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 cách giữ cho nó ở dưới ngưỡng yêu cầu của ứng dụng Trong một môi trường dịch vụ Video trực tuyến, VoIP và các dịch vụ đa phương tiện, điều quan trọng là phải duy trì ngưỡng PLR dưới 1%, độ trễ dưới 150ms [2], [6], như vậy các yêu cầu QoS của người sử dụng dịch 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 23 và đề xuất cho mạng di động LTE để ứng dụng cho lưu lượng Video, VoIP và Best Effort Các chỉ số để so sánh về hiệu suất như: tỷ lệ mất gói tin, thông lượng hệ thống trung bình, độ trễ và độ công bằng và hiệu quả phổ được đưa ra cho các hệ thống LTE trên một kịch bản mô phỏng thực tế trong môi trường... hiện nay, các mạng dữ liệu di động đang trải qua những yêu cầu ngày 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 để tăng 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 động hiện nay, và nó cũng được biết đến như là dịch vụ không dây thế hệ thứ 4 (4G) LTE cung cấp