NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH vụ TRONG MẠNG 4g

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  CHU KHÁNH THÀNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ THÁI NGUYÊN - 2014 2 Công trình được hoàn thành tại: ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIÊP- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ BÁ DŨNG Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quang Hoan Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Phản biện 2:PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Đại học Thái Nguyên Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Vào ngày 18 tháng 04 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Học liệu, Đại học Thái Nguyên 2 3 Thư viện - Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên 3 4 LỜI MỞ ĐẦU Mạng thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà mạng đang khai thác dịch vụ. Với sự xuất hiện của mạng di động thế hệ 4G đang được các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động 3G chú ý. Công nghệ 4G đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới; cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh lên đến hàng trăm Mb/s thậm chí đạt 1Gb/s, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP. Việt Nam là nước ứng dụng công nghệ nên trước khi triển khai công nghệ 4G vào Việt Nam cần phải nghiên cứu về các khía cạnh kỹ thuật, kinh tế, luật pháp và chất lượng dịch vụ của công nghệ 4G. Vì vậy mục đích của luận văn là nghiên cứu công nghệ 4G, kiến trúc mạng 4G và đưa gia giải pháp quản lý giám sát chất lượng dịch vụ trong mạng 4G. Kết cấu luận văn gồm 3 chương gồm các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động Chương 2: Mô hình cấu trúc mạng 4G Chương 3: Nghiên cứu các vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ và giám sát lưu lượng cho mạng IP. Ứng dụng triển khai giám sát cho mạng 4G Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong chương này, sẽ trình bày quá trình phát triển mạng thông tin di động. Đồng thời, cũng giới thiệu động lực phát triển 4G, sự ủng hộ và sẵn sàng của các nhà khai thác mạng, các nhà sản xuất thiết bị để đưa 4G trở thành tiêu chuẩn trên toàn cầu.Giới thiệu các dịch vụ được cung cấp bởi công nghệ 4G. 4 5 1.1.Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 4G [2],[6],[7],[8],[9] Khác với 1G, 2G và 3G, 4G không phải là công nghệ ứng dụng thông qua giao diện vô tuyến. Trái lại, 4G sẽ không có gì liên quan đến các loại giao diện vô tuyến cơ sở. Để hỗ trợ thông lượng, chuẩn mục tiêu được phác thảo bởi Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU - International Telecommunication Union), chắc chắn nó sẽ dựa trên điều biến giải pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) với công nghệ MIMO (multiple input, multiple output) và các cải tiến anten thông minh khác. Mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đang phát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE802.20, IEEE802.22, pre-4G, RFID, UWB, Satellite… Hình 1.1: Mô hình mạng hỗn tạp 4G 1.2. Lịch sử và xu hướng phát triển lên 4G. 1.2.1. Hệ thống di động đầu tiên 1G [1] Hệ thống này được phát triển vào những năm 70, nó trở nên phổ biến ở Bắc Mỹ, Liên hiệp Anh và Bắc Âu. Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là: 5 6 • AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến, phát triển ở Bắc Mỹ, hoạt động ở dải tần 800MHz. • TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin thâm nhập toàn bộ, được triển khai ở các nước thuộc khối liên hiệp Anh, hoạt động ở dải tần 800 và 900 MHz. • NMT (Nordic Mobile Telephone): Điện thoại di động Bắc Âu, phát triển ở các nước Bắc Âu, hoạt động ở dải tần 450 và 900 MHz. 1.2.2. Hệ thống di động thế hệ thứ 2 (2G) [1] Đầu những năm 1982, Hiệp hội Bưu chính Viễn thông châu Âu (CEPT- Conference European Post and Telegraphs) đã thành lập một nhóm nghiên cứu có tên gọi là Group Special Mobile (GSM) để nghiên cứu và phát triển hệ thống di động mặt đất dân dụng châu Âu. Mạng điện thoại di động thế hệ thứ 2 xét về công nghệ có thể chia được làm 2 nhóm là: • Hệ thống thông tin di động dựa trên phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian kết hợp tần số (TDMA/FDMA - Time Division MultiAccess/ Frequency Division MultiAccess). • Hệ thống thông tin di động dựa trên phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA- Code Division MultiAccess) Dịch vụ của hệ thống GSM được chia làm 2 nhóm chính thoại và dữ liệu. Bảng 1.1: Dịch vụ của hệ thống GSM Nhóm dịch vụ Tên dịch vụ Thoại - Cuộc gọi thông thường(Normal Call) - Chặn cuộc gọi (Bared Call) - Chuyển cuộc gọi - Giữ cuộc gọi Dữ liệu - Tin nhắn ngắn (SMS) - Truyền dẫn số liệu 6 7 - Phát quảng bá ô 1.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) [1],[2],[5] Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication - 2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là: Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:  384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.  2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương. Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G): - Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:  Đường lên: 1885-2025 MHz.  Đường xuống: 2110-2200 MHz. - Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:  Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.  Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông. - Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh. - Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:  Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.  Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.  Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói. - Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.  Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao. 7 8  Các dịch vụ tin nhắn (E-mail, fax, SMS, chat, ).  Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc, )  Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ). Các hệ thống 3G điển hình là:UMTS (W-CDMA) và CDMA2000.  UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G.  WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh.  CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến 2 Mbps. 1.2.4. Hệ thống di động thứ 4 (4G) [3],[6],[7],[8],[9] 4G hoàn toàn dựa trên mạng chuyển mạch gói. Ngoài ra, tất cả các mạng 4G sẽ được số hóa và sẽ cung cấp băng thông cao hơn lên đến 100 Mbps. 4G thực sự là sự tập hợp các tiêu chuẩn trước đó. 4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV,các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số.  Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý - MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng. 8 9 - Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SC-FDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống: để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp. - Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở đường xuống: tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh. 1.3. Các ứng dụng và dịch vụ trong mạng 4G (4G) [3],[7] Hệ thống thông tin di động thế hệ 4G sẽ cung cấp các loại dich vụ chính: di động, viễn thông và internet nhưng với tốc độ cao hơn lên đến 100 Mbit/s và điều đáng quan tâm hơn là các dịch vụ đa phương tiện. Với khả năng cung cấp các dịch vụ tốc độ bit cao, các hệ thống thông tin di động thế hệ 4G cung cấp các dịch vụ chất lượng tốt, đảm bảo: Điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, các dịch vụ thông tin về vị trí, các dịch vụ thương mại di động, các dịch vụ phân phối nội dung, các dịch vụ hỗ trợ tải dữ liệu, các dịch vụ điều khiển từ xa, các dịch số liệu tốc độ bít thấp, dịch vụ số liệu bít cao… Cũng có thể phân chia dịch vụ thành hai loại chính: Dịch vụ cơ sở và dịch vụ đa phương tiện. 1.4. Kết luận Chương này mới chỉ giới thiệu các hệ thống thông tin di động và đưa ra một số loại hình dịch vụ điển hình, một số ví dụ về các ứng dụng trong 4G theo một khía cạnh chung. Định hướng phát triển các dịch vụ cho 4G dựa trên nền tảng của 3G nhưng với độ tin cậy và tính an toàn cao hơn. Ngoài ra, công nghệ 4G sẽ có khả năng kết nối thông suốt trong khi 3G thì không hỗ trợ cho 9 10 người sử dụng người đi du lịch và yêu cầu kết nối thoại/ dữ liệu không bị gián đoạn. Chương 2 MÔ HÌNH CẤU TRÚC MẠNG 4G Chương 2 sẽ tập trung nghiên cứu cấu trúc mạng di động 4G, so sánh sự khác nhau giữa hệ thống 3G và 4G để thấy sự cần thiết khi chuyển sang công nghệ mới. Tìm hiểu mô hình mạng di động 4G và các chức năng trong thành phần hệ thống mạng. 2.1. Các yêu cầu về cấu trúc mạng 4G [2,3,6,7,8,9,10] Mạng 4G phải đáp ứng được yêu cầu tích hợp được các mạng khác như các mạng di động thế hệ 2, thế hệ 3, thế hệ 3,5G, … và WLAN, WiMAX, và các mạng không dây khác như Hình 2.1 dưới đây. 10 [...]... di động 4G, so sánh ưu điểm và nhược điểm của các mạng di động, xu hướng nghiên cứu, phát triển Các ứng dụng và dịch vụ trong mạng 4G  Nghiên cứu kiến trúc, công nghệ, kỹ thuật sử dụng trong 4G/ LTE, Mô hình mạng thông tin di động 4G, chức năng các phần tử trong mạng 4G  Nghiên cứu về chất lượng dịch vụ (QoS) IP, các tham số ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, mô hình triển khai chất lượng dịch vụ (QoS)... làm việc IP trong mạng 4G 16 16 2.3.4 Lớp dịch vụ Có chức năng cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu của người dùng, có chất lượng cao như: Các dịch vụ thông tin định vị, dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, dịch vụ điều khiển từ xa… Với mô hình này, lớp dịch vụ là lớp cung cấp các nội dung về dữ liệu cho người sử dụng 2.4 Kết luận Chương 2 đã tập trung nghiên cứu cấu trúc cụ thể của mạng 4G, cấu trúc... các lớp kiến trúc trong mạng 4G So sánh giữa mạng di động hiện tại với hệ thống di động 4G sắp triển khai, có đánh giá về các chỉ tiêu và điều kiện khi lựa chọn các giải pháp chuyển mạng Chương 3 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VÀ GIÁM SÁT LƯU LƯỢNG CHO MẠNG IP 3.1 Giới thiệu tổng quan về chất lượng dịch vụ (QoS) IP [4],[10] 3.1.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS cho mạng IP Dưới đây... dụng đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) IP 3.4.1 Mô hình tích hợp dịch vụ INTSERV Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ đề xuất hai lớp dịch vụ bổ sung cho các dịch vụ IP truyền thống gồm: Dịch vụ bảo đảm GS cho ứng dụng yêu cầu giới hạn trễ và băng - thông Dịch vụ điều khiển tải CL cho ứng dụng yêu cầu độ tổn thất gói thấp Hình 3.9: Mô hình tích hợp dịch vụ Intserv 3.4.2 Mô hình phân biệt dịch vụ Kiến trúc... trung nghiên cứu lý thuyết về Chất lượng dịch vụ cho các hệ thống QoS IP, các tham số ảnh hưởng đến chất lượng dich vụ QoS IP thực tế, các vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) và một số ứng dụng khi triển khai các mô hình QoS IP Ứng dụng triển khai thực tế trên mạng di động 3G của VNPT, các mô hình quản lý và giám sát thiết bị từ đó áp dụng các chính sách kiểm soát chất lượng dịch vụ cho mạng di... triển của các mạng khác nhau dẫn đến 4G 2.1.1 Mạng có tính mở Hình 2.3: Người dùng ở các mạng khác nhau có thể truy nhập vào hệ thống 2.1.2 Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng đa phương tiện trên nền IP Để đảm bảo chất lượng dịch vụ, cần sự kết hợp chặt chẽ giữa các lớp truy nhập, truyền tải và các dịch vụ Internet Đặc biệt đối với các vấn đề về độ trễ mạng, băng thông dịch vụ vv Mạng 4G yêu cầu... biệt dịch vụ DiffServ được coi là bước phát triển tiếp theo của mô hình tích hợp dịch vụ IntServ Tiếp cận của mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ là không xử lý theo từng luồng lưu lượng riêng biệt mà ghép chúng vào một số lượng hạn chế các lớp lưu lượng Trong DiffServ, băng thông và các tài nguyên mạng khác được chỉ định trong các lớp lưu lượng 22 22 Hình 3.10 Mô hình các bước phân biệt dịch vụ DiffServ... (QoS) cho mạng IP.Mô hình quản lý khai thác QoS của VNPT cho mạng 3G hiện nay, Các chương trình giám sát và quản lý băng thông đang áp dụng trên mạng VNPT Thái Nguyên Triển khai phần mềm quản lý giám sát băng thông cho các NodeB 3G Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo - Nghiên cứu các bước triển khai và quy hoạch mạng di động 4G - Dự báo lưu lượng, số lượng thuê bao đối với thị trường cần phục vụ, tập... 2.1.4 Mạng đảm bảo tính di động 12 12 Hình 2.4: Tính di động của mạng 2.1.5 Mạng phải đảm bảo về tốc độ Hình 2.5: Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng 4G 2.2 Mô hình mạng 4G [2],[5],[6],[7] 2.2.1 Ưu nhược điểm của cấu trúc mạng 4G và 3,5G - Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh Hiệu quả... độ truyền dữ liệu cao, độ trễ nhỏ, dịch vụ thời gian thực, chất lượng cao 2.1.3 Đảm bảo tính an toàn, bảo mật thông tin Sử dụng Mobile Ipv6 có 128 bit địa chỉ thay cho địa chỉ 32 bit của Ipv4, tạo ra số lượng địa chỉ lớn, nên không chỉ cho phép nhiều nút mạng hơn kết nối với mạng mà còn cho phép một giao diện có thể có nhiều hơn một địa chỉ sử dụng cho các quy mô mạng khác nhau 2.1.4 Mạng đảm bảo tính . luật pháp và chất lượng dịch vụ của công nghệ 4G. Vì vậy mục đích của luận văn là nghiên cứu công nghệ 4G, kiến trúc mạng 4G và đưa gia giải pháp quản lý giám sát chất lượng dịch vụ trong mạng 4G. . IP trong mạng 4G. 15 16 2.3.4. Lớp dịch vụ Có chức năng cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu của người dùng, có chất lượng cao như: Các dịch vụ thông tin định vị, dịch vụ đa phương tiện chất lượng. khi lựa chọn các giải pháp chuyển mạng. Chương 3 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VÀ GIÁM SÁT LƯU LƯỢNG CHO MẠNG IP 3.1. Giới thiệu tổng quan về chất lượng dịch vụ (QoS) IP [4],[10] 3.1.1.