NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP NÂNG CAO 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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



CHU KHÁNH THÀNH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

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

Thư viện - Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

2

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành côngnghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuậncho các nhà mạng đang khai thác dịch vụ

Với sự xuất hiện của mạng di động thế hệ 4G đang được cácnhà cung cấp dịch vụ thông tin di động 3G chú ý Công nghệ 4Gđang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới; cung cấpcho 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 cậpsóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP Việt Nam là nướcứng dụng công nghệ nên trước khi triển khai công nghệ 4G vào ViệtNam cần phải nghiên cứu về các khía cạnh kỹ thuật, kinh tế, luậtpháp 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 lượngdịch 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.

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 dụngthông qua giao diện vô tuyến Trái lại, 4G sẽ không có gì liên quanđến 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.

 AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại diđộng tiên tiến, phát triển ở Bắc Mỹ, hoạt động ở dải tần 800MHz.

 TACS (Total Access Communication System): Hệ thốngthông tin thâm nhập toàn bộ, được triển khai ở các nước thuộc khốiliên 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 lậpmột nhóm nghiên cứu có tên gọi là Group Special Mobile (GSM) đểnghiên 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 chiađược làm 2 nhóm là:

Hệ thống thông tin di động dựa trên phương pháp đa truynhập phân chia theo thời gian kết hợp tần số (TDMA/FDMA - TimeDivision MultiAccess/ Frequency Division MultiAccess)

Hệ thống thông tin di động dựa trên phương pháp đa truynhập phân chia theo mã (CDMA- Code Division MultiAccess)Dịch vụ của hệ thống GSM được chia làm 2 nhóm chínhthoại và dữ liệu

Bảng 1.1: Dịch vụ của hệ thống GSM

Thoại

- Cuộc gọi thông thường(Normal Call)

- Chặn cuộc gọi (Bared Call)

- Chuyển cuộc gọi

- Giữ cuộc gọi

Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (InternationalMobil Telecommunication - 2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểmchính 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

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 HomeEnvironment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân vàchuyển mạng toàn cầu

Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, sốliệu 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

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) vàCDMA2000

UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trêncông nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nướcđang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G

WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5MHz để chuyển dữliệu Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trongmạng 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 hơnlên 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 tồntại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phươngtiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV,cácdịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác Nó chophép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và

có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số

ở đường xuống: để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh màkhông phải lượng tử phức tạp.

- Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặcSC-FDMA ở đường xuống: tốc độ bit thay đổi bằng việc gán chongười 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 loạidich vụ chính: di động, viễn thông và internet nhưng với tốc độ caohơn lên đến 100 Mbit/s và điều đáng quan tâm hơn là các dịch vụ đaphương tiện

Với khả năng cung cấp các dịch vụ tốc độ bit cao, các hệthống thông tin di động thế hệ 4G cung cấp các dịch vụ chất lượngtốt, đảm bảo: Điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, các dịch vụthông tin về vị trí, các dịch vụ thương mại di động, các dịch vụphân phối nội dung, các dịch vụ hỗ trợ tải dữ liệu, các dịch vụ điềukhiển từ xa, các dịch số liệu tốc độ bít thấp, dịch vụ số liệu bítcao… 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 diđộng và đưa ra một số loại hình dịch vụ điển hình, một số ví dụ vềcác ứng dụng trong 4G theo một khía cạnh chung Định hướngphát 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 cókhả năng kết nối thông suốt trong khi 3G thì không hỗ trợ chongười sử dụng người đi du lịch và yêu cầu kết nối thoại/ dữ liệukhông 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 cácmạng 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 Hình2.1 dưới đây

3G

4G

WiFi SSR Evolution

Wimax

Evolution

Wimax Evolution

WiFi SSR

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 bitcủa Ipv4, tạo ra số lượng địa chỉ lớn, nên không chỉ cho phép nhiều nútmạng hơn kết nối với mạng mà còn cho phép một giao diện có thể cónhiều hơn một địa chỉ sử dụng cho các quy mô mạng khác nhau

2.1.4 Mạng đảm bảo tính di động

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

2.3 Chức năng các phần tử trong mô hình [1],[2],[6],[7]

2.3.1 Các phần tử lớp truy nhập vô tuyến

Nhiệm vụ chính của mạng truy nhập vô tuyến (Radio AccessNetwork) là tạo và duy trì các kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB)

để thực hiện thông tin giữa thiết bị di động (UE) với mạng lõi (CN)

- Các phần tử truy nhập là các thiết bị đầu cuối có khả năng

tích hợp và hội tụ

- Điểm truy nhập vô tuyến (RAP- Radio Access Point): Chức

năng chính của RAP là thực hiện xử lý lớp 1 của giao diện vô tuyến(mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ,…), Sử dụng một

số kỹ thuật mới làm tăng tốc độ đường truyền bằng cách: Sử dụngAnten thông minh, đây là sự kết hợp của nhiều phần tử Anten tựđộng tối ưu mẫu thu và bức xạ của nó dựa vào sự hồi đáp của môitrường tín hiệu

- Điều chế và mã hóa thích ứng :(AMC - Adaptation and

Modulation Coding) Điều chế và tỉ lệ mã hóa được thích ứng mộtcách liên tục và chất lượng kênh thay cho việc điều chỉnh công suất

đã thay thế hoàn toàn kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên của truyềndẫn vô tuyến tốc độ cao

- Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM [8]: Tín hiệu

gửi đi được chia thành các sóng mang nhỏ, trên mỗi sóng mang đótín hiệu là “ băng hẹp ” và vì vậy tránh được hiệu ứng đa đường, tạonên một khoảng bảo vệ chèn vào giữa mỗi tín hiệu OFDM OFDMcũng tạo nên một độ lợi về phân tập tần số, cải thiện hiệu năng củalớp vật lý Nó cũng tương thích với những công nghệ mở rộng nângcao khác, như là các anten thông minh và MIMO [7]

Hình 2.7 Nguyên lý OFDM

- Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC: Radio AccessController): Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC) là phần tử điềukhiển của lớp truy nhập vô tuyến Chức năng RNC dùng để điều khiểnlưu lượng và quản lý tài nguyên vô tuyến của lớp thâm nhập vô tuyến.

- Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến: RRM (RadioResources Management) là một tập hợp các thuật toán được sử dụng

để đảm bảo sự ổn định của đường truyền vô tuyến và QoS của kết nối

vô tuyến bằng cách chia sẻ và quản lý tài nguyên vô tuyến một cách

có hiệu quả

2.3.2 Lớp mạng lõi

Mạng lõi phải tích hợp được tất cả các mạng viễn thông khácnhư các mạng di động, WLAN, WiMAX, các mạng không dây khác,

… Để đạt được điều đó thì trong mạng lõi phải có:

- Phát triển NGN trên toàn cầu, hệ thống truyền dẫn trong

mạng lõi sử dụng giao thức IPv6, đặc biệt việc sử dụng IP di độngmột cách linh hoạt giúp cho việc kết hợp giữa các mạng di động.Cổng đa phương tiện (MGW: Multimedia Gateway): Trong mạng lõi,MGW thực hiện các chức năng chính là:

+ Thực hiện chuyển đổi dữ liệu sang gói IP và ngược lại + Thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến dữ liệutừ/tới một vùng dịch vụ của mạng tuỳ thuộc vào vị trí thuê bao

- Các Router: Trong mạng lõi thì các router thực hiện chức

năng chính là định tuyến cuộc gọi, đưa cuộc gọi số liệu từ/tới các nơitheo đúng yêu cầu Các router sử dụng giao thức định tuyến tiên tiếntrong mạng IP như BGP (BGP: Border Gateway Protocol) Ngoài ra,mạng lõi còn sử dụng một kỹ thuật mới nữa là chuyển mạch nhãn

đa giao thức MPLS (MPLS: Multi protocol Label Switching)

2.3.3 Lớp chức năng

Lớp chức năng điều khiển dùng để điều khiển hệ thống nhưđiều khiển hệ thống báo hiệu, điều khiển lưu lượng, bảo mật thôngtin,… đồng thời cung cấp cơ sở hạ tầng cho lớp dịch vụ cung cấp cácloại hình dịch vụ khác nhau Chức năng điều khiển gồm có:

- Chức năng báo hiệu: Báo hiệu trong mạng lõi là loại báo hiệu

tập trung Một đặc điểm chính trong mạng 4G là tất cả đều hội tụ trênnền IP, do đó giao thức báo hiệu thực hiện chính trên mạng 4G làSS7oIP Điều này được thực hiện thông qua Gateway báo hiệu (SGW -Signalling gateway)

- Chức năng bảo mật: Chức năng này được thực hiện thông

qua Gateway an ninh (SEG - Security Gateway) để cung cấp về chínhsách an toàn (proxy server) và bức tường lửa (firewall)

- Chức năng về Billing: Chức năng này cung cấp cho mạng khả

năng về nhận thực, tính cước đối với các dịch vụ sử dụng trong mạng

- Chức năng về tính di động trong mạng (Mobility): Chức

năng này được kế thừa từ các mạng di động thế hệ trước Nó đượcthể hiện qua các thành phần cũ của mạng như HLR, VLR, EIR, AUC,MSCS và cơ cấu điều khiển handover, handoff của thuê bao

- Chức năng IP Multimedia: Đây là khối chức năng tiên tiến sovới các mạng di động 2G Điểm chính của khối chức năng này làthực hiện các chức năng điều khiển, quản lý các phiên làm việc IPtrong mạng 4G

2.4 Kết luận

Chương 2 đã tập trung nghiên cứu cấu trúc cụ thể của mạng4G, cấu trúc vật lý, mô hình kết nối và các lớp kiến trúc trong mạng4G So sánh giữa mạng di động hiện tại với hệ thống di động 4G sắptriển khai, có đánh giá về các chỉ tiêu và điều kiện khi lựa chọn cácgiải 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 chỉ ra các bước phát triển của khái niệm chất lượng dịchvụ: (QoS-Quality of Service) từ khoảng giữa thập kỳ1990 tới đây

Mô hình IP

nỗ lực tối đa

Mô hình tích hợp dịch vụ

Mô hình phân biệt dich vụ

Kỹ thuật lưu lượng và VPN QoS

Điều khiển QoS thông minh tự động

QoS là công cụ bảo mật

Hình 3.1: Các bước phát triển của mô hình QoS

Nỗ lực tiêu chuẩn hoá chất lượng dịch vụ IP lần đầu tiên khiIETF phát hành RFC1633 vào tháng 6 năm 1994 RFC 1633 đưa ra

mô hình dịch vụ tích hợp IntServ (Integrated Sevices) và tập trungvào giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource ReservationProtocol) Vào cuối những năm 1990, các kỹ thuật QoS được chútrọng nhiều hơn và trở thành vấn đề quan trọng khi tương thích vớicác công nghệ mạng tiên tiến như: Công nghệ chuyển mạch nhãn đagiao thức MPLS (Multiprotocol Label Switching) và các công nghệmạng riêng ảo VPN (Virtual Private Network)

3.1.2 Các tham số chất lượng dịch vụ IP