Nghiên cứu các cơ chế đàm bảo QoS trong mạng di động UMTS và áp dụng QoS đối với các phân lớp thuê bao

Header Page of 113 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - Bùi Văn Phú NGHIÊN CỨU CÁC CƠ CHẾ ĐẢM BẢO QOS TRONG MẠNG DI ĐỘNG UMTS VÀ ÁP DỤNG QOS ĐỐI VỚI CÁC PHÂN LỚP THUÊ BAO Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 Footer Page of 113 Header Page of 113 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG TRUNG KIÊN (Ghi rõ học hàm, học vị) Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Footer Page of 113 Header Page of 113 MỞ ĐẦU Thị trường viễn thông di động giới nói chung Việt Nam nói riêng trải qua giai đoạn phát triển bùng nổ vùng phủ sóng số lượng thuê bao hòa mạng Mối quan tâm lớn nhà khai thác mạng người dùng chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) Có thể nói QoS yếu tố cạnh tranh mang tính sống nhà khai thác để giữ thuê bao, phát triển thuê bao hạn chế thuê bao rời mạng QoS tiêu chí để đảm bảo doanh thu nhà khai thác mạng Các dịch vụ ứng dụng mạng UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) chia thành hai nhóm: 1) nhóm dịch vụ nhạy cảm với độ trễ: conversation (thoại AMR, thoại VoIP), báo hiệu; 2) nhóm dịch vụ nhạy cảm với tốc độ: streaming, interactive, background, IMS signaling Với tính đa dạng dịch vụ ứng dụng mạng 3G, vấn đề quản lý, cấp phát đảm bảo QoS cho loại hình dịch vụ, cho phân lớp thuê bao vấn đề nghiên cứu phức tạp Trong năm gần lĩnh vực tổ chức nghiên cứu áp dụng Tuy nhiên, tồn vấn đề chưa giải giải chưa triệt để Hầu hết đề xuất QoS cho mạng 3G chủ yếu quan tâm vấn đề sách giải trực tiếp vấn đề kỹ thuật định tuyến, xếp hàng, lập lịch Theo thời gian với hội tụ công nghệ 2G, 3G, tiến đến 4G tương lai việc đảm bảo QoS cho lớp dịch vụ vấn đề thiết thực cần nghiên cứu kỹ Tại Việt Nam, nhà mạng lớn triển khai cung cấp dịch vụ 3G kể từ năm 2009 nay, lượng khách hàng số trạm phát sóng 3G ngày gần bão hòa Bài toán đảm bảo QoS cho phân lớp thuê bao dựa mức độ ưu tiên sử dụng dịch vụ ARP/THP khác (ARP – Allocation Retention Priority, THP – Traffic Handling Priority), đặc biệt lớp thuê bao VIP (Very Important Person), nhận nhiều quan tâm từ nhà khai thác mạng đến người sử dụng dịch vụ Nhà khai thác tạo nhiều loại hình gói cước khác với mức QoS cam kết khác để hấp dẫn khách hàng Người sử dụng có nhiều lựa chọn việc sử dụng dịch vụ phù hợp với nhu cầu Hiện nhà mạng triển khai thử nghiệm loại hình dịch vụ cho phân lớp thuê bao VIP có kế hoạch triển khai thương mại toàn mạng Do vậy, đề tài “Nghiên cứu chế đảm bảo QoS mạng di động UMTS áp dụng QoS phân lớp thuê bao” thời điểm việc làm thiết thực có ý nghĩa thực tiễn to lớn Footer Page of 113 Header Page of 113 Đề tài cấu trúc gồm bốn chương sau:  Chương Nghiên cứu cấu trúc mạng UMTS chất lượng dịch vụ (QoS)  Chương Nghiên cứu phân lớp dịch vụ mạng UMTS, chế đảm bảo QoS, cách tính toán đánh giá tham số QoS  Chương Nghiên cứu tiêu QoS dịch vụ ứng dụng cụ thể  Chương Xây dựng đo QoS dựa phân lớp thuê bao khuyến nghị triển khai Đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc mạng 3G, phân lớp dịch vụ ứng dụng mạng 3G, chế đảm bảo QoS cho loại hình dịch vụ/ứng dụng, cách tính toán đánh giá tham số QoS, tiêu QoS cho số loại dịch vụ/ứng dụng cụ thể theo tổ chức tiêu chuẩn, xây dựng đo đo thực tế chế đảm bảo QoS dựa phân lớp thuê bao Cuối cùng, dựa kết nghiên cứu đo thực tế mạng UMTS Mobifone sử dụng thiết bị Huawei, đề tài đưa số khuyến nghị áp dụng QoS cho mạng UMTS Việt Nam Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trương Trung Kiên, người bảo tận tình chu đáo trình làm luận văn Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện cho hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 31 tháng 08 năm 2013 Bùi Văn Phú Footer Page of 113 Header Page of 113 Chương Nghiên cứu cấu trúc mạng UMTS chất lượng dịch vụ (QoS) Trong chương này, nghiên cứu cấu trúc mạng 3G UMTS, định nghĩa QoS mạng viễn thông theo ITU-T G.100 giới thiệu quy trình quản lý chất lượng dịch vụ làm tảng cho việc nghiên cứu QoS mạng UMTS Trong chương đề cập đến việc đảm bảo KPI (chỉ số chất lượng mạng lưới) Đảm bảo KPI yếu tố định để đảm bảo QoS dịch vu 1.1 Cấu trúc hệ thống UMTS UMTS Rel-5 đưa giải pháp hội tụ thoại số liệu Tương tự cấu trúc GPRS, UMTS bao gồm phần là: máy điện thoại di động (MS), UTRAN mạng lõi (CN) Máy điện thoại di động trao đổi thông tin với Node B thiết bị điều khiển kênh vô tuyến vùng phủ sóng hay gọi tế bào Các Node B lại chịu điều khiển điều khiển mạng vô tuyến (RNC) Trong cấu trúc UMTS, Node B tương đương trạm gốc (BTS) cấu trúc GPRS, RNC tương đương với điều khiển trạm gốc (BSC) GPRS RNC Node B tạo nên phân hệ mạng vô tuyến (RNS) Các RNCs kết nối với thông qua giao diện Iur Mỗi RNC kết nối với mạng lõi thông qua giao diện Iu giao diện hỗ trợ dịch vụ thoại số liệu 1.2 Chất lượng dịch vụ QoS 1.2.1 Định nghĩa QoS Theo E.800, QoS định nghĩa sau: "QoS yếu tố ảnh hưởng đến hiệu dịch vụ, xác định mức độ hài lòng khách hàng dịch vụ" Tuy nhiên để tương thích với E.800 định nghĩa sử dụng hợp đồng nhà cung cấp dịch vụ khách hàng, định nghĩa QoS sau: "QoS mức độ mà nhà cung cấp dịch vụ cung cấp cho khách hàng theo hợp đồng cam kết", định nghĩa bao gồm tập hợp tham số đo E.800 Định nghĩa sau thực tế định hướng đến thị trường QoS xác định dựa đánh giá khách hàng hai định nghĩa Trên thực tế kết cuối dịch vụ thoả mãn hay không thoả mãn 1.2.2 Bốn quan điểm QoS Ma trận định nghĩa QoS minh họa Hình 1.1 tiêu chí đánh giá chất lượng chức thông tin mà dịch vụ phải cung cấp [ITU-T G.1000] Footer Page of 113 Header Page of 113 Hình 1.1 Bốn góc nhìn QoS Các thành phần ma trận định nghĩa QoS là:  Yêu cầu QoS khách hàng  QoS dự kiến cung cấp nhà cung cấp dịch vụ  QoS thực tế cung cấp nhà cung cấp dịch vụ  QoS theo đánh giá khách hàng 1.2.3 Các thành phần mạng di động có ảnh hưởng đến QoS Chất lượng đặc tính gọi có phạm vi từ đầu cuối đến đầu cuối Do vậy, thành phần mạng có ảnh hưởng đến chất lượng Các thành phần cần xem xét kết nối vô tuyến từ thiết bị người dùng đến trạm gốc tế bào di động, mạng vô tuyến mặt đất kết nối tế bào di động phận điều khiển, gateway đến mạng lõi, mạng lõi, mạng ngoại vi phía đầu xa (cố định di động) Ngoài ra, chất lượng bị ảnh hưởng khả toàn mạng việc truyền yêu cầu gọi mặt phẳng điều khiển hỗ trợ yêu cầu chất lượng suốt gọi mặt phẳng người dùng Footer Page of 113 Header Page of 113 1.3 QoS mạng UMTS 1.3.1 Các yếu tố QoS UMTS Các dịch vụ UMTS gắn liền với yếu tố QoS sau:  Đưa tập hợp hữa hạn định nghĩa đặc điểm tiêu QoS điều khiển Các tiêu phải đơn giản thông tin liên quan tốt  Đưa mối quan hệ ứng dụng dịch vụ UMTS Mối quan hệ phải tính đến đặc điểm không đổi xứng đường lên (Uplink) đường xuống (Downlink)  Tương thích với hệ thống QoS phân thành nhiều cấp QoS khác  Hỗ trợ QoS cho kết nối dựa phiên cho phép hỗ trợ nhiều luồng QoS kết nối đến địa  Quản lý QoS để sử dụng tài nguyên cách có hiệu  Thay đổi tiêu QoS phiên thiết lập hoạt động 1.3.2 Quản lý KPI hệ thống để đảm bảo QoS Quản lý mạng gồm hai chức chính: quản lý hành quản lý lực Quản lý hành bao gồm việc bảo dưỡng hệ thống đăng ký (như HSS, HLR, VLR, EIR) sử dụng cho việc quản lý truy nhập dịch vụ quản lý di động Quản lý lực gòm việc cấu hình, phân bổ tài nguyên, thống kê mạng kiểm soát lỗi UMTS đề xuất thu thập số liệu thông kê sau khoảng thời gian (ví dụ 5, 15, 30, 60 phút) phù hợp với loại thống kê Báo cáo truyền cách thường xuyên phần tử mạng giám sát theo yêu cầu phận quản lý Các loại thống kê cho loại thiết bị giới thiệu bên No KPI name Value Customer care KPI 1.1 Anwer subscriber within 60s (%) >80% 1.2 Anwer subscriber within SLA (%) >85% Handle subscriber complaint 2.1 Subscriber complaint with evident/01 Quarter (%) 0.25 Response to subscriber after receiving complain within 48 hour 2.2 (%) Footer Page of 113 100 Header Page of 113 Quality of Service 3.1 Voice CSSR (%) 99.25 3.2 Voice CDR (%) 0.55 3.3 Data CSSR (%) 99.00 3.4 Data CDR (%) 0.85 3.5 Radio Network Availability (%) 99.50 3.6 Bad Cell Rate (%) 4.00 3.7 SMS Successful Rate (SMS Successful Rate on SMSC) (%) 94.00 FP_CPR (Call Successful Process Rate on CallNode of Fun Ring 3.8 system (%) 99 Bảng 1.1 Yêu cầu KPI nhà khai thác Việt Nam 1.4 Kết luận Trong chương này, nghiên cứu tổng quan cấu trúc mạng UMTS Định nghĩa QoS ITU, bốn quan điểm QoS mô hình quản lý QoS QoS Trong mạng UMTS mục tiêu nghiên cứu đề tài nêu Cùng với yêu cầu KPI nhà mạng để đảm bảo QoS dịch vụ Đây sở lý thuyết quan trọng để sâu nghiên cứu kiến trúc quản lý QoS mạng UMTS, cách thức thực QoS UMTS QoS toàn trình (QoS đầu cuối tới đầu cuối end-toend) Chương Footer Page of 113 Header Page of 113 Chương Nghiên cứu phân lớp dịch vụ mạng UMTS, chế đảm bảo QoS, cách tính toán đánh giá tham số QoS Chương nghiên cứu chế quản lý thực thi QoS mạng UMTS Chúng ta nghiên cứu bốn loại hình dịch vụ (bốn lớp dịch vụ bản) mạng UMTS bao gồm: Conversation, Streaming, Interactive Background Các chế đảm bảo QoS thông qua hồ sơ thuê bao Các tiêu chí đánh giá QoS cách tính toán tham số QoS bao gồm Trễ, Thông lượng, Lỗi Xác suất gọi 2.1 Quản lý QoS UMTS Chất lượng dịch vụ QoS phản ánh đầy đủ lực dịch vụ hệ thốngWCDMA Nhóm tham số xác định mức độ hài lòng người sử dụng dịch vụ cung cấp nhà khai thác viễn thông Do đó, chất lượng dịch vụ QoS nhân tố quan trọng cần phải nghiên cứu kỹ hệ thống WCDMA Trong UTRAN, QoS xác định chiến lược quản lý QoS Hình 2.1 đây: Hình 2.1 Chiến lược quản lý QoS UTRAN Footer Page of 113 Header Page 10 of 113 2.2 Các phân lớp dịch vụ UMTS UMTS GPRS định nghĩa lớp QoS cho loại hình dịch vụ, mà gọi phân lớp dịch vụ Người sử dụng phân lớp dịch vụ liên lạc với mạng cố định mạng di động khác, đó, chất lượng toàn trình (end-toend) bị ảnh hưởng tính mạng đầu xa Mặc dù khả dịch vụ UMTS GPRS khác lớn, chúng hỗ trợ bốn lớp QoS sau: Conversational; Streaming; Interactive; Background 2.2.1 Lớp dịch vụ Conversation 2.2.2 Dịch vụ Streaming 2.2.3 Dịch vụ Interactive 2.2.4 Dịch vụ Background 2.3 Cơ chế quản lý QoS mạng UMTS, chế ánh xạ tham số QoS vào Node mạng Trong phần này, nghiên phương pháp để UTRAN thực quản lý QoS Phần bao gồm nội dung sau:  Kiến trúc QoS  Ánh xạ QoS lên UTRAN  Quản lý QoS UTRAN 2.3.1 Kiến trúc QoS 3GPP TS 23.107 mô tả khái niệm QoS kiến trúc Ngoài ra, tiêu chuẩn cung cấp tham số QoS dựa dịch vụ kênh mang UMTS Footer Page 10 of 113 Header Page 12 of 113 10  Lớp Background sử dụng để nhận phát liệu chế độ Như dịch vụ emal, SMS, FTP Lớp yêu cầu cao trễ, yêu cầu gói liệu phải phát suốt tốc độ bit thấp 2.3.2.2 Các tham số QoS mang lõi (CN) Mỗi dịch vụ mang UMTS đặc tả số lượng chất lượng yếu tố chất lượng, chúng liệt kê Một số ứng dụng kế thừa vài subflow khác kênh mang truy nhập vô tuyến, chúng yêu cầu QoS tách biệt, đặc biệt bảo vệ chống lỗi, số dịch vụ khác sử dụng đặc tính giống kênh mang UMTS Trong kênh mang truy nhập vô tuyến có nhiều subflow, có số tương ứng kênh mang vô tuyến Loại dịch vụ Conversation Streaming Interactive Background √ √ √ √ Tố độ bit lớn √ √ √ √ Thứ tự phát Kích thước SDU lớn √ √ √ √ Thông tin định dạng √ √ SDU √ √ √ √ Tỉ lệ lỗi SDU √ √ √ √ Tỉ lệ lỗi bit dư √ √ √ √ Phát SDU lỗi √ √ Trễ truyền tải √ √ Tốc độ bit đảm bảo Mức ưu tiên xử lý dịch √ √ vụ (THP) Mức ưu tiên cấp phát √ √ √ √ (ARP) √ √ Nhận diện nguồn phát √ Chỉ thị báo hiệu Bảng 2.1 Các tham số QoS định nghĩa 3GPP Lưu ý:  - : không áp dụng  √: áp dụng Đối với miền PS, QoS yêu cầu đặt hồ sơ QoS IE Hình 2.3 đây: Footer Page 12 of 113 Header Page 13 of 113 11 Hình 2.3 Hồ sơ QoS thuê bao miền PS 2.3.2.3 Cơ chế ánh xạ QoS UTRAN QoS dịch vụ UTRAN điều khiển tham số liên quan Các tham số QoS CN ánh xạ tới tham số QoS UTRAN Tất tham số đảm bảo QoS dịch vụ cung cấp cho người sử dụng Đầu vào ánh xạ QoS tham số QoS CN, đầu tham số QoS vô tuyến tham số QoS truyền tải Việc ánh xạ thực RNC Đầu ánh xạ QoS áp dụng chức liên quan RNC NodeB Các tham số NodeB gửi tới NodeB thông qua giao diện Iub Hình 2.4 chế ánh xạ QoS này: Footer Page 13 of 113 Header Page 14 of 113 12 Hình 2.4 Cơ chế ánh xạ QoS UMTS 2.3.2.4 Ánh xạ QoS giao diện vô tuyến Uu  Ánh xạ RAB-to-RB (RAB-to-RAB Mapping)  Ánh xạ mức ưu tiên người sử dụng (User Priority Mapping)  Ánh xạ mức ưu tiên tích hợp RAB (RAB Integrated Priority Mapping)  Ánh xạ HSPA SPI GRB 2.3.2.5 Ánh xạ QoS truyền tải giao diện Iub/Iur Dựa mô hình truyền tải, ánh xạ QoS truyền tải Iub/Iur bao gồm:  Ánh xạ dịch vụ dựa ATM (Service Mapping over ATM)  Ánh xạ dịch vụ dựa IP (Service Mapping over IP) 2.3.3 Quản lý QoS UTRAN Chiến lược quản lý QoS UTRAN cố gắng để đảm bảo QoS cho người dùng để cung cấp DiffServ cho người dùng khác nhau, đạt yêu cầu nhiều người sử dụng Footer Page 14 of 113 Header Page 15 of 113 13 Hình 2.5 Cơ chế quản lý QoS UTRAN 2.3.3.1 Đảm bảo QoS cho người dùng 2.3.3.2 Phân biệt dịch vụ (DiffServ) cho người sử dụng khác 2.4 Các tiêu QoS mạng UMTS Các tiêu lớp QoS cụ thể mô tả Bảng 2.2 Dịch vụ Ứng dụng Âm Thoại Hình ảnh Thoại thấy hình Trò chơi Dữ liệu tương tác Mức độ đối xứng Tốc độ liệu (kbps) Các tham số chất lượng yêu cầu Trễ End-toThay đổi Mất thông End chiều trễ tin (%) (ms) gọi (ms)