Chất lƣợng dịch vụ QoS là khái niệm của việc cung cấp chất lƣợng cá biệt cho từng loại dịch vụ cụ thể. QoS là một trong những thách thức chính và lớn nhất cho các dịch vụ dựa trên nền IP khi không có kênh kết nối riêng biệt. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng đa phƣơng tiện, QoS cần duy trì dịch vụ đảm bảo thông qua mạng vô tuyến. Giải pháp QoS cho trải nghiệm ngƣời dùng với từng dịch vụ chạy trên kênh vô tuyến chung phải đƣợc thỏa mãn. Do vậy hệ thống EPS lựa chọn QoS khác nhau cho từng dịch vụ.
Kiến trúc QoS trong mạng LTE
3GPP giới thiệu kiến trúc QoS cho LTE/EPS trong phiên bản R8. QoS trong mạng EPS dựa trên khái niệm luồng dữ liệu và kênh mang. Ví dụ nhƣ luồng dữ liệu đƣợc thiết lập giữa UE và PDN-GW và ánh xạ tới kênh mang, cùng với ba kênh mang riêng biệt (vô tuyến, S1 và S5/S8). Sự kết hợp của các kênh mang cung cấp QoS từ điểm đầu đến điểm cuối „end to end‟ trong hệ thống LTE. Cùng với các kênh mang, các giá trị vô hƣớng QCI sẽ xác định kênh mang thuộc lớp nào.
QoS cho thoại trên nền LTE (VoLTE)
Để chạy dịch vụ VoLTE trên mạng LTE, hai kênh mang mặc định và một kênh mang chỉ định sẽ đƣợc thiết lập. Kênh mang đầu tiên là kênh mang riêng biệt, đƣợc sử dụng cho báo hiệu. IMS sử dụng kênh mang này với QCI=5 cho tất cả các báo hiệu SIP. Packet Delay Budget PDB cho kênh mang này là 100ms giữa PGW và UE cùng với tỉ lệ mất gói là 10-6. Kênh mang này có độ ƣu tiên cao nhất. Kênh mang thứ hai cũng là kênh mang mặc định, đƣợc sử dụng cho tất cả lƣu lƣợng TCP (nhƣ email). PDB lên đến 300ms và tỉ lệ mất gói là 10-6. Kênh mang này có độ ƣu
39
tiên thấp nhất. Kênh mang cuối cùng là kênh mang riêng biệt. Kênh mang này đƣợc dùng cho thoại (VoLTE). Giá trị PDB là 100ms và tỉ lệ mất gói là 10-2. Kênh mang này có độ ƣu tiên thứ hai và không giống nhƣ các kênh mang mặc định, nó luôn luôn có giá trị GBR.
QCI Loại tài nguyên Độ ƣu tiên Trễ (UE-PGW) Tỉ lệ mất gói Dịch vụ (Ví dụ) 1 GBR (Tốc độ đảm bảo) 2 100 ms 10-2 Thoại thông thƣờng
2 4 150 ms 10-3 Video thông thƣờng (Live
Streaming)
3 3 50 ms 10-3 Chơi game thời gian thực
4 5 300 ms 10-5 Video (Buffered Streaming) 5 Non- GBR (Tốc độ không đảm bảo)
1 100 ms 10-6 Báo hiệu IMS
6 6 300 ms 10-6
Video (Buffered Streaming)
Dựa trên TCP (email, chat, ftp…)
7 7 100 ms 10-3 Thoại, video (live
streaming), game tƣơng tác
8 8
300 ms
10-6
Video (Buffered Streaming)
Dựa trên TCP (email, chat, ftp…)
9 9
Bảng 2-1: Bảng giá trị QCI chuẩn LTE [5] 2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng dịch vụ của VoLTE
VoLTE sử dụng mạng toàn IP để truyền gói tin qua mạng. Tuy nhiên tại các nơi thu, các gói tin có thể bị mất hay trễ phụ thuộc vào môi trƣờng mạng cụ thể lúc đó: ví dụ nhƣ mạng bị lỗi, tắc nghẽn hay gói tin bị trễ qua các thành phần mạng…
40
Điều này làm giảm chất lƣợng thoại tại đầu thu, và do truyền dẫn thoại là truyền dẫn thời gian thực nên phía thu không thể yêu cầu mạng truyền lại các gói tin bị mất.
Chất lƣợng dịch vụ đƣợc hiểu một cách đơn giản là “khả năng của mạng làm thế nào để đảm bảo và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo nhƣ các yêu cầu đã đƣợc chỉ rõ của mỗi ngƣời sử dụng”. Nhìn chung, chất lƣợng dịch vụ đƣợc quyết định bởi ngƣời dùng ở hai đầu cuối thoại. Do đó nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo QoS khi điều kiện mạng bị thay đổi vì các nguyên nhân nhƣ nghẽn, hỏng thiết bị hay sự cố liên kết. Chất lƣợng dịch vụ cũng đƣợc phân cấp để tiện cho nhà cung cấp dịch vụ tính toán và đảm bảo QoS trong các kế hoạch truyền dẫn cụ thể của mình. Đối với các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông, chất lƣợng dịch vụ thƣờng đƣợc đánh giá bằng các phƣơng pháp phản hồi từ khách hàng. Phƣơng pháp này không mang lại hiệu quả cao khi mà tính phức tạp và phạm vi của mạng viễn thông hiện tại ngày một tăng, đòi hỏi phƣơng pháp có tính tổng thể để đánh giá một cách toàn diện cho dịch vụ thoại. Công nghiệp viễn thông chấp nhận một con số chung để mô tả chất lƣợng dịch vụ, chất lƣợng cuộc gọi là điểm đánh giá trung bình: Mean Opinion Score (MOS). MOS dao động từ mức tối thiểu (1) đến mức 5 (mức tốt nhất). Các nhà cung cấp dựa vào mức MOS này để đƣa ra mức chất lƣợng dịch vụ phù hợp cho dịch vụ của mình. Mức chất lƣợng Mức (Điểm) MOS Xuất sắc 5 Tốt 4 Bình thƣờng 3 Nghèo 2 Tồi 1
Bảng 2-2: Điểm đánh giá trung bình MOS
Đối với mạng 2G thông thƣờng, thoại là quan trọng nhất trong khi đó mạng 3G, LTE là chuyển mạch gói thì chú ý chủ yếu đến băng thông, trễ, trễ biến động và các cơ chế điều khiển trong mạng.
41
VoLTE QoS: VoLTE là dịch vụ đƣợc xây dựng dựa trên nền LTE, là mạng chuyển mạch gói trên nền IP do vậy VoLTE có chất lƣợng QoS không thể đảm bảo nhƣ khi sử dụng dịch vụ thoại trong mạng PSTN truyền thống. Trong mạng chuyển mạch kênh, một kênh truyền dẫn dành riêng đƣợc thiết lập giữa hai thiết bị đầu cuối thông qua một hay nhiều nút chuyển mạch trung gian. Dòng thông tin trên kênh truyền này là dòng bit đƣợc truyền liên tục theo thời gian. Băng thông của kênh dành riêng đƣợc đảm bảo và cố định trong quá trình liên lạc (64Kbps đối với mạng điện thoại PSTN), và độ trễ thông tin là rất nhỏ chỉ cỡ thời gian truyền thông tin trên kênh. Khác với mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch gói (Packet Switching Network) sử dụng hệ thống lƣu trữ rồi truyền trên các nút mạng. Thông tin đƣợc chia thành các gói, mỗi gói đƣợc thêm các thông tin điều khiển cần thiết cho quá trình truyền nhƣ là địa chỉ nơi gửi, địa chỉ nơi nhận… Các gói thông tin đến các nút mạng đƣợc xử lý và lƣu trữ trong một thời gian nhất định rồi mới đƣợc truyền đến các nút tiếp theo sao cho việc sử dụng kênh có hiệu quả nhất. Trong mạng LTE có kênh riêng đƣợc thiết lập cho dịch vụ thoại VoLTE, băng thông của kênh logic giữa hai thiết bị đầu cuối đƣợc đảm bảo.
Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng thoại VoLTE:
- Môi trƣờng vô tuyến:
o Nhiễu do môi trƣờng vô tuyến
o Băng thông
o Tiếng vọng
- Giao thức truyền IP
o Độ khả dụng (Availability): yếu tố suy hao thiết bị và độ ổn định
o Trễ: trễ xử lý, gói hóa, truyền dẫn nối tiếp, bộ đệm và hàng đợi…
o Biến động trễ: jitter
42
2.2.1. Ảnh hƣởng do môi trƣờng vô tuyến 2.2.1.1. Nhiễu do môi trƣờng vô tuyến 2.2.1.1. Nhiễu do môi trƣờng vô tuyến
Tỉ số công suất tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR – signal interference and noise ratio) đƣợc xem là chỉ số chất lƣợng tín hiệu cơ bản trong LTE. SINR trung bình đƣợc tính bằng công thức [6]
:
trong đó S là công suất tín hiệu thu đƣợc trung bình, I là công suất can nhiễu và N là công suất tạp âm.
Nhiễu trong môi trƣờng vô tuyến ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng thoại. Suy hao cực đại cho phép của đƣờng truyền phải thỏa mãn điều kiện sau: SINR ≥ SINR yêu cầu.
Có nhiều nguyên nhân gây ra nhiễu:
- Nhiễu giữa GSM/LTE có tần số giống nhau, khi GSM và LTE sử dụng chung băng tần và chung tần số, gây ra nhiễu qua lại. Các kênh lân cận GSM và LTE sẽ bị ảnh hƣởng.
- Vùng phủ LTE và vùng phủ 2G/3G chồng lấn lên nhau, gây ra nhiễu nền tăng, dẫn đến công suất khả dụng dành cho ngƣời dùng giảm.
- Nhiễu xuyên kênh do hiệu ứng Doppler (tốc độ UE cao).
2.2.1.2. Băng thông
Là tốc độ truyền thông tin (tính bằng KB/giây, MB/giây...). Bình thƣờng trong môi trƣờng mạng LAN, băng thông càng lớn càng tốt.
Rất nhiều mạng số liệu không đƣợc thiết kế cho nhu cầu băng tần theo thời gian thực của tín hiệu thoại. Các mạng này thông thƣờng không yêu cầu các dòng dữ liệu gói hóa phải tới đích trong một khung thời gian hẹp (với độ trễ tƣơng đối thấp) nhƣ mạng LTE. Khi dịch vụ thoại đƣợc triển khai trên hệ thống IMS trên mạng LTE, thoại đƣợc truyền theo thời gian thực. Tuy nhiên chất lƣợng thoại sẽ vẫn bị ảnh hƣởng một khi các cơ chế này hoạt động không nhƣ mong muốn. Mặc dù tín
43
hiệu thoại chỉ yêu cầu một băng tần tƣơng đối thấp nhƣng nó đòi hỏi phải có tính ổn định cao và trực tiếp.
Tuy nhiên, trong một mạng tích hợp dữ liệu và thoại nhƣ VoLTE, ta phải quyết định xem mỗi dịch vụ phải sử dụng bao nhiêu băng thông. Những quyết định này dựa trên việc xem xét cẩn thận sự ƣu tiên và băng thông sẵn có. Nếu ta dành cho dịch vụ thoại quá ít băng thông thì chất lƣợng thoại là không chấp nhận đƣợc. Hay nói cách khác thì các dịch vụ thoại không thể chấp nhận băng thông nhỏ nhƣ lƣu lƣợng của Internet.
Tuy nhiên, phần mào đầu trong hệ thống VoLTE là thấp hơn nhiều so với hệ thống thoại trên nền IP khác (VoIP, Voice OTT), do vậy băng thông yêu cầu trong VoLTE thấp hơn hẳn so với thoại truyền thống.
Hệ thống LTE phát triển trên nền tảng GSM/UTMS, là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G (hệ thống tiền 4G). Kiến trúc mạng mới đƣợc thiết kế với mục tiêu cung cấp lƣu lƣợng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lƣợng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA. Thêm vào đó, FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp. Không giống nhƣ FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm. Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE. Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak- to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA. Khi cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6.
2.2.1.3. Tiếng vọng
Tiếng vọng trong thoại tạo ra khi ngƣời nói nghe thấy chính tiếng nói của mình. Tiếng vọng đƣợc tạo ra trong các thiết bị cầm tay tƣơng tự và số, với độ vọng phụ thuộc vào loại và chất lƣợng của thiết bị đƣợc sử dụng. Loại tiếng vọng này
44
hình thành ở đoạn nối giữa microphone và loa trong bộ phận cầm tay. Nguyên nhân sâu xa của sự suy giảm chất lƣợng thoại là do các thiết bị mã hóa/giải mã xử lý phần thoại bên trong máy cầm tay và trong mạng không dây. Kết quả là tín hiệu vọng ngƣợc về có các thuộc tính biến đổi phức tạp. Khi kết hợp với tính chất trễ cố hữu của truyền dẫn số, chất lƣợng thoại giảm đi rất nhiều so với các cuộc gọi của mạng có dây.
Độ trễ của các bộ xử lý số và kỹ thuật nén thoại góp phần tạo ra tiếng vọng và làm giảm chất lƣợng thoại trong mạng không dây. Trễ gặp phải khi tín hiệu đƣợc xử lý thông qua rất nhiều chặng khác nhau trên mạng, gồm cáp quang, các kết nối viba, các gateway quốc tế và truyền dẫn qua vệ tinh.
Các hệ thống điều khiển tiếng vọng rất cần thiết trong tất cả các mạng tạo ra độ trễ một chiều lớn hơn 16 ms. Trong mạng VoLTE, các cuộc gọi đƣợc xử lý qua bộ mã hóa/giải mã thoại AMR-WB (vocoder), tạo ra trễ xử lý tiếng nói trong khoảng từ 80 ms đến 100 ms gây nên tổng thời gian trễ không thể chấp nhận đƣợc từ 160 ms đến 200 ms. Do đó các thiết bị triệt tiếng vọng cần phải có trên mạng không dây để loại bỏ tiếng vọng lai và vọng âm trong các cuộc gọi.
2.2.2. Ảnh hƣởng do giao thức truyền tải IP 2.2.2.1. Độ ổn định 2.2.2.1. Độ ổn định
Độ ổn định là một trong những yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng dịch vụ. Ngƣời sử dụng đã quen sử dụng mạng PSTN truyền thống với độ ổn định rất cao. Mạng PSTN có khả năng truyền cuộc gọi cả ngày lẫn đêm và vào tất cả các ngày trong năm do đó mạng VoLTE cũng phải đáp ứng đƣợc độ ổn định tƣơng tự.
Một năm có 365 ngày. Giả thiết một mạng khả dụng 99% thời gian thì số giờ mạng không sử dụng là 87,6 giờ, khoảng thời gian này là tƣơng đối lớn. Nếu giá trị độ khả dụng là 99,99% thì thời gian mạng không hoạt động chỉ là 50 phút một năm. Tuy nhiên nhà cung cấp dịch vụ có nhiều cơ chế dự phòng và khắc phục lỗi để đảm bảo thời gian không hoạt động ở mức nhỏ nhất.
45
Ngày nay, thông số QoS khả dụng của mạng thƣờng vào khoảng 99,995%, hay khoảng 26 phút ngừng hoạt động trong một năm, kết nối khôi phục nhỏ hơn 4 giờ. Cũng có sự khác nhau giữa độ khả dụng và độ tin cậy của mạng từ góc nhìn của từng ngƣời sử dụng và từ góc nhìn mạng tổng thể. Thông số QoS khả dụng thƣờng đƣợc quy cho mỗi vị trí hoặc liên kết riêng lẻ. Tuy nhiên nhà mạng cần phải đảm bảo cho ngƣời dùng một mạng có tính ổn định cao, nhất là trong môi trƣờng toàn IP.
2.2.2.2. Độ trễ trong VoLTE
Trễ là thời gian truyền trung bình của dịch vụ từ điểm vào đến điểm cuối mạng. Có nhiều dịch vụ đặc biệt là các dịch vụ thời gian thực nhƣ truyền thông thoại bị ảnh hƣởng rất lớn bởi trễ quá lớn và không cần thiết. Nếu trễ vƣợt quá 200ms thì ngƣời sử dụng sẽ thấy sự ngắt quãng và đánh giá chất lƣợng thoại ở mức thấp.
Khi thiết kế bất kỳ một mạng gói nào để truyền thông tin thoại thì xử lý trễ luôn luôn là khâu quan trọng. Việc tính toán trễ một cách chính xác sẽ giúp nhà cung cấp dịch vụ thoại giám sát đƣợc chất lƣợng truyền dẫn trên mạng và đƣa ra các giải pháp hợp lý để khắc phục.
Trễ trong mạng thoại phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ thuật toán mã hóa, lỗi mất khung, thiết bị… Trong khuyến nghị G114, ITU đã nghiên cứu độ trễ mạng cho các ứng dụng thoại. Khuyến nghị này định nghĩa 3 tầng trễ một chiều nhƣ sau:
Khoảng thời gian trễ Mô tả đặc điểm
0 – 150 ms Chấp nhận cho hầu hết các ứng dụng ngƣời dùng
150 ms – 450 ms Có ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền dẫn đối với các ứng dụng.
>450 ms
Không thể chấp nhận cho các mục địch kế hoạch mạng chung. Tuy nhiên có thể dùng nhƣ là giới hạn trễ cho một số trƣờng hợp cụ thể
Ảnh hƣởng của trễ đến chất lƣợng cuộc gọi:
46
- Gây ra tiếng ồn giữa cuộc thoại,
- Nguyên nhân gây ra tiếng vang, tiếng vọng,
- Làm rối loạn đồng bộ hóa giữa giọng nói và các loại dữ liệu khác. Trễ bị gây ra bởi nhiều nguyên nhân, trong đó có 3 nguyên nhân chính: Trễ gây ra bởi lan truyền sóng vô tuyến
Khi tín hiệu lan truyền từ máy phát sang phía máy thu, tín hiệu đó sẽ chịu một hoặc nhiều lần phản xạ. Điều này làm cho tín hiệu đi thành nhiều đƣờng. Mỗi đƣờng có độ dài khác nhau, nên thời gian đến đích trên từng đƣờng là khác nhau. Hiệu ứng này đƣợc gọi là “spread delay”. Do vậy khi truyền tín hiệu từ phía phát sang phía thu sẽ bị trễ do lan truyền.
Hình 2-1: Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng
Trễ truyền dẫn mạng
Trễ mạng là thời gian truyền dẫn các gói qua mạng để đến đích. Các thành