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 phần trễ mạng bao gồm[7]:
47
- Trễ truyền dẫn, tạo ra do việc gửi một gói qua một liên kết (ví dụ nhƣ gửi một gói có kích thƣớc 256 byte qua một liên kết có tốc độ 64kb/s sẽ cần 32ms).
- Trễ truyền lan tạo ra do sự truyền lan tín hiệu qua liên kết vật lý. Trễ này thƣờng đƣợc bỏ qua nếu liên kết có chiều dài nhỏ hơn 1000km.
- Trễ giao thức là trễ do các cơ chế khác nhau của mỗi giao thức.
- Trễ Gateway tạo ra do việc liên kết giữa các mạng phải có thời gian xử lý tại Gateway.
Trễ truyền dẫn mạng có thể đƣợc bỏ qua trong mạng PSTN, đối với mạng IP trễ này rất lớn do đó không thể bỏ qua.
Trễ xử lý
Trễ xử lý (coder) là thời gian một bộ xử lý tín hiệu số DSP nén một mẫu PCM cộng với thời gian trễ thuật toán của Codec. Công nghệ xử lý thoại ngày nay có nhiều bộ mã hóa khác nhau, mỗi bộ mã hóa lại xử lý theo một thuật toán nén và mã hóa khác nhau và tốc độ xử lý thoại lại khác nhau nên độ trễ qua các bộ mã hóa cụ thể cũng khác nhau. Ví dụ thuật mã hóa dự toán tuyến tính mã đại số (ACELP) xử lý mỗi khối thoại PCM trong vòng 10ms.
Bộ xử lý thuật toán mã hóa dự đoán tuyến tính mã hóa đại số cấu trúc tích hợp (CE-ACELP) có thể xử lý khoảng 2.5 đến 10ms phụ thuộc vào tải trọng của bộ xử lý tín hiệu số DSP. Nếu tải trọng của bộ xử lý tín hiệu số đầy đủ với 4 kênh thoại thì độ trễ xử lý có thể lên đến 10 ms. Nếu chỉ phải xử lý một kênh thoại thì độ trễ có thể chỉ là 2,5 ms. Tuy nhiên trong các kế hoạch truyền dẫn phải sử dụng mức 10 ms để tính toán trễ cho bộ xử lý này.
Thời gian giải nén vào khoảng 10% thời gian nén cho mỗi khối mẫu PCM. Do có nhiều mẫu trong mỗi khung nên thời gian giải nén tƣơng ứng với số lƣợng mẫu trong khung. Do đó thời gian trễ của một khung 3 mẫu là 3 * thời gian trễ một mẫu.
48
Thuật toán nén căn cứ vào đặc điểm của tín hiệu thoại để xử lý các mẫu thoại với mỗi mẫu thứ N sử dụng thuật toán nén có thể dự đoán mẫu tiếp theo thứ N+1 nhƣ thế nào một cách khá chính xác. Việc xử lý này cũng gây ra trễ gọi là trễ thuật toán và phụ thuộc vào độ dài của khối tin cần nén.
Tất nhiên việc này lặp lại nhiều lần ví dụ nhƣ các khối N+1, N+2 … Thông thƣờng với mỗi cuộc thoại có thêm vào 5 ms đối với trễ tổng trên liên kết. Với mỗi bộ mã hóa khác nhau thì sử dụng một thuật toán nén khác nhau do đó thời gian trễ thuật toán với từng bộ mã hóa cụ thể cũng khác nhau:
- Trễ thuật toán đối với G 726 là 0 ms
- Trễ thuật toán đối với G 729 là 5 ms
- Trễ thuật toán đối với G 723.1 là 7.5 ms
Nói chung thời gian trễ bộ mã hóa đƣợc tính nhƣ sau:
Trễ coder = (trễ thời gian nén trên mỗi khối + trễ thời gian giải nén trên mỗi khối) * (số khối trên một khung) + thời gian trễ thuật toán.
i. Trễ do mã hóa
Mạng GMS bắt đầu với việc sử dụng bộ mã hóa codec Full Rate (FR) cho thoại và phát triển lên bộ mã hóa codec Enhanced Full Rate (EFR). AMR codec đƣợc thêm vào trong phiên bản R98 của 3GPP cho GSM. AMR mang lại những cải thiện lớn so với EFR trong việc chống lỗi ở kênh FR bằng việc thích ứng việc mã hóa kênh truyền và giọng nói phụ thuộc vào điều kiện của kênh truyền. Dung lƣợng kênh truyền tăng lên bằng việc chuyển đổi để hoạt động ở kênh HR trong điều kiện kênh truyền tốt. Bộ AMR codec bao gồm vài chế độ sử dụng cả kênh FR và HR (half rate). Bit rate mã hóa giọng thoại nằm giữa 4.75 kbit/s đến 12.2 kbit/s ở kênh FR (8 chế độ) và giữa 4.75 kbit/s và 7.95 kbit/s trong kênh HR (6 chế độ). Đây là bộ mã hóa mặc định của hệ thống 3G WCDMA.
Bộ mã hóa AMR-WB codec là bộ codec giọng nói gần đây nhất đƣợc chuẩn hóa năm 2001 cho cả GSM và hệ thống 3G WCDMA. AMR-WB là bộ codec tích hợp nhiều tốc độ bit nhƣ AMR. Nó cải thiện chất lƣợng nhờ việc mở rộng dải tần audio. Trong khi tất cả các bộ codec trƣớc đó trong hệ thống di động số hoạt động ở
49
giới hạn dải tần audio hẹp dƣới 3.4 KHz, AMR-WB mở rộng dải tần lên đến 7 Khz. Băng tần rộng giúp cải tiến chất lƣợng âm thanh thoại. AMR-WB gồm 9 chế độ hoạt động với bit rate mã hóa giọng nói nằm trong khoảng 6.6 kbit/s và 23.85 kbit/s. Các bộ mã hóa thoại hiện đại hoạt động dựa trên việc tập trung các mẫu thoại thành khung. Mỗi khung tín hiệu thoại đầu vào (gồm các mẫu thoại) đƣợc xử lý thành các khung bị nén. Không thể tạo ra các khung thoại đã đƣợc mã hóa cho đến khi tất cả các mẫu thoại của khung đƣợc tập trung đầy đủ trong bộ mã hóa. Do đó có trễ khung xảy ra trƣớc khi việc xử lý bắt đầu. Ngoài ra nhiều bộ mã hóa cũng xem xét các khung tiếp theo để cải thiện hiệu quả nén. Chiều dài của quá trình xem xét này gọi là thời gian look – ahead của bộ mã hóa, lƣợng trễ này cũng đƣợc tính vào trễ của bộ mã hóa.
2.2.2.3. Độ mất gói trong VoLTE
Tổn thất bit hoặc là gói, có ảnh hƣởng lớn đến dịch vụ thoại trên nền IP hơn là với dịch vụ dữ liệu. Trong việc truyền gói tin, việc mất nhiều bit hoặc gói của dòng tin có thể gây ra hiện tƣợng nhảy thoại gây khó chịu cho ngƣời sử dụng.
Độ mất gói phụ thuộc vào nhiều nguyên nhân trong đó có hai nguyên nhân chính là đƣờng kết nối bị lỗi và khi mạng bị tắc nghẽn nghiêm trọng.
Tỷ lệ mất gói nhỏ hơn 5% cho chất lƣợng tối thiểu và nhỏ hơn 1% cho chất lƣợng liên đài.
a. Tắc nghẽn và các nguyên nhân dẫn đến tắc nghẽn
VoLTE sử dụng mạng toàn IP để truyền gói tin qua mạng. Do vậy chất lƣợng mạng internet ảnh hƣởng rất nhiều đến chất lƣợng thoại VoLTE.
Có thể nói mạng kết nối Internet Việt Nam đã có sự bùng phát mạnh mẽ những năm gần đây cả về quy mô, hạ tầng mạng lƣới cũng nhƣ chất lƣợng dịch vụ. Tuy nhiên, với sự tăng lên rất nhanh số lƣợng ngƣời dùng, cùng nhu cầu ngày càng đa dạng về các loại dịch vụ và dữ liệu truyền tải trên mạng, khiến cho mạng kết nối Internet đang phải đối mặt với nhiều thách thức mới.
50 Tắc nghẽn nói chung
Một trong những vấn đề nổi cộm là hiện tƣợng tắc nghẽn trong những giờ cao điểm. Tắc nghẽn Internet có thể xảy ra ở bất cứ nút cổ chai nào, có thể trên mạng truy nhập, trên mạng trục, mạng vùng, hay trên mạng kết nối. Tài nguyên của mạng có giới hạn trong khi nhu cầu truyền tải dữ liệu ngày càng tăng. Chính vì vậy hiện tƣợng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi, đòi hỏi cần có thêm các giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu tắc nghẽn, nâng cao chất lƣợng mạng kết nối Internet.
Tắc nghẽn trong mạng toàn IP
Tắc nghẽn là một hiện tƣợng rất quen thuộc trên mạng, mà nguyên nhân nói chung là do tài nguyên mạng giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin của con ngƣời là không có giới hạn. Thông thƣờng, nút mạng đƣợc thiết kế với một bộ đệm lƣu trữ có hạn. Nếu tình trạng nghẽn mạng kéo đủ dài, bộ đệm bị tràn, các gói sẽ bị mất hoặc trễ quá thời gian cho phép. Nếu một gói bị mất trên mạng thì tại thời điểm ấy các tài nguyên mạng mà gói đó đã sử dụng cũng bị mất theo.
ii. Nguyên nhân xảy ra tắc nghẽn
Hạn chế của băng thông truyền dẫn
Nhu cầu băng thông cao của các dịch vụ đa phƣơng tiện và các loại hình dịch vụ mới: dữ liệu, âm thanh và hình ảnh đƣợc tích hợp truyền trên mạng gây ra tắc nghẽn tại các đƣờng truyền dẫn băng thông nhỏ.
Nghẽn do đƣờng truyền vô tuyến
Các hiệu ứng môi trƣờng nhƣ di động, che chắn, fading … gây ra mất gói và ảnh hƣởng đến tắc nghẽn mạng. Số lƣợng trạm ngày càng tăng cộng với sự phát triển của đô thị ngày càng rõ rệt dẫn đến hiện tƣợng che chắn và fading giữa các nhà cung cấp dịch vụ dẫn đến hiện tƣợng nghẽn mạng.
Tràn bộ đệm
Cấu trúc mạng viễn thông và Internet đƣợc cấu thành từ một hệ thống các thiết bị từ: Các thiết bị định tuyến, các thiết bị chuyển mạch, hệ thống cahing, hệ thống Acess Server…v.v. Trên mỗi dòng thiết bị đều có một bộ đệm đƣợc tích hợp nhằm gia tăng khả năng truy xuất của thiết bị, nhƣng kích thƣớc bộ đệm là có hạn,
51
do vậy khi lƣu lƣợng tăng đột ngột sẽ dẫn đến hiện tƣợng tràn bộ đệm. Điều này sẽ dẫn đến nghẽn mạng.
Nghẽn cổ chai
Tại thời điểm nối từ các mạng tốc độ thấp vào mạng tốc độ cao. Đây là một trong những đặc điểm nổi bật của môi trƣờng hỗn tạp Internet. Khi băng thông tại mỗi kết nối đầu ra của đoạn mạng nhỏ hơn băng thông của các kết nối bên trong có lƣu lƣợng ra ngoài lớn sẽ dẫn đến tình trạng nghẽn cổ chai tại điểm ra.
Sự thay đổi đột biến của lƣu lƣợng
Thông thƣờng, các ứng dụng mới trong mạng Internet đƣợc thiết kế với nhu cầu lƣu lƣợng truyền tải lớn (đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến cơ sở dữ liễu phân tán, hay VoIP, Video, IPTV…). Mặt khác, những ứng dụng đa phƣơng tiện có đặc điểm là lƣu lƣợng biến đổi động khó dự đoán trƣớc đƣợc.
Tính biến động của lƣu lƣợng
Đây là một đặc tính mới của mạng Internet so với mạng truyền thống. Các nút mạng có thể dịch chuyển làm hình trạng mạng thay đổi gây ra những biến đổi về phân chia lƣu lƣợng trên mạng.
b. Đƣờng kết nối bị lỗi
Trong truyền dẫn internet, rất hay gặp phải các vấn đề về kết nối. Kết nối lỗi có thế bị gây ra bởi những nguyên nhân nhƣ lỗi thiết bị (lỗi trên switch hay router, lỗi nguồn…), lỗi truyền dẫn (dây cáp bị lỏng hoặc bị đứt), lỗi cấu hình trong mạng truyền dẫn hoặc khi dịch vụ bị tấn công.
Việc lỗi đƣờng truyền sẽ ảnh hƣởng trực tiếp tới kết nối thoại, nhất là trong môi trƣờng sóng vô tuyến, các trạm đƣợc lắp đặt ở những vị trí dễ bị ảnh hƣởng bởi thời tiết cũng nhƣ không có sự giám sát chặt chẽ của nhà mạng hay bảo trì thƣờng xuyên.
2.2.2.4. Biến động trễ - jitter trong VoLTE
Biến động trễ là sự khác biệt về trễ của các gói khác nhau cùng trong một dòng lƣu lƣợng. Biến động trễ có tần số cao đƣợc gọi là jitter trong khi biến động
52
trễ có tần số thấp đƣợc gọi là wander. Jitter chủ yếu do sự sai khác về thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp trong một luồng gây ra và là vấn đề quan trọng nhất của QoS. Các loại lƣu lƣợng nhất định đặc biệt là lƣu lƣợng thời gian thực nhƣ thoại thƣờng chịu đƣợc jitter. Ảnh hƣởng của jitter đến thoại có thể hiểu một cách đơn giản là dòng dữ liệu ổn định của VoIP. Hàng nghìn gói thoại nhỏ cần nhận đƣợc với thời gian thực cao và liên tục cho việc tái tạo trôi chảy. Khác biệt trong thời gian đến của các gói gây ra sự lên xuống trong thoại. Tất cả các hệ thống thoại đều có jitter. Khi jitter nằm vào khoảng dung sai định nghĩa trƣớc thì nó không ảnh hƣởng tới chất lƣợng dịch vụ.
Jitter quá nhiều có thể đƣợc xử lý bằng bộ đệm, song nó lại làm tăng trễ nên lại nảy sinh các khó khăn khác. Theo tiêu chuẩn ITU-R, giá trị jitter phải nhỏ hơn 25 ms.
2.2.2.5. Tỉ lệ truy cập ngẫu nhiên thành công
Truy cập ngẫu nhiên và quá trình thiết lập kết nối đƣợc sử dụng để tạo kết nối tín hiệu giữa UE và E-UTRAN. Quá trình này đƣợc khởi tạo chỉ một lần duy nhất khi UE gửi bản tin RandomAccessPreamble trên kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý PRACH (Physical Random Access Channel) tới eNodeB. Tiếp theo bản tin Random Access Response (RAR) đƣợc eNodeB gửi tới UE trên kênh chia sẻ đƣờng