Lỗi bít trong mạng vô tuyến xảy ra do các nguồn ảnh h−ởng khác nhau nh− nhiễu, giao thoa, tổn thất đ−ờng truyền, fading, truyền dẫn đa đ−ờng và ch−ớng ngại vật. Các nguồn này ảnh h−ởng trầm trọng đến tốc độ lỗi bít kênh truyền vô tuyến. Kết hợp các ảnh h−ởng về tốc độ dữ liệu và tốc độ di chuyển của ng−ời sử dụng, các nguồn này gây ra chuỗi lỗi bít kéo dài đ−ợc gọi là bùng phát lỗi (error bursts) và việc sửa lỗi theo các sơ đồ mã sửa lỗi thông th−ờng là khó khăn. Ngoài ra vấn đề hiệu ứng truyền dẫn đa đ−ờng làm suy giảm tốc độ đến lỗi chỉ có thể đạt đến một tốc độ dữ liệu giới hạn, có nghĩa là dung l−ợng kênh truyền vô tuyến phần nào bị hạn chế. Fading, sự di động của đầu cuối di động và ch−ớng ngại vật có thể gây ra mất kết nối tạm thời.
Một vài kỹ thuật đã đ−ợc đề nghị để cải thiện truyền dẫn vô tuyến và giảm bớt tác động của các nguồn gây suy hao trầm trọng. Mặc dù vậy tỉ lệ lỗi bít vô tuyến vẫn cao hơn so với mạng cố định. Điển hình tỉ lệ lỗi bít của mạng vô tuyến vào khoảng 10-2 đến 10-6 tuỳ thuộc vào điều kiện môi tr−ờng và hệ thống t−ơng ứng. Các giao thức và ứng dụng lớp cao cần xem xét giá trị BER này và cần có các cơ chế thích hợp cho kiểm soát QoS, bù QoS và các chiến l−ợc giảm cấp QoS để cung cấp một chất l−ợng dịch vụ chấp nhận đ−ợc đến các đầu cuối di động.
3.4.2. Sự dao động của kênh truyền vô tuyến.
Kênh truyền vô tuyến có đặc tính biến đổi theo thời gian. Điều này có ảnh h−ởng đáng kể đến bảo đảm chất l−ợng của các kết nối. Băng thông kênh truyền vô tuyến biến đổi theo thời gian do môi tr−ờng, fading kết hợp với bùng phát lỗi. Sự dao động ngẫu nhiên của dung l−ợng kênh truyền, đặc biệt khi bộ phát/bộ thu di chuyển, dẫn đến sự biến thiên trễ đ−a đến sự biến đổi giá trị RTT (Round Trip Time). Sự dao động này có ảnh h−ởng đáng kể đến chất l−ợng thực thi của các mô hình kiểm soát trên cơ sở tín hiệu phản hồi ACK nh− TCP. Kết quả là dẫn đến sự giảm cấp về chất l−ợng thực thi.
Hơn nữa dao động của dung l−ợng kênh truyền có thể dẫn đến kéo dài trễ truyền dẫn end-to-end. Nh− thế các tính toán trên cơ sở trễ nh− tính toán thời gian Time-out để phát lại gói cho TCP có thể đ−a ra giá trị lớn, dẫn đến kéo dài chu kỳ rỗi, có nghĩa là thông l−ợng thấp đi và băng thông lãng phí.
3.4.3. Sự di động.
Vô tuyến không có nghĩa là di động, nh−ng hầu hết các thiết bị vô tuyến th−ờng là các thiết bị di động. Sự di động gây ra một vài ảnh h−ởng đến bảo đảm QoS. Vấn đề thứ nhất là công suất tín hiệu của bộ thu thay đổi theo vị trí và thời gian do hiệu ứng fading shadowing. Kết quả là tốc độ lỗi bít tăng cao và sự dao động ngẫu nhiên của kênh truyền vô tuyến. Các đặc tính này gây khó khăn trong việc đảm bảo tính ổn định của các kết nối và các bảo đảm liên quan đến tốc độ dữ liệu, trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Vấn đề thứ hai là giải quyết sự kết nối đ−ợc gọi là quản lý vị trí và định tuyến. Hầu hết các mạng vô tuyến đ−ợc tổ chức trong dạng tế bào. Sự di chuyển của đầu cuối di động từ tế bào này sang tế bào khác đ−ợc gọi là sự chuyển giao (handoff). Khi đầu cuối
di động đi vào một tế bào mới, mạng vô tuyến cần một thời gian để quản trị ( xác thực và tính c−ớc ) và để tính toán lại một định tuyến mới. Đối với sự
chuyển giao trễ là không thể tránh khỏi, nh− thế trong khoảng thời gian chuyển giao cuộc gọi có thể tạm thời mất kết nối và một vài gói dữ liệu có thể bị tổn thất. Các ứng dụng và các lớp cao cần phải có khả năng thích nghi đối với trễ này và cần có các cơ chế để giảm các ảnh h−ởng của sự chuyển giao đến chất l−ợng dịch vụ.
Ngoài ra, sự chuyển giao còn gây ra một vấn đề khác. Khi một ng−ời sử dụng di chuyển và trong tế bào có tải cao, thủ tục chuyển giao có thể thất bại và kết nối bị rơi do không còn kênh (tài nguyên) sẵn có trong tế bào này. Về nguyên tắc có thể áp dụng hai kỹ thuật để giải quyết vấn đề chuyển giao đó là: giữ tr−ớc tài nguyên và m−ợn kênh. Sử dụng kỹ thuật m−ợn kênh, một ng−ời sử dụng có thể nhận một phần dung l−ợng từ các tế bào/ trạm gốc kế cận và có thể thực hiện sự chuyển giao mềm. Việc cấp phát dung l−ợng phù hợp cho một
tế bào/trạm gốc cần phải xem xét đến vấn đề này. Tuy nhiên cũng cần phải chú ý đến vấn đề hiệu quả sử dụng tài nguyên.
Dịch vụ trong suốt (Seamless service) đ−ợc mong đợi cho ng−ời sử dụng giữa các tế bào khác nhau. Tuy nhiên các đầu cuối di động trong tế bào khác nhau có thể trải qua tốc độ lỗi kênh khác nhau. Điều này cũng xảy ra với các đầu cuối di động ở trong cùng một tế bào. vấn đề này là một hạn chế trong khoảng thời gian chuyển giao. Ví dụ: Khi đầu cuối di động đi vào một tế bào, tốc độ tổn thất gói tin cao hơn trong tế bào cũ. Thủ tục chuyển giao nên xem xét vấn đề này và điều khiển một cách mềm mại. Trễ chuyển giao nên đ−ợc duy trì trong phạm vi từ vài chục ms đến vài trăm ms.
3.4.4. Kết nối với mạng cố định.
Truy cập Internet sẽ là một chức năng quan trọng của mạng di động thế hệ mới. Các đầu cuối di động có thể kết nối đến các máy chủ cố định để sử dụng các dịch vụ truyền thông nh− thoại, hội nghị hình ảnh và các truyền thông đa ph−ơng tiện. Nh− thế một kết nối end-to-end bao gồm một hoặc nhiều kênh truyền vô tuyến và hữu tuyến với ít nhất một kênh truyền vô tuyến. Tuy nhiên các kênh truyền khác nhau có tốc độ dữ liệu, dao động và ràng buộc về tỉ lệ lỗi bít , trễ khác nhau. Hỗ trợ QoS cho các kết nối end-to-end là một nhiệm vụ khó khăn.
Các giao thức end-to-end tin cậy nh− TCP đ−ợc thiết kế cho mạng hữu tuyến, không làm việc tốt trong môi tr−ờng bất đồng nhất của mạng hữu tuyến và vô tuyến. Có một vài vấn đề trong việc phát lại và cơ chế phục hồi tổn thất của TCP trong đ−ờng truyền dẫn end-to-end này. Các vấn đề này đã đ−ợc nghiên cứu trong khoảng vài năm qua và các sự điều chỉnh khác nhau cho TCP đã đ−ợc đề nghị. Đối với các ứng dụng đa ph−ơng tiện, giao thức không tin cậy UDP (User Datagram Protocol), RTP (Real-time Transport Protocol)
đã đ−ợc đề nghị. Tuy nhiên vấn đề các giao thức này sẽ hoạt động ra sao trong môi tr−ờng mạng bất đồng nhất vẫn ch−a đ−ợc xem xét kỹ.
Vấn đề khác là hiệu ứng bất đối xứng. Có một sự bất đối xứng băng thông giữa hai vùng: mạng hữu tuyến và vô tuyến. Băng thông sẵn có trong
h−ớng từ máy chủ cố định đến máy chủ di động th−ờng lớn hơn nhiều trong h−ớng ng−ợc lại. Điều này gọi là hiệu ứng bất đối xứng băng thông. Kết quả là trễ bất đối xứng ng−ợc với tr−ờng hợp băng thông. Các thuật toán kiểm soát và tránh tắc nghẽn cần phải xem xét vấn đề này.
3.4.5. Băng thông kênh truyền thấp.
Băng thông kênh truyền vô tuyến là khan hiếm do phổ tần số vô tuyến khan hiếm. Mạng vô tuyến có các ràng buộc về băng thông nghiêm ngặt hơn đối với mạng hữu tuyến. Nh− thế cung cấp sự phân biệt dịch vụ là một vấn đề rõ ràng trong mạng vô tuyến. Ngoài ra có một sự thỏa hiệp giữa hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến và bình đẳng giữa những ng−ời sử dụng.
Mạng hữu tuyến th−ờng cung cấp thông tin với tỉ lệ lỗi bít thấp và tốc độ dữ liệu cao. Ng−ợc lại mạng vô tuyến có chất l−ợng nghèo nàn do tỉ lệ lỗi bùng phát, tốc độ dữ liệu và chất l−ợng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nh−
vị trí, ph−ơng tiện truyền dẫn, điều khiện môi tr−ờng vv... Ví dụ tốc độ điển hình của mạng vô tuyến là: 19,2 Kbps đối với Cellular Digitall Packet Data (CDPD), vào khoảng 300 Kbps đối với GSM Evolution, từ 384 Kbps đến 2Mbps đối với các hệ thống thông tin di động 3G. Điều này có nghĩa là tốc độ kênh truyền vô tuyến thấp hơn các phần còn lại của mạng hữu tuyến và Internet, nh− thế kênh truyền vô tuyến vẫn sẽ là nút cổ chai của môi tr−ờng mạng bất đồng nhất. Sự bất đối xứng về mặt chất l−ợng vẫn còn tồn tại giữa mạng vô tuyến và hữu tuyến.
3.4.6. Một số vấn đề khác.
Một chức năng quan trọng của mạng vô tuyến di động thế hệ mới là sự phát triển trên kỹ thuật chuyển mạch gói, trên nền tảng công nghệ IP nh−
Internet và ng−ợc lại với hệ thống 2G và 2G+. Một thuận lợi quan trọng của chuyển mạch gói so với chuyển mạch kênh là nguyên tắc ghép kênh thống kê, tận dụng tài nguyên mạng cao hơn bằng cách cho phép các nguồn chia sẽ thống kê các tài nguyên giới hạn của mạng. Tuy nhiên khó khăn để bảo vệ các kết nối từ sự cạnh tranh của các kết nối khác và khó khăn để thỏa mãn các yêu cầu QoS riêng biệt của các kết nối. Hơn nữa ghép kênh thống kê có thể dẫn
đến tắc nghẽn và ảnh h−ởng đặc biệt đến QoS. Trong tr−ờng hợp này thông l−ợng suy giảm và các gói có thể trải qua trễ lớn hoặc có thể bị hủy bỏ.
Các vấn đề khác xuất hiện bởi sự ảnh h−ởng của việc thay đổi đ−ờng định tuyến, hiệu ứng đầu cuối di động ẩn, giới hạn công suất, sự bất đồng nhất của đầu cuối di động và các ứng dụng killer. Thay đổi đ−ờng định tuyến ( đặc biệt trong lúc chuyển giao ) có thể dẫn đến sự biến đổi về tải của một số đ−ờng định tuyến. Đầu cuối di động ẩn là một hiệu ứng đặc biệt của mạng di động vô tuyến, xảy ra khi ng−ời sử dụng di chuyển vào sau toà nhà, giữa các tr−ớng ngại vật hoặc di chuyển vào vùng lõm giữa các tế bào. Trong tr−ờng hợp này kết nối tạm thời bị mất liên lạc.
Hiện nay có sự bất đồng nhất giữa các đầu cuối khác nhau từ máy đầu cuối di động ( máy tính xách tay, Palmtop....) bị giới hạn về công suất và nguồn nuôi... đến các máy tính để bàn công suất lớn, năng lực tính toán mạnh. Hầu hết các đầu cuối di động có năng lực và công suất nguồn nuôi giới hạn, nh− thế chúng không thể xử lý dữ liệu có số l−ợng lớn nh− các máy chủ cố định. Các máy chủ di động cũng có các đặc tính khác nhau về kích cỡ màn hình hiển thị, mức độ màu sắc, bộ nhớ....sự thiếu hụt chất l−ợng mạng và thiết bị đầu cuối cần phải đ−ợc bù đắp.
3.5. Kết luận ch−ơng III.
Ch−ơng này Tôi tập trung đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất về dịch vụ và chất l−ợng dịch vụ và một số kiến trúc hỗ trợ QoS cho mạng cố định và mạng di động. Vấn đề cung cấp QoS liên quan hầu hết đến các thành phần và cơ chế từ các hệ thống đầu cuối đến các nút mạng, từ mức ứng dụng đến mức vật lý. Đối với một kiến trúc một vài cơ chế điều khiển là cần thiết. Hơn nữa một sự kết hợp các cơ chế này ở các mức độ khác nhau là cần thiết để cung cấp QoS end-to-end.
Do bản chất cố hữu của mạng vô tuyến là kênh truyền và băng thông biến đổi theo thời gian và điều kiện môi tr−ờng . Do đó các kiến trúc sẵn có cho mạng hữu tuyến cần phải đ−ợc sửa đổi để có thể hoạt động đ−ợc trong
môi tr−ờng vô tuyến. Một trong những nguyên tắc để hỗ trợ QoS trong môi tr−ờng vô tuyến là phải giám sát đ−ợc trạng thái kênh truyền và dự báo đ−ợc khả năng gây ra suy giảm QoS, để từ đó có những chính sách điều khiển phù hợp. Những ph−ơng pháp giám sát kênh truyền vô tuyến và giám sát các tham số đ−ờng truyền sẽ đ−ợc trình bày trong ch−ơng tiếp theo của luận văn này.
Ch−ơng IV
Nghiên cứu các ph−ơng pháp giám sát kênh truyền vô tuyến
4.1. Giới thiệu chung .
Để cung cấp QoS băng thông của đ−ờng truyền phải đủ cấp phát cho các luồng . Tuy nhiên rất khó thực hiện đ−ợc điều này do các điều kiện thực tế của môi tr−ờng, bản chất động của mạng và các yêu cầu băng thông biến đổi của ứng dụng. Giám sát băng thông và trạng thái kênh là một nhiệm vụ thách thức. Vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều trong bối cảnh môi tr−ờng mạng bất đồng nhất, ở đó đ−ờng truyền vô tuyến dễ có lỗi hơn so với đ−ờng truyền hữu tuyến và nó có thể bị ảnh h−ởng bởi các điều kiện môi tr−ờng.
Để kiểm soát QoS chúng ta phải có khả năng giám sát đ−ợc các nguồn gây tác động ảnh h−ởng đến QoS. Trong ch−ơng này chúng ta sẽ xem xét lại các kỹ thuật giám sát khác nhau. Chúng ta cũng sẽ trình bày một số hạn chế của nó trong bối cảnh mạng vô tuyến và thảo luận cần có các ph−ơng pháp giám sát thích hợp nhằm hỗ trợ quản lý QoS trong môi tr−ờng mạng di động thế hệ mới.
4.2.Tổng quan một số kỹ thuật giám sát.
Cho đến nay có rất nhiều ph−ơng pháp giám sát đ−ợc đề nghị. Các kỹ thuật giám sát đó dùng để đo các tham số nh−: Thời gian đi vòng (Round Trip Time-RTT), time-out, tổn thất gói, băng thông nút cổ chai, băng thông khả dụng và trạng thái kênh...
4.2.1. Giám sát RTT.
RTT đ−ợc định nghĩa là thời gian yêu cầu để phát một gói dữ liệu từ một đầu cuối đến một đầu cuối khác và quay trở lại. Do đặc tính động của mạng, RTT thực tế cần phải đ−ợc giám sát đánh giá. Nó là cơ sở để thiết lập bộ định
thời, kiểm soát chất l−ợng, kiểm soát tần suất trong các sơ đồ điều khiển nghẽn và điều khiển luồng khác nhau.
Một ph−ơng pháp nổi tiếng là Trung bình di chuyển trọng số hàm mũ
(EWMA-Exponential Weighted Moving Average). Giá trị trung bình của RTT quan sát đ−ợc tính toán qua một số gói đ−ợc phát. Đặt tkRTT là RTT đo đ−ợc khi gói thứ k đ−ợc phát và K
RTT
t là giá trị trung bình đo đ−ợc sau k gói đ−ợc phát: 1 + K RTT t = 1 1 + K * ∑ + = 1 1 K K K RTT t (4.1)
Ta viết lại biểu thức này nh− sau: 1 + K RTT t = 1 + K K * K RTT t + 1 1 + K * K:+1 (4.2) RTT t
Điều đó có nghĩa rằng RTT có thể đ−ợc cập nhật mỗi lần trên cơ sở giá trị tr−ớc. Mỗi toán hạng trong ph−ơng trình đ−ợc nhân với giá trị 1/(K+1), nó đ−ợc gọi là trọng số. Ph−ơng trình này có thể đ−ợc viết lại sử dụng trọng số β
nh− sau: 1 + K RTT t =β* K RTT t + (1+β)* T+1 (4.3) RTT t
Giá trị RTT trung bình đ−ợc sử dụng rất rộng rãi trong các sơ đồ điều khiển TCP.
Các yếu tố ảnh h−ởng đến sự biến đổi RTT là: - Kính th−ớc gói.
- Trễ do hàng đợi trong mạng. - Trễ do đáp ứng của đầu cuối.
4.2.2. Giám sát RTO.
RTO (Retransmission Time-Out) là hạn thời gian để quyết định phát lại gói. Đối với các giao thức tin cậy nh− TCP, một đoạn số liệu nhận đ−ợc thành công nếu nó đ−ợc nhận biết bởi tín hiệu phản hồi ACK. Nếu bộ định thời RTO quá hạn tr−ớc khi ACK đến, đoạn dữ liệu đ−ợc xem xét là tổn thất và cần phải phát lại. RTO đ−ợc giám sát đánh giá nh− sau:
(4.4) ∆ + = + +1 K 1 RTT K RTO t t Trong đó ∆ là một hằng số.
[22] đề nghị cách tính toán RTO nh− sau:
(4.5) 1 1 * + + = K RTT K RTO Ka t