Phân tích chuyển giao SRVCC từ LTE sang UMTS.
Một người di chuyển từ vùng phủ của LTE sang UMTS sẽ thực hiện chuyển giao từ
LTE sang UMTS/CS với thủ tục chuyển giao SRVCC. Để lấy được các thông số thể
hiện cho gián đoạn dịch vụ từLTE đến CS bằng chuyển giao SRVCC, điều quan trọng là phải hiểu được dòng bản tin báo hiệu. Hình 3.7 [25] chỉ ra các đường truyền vật lý khi UE khởi tạo một cuộc gọi từ hệ thống E-UTRAN. Một UE sử dụng mạng vô tuyến
LTE để tạo một cuộc gọi mới có điều khiển thông qua ENB, CSCF và IMS AS và
72
Hình 3.7: Các đối tượng liên quan đến cuộc gọi xuất phát từ mạng LTE.
Hình 3.8 là một chiết xuất các bản tin của thủ tục SRVCC trong thời gian gián đoạn dịch vụ quá trình chuyển giao này. Thời gian gián đoạn dịch vụ là thời điểm các chặng gọi trong mạng LTE và thiết lập trong mạng UMTS. Trễ truyền không thể nhận thấy bởi người sử dụng.
73
Hình 3.8: thời gian gián đoạn dịch vụ từ LTE sang UMTS
Từ hình 3.8 [25] công thức cho thời gian gián đoạn dịch vụ SRVCC từ LTE sang
UMTS được viết như sau:
DLTEtoUMTS =Dremote + Dinternet + 2DAS + 3DCSCF + 2DMGCF + DUE + 3DMSC + DMME + DeNodeB + DRRC + DRNC (1)
Với Dx là trễ truyền của bản tin bất kỳ nút mạng x hoặc mạng từ xa x
Chuyển giao từ UMTS sang LTE sử dụng Voice Call Continuity
Trong hình 3.9 cho thấy gián đoạn dịch vụ xảy ra sau khi các thực thể quản lý tính di
động (MME) ban hành "lệnh chuyển giao” đến UE. Từ đó cho đến khi một trạm PS mới được tạo ra trong mạng LTE, cuộc gọi bị gián đoạn.
Các biểu hiện cho gián đoạn dịch vụđã được viết dựa trên việc tính toán khoa học các loại bản tin mạng. Các bản tin trong mạng được chia thành ba phần: radio, nút mạng và tin nhắn mạng từ xa [4]. Các tính toán toán học trên đường truyền vô tuyến được xác
74
định bởi mô hình “Giao thức điều khiển liên kết” và được đưa ra trong [5] và [6]. Tính
toán toán học hàng đợi của các nút mạng được xác định bởi mô hình hàng đợi MM1
trong [7] trong khi hàng đợi tại các mạng từ xa đã được đưa ra bởi các mô hình hang
đợi MG1 trong [7] [8]. Từ ba mô hình, thời gian gián đoạn dịch vụđược thể hiện trong hình 3.9 [25] được viết như trong phương trình 1.
DUTMStoLTE =2Dremote + 2Dinternet + 2DAS + 6DCSCF + DUE + 2DMME + DRADIO (2)
Hình 3.9 : Thời gian gián đoạn dịch vụ VCC từ UMTS đến LTE
Với D là kết quả trễ từ các thành phần mạng khác nhau. Công thức 1 là mô hình toán học được mô phỏng bằng MATLAB. Các thiết lập mô phỏng sử dụng như hình dưới. Mô phỏng được thực hiện cho 2 trường hợp: trong điều kiện tĩnh và điều kiện động.
75
Trong điều kiện động, các mô hình kết nối vô tuyến, nút mạng và mạng từxa được mô phỏng trong thời gian thực.
3.4.2 Mô hình mô phỏng
Hình 3.10 : mô hình mô phỏng
Các thông số sử dụng để mô phỏng các mạng LTE và UMTS được thể hiện trong bảng 2: Trong lý thuyết hàng đợi,
λ là tốc độlưu lượng đến µ là tốc độ dịch vụ.
ρ = λ/ µ là kết quảđo thu được trong hàng đợi
Trường hợp 1: các mô phỏng được thực hiện với một mạng lưới tĩnh. Tại đây, người ta cho một thiết bị đầu cuối người dùng duy nhất, với một hàng đợi được xác định trước M/M/1 và các thông số thể hiện được giao tiếp giữa UMTS, LTE, IMS và các nút
76
mạng từxa mà cũng có tĩnh/thông sốđược xác định trước thể hiện. Các nút được coi là
độc lập với nhau. Hình 3.10[25] mô hình cơ bản của mô phỏng đầu tiên.
Trường hợp 2: các mô phỏng được thực hiện với điều kiện xếp hàng thời gian thực.
Các quan sát đã được thực hiện trong một khoảng thời gian 300ms. Tin nhắn đến tại các nút mạng và mạng từxa đã được xử lý trong thời gian thực. Ví dụnhư các thiết bị đầu cuối sử dụng được theo dõi truy cập các nút UMTS và LTE mạng, các nút cũng được xử lý tin nhắn từ thiết bị đầu cuối người dùng khác. Điều này đã được thực hiện
để nắm bắt được bản chất ngẫu nhiên của lưu lượng mạng. Điều này được minh họa trong hình. Bảng 3.2: Tham số mô phỏng UMTS NETWORK UE NODEB RNC MSC HSS λ 50 100 200 300 300 µ 2500 2500 5000 5000 5000 ρ 0.02 0.04 0.04 0.06 0.06 LTE/IMS NETWORK UE P-CSCF MGCF AS ENB MME S-CSCF λ 50 500 500 500 100 900 500 µ 2500 5000 5000 5000 5000 5000 5000 ρ 0.02 0.1 0.1 0.1 0.02 0.18 0.1 PHƯƠNG PHÁP
Khi chuyển giao diễn ra Inter-RAT thì phải có liên lạc giữa hai công nghệ vô tuyến, giữa LTE và UMTS. Do đó trễ truyền diễn ra trong quá trình thiết lập trên các mạng truy nhập LTE và UMTS. Nhiễu trên các đường truyền vô tuyến là khó dựđoán do tính
77
(fading), bóng (shadowing), nhiễu, hiệu ứng Doppler tất cả đều có ảnh hướng đến tín hiệu vô tuyến. Trong UTRAN và E-UTRAN, giao thức điều khiển đường vô tuyến(RLC) cung cấp dịch vụ phân khúc và truyền lại cho người sử dụng và kiểm soát dữ liệu để cải thiện hiệu suất trễ, đáp ứng trễ và nguồn dữ liệu đáng tin cậy trong mạng truy nhập. Phân tích của RLC được sử dụng để đo trễ gây ra trên đường truyền vô tuyến và RLC phát hiện mất gói tin và truyền lại. trong nghiên cứu này các giao thức RLC trong truy nhập LTE và UMTS được giảđịnh có chức năng và hành vi tương tự. Các giao thức UMTS RLC được định nghĩa bởi 3GPP trong [19]. Một số tác giả đã
phát triển mô hình RLC, một số các mô tả mô hình RLC bao gồm UMTS, [20] [21] [22] và [23]. Các mô hình được sử dụng cho nghiên cứu này được lấy từ [23] và được thể hiện trong hình 3.11[25]. RLC chậm trễ hiển thị trong hình bao gồm các phần sau
đây;
Tproc : trễ xử lý một khung RLC.
TIub : độ trễ trên giao diện Iub (giữa RNC và NodeB), giả định là độc lập với kích
thước của khối được vận chuyển.
TTI, khoảng thời gian truyền tại Node B (một khung radio cho mỗi TTI).
Tack, thời gian từ lúc phát hiện một khung bị mất hoặc có sai sót về phía tiếp nhận và truyền dẫn của một tình trạng khung cho người gửi.
78
Hình 3.11: Khung hình chuyển giao trong Utran với RLC
Giả sử một kênh không lỗi và tất cả các khối truyền tải một lần và bộ đệm RLC là trống rỗng, sự chậm trễ kết quả có thểđược viết như sau
D1 = Tproc + TIub + m * TTI - công thức trễtrong điều kiện lý tưởng
Trong trường hợp,m là số yêu cầu của TTI để gửi một khung. Nếu T1 là thời gian giữa việc phát hiện một RLC tiểu khung sai lầm và việc tiếp nhận truyền lại và giả sử tất cả
truyền lại là trong vòng một TTI, sau đó chúng ta có thể viết;
T1 = Tack + 2 * (TTI + TIub) - Thời gian phát hiện lỗi khung RLC
Để đếm lỗi, chúng tôi giới thiệu một số truyền của người cuối cùng nhận được một cách chính xác khung. Chậm trễ, Da, có thểđược thể hiện như một chức năng của một.
79
Da = D1 + (a - 1) * T1 - trễ sau khi truyền lại Thay D1 và T1 vào phương trình chúng ta có được
Da = Tproc + TIub + m * TTI + (a - 1)[Tack + 2 * (TTI + TIub) - trễ truyền tương ứng
Hàm mật độ xác suất của trễ có thể được tính toán. Hãy xem xét các khả năng nhận
được một khung lỗi trên kết nối vô tuyến (BLER) được, p. Xác suất một khung được tiếp nhận một cách chính xác sau tối đa một truyền là (1 năm). Đối với khung k, chúng ta có thể viết xác suất nhận được thành công một khung hình truyền Athnhư:
P(D≤Da) = (1 - pa)k
P(D=Da) = P(D≤Da) - P(D≤Da-1) P(D=Da) = (1 - pa)k – (1 - pa-1)k
D∑𝑦𝑦𝑎𝑎𝑦𝑦𝑛𝑛(𝐷𝐷𝐷𝐷 ∗P(D = Da))
𝑦𝑦=1 – trễ trung bình 'k' khung sau khi 'a' truyền Nhìn chung, khả năng tiếp nhận thành công một khung trên mạng RLC sau khi thử
nghiệm n truyền lại có thểđược viết như
Ps =1 – p(p(2 − p))𝑛𝑛(𝑛𝑛+12 ) - Xác suất thành công cho khung RLC Từ các công thức trên rút ra TRLC = TIub + (k-1) TTI + 𝑘𝑘(𝑅𝑅𝑃𝑃−(1−𝑦𝑦)) 𝑦𝑦𝑠𝑠2 {∑ ∑ �𝑃𝑃2 𝑗𝑗𝑦𝑦 (𝐶𝐶𝑝𝑝𝐶𝐶)(2𝐶𝐶𝑇𝑇𝑝𝑝𝑗𝑗𝑗𝑗+ �𝑗𝑗(𝑗𝑗+12 )+𝑝𝑝� ∗ 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇� 𝑗𝑗 } – Trễ tổng của RLC sau n lần truyền lại Với D: là sự chậm trễ trung bình
80
n: số RLC truyền lại (trong trường hợp của một khung có sai sót) p: xác suất của khung RLC được nhận sai lầm qua kết nối vô tuyến Ps: xác suất nhận được khung RLC thành công sau khi truyền lại n
TIub: độ trễ trên giao diện Iub (giữa RNC và NodeB)
TTI: khoảng thời gian truyền tại Node B (một khung radio cho mỗi TTI)
Tack: Thời gian từ lúc phát hiện một khung bị mất hoặc có sai sót về phía tiếp nhận và truyền dẫn của một tình trạng khung hình cho người gửi.
P(Cij): Việc đầu tiên nhận được một cách chính xác khung tại điểm (i khung truyền lại sau khi truyền lại j)
3.4.3 Mô phỏng chuyển giao giữa UMTS và LTE 3.4.3.1 Chuyển giao từ UMTS sang LTE 3.4.3.1 Chuyển giao từ UMTS sang LTE
Dựa trên các bài báo và nghiên cứu [24], [25].
Hình 3.12, hình 3.13, hình 3.14 cho thấy các chế độ của thời gian gián đoạn dịch vụ cho UMTS đến LTE, chuyển giao VCC trong điều kiện tĩnh. Thời gian gián đoạn dịch vụ mô phỏng sự thay đổi tốc độ dữ liệu, trễ kênh truyền và tỉ lệ lỗi khối (Block Error Rate - BLER) trên một kênh. Trong điều kiện tĩnh, thời gian gián đoạn dịch vụ xác
định cao hơn nhiều (khoảng 400 đến 500 ms) so với thông số kỹ thuật trong 3GPP – 300ms[9]. Việc trễ cao do cần thời gian dài thực hiện thiết lập PDP trong mạng LTE
cũng như thời gian của các bản tin trong IMS.
Chúng ta quan sát thấy rằng với một BLER nhất định thời gian gián đoạn dịch vụ giảm
đáng kể khi tốc độ dữ liệu tăng lên. Tuy nhiên với tốc độ dữ liệu cao hơn 1Mbps không
có sự giảm đáng kể nào trong thời gian gián đoạn dịch vụ. Điều này là do kích thước không đổi của một khung LTE. 1Mbps là đủ để truyền tín hiệu điều khiển trong một
81
Trong hình 3.12, ta có thể thấy là khi BLER tăng, thời gian gián đoạn dịch vụtăng dần.
Khi BLER cao hơn 21% có sựgia tăng theo cấp số nhân trong thời gian gián đoạn dịch vụ. Điều quan trọng cần lưu ý cho chuyển giao LTE & UMTS là với BLER cao hơn
21% ảnh hưởng xấu đến thời gian gián đoạn dịch vụ.
Hình 3.12 : thời gian gián đoạn dịch vụ trong chuyển giao LTE & UMTS so với BLER.
Trong hình 3.13 thời gian gián đoạn dịch vụ so với BLER trong các trường hợp khác nhau với trễ truyền khác nhau. Lưu ý rằng tất cảcác trường hợp cao hơn 300ms sẽ bị gián đoạn dịch vụ. Với trễ truyền 10-5 hoặc ít hơn không có sự giảm đáng kể nào trong thời gian gián đoạn dịch vụ do đó ta thấy trền đồ thị dòng có trễ truyền 10 -5 và 10-6
82
chồng lên nhau. Tuy nhiên, trễ truyền tăng từ 10-3 đến 10-2 có một sự gia tăng mạnh trong thời gian gián đoạn dịch vụ. Điều này được thể hiện rõ trong hình 3.14.
83
Hình 3.14: Thời gian gián đoạn dịch vụ so với trễ truyền.
Hiệu suất chuyển giao VCC từ UMTS sang LTE được đánh giá trong điều kiện thời gian thực của mạng. Một lần nữa trong thời gian gián đoạn dịch vụ so với BLER và trễ
truyền được mô phỏng thấy tương tự nhau trong điều kiện tĩnh. Tuy nhiên sau trung
bình khoảng 500 lần mô phỏng trong thời gian thực ta nhân thấy rằng thời gian gián
đoạn dịch vụ nói chung là ít hơn so với điều kiện tĩnh. Hình 3.15 cho thấy thời gian
gián đoạn so với BLER trong các trường hợp khác nhau của trễ truyền trong điều kiện thời gian thực. Lứu ý rằng thời gian gián đoạn theo thứ tự là 200ms không giống như
trong khoảng 400ms. Do đó, thiết lập mô phỏng thời gian thực mang lai kết quả tốt hơn
84
Hình 3.15: thời gian gián đoạn dịch vụ trong điều kiện thời gian thực
3.4.3.2 Chuyển giao từ LTE sang UMTS
Hình 3.16, 3.17, 3.18 hiển thị thời gian gián đoạn dịch vụ cho chuyển giao SRVCC từ LTE sang UMTS trong điều kiện tĩnh. Trong nhừng hình dưới thời gian gián đoạn dịch vụ được mô phỏng với các tốc độ dữ liệu khác nhau, với trễ truyền và tỉ lệ lỗi khối
tương ứng (Block Error Rate (BLER)). Có hai dạng đồ thị tương ứng: thời gian gián
đoạn dịch vụ và BLER, giữa thời gian gián đoạn dịch vụ và trễ truyền.
Như minh hoa trong hình 3.16, ta quan sát thấy rằng với một BLER nhất định thời gian
gián đoạn dịch vụ giảm đáng kể với tốc độ dữ liệu tăng lên. Ví dụ trong một kích thước khung liên tục 7680 bit, tốc độ dữ liệu 9.6kbps có thời gian gián đoạn dịch vụ quá
400ms, cao hơn so với quy định 300ms cho dịch vụ thời gian thực. Tốc độ dữ liệu bằng 64kbps cho thời gian gián đoạn dịch vụít hơn 250ms là chấp nhận được. Tuy nhiên với
85
tốc độ dữ liệu ở tốc độ lớn hơn 64kbps không có sự giảm đáng kể trong thời gian gián
đoạn dịch vụ. Nguyên nhân do bản tin có chiều dài khung cố định và tốc độ 64kbps là
đủđể truyền độ dài khung này.
Hình 3.16: chuyển giao SRVCC từ LTE sang UMTS, thời gian gián đoạn dịch vụ và BLER
Tại giao diện khoảng không giữa UE và các NodeB, một BLER cao và trễ truyền vô tuyến rất có thểảnh hưởng đến độ trung thực của một cuộc gọi thoại. Đó là lí do quan
trọng để ta phải so sánh hiệu quả của cả trễ truyền và BLER với thời gian gián đoạn dịch vụ.
86
Trong hình 3.17, thời gian gián đoạn dịch vụ/độ trễ tổng của cuộc gọi được hiển thị so với BLER cho các giá trị khác nhau của trễ truyền. Trễ truyền vô tuyến (độ trễ trong kết nối vô tuyến) được thiết lập từ 10-6 đến 10-2. Đối với trễ truyền như 10-2, thời gian
gián đoạn dịch vụ được quan sát là BLER thay đổi. Chú ý rằng tất cảcác plot là cũng
trong thời gian gián đoạn quy định 300ms. Tuy nhiên, với trễ truyền 10-5 và 10-6 không
có thay đổi đáng kể trong thời gian gián đoạn dịch vụ, do đó đồ thị cho độ trễ do một sự chậm trễ tuyên truyền 10-5 và 10-6 chồng lên nhau. Chúng được thể hiện bởi các
đường màu đỏ với dấu chấm màu xanh lá cây trong khoảng giữa theo chiều dọc của 240-245 ms trong hình 3.16. Khi trễ truyền tăng 10-3 đến 10-2, đã có một sự gia tăng
mạnh trong thời gian gián đoạn dịch vụ. Hành vi này được minh họa trong hình 3.18. Trong biểu đồ này, thời gian gián đoạn dịch vụlà như nhau giữa 10-6 và 10-5 (vì thế mà chồng chéo mỏng đường màu đỏ) nhưng rõ ràng được xem là tăng nhanh khi trễ truyền
87
Hình 3.17: chuyển giao SRVCC từ LTE sang UMTS thời gian gián đoạn dịch vụ và BLER trong sự thay đổi trễ truyền.
88
Hình 3.18: chuyển giao SRVCC từ LTE sang UMTS gián đoạn dịch vụ so trễ truyền.
Trong điều kiện thời gian thực, mối quan hệ giữa thời gian gián đoạn dịch vụ và BLER với sự thay đổi của trễ truyền vô tuyến tương tự như trong điều kiện tĩnh. Tuy nhiên, sau 500 lần chạy mô phỏng thời gian thực, ta nhận thấy rằng sự gián đoạn dịch vụ ít
hơn so với trong điều kiện tĩnh tại mọi thời điểm. hình 3.19 cho thấy thời gian bị gián