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.
40
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 chuyểnmạch 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:
oNhiễu do môi trƣờng vô tuyến
oBăng thông
oTiếng vọng - Giao thức truyền IP
oĐộ khả dụng (Availability): yếu tố suy hao thiết bị và độ ổn định
oTrễ: trễ xử lý, gói hóa, truyền dẫn nối tiếp, bộ đệm và hàng đợi…
oBiến động trễ: jitter
oTổn thất mất gói hay tỉ lệ lỗi bít (BER)
41
2.2.1. Ảnh hƣởng 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 GSMvà 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
42
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/UTS, 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
43
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 hữucủa 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 IP2.2.2.1. 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.
44
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 trƣờngtoàn 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 mứcthấp.
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:
Mô tả đặc điểm
Chấp nhận cho hầu hết các ứng dụng ngƣời dùng Có ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền dẫn đối với các ứng dụng.
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: - Làm giảm tốc độ trao đổi thoại, 45 download by : skknchat@gmail.com >450 ms 150 ms – 450 ms 0 – 150 ms
- 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 đƣờngTrễ truyền dẫn mạng 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]:
46
- 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.
Trễ thuật toán:
47
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
48
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.