62
3.1.2. Đánh giá tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công VoLTE
Tỉ lệ thiết lập thành công cuộc gọi bao gồm các thành phần sau: - Quá trình truy cập ngẫu nhiên thành công (kết quả của việc khởi tạo nguồn uplink cho việc thiết lập kết nối RRC).
- Thiết lập kết nối RRC thành công (là kết quả của việc cấp tài nguyên kênh mang và truyền bản tin NAS tới EPC).
- Cấp kênh EPS mặc định thành công.
Tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công và duy trì cuộc gọi VoLTE phải lớn hơn
mức thiết lập thành công trong mạng CS. Chỉ số hiệu năng quan trọng trong mạng vô tuyến là tỉ lệ thiết lập thành công, tỉ lệ handover thành công và tỉ lệ cuộc gọi hoàn thành thành công. Trong đó tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công là yếu tố đầu tiên đánh giá chất lƣợng hệ thống VoLTE.
Tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công VoLTE đạt đƣợc ở mức cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm kênh truyền dẫn điều khiển đáng tin cậy, có thể đạt đƣợc bằng cách tối ƣu mã hóa kênh trông giao diện vô tuyến để bảo vệ chất lƣợng tín hiệu. Tỉ lệ thiết lập thành công cao cũng đòi hỏi mức nhiễu và tín hiệu dƣ thừa phải đƣợc điều khiển tại các cell có tải cao.
3.1.3. Đánh giá tỉ lệ rớt cuộc gọi VoLTE
Thách thức lớn nhất của VoLTE là khi so sánh vùng phủ sóng của LTE so với mạng 2G/3G. Điều này ảnh hƣởng đến sự đáng tin cậy của cuộc gọi VoLTE dƣới điều kiện mạng không đƣợc đảm bảo và trong trƣờng hợp thuê bao di chuyển. Tỉ lệ cuộc gọi bị lỗi, bao gồm thiết lập cuộc gọi và các cuộc gọi bị rớt không định trƣớc đƣợc cao gấp 5 lần so với thoại truyền thống, và vấn đề này ảnh hƣởng nghiêm trọng tới ngƣời dùng. Các nhà mạng cần phải đƣa ra các phƣơng án xử lý vấn đề này càng nhanh càng tốt.
Hình 3-2 mô tả chất lƣợng RTP phụ thuộc vào tín hiệu vô tuyến đƣợc nghiên cứu của SPIRENT:
63
22.1
17.2
16.8 16.2 16.6 16.2 15.9
-105 -100 -95 -90 -85 -80 -75
Hình 3-2: Biến động trễ trung bình RTP (ms) theo RSRP (dBm)
Theo nghiên cứu của Yunhan Jack Jia, tỉ lệ rớt cuộc gọi đƣợc thực hiện trên 3869 cuộc gọi VoLTE và đƣợc thực hiện tại 5 địa điểm ở hai thành phố khác nhau của Mỹ, với thời gian gọi từ 0 đến 5 phút, tƣơng ứng với chiều dài cuộc gọi vô tuyến trung bình tại Mỹ. Hình 3-3 chỉ ra các loại lỗi khác nhau gây ra rớt cuộc gọi.
Hình 3-3: Khả năng xảy ra lỗi rớt cuộc gọi
Do vậy, việc phân bổ vùng phủ sóng, tối ƣu hóa vùng phủ để đảm bảo chất lƣợng phủ sóng cũng nhƣ giảm nhiễu giữa các vùng cần đƣợc nghiên cứu và xem xét để đảm bảo cuộc gọi không bị rớt.
64
3.1.4. Đánh giá khả năng mở rộng dịch vụ VoLTE
Do hệ thống IMS có chức năng xử lý tín hiệu, khi cuộc gọi thiết lập thành công thì thoại sẽ do LTE xử lý, do vậy ta chỉ xét đến khả năng xử lý của hệ thống IMS khi có hàng chục triệu cuộc gọi diễn ra cùng lúc, với trạng thái chuyển từ “idle sang active” và ngƣợc lại là rất lớn.
Nhƣ trình bày ở chƣơng 2, hệ thống sẽ phải xử lý gấp 10 lần tín hiệu trên mặt phẳng điều khiển và trên PCRF, do đó không chỉ tăng cƣờng khả năng xử lý tín hiệu trên IMS và còn cần trang bị hệ thống PCRF riêng cho VoLTE.
Với số lƣợng thuê bao VoLTE tăng nhanh, dự đoán lên đến 74 triệu thuê bao vào cuối năm 2016, thì việc mở rộng mạng LTE/IMS là rất cần thiết.
Có 2 phƣơng án chính để tăng dung lƣợng xử lý cho hệ thống: - CSFB;
- Tăng số lƣợng hệ thống server IMS, hệ thống PCRF tăng khả năng xử lý đồng thời nhiều cuộc gọi.
3.1.4.1. Điều khiển quá tải
Việc tăng lên nhanh chóng số lƣợng thuê bao sử dụng dịch vụ VoLTE vào các năm tiếp theo đặt ra thách thức cho các nhà mạng trong việc xử lý tình trạng quá tải của hệ thống. Nghiên cứu hệ thống quá tải là một trong những nhiệm vụ giúp nhà mạng phân tích đƣợc nguy cơ rủi ro có thể xảy ra cho hệ thống vào giờ cao
điểm.
Hình 3-4 chỉ ra cấu trúc hàng đợi của máy chủ SIP (IMS), đây là hàng đợi
đơn giản. Mỗi khi có bản tin SIP tới hàng đợi, bản tin đó sẽ đƣợc phục vụ theo kiểu FIFO (frst in frst out). Thời gian xử lý của hệ thống phụ thuộc vào loại bản tin SIP. Thông thƣờng, quá trình xử lý bản tin INVITE là lớn nhất so với các loại bản tinSIP khác, bởi vì phải xử lý SIP URL. Giả thiết quá trình xử lý bản tin INVITE là 11.64 msec, và thời gian xử lý các bản tin khác là 2.6 msec.
65
Hình 3-4: Cấu trúc hàng đợi và ngƣỡng quá tải
Để nghiên cứu tình trạng quá tải, ta đƣa ra hai ngƣỡng h và l. Nếu số lƣợng bản tin trong bộ đệm của hàng đợi lớn hơn ngƣỡng h, thì hệ thống xảy ra nghẽn.Nếu số lƣợng bản tin nhỏ hơn l, hệ thống trở lại trạng thái bình thƣờng. Hình 3-5 chỉ ra việc chuyển trạng thái ở hai mức ngƣỡng của hệ thống. Khi bản tin SIP tới máy chủ SIP (IMS), hệ thống sẽ kiểm tra số lƣợng bị chiếm của bộ đệm và tính là x. Trạng thái nghẽn sẽ chuyển theo trạng thái hiện tại và x.
Hình 3-5: Sơ đồ chuyển trạng thái đối với hiện tƣợng nghẽn mạng
Khi hệ thống IMS đang ở trạng thái nghẽn, mạng tín hiệu SIP sẽ điều chỉnh lại để chấp nhận đƣợc cuộc gọi mới. Thông thƣờng, hệ thống sẽ trả về đáp ứng
“100” cho bản tin “INVITE”. Nhƣ ở trên hình, hệ thống IMS trả về “503” (dịch vụ
không sẵn sang) khi hệ thống ở trạng thái nghẽn. Theo tiêu chuẩn RFC 3261, khi bên gọi nhận đƣợc đáp ứng từ “300-699”, nó sẽ khởi động thời gian D đƣợc định nghĩa trong 3261. Bên gọi không thể thực hiện bất cứ việc gửi bản tin INVITE nàotrong tình trạng này. Chu kỳ đƣợc giữ bởi Timer D. Giá trị thời gian Timer D mặc định là 32 giây. Việc điều chỉnh lại với các cuộc gọi mới bởi thời gian D làm giảmtải cho hệ thống. Do vậy có thể tránh đƣợc tắc nghẽn tạm thời.
66
3.1.4.2. Mô hình lƣu lƣợng
Giả thiết rằng thời gian mỗi cuộc gọi đến là TI giây. Có nghĩa là bên gọi sẽ
thực hiện một cuộc gọi khác trong TI giây sau khi bên gọi kết thúc cuộc gọi trƣớc
đó. Bên bị gọi B sẽ trả lời cuộc gọi trong TA giây sau khi bên bị gọi đổ chuông. Thời gian cho một cuộc gọi là TS giây. Do đó, bên chủ gọi A thực hiện một cuộc gọi mỗi Tcall giây trong đó:
Tcall = TI + TA + TS
Nhƣ phần trƣớc, mỗi một cuộc gọi VoLTE bao gồm 7 bản tin SIP (INVITE,
100, 180, 200, ACK, BYE và 200) đƣợc gửi tới hệ thống IMS để có thể hoàn thành
đƣợc cuộc gọi. Do vậy mỗi khi một bản tin SIP đƣợc gửi đến hệ thống SIP, tốc độ đến trung bình của một bản tin SIP tới hệ thống λ đƣợc tính bởi công thức sau:
trong đó N là số lƣợng thuê bao thực hiện cuộc gọi tại cùng thời điểm. Giả sử tốc độ xử lý của hệ thống IMS là µsip, có nghĩa là tốc độ xử lý trung bình một bản tin SIP trong 1/µsip giây.
Tỉ lệ sử dụng của hệ thống ρn đƣợc tính nhƣ sau:
ρn =
Giả thiết, TI = 30 giây, TA = 4 giây, TS = 30 giây thì bên chủ gọi thực hiện mỗi một cuộc gọi trong vòng 64 giây. 1/µsip giả thiết là 1/2.6x10-3giây. Từ đó tải của hệ thống đƣợc tính nhƣ sau:
ρn = 0.04 x N x 10-3
Tốc độ xử lý của mỗi liên kết kết nối tới thuê bao chủ gọi trong hệ thống IMS giả thiết là 100Mbps. Kích thƣớc mỗi bản tin SIP là 731 bytes. Do đó thời gian xử lý trung bình cho việc truyền bản tin SIP là 0.058x10-3 giây.
Tỉ lệ sử dụng của liên kết kết nối liên kết giữa hệ thống IMS với router là:
= 0.63 x N x 10-5 Nhận thấy, ρn < ρlink hiện tƣợng tắc nghẽn xảy ra.
67
Do vậy cần phải tính toán số lƣợng SIP server để có thể phục vụ đƣợc nhiều thuê bao cùng một lúc mà không xảy ra tắc nghẽn.
3.2. Phƣơng án cải thiện chất lƣợng dịch vụ VoLTE
3.2.1. Phƣơng án cải thiện chất lƣợng môi trƣờng truyền sóng
i.Phƣơng án cải thiện chất lƣợng môi trƣờng truyền sóng
Môi trƣờng truyền sóng ảnh hƣởng rất nhiều đến chất lƣợng MOS cuộc gọi, tỉ lệ rớt cuộc gọi và tỉ lệ thiết lập cuộc gọi. Do vậy việc cải thiện chất lƣợng môi trƣờng truyền sóng sẽ làm tăng chất lƣợng mạng VoLTE.
Để đảm bảo chất lƣợng thoại VoLTE, điểm MOS có giá trị cao, trƣớc hết phải đảm bảo chất lƣợng truyền sóng vô tuyến: ngƣời dùng phải đƣợc phục vụ sóng vô tuyến ở mức cƣờng độ tốt (lớn hơn -95db), và đƣờng truyền IP phải đảm bảo tỉ lệ mất gói thấp:
- Có sự quy hoạch mạng tốt, để đảm bảo không có khu vực nào rơi vào vùng lõm sóng với mật độ trạm phát sóng vừa đủ để hạn chế hiện tƣợng fading, hiện tƣợng nhiễu kênh truyền:
Lên kế hoạch phân bổ tần số vô tuyến: tránh hiện tƣợng tín hiệu của các cell vƣợt quá các cell lân cận.
Độ nghiêng của Anten ảnh hƣởng lớn tới nhiễu cell do vậy cần tính toán chính xác vị trí anten, hƣớng nghiêng của anten để tránh nhiễu.
Tính tƣơng thích liên kết quản lý tỉ lệ mất gói bằng việc điều chỉnh tỉ lệ bit đƣợc truyền trên đƣờng lên hoặc đƣờng xuống dựa trên điều kiện vô tuyến (tỉ lệ nhiễu trên tín hiệu SNR).
- Cung cấp băng thông đủ lớn để không xảy ra hiện tƣợng tắc nghẽn trong thời gian cao điểm;
- Quy hoạch tần số tốt nhất là tại các vùng biên nơi xảy ra hiện tƣợng chuyển giao giữa các kênh (handover), đảm bảo quá trình handover thành công;
- Điện thoại di động hỗ trợ mã và giải mã tốt, đảm bảo chất lƣợng thoại ổn định.
Quy trình quy hoạch mạng vô tuyến:
a. Quy hoạch vùng phủ: Quyết định vùng phủ của mỗi trạm gốc.
b. Quỹ đƣờng truyền: Tính toán quỹ đƣờng lên và đƣờng xuống, ƣớc lƣợng suy hao tín hiệu cho phép cực đại (pathloss) giữa di động và trạm gốc. Tổn thất lớn nhất cho phép ta ƣớc lƣợng vùng phủ của cell lớn nhất với mô hình kênh truyền phù hợp. Mối quan hệ quỹ đƣờng truyền chỉ ra hệ thống vô tuyến LTE mới sẽ thực hiện tốt nhƣ thế nào khi nó đƣợc triển khai trong các trạm gốc đã tồn tại của hệ thống GSM và WCDMA.
c. Mô hình truyền sóng: sử dụng mô hình truyền sóng Hata- Okumura.
Mô hình truyền sóng Hata-Okumura:
Các biểu thức toán học sử dụng trong mô hình Hata-Okumura để xác định tổn hao trung bình L: Lp=A + Blgfc – 13,82lghb – a(hm) + (44,9 -6,55lghb)lgr + Lother (dB) Trong đó: fc= tần số hoạt động (MHz) Lp = tổn hao trung bình Hb = độ cao anten trạm gốc (m) r: bán kính cell (khoảng cách từ trạm gốc) (km) a(hm): hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB) Lother: hệ số hiệu chỉnh theo vùng a(hm) đƣợc tính nhƣ sau: - Đối với thành phố nhỏ và trung bình: a(hm) = (1,11lgfc – 0,7)hm – (1,56lgfc – 0,8) dB - Đối với thành phố lớn: a(hm) = 8,29(lg1,54hm)2 – 1,1 dB ; fc ≤ 200 MHz hay: a(hm) = 3,2(lg11,75hm)2 – 4,97 dB ; fc ≥ 400 MHz
- Đối với vùng ngoại ô: vùng ngoại ô hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố là:
L p= Lp(thành phố) – 2[(lg(fc/28))2 –5,4] dB - Đối với vùng nông thôn:
Lp = L p(thành phố) – 4,78(lgfc)2 + 18,33(lgfc) -40,49 dB
Công thức tính bán kính cell đối với mô hình Hata:
Rcell = 10(Lp-L)/X Lp = L‟ + X*lgR
L‟ = A + Blgfc – 13,82lghb – a(hm) + Lother X = (44,9 – 6,55lghb)
Sau khi tính đƣợc kích thƣớc cell, dễ dàng tính đƣợc diện tích vùng phủ với diện tích vùng phủ phụ thuộc vào cấu hình phân đoạn trạm gốc. Diện tích vùng phủđối với một cell có cấu trúc lục giác đều đƣợc tính nhƣ sau:
S = K.r2, trong đó S là diện tích vùng phủ, r là bán kính cực đại của cell, K là hằng số.
Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ:
Cấu hình trạm
K
d. Quy hoạch dung lƣợng
Dung lƣợng lý thuyết của mạng bị giới hạn bởi số eNodeB đặt trong mạng. Dung lƣợng của mạng bị ảnh hƣởng bới các yếu tố nhƣ mức can nhiễu, thực thi lập biểu, kỹ thuật mã hóa và điều chế đƣợc cung cấp.
ố ộ ố ộ ữ ệ
ƣợ
Trong đó site capacity là bội số của thông lƣợng cell (cell throughput), nó tùy thuộc vào cấu hình của cell trên site.
Tính toán cell throughput:
Để tính toán cell throughput trƣớc tiên ta xét tốc độ đỉnh (peak bit rate). Tƣơng ứng với mỗi mức MCS (điều chế và mã hóa) cùng với việc có kết hợp
70
MIMO hay không sẽ tạo ra các tốc độ bit đỉnh khác nhau. Tốc độ bit đỉnh đƣợc tính theo công thức:
ố ố ự
ố ộ ỉ ố
Đối với mỗi loại điều chế khác nhau sẽ mang số bit trên ký tự khác nhau. QPSK mang 2bit/ký tự, 16 QAM mang 4bit/ký tự và 64QAM mang 6bit/ký tự. 2x2 MIMO gấp đôi tốc độ bit đỉnh. QPSK ½ (tốc độ mã hóa ½) mang 1bps/Hz, với 64QAM không sử dụng tốc độ mã hóa và với 2x2 MIMO sẽ mang 12kbps/Hz. Mỗi băng thông chỉ định sẽ có số sóng mang tƣơng ứng cho mỗi băng thông: 72 sóng mang đối với 1.4 MHz, 180 đối với 3 MHz, và đối với băng thông 5 MHz, 15 MHz, 20 MHz tƣơng ứng sẽ là 300,600 và 1200 sóng mang con. Tốc độ đỉnh lý thuyết cao nhất xấp xỉ 170 Mbps sử dụng 64QAM, 2x2 MIMO. Nếu sử dụng 4x2 MIMO, tốc độ đỉnh sẽ gấp đôi là 340 Mbps. Số ký tự trên subframe thƣờng là 14 ký tự tƣơng ứng với mỗi slot là 7 ký tự. Kỹ thuật anten sử MCS dụng QPSK1/2 Dòng đơn 14QAM1/2 Dòng đơn 16QAM3/4 Dòng đơn 64QAM3/4 Dòng đơn 64QAM4/4 Dòng đơn 64QAM3/4 2x2MIMO 64QAM4/4 2x2MIMO