Cơ chế quản lý QoS đối với kênh mang vô tuyến tại các lớp RRC, MAC, và PHY như hình 3.2. RRC đóng vai trò quyết định trong việc quản lý QoS, nó quản lý báo hiệu giữa máy di động và UTRAN. Ngoài ra RRC còn có thể điều khiển lớp MAC và PHY.
Hình 3.2 Cơ chế QoS trong kênh mang vô tuyến
Trước hết một ứng dụng thực hiện thoả thuận QoS với mạng lừi UMTS trong các lớp cao hơn. Đặc tính lưu lượng của các lớp trên được ánh xạ vào đặc tính dịch vụ kênh mang vô tuyến. RRC của máy di động và UTRAN thực hiện các thủ tục thiết lập và cấu hình lại kênh mang vô tuyến. Trong quá trình diễn ra các thủ tục này RRC của UTRAN sẽ tham khảo khối điều khiển UTRAN để kiểm tra xem có đủ tài nguyên không và đảm bảo kết nối mới không ảnh hưởng đến các dịch vụ đang tồn tại. Trong trường hợp ứng dụng được chấp nhận, RRC cấp phát băng thông dựa trên việc ấn định mã kênh sử dụng tại lớp vật lý và định dạng truyền tải tại lớp MAC. Ngoài ra MAC cũng có cơ chế xử lý ưu tiên.
Cơ chế QoS của kênh vô tuyến bao gồm: cấp phát băng tần và xử lý ưu tiên.
Cấp phát băng tần
Sau khi một ứng dụng mới thực hiện thoả thuận QoS, RRC sẽ thiết lập dịch vụ kênh mang vô tuyến trong đó định nghĩa kênh truyền tải và kênh vật lý. Kênh truyền tải được MAC điều khiển còn kênh vật lý do PHY điều khiển.
Các tham số mô tả kênh truyền tải có chứa định dạng kênh truyền tải bao gồm: kích thước khung truyền tải (transport block size), kích thước khung truyền tải được thiết lập (transport block set size). và khoảng thời gian truyền tải. Các tham số này sẽ định nghĩa băng tần được cấp phát.
Băng tần cấp phát có thể thay đổi bằng cách thay đổi hệ số trải phổ (spread factor (SF)). Mã trải phổ càng nhỏ thì băng tần (hay tốc độ) càng lớn.
Xử lý ưu tiên
Chức năng xử lý ưu tiên nằm trong MAC-c/sh. Lưu lượng có mức ưu tiên cao nhất sẽ được phục vụ đầu tiên. Giá trị ưu tiên sẽ tương ứng với việc lựa chọn định dạng kênh truyền tải. Giá trị ưu tiên cao sẽ tương ứng với định dạng kênh truyền tải có tốc độ dữ liệu cao còn giá trị ưu tiên thấp sẽ tương ứng với định dạng kênh truyền tải có tốc độ dữ liệu thấp.
3.1.2 Quản lý truy nhập
Điều khiển truy nhập AC quyết định được một dịch vụ kênh mang vô tuyến RB có thể thiết lập hoặc thay đổi hay không trên mạng truy nhập vô tuyến. Thuật toán được thực thi trên mỗi ô riêng biệt cho cả đường lên và đường xuống trong suốt thủ tục thiết lập hoặc cấu hình lại. Mỗi khi một kết nồi được thiết lập hoặc thay đổi. AC với QoS khác nhau được gán một ưu tiên yêu cầu tài nguyên RRB vào dịch vụ kờnh mang yờu cầu từ mạng lừi. Gớa trị RRB càng nhỏ thỡ độ ưu tiờn càng cao. Các yêu cầu kênh vô tuyến mới được sắp xếp vào hang đợi ưu tiên và được phục vụ theo mức độ ưu tiên. Nếu các yêu cầu có cùng mức ưu tiên thì được phục vụ theo thời gian đến của chúng ( FIFO). Tài nguyên yêu cầu bị từ
chối nếu hàng đợi bị đầy những thông số này có thể được thiết lập có giá trị khác nhau tùy thuộc vào đặc tính kênh mang dịch vụ như lớp QoS, chỉ định ưu tiên chiếm giữ ARP, ưu tiên quản lý lưu lượng TTH.
- Nếu vượt quá mức lưu lượng:
PTotal = PNGB+PGB > PTarget + Offset (3.1) Với :
o PTotal là tổng công suất phát trong ô bằng tổng công suất của dịch vụ tốc độ bit đảm bảo GB và dịch vụ tốc độ bit không đảm bảo NGB
o PTarget + Offset là ngưỡng quá tải.
Các kênh mang dịch vụ tốc độ bit không đảm bảo NGB luôn được chấp nhận trong khi đó lưu lượng tốc độ bit đảm bảo GB sẽ không được chấp nhận nếu ( 3.1 ) xảy ra, hoặc :
arg
GB GB t et
P +∆ P > P (3.2)
Với:
PGB
∆ là công suất ước lượng tăng lên nếu kết nối mới được chấp nhận.
PGB
∆ cho đường xuống có thể được tính bằng công suất khởi tạo một kết nối mới:
( ) arg
,
, tx CPICH 1 Txt et
GB DL Txtotal
C
R p
P P P
W
ρ α
ρ
∆ = + − − ÷
(3.3) E
o R tốc độ tối đa yêu cầu
o ptx CPICH, công suất kênh hoa tiêu trong cell o ρC năng lượng chip trên nhiễu c
o
E N o α hệ số trực giao bộ mã
Đối với đường lên ∆PGB DL, có thể tính:
( )
, 1
1 1
GB DL Rxtotal Rxtotal
L L
P P P
β β L
η η
∆ ∆
∆ = + −
− − − ∆ (3.4) Với β trọng số thiết lập bởi nhà khai thác
η hệ số tải đường lên
own oth
Txtotal
I I
η = P +
Trong đó :
Iown là công suấtt thu từ các user trong cell.
Ioth là công suất thu từ các user thuộc cell xung quanh.
1 1
L W
ρR
∆ = +
3.1.3 Quản lý điều khiển công suất
3.1.3.1 Điều khiển công suất vòng kín
Điều khiền công suất vòng kín, gọi là điều khiển công suất nhanh trong các hệ thống UMTS, có nhiệm vụ điều khiển công suất phát MS ( đường lên), hay là công suất trạm gốc ( đường xuống) để chống lại fading của các kênh vô
tuyến và đạt được chỉ tiêu tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR được thiết lập bởi vòng bên ngoài. Chẳng hạn trên đường lên, trạm gốc so sánh SIR nhận được từ MS với SIR mục tiêu trong mỗi khe thời gian ( 0,666ms). Nếu SIR nhận được lớn hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “1” đến MS. Bởi vì tần số điều khiển công suất vòng kín rất nhanh nên có thể bù được fading nhanh và chậm
3.1.3.2 Điều khiển công suất vòng hở
Điều khiển công suất vòng hở được sử dụng trong UMTS FDD cho việc thiết lập năng lượng ban đầu cho MS. Trạm di động sẽ tính toán suy hao đường truyền giữa tạm gốc và trạm di động bằng cách đo cường độ tính hiệu nhận dử dụng mạch điều khiển độ tăng ích tự động ( AGC). Tùy theo độ tính toán suy hao đường truyền này, trạm di động có thể quyết định công suất phát đường lên của nó. Điều khiển công suất vòng hở có ảnh hưởng trong hệ thống TTD bởi vì đường lên và đường xuống là tương hỗ, nhưng không ảnh hưởng nhiều trong hệ thống FDD bởi vì đường lên và xuống hoạt đông trên các băng tần khác nhau và hiện tượng fading Rayleigh trên đường lên và xuống độc lập nhau. Vậy điều khiển công suất vòng hở chỉ có thể bù một cách đại khái suy hao do khoảng cách. Đó là lí do tại sao điều khiển công suất vòng hở chỉ được sử dụng như là việc thiết lập năng lượng ban đầu trong hệ thống FDD
3.1.3.3 Điều khiển công suất vòng ngoài
Điều khiển công suất vòng bên ngoài cần thiết để giữ chất lượng truyền thông tại các mức yêu cầu bằng cách thiết lập mục tiêu cho điều khiển công suất vòng kín nhanh. Mục đích của nó là cung cấp chất lượng yêu cầu. Tần số điều khiển công suất vòng ngoài thường là 10-100Hz.
Điều khiển công suất vòng ngoài so sánh chất lượng nhận được với chất lượng yêu cầu. Thông thường, chất lượng được định nghĩa là tỷ số lỗi bit mục tiêu xác định ( BER) hay tỷ số lỗi khung ( FER). Mối quan hệ giữa SIR mục tiêu
chất lượng nhận tốt hơn, có nghĩa là mục tiêu SIR đủ cao để đảm bảo QoS yêu cầu. Để giảm thiểu khoảng trồng, mục tiêu SIR sẽ phải giảm. Tuy nhiên nếu chất lượng nhận xấu hơn chất lượng yêu cầu, mục tiêu SIR phải tăng lên để đảm bảo QoS yêu cầu.
3.1.4 Quá trình chuyển giao
Chuyển giao là quá trình được thực hiện khi UE đã có kết nối vô tuyến để duy trì chất lượng truyền dẫn. Trong 3G/UMTS có thể có chuyển giao cứng hoặc chuyển giao mềm.
3.1.4.1 Chuyển giao cứng
Trong quá trình chuyển giao cứng (HO) UE chỉ nối đến 1 nút B. Khi thực hiện HO đến 1 nút B khác, kết nối nút B cũ được giải phóng.
Tấc cả các kết nối sử dụng kênh FACH ( kênh không sử dụng điều khiển công suất và dành cho các gói ngắn) hay DSCH ( kênh phù hợp nhất cho các dịch vụ chuyển mạch gói đều sử dụng HO.
Ngoài ra HO sử dụng cho:
o HO giữa các hê thống ( giữa UTRAN và GSM).
o HO giữa các tần số sóng mang khác nhau của UTRAN 3.1.4.2 Chuyển giao mềm/ mềm hơn
Chuyển giao mềm khi UE kết nối nhiều nút B. Danh sách các nút B tham gia vào kết nối với UE trong chuyển giao mềm/ mềm hơn được gọi là
“tập tích cực”. Có thể quy định kích thước cực đại của tập tích cực. Thực chất chuyển giao mềm là quá trình trong đó một ô hoặc được kết nạp vào tập tích cực hoặc bị loại ra khỏi tập tích cực
3.1.5 Điều khiển tắt nghẽn
Để đảm bảo QoS trong mạng truy nhập vô tuyến thì phải đảm bảo hệ thống không bị quá tải và hoạt động ổn định. Nếu một mạng thiết kế ổn định, quản lý kết nối tốt, thì điều khiển tắt nghẽn cũng phải tốt. Nếu vượt quá mứt lưu lượng hức năng điều khiển tắt nghẽn sẽ hoạt động, chức năng này được hoạch định trong quy hoạch mạng vô tuyến.
Trong trường hợp quá tải, chức năng điều khiển tắt nghẽn sẽ thực thi các tác vụ nhằm mục đích giảm tải hệ thống:
o Điều khiển tải đường xuống: từ chối lệnh tăng công suất đường xuống nhận được tù các thuê bao.
o Điều khiển tải đường lên: giảm Eb/N0 đường lên bằng cách điều khiển công suất nhanh đường lên.
o Giảm băng thông của lưu lượng dữ liệu gói.
o Chuyển giao sang các sóng mang UMTS khác.
o Chuyển giao sang GSM.
o Giảm tốc độ bit của các thuê bao dịch vụ thời gian thực.
o Loại các cuộc gọi của các thuê bao có độ ưu tiên thấp.
3.2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS TRONG MẠNG LếI 3G/UMTS Bắt đầu từ việc phát hành 3GPP phiên bản năm trở đi nhằm mục đích là chuyển mạng 3G chạy hoàn toàn trên giao thức Internet (IP). IP đặc biệt phù hợp cho các mạng mà chất lượng kết nối của chúng được miêu tả như là “best effort”.
Mạng nổi tiếng dựa trên nguyên lý này là mạng Internet công cộng.
Cung cấp các dịch vụ truyền thông đa phương tiện khác nhau cho khách hàng di động là yêu cầu chính của mạng di động 3G/UMTS, mạng 3G/UMTS được xây dựng trên nền IP và sẽ tạo nên một mạng toàn IP.
Cỏc tớnh năng quản lý, đo kiểm chất lượng dịch vụ trong mạng lừi IP 3G/UMTS cũng tương tự như cho bất kỳ mạng IP nào khác. Bảng 3.1 liệt kê các tham số đỏnh giỏ năng lực mạng cần phải theo dừi trong mạng lừi.
Bảng 3.1 Tham số đánh giá năng lực mạng IP cho các loại dịch vụ khác nhau
Dịch vụ Yêu cầu Tham số đánh giá
năng lực Truyền số
liệu
Tối thiểu trễ và mất gói tin
Đo được QoS
Jitter
Tỷ lệ mất gói tin
Trễ VoIP Tối thiểu trễ, mất gói tin,
jitter
Jitter
Tỷ lệ mất gói tin
Trễ
MOS Thỏa thuận
dịch vụ
Đo được trễ, mất gói tin, jitter
Chiều đi
Jitter
Tỷ lệ mất gói tin
Trễ
Chiều đi
Độ chính xác cao
Sẵn sàng dịch vụ
Đo kiểm kết nối Kiểm tra kết nối đến các thiết bị IP Truyền video Tối thiểu trễ, tỷ lệ mất gói
tin
Jitter
Tỷ lệ mất gói tin
Việc xây dựng một mạng thông tin di động vô tuyến Internet là một thách thức, với nhiệm vụ chính là hỗ trợ chuyển vùng nhanh và cung cấp đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS qua mạng 3G/UMTS. Trong đó IntServ và DiffServ là hai kiến trúc chính để giám sát QoS trong mạng IP.
Hình 3.3 thể hiện kiến trúc mạng đa phương tiện 3G/UMTS.
Hình 3.3 Kiến trúc mạng đa phương tiện 3G /UMTS
3.2.1 Chất lượng dịch vụ QoS trong mạng lừi 3G/UMTS trờn nền IP 3.2.1.1 Mô hình tích hợp dịch vụ INTSERV
Ý tưởng ban đầu của mô hình dịch vụ tích hợp IntServ là để hỗ trợ việc dành trước tài nguyên cho các luồng lưu lượng. Trái ngược với kiến trúc chuyển phát datagram (các gói sẽ đi qua các tuyến khác nhau tại mọi thời điểm chúng được gửi), dịch vụ tích hợp cho phép dành toàn bộ một tuyến cho luồng dữ liệu. Điều đó được thực hiện bởi việc thiết lập một tuyến dành trước tài nguyên trước khi gửi dữ liệu. Hình 3.4 biểu diễn mô hình tích hợp dịch vụ Intserv. Thực chất của mô hình này là các bộ định tuyến và thiết bị mạng phải dành trước nguồn tài nguyên của nó để cung cấp các mức chất lượng dịch vụ cụ thể cho các gói mang lưu lượng người dùng. Điều này yêu cầu các bộ định tuyến phải có khả năng điều khiển các luồng lưu lượng.
Hình 3.4: Mô hình tích hợp dịch vụ Intserv
Ứng dụng sẽ mô tả lưu lượng và tài nguyên nào mà nó sẽ cần. Sau đó, mạng sẽ sử dụng giao thức dành trước tài nguyên (RSVP) để dành trước băng thông xác định trong mỗi bộ định tuyến dọc theo đường đi. Mỗi bộ định tuyến sẽ kiểm tra xem ở đó nó có đảm bảo tài nguyên được yêu cầu và duy trì tuyến khi được yêu cầu bởi yêu cầu dành trước tài nguyên. Khi tất cả các bước nhảy đã được thiết lập, thiết bị gửi có thể gửi dữ liệu.
Mô hình tích hợp dịch vụ IntServ mô tả các ứng dụng QoS trong mạng IP theo phương pháp nhận dạng luồng lưu lượng với 5 tham số cơ bản sau:
Nhận dạng giao thức
Địa chỉ IP đích
Địa chỉ cổng đích
Địa chỉ IP nguồn
Địa chỉ cổng nguồn
Để dự trữ tài nguyên cho một luồng lưu lượng, ứng dụng nguồn cần phải cung cấp các đặc tính luồng. Đặc tính luồng gồm các đặc tính lưu lượng và các yêu cầu chất lượng dịch vụ cho luồng đó.
Đặc tính lưu lượng bao gồm tốc độ đỉnh, tốc độ trung bình, kích thước bùng nổ và các tham số của gáo rò.
Các yêu cầu dịch vụ gồm băng thông tối thiểu và các yêu cầu hiệu năng như trễ, biến động trễ và tỷ lệ tổn thất gói.
Các dịch vụ tích hợp có thể được chia thành hai mặt bằng: mặt bằng điều khiển và mặt bằng dữ liệu.
Mặt bằng điều khiển thiết lập việc dành trước tài nguyên.
Mặt bằng dữ liệu thực hiện truyền dữ liệu.
Để yêu cầu một dành trước tài nguyên IntServ, trước tiên ứng dụng phải đặc tính hoá được luồng lưu lượng của nó và tập hợp lại trong chỉ tiêu luồng lưu lượng. Sau đó, yêu cầu thiết lập dự trữ tài nguyên có thể được gửi đến mạng.
Nếu có thể cam kết việc dự phòng, luồng đó được đưa vào bảng dự phòng tài nguyên. Khi gói tin đến, khối lượng nhận dạng luồng sẽ nhận dạng gói tin thuộc về luồng đặt trước và đặt chúng vào trong hàng đợi phù hợp để nhận được dịch vụ yêu cầu.
Việc lựa chọn đường dẫn phù hợp cho chặng kế tiếp tại một nút là một nhiệm vụ khó khăn do các hạn chế trong việc định tuyến IP truyền thống. Đường dẫn cần được lựa chọn có thể đã đáp ứng được yêu cầu định ra. Tuy nhiên, định tuyến IP thường sử dụng các số đo như trễ, bước nhảy hay một số loại thông số khác để tính toán đường đi ngắn nhất. Do vậy, đường dẫn ngắn nhất có thể không có được khả năng truyền tải, mặc dù đường dẫn khác dài hơn lại có được khả năng đó. Vấn đề định tuyến có thể trở nên phức tạp hơn bởi một số ứng dụng có yêu cầu nhiều tham số QoS (ví dụ, cả băng thông và các yêu cầu về tổn thất
gói tin). Tìm kiếm đường dẫn phù hợp trong nhiều điều kiện ràng buộc rất phức tạp. Chính vì lý do đó, mô hình đảm bảo QoS cho IP đầu tiên này không yêu cầu gắn các cơ chế định tuyến đảm bảo QoS trong kiến trúc InterServ. Kiến trúc này giả sử rằng khối chức năng định tuyến của bộ định tuyến sẽ thực hiện định tuyến từng bước (hop by hop).
Tài nguyên dành trước trong InterServ cần phải qua tất cả các nút trên đường dẫn và thiết lập các dự phòng yêu cầu. Nó cũng phải truyền tải thông tin trong các phác thảo lưu lượng và các yêu cầu tài nguyên, do vậy mỗi nút cần quyết định liệu nó có chấp nhận việc dành trước hay không, nhận dạng luồng như thế nào và lập lịch cho gói tin.
Điều khiển chấp nhận
Xử lý hai nhiệm vụ cơ bản là: Chấp nhận hay từ chối các yêu cầu dành trước và giám sát việc sử dụng tài nguyên. Việc dành trước tài nguyên cho một yêu cầu mới không thể được chấp nhận nếu nút không có sẵn tài nguyên yêu cầu. Có hai hướng tiếp cận để quyết định tài nguyên nào là sẵn sàng: Dựa trên đo đạc và dựa theo tham số.
Trong hướng tiếp cận theo tham số, điều khiển chấp nhận sẽ tính toán các tài nguyên khả dụng dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật của yêu cầu dành trước tài nguyên hiện tại.
Trong hướng tiếp cận dựa theo đo đạc, điều khiển chấp nhận đo lưu lượng thực sự trong mạng và sử dụng các phương pháp thống kê để quyết định xem liệu tài nguyên nào là khả dụng. Hướng tiếp cận này có ưu điểm là tối ưu hoá việc sử dụng mạng, mặc dù nó không thể đảm bảo chặt chẽ các cam kết tài nguyên.
Nhận dạng luồng