4.1.1 Khái niệm VoIP.
VoIP là từ viết tắt của cụm từ Voice over Internet Protocol. Công nghệ này cho phép truyền thoại bằng giao thức mạng IP, trên cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng internet. VoIP là một trong những công nghệ viễn thông đang được quan tâm nhất hiện nay không chỉ đối với nhà khai thác, các nhà sản xuất mà còn cả với người sử dụng dịch vụ.
Dịch vụ VoIP cho phép vừa thực hiện mọi loại cuộc gọi như trên mạng điện thoại kênh truyển thống (PSTN) đồng thời truyền dữ liệu trên cơ sở mạng truyền dữ liệu. Do các ưu điểm về giá thành dịch vụ và sự tích hợp nhiều loại hình dịch vụ nên voip hiện nay được triển khai một các rộng rãi.
Dịch vụ điện thoại VoIP là dịch vụ ứng dụng giao thức IP, nguyên tắc của VoIP bao gồm việc số hoá tín hiệu tiếng nói, thực hiện việc nén tín hiệu số, chia nhỏ các gói nếu cần và truyền gói tin này qua mạng, tới nơi nhận các gói tin này được ráp lại theo đúng thứ tự của bản tin, giải mã tín hiệu tương tự phục hồi lại tiếng nói ban đầu.
Các cuộc gọi trong voip dựa trên cơ sở sử dụng kết hợp cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Trong mỗi loại chuyển mạch trên đều có ưu, nhược điểm riêng của nó. Trong kỹ thuật chuyển mạch kênh giành riêng cho hai thiết bị đầu cuối thông qua các node chuyển mạch trung gian. Trong chuyển mạch kênh tốc độ truyền dẫn luôn luôn cố định(nghĩa là băng thông không đổi) , với mạng điện thoại PSTN tốc độ này là 64kbps, truyền dẫn trong chuyển mạch kênh có độ trễ nhỏ.
Trong chuyển mạch gói các bản tin được chia thành các gói nhỏ gọi là các gói, nguyên tắc hoạt động của nó là sử dụng hệ thống lưu trữ và chuyển tiếp các gói tin trong nút mạng. Đối với chuyển mạch gói không tồn tại khái niệm kênh riêng, băng thông không cố định có nghĩa là có thể thay đổi tốc độ truyền, kỹ thuật
76
chuyển mạch gói phải chịu độ trễ lớn vì trong chuyển mạch gói không quy định thời gian cho mỗi gói dữ liệu tới đích, mỗi gói có thể đi bằng nhiều con đường khác nhau để tới đích, chuyển mạch gói thích hợp cho việc truyền dữ liệu vì trong mạng truyền dữ liệu không đòi hỏi về thời gian thực như thoại, để sử dụng ưu điểm của mỗi loại chuyển mạch trên thì trong voip kết hợp sử dụng cả hai loại chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.
4.1.2 Mã hóa với kĩ thuật dò tìm thoại VAD (Voice Active Detection).
Ðể giảm tối thiểu băng thông sử dụng cho thoại, các bộ mã hoá thoại (Vocoder) trong hệ thống VoIP sử dụng kỹ thuật nén các khoảng im lặng vốn có trong các cuộc đàm thoại thông thường (Silence Suppression). VAD loại bỏ lưu lượng gói khi không có tín hiệu thoại thực sự được gởi. Khi bộ mã hoá thoại phát hiện mức tín hiệu rớt xuống mức nhiễu nền, nó dừng phát các gói cho đến khi mức tín hiệu trong băng thoại được phát hiện trở lại. Kỹ thuật này cho phép hệ thống VoIP giảm tối thiểu lưu lượng trên mạng trong khi vẫn duy trì cuộc gọi với chất lượng cao. Số lượng băng thông tiết kiệm được có thể lên tới 50%.
4.1.3 Truyền dẫn tiếng nói qua hệ thống WiMAX.
Trong tiêu chuẩn đầu tiên được công bố, IEEE 802.16, thuật toán UGS được sử dụng để hỗ trợ dịch vụ VoIP, trong trường hợp lưu lượng VoIP có tốc độ bit không đổi. Phương pháp lập lịch cung cấp một cơ chế ánh xạ để phân biệt các luồng dịch vụ. Lập lịch UGS cung cấp một lượng băng thông cố định cho các kết nối VoIP. Điều này làm tránh hiện tượng trễ cho quá trình gửi lên và hiện tượng
overhead tại tầng MAC.
Tuy nhiên, mô hình trên chỉ phù hợp cho các dịch vụ có tốc độ bit cố định (CBR), trong khi hầu hết các bộ mã hóa hiện tại đều sử dụng phương pháp ngắt khoảng im lặng VAD để mã hóa các luồng VoIP có tốc độ bít biến thiên. Tiêu chuẩn 802.16e cũng đã kịp thời cung cấp một thuật toán hiệu quả cho quá trình truyền dẫn tín hiệu VoIP. Thuật toán ertPS đáp ứng được tính năng nhạy cảm với trễ của dịch vụ VoIP, đồng thời tránh được lãng phí tài nguyên do cung cấp cố định một lượng băng thông cho VoIP
4.2. Các thuật toán lập lịch trong hệ thống WiMAX 4.2.1 Thuật toán UGS. 4.2.1 Thuật toán UGS.
77
Thuật toán UGS được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực có kích thước gói tin cố định. Theo định kì, trạm gốc BS cũng cấp một lượng băng thông cố định cho các thuê bao. Dung lượng và chu kì cấp phát đạt được thông qua quá trình đàm phán ban đầu trong mỗi phiên truyền tiếng nói. Lượng băng thông này là đủ để truyền các gói tin tiếng nói. Chính vì vậy, thuật toán này làm giảm overhead
tại tầng MAC và trế truy cập gây ra bởi quá trình yêu cầu băng thông.
Tuy nhiên, thuật toán này chỉ cung cấp một lượng rất ít băng thông cho dịch vụ VoIP. Và một điểm nữa, các cuộc đàm thoại luôn có những khoảng im lặng bởi vậy mà không phải lúc nào các thuê bao người dùng cũng truyền các gói tin tiếng nói. Thế nên khi trạm BS luôn gán một lượng băng thông cố định cho thuê bao có thể gây ra lãng phí tài nguyên.
Hình 4.1: Hoạt động của thuật toán UGS
Trong hình, mô tả về khả năng tận dụng tài nguyên của trạm SS: đường đứt gãy là lượng băng thông được cấp phát bởi trạm gốc và đường liền là băng thông mà trạm thuê bao SS dùng để gửi dữ liệu. Khoảng trắng là phần tài nguyên bị lẵng phí. Tóm lại, một khi trạm gốc BS cấp phát một lượng băng thông cố định cho các yêu cầu về dịch vụ tiếng nói của người dùng có thể gây ra lãng phí tài nguyên.
4.2.2 Thuật toán rtPS
Thuật toán rtPS cũng được thiết kế cho các ứng dụng thời gian thực nhưng với trường hợp các gói tin dữ liệu có kích thước biến thiên. Thuật toán sử dụng cơ chế thăm dò (polling) để xác định dung lượng băng thông cần thiết. Trước mỗi một cơ hội truyền dữ liệu thì trạm gốc lại hỏi xem trạm thuê bao cần bao nhiêu băng
78
thông và trạm thuê bao gửi lại nhu cầu về băng thông. Vì vậy nên trạm gốc thường cấp phát một lượng băng thông đủ theo yêu cầu. Giai đoạn đàm phán thường được bắt đầu trong tiến trình khởi động của phiên truyền tiếng nói. Tiến trình này làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông hơn so với thuật toán UGS tuy nhiên cũng là nguyên nhân gây ra overhead và trễ truy cập.
Hình 4.2: Hoạt động của thuật toán rtPS.
Trong hình các đường nét đứt là tượng trưng cho tài nguyên được cấp phát bởi trạm gốc, còn đường nét liền là lượng tài nguyên được sử dụng bởi trạm thuê bao. Có thể dễ dàng nhận thấy rằng khi trạm thuê bao yêu cầu chính xác dung lượng băng thông cần để truyền gói dữ liệu tiếng nói, các đường chấm và đường liền gần như là trùng nhau. Tài nguyên cấp phát được sử dụng một cách tối đa. Và ta cũng giả sử rằng, tiến trình thăm dò có thể được bỏ qua trong trường hợp phiên tiếng nói là khoảng lặng.
Trong thuật toán rtPS, trạm thuê bao có thể sử dụng cơ chế piggyback để yêu cầu băng thông cho dịch vụ VoIP nhưng vì là dịch vụ đòi hỏi yêu cầu cao về độ trễ do vậy tốt nhất là nên tránh sử dụng cơ chế piggyback cho VoIP.
4.2.3 Thuật toán ertPS.
Thuật tóan ertPS là một thuật toán ra đời sau nhằm hỗ trợ cho dịch vụ VoIP có sử dụng cơ chế phát hiện khoảng im lặng. ertPS đã được đưa ra và chấp nhận trong tiêu chuẩn IEEE 801.16e. Vì được ra đời sau và chủ yếu tập trung cho dịch vụ VoIP nên thuật toán đã cải thiện được một số nhược điểm của thuật toán rtPS là overhead và trế truy cập, đồng thời cũng ngăn chặn được nguy cơ lãng phí tài
79
nguyên như trường hợp thuật toán UGS. Quá trình hoạt động của thuật toán ertPS có thể được mô tả như sau:
Trường hợp khi gói dữ liệu tiếng nói giảm, trạm thuê bao thông báo cho trạm gốc thông tin về trạng thái của mình thông qua tiêu đề con quản lí cấp phát GM (Grant Management). Trạm thuê bao yêu cầu băng thông bằng cách sử dụng các bít mở rộng piggyback nằm trong gói tiêu đề con quản lí cấp phát. Để phân biệt các bít mở rộng với các bít piggyback thông thường, trạm sẽ thiết lập bít MSB của chuỗi bít piggyback lên 1. Khi trạm gốc nhận được yêu cầu, nó sẽ định kì gán một lượng băng thông vừa đủ cho thuê bao cho đến khi có một yêu cầu khác thay đổi về dung lượng.
Trường hợp khi gói dữ liệu tăng, trạm thuê bao lại sử dụng gói tiêu đề yêu cầu băng thông (Bandwidth Request Header) để thông báo cho trạm gốc biết về trạng thái của mình. Cũng giống như trong trường hợp gói tin giảm kích thước, ta thiết lập bít MSB của chuỗi bít yêu cầu băng thông BR (Bandwidth Request) cho gói tin tiếng nói lên 1 để phân biệt với các bít BR thông thường. Quá trình cấp phát sẽ được lặp lại cho tới khi có yêu cầu khác về băng thông. Và dễ thấy rằng, trạm gốc BS sẽ chỉ cung cấp được sự phân bổ băng thông cho frame tiếp theo sau khi tiến tình yêu cầu xảy ra.
Hình 4.3: Họat động của thuật toán ertPS.
Tóm lại, trong trường hợp dịch vụ VoIP sử dụng thuật toán ertPS, trạm gốc sẽ nhận ra gói tin tiêu đề con quản lí cấp phát và gói tin tiêu đề yêu cầu băng thông dành riêng cho dịch vụ. Vậy nên nếu trạm thuê bao có yêu cầu băng thông cho gói
80
tin tiếng nói, thì trạm gốc sẽ thay đổi kích thước gói tin dự định cấp phát gửi trong quá trình thăm dò cho phù hợp yêu cầu. Đồng thời sẽ giữ lại kích thước này cho đến khi có yêu cầu khác. Sử dụng thuật tóan này cho phép trạm gốc truyền dữ liệu hiệu quả hơn hai thuật toán đã đề cập ở trên là UGS và rtPS.
Hình 4.3 chỉ rõ hoạt động của thuật toán ertPS khi trạm thuê bao sử dụng cơ chế EVRC với tốc độ dữ liệu biến thiên và ngắt khoảng im lặng. Trong trường hợp tốc độ dữ liệu tiếng nói giảm, thì trạm thuê bao sử dụng lượng tài nguyên còn thừa để gửi kèm gói tin tiêu đề con quản lí cấp phát GM và vì vậy sẽ giảm được khả năng lãng phí tài nguyên.
4.3 Phân tích và so sánh các thuật toán.
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi giả thiết rằng cuộc thoại được mã hóa bằng kĩ thuật mã hóa tốc độ biến thiên nâng cao EVRC (Enhanced Variable
Rate Codec). Chiều dài frame EVRC là 20ms (Tvc) trong đó tỉ lệ các gói tin với tốc
độ mã hóa ở các mức như sau:
Tốc độ mã hóa Xác suất xuất hiện Mức 1 (Full rate) p1=29% Mức 1/2 (Half rate) p1/2=4% Mức 1/4 (Quarter rate) p1/4=7% Mức 1/8 (Eighth rate) p1/8=60% Bảng 4.1: Tỉ lệ các mức tốc độ mã hóa.
81 Kích thƣớc gói tin L1 (Rate 1) 171 bít L1/2 (Rate 1/2) 80 bít L1/4 (Rate 1/4) 40 bít L1/8 (Rate 1/8) 16 bít
Bảng 4.2: Kích thƣớc gói tin tƣơng ứng các mức mã hóa
Trong đó mức 1/8 được dành cho khoảng im lặng của cuộc thoại. Ta thiết lập một số thông số.
Tổng số người dùng thoại là NTot.
Số người dùng được mã hóa ở các mức 1, 1/2, 1/4/ 1/8 tương ứng là N1, N2, N3, N4.
Có thể dễ dàng nhận ra N1= NTot.p1; N2= NTot.p2; N3= NTot.p3; N4= NTot.p4; Kích thước gói tin tiêu đề MAC Lh= 6 byte. (= 48 bít)
4.3.1 Phân tích hiệu quả sử dụng tài nguyên
+ Thuật toán UGS.
Dựa trên các thông số cung cấp tại bảng 4.1 và kích thước của gói tin tiêu đề ta có lượng bít trung bình mỗi frame.
L1 L p1 p1/2 p1/4 p1/8
RUGS h
171 48 100% 219(bit)
RUGS /frame/người
Trung bình mỗi một thuê bao của thuật toán UGS cần 219 bít cho một frame để gửi dữ liệu.
82
Giả sử kích thước gói tin thăm dò (polling) bằng kích thước của gói tin dữ liệu có tốc độ mã hóa dữ liệu thoại bé nhất. Trung bình lượng tài nguyên mà thuật toán rtPS có thể nhận được là: L11/8 L 1 p1 1p/21/2 p1/4 1/2 1/4 1 1/8 1/8 p L L p L L p L L p L L R bh h h h h rtPS frame bit RrtPS / 79 . 138 % 40 48 16 % 60 48 16 % 7 48 40 % 4 48 80 % 29 48 171
Trong đó Lbh là kích thước của gói tin tiêu đề yêu cầu băng thông (6 byte). Trong trường hợp của thuật toán rtPS chúng tôi giả sử rằng gói tin thăm dò có kích thước bằng kích thước gói tin mã hóa có tốc độ bé nhất.
+ Thuật toán ertPS
Tương tự thuật toán UGS và rtPS, lượng tài nguyên trung bình được gán cho quá trình gửi lên (Uplink) được tính
L1 L p1 L1/2 L p1/2 L1/4 L p1 L1/8 L p1/8 RertPS h h h h frame bit RertPS / 19 . 113 % 60 48 16 % 7 48 40 % 4 48 80 % 29 48 171
Trong thuật toán ertPS, trạm gốc BS trung bình cấp 113.19 bít sử dụng cho một frame trên một người dùng.
Trung bình băng thông được cấp phát cho quá trình gửi lên
(bit/frame/người dùng) UGS 219 bit/frame/người dùng
83
ertPS 113.19 bit/frame/người dùng
Bảng 4.3: Băng thông cấp phát cho các dịch vụ UGS, rtPS, ertPS
Khi có N người dùng sử dụng dịch vụ VoIP thì trên một frame, thuật toán ertPS có thể tiết kiệm được {(RUGS RertPS)N} bít và {(RrtPS RertPS)N } bít so với các thuật toán UGS và rtPS. Với N= 20, lượng bít tiết kiệm được tương ứng là 2116.2 bit (264.525 byte) và 512 bit (64 byte).
Có thể khẳng định, so với các thuật toán UGS hay rtPS, thuật toán ertPS cần sử dụng ít tài nguyên nhất để gửi dữ liệu, đồng thời cũng không gây ra hiện tượng Overhead như thuật toán rtPS.
Thêm nữa, so với thuật toán rtPS, hai thuật toán UGS và ertPS không trải qua quá trình thăm dò yêu cầu băng thông trong giai đoạn có tiếng nói vì vậy mà hai thuật toán này có thể tiết kiệm băng thông cho thông điệp UL-MAP trong quá trình gửi xuống (Downlink). Kích thước của một thông điệp UL-MAP thông thường là 36 bit (tiêu chuẩn IEEE 802.16e). Vậy nên khi M người dùng dịch vụ VoIP, thuật toán UGS và ertPS có thể tiết kiệm được 36*M bít so với thuật toán ertPS. Nếu M= 20 thì có thể tiết kiệm được 720 bít (90 byte) tài nguyên. Đặc biệt, khi thông điệp UL-MAP sử dụng các phương pháp điều chế và mã hóa mạnh như QPSK 1/12 thì một lượng băng thông rất lớn có thể được tiết kiệm trong 2 thuật toán UGS và ertPS.
Bảng so sánh lượng tài nguyên tiết kiệm được của thuật toán ertPS với hai thuật toán UGS và rtPS.
Trung bình số lượng bit tiết kiệm được
Người dùng Đường xuống (bit/frame) (Downlink) Đường lên (bit/frame) (Uplink) UGS 10 0 1058.1 20 0 2116.2 30 0 3174.3
84 40 0 4232.4 rtPS 10 360 256 20 720 512 30 1080 768 40 1440 1025
Bảng 4.4: Lƣợng tài nguyên tiết kiệm đƣợc bởi thuật toán ertPS so với các thuật toán UGS, rtPS
Hình 4.4 chỉ ra tổng số lượng tài nguyên tiết kiệm được của thuật toán ertPS so với hai thuật toán UGS và rtPS.