Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử đánh giá giao thức thương lượng và tái thương lượng chất lượng dịch vụ trong mạng umts

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử phân tích giao thức thương lượng và tái thương lượng chất lượng dịch vụ trong mạng UMTS, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Trịnh Thị Thanh Vy
• Người hướng dẫn: TS. Võ Quế Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Đánh giá giao thức thương lượng và tái thương lượng chất lượng dịch vụ trong mạng UMTS
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giao thức thương lượng và tái thương lượng QoS trong mạng UMTS

Giao thức thương lượng và tái thương lượng QoS là hai cơ chế quan trọng trong mạng UMTS, giúp đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho người dùng. Thương lượng QoS xảy ra khi người dùng yêu cầu kết nối với các thông số QoS cụ thể, trong khi tái thương lượng QoS được kích hoạt khi có sự thay đổi về tài nguyên mạng. Các cơ chế này giúp giảm thiểu xác suất từ chối dịch vụ bằng cách điều chỉnh các thông số QoS phù hợp với điều kiện mạng hiện tại.

1.1. Cơ chế thương lượng QoS

Cơ chế thương lượng QoS trong mạng UMTS được thực hiện thông qua việc trao đổi thông tin giữa các thành phần mạng như RNC (Radio Network Controller) và NodeB. Khi người dùng yêu cầu kết nối, hệ thống sẽ kiểm tra khả năng đáp ứng các thông số QoS như băng thông, độ trễ, và tỉ lệ mất gói. Nếu tài nguyên mạng không đủ, hệ thống sẽ đề xuất các thông số QoS thấp hơn để đảm bảo kết nối.

1.2. Cơ chế tái thương lượng QoS

Tái thương lượng QoS được kích hoạt khi có sự thay đổi về tài nguyên mạng, chẳng hạn như tăng hoặc giảm số lượng người dùng. Quá trình này giúp điều chỉnh các thông số QoS của các kết nối hiện tại để phù hợp với điều kiện mạng mới. Điều này đảm bảo rằng các dịch vụ vẫn được duy trì với chất lượng tối ưu, ngay cả khi tài nguyên mạng bị hạn chế.

II. Kiến trúc và quản lý QoS trong mạng UMTS

Kiến trúc QoS trong mạng UMTS được thiết kế để hỗ trợ đa dạng các dịch vụ đa phương tiện. Mạng UMTS bao gồm các thành phần chính như UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) và Core Network, mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc quản lý và đảm bảo QoS. Quản lý QoS trong mạng UMTS tập trung vào việc phân bổ tài nguyên và điều chỉnh các thông số QoS để đáp ứng yêu cầu của người dùng.

2.1. Kiến trúc mạng UMTS

Mạng UMTS bao gồm hai phần chính: UTRAN và Core Network. UTRAN chịu trách nhiệm quản lý kết nối vô tuyến, trong khi Core Network xử lý việc chuyển mạch và định tuyến dữ liệu. Các thành phần này làm việc cùng nhau để đảm bảo chất lượng dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối (End-to-End QoS).

2.2. Quản lý QoS trong UTRAN

Quản lý QoS trong UTRAN được thực hiện thông qua các chức năng như kiểm soát đăng nhập (Admission Control) và quản lý tài nguyên (Resource Management). Các chức năng này giúp đảm bảo rằng các kết nối được thiết lập với các thông số QoS phù hợp, đồng thời điều chỉnh các thông số này khi cần thiết để duy trì chất lượng dịch vụ.

III. Mô phỏng và đánh giá hiệu suất mạng UMTS

Mô phỏng là phương pháp hiệu quả để đánh giá hiệu suất của mạng UMTS, đặc biệt là các cơ chế thương lượng và tái thương lượng QoS. Trong luận văn này, công cụ OPNET được sử dụng để mô phỏng các kịch bản khác nhau, bao gồm các dịch vụ như VoIP, video conferencing, và FTP. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các cơ chế thương lượng và tái thương lượng QoS giúp cải thiện đáng kể chất lượng dịch vụ và giảm thiểu xác suất từ chối kết nối.

3.1. Mô phỏng các kịch bản QoS

Các kịch bản mô phỏng được thiết kế để đánh giá hiệu quả của thương lượng và tái thương lượng QoS trong mạng UMTS. Các dịch vụ như VoIP, video conferencing, và FTP được mô phỏng để đo lường các thông số QoS như băng thông, độ trễ, và tỉ lệ mất gói. Kết quả cho thấy rằng các cơ chế này giúp duy trì chất lượng dịch vụ ngay cả trong điều kiện tài nguyên mạng hạn chế.

3.2. Đánh giá hiệu suất mạng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng thương lượng và tái thương lượng QoS giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của mạng UMTS. Các thông số QoS được duy trì ở mức tối ưu, và xác suất từ chối kết nối được giảm thiểu. Điều này chứng tỏ rằng các cơ chế này là cần thiết để đảm bảo chất lượng dịch vụ trong môi trường mạng di động.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã khảo sát và đánh giá hiệu quả của các cơ chế thương lượng và tái thương lượng QoS trong mạng UMTS. Kết quả cho thấy rằng các cơ chế này giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và giảm thiểu xác suất từ chối kết nối. Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán quản lý tài nguyên và nâng cao hiệu suất của mạng UMTS trong các điều kiện mạng phức tạp hơn.

4.1. Kết luận

Các cơ chế thương lượng và tái thương lượng QoS đã chứng minh hiệu quả trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng UMTS. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các cơ chế này giúp duy trì các thông số QoS ở mức tối ưu và giảm thiểu xác suất từ chối kết nối.

4.2. Hướng phát triển

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán quản lý tài nguyên và nâng cao hiệu suất của mạng UMTS trong các điều kiện mạng phức tạp hơn. Ngoài ra, việc tích hợp các công nghệ mới như 5G cũng là một hướng phát triển tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ (QoS) là mục tiêu mà bất kì nhà mạng n o cũng muốn hƣớng tới, vì đây l một trong những yếu tố quan trọng trong sự phát triển của mỗi nhà mạng, nhằm đem đến chất lƣợng dịch vụ tốt nhất và sự hài lòng từ ngƣời dùng. Đối với mạng UMTS nơi m các dịch vụ đa phƣơng tiện đƣợc hỗ trợ đồng thời trên cùng một thiết bị đầu cuối, trong đó mỗi ứng dụng yêu cầu khác nhau về băng thông, độ trễ, tỉ lệ mất gói,. Do đó mạng UMTS yêu cầu một cơ chế xử lí chất lƣợng dịch vụ thích hợp, tƣơng ứng với từng loại yêu cầu. Ngo i ra, nhƣ một vấn đề chung của các mạng viễn thông, UMTS là hệ thống có dung lƣợng giới hạn, tức là số lƣợng ngƣời dùng truy cập với tốc độ cao cùng một lúc sẽ bị giới hạn trong một ngƣỡng nhất định, nhằm tránh khả năng quá tải cũng nhƣ giảm can nhiễu đến các kết nối hiện tại.

Điều đó có nghĩa l khi ngƣời dùng mới yêu cầu truy cập dịch vụ trong mạng UMTS với một yêu cầu nhất định về chất lƣợng trong khi tài nguyên của hệ thống không cho phép để đáp ứng chính xác nhƣ mức độ yêu cầu ban đầu, thì ngƣời dùng sẽ bị từ chối dịch vụ. Để giảm thiểu tối đa xác suất từ chối yêu cầu kết nối, mạng UMTS hỗ trợ việc thƣơng lƣợng v tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ QoS (QoS Negotiation/QoS Renegotiation) để phân phối tài nguyên với các dịch vụ đang diễn ra trong mạng mà vẫn đảm bảo yêu cầu chất lƣợng QoS tối thiểu. hi đó, thay vì bị từ chối dịch vụ nếu vẫn giữ nguyên mức độ yêu cầu ban đầu, ngƣời dùng có thể đƣợc thƣơng lƣợng để sử dụng dịch vụ với chất lƣợng dịch vụ tốt nhất theo yêu cầu, v đƣợc tái thƣơng lƣợng cho phù hợp với điều kiện hiện tại khi có sự thay đổi về tài nguyên hệ thống mạng. Với phạm vi khảo sát của đề t i, cơ chế và cách thức của quá trình thƣơng lƣợng, tái thƣơng lƣợng QoS trong mạng UMTS đƣợc tìm hiểu, trong đó kết quả mô phỏng tập trung khảo sát việc quản lý chất lƣợng dịch vụ tại NodeB và RNC của mạng UTRAN (Radio Bearer QoS), với giả sử QoS của mạng Core đã đƣợc thỏa mãn theo cơ chế QoS IP.2 CÁC NGHIÊN CỨU HIỆN TẠI Đối với vấn đề chất lƣợng dịch vụ trong mạng UMTS đã có nhiều nghiên cứu thực hiện xoay quanh vấn đề này.

Cụ thể l , b i báo “A Priority-oriented Call Admission Control Paradigm with QoS Re-negotiation for Multimedia Services in UMTS” tìm hiểu về thuật toán kiểm soát định hƣớng độ ƣu tiên cuộc gọi nhập. Với thuật toán này, các lớp có độ ƣu tiên cao hơn sẽ đƣợc d nh t i nguyên trƣớc so với các Trang 1 Đánh giá giao thức thƣơng lƣợng v GVHD: TS. Võ Quế Sơn tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ trong mạng UMTS lớp có độ ƣu tiên thấp hơn. Tái thƣơng lƣợng QoS trong trƣờng hợp này sẽ giúp giảm thiểu xác suất từ chối dịch vụ, kết quả đƣợc mô phỏng v đánh giá qua OPNET.

Bài báo “UMTS Quality of Service (QoS) –An End-to -End View” chỉ ra kết quả QoS End to End trong mạng access UTRAN và mạng core. B i báo đƣa ra các kết quả đánh giá chất lƣợng QoS dựa trên nền tảng IP của mạng UMTS với mạng IP bên ngoài. Các kết quả thu đƣợc từ mô phỏng trên OPNET. Bài báo "QoS Attributes for Packet Switched Services in 3RD Generation Mobile Systems (UMTS)" đề cập về tổng quan chất lƣợng dịch vụ QoS trong mạng UMTS, đồng thời liệt kê tập hợp các thuộc tính QoS và giải thích chi tiết các thuộc tính n y cũng nhƣ nhấn mạnh cách thức mà các thuộc tính này ảnh hƣởng đến chất lƣợng QoS trong mạng chuyển mạch gói của UMTS.

B i báo “Integrated QoS Support in 3G UMTS Networks” thảo luận về những yêu cầu chất lƣợng dịch vụ QoS theo từng loại ứng dụng/traffic trong môi trƣờng không dây và các vấn đề khó khăn trong việc triển khai những yêu cầu QoS này trong hệ thống CDMA dựa trên mạng Universal Mobile Dịch vụ Viễn thông (UMTS). Trong mạng UMTS, các lớp con Medium Access control (MAC) / Link Access Control (LAC) lớp con của layer 2 sẽ đƣợc sử dụng để xử lý ƣu tiên, giám sát QoS, v quản lí tài nguyên vô tuyến cho các luồng traffic từ một số ngƣời sử dụng. Bài báo n y cũng trình b y một số đề xuất để thực hiện các yêu cầu QoS trong sublayer MAC/LAC cùng với những hạn chế áp đặt bởi W-CDMA. Bài báo "QoS Issues in the Converged 3G Wireless and Wired Networks" đề cập vấn đề về khả năng tƣơng tác giữa các mạng không dây 3G và mạng có dây IP thế hệ mới trong việc cung cấp các dịch vụ với việc đảm bảo các yêu cầu QoS đã đƣợc xác định trƣớc trong cả hai môi trƣờng.

Đặc biệt, kiến tr c UMTS cũng nhƣ việc triển khai các giao thức của mạng Internet thế hệ mới dựa trên mô hình QoS DiffServ. Bài báo tập trung vào việc ánh xạ QoS của các loại traffic truyền trong liên mạng tại thời điểm mà các mạng hội tụ, và tóm gọn các yêu cầu QoS m đã đƣợc thảo luận và các giải pháp có thể cho việc tƣơng tác giữa tín hiệu signalling và dữ liệu ngƣời dùng trong liên mạng. Mô phỏng OPNET chứng minh rằng việc ánh xạ thích hợp giữa các lƣu lƣợng truy cập trong mỗi mạng thì rất cần thiết để đảm bảo mức mong muốn về đảm bảo chất lƣợng dịch vụ đầu cuối ngƣời dùng (QoS end to end).3 PHƢƠNG PHÁP TIẾP C N Có nhiều phƣơng pháp để đánh giá hoạt động của một hệ thống, trong đó phƣơng pháp mô phỏng chiếm nhiều ƣu điểm khi hệ thống khảo sát phức tạp. Vì vậy đề t i chọn phần mềm OPNET MODELER 14.5 để khảo sát các kịch bản thƣơng lƣợng v tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ trong mạng UMTS, trong phạm vi mạng truy cập UTRAN với giả sử rằng chất lƣợng dịch vụ QoS của mạng core luôn đƣợc đáp ứng Trang 2 Đánh giá giao thức thƣơng lƣợng v GVHD: TS.

Võ Quế Sơn tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ trong mạng UMTS 1.4 NỘI DUNG LU N V N Luận văn bao gồm 5 chƣơng: Chƣơng 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Giới thiệu tổng quan về đề tài luận văn, gi p ngƣời đọc có cái nhìn tổng quan về đề tài và những nội dung chính thực hiện trong luận văn. Chƣơng 2: CÁC CƠ SỞ LÍ THUY T Giới thiệu tổng quan về mạng 3G UMTS, kiến tr c QoS mạng 3G UMTS. Chƣơng 3: QUẢN L CHẤT LƢ NG D CH V UMTS Tìm hiểu đặc điểm, cấu trúc, các lớp giao thức sử dụng mạng truy nhập vô tuyến UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network), cơ chế thƣơng lƣợng v tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ Chƣơng 4: MÔ PHỎNG V ĐÁNH GIÁ Giới thiệu về phần mềm mô phỏng OPNET Modeler và mô hình mô phỏng mạng UMTS trong thƣ viện OPNET. Chƣơng 5: K T LU N V HƢ NG PHÁT TRIỂN ĐỀ T I Trang 3 Đánh giá giao thức thƣơng lƣợng v GVHD: TS.

Võ Quế Sơn tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ trong mạng UMTS CHƢƠNG 2: CÁC CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 KIẾN TR C MẠNG UMTS H nh 2.1: Tổng quan mạng UMTS 3GPP R99 Mạng UMTS Release 99, sự cải tiến chủ yếu ở mạng truy cập vô tuyến (UTRAN), còn về mạng core thì đƣợc tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng đã có sẵn của GSM/GPRS. Đối với mạng mạng truy cập vô tuyên UTRAN, UMTS R99 sử dụng công nghệ tryền vận ATM để truyền tải lớp vật lí, tuy nhiên với sự phát triển và những ƣu điểm nổi trội của IP, các phiên bản sau này của UMTS sử dụng công nghệ IP thay cho ATM trong mạng UTRAN. Trang 4 Đánh giá giao thức thƣơng lƣợng v GVHD: TS. Võ Quế Sơn tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ trong mạng UMTS H nh 2.2: Tổng quan mạng UMTS 3GPP R4 H nh 2.3: Tổng quan mạng UMTS 3GPP R5 UMTS R4 đƣợc cải tiến đáng kể trong hệ thống mạng chuyển mạch kênh, khi mà dữ liệu của mạng n y đƣợc chuyển đổi sang dạng gói tin nhờ sử dụng công nghệ Trang 5 Đánh giá giao thức thƣơng lƣợng v GVHD: TS.

Võ Quế Sơn tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ trong mạng UMTS VoIP. Đồng thời, mạng core đƣợc bổ sung thêm thành phần mới là IMS (IP Multimedia System) đƣợc sử dụng để hỗ trợ dịch vụ cuộc gọi VoIP trong mạng UMTS. Tuy nhiên, vấn đề hỗ trợ IP trong mạng UTRAN ở R4 chƣa thật sự rõ ràng, chỉ khi đến UMTS R5 thì mọi luồng dữ liệu từ mạng UTRAN đều đƣợc đóng gói IP. Vì vậy mà miền CS trong mạng Core không còn tồn tại ở R5 này Mô h nh điển hình của mạng UMTS gồm 03 thành phần chính: • Thiết bị đầu cuối (UE): giao diện giữa ngƣời dùng và mạng truy nhập • Mạng truy nhập UTRAN (Access network UTRAN): xử lí những chức năng liên quan đến giao diện vô tuyến.

WCDMA là chuẩn của giao diện vô tuyến UMTS • Mạng Core network: chịu trách nhiệm quản lí phiên và các vấn đề liên quan đến di động tại cùng thời điểm chuyển mạch v định tuyến cuộc gọi, dữ liệu.2 MẠNG TRUY NH P UTRAN H nh 2.4: Kiến trúc mạng truy nhập UMTS (UTRAN) So với mạng GSM/GPRS, mạng UMTS cho phép tốc độ truyền dữ liệu lớn, việc sử dụng băng thông hiệu quả, nhờ ứng dụng công nghệ WCDMA trong mạng truy cập vô tuyến UTRAN. Mạng truy nhập UTRAN có 04 giao diện chính: • Giao diện Uu: là giao diện giữa thiết bị đầu cuối UE với NodeB. Giao diện Uu còn gọi là giao diện vô tuyến trong mạng truy cập UMTS • Giao diện Iub: là giao diện giao tiếp giữa NodeB và RNC. Khác với GSM, Iub trong mạng UTRAN là giao diện mở • Giao diện Iur: dùng để giao tiếp giữa hai RNC với nhau.

Đây l một giao diện mới so với mạng GSM, giúp hỗ trợ mobile khi đang trong tình trạng handover mềm Trang 6 Đánh giá giao thức thƣơng lƣợng v GVHD: TS. Võ Quế Sơn tái thƣơng lƣợng chất lƣợng dịch vụ trong mạng UMTS sang một NodeB khác đang đƣợc điều khiển bởi một RNC khác mà không cần đến sự tham gia của mạng Core. • Giao diện Iu: đây l giao diện tƣơng tác giữa RNC và mạng Core.1 Các thành phần hệ thống mạng con vô tuyến (RNS) NodeB: cung cấp kênh truyền vô tuyến giữa thiết bị đầu cuối với mạng UMTS.