Chương 1: Tổng quan các vấn đề cần nghiên cfíu 1.1 Mạng thông tin vô tuyến băng rộng đa dịch vụ BcN. Trong những năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của các công nghệ truy nhập vô tuyến và thiết bị đầu cuối di động (như máy tính xách tay, Smart phone, IOT,.) làm cho fíng dụng di động đa dạng hơn, nhu cầu về kết nối, tốc độ, băng thông tăng nhanh hơn về thoại và các dịch vụ cơ bản [10]. Trong 5 năm từ 2014 – 2018, lưu lượng dữ liệu thông qua các thiết bị di động tăng gấp gần 5 lần [91], dự kiến tăng 6 lần trong giai đoạn 2017 – 2022 [10]. Công nghệ truy cập vô tuyến bao gồm nhiều cơ sở hạ tầng khác nhau, như công nghệ Bluetooth cho người sfí dụng cá nhân, IEEE 802.11 cho mục đích mạng nội bộ, LTE/5G cho thông tin di động diện rộng, NB-IOT cho kết nối IOT, các mạng vệ tinh cho mục đích kết nối toàn cầu,.
Những mạng này được thiết kế độc lập với nhau để cung cấp các dịch vụ cụ thể theo yêu cầu. Sự khác biệt giữa các mạng này thông qua các thông số dịch vụ [52][73], được tóm tắt như sau: - Tốc độ truyền tải dữ liệu: các mạng vệ tinh và mạng tế bào có thể truyền với tốc độ dữ liệu vào khoảng 2 Mbps, LTE tối đa là 100Mbps, 5G tối đa là 1Gbps,… - Độ trễ truy cập: độ trễ truy cập một chiều trong kết nối mạng nội bộ vô tuyến (WLAN) là không lớn, cỡ một vài trăm mili-giây cho một round-trip-time (RTT), và vào khoảng một giây trong các kết nối 3G do các xfí lý thêm ở lớp vật lý như chuyển tiếp lỗi đã chỉnh (FEC), độ trễ khi truyền [31]. Độ trễ truy cập sẽ còn lớn hơn rất nhiều ở các kết nối vệ tinh, có thể lớn tới 270 ms [3]. - Độ che phủ: các mạng vệ tinh hay các mạng di động tế bào có thể cung cấp độ che phủ lớn (toàn thành phố, toàn bộ lãnh thổ 1 quốc gia) đến rất lớn (toàn cầu).
Tuy nhiên các mạng 802.11 và các mạng nội bộ khác chỉ che phủ được ở một vùng giới hạn. Do đó, hiện tại chưa có một mạng vô tuyến nào có thể cùng lúc thỏa mãn các yêu cầu như là tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp, độ che phủ mọi nơi để phục vụ cho các yêu cầu về dịch vụ từ phía người sfí dụng di động [73]. Các nghiên cfíu về HO hiện tại chưa giải quyết được sự tương tác giữa chi phí HO và chfíc năng tăng công suất của mạng [61]. Tuy nhiên, vì các mạng vô tuyến này bù đắp và bổ sung cho nhau [1], nên sự kết hợp giữa chúng có thể cung cấp các kết nối tốt nhất [34] cho người sfí dụng.1 đưa ra một cấu trúc ví dụ về sự kết hợp của một hệ thống vô tuyến, bao gồm mạng 3G/LTE/5G/NR, mạng vệ tinh, và mạng WLAN được kết hợp chung với nhau.
Ngoài ra, các mạng khác như là mạng Bluetooth, Home RF, MANETs, IOT,… cũng có thể được tích hợp vào trong mạng ở hình 1. Trong cấu trúc mạng này, người dùng sfí dụng các thiết bị đa giao diện vô tuyến, nên có thể kết nối được với các loại mạng có công nghệ khác nhau. Bằng việc sfí dụng các thiết bị này cho phép người sfí dụng di động luôn luôn có được kết nối tốt nhất đến một hoặc nhiều mạng. Ví dụ, khi người dùng đang trong vùng phủ sóng của mạng WLAN (mạng WLAN ở văn phòng, sân bay, …), họ sẽ truy cập thông qua các mạng WLAN này.
Trong trường hợp người dùng ở xa mạng WLAN, ví dụ trên đường cao tốc, họ sẽ được kết nối đến các mạng 3G/LTE. Trong trường hợp khi không có kết nối đến mạng WLAN hay mạng 3G/LTE, người dùng có thể sfí dụng mạng vệ tinh. Và trong tất cả các trường hợp, khi người dùng di chuyển từ mạng này sang mạng khác, thiết bị của họ sẽ tự động chuyển sang các mạng mới này trong khi các fíng dụng đang chạy không bị ngắt kết nối. Do đó, người dùng có thể sfí dụng các mạng vô tuyến khác nhau này như là một hệ thống vô tuyến tích hợp đa dịch vụ hay còn gọi là BcN.
Internet Mạng lõi BS hoặc AP Vùng sóng chồng nhau Hình 1.1: Cấu trúc ví dụ của một hệ thống vô tuyến tích hợp Những vấn đề khó khăn khi tổ chfíc mạng BcN, đó là: - Công nghệ truy cập: các mạng khác nhau sfí dụng các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau, ví dụ GPRS sfí dụng công nghệ đa truy cập phân chia thời gian (TDMA), công UMTS/LTE sfí dụng công nghệ đa truy cập phân chia mã (CDMA), và công nghệ WLAN sfí dụng các mô hình truy cập ngẫu nhiên như là CSMA/CA. - Các giao thfíc mạng: các mạng khác nhau sfí dụng các giao thfíc khác nhau cho việc vận chuyển, định tuyến, quản lý di động, xác thực, tính cước, … - Dịch vụ cung cấp: những mạng này thuộc về các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau nên sẽ khó khăn trong việc xây dựng thoả thuận dịch vụ (SLA) dùng chung. - Yêu cầu lưu lượng cao: 5G đáp fíng được yêu cầu này bằng cách thu hẹp phạm vi phủ sóng của BS, số lượng người dùng trên mỗi BS sẽ giảm và cải thiện được hiệu suất tái sfí dụng tần số. Tuy nhiên do nhu cầu di chuyển và trao đổi dữ liệu của MT không ngừng tăng lên, làm cho yêu cầu xfí lý HO càng tăng cao hơn, dẫn đến lưu lượng dành cho báo hiệu tăng, làm giảm lưu lượng dành cho MT [61] Do đó, việc liên tục nghiên cfíu cải tiến các giải pháp HO, tích hợp các mạng truy cập vô tuyến này với nhau để cung cấp kết nối thông suốt cho người dùng là cần thiết.2 Yêu cầu chuyển giao trong mạng BcN Trong nhiều năm qua, các kỹ thuật xfí lý HO phfíc tạp đã được nghiên cfíu phát triển và triển khai để quản lý việc đăng ký, xác thực, di chuyển,… của MT.
Tuy nhiên các kỹ thuật này phù hợp với các mạng đồng nhất, áp dụng cho BcN thì hiệu suất sẽ không cao vì kích thước tế bào giảm và tốc độ di chuyển của MT tăng [52]. Do vậy, việc đáp fíng được các viễn cảnh nêu trên là vấn đề còn nan giải, cần giải quyết [77] [66]: - Nhiều fíng dụng và mô hình truyền tin xuất hiện làm cho hạ tầng mạng thêm phfíc tạp, đa dạng, và có quan hệ với nhau. Nhiều giải pháp quản lý di động hiện có đều fíng dụng cho các hệ thống (mạng) cụ thể, chưa đáp fíng được yêu cầu dự phòng và khả năng xfí lý cho mạng hỗn hợp phfíc tạp; - Đang tồn tại nhiều mạng truy nhập vô tuyến có công nghệ khác nhau; - Nhiều loại dịch vụ khác nhau và không linh hoạt; - Nhiều kỹ thuật HO đã được triển khai; - Thiếu cơ chế thích hợp để giải quyết khác biệt giữa các hệ thống thông tin nêu trên. Bên cạnh các vấn đề nêu trên, chi phí báo hiệu liên quan đến tính di động, ví dụ: đo lường / báo cáo quản lý tài nguyên vô tuyến, tăng độ trễ chuyển giao, lỗi mạng và tốc độ là các vấn đề cần quan tâm trong mạng di động ngày nay.
Theo đó, mạng BcN yêu cầu một phương pháp quản lý di động mới, chính xác để đối phó với những thách thfíc này [77]. INTERNET FA20 FA10 FA11 Hệ thống B Hệ thống A BS11 BS21 BS20 BS10 MT BS12 Hình 1.2: Sự di chuyển trong các hệ thống vô tuyến thế hệ tiếp theo Ở mạng BcN, có hai kịch bản chuyển giao, đó là: chuyển giao trong mạng (Horizontal Handover) và chuyển giao ngoài mạng (Vertical Handover) như trình bày ở hình 1. Sự dịch chuyển của người sfí dụng di động giữa hai BS của một hệ thống (từ BS10 sang BS11 trong hình 1.2) gọi là chuyển giao trong mạng, và sự dịch chuyển của người sfí dụng di động giữa hai hệ thống khác nhau (từ BS12 sang BS20 trong hình 1.2) gọi là chuyển giao ngoài mạng. Một yếu tố cần thiết là các fíng dụng đang chạy trên thiết bị di động sẽ không bị tác động của sự chuyển giao này, cả chuyển giao trong và ngoài mạng, để tránh gián đoạn dịch vụ và đảm bảo QoS.
Để đáp fíng được yêu cầu này phải xfí lý được việc giảm lỗi, trễ và mất số liệu trong quá trình chuyển giao. Ở mạng đồng nhất (cùng công nghệ vô tuyến), các MT sfí dụng tập các tham số TTT, HM, A3,… để xfí lý HO trong toàn mạng. Tuy nhiên, nếu sfí dụng bộ tham số này để xfí lý HO trong BcN thì hiệu suất quản lý di động sẽ bị giảm [17]. Bởi vì khi MT cố gắng kết nối với một tế bào đang quá tải (trong khi tải ở các tế bào lân cận khác có thể còn dư), thì QoS sẽ không đảm bảo và tỷ lệ HOF tăng do thiếu hụt tài nguyên.
Do đó, quản lý HO linh hoạt trong mạng di động là cần thiết để nâng cao hiệu suất mạng. Các yếu tố sau cần quan tâm khi xây dựng phương án xfí lý HO [52]: - MSE có vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất HO. Thông qua MSE ta có thể lựa chọn một cách linh hoạt tập tham số HM, A3, TTT. Sfí dụng thông tin về “số lần chọn lại tế bào”, “Suy hao tần số và RSS” và “mfíc độ di chuyển của MT là chậm, vừa hay nhanh” làm tăng độ chính xác về dự báo HO.
Khi MT di chuyển với tốc độ thấp trong khu vực có mật độ tế bào Micro cao, thì nên tắt nguồn tế bào Macro trong khu vực này để tiết kiệm năng lượng. - Khi MT đang có kết nối vô tuyến tốt, thì chỉ khi thủ tục HO yêu cầu mới kích hoạt EHOP và EHO để giảm các trường hợp RLF trước khi thực hiện HO. - Ước lượng RSS tại biên tế bào và tiến hành catching dữ liệu để đề phòng việc hết tài nguyên vô tuyến và đảm bảo QoS. - Lựa chọn tế bào ít sfí dụng nhất trong số 3 tế bào lân cận.
Việc này sẽ giúp cho cân bằng tải một cách tự động. - Kích hoạt chế độ DC và kết nối tới tế bào Macro khi MT di chuyển ở tốc độ cao. Ước lượng thời gian MT lưu trú tại tế bào Micro. Khi tế bào Micro có kết nối vô tuyến tốt, và thời gian MT lưu trú tại đây lớn hơn ngưỡng tối thiểu thì chuyển kết nối của MT sang tế bào này.
- Đặt trước băng thông tại các tế bào lân cận đang thừa tải để giảm thời gian thực hiện HO khi có yêu cầu.3 Phân tích và đánh giá các nghiên cfíu liên quan đến Luận án.