Nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng vô tuyến băng rộng đa dịch vụ

-1-

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Để đảm bảo được chất lượng dịch vụ với các tham số cụ thể,
mạng IP vô tuyến cần một thuật toán điều khiển đăng nhập thích hợp
để cho phép hoặc cấm các cuộc gọi dựa trên điều kiện lưu lượng
trong tế bào hoặc trong tế bào bên cạnh. CAC là lĩnh vực được nhiều
nhà nghiên cứu quan tâm
Mục đích nghiên cứu
Trong qu
yển luận văn này, chúng tôi tập trung đi sâu nghiên
cứu mô hình điều khiển đăng nhập hệ thống dựa trên các mức ưu tiên
đối với lưu lượng đa lớp để đảm bảo chất lượng dịch vụ. Đồng thời
đề xuất biện pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng lõi.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Cơ chế điều khiển đăng n
hập đối với đầu cuối di động để đảm bảo
chất lượng dịch vụ khi chuyển vùng. Bên cạnh đó, kiến trúc Diffserv
đảm bảo QoS đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và có nhiều
ứng dụng, việc điều khiển các đáp ứng tại các nút mạng là rất quan
trọng, cơ chế điều khiển bộ đệm và biện pháp cân bằng lưu lượng

giữa các tham số QoS được tập trung nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng lý thuyết hàng đợi và mô hình dòng chảy Markov để giải
quyết bài toán chuyển vùng đối với các lớp dịch vụ kết hợp với các
tham số kỹ thuật được đưa ra trong SLA. Lý thuyết fuzzy được sử
dụng để cân bằng giữa các tham số QoS.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận văn nghiên cứu với mục đích đề xuất phương

pháp nâng cao
chất lượng dịch vụ mạng vô tuyến băng rộng, mô hình lưu lượng đa
lớp tương ứng với các dịch vụ băng rộng đang khai thác.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, cấu trúc quyển luận văn bao
gồm các phần chính sau
Chương 1: Hệ thống thông tin di động dựa trên chuyển mạch
gói. Phân tích đặc điểm đối với lưu lượng đa phương tiện, các
dịch
vụ đa phương tiện và yêu cầu chất lượng dịch vụ, ánh xạ các yêu cầu
dịch vụ sang các thoả thuận chất lượng và các tham số mạng.
-
2-

Chương 2: Chuyển giao trong hệ thống thông tin di động. Các
phương pháp chuyển giao cũng như các mô hình toán học đang được
các nhà khoa học quan tâm được trình bày trong chương này
Chương 3: Đề xuất mô hình điều khiển đăng nhập kết nối
trong mạng thông tin di động thế hệ sau
Chương 4: Mô hình quản lý lưu lượng để cân bằng giữa các
tham số QoS và kết hợp với điều khiển đăng nhập
Kết luận chung và hướn
g nghiên cứu tiếp theo
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DỰA TRÊN
CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH GÓI
1.1 Các dịch vụ trong mạng NGN.
ITU-T có định nghĩa một số các dịch vụ đa phương tiện như
sau: Dịch vụ hiển thị, Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện, Dịch vụ hội
nghị đa phương tiện, Dịch vụ quản lý nhóm.
1.2 Lưu lượng đa phương tiện
1.2.1 Lưu lượng th

oại
Mô hình lưu lượng đối với dịch vụ thoại dựa trên lý thuyết
Erlang dựa trên 2 tham số. Đó là tốc độ xuất hiện cuộc gọi và thời
gian chiến giữ trung bình. Phân bố thống kê đối với các xuất hiện
cuộc gọi được coi là phân bố Poisson với thời gian giữa các lần xuất
hiện thuân theo phân bố mũ
1.2.2 Lưu lượng dữ liệu
Đối với liên kết lưu lượng, một số
các tham số điển hình được
sử dụng để đặc tính hóa nguồn lưu lượng như tốc độ dữ liệu đỉnh tốc
độ dữ liệu trung bình cũng như lưu lượng bùng nổ, trong đó có một
số tham số quan trong phụ thuộc vào lớp dịch vụ và loại ứng dụng.
Các tha
m số quan trọng nhất là: Tỷ lệ mất gói, Thông lượng
(throughput), Tính sẵn có (availability), Trễ, Biến đổi trễ.
1.2.3 Lưu lượng và liên kết không đối xứng
Trong thực tế, nhu cầu sử dụng dữ liệu đối với người sử dụng
thường là không đối xứng.Thông thường nhu cầu tải dữ liệu theo
hướng xuống nhiều hơn theo hướng lên.
1.3 Chất lượng dịch vụ và c
ác yếu tố liên quan
1.3.1 QoS Internet
Kiến trúc hỗ trợ QoS trên Internet được phân loại thành hai
nhóm: Các dịch vụ tích hợp IntServ và dịch vụ vi phân DiffServ
-3-

1.3.2 Dịch vụ tích hợp (IntServ)
Cốt lõi của IntServ là giao thức chuNn bị tài nguyên RSVP.
RSVP cho phép người sử dụng kết cuối báo hiệu mạng về các yêu
cầu QoS của người sử dụng và cho phép các node mạng gửi báo hiệu

đến nhau để định vị tài nguyên theo đường lưu lượng. Tuy nhiên rất
khó triển khai IntServ diện rộng
1.3.3 Các dịch vụ phân biệt (DiffServ)
Dịch vụ phân biệt DS hay DiffServ sử dụng mô hình phân biệt,
ở
mô hình này các gói được phân loại thành nhóm nhỏ ở biên mạng.
Các trạng thái lưu lượng chỉ được duy trì ở biên mạng. Không duy trì
bất kỳ trạng thái dự trữ nào trong router tức thời. Các router lõi trong
mạng chỉ cần sự tập hợp lưu lượng để thực hiện các kỹ thuật như là
lập lịch và quản lý bộ đệm. Do đó DiffServ được sử dụng nhiều hơn
IntServ/RSVP.
1.3.4 QoS trong mạng IP vô tuyến
Một vấn đề lớn khi cun
g cấp QoS trong mạng IP vô tuyến là
cách xác định tài nguyên mạng có hiệu quả khi người sử dụng di
chuyển, các giao thức điều chỉnh QoS động
1.4 Chất lượng dịch vụ mức gói và mức cuộc gọi
1.4.1 Băng thông hiệu quả
Băng thông hiệu quả là dung lượng phục vụ được yêu cầu bởi
luồng lưu lượng để thỏa mãn chất lượng dịch vụ của nó,
dựa trên các
đặc điểm của nguồn lưu lượng, yêu cầu chất lượng dịch vụ của nguồn
và kích thước bộ đệm.
1.4.2 Phân chia ảo
Phân chia ảo là thuật toán sử dụng để cung cấp dịch vụ cho
khách hàng trên cùng một cơ sở hạ tần vật lý. Có hai biện pháp
truyền thống để chia sẻ tài nguyên. Một là phân chia hoàn toàn (CP),
trong đó việc phân chia mang tính thống kê giữa các
SLA, cho phép
mỗi SLA sử dụng độc quyền dung lượng được cấp phát. Hai là chia

sẻ hoàn toàn (CS), nó cho phép tất cả các SLA chia sẻ tài nguyên một
cách tự do.
1.5 Kết luận
Chương này trình bày sơ lược về các dịch vụ trong mạng
N GN và các bài toán đặt ra mà các nhà khoa học phải giải quyết.
Kiến trúc Diffserv thuận lợi cho việc triển khai diện rộng và thích
hợp với bài toán đặt ra hiện nay. Các vấn đề liên quan tới chất lượng

-
4-

dịch vụ được các nhà nghiên cứu quan tâm và cũng như các tồn tại
cần khắc phục làm cơ sở chọn hướng giải quyết và cách giải quyết
mà luận án sẽ đưa ra ở chương 3 và chương 4.
CHƯƠNG 2: CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG
TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
Thuật toán chuyển giao hiệu quả sẽ là cách rẻ nhất để đảm bảo
dung lượng hệ thống và chất lượng dịch vụ.
2.1 Các kịch bản phát triển hệ thống thông tin di động
tế bào
Một số các kiến trúc tế bào cơ bản: macrocell, microcell, hệ
thống chồng lân và các kiến trúc đặc biệt như hệ thống băng rộng đa
kênh…
2.2 Mức độ ưu tiên trong chuyển giao
Hai phương pháp chính trong ưu tiên hóa chuyển giao đó là
kênh bảo vệ và hàng đợi.
• Kênh bảo vệ
• Hàng đợi trong chuyển giao
2.3 Chuyển giao
và quản lý tài nguyên

Một số nhiệm vụ quản lý tài nguyên trong hệ thống thông tin
di động tế bào bao gồm điều khiển đăng nhập, gán kênh, điều khiển
công suất, và chuyển giao.
2.4 Các cơ chế điều khiển đăng nhập cho chuyển giao
2.4.1 Cơ chế giới hạn cuộc gọi mới










Hình 2.1: Sơ đồ chuyển đổi trạng thái tr
ong cơ chế hạn chế đối với
cuộc gọi mới
K,0 K,1
K-1,0 K-1,1
0,0 0,1
1,0 1,1
0,C-K 0,C-K+1
1,C-K 1,C-K+1
K,C-K
K-1,C-K K-1,C-K+1
1,C-1
0,C-1 0,C

-5-

Cơ chế hoạt động như sau: nếu số các cuộc gọi mới vượt quá
một ngưỡng cho trước thì khi cuộc gọi mới xuất hiện, cuộc gọi mới
này sẽ bị khóa; ngược lại nó sẽ được chấp nhận. Cuộc gọi chuyển
giao chỉ bị rơi khi tất cả các kênh trong tế bào đã được sử dụng.
Gọi K là ngưỡng đối với cuộc gọi mới và
,,1,1
hh
λ
λμμ

và C lần lượt là tốc độ đến của cuộc gọi mới, tốc độ xuất hiện cuộc
gọi chuyển giao, thời gian chiếm kênh trung bình của cuộc gọi mới
và cuộc gọi cũ và số kênh trong tế bào. Tính toán xác suất khóa cuộc
gọi mới
nb
p
và xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao
hb
p

21
1
21
1
2
1
12
1
00
211
0
12

!! !( )!
!!
nCn
n
K
CK K
hh
nn
nb
Cn
n
n
K
h
nn
Kn n Cn
p

nn
ρρ
ρρ
ρ
ρ
−
−−
==
−
=
+
−
=
∑∑
∑∑
(2.1)
1
1
1
1
2
1
12
0
11
0
12
.
!( )!
!!

Cn
n
K
h
n
hb
Cn
n
n
K
h
nn
nCn
p
nn
ρ
ρ
ρ
ρ
−
=
−
=
−
=
∑
∑∑
(2.2)
2.4.2 Cơ chế ưu tiên hoàn toàn

Hình 2.2: Sơ đồ chuyển đổi trạng thái của cơ chế ưu tiên hoàn toàn
m-1,0 m-1,1
m,0 m,1


0,0 0,1
m,m


m-1,m

m,C-m


m-1,C-m

0,m

0,C-m

m-1,C-
m+1

0,C-m+1

0,C
-6-

Cơ chế được thực hiện như sau: Gọi m là ngưỡng, đối với cuộc
gọi xuất hiện. N ếu tổng số kênh bận nhỏ hơn m, cuộc gọi mới được
chấp nhận; ngược lại cuộc gọi mới bị khóa. Cuộc gọi chuyển giao
luôn luôn được chấp nhận trừ khi không còn kênh rỗi. Các tham số
,,,
hh
λ
λμμ
và c tương tự như được định nghĩa trong cơ chế hạn chế
cuộc gọi mới. Gọi m là ngưỡng hạn chếTừ đó ta thu được xác suất
khóa cuộc gọi mới gần đúng và xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao gần
đúng:
01
()
!
() ()
!!
mjm
C
hh
jm
a
nb
jmjm

mC
hhh
jjm
j
p
jj
ρρ ρ
ρρ ρρ ρ
−
=
−
==+
+
=
++
+
∑
∑∑
(2.3)
01
()
!
() ()
!!
mCm
hh
a
hb
jmjm
mC

hhh
jjm
C
p
jj
ρρ ρ
ρρ ρρ ρ
−
−
==+
+
=
++
+
∑∑
(2.4)
2.4.3 Cơ chế kênh bảo vệ từng phần
Mô hình toán học của cơ chế này như sau: gọi
0 ( 0,1, , 1) 1
i
iC
β
≤= −≤, khi số các kênh bận trong tế bào là i
nếu một cuộc gọi mới xuất hiện thì nó sẽ được đăng nhập hệ thống
với xác suất
i
β
. Cuộc gọi chuyển giao luôn luôn được đăng nhập hệ
thống trừ khi không còn kênh rỗi, trong trường hợp đó thì tất cả các
cuộc gọi sẽ bị khóa. Chúng ta cũng nhận thấy rằng nếu

12

C
β
ββ
≥≥≥ lưu lượng cuộc gọi mới sẽ được điều chỉnh để
ngày càng nhỏ hơn (mỏng đi) khi số lượng kênh bận tăng lên.)
Chúng ta có thể tính được xác suất khóa của cuộc gọi mới và
xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao:
0
(1 ) , 0
C
a
nb j j C
j
pp
ββ
=
=
−=
∑
(2.5)
a
hb C
p
p
=
(2.6)
-7-

Tuy nhiên có thể nhận thấy là với các cơ chế trên còn nhiều
hạn chế, phương pháp toán học mới chỉ tính gần đúng xác suất cần
quan tâm.
2.5 Kết luận
Chương 2 – Chuyển giao trong hệ thống thông tin di động tế
bào nhằm giới thiệu cơ sở lý thuyết về chuyển giao trong hệ thống,
các yếu tố chuyển giao ảnh hưởng đến chất lượng mạng di động, điều
đó làm
nền tảng cho những nghiên cứu của luận văn ở chương 3.
CHƯƠNG 3: ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DNCH VỤ TRONG
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU DỰA TRÊN CƠ
CHẾ ĐIỀU KHIỂN ĐĂNG NHẬP
Trọng tâm của chương này đề xuất cơ chế điều khiển đăng
nhập dựa trên quyền ưu tiên đa lớp, mỗi lớp tương
ứng với một loại
hình dịch vụ đồng thời kết hợp với các tham số liên quan tới chất
lượng dịch vụ được ánh xạ trong SLA để đưa ra cơ chế điều khiển
đăng nhập linh hoạt và nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng.
3.1 Điều khiển đăng nhập cuộc gọi dựa trên quyền ưu tiên đa
lớp trong mạng thông tin
di động
3.1.1 Mô hình hệ thống
Giả sử rằng mô hình hệ thống có tốc độ xuất hiện cuộc gọi mới
là phân bố đều trên toàn bộ khu vực cung cấp dịch vụ di động. Chúng
ta xét mô hình lưu lượng có K lớp QoS và mỗi lớp có quyền ưu tiên
riêng. QoS dựa vào quyền ưu tiên trong trường hợp này được mô tả
bởi
(
)
011

i
iK
β
≤≤ ≤≤
với mỗi lớp i và
12
0 1
K
β
ββ
≤
≤≤≤.
Chọn các xác suất
i
β
theo QoS: dựa vào QoS chúng ta phân loại
quyền ưu tiên làm K mức và quyền ưu tiên cao hơn có xác suất cao
hơn để chiếm kênh (hoặc băng thông). Cuộc gọi mới trong mỗi lớp
được chấp nhận hoặc từ chối dựa vào việc chiếm kênh và lớp dịch vụ
của nó. Chúng ta giả sử rằng tất cả lưu lượng được tạo ra theo phân
phối Poisson với tốc độ trung bình mỗi tế bào là
,
ih
λ
λ
cho mỗi cuộc
gọi mới của lớp i và cuộc gọi chuyển giao. Quyền ưu tiên được cung
cấp cho cuộc gọi chuyển giao bằng cách phân bổ kênh
h
C

cho cuộc
gọi giữa các kênh C. Chia xẻ kênh chung
h
CC
−
cho cả cuộc gọi mới
và cuộc gọi chuyển giao. Khi bất kỳ lưu lượng nào đến, nó được phân
-
8-

bổ một kênh cho đến khi số kênh bận lên tới
h
CC
−
. Khi một cuộc
gọi mới của lớp i đến, tốc độ chấp nhận là
ii
β
λ
. Khi số kênh bận
vượt quá
h
CC
−
, cuộc gọi mới bị chặn lại. Cuộc gọi chuyển giao
được chấp nhận cho đến khi tất cả các kênh bận.
3.1.2 Mô hình toán học
,
ih

λ
λ
lần lượt là tốc độ xuất hiện trung bình cho cuộc gọi mới
lớp i và cuộc gọi chuyển giao như định nghĩa trong 3.1.1. Số cuộc gọi
mới đến trong mỗi giây với mỗi tế bào
1
K
nii
i
λ
βλ
=
=
∑

Xác suất nghẽn của cuộc gọi mới là tổng các xác suất ở trạng
thái có số kênh bận ở trạm gốc lớn hơn hoặc bằng
h
CC
−
:
()
1
()
11
01
()
!
()()
!!

hh
j
hh
h
h
K
CC j CC
ii h h
C
i
j
jCC
H
B
KK
CC j CC
j
CC
ii h ii h h
C
ii
jj
jjCC
HH
j
P
jj
βλ λ λ
μ
βλ λ βλ λ λ

μμ
−−−
=
=−
−−−
−
==
==−+
+
=
++
+
∑
∑
∑∑
∑∑
(3.1)
Xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao là xác suất ở trạng thái có số
kênh bận ở trạm gốc bằng C:
1
()
11
01
()
!
()()
!!
hh
hh
h

h
K
CC C
ii h h
i
C
H
H
KK
CC j CC
j
CC
ii h ii h h
C
ii
jj
jjCC
HH
C
P
jj
βλ λ λ
μ
βλ λ βλ λ λ
μμ
−
=
−−−
−
==

==−+
+
=
++
+
∑
∑∑
∑∑
(3.2)
-9-

3.1.3 Tính toán số cho hệ thống
Ta giả sử rằng
16C
=
và 4
h
C = . Giả sử có hai lớp dịch vụ
QoS với
1
0,95
β
= và
2
1
β
= . Tốc độ cuộc gọi mới ở lớp 1 là
1
120
λ

= và tốc độ cuộc gọi mới ở lớp 2 là
2
125
λ
=
, tốc độ cuộc
gọi chuyển giao là
130
h
λ
=
. Bằng công cụ mô phỏng, chúng ta giả
sử thời gian dịch vụ của tất cả các loại cuộc gọi bằng nhau và trong
khoảng
{
}
0.04, , 0.5
μ
=










Hình 3.1: Xác suất rớt cuộc gọi chuyển giao theo tải lưu lượng.

Hình 3.2: Xác suất khóa của cuộc gọi mới theo tải lưu lượng.

Droppin
g
probabilit
y
of handoff
call
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 20406080100
Traffic loads
Probability
wit h class an d guar d chan n el wit hout class, guar d chan n el

wit h class an d w it hout guar d chan n el wit hout bot h class an d guar d chan n el
Blockin
g
probabilit
y
of new
call
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
020406080100
Traffic loads
Probability
wit h classes an d guar d chan n els wit hout classes, w it h guar d chan n els
wit h classes, wit hout guar d chan n els wit hout classes an d wit hout guar d chan n els
-10-

Trong Hình 3.1, chúng ta quan sát thấy, khi tải lưu lượng tăng,
xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao cũng tăng, nhưng cơ chế đề xuất
dựa vào ưu tiên QoS có xác suất rơi nhỏ hơn. Đó là bởi vì chúng ta
có nhiều kênh hơn cho cuộc gọi chuyển giao. Trong Hình 3.2, khi tải
lưu lượng nhỏ, xác suất nghẽn của cuộc gọi mới nhỏ nhất. N hưng khi
tải lưu lượng tăng, xác suất nghẽn tăng rất nhanh vì c
uộc gọi chuyển
giao có quyền ưu tiên cao hơn.

Hình 3.3: Xác suất rớt cuộc gọi chuyển giao theo tải lưu lượng với C
khác nhau.












Hình 3.4: Xác suất nghẽn cuộc gọi mới theo tải lưu lượng với C khác
nhau.
Blocking pr obabilit y of new call
-0.5

0
0.5
1
1.5
0 20406080100
Traffic loads
C=16 C=15 C=14 C=13

Dropping probability of handoff call
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
020406080100
Traffic loads
Probability
C=16 C=15 C=14 C=13
-11-

Trong Hình 3.3 và Hình 3.4, chúng ta thấy rằng với các kênh
giống nhau và các lớp QoS giống nhau và số kênh nhỏ đi, xác suất
rớt cuộc gọi của cuộc gọi chuyển giao và xác suất nghẽn của cuộc gọi
mới nhỏ đi.
3.2 Cơ chế điều khiển đăng nhập theo SLA
3.2.1 Định nghĩa SLA (Service Level Agreements).
SLA là thoả thuận chính thức giữa hai hay nhiều phía đạt được

sau khi hoạt động thương thảo giữa các
bên về đặc tính dịch vụ. Các
điều khoản của SLA liên quan đến QoS được gọi là thỏa thuận QoS.
3.2.2 Thỏa thuận QoS
Các tham số QoS phải được định nghĩa rõ ràng khi xây dựng
một SLA, các tham số này chính là các thoả thuận QoS. Các tham số
QoS thành loại trực tiếp và loại gián tiếp. Các tham số QoS có thể
được kết hợp theo một thuật toán để đưa ra một chỉ số liên quan đến
QoS tổng thể để có thể đánh giá chất lượng dịch vụ
khách hàng nhận
được phù hợp như thế nào so với dịch vụ đã được ký kết
3.2.3 Cơ chế kênh ưu tiên định sẵn với hàng đợi cho lưu lượng
chuyển giao dựa trên SLA
Để giảm xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao, một bộ đệm có
kích thước K được sử dụng. Cũng giống như cơ chế ưu tiên hoàn to
àn,
chúng ta sử dụng
h
C kênh dành riêng cho các cuộc gọi chuyển giao.
()
h
CC− kênh còn lại được dùng chung cho cả các cuộc gọi mới và
các cuộc gọi chuyển giao. N ếu C kênh đã được sử dụng, cuộc gọi
chuyển giao sẽ được đưa vào đợi trong bộ đệm (có kích thước K).
N hư vậy, hệ thống sẽ bao gồm C kênh và bộ đệm kích thước K và
kích thước hệ thống sẽ là
CK+
.
μ

0 1 2
C-C
h
C-C
h
+1
K-1 K C
T
λ

T
λ
T
λ


h
λ
1
λ
2
μ
(
)
h
CC
μ
−

()

1
h
CC
μ
−+


C
μ
1
λ
h
λ

Hình 3.5: Sơ đồ chuyển đổi trạng thái của Cơ chế kênh ưu tiên định
sẵn với hàng đợi cho lưu lượng chuyển giao dựa trên SLA
Dựa trên các tham số SLA, các cuộc gọi chuyển giao được
phân làm hai loại ta tạm gọi là loại 1 và loại 2. Gọi
n
λ
là tốc độ xuất
-
12-

hiện của cuộc gọi mới,
1
λ
là tốc độ xuất hiện của cuộc gọi chuyển
giao thoả mãn tham số SLA về độ trễ (cuộc gọi chuyển giao loại 1),
2

λ
là tốc độ xuất hiên của cuộc gọi chuyển giao loại 2. Quá trình
xuất hiện cuộc gọi trong hệ thống là quá trình Poisson do vậy tốc độ
xuất hiện cuộc gọi chuyển giao trong hệ thống là
12h
λ
λλ
=
+ và tốc
độ xuất hiện cuộc gọi trong hệ thống là
Tnh
λ
λλ
=
+ . Tất cả các
cuộc gọi có cùng phân bố hàm mũ của thời gian phục vụ và có tốc độ
phục vụ
μ
. Khi đó tổng cường độ lưu lượng tải trên từng kênh của tế
bào là
/
TT
C
ρ
λμ
=
.
Xác suất khoá cuộc gọi của cuộc gọi mới là tổng xác suất của
các trạng thái trong hệ thống có số các kênh bận lớn hơn hoặc bằng
h

CC− :
h
CK
Bj
jCC
PP
+
=−
=
∑
(3.3)
Xác suất rơi cuộc gọi của các cuộc gọi chuyển giao là tổng của
các xác suất trạng thái có số các kênh bận trong hệ thống lớn hơn
hoặc bằng C :

CK
H
j
jC
PP
+
=
=
∑
(3.4)
Xác suất rơi cuộc gọi của các cuộc gọi chuyển giao loại 1:

1
H
CK

PP
+
=
(3.5)
Sử dụng công thức Little cho hệ thống hàng đợi có các trạng
thái cân bằng, chúng ta có thể tính được thời gian đợi trung bình
trong hàng đợi của cuộc gọi chuyển giao loại 1:

1
1
1
()
(1 )
CK
j
H
jC
H
j
CP
EW
P
λ
+
=
−
⎡⎤
=
⎣⎦
−

∑
(3.6)
3.2.4 Tính toán và phân tích số
Trong quá trình phân tích chúng ta sử dụng các giá trị
16, 4, 4
h
CCK===. Trong cơ chế ưu tiên hoàn toàn, chúng ta giả
-13-

thiết tốc độ xuất hiện cuộc gọi mới trong tế bào là
1/15
n
λ
=
và tốc
độ xuất hiện cuộc gọi chuyển giao là
1/20
h
λ
= . Bên cạnh đó để cho
việc so sánh các giá trị chính xác, trong cơ chế kênh ưu tiên định sẵn
với hàng đợi dựa trên tham số SLA ta giả thiết
1/15
n
λ
=
và tốc độ
xuất hiện các cuộc gọi chuyển giao loại 1 là
1
1/ 25

λ
=
và tốc độ
chuyển giao các cuộc gọi loại 2 là
2
1/100
λ
= . Để đơn giản trong
tính toán, chúng ta coi thời gian phục vụ của tất cả các cuộc gọi là
như nhau và nằm trong khoảng giá trị
{
}
0.04, , 0.5
μ
= .
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 5 10 15 20 25 30
Traffic load (ρ)
Dropping probability of handoff calls
without priority with queue with queue and priority

Hình 3.6: Xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao theo lưu lượng tải trên
từng kênh

-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 5 10 15 20 25 30 35
Traffic load (ρ)
Blocking probability of new calls
without priority with queue with queue and priority

Hình 3.7: Xác suất khoá cuộc gọi mới theo lưu lượng tải trên từng
kênh
-
14-

Trong Hình 3.6, khi lưu lượng tải tăng thì xác suất rơi cuộc gọi
cũng tăng theo, cơ chế điều khiển theo SLA có xác suất rơi cuộc gọi
là nhỏ nhất. Trong khi đó, Hình 3.7 cho chúng ta thấy xác suất khoá
cuộc gọi mới đối với tất cả các cơ thế là như nhau. Hình 3.8 và Hình
3.9 cho chúng ta thấy, với số kênh bảo vệ và hàng đợi như nhau, khi
tổng số kênh tăng lên thì xác suất rơi cuộc gọi mới và khoá cuộc gọi
tăng lên, điều này
cũng dễ dàng nhận được bởi vi khi đó tỷ lệ giữa số
kênh bảo vệ dành cho cuộc gọi chuyển giao với tổng số kênh của hệ
thống giảm đi.
-0.2
0

0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 5 10 15 20 25 30 35
Tra ffic load (p)
Blocking probability of new calls
C=16, K=4 C=15, K=4 C=14, K=4

Hình 3.8: Xác suất khoá cuộc gọi mới theo lưu lượng tải trên
từng kênh với C khác nhau
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 5 10 15 20 25 30 35
Tra ffic load (p)
Dropping probabi l ity of handoff calls
C=16, K=4 C=15, K=4 C=14, K=4

Hình 3.9: Xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao theo lưu lượng tải trên
từng kênh với C khác nhau
-15-

3.3 Kết luận

Chương này đề cập tới các phương pháp điều khiển đăng nhập
cuộc gọi dành cho mạng thông tin di động Phương pháp sử dụng
các mức ưu tiên cho các cuộc gọi đa phương tiện, kết nối cuộc gọi đa
phương tiện có thể ở mức ưu tiên cao hơn cuộc gọi thoại, và cuộc gọi
thoại có mức ưu tiên cao hơn cuộc gọi dữ liệu. Bên cạnh đó,
phương
pháp điều khiển đăng nhập cuộc gọi dựa trên các tham số SLA để xử
lý đối với các cuộc gọi sử dụng dịch vụ đa phương tiện.
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DNCH VỤ
TRONG MẠNG INTERNET
4.1 Kiến trúc hệ thống

Hình 4.1: Mô hình kiến trúc mạng di động vô tuyến Internet.
-
16-

Hệ thống chúng ta quan tâm được minh hoạ trong Hình 4.1
trong đó kiến trúc DiffServ dùng để giám sát QoS. Trong hệ thống,
tất cả các vùng đăng nhập là vùng quản lý DiffServ và trong đó tất cả
các router là DiffServ IP router. Gateway và trạm gốc là các router
biên và được nối với router lõi. Gateway là giao tiếp kết nối với
mạng Internet đường trục, tại đó một SLA được sử dụng để xác định
các tài nguyên được định vị bởi nhà cung cấp dịch vụ Internet cho
các lưu lượng tập trung
đi và đến gateway
4.2 Điều khiển truy nhập cuộc gọi theo vùng
Giả sử một vùng đăng nhập có M tế bào, trong đó việc xuất
hiện các cuộc gọi mới với mỗi lớp dịch vụ là quá trinh Poisson với
tốc độ λ cuộc trên mỗi tế bào trong một đơn vị thời gian và thời gian
cuộc goi là phân bố mũ với trung bình

1
μ
. Mỗi tế bào có thể phục
vụ tối đa C cuộc gọi, và phần trăm (
α
) của dung lượng tế bào,
α
C, là
một tập hợp như kênh bảo vệ để bảo vệ các cuộc goi chuyển giao.
Thời gian chiếm giữ kênh trong một trạm gốc (thời gian cuộc gọi
trong một trạm gốc trước khi chuyển giao sang trạm gốc khác) là
phân bố mũ với trung bình
1 h (tốc độ chuyển giao là h).
4.3 Tối ưu hoá bộ đệm cho nguồn lưu lượng đa lớp
Lớp lưu lượng được định nghĩa trong mạng vô tuyến thế hệ 3
có thể được hỗ trợ bởi dịch vụ đảm bảo trong kiến trúc DiffServ.
Trong mạng vô tuyến, do tài nguyên sẵn có luôn thay đổi theo sự di
chuyển của người sử dụng và do biến đổi chất lượng kênh, vì vậy tối
ưu hoá bộ đệm đầu vào rất quan trọng
để cải thiện hiệu quả sử dụng
tài nguyên. Công việc quan trọng ở đây là tập trung vào tính di động.
Đó là định vị băng thông chỉ thay đổi khi có một cuộc gọi mới xuất
hiện, cuộc gọi kết thúc và cuộc gọi chuyển giao
4.4 Mô hình hệ thống đa lớp
Xét bộ đệm được chia thành các phần với kích thước B, tro
ng
đó lưu lượng đầu vào được tạo ra từ các nguồn modul theo Markov
và lưu lượng đầu ra được phục vụ bởi các kênh có dung lượng không
đổi c. Yêu cầu chất lượng dịch vụ được biểu diễn bởi xác suất mất
gói (PLP)

j
ε
đối với lớp thứ j,
{1,2, ,J}j
∈
. Gọi S là không gian
trạng thái và M là ma trận tạo của chuỗi Markov của nguồn lưu lượng.
Tại trạng thái i
(
)
iS
∈
, nguồn tạo ra lưu lượng của lớp j
(
)
1
j
J≤≤
-17-

với tốc độ
j
i
λ
. Luật truy nhập dựa trên cơ chế đặt trước không gian,
sử dụng ngưỡng
{
}
,1 1
j

BjJ
≤
≤−. Gọi ()
X
t là tổng số các dòng
chảy của tất cả các lớp trong bộ đệm tại thời điểm t. Khi
()
(
)
1
1
jj
B
Xt B j J
−
≤<≤≤, chỉ có dòng chảy của các lớp
{
}
, 1, ,
j
jJ+ được truy nhập vào bộ đệm
4.5 Tối ưu hóa phân chia bộ đệm
Khi nguồn điều chế Markov tạo ra J lớp lưu lượng và được
phục vụ bởi bộ đệm được phân chia theo J-1 ngưỡng, tỷ lệ tổn thất
của mỗi lớp có thể được tính gần đúng như sau:
11
1
( ) exp[ ( )( )] (1 )
j
v

jvv
v
GB z c B B j J
−
=
=
−≤≤
∏
(4.1)
Trong đó để đơn giản coi L = 1. Biểu diễn giá trị riêng dưới
dạng
1
()
v
zc để nhấn mạnh chất lượng dịch vụ bị ảnh hưởng trực tiếp
bởi kênh c. Mục tiêu trong phần này là tìm được một vector
*** *
12 1
( , , , )
tJ
BBBB
−
= có dung lượng kênh c nhỏ nhất.
4.6 Hệ thống ghép kênh hỗn hợp
Giả sử
K
nguồn lưu lượng được đặc tính hóa theo
( , ) ( 1, 2, , )
kk
M

kK
λ
= . Giả sử đối với mỗi k, nguồn k có
()k
N
trạng thái và ma trận tạo
()k
M
là tối giản. Biểu diễn rút gọi chuNn
của M có dạng:
(1) ( 2) ( )

K
MM M M=⊗⊗⊗ (4.2)
4.7 Cơ chế điều khiển bộ đệm
4.7.1 Cơ chế điều khiển dựa trên SLA, cân bằng giữa các tham
số ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ
Quản lý dựa trên các chính sách là một trong những kỹ thuật
được sử dụng để kết hợp các cấu hình thỏa mãn một số các yêu cầu
trong mạng dựa trên thỏa thuận mức dịch vụ (SLA). N hững chính

sách trừu tượng này khó có thể được diễn giải và triển khai theo các
yêu cầu mạng, những yêu cầu này đơn thuần là các giá trị, và logic
-
18-

mờ được sử dụng để trình bày một cách hiệu quả các giá trị trừu
tượng này. Điều khiển mờ được triển khai như là một cơ chế giám sát
động được sử dụng để thiết lập cấu hình cho các nút mạng tương ứng
với lưu lượng đầu vào.

4.7.2 Kiến trúc hệ thống và phương pháp luận
Lưu đồ phương pháp luận phát triển hệ thống
được đưa ra
trong Hình 4.2, trong đó có các thủ tục thực hiện nhiệm vụ của hệ
thống và các khối kiểm tra, người điều hành mạng có thể làm hoàn
chỉnh các chỉ tiêu kỹ thuật được cam kết trong SLA

Hình 4.2: Lưu đồ điều khiển ứng dụng lôgic mờ
4.7.3 Cân bằng giữa độ trễ và tổn thất trong dịch vụ Diffserv
Chúng ta xem xét một mạng có bốn loại hình
dịch vụ cơ bản
và được mã hóa như sau:
11: lưu lượng thời gian thực với mức ưu tiên cao nhất (1)
10: lưu lượng thời gian thực với mức dịch vụ thông thường
(0)
01: lưu lượng không phụ thuộc thời gian thực với mức ưu
tiên cao (1)
00: lưu lượng không phụ thuộc thời gian thực với mức dịch
vụ thông thường (0)
Các tham số kỹ
thuật dùng cho
chính sách
Fuzzy hóa
Điều khiển
fuzzy
Kết quả mô
phỏng
Giải fuzzy
Điều khiển hệ
thống

Bắt đầu
-19-

Với dịch vụ loại 10 và 01 tương đối gần nhau và có thể sử
dụng các biện pháp cân bằng cho chúng

Hình 4.3: Hệ thống hàng đợi có điều khiển
Cả hai bộ đệm này được hạn chế với các mức dung lượng
được tính toán theo thuật toán băng thông tối ưu và kích thước tương
ứng là
10
B
và
01
B
với
10 01
B
B≤ .
4.7.4 Điều khiển fuzzy
Trạng thái của hệ thống có thể biểu diễn bởi
10 01
(, )ss trong
đó
10 10
0,1, ,sB= và
01 01
0,1, ,sB= lần lượt là số các gói trong
bộ đệm 10 và 01. Tổng số các gói trong hàng đợi là
10 01 10 01

0,1, ,
x
ss BB=+= +. Các quyết định được thực hiện khi
các gói đi và đến bộ đệm. Chúng ta có các luật điều khiển sau:
(1) N ếu trạng thái hệ thống
10 01
0xs s===, nếu không có gói
nào trong hàng đợi thì sẽ không có gói nào được gửi đi;
(2) N ếu
1
x
=
thì nếu chỉ có một gói trong hệ thống thì gói này
sẽ được gửi đi
Do vậy chúng ta chỉ tập trung vào lập lịch cho các gói đang
nằm trong hàng đợi khi cả hai bộ đệm đang có gói và kênh truyền đi
đang rỗi (có sẵn).
Chúng ta chọn đầu vào fuzzy của các gói
10
s và
01
s trong
các bộ đệm 10 và 01 với các giá trị ZO, PS, PM, và PB. Đầu ra fuzzy
là các quyết định d = 01 hoặc 10, nó có nghĩa là các gói từ bộ đệm 01
hoặc 10 được phục vụ (gửi đi). Chúng ta phát triển nguyên tắc điều
-
20-

khiển được đưa ra trong Bảng 4.1, trong đó giá trị đầu ra fuzzy d = *
có nghĩa là không gói nào được lựa chọn

Bảng 4.1: N guyên tắc lựa chọn cân bằng giữa các lớp
N guyên tắc 1-8 N guyên tắc 9-16
S
10
S
01
D S
10
S
01
d
ZO ZO * ZO PM 01
PA ZO 10 PS PM 01
PM ZO 10 PM PM 10
PB ZO 10 PB PM 10
ZO PS 01 ZO PB 01
PS PS 10 PS PB 01
PM PS 10 PM PB 01
PB PS 10 PB PB 01

Chúng ta xác định chính sách điều khiển hàng đợi sử dụng
logic fuzzy với thuật toán được chỉ ra như sau:
1. Hệ số định cỡ cho đầu vào
10
s và
01
s
2. Bắt đầu từ trạng thái khởi tạo
10 01
0ss

=
=
3. Xác định d dựa trên quá trình fuzzy hóa, suy diễn fuzzy dựa
trên nguyên tắc mô tả ở bảng trên, và sau đó giải fuzzy
4. N ếu
01 01
sB
<
thì thiết lập
01 01
1ss
=
+ và quay trở lại bước
(3); ngược lại thiết lập
01
0s
=
và tiến đến bước 5
5. N ếu
10 10
sB
<
, thiết lập
10 10
1ss
=
+ và quay trở lại bước
(3); ngược lại “stop”
4.7.5 Tính toán số
Sử dụng công cụ mô phỏng N S2 (N etwork simulator), topo

mạng được sử dụng để mô phỏng gồm 15 nút mạng trong miền
Diffserv. Topo mạng này đưa ra nút cổ chai giữa các nút mạng lõi.
Sử dụng 7 nguồn lưu lượng với dịch vụ Diffserv với mã DS 10 và 8
nguồn lưu lượng với mã DS 11. Thời gian giám sát cho hoạt động là
160s giám sát liên kết tại nút lõi. Topology mạng được biểu diễn
trong Hìn
h 4.4.
-21-


Hình 4.4: Topo mạng Diffserv với hai mức ưu tiên
Giám sát lưu lượng tạo ra từ các node tại biên của mạng,
Hình 4.5 cho thấy số lưu lượng truyền đi tương đối ổn định, thông
lượng lớn và biến đổi là do thời gian truyền của từng session trong
mạng ngắn, tuy nhiên vẫn trong giải giá trị cho phép và đảm bảo CIR
cam kết, số gói bị yêu cầu truyền lại rất ít và không có đột biến.

0
100000
200000
300000
400000
500000
1 1325374961738597109121133145
Packets (byte)
Time (s)
THONG LUONG
Trans_bytes Retrans_bytes Throughtput

Hình 4.5: Thông lượng tại biên của mạng, số gói phải truyền lại do

nghẽn
-
22-


Bảng 4.2: Thống kê lưu lượng của toàn mạng
Packets Statistics
CP TotPkts TxPkts ldrops Edrops
All 26430 26430 0 1080
DS 10 1116 1116 0 0
DS 11 25314 25314 0 1080
Bảng 4.2 cho thấy do có cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ
cho các gói thuộc lớp lưu lượng DS 10 do vậy không có tổn thất lưu
lượng. Đối với các gói thuộc lớp lưu lượng DS 11, tại mạng lõi sau
khi đăng nhập được vào hệ thống, với cơ chế cân bằng tham số hoạt
động trong QoS thì tổn thất lưu lượng là không có. Tuy nhiên để
đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các lưu lượng mức ưu tiên cao hơn
thì các gói bị chặn tại biên
của mạng.
Trên cơ sở kết quả mô phỏng thu được chúng ta nhận thấy
phương pháp cân bằng tham số theo fuzzy ổn định hơn và thời gian
đáp ứng nhanh hơn.
4.8 Kết luận
Chúng ta đã xét một mô hình hệ thống dựa trên cơ chế đăng
nhập theo vùng và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng thông ti
n di
động vô tuyến Internet thế hệ sau. Kiến trúc này hỗ trợ chuyển giao
nhanh và giám sát chất lượng dịch vụ cho các dịch vụ Diffserv.
Chúng ta nghiên cứu một thuật toán hiệu quả để tìm ra ngưỡng tối ưu
cho bộ đệm được phân chia để cung cấp các mức ưu tiên cho nguồn

môdul theo Markov.
Cơ chế điều khiển bộ đệm dựa trên fuzzy logic được nghiên
cứu và đề xuất phương pháp cân bằng giữa các tham số QoS.
-23-

KẾT LUẬN
Luận án có những đóng góp chính như sau:
• Đề xuất cơ chế điều khiển đăng nhập cho đầu cuối di động và
cấp phát tài nguyên mạng chính xác cho người sử dụng dựa
trên việc phân chia và gán quyền ưu tiên đa lớp cho các loại
hình dịch vụ với các yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau,
trên cơ sở đó thực hiện cơ chế điều
khiển đăng nhập trên
quyền ưu tiên đa lớp, thực hiện cấp phát tài nguyên cho các
cuộc gọi chuyển giao, đảm bảo xác suất rơi các cuộc gọi
chuyển giao là thấp nhất nhưng vẫn giữ xác suất khóa các
cuộc gọi mới ở mức cho phép (Khi lưu lượng tải nhỏ (ρ =
0÷15) khi đó xác suất rơi cuộc gọi chuyển giao xấp xỷ 0, khi
ρ tăng và nằm trong khoảng giá trị tải trung bìn
h và lớn
(ρ=20÷50) lúc đó đồ thị của cơ chế đang khảo sát nằm ở dưới
cùng và có giá trị khác biệt đối với đồ thị gần nhất là
Δ=1%÷0,015%.).
• Đề xuất sử dụng các bộ đệm thành phần kết hợp với cơ chế
điều khiển đăng nhập để đảm bảo mức thỏa thuận dịch vụ
(SLA) của k
hách hàng, việc cấp phát tài nguyên mạng linh
hoạt và đầy đủ do đó tiết kiệm được băng thông cũng như
nâng cao chất lượng dịch vụ (với mô hình nghiên cứu so sánh
với mô hình truyền thống xác suất rơi cuộc gọi chuyển vùng

thấp hơn trong khoảng Δ= 2%÷1,015%).
• Việc cấp phát tài nguyên trong mạng thông tin di động IP
dựa trên kiến trúc Diffserv được thực hiện với cơ chế điều
khiển bộ đệm từng p
hần áp dụng cho các lớp lưu lượng khác
nhau đảm bảo hỗ trợ cơ chế chuyển giao nhanh, đảm bảo
chất lượng dịch vụ (các gói ở mức ưu tiên cao có tỷ lệ tổn
thất ldrops=0).
• Đề xuất cơ chế điều khiển cân bằng giữa các tham số QoS
dựa trên lý thuyết điều khiển fuzzy, trong đó điều k
hiển đăng
nhập đối với lưu lượng tại các nút biên của mạng đề đảm bảo
băng thông trong mạng lõi điều tiết tránh bị quá tải trong
trường hợp đột biến lớn (burstiness>>1)
-
24-

Hướng nghiên cứu tiếp theo
• Đối với cơ chế điều khiển đăng nhập dựa trên các mức ưu
tiên được trình bày trong luận án mới là bước đầu trong việc
xây dựng một thuật toán điều khiển, trong tương lai phân tích
toán học và mô phỏng sẽ được phát triển cho hệ thông với
môi trường di động không đồng nhất, các lưu lượng hỗn hợp
được tạo ra từ các nguồn lưu lượng d
i động với tốc độ di
chuyển thay đổi (mô phỏng với các môi trường như đường
cao tốc hay trong một khu công nghiệp- tốc độ người đi bộ).
• Cơ chế điều khiển đăng nhập kết hợp với SLA đã đề xuất
biện pháp điều khiển dựa trên điều khiển các bộ đệm phụ
thêm cho các mức SLA, trong tương lai

sẽ phát triển phương
pháp thống nhất tham số SLA toàn hệ thống (SLA giữa
mạng-mạng và người sử dụng-mạng) để đảm bảo hỗ trợ tối
đa giữa các mức.
• Đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng lõi là vấn đề lớn còn
rất nhiều tồn tại. Tuy đã đề xuất biểu diễn toán học đối với
môi trường hỗn hợp,
tuy nhiên khả năng áp dụng để điều
khiển mạng là khó khăn do yêu cầu năng lực tính toán cao và
thời gian tính toán dài. Trong tương lai phương pháp rút gọi
toán học với một số các điều kiện biên để giảm tính hỗn hợp
của nguồn lưu lượng sẽ được nghiên cứu. Việc áp dụng các
cơ chế định tuyến và điều khiển lưu lượng của mạn
g MPLS
cũng sẽ được phát triển. Bên cạnh đó khả năng cân bằng lưu
lượng của MPLS có thể được ứng dụng để nâng cao hiệu suất
sử dụng mạng tránh tắc nghẽn.