các ph-ơng pháp giám sát kênh truyền vô tuyến và ứng dụng trong quản lý chất l-ợng dịch vụ cho mạng di động các thế hệ tiếp theo

1
Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật Quân sự
------------------------------------

Vũ văn hiển

Nghiên cứu
các phơng pháp giám sát kênh truyền vô
tuyến và ứng dụng trong quản lý chất lợng
dịch vụ cho mạng di động các thế hệ tiếp theo

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Hà Nội - năm 2005


2
Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật Quân sự
------------------------------------

Vũ văn hiển

Nghiên cứu

các phơng pháp giám sát kênh truyền vô
tuyến và ứng dụng trong quản lý chất lợng
dịch vụ cho mạng di động các thế hệ tiếp theo

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin liên lạc

Mã số: 2.02.03

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học:

PGS.TS. Võ Kim

Hà Nội - năm 2005


3
Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật Quân sự
--------------------------------------

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Tên đề tài: Nghiên cứu các phơng pháp giám sát kênh

truyền vô tuyến và ứng dụng trong quản lý chất lợng

dịch vụ cho mạng di động các thế hệ tiếp theo .
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin liên lạc

Mã số: 2.02.03
Ngày giao đề tài luận văn: 21.10.2004

Ngày hoàn thành luận văn: 16.05.2005

Ngời thực hiện: Vũ Văn Hiển

Cấp bậc: Đại úy

Lớp: Cao học Kỹ thuật VTĐT & TTLL

Khoá: 15

Hệ đào tạo Sau Đại học ( tập trung)
Cán bộ hớng dẫn:
Họ và tên: Võ Kim

Cấp bậc: Đại tá

Học hàm, học vị: PGS, TS

Đơn vị công tác: Khoa VTĐT, HVKTQS

Hà Nội - năm 2005


4

Mục lục

Trang phụ bìa
Danh mục các chữ viết tắt
Mục lục
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Danh mục các bảng biểu
Lời mở đầu.......................................................................................................1
Chơng I: Tổng quan về dịch vụ và chất lợng dịch vụ của các hệ thống
thông tin............................................................................................................4
1.1. Giới thiệu................................................................................................4
1.2. Mục tiêu của luận văn............................................................................7
1.3. Nội dung của luận văn...........................................................................7
Chơng II: Khái quát về sự phát triển của thông tin di động và hệ thống
di động GSM....................................................................................................9
2.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến di động...........................9
2.1.1. Lịch sử phát triển của thông tin di động......................................9
2.1.1.1. Hệ thống thông tin di động tế bào........................................10
2.1.1.2. Sự khác biệt với các hệ thống thông tin khác.......................10
2.1.1.3. Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống thông tin di động tế bào11
2.1.2. Xu hớng phát triển của điện thoại di động................................13
2.1.2.1. Những hệ thống truy cập vô tuyến trong tơng lai cho những
dịch vụ kết hợp với sự quản lý nguồn tài nguyên mt cách mềm dẻo......16
2.1.2.2. Bớc tiến tới công nghệ di động 4G......................................18
2.2. Khái quát về hệ thống GSM..................................................................19
2.2.1. Khái niệm về công nghệ GSM......................................................19
2.2.2. Cấu trúc và thành phần của mạng GSM.....................................20
2.2.2.1. Cấu trúc tổng thể......................................................................20
2.2.2.2. Các thành phần của mạng....................................................21

5
2.2.3. Dịch vụ GPRS..............................................................................22
2.2.3.1. Các dịch vụ dữ liệu hiện tại trong mạng GSM.....................22
2.2.3.2. Thị trờng và viễn cảnh........................................................22
2.2.3.3. Cấu trúc cơ bản hệ thống GPRS...........................................26
Chơng III: Cơ sở nền tảng về dịch vụ và chất lợng dịch vụ..................27
3.1. ứng dụng và dịch vụ.............................................................................27
3.2. Chất lợng dịch vụ QoS........................................................................30
3.2.1. Các định nghĩa về chất lợng dịch vụ.........................................30
3.2.2. Phân lớp QoS..............................................................................32
3.2.3. Các nguyên tắc bảo đảm QoS.....................................................33
3.3. Các kiến trúc hỗ trợ QoS......................................................................35
3.3.1. Các kiến trúc QoS cho truyền thông đa phơng tiện...................35
3.3.2. Các kiến trúc QoS cho Internet...................................................37
3.3.3. Các mô hình QoS cho mạng vô tuyến di động.............................40
3.4. Tác động của môi trờng vô tuyến và sự di động đến chất lợng
dịch vụ.........................................................................................................43
3.4.1. Lỗi bít vô tuyến ( Bit Error Rate BER ).......................................43
3.4.2. Sự dao động củta kênh truyền vô tuyến.......................................43
3.4.3. Sự di động....................................................................................44
3.4.4. Kết nối với mạng cố định............................................................45
3.4.5. Băng thông kênh truyền thấp.......................................................46
3.4.6. Một số vấn đề khác......................................................................46
3.5. Kết luận chơng III...............................................................................47
Chơng IV: Nghiên cứu các phơng pháp giám sát kênh truyền
vô tuyến..........................................................................................................49
4.1. Giới thiệu chung....................................................................................49
4.2. Tổng quan một số kỹ thuật giám sát.....................................................49
4.2.1. Giám sát RTT...............................................................................49

4.2.2. Giám sát RTO..............................................................................50
4.2.3. Giám sát tổn thất.........................................................................51


6
4.2.4. Giám sát băng thông....................................................................51
4.2.4.1. Giới thiệu chung...................................................................51
4.2.4.2. Mô hình một gói ( One Packet Model).................................52
4.2.4.3. Mô hình cặp gói ( Packet Pair Model )................................58
4.2.4.4. Mô hình chuỗi gói ( Packet Train Model)............................60
4.2.5. Giám sát kênh truyền vô tuyến....................................................62
4.2.5.1. Giới thiệu chung...................................................................62
4.2.5.2. giải pháp giám sát kênh truyền vô tuyến dựa trên tỷ lệ tổn
thất gói tin.............................................................................................64
4.2.5.3. Giải pháp giám sát kênh truyền vô tuyến dựa trên trao đổi
RTS/CTS............................................................................................66
4.3. Mô hình tổng quát giám sát băng thông và kênh truyền vô tuyến........70
4.3.1. Giám sát tốc độ luồng..................................................................71
4.3.2. Giám sát băng thông vô tuyến.....................................................76
4.3.3. Giám sát trạng thái kênh vô tuyến...............................................78
4.3.4. Đánh giá kết quả mô hình giám sát kênh....................................78
4.4. Kết luận chơng IV...............................................................................81
Chơng V: Mô hình lập lịch hỗ trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh truyền
vô tuyến..........................................................................................................83
5.1. Giới thiệu chung....................................................................................83
5.2. Một số vấn đề của lập lịch bình đẳng...................................................84
5.3. Phân tích bộ lập lịch vô tuyến..............................................................86
5.4. Bộ lập lịch gói vô tuyến ( Packetized Wireless Scheduler PWS ).........91
5.5. Mô tả bộ lập lịch gói vô tuyến..............................................................93
5.5.1. Giám sát băng thông và trạng thái kênh truyền vô tuyến............93

5.5.2. Chức năng điều khiển..................................................................94
5.6. Kết quả đánh giá mô hình lập lịch có giám sát kênh truyền
vô tuyến........................................................................................................95
5.7. Kết luận chơng V................................................................................98


7
Chơng VI: Mô hình quản lý chất lợng dịch vụ trên cơ sở giám sát kênh
truyền vô tuyến..............................................................................................99
6.1. Giới thiệu chung....................................................................................99
6.2. Tổng quan về mô hình..........................................................................99
6.3. Mô tả mô hình quản lý QoS...............................................................100
6.3.1. Kết hợp giám sát kênh truyền vô tuyến với bộ lập lịch.............100
6.3.2. Kết hợp giám sát kênh truyền vô tuyến với quản lý bộ đệm......102
6.4. Kết luận chơng VI.................................................................................104
Kết luận và hớng phát triển tiếp của luận văn.......................................105
Tài liệu tham khảo.......................................................................................106


8
danh mục các Chữ viết tắt

Chữ
viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng việt

1G

1nd Generation of mobile wireless

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1

network
2G

2nd Generation of mobile wireless

Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

network
3G

3nd Generation of mobile wireless

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

network
4G

4nd Generation of mobile wireless

Hệ thống thông tin di động thế hệ 4

network
ACK

Acknowledgement

ATM

Asynchronous Transfer Mode

AOA

Angle of Arrival

BER

Bit Error Rate

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

CCI

Co-Channel Interference

CBQ

Class-Based Queueing

CDMA

Code Division Multi-Access

CDPD

Cellular Digital Packet Data

CIF-Q

Channel Independent Fair

CIR

Carrier to Interference Ratio

DSP

Digital Signal Processor

DSSS

Direct Sequence Spectrum Spread

FSK

Frequency Shift Keying

Xác nhận
Chế độ truyền dẫn dị bộ
Góc tới
Tỉ lệ lỗi bít
Phơng thức truy nhập đa sóng
Giao thoa đồng kênh
Truy vấn tự động

Dịch vụ tốc độ bít cố định
Đa truy cập phân chia theo mã
Số liệu gói tế bào
Tỉ số sóng mang trên can nhiễu
Bộ xử lý tín hiệu số
Trải phổ chuỗi trực tiếp
Kỹ thuật điều chế khóa dịch tần


9

FDMA

Frequency Division Multi-Access

Đa truy nhập phân chia tần số

FER

Frame Error rate

Tỉ số lỗi khung

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động

Communication

toàn cầu

IMT2000 International Mobile

Tiêu chuẩn viễn thông di động

Telecommunications 2000

quốc tế 2000

IP

Internet Protocol

Thủ tục Internet

IPv4

Internet Protocol Version 4

Thủ tục Internet phiên bản thứ 4

IPv6

Internet Protocol Version 6

Thủ tục Internet phiên bản thứ 6

ITU-T

Telecommunication

Bộ phận tiêu chuẩn hóa về viễn

Standardization Sector of ITU

thông của ITU

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập trung gian

MUD

Multi-User Detection

Phát hiện nhiều ngời sử dụng

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

QoS

Quality of Service

Chất lợng dịch vụ

RTCP

Real-time Control Protocol

Thủ tục điều khiển thời gian thực

RTO

Retransmission Time-Out

Thời gian truyền dẫn

RTP

Real-Time Transport Protocol

Thủ tục truyền dẫn thời gian thực

RTT

Round Trip Time

Kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến

SIR

Signal to noise Interference Ratio

Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu

SLS

Signalling Link Selection

Lựa chọn kết nối báo hiệu

SMS

Short Message Service

Dịch vụ bản tin ngắn

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

TCP

Transport Control Protocol

Thủ tục điều khiển truyền dẫn

TDMA

Time Division Multi-Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gói dữ liệu ngời sử dụng


10

Universal Mobile

HÖ thèng viÔn th«ng di ®éng

Telecommunication Systems

toµn cÇu

UL

Uplink

§−êng lªn

WAP

Wireless Application Protocol

Thñ tôc øng dông kh«ng d©y

WSF

Wokstation System Function

Chøc n¨ng tr¹m lµm viÖc

WLAN

Wireless LAN

M¹ng kh«ng d©y néi bé

UMTS


11
danh mục các Hình vẽ, đồ thị

Hình 2.1

Dạng Cell của hệ thống di động tế bào

10

Hình 2.2

Mô hình một hệ thống di động trên nền IP

17

Hình 2.3

Quá trình phát triển của hệ thống dao động từ 1G đến 4G

19

Hình 2.4

Cấu trúc chung của GSM

20

Hình 2.5

Mô hình mạng GSM

21

Hình 2.6

Các dịch vụ dữ liệu của GSM pha 2+

25

Hình 2.7

Cấu trúc hệ thống GPRS

26

Hình 3.1

Liên hệ giữa dịch vụ và ứng dụng

28

Hình 3.2

Tốc độ, trễ và tỷ lệ tổn thất của các ứng dụng

28

Hình 3.3

Các mức QoS

33

Hình 3.4

Sự phân loại các mô hình đề nghị trong Internet

40

Hình 3.5

Phân loại các tiếp cận chính cho QoS vô tuyến

42

Hình 4.1

Mô tả giám sát băng thông- mô hình một gói

53

Hình 4.2

Phân bố giá trị RTT theo kích thớc gói

55

Hình 4.3

Một mẫu đo không tuân theo phân bố thông thờng

57

Hình 4.4

Một mẫu đo với hai nhóm giá trị RTT

58

Hình 4.5

Độ tách rời cặp gói

58

Hình 4.6

Biểu đồ đo băng thông qua 1000 gói đo trên kênh truyền
100 Mbps

60

Hình 4.7

Mô tả đo băng thông - mô hình nhiều gói

61

Hình 4.8

Mô hình kênh và các trờng hợp tiên đoán

68

Hình 4.9

Mô tả kỹ thuật giám sát

73

Hình 4.10

Tiên đoán băng thông cấp phát cho luồng i

73

Hình 4.11

Giám sát tốc độ nguồn CBR

79

Hình 4.12

Giám sát tốc độ nguồn mũ On/Off

79

Hình 4.13

Giám sát tốc độ nguồn ON/OFF Pareto

80

Hình 4.14

Giám sát tốc độ nguồn TCP/RENO

81

Hình 5.1

So sánh WFQ và PWS 1

88


12
Hình 5.2

So sánh WFQ và PWS 2

89

Hình 5.3

Bù dịch vụ

92

Hình 5.4

Giám sát băng thông và kênh vô tuyến trong bộ lập lịch

94

Hình 5.5

Mô hình đánh giá của PWS

95

Hình 5.6

WFQ

96

Hình 5.7

PWS

96

Hình 5.8

PWS với 2 luồng UDP và 1 luồng FTP

97

Hình 5.9

Chỉ số bình đẳng của 3 luồng UDP với trọng số khác nhau

97

Hình 6.1

Mô hình quản lý QoS trên cơ sở giám sát kênh

99

Hình 6.2

Kết hợp lập lịch lu lợng (hớng lên )

101

Hình 6.3

Kết hợp với quản lý bộ đệm ( hớng xuống )

103

Danh mục các Bảng biểu

Bảng 4.1

Các chuẩn WLAN

64

Bảng 4.1

Kết hợp các sự kiện đối với việc phát một gói dữ liệu DATA 67

13

Lời nói đầu
Các mạng viễn thông ở nhiều quốc gia trên thế giới phát triển ngày càng
nhanh, các sản phẩm mới đợc các nhà cung cấp tung ra thị trờng ngày càng
nhiều, chúng đợc trang bị nhiều phần mềm có khả năng hỗ trợ nhiều thiết bị
khác nhau. Môi trờng mạng viễn thông càng phức tạp, đa dạng và có tính
cạnh trang cao. Các mạng còn có đặc trng khác nhau, chồng chéo nhiều tầng
lớp và dịch vụ. Các yếu tố này làm tăng chi phí quản lý mạng (chi phí hoạt
động vợt cả chi phí về vốn). Điều này trở thành mối quan tâm chính của
nhiều tập đoàn, nhà khai thác viễn thông, nhà cung cấp thiết bị và các tổ chức
tiêu chuẩn hóa.
Trong những năm qua, cùng với sự gia tăng của các dịch vụ đa phơng
tiện ( Multimedia) và Internet, mạng viễn thông đã có những bớc tiến triển
vợt bậc đánh dấu bằng sự ra đời của các hệ thống thông tin di động thế hệ
mới . Mạng máy tính và mạng thông tin di động đã và sẽ không còn có
khoảng cách trong tơng lai. Thông tin di động là một dịch vụ kinh doanh
không thể thiếu đợc ở hầu hết các nhà khai thác viễn thông trên thế giới.
Thông tin di động là một phơng tiện liên lạc càng không thể thiếu trong thời
đại kinh tế thị trờng năng động (mọi lúc, mọi nơi). Từ các máy thuê bao di
động, ngời dùng có thể truy cập đợc mọi thông tin trên Internet, có thể
truyền tải thông tin đa phơng tiện vv.... ngoài các dịch vụ tiếng nói trớc đây.
Việc hòa nhập Internet và các hệ thống di động mới cho phép các nhà khai
thác mạng thông tin di động thừa hởng mọi thành quả, mọi ứng dụng đã sẵn
có cho Internet . Chính vì vậy, Internet đã đợc xem là chìa khóa cho sự thành
công và phát triển của mạng di động thế hệ mới và tiếp theo.
Do đó, việc hòa nhập Internet và mạng di động thế hệ tiếp theo cũng
nảy sinh nhiều vấn đề thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề còn
cần phải giải quyết đố là việc quản lý chất lợng dịch vụ. Ngay bản thân

Internet hiện nay cũng chỉ cung cấp dịch vụ Best-effort (nỗ lực tối đa), nghĩa là
không bảo đảm chất lợng dịch vụ. Trong khi đó các ứng dụng ngày càng đa dạng,


14
có các đặc tính khác nhau và yêu cầu chất lợng dịch vụ hết sức khác nhau. Đối
với các ứng dụng đa phơng tiện, nhiều vấn đề lại rất khắt khe. Mặt khác, vấn đề
hỗ trợ chất lợng dịch vụ lại càng trở lên nan giải hơn trong môi trờng mạng vô
tuyến với điều kiện truyền tải có thể rất khắc nghiệt nh nhiễu cao, fading, đờng
truyền biến đổi theo điều kiện môi trờng.... Vì vậy có thể dẫn đến lỗi bít
tăng cao.
Chính vì những lý do đó, vấn đề quản lý chất lợng dịch vụ trong môi
trờng mạng di động thế hệ mới đã và đang trở thành đề tài nóng bỏng. Đây
cũng chính là phạm vi nghiên cứu đặt ra trong bản luận văn này. Do xác định
yếu tố cơ bản tác động vào chất lợng dịch vụ chính là điều kiện môi trờng
vô tuyến, luận văn này đặt ra vấn đề nghiên cứu các phơng pháp giám sát
kênh truyền và nghiên cứu xem xét việc ứng dụng chúng vào một mô hình kết
hợp nhằm hỗ trợ việc quản lý chất lợng dịch vụ cho mạng di động hiện tại và
các mạng tiếp theo .
Luận văn gồm 6 chơng :
Chơng I: Tổng quan.
Chơng này nêu Khái quát về sự phát triển và những đặc trng cơ bản
của điện thoại di động và những xu hớng phát triển tơng lai của điện thoại
đi động. Vấn đề quản lý chất lợng dịch vụ trong mạng di động thế hệ mới và
đặt ra vấn đề nghiên cứu của bài toán .
Chơng II: Giới thiệu chung về các hệ thống thông tin di động thế hệ
mới, tiếp theo và hệ thống thông tin GSM.
Chơng III: Nghiên cứu cơ sở nền tảng về dịch vụ và chất lợng dịch
vụ. Chơng này giới thiệu chung về khái niệm, đặc tính dịch vụ và chất lợng
dịch vụ, các kiến trúc hỗ trợ QoS, ảnh hởng của môi trờng vô tuyến đến

chất lợng dịch vụ của mạng di động.
Chơng IV: Nghiên cứu các phơng pháp giám sát kênh truyền vô
tuyến. Chơng này tập trung phân tích, đánh giá một số kỹ thuật giám sát các
tham số kênh truyền, giám sát băng thông, giám sát kênh và trình bày một số
mô hình tổng quát cho giám sát băng thông và kênh truyền vô tuyến .


15
Chơng V: Mô hình lập lịch hỗ trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh
truyền vô tuyến. Chơng này nghiên cứu và phân tích một mô hình lập lịch hỗ
trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến .
Chơng VI: Nghiên cứu mô hình quản lý chất lợng dịch vụ trên cơ sở
giám sát kênh truyền vô tuyến. Chơng này nghiên cứu khả năng ứng dụng
các phơng pháp giám sát trong một mô hình kết hợp nhằm đảm bảo việc hỗ
trợ quản lý chất lợng dịch vụ trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến .
Cuối cùng là phần kết luận và hớng phát triển tiếp của luận văn này .
Do hạn chế về thời gian cũng nh khả năng có hạn, trong luận văn này
có những thiếu sót, những hạn chế là không thể tranh khỏi. Tôi rất mong nhận
đợc những ý kiến đóng góp để bản luận văn này hoàn thiện hơn và có thể
đa vào áp dụng thực tế để nâng cao chất lợng dịch vụ các thế hệ điện thoại
di động đang khai thác và triển vọng sắp tới .
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo Phó Giáo s Tiến sỹ Võ Kim, Phó Giáo s-Tiến sỹ Đinh Thế Cờng, và các thầy cô trong
Khoa Vô tuyến điện tử trờng HVKTQS đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo
điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này.


16
Chơng I :
tổng quan về dịch vụ và chất lợng dịch vụ
của các hệ thống thông tin

1.1. Giới thiệu
Nh chúng ta đã thấy hai xu thế nổi bật có thể nhận thấy rõ ràng trong
mời năm qua và những năm tiếp theo là :
1) Sự bùng nổ của Internet với sự phát triển nhanh chóng và đa dạng
các loại hình dịch vụ đa phơng tiện.
2) Sự phát triển nhanh chóng của truyền thông vô tuyến di động trên
toàn cầu.
Sự hội tụ của các xu hớng này sẽ đa đến viễn cảnh một mạng đa
phơng tiện toàn cầu. Mục đích của nó nhằm hợp nhất việc cung cấp và hỗ trợ
các loại hình dịch vụ và ứng dụng. Trong mạng này, ngời sử dụng có thể truy
cập tất cả các loại hình dịch vụ với bất kỳ ở đâu và vào thời gian nào. Các hệ
thống di động thế hệ mới nh các hệ thống thế hệ thứ ba 3G, thứ t 4G.... đợc
phát triển hớng tới mục đích này.
Sự hội tụ này sẽ mang lại một thị trờng tiềm năng cho các nhà cung
cấp dịch vụ và mang đến nhiều thuận lợi cho ngời sử dụng, nhng nó cũng
tạo ra những thách thức nghiêm ngặt, khắt khe cho các nhà thiết kế các hệ
thống. Các kỹ thuật phát triển trong công nghệ vô tuyến và thiết bị xách tay
cho phép mạng di động thế hệ mới hỗ trợ các ứng dụng bao gồm các ứng dụng
đa phơng tiện, y tế, du lịch, giáo dục, thơng mại điện tử, thơng mại di
động và một số ứng dụng mới trên cơ sở QoS. Tuy nhiên, việc hỗ trợ các ứng
dụng này ở một chất lợng dịch vụ chấp nhận đợc là rất khó khăn và là một
nhiệm vụ đầy thách thức.
Chất lợng dich vụ (Quality of Service QoS) đợc xem là khả năng của
mạng để hỗ trợ các yêu cầu ứng dụng của ngời sử dụng và đảm bảo rằng các
tham số nh: trễ (delay), trôi trễ (Jitter), thông lợng (througput)/băng thông
(bandwidth) và tổn thất lu lợng (loss) đợc thỏa mãn. Ví dụ, các ứng dụng


17

thời gian thực nh tiếng nói và video có yêu cầu nghiêm ngặt về trễ, trôi trễ và
tổn thất. Nếu các gói của ứng dụng này đến quá trễ, chúng là vô ích và sẽ bị
hủy bỏ. Nh thế, chất lợng dịch vụ bị giảm cấp và ứng dụng không thể dùng
đợc. Trong khi nhiều ứng dụng đa phơng tiện ngày nay đợc thiết kế để
chịu đựng một vài sự giảm cấp QoS, nó vẫn mong muốn rằng mạng cung cấp
dự báo bảo đảm QoS bên trong một giới hạn chấp nhận đợc. Vì các yêu cầu
của ứng dụng là khác nhau và QoS thực tế phụ thuộc vào sự quan tâm của các
ứng dụng riêng biệt, QoS có thể đợc hiểu là khả năng của mạng để phân biệt
dịch vụ. Hỗ trợ các loại ứng dụng với các đặc tính lu lợng và yêu cầu QoS
rất khác nhau liên quan đến bảo đảm chất lợng thực thi và sự phân biệt dịch
vụ là một nhiệm vụ thách thức đối với việc thiết kế mạng.
Quản lý tài nguyên đóng vai trò chính trong việc cung cấp QoS. Tài
nguyên hạn chế của mạng (băng thông, bộ đệm) nên đợc phân phối một cách
bình đẳng cho các ứng dụng cạnh tranh để các yêu cầu QoS đợc thỏa mãn.
Rõ ràng rằng các cơ chế kiểm soát QoS liên quan chặt với quản lý tài nguyên
là điều kiện cần thiết trong mạng để thỏa mãn các mục tiêu thiết kế mạng: bảo
đảm chất lợng thực thi, phân biệt dịch vụ, phân phối tài nguyên mạng bình
đẳng trong khi sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng.
Có nhiều vấn đề ảnh hởng đến bảo đảm QoS cho các ứng dụng bao
gồm sự đồng nhất về mạng, về ứng dụng, về giao thức và các tính chất đặc biệt
của môi trờng mạng vô tuyến nh băng thông, điều kiện kênh truyền biến
đổi, sự di động, băng thông kênh truyền thấp, vấn đề thực thi thấp của các đầu
cuối di động, điều kiện môi trờng....
Các mạng di động thế hệ trớc ( 1G, 2G ) đợc thiết kế trên công nghệ
chuyển mạch kênh, trong khi mạng di động thế hệ mới và tiếp theo sẽ đợc
xây dựng trên công nghệ chuyển mạch gói dựa trên cơ sở IP, nhằm hòa nhập
với mạng Internet, loại bỏ sự bất đồng về mạng và cung cấp một phạm vi rộng
các dịch vụ cho ngời sử dụng. Tuy nhiên, chuyển mạch gói có điểm bất lợi
trong việc kiểm soát QoS và kiểm soát tắc nghẽn.

18
Cho đến bây giờ đã có nhiều kỹ thuật mạng hỗ trợ QoS cho mạng
chuyển mạch gói. Ví dụ nh ATM, Subnet Band Width Manager (SBM) và
UMTS. Mặc dù các kỹ thuật này có một vài điểm thuận lợi, song chúng không
thể đợc triển khai nếu không có một vài cơ chế kiểm soát để tránh tắc nghẽn,
để bảo đảm QoS riêng biệt. Đó là lý do tại sao có nhiều mô hình và kiến trúc
QoS đợc đề nghị trong một vài năm qua. Trong số chúng, hai mô hình cho
Internet là đợc chú ý: đó là mô hình IntServ (Integrated Service) và mô hình
DiffServ (Differentiated Service). Tuy nhiên hai mô hình này vẫn còn một vài
vấn đề. Ví dụ, sự phức tạp của mô hình IntServ và tính hạt trong sự phân biệt
dịch vụ của mô hình DiffServ. Do những lý do này mà Internet hiện thời
không hỗ trợ QoS. Internet đối sử các gói của các ứng dụng theo các cách
giống nhau, có nghĩa không bảo đảm sự thực thi và không phân biệt dịch vụ.
Chỉ có một dịch vụ đợc cung cấp cho tất cả các ứng dụng: Đó là Best-effort.
Các kiến trúc và cơ chế hỗ trợ QoS mới sẽ vẫn đợc tiếp tục phát triển trong
tơng lai.
Các mô hình và kiến trúc QoS dựa trên hai nguyên tắc chính:
1) Hỗ trợ QoS trong ứng dụng sử dụng sự thích nghi của ứng dụng.
2) Hỗ trợ QoS trong mạng và thiết bị đầu cuối sử dụng cấp phát tài
nguyên trong mạng.
Một số cơ chế kiểm soát QoS đợc thực hiện trong kiểm soát chấp nhận
kết nối, giữ trớc tài nguyên, định tuyến trên cơ sở QoS, điều độ lu lợng, lập
lịch lu lợng, quản lý bộ đệm, kiểm soát luồng và tắc nghẽn, duy trì QoS....
Một vài cơ chế này đợc xem xét nh là các thành phần chính của một kiến
trúc QoS có thể.
Các cơ chế kiểm soát QoS đợc thiết kế cho mạng cố định (hữu tuyến)
nh Internet không thể áp dụng trực tiếp cho mạng vô tuyến do các đặc tính
khác biệt của phơng tiện truyền dẫn. Ví dụ tổn thất trong mạng hữu tuyến
chủ yếu là do tắc nghẽn. Điều đó là không đúng trong mạng vô tuyến. Hơn

nữa một vài vấn đề nh điều kiện môi trờng, sự di động...., ảnh hởng đến
việc bảo đảm QoS trong mạng vô tuyến. Do đó mô hình QoS cần phải đợc


19
thiết kế lại trong ngữ cảnh của mạng vô tuyến. Sự điều chỉnh này là cần thiết
nhằm giải quyết các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng dịch vụ của các ứng
dụng qua môi trờng vô tuyến.
Các kiến trúc hỗ trợ QoS cần phải đa ra câu trả lời cho các câu hỏi
chính nh :
1) Nguồn gây ra suy giảm QoS là gì ?
2) Các nguồn này có thể đợc giám sát và tiên đoán nh thế nào (các
thủ tục giám sát ) ?
3) Các phản ứng phù hợp nào của hệ thống sẽ diễn ra (các thủ tục điều
khiển ) ?
4) Các phản ứng này nên đợc thực hiện khi nào (các thủ tục quyết định) ?
Nh vậy, trong các kiến trúc hỗ trợ QoS cần có các cơ chế kiểm sát
QoS, kiểm soát các nguồn gây ra suy giảm QoS nhằm điều chỉnh chất lợng
dịch vụ.
1.2. Mục tiêu của luận văn.
Đối với môi trờng vô tuyến, yếu tố cơ bản tác động chất lợng dịch vụ
chính là điền kiện môi trờng vô tuyến. Do đó, việc giám sát đánh giá chất
lợng kênh truyền vô tuyến ( Băng thông, trạng thái ) có một ý nghĩa hết sức
quan trọng trong việc xây dựng các mô hình/kiến trúc hỗ trợ QoS.
Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu, phân tích các phơng pháp
giám sát kênh truyền vô tuyến liên quan đến vấn đề chất lợng dịch vụ của
các thế hệ điện thoại di động; nghiên cứu kết hợp các phơng pháp đó trong
một mô hình quản lý chất lợng dịch vụ phù hợp với điều kiện môi trờng
nhằm đạt đợc dịch vụ chấp nhận đợc cho các ứng dụng cũng nh tận dụng
hiệu quả tài nguyên của mạng vô tuyến.

1.3. Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn đợc tổ chức nh sau:
Chơng I: Tổng quan. Chơng này giới thiệu những đặc trng cơ bản
của mạng di động thế hệ mới, vấn đề quản lý chất lợng dịch vụ trong mạng
di động thế hệ mới và đặt ra vấn đề cần nghiên cứu của bài toán.


20
Chơng II: Giới thiệu chung về các hệ thống thông tin di động thế hệ
mới, tiếp theo và hệ thống thông tin GSM.
Chơng III: Cơ sở nền tảng về dịch vụ và chất lợng dịch vụ. Chơng
này giới thiệu chung về khái niệm, đặc tính dịch vụ và chất lợng dịch vụ, các
kiến trúc QoS, ảnh hởng của môi trờng vô tuyến đến chất lợng dịch vụ.
Chơng IV: Nghiên cứu các phơng pháp giám sát kênh truyền vô
tuyến. Chơng này tập trung phân tích, đánh giá một số kỹ thuật giám sát các
tham số kênh truyền, giám sát băng thông, giám sát kênh và trình bày một mô
hình tổng quát cho giám sát băng thông và kênh truyền vô tuyến.
Chơng V: Mô hình lập lịch hỗ trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh
truyền vô tuyến. Chơng này nghiên cứu, phân tích một mô hình lập lịch hỗ
trợ QoS trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến.
Chơng VI: Mô hình quản lý chất lợng dịch vụ trên cơ sở giám sát
kênh truyền vô tuyến. Chơng này nghiên cứu khả năng ứng dụng các phơng
pháp giám sát trong một mô hình kết hợp nhằm đảm bảo việc hỗ trợ quản lý
chất lợng dịch vụ trên cơ sở giám sát kênh truyền vô tuyến.
Cuối cùng là phần kết luận và hớng phát triển tiếp.


21
Chơng II
Khái quát về sự phát triển của thông tin

vô tuyến di động và hệ thống di động GSM

2.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến di động.
2.1.1. Lịch sử phát triển của thông tin di động .
Năm 1880, nhà bác học Hertz là ngời đầu tiên đa ra trình diễn về
thống tin vô tuyến. Sau đó vào năm 1897, Marconi đã thực hiện thu phát giữa
2 máy thu phát cách xa nhau (18 dặm) và vừa liên lạc vừa di chuyển . Năm
1921 thông tin di động đã đợc ứng dụng ở sở cảnh sát Detroit, sử dụng
truyền thông tin qua đờng vô truyến giữa các xe ô tô (trên băng tần 2 MHz).
Năm 1932 cảnh sát thành phố Nework đã thiết lập đợc một mạng thông tin
di động tơng đối hoàn chỉnh (sử dung băng tần 2 MHz). Tại thời điểm này do
công nghệ còn kém nên thiết bị to và cồng kềnh, chất lợng kém. Tuy nhiên
do u điểm của thông tin di động nên nó đợc sử dụng ở rất nhiều các lĩnh vực
nh quân sự, cảnh sát, cứu thơng, cứu hoả..... Chất lợng thông tin di động
hồi đó rất kém. Đó là do đặc tính truyền sóng vô tuyến làm cho tín hiệu thu
đợc là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu đã đợc phát đi, khác nhau
cả về biên độ, pha và thời gian trễ. Tổng vectơ của các tín hiệu này làm cho
đờng bao tín hiệu thu đợc bị thăng giáng rất mạnh và nhanh, nhất là khi
trạm thông tin di động di chuyển thì mức tín hiệu thu thờng bị thay đổi lớn
và nhanh làm cho chất lợng thoại suy giảm trông thấy. Tất nhiên tất cả các
đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại, song hồi đó chống lại chúng là
bằng kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai. Mặc dầu vậy năm 1947 phòng thí
nghiệm Bell Lab ở Mỹ đã thai nghén ý đồ về một mạng tế bào. Thời kỳ ấp ủ
đó phải chờ đợi các phát triển cần thiết trong công nghệ. Chỉ tới khi có các
mạch tích hợp thiết kế đợc một cách tuỳ chọn, các bộ vi xử lý, các mạch tổ
hợp tần số, các công nghệ chuyển mạch phát triển (nhanh và dung lợng lớn),
mạng vô tuyến tế bào mới trở thành hiện thực vào đầu thập kỷ 80.


22

2.1.1.1. Hệ thống thông tin di động tế bào.
Một trong những hệ thống thông tin di động hiện nay là hệ thống thông
tin di động số cellular sử dụng kỹ thuật GSM. Từ cellular xuất phát từ từ
cell có nghĩa là tế bào. Hệ thống thông tin di động cung cấp các dịch vụ viễn
thông khác nhau cho thuê bao với 2 đặc điểm nổi bật là thuê bao có thể di
chuyển không giới hạn từ nơi này tới nơi khác ngay cả khi đang tiến hành cuộc
gọi. Hệ thống bao gồm trạm cố định (trạm gốc - BTS) đợc triển khai ở trung
tâm, triển khai trên những cột tháp cao và trạm di động (máy cần tay -MS)
Kết nối giữa MS và BTS là kết nối vô tuyến. Mọi vấn đề kỹ thuật của hệ
thống đều xuất phát từ 2 đặc điểm này. Hệ thống thông tin này đợc gọi là hệ
thống thông tin di động cellular vì toàn bộ vùng phủ sóng của hệ thống đợc
chia thành từng cell nhỏ. Trong một cell có một BTS. Các MS thực chất không
kết nối với nhau mà khi nằm trong cell nào sẽ kết nối trực tiếp với BTS của
cell đó. Việc kết nối từ MS tới MS khác hay là thuê bao thuộc mạng khác
đợc BTS kết hợp với các thành phần khác của hệ thống đảm nhiệm. Dạng cell
đợc minh họa trong hình 2.1.

Hình 2.1. Dạng Cell của hệ thống di động tế bào.

2.1.1.2. Sự khác biệt với các hệ thống thông tin khác.
Ngời sử dụng thông thờng (không có chuyên môn) có thể nhầm lẫn
hệ thống thông tin di động số cellular với một số hệ thống thông tin khác. Hệ


23
thống trớc tiên đợc kể đến ở đây là hệ thống thông tin đợc sử dụng cho các
dịch vụ taxi hoặc sử dụng riêng cho cảnh sát. Trong hệ thống này những ngời
sử dụng (là lái xe tắc xi hay cảnh sát) vẫn có thể liên lạc với trung tâm hoặc
với nhau trong khi di chuyển qua giao diện vô tuyến nh với hệ thống thông
tin di động cellular, song thực chất trong hệ thống này không có sự phân chia

cell. Ngời ta đạt đợc mục đích thông tin di động bằng cách phát quảng bá
với công suất càng lớn càng tốt, sử dụng anten càng cao càng tốt. Và thực chất
thì sự di chuyển là có giới hạn. Hệ thống thứ 2 cần so sánh là hệ thống điện
thoại kéo dài (cordless). Với một số máy kéo dài tiên tiến thuê bao có thể di
chuyển trong phạm vi 15 km hoặc hơn, song thực chất khoảng cách này vẫn là
giới hạn và điện thoại kéo dài dựa trên mạng thoại PSTN để kết nối thuê bao
với ngời sử dụng khác. Với mạng thông tin di động cellular, cự li di chuyển
của thuê bao là không bị giới hạn. Ngoài hai hệ thống trên ở một số công
trờng xây dựng cũng có sử dụng một số máy cầm tay di động. Hệ thống này
cũng bị giới hạn bởi khoảng cách. Chính những sự khác biệt giữa mạng thông
tin di động cellular và các mạng thoại khác đã làm nảy sinh rất nhiều vấn đề
kỹ thuật cần giải quyết.
2.1.1.3. Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống thông tin di động tế bào.
Dới đây trình bày sơ lợc một số vấn đề trong thông tin di động. Các vấn để
này đều xuất phát từ 2 đặc trng trên của hệ thống thông tin di động:
+ Qui hoạch và tái sử dụng tần số: Môi trờng vô tuyến rất khắc
nghiệt. Để tránh gây nhiễu lẫn nhau thông thờng các cell lân cận sử dụng các
tần số khác nhau. Hơn thế nữa tài nguyên tần số là hữu hạn. Chính vì vậy với
các cell cách nhau một cự li nhất định thì có thể sử dụng lại tần số. Việc sử
dụng lại tần số có thể theo các mảng mẫu khác nhau. Khi số thuê bao di động
tăng lên, mạng di động sẽ tiến hành chia nhỏ các cell. Việc chia nhỏ có thể
không phải trên tất cả các cell mà chỉ tiến hành với các cell có lu lợng lớn. Khi
đó yêu cầu qui hoạch lại các tần số. Trong thông tin di động cellular qui hoạch


24
và sử dụng lại tần số là một vấn đề quan trọng vì nó liên quan đến hiệu suất
của mạng.
+ Điều khiển công suất: Khác với hệ thống thông tin di động sử dụng mô
hình quảng bá, trong hệ thống thông tin di động cellular mỗi MS nằm trong

cell nào sẽ kết nối trực tiếp với BTS của cell đó qua giao diện vô tuyến. Giao
diện vô tuyến kết nối qua môi trờng không gian luôn chịu ảnh hởng của
hiệu ứng xa gần (nearfar effect), hiệu ứng che lấp (Shadowing effect), hiệu
ứng Doppler. Để đảm bảo chất lợng thông tin hệ thống cần phải điều khiển
công suất sao cho các MS có cự li tới BTS khác nhau sẽ phát với công suất
khác nhau để tín hiệu nhận đợc tại BTS có công suất nh nhau. Có nghĩa là
BTS thay đổi công suất phát phù hợp, để tín hiệu nhận đợc của MS ở cự ly
khác nhau là nh nhau. Việc điều khiển công suất thực chất nhằm làm tối
thiểu mức công suất phát của MS và BTS. Việc giảm nhỏ công suất phát này
nhằm: Giảm nhỏ nhiễu của MS gây ra cho MS khác trong cùng cell và trong
các cell lân cận và giảm nhỏ nhiễu do BTS gây ra cho các BTS ở các cell lân
cận. Điều khiển công suất sẽ khắc phục đợc hiệu ứng xa gần. Khi ở gần BTS,
MS sẽ phát với công suất nhỏ hơn khi nó ở xa MS sử dụng năng lợng của pin.
Việc giảm nhỏ công suất phát sẽ giúp tiết kiệm nguồn năng lợng, kéo dài
thời gian hoạt động.
+ Chuyển giao: Khác với mạng PSTN, thuê bao di động có thể di
chuyển ngay cả khi thực hiện cuộc gọi. Trong quá trình thực hiện cuộc gọi
thuê bao có thể di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của cell hiện tại và sang vùng
phủ sóng của cell mới. Khi đó MS sẽ yêu cầu kết nối với BTS của cell mới. Quá
trình chuyển kết nối từ BTS này sang BTS khác đợc gọi là chuyển giao. Nếu
không thực hiện chuyển giao tốt thì có nguy cơ cuộc gọi bị cắt đứt khi đang
dang dở.
+ Đa truy cập: Tài nguyên tần số để kết nối MS và BTS là có hạn, mặt
khác nhu cầu liên lạc của thuê bao là không thờng xuyên. Chính vì vậy các
kênh tần số đợc cấp phát theo kiểu động. Điều này có nghĩa là các thuê bao
sẽ đợc cấp kênh khi cần thiết và kênh sẽ đợc giải phóng dành cho thuê bao


25
khác khi thuê bao đang sử dụng nó kết thúc cuộc gọi. Nói một cách khác các

kênh tần số đợc sử dụng theo kiểu trung kế. Hệ thống còn đợc gọi là hệ
thống trung kế vô tuyến vì số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn rất nhiều so với số
thuê bao. Điều này đòi hỏi phải có một cách thức quản lý kênh vô tuyến, cấp
phát cho các thuê bao, phân chia kênh vô tuyến này cho các thuê bao theo một
cách nào đó. Kỹ thuật này đợc gọi là đa truy cập.
+ Quản lý di động: Khác với các mạng khác kết nối với thuê bao qua
đờng cáp cố định, mạng thông tin di động kết nối với thuê bao qua đờng vô
tuyến. Thuê bao sẽ di chuyển vì vậy mạng phải có khả năng quản lý, xác định
vị trí của thuê bao.
+ Sớm định thời: Khoảng cách giữa các MS trong một cell với BTS là
khác nhau vì vậy sự trễ truyền dẫn là khác nhau. Chính vì vậy trong suốt quá
trình liên lạc BTS làm chuẩn về mặt thời gian. BTS sẽ liên tục đo sự lệch định
thời các cụm phát đi từ MS. Trên cơ sở đo lờng đó BTS sẽ qui định sớm định
thời của MS cho mỗi MS so với định thời chuẩn.
+ Roaming: Các mạng thông tin di động khác nhau có thể cùng cung
cấp dịch vụ cho một thuê bao xác định khi các nhà cung cấp di động có thể
hợp tác với nhau. Chính nhờ sự hợp tác này mà thuê bao vẫn đợc phục vụ khi
di chuyển đến vùng phủ sóng của một mạng khác. Khả năng mà thuê bao vẫn
thực hiện đợc cuộc gọi khi ở trong vùng phủ sóng của một mạng khác đợc
gọi là Roaming. Việc roaming giữa các mạng sẽ tạo ra một vùng phủ sóng
rộng hơn, đem lại chất lợng phục vụ tốt hơn cho thuê bao.

2.1.2. Xu hớng phát triển của của điện thoại di động.
Những xu hớng phát triển của thông tin di động tiếp theo đa ra
" Cuộc sống sau thế hệ thông tin di động thứ 3 (3G) ". Đó là khi chúng ta
chuyển động hớng về một " Xã hội cơ sở kiến thức chung ", con ngời đang
ngày càng chiếm lĩnh vai trò trung tâm cùng với sự phát triển của kỹ thuật và
dịch vụ nhằm đáp ứng các yêu cầu của họ. Công nghệ nghiên cứu và phát triển
(R&D) đang dần dần đạt đợc một sự thống nhất tự nhiên, xuyên suốt các