Ứng dụng dịch vụ Voip vào trong mạng Wimax

Mặt khác, SIP có thể hoạt động kết hợp với các giao thức báo hiệu khác nhƣ H.323. SIP là một giao thức theo thiết kế mở do đó nó có thể đƣợc mở rộng để phát triển thêm các chức năng mới. Sự linh hoạt của các bản tin SIP cũng cho phép đáp ứng các dịch vụ thoại tiên tiến bao gồm cả các dịch vụ di động. Các thành phần trong mạng: - SIP Client: là thiết bị hỗ trợ giao thức SIP nhƣ SIP phone, chƣơng trình chat,… Đây chính là giao diện và dịch vụ của mạng SIP cho ngƣời dùng. - SIP Server: là thiết bị trong mạng xử lý các bản tin SIP với các chức năng cụ thể nhƣ sau:  Proxy Server: là thực thể trong mạng SIP làm nhiệm vụ chuyển tiếp các SIP request tới thực thể khác trong mạng. Nhƣ vậy, chức năng chính của nó trong mạng là định tuyến cho các bản tin đến đích. Proxy server cũng cung cấp các chức năng xác thực trƣớc khi cho khai thác dịch vụ. Một proxy có thể lƣu (stateful) hoặc không lƣu trạng thái (stateless) của bản tin trƣớc đó. Thông thƣờng, proxy có lƣu trạng thái, chúng duy trì trạng thái trong suốt transaction (khoảng 32 giây).  Redirect Server: trả về bản tin lớp 300 để thông báo thiết bị là chuyển hƣớng bản tin tới địa chỉ khác – tự liên lạc thông qua địa chỉ trả về.  Registrar server: là server nhận bản tin SIP REGISTER yêu cầu và cập nhật thông tin từ bản tin request vào “location database” nằm trong Location Server. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 66 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip  Location Server: lƣu thông tin trạng thái hiện tại của ngƣời dùng trong mạng SIP. Bản tin SIP: Các loại bản tin SIP: - Bản tin yêu cầu (Request): đƣợc gửi từ client tới server. RFC 3261 định nghĩa 6 kiểu bản tin request cho phép UA và proxy có thẻ xác định ngƣời dùng, khởi tạo, sử đổi, hủy một phiên.  Bản tin INVITE: yêu cầu thiết lập một phiên hoặc để thay đổi các đặc tính của phiên trƣớc đó.Trong bản tin này có sử dụng SDP để định nghĩa về các thông số media của phiên. Một response thành công có giá trị 200 đƣợc trả lại các thông số mà ngƣời đƣợc gọi chấp nhận trong phiên media.  Bản tin ACK xác nhận rằng client đã nhận đƣợc response cuối cùng của bản tin INVITE. ACK chỉ đƣợc sử dụng kèm với bản tin INVITE. ACK đƣợc gửi từ đầu cuối đến đầu cuối cho response 200 OK. ACK cũng có thể chứa phần thân bản tin với mô tả phiên cuối cùng nếu bản tin INVITE không chứa.  Bản tin OPTIONS: UA sử dụng request này để truy vấn tới server về khả năng của nó.  Bản tin BYE: UA sử dụng bản tin này để yêu cầu hủy một phiên đã đƣợc thiết lập trƣớc đó.  Bản tin CANCEL: cho phép client và server hủy một request, ví dụ nhƣ INVITE. Nó không ảnh hƣởng tới request đã hoàn thành trƣớc đó mà server đã gửi response.  Bản tin REGISTER: Một client sử sụng REGISTER để yêu cầu đang kí vị trí của nó tới AOR (address of record) của ngƣời dùng với SIP server. - Bản tin đáp ứng (Response): server gửi bản tin SIP đáp ứng (SIP response) tới client để báo về trạng thái của SIP request mà client gửi trƣớc đó. Các SIP response đƣợc đánh số từ 100 đến 699, đƣợc chia thành các lớp nghĩa khác nhau: Bảng 2.3 Phân chia các lớp Response Các lớp Response Mã trả về Mô tả Thông tin 100 Đang thực hiện kết nối 180 Đang đổ chuông 181 Cuộc gọi đang đƣợc chuyển tiếp 182 Đƣợc đặt vào hàng đợi 183 Phiên đang đƣợc xử lý Thành công 200 Thành công Chuyển hƣớng 300 Nhiều lựa chọn Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 67 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Các lớp Response Mã trả về Mô tả 301 Chuyển vĩnh viễn 302 Chuyển tạm thời 305 Sử dụng proxy 380 Dịch vụ khác Lỗi Client 400 Yêu cầu không hợp lệ 401 Không nhận dạng đƣợc 402 Yêu cầu thành toán 403 Bị cấm 404 Không tìm thấy 405 Phƣớng thức không đƣợc phép 406 Không chấp nhận 407 Yêu cầu xác thực Proxy 408 Request timeout 410 Đã dời đi 413 Yêu cầu quá dài 414 URL đƣợc yêu cầu quá lớn 415 Không hỗ trợ kiểu media 416 Không hỗ trợ URI 420 Phần mở rộng lỗi 421 Yêu cầu phần mở rộng 423 Khoảng thời gian giữa hai sự kiện quá ngắn 480 Tạm thời chƣa sẵn sàng 481 Transaction không tồn tại 482 Phát hiện thấy “loop” (chu trình) 483 Quá nhiều “hop” 484 Địa chỉ không đủ 485 Mật mở không rõ ràng 486 Đang bận 487 Yêu cầu bị hủy 488 Không thể chấp nhận tại đây Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 68 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Các lớp Response Mã trả về Mô tả 491 Yêu cầu chƣa đƣợc giải quyết 493 Không giải mã đƣợc Lỗi Server 500 Lỗi nội tại trong server 501 Chƣa đƣợc thực hiện đầu đủ 502 Gateway lỗi 503 Dịch vị không tồn tại 504 Server timeout 505 Phiên bản SIP không đƣợc hỗ trợ 513 Bản tin quá lớn Lỗi toàn cục 600 Bận ở khắp mọi nơi 603 Suy sụp 604 Không tồn tại 606 Không thể chấp nhận Mô tả cuộc gọi SIP: Hình 2.4 Thiết lập cuộc gọi SIP với Proxy Server 1. Proxy server nhận đƣợc bản tin INVITE từ client. 2. Proxy server liên lạc với Location server để xác định địa chỉ của ngƣời bị gọi. 3. Location server xác định vị trí của ngƣời đƣợc gọi và cung cấp địa chỉ server đích. 4. Bản tin INVITE đƣợc chuyển tiếp tới địa chỉ mà Location server trả về. Proxy server sẽ thêm tiêu đề Record-Route vào bản tin INVITE để chắc rằng tất cả Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 69 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip các bản tin tuần tự sau đó đƣợc định tuyến qua proxy. Điều này cần thiết cho quá trình tính cƣớc hoặc các ứng dụng khác cần thiết để kiểm soát các bản tin cho dialog này. 5. Phía đƣợc gọi rung chuông. Ngƣời đƣợc gọi nhấc máy. 6. Phía đƣợc gọi gửi bản tin 200 OK thông báo cuộc gọi bắt đầu. 7. Bản tin 200 OK đƣợc chuyển tiếp qua proxy server tới phía gọi. 8. Phía gọi trả lời bản tin 200 OK nhận đƣợc bằng bản tin ACK tới proxy-server ( khi proxy chèn tiêu đề Record-Route vào trong bản tin INVITE) hoặc gửi trực tiếp tới phía ngƣời đƣợc gọi. 9. Proxy chuyển tiếp ACK tới ngƣời đƣợc gọi. 10. Cuộc gọi thoại đƣợc thiết lập. 2.2.2.3 So sánh giữa giao thức H 323 và SIP: - Giữa H.323 và SIP có nhiều điểm tƣơng đồng. Cả hai đều cho phép điều khiển, thiết lập và hủy cuộc gọi. Cả H.323 và SIP đều hỗ trợ tất cả các dịch vụ cần thiết, tuy nhiên có một số điểm khác biệt giữa hai chuẩn này.  H.323 hỗ trợ hội nghị đa phƣơng tiện rất phức tạp. Hội nghị H.323 về nguyên tắc có thể cho phép các thành viên sử dụng những dịch vụ nhƣ bảng thôngbáo, trao đổi dữ liệu, hoặc hội nghị video.  SIP hỗ trợ SIP-CGI (SIP-Common Gateway Interface) và CPL.  SIP hỗ trợ điều khiển cuộc gọi từ một đầu cuối thứ 3. Hiện nay H.323 đang đƣợc nâng cấp để hỗ trợ chức năng này. Bảng 2.4 So sánh giữa H.323 và SIP SIP H.323 Nguồn gốc IETF ITU-T Quan hệ mạng Ngang cấp Ngang cấp Khởi điểm Kế thừa cấu trúc HTTP. Kế thừa Q.931, Q.SIG Đầu cuối SIP H.323 Server  Proxy Server  Redirect Server  Location Server  Registrar Servers. H.323 Gatekeeper Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 70 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Khuôn dạng Text, UTF-8 Nhị phân Trễ thiết lập cuộc gọi 1.5 RTT 6-7 RTT hoặc hơn Giám sát trạng thái cuộc gọi Có 2 lựa chọn:  trong thời gian thiết lập cuộc gọi  suốt thời gian cuộc gọi Phiên bản 1 và 2: máy chủ phải giám sát trong suốt thời gian cuộc gọi và phải giữ trạng thái kết nối TCP. Điều này hạn chế khả năng mở rộng và giảm độ tin cậy Báo hiệu quảng bá Có hỗ trợ Không Chất lƣợng dịch vụ Sử dụng các giao thức khác nhƣ RSVP, OPS, OSP để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ Gatekeeper điều khiển băng thông. H.323 khuyến nghị dùng RSVP để lƣu dữ tài nguyên mạng. Bảo mật Đăng ký tại Registrar server, có xác nhận đầu cuối và mã hoá Chỉ đăng ký khi trong mạng có Gatekeeper, xác nhận và mã hoá theo chuẩn H.235. Định vị đầu cuối và định tuyến cuộc gọi Dùng SIP URL để đánh địa chỉ. Định tuyến nhờ sử dụng Redirect và Location server Định vị đầu cuối sử dụng E.164 hoặc tên ảo H.323 và phƣơng pháp ánh xạ địa chỉ nếu trong mạng có Gatekeeper. Chức năng định tuyến do Gatekeeper đảm nhiệm. Tính năng thoại Hỗ trợ các tính năng của cuộc gọi cơ bản Đƣợc thiết kế nhằm hỗ trợ rất nhiều tính năng hội nghị, kể cả thoại, hình ảnh và dữ liệu, quản lý tập trung nên có thể gây tắc nghẽn ở Gatekeeper Tạo tính năng và dịch vụ mới Dễ dàng, sử dụng SIP-CGI và CPL H.450.1 Khả năng mở rộng Dễ dàng Hạn chế 2.3 YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG ĐỐI VỚI VOIP - Từ những nhƣợc điểm chính của mạng chuyển mạch gói đã đặt ra những yêu cầu cho VoIP nhƣ sau:  Chất lƣợng thoại phải ổn định, độ trễ chấp nhận đƣợc. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 71 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip  Mạng IP cơ bản phải đáp ứng đƣợc những tiêu chí hoạt động khắt khe gồm giảm thiểu việc không chấp nhận cuộc gọi, mất mát gói và mất liên lạc. Điều này đòi hỏi ngay cả trong trƣờng hợp mạng bị nghẽn hoặc khi nhiều ngƣời sử dụng chung tài nguyên của mạng cùng một lúc.  Việc báo hiệu có thể tƣơng tác đƣợc với báo hiệu của mạng PSTN.  Quản lý hệ thống an toàn, địa chỉ hoá và thanh toán phải đƣợc cung cấp, tốt nhất là đƣợc hợp nhất với các hệ thống hỗ trợ hoạt động PSTN. - ChÊt lƣîng dÞch vô QoS lµ tËp hîp c¸c chØ tiªu ®Æc trƣng cho yªu cÇu cða tõng lo¹i lƣu lƣîng cô thÓ trªn m¹ng bao gåm: ®é trÔ, jitter, tû lÖ mÊt gãi... C¸c chØ tiªu nµy liªn quan ®Õn lƣîng b¨ng th«ng dµnh cho m¹ng. - Cã nhiÕu biÖn ph¸p nh»m ®¶m b¶o QoS ®ƣîc thùc hiÖn. §Ó tèi thiÓu thêi gian trÔ cða c¸c gãi tho¹i so vìi c¸c gãi cða c¸c dÞch vô kh¸c, c¸c gãi tho¹i ®ƣîc truyÕn bëi giao thøc UDP. Giao thøc nµy kh«ng cung cÊp c¬ chÕ truyÕn l¹i do vËy gãi tho¹i sÏ ®ƣîc xö lý nhanh h¬n. §Ó lo¹i bá tiÕng väng ngƣêi ta sö dông bé triÖt tiÕng väng ë c¸c gateway. Vµ cßn cã c¸c biÖn ph¸p sau:  NÐn tÝn hiÖu tho¹i.  C¸c c¬ chÕ ®¶m b¶o chÊt lƣîng dÞch vô t¹i c¸c nñt m¹ng: C¸c thuËt to¸n xÕp hµng (queuing), c¬ chÕ ®Þnh h×nh lƣulƣîng (traffic shapping), c¸c c¬ chÕ tèi ƣu ho¸ ®ƣêng truyÕn, c¸c thuËt to¸n dù ®o¸n vµ tr¸nh t¾c nghÏn,...  Phƣ¬ng thøc b¸o hiÖu QoS. 2.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CUỘC GỌI VOIP - Các nhân tố hàng đầu xác định chất lƣợng thoại bao gồm: sự chọn lựa bộ CODEC, độ mất gói, trễ và jitter.  Sự mất g i (Packet loss):xảy ra khi các gói tin không đƣợc gởi đúng đến phía thu sẽ làm cho các gói tin này bị hủy bởi bộ thu. Sự mất gói này có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau: đƣờng truyền quá tải, quá tải ở thiết bị thu, xung đột trên đƣờng truyền, lỗi phƣơng tiện vật lý hay do chất lƣợng đƣờng truyền thấp…Các bộ CODEC đã tính đến xác suất mất gói ngẫu nhiên và đa số các bộ này có thể làm cho sự mất gói này trở nên không đáng kể đối với ngƣời sử dụng. Ví dụ nhƣ bộ CODEC có thể sử dụng gói trƣớc đó để thay cho gói vừa bị mất hay là dùng phép nội suy để triệt bất cứ sự gián đoạn nào trong luồng âm thanh. Tuy nhiên sự mất gói sẽ trở thành một vấn đề thực sự khi mà % mất gói vƣợt quá ngƣỡng cho phép (5% tổng số gói). Trong trƣờng hợp này bộ CODEC không thể nào che giấu sự mất gói đối với ngƣời Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 72 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip sử dụng, kết quả dẫn đến giảm chất lƣợng thoại. Mất gói xảy ra phổ biến hơn đối với mạng không dây. Thông thƣờng, phƣơng pháp phát lại (ARQ) đƣợc sử dụng để làm giảm bớt hiện tƣợng này nhƣng bù lại sẽ làm tăng độ trễ và jitter.  Jitter: thông thƣờng bên phát tạo ra các gói tin ở một tốc độ không đổi. Việc kết hợp giải thuật giải nén thoại ở bên nhận để các gói đến đích với cùng một tốc độ không đổi là điều cấn thiết. Tuy nhiên, trễ giữa gói này với gói kia là không giống nhau do ảnh hƣởng của mạng gây ra từ nhiều nguyên nhân:sự ùn tắt mạng, những thay đổi của router, độ lệch thời gian đối với các gói là khác nhau. Vì giải thuật giải nén bên thu đòi hỏi khoảng cách cố định giữa các gói. Thông thƣờng điều này đƣợc giải quyết bằng cách lắp đặt bộ đệm jitter trong gateway để bù lại sự thay đổi của tình trạng mạng. Bộ đệm jitter này trì hoãn các gói tin đến theo một trật tự để đƣa đến giải thuật giải nén ở một khoảng cách cố định. Bộ đệm jitter này cũng sẽ sửa lại bất kỳ lỗi nào bằng cách theo dõi thứ tự trong các frame RTP. Kết quả sẽ làm nhẵn các luồng gói tin, làm tăng tính linh hoạt của bộ CODEC với mất gói, các gói tin trễ và các ảnh hƣởng bên phát. Tuy nhiên mặt trái của bộ đệm jitter là gây trễ đáng kể.  Sự trễ (Latency): trong việc thoại Voip trễ là tổng trễ từ miệng đến tai. Việc đàm thoại 2 chiều rất nhạy với trễ. Hầu hết ngƣời sử dụng nhận ra sự trễ này khi nó vƣợt quá 250 ms, vì thế mà thời gian trễ 1 chiều thƣờng sẽ thấp hơn. Các thành phần quan trọng của trễ là: Hình 2.5 Tổng trễ từ miệng đến tai trong cuộc gọi Voip o Trễ do bộ CODEC: mỗi giải thật nén thoại đều có một trễ có sẵn nhất định. Việc lựa chọn các bộ CODEC có thể giảm sự trễ này nhƣng sẽ làm giảm chất lƣợng hoặc tốn nhiều băng thông hơn. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 73 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Hình 2.6 Việc tạo g i dữ liệu dựa vào tín hiệu tích cực Hiện nay, các bộ codec đƣợc cải tiến có thể phát hiện độ dài khoảng tín hiệu tích cực và độ dài khoảng lặng trong cuộc đàm thoại. Khoảng lặng đó đồng nghĩa với việc chúng ta đƣa nhiễu nền vào việc đóng gói và gửi nó qua mạng. Điều này sẽ gây lãng phí băng thông. Thông thƣờng trong một cuộc đàm thoại chúng ta nói chuyện chiếm khoảng 35% thời gian đàm thoại, còn lại là thời gian rỗi. Bằng cách nén khoảng lặng trong suốt thời gian rỗi đó thì bộ codec sẽ không gửi dữ liệu đi nhƣ trong hình. Điều này làm giúp giảm dung lƣợng kênh và tiết kiệm băng thông. o Trễ do mạng: do đi qua mạng không dây và các mạng đƣờng trục, nó chỉ rõ ra rằng là độ ƣu tiên cao hơn cho lƣu lƣợng thoại so với dữ liệu không nhạy với trễ. o Kích thƣớc bộ đệm jitter. - Khi gói VoIP di chuyển qua mạng, hiển nhiên là có xảy ra mất mát do tắc nghẽn. Ngoài ra, gói VoIP còn bị trì hoãn, tùy thuộc vào sự tắc nghẽn tại các router trung gian. Cả sự mất mát lẫn sự chậm trễ của gói VoIP đều ảnh hƣởng bất lợi đến chất lƣợng cuộc gọi VoIP, thông thƣờng đƣợc biểu diễn bằng đại lƣợng R-score. 2.4.1 Điểm số ý kiến trung bình MOS - Trong truyền thông thoại và video, chất lƣợng thƣờng đƣợc đánh giá thông qua trải nghiệm thực tế tốt hay tồi. Ngoài mô tả định tính mà chúng ta thƣờng nghe nói tới, nhƣ “khá tốt” hoặc “rất tồi”, có một phƣơng pháp đánh giá bằng số chất lƣợng thoại và video. Nó đƣợc gọi là điểm số ý kiến trung bình MOS. MOS cho biết chỉ số chất lƣợng âm thanh nghe thấy đƣợc. - MOS là một số có giá trị từ 1 đến 5, trong đó 1 là kém nhất và 5 là tốt nhất. MOS hoàn toàn mang tính chủ quan, bởi vì nó dựa trên kết quả từ những ngƣời tham gia test. Bảng 2.5 Các giá trị của MOS MOS Mức độ hài lòng Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 74 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip 5 Hoàn hảo. Giống nhƣ đang nói chuyện trực tiếp. 4 Khá. Không hoàn hảo nhƣng nghe rõ. Điện thoại di động ở khoảng này. 3 Khó chịu. 2 Rất bực mình. Gần nhƣ không thể đàm thoại đƣợc. 1 Không thể đàm thoại đƣợc. - Giá trị MOS không cần phải là số chẵn. Ví dụ, một giá trị từ 4,0 đến 4,5 đƣợc quy cho chất lƣợng cuộc gọi đƣờng dài (toll-quality) với mức độ hài lòng rất cao. Những giá trị dƣới 3,5 khiến cho nhiều ngƣời nghe không thể chấp nhận đƣợc. - MOS test đƣợc thực hiện nhƣ sau. Một số lƣợng lớn ngƣời tham gia ngồi và nghe một đoạn thoại. Mỗi ngƣời sẽ cho điểm từ 1 đến 5. Sau đó tính giá trị trung bình ra MOS. - Phƣơng pháp MOS có một số nhƣợc điểm nhƣ sau:  Phƣơng thức này mang tính chất chủ quan vì kết quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố không thể kiểm soát của chủ thể nhƣ: trạng thái tâm lý, thái độ đối với bài kiểm tra và trình độ văn hóa. Trên thực tế, phƣơng thức đánh giá chất lƣợng thoại theo thang điểm MOS không phải là phƣơng thức nhất quán.  Phƣơng thức này rất tốn kém, đòi hỏi nhiều ngƣời tham gia và thiết lập phức tạp.  Khi cần thực hiện đo thƣờng xuyên các tham số chất lƣợng thì việc sử dụng phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng này là không thực tế. - Những hạn chế của phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng thoại dựa trên MOS cho thấy cần có một phƣơng thức đánh giá khách quan, phƣơng pháp này có thể thực hiện một cách tự động để đánh giá chất lƣợng thoại. 2.4.2 R-Score - Mặc dù phƣơng pháp MOS cho kết quả tốt nhƣng không thể thực hiện online đƣợc nên không thể dùng cho mục đích điều chỉnh thích nghi. Mô hình E-model trong khuyến nghị G.107 của ITU-T cung cấp một đại lƣợng R-factor (rating factor) dùng để ƣớc lƣợng chất lƣợng thoại. - E-model đƣợc phát triển bởi ESTI ad hoc group gọi là “Voice Transmission Quality from Mouth to Ear”. Mô hình này ƣớc lƣợng chất lƣợng thoại từ miệng đến tai nhƣ cảm thụ của ngƣời dùng ở phía thu. - E-model đƣợc sử dụng làm một công cụ để quy hoạch truyền dẫn trong các mạng điện thoại. Nó hỗ trợ việc ƣớc lƣợng chất lƣợng tín hiệu thoại từ một kết hợp của nhiều yếu tố can nhiễu. E-model có những đặc điểm sau:  Đây không phải là một công cụ đo mà là một công cụ quy hoạch mặc dù nó có thể sử dụng kết hợp với các phép đo. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 75 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip  Nó ƣớc lƣợng chất lƣợng thoại hai chiều và tính đến các yếu tố nhƣ: tiếng vọng, trễ ... - Đầu vào của E-model bao gồm các tham số đƣợc sử dụng tại thời điểm quy hoạch. Lƣu ý rằng việc quy hoạch có thể đƣợc thực hiện trƣớc và sau khi triển khai mạng. - E-model có tính đến các tham số nhƣ: nhiễu, trễ, tiếng vọng và tính chất của thiết bị đầu cuối mà đã đƣợc chuẩn hóa hoặc đã đƣợc xác định, có thể đo đƣợc. Ngoài ra, E-model xác định trọng số đối với ảnh hƣởng của thiết bị số hiện đại (các bộ codec tốc độ thấp, các bộ ghép kênh ...) đến chất lƣợng truyền dẫn. Trong nhiều trƣờng hợp, số lƣợng và chủng loại các thiết bị này đƣợc xác định tại thời điểm quy hoạch. - E-model dựa trên giả thiết là các tổn hao truyền dẫn có thể đƣợc chuyển đổi thành "psychological factors" và các hệ số này có tính cộng dồn trên một "psychological scale". Nói cách khác, nhận thức chủ quan về chất lƣợng thoại đƣợc coi nhƣ là tổng hợp của các tổn hao truyền dẫn. Hình 2.7 Kết nối tham chiếu của E-model - E-model đầu tiên thực hiện tính toán một "giá trị gốc" về chất lƣợng (giá trị này đƣợc xác định từ nhiễu trên mạng). Mỗi tổn hao thêm vào đƣợc biểu diễn dƣới dạng một giá trị tổn hao. Kết quả của phép trừ giá trị gốc với các giá trị tổn hao thể hiện ƣớc lƣợng chất lƣợng thoại cho một mạng cụ thể. Cuối cùng, kết quả chất lƣợng thoại thu đƣợc đƣợc sử dụng để ƣớc tính tỷ lệ thuê bao đánh giá chất lƣợng là tốt hay tồi. Cụ thể, E-model tính một hệ số đánh giá truyền dẫn R nhƣ sau: R = R0 – Is – Id – Ie-eff + A (2.1) R0 biểu diễn tỉ số tín hiệu trên nhiễu cơ bản, bao gồm nhiễu mạch và nhiễu phòng. Nó bao gồm tạp âm trong mạng, trong môi trƣờng phía ngƣời nói và ngƣời nghe và ảnh hƣởng của tạp âm tại phía ngƣời nghe. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 76 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Hệ số Is là sự kết hợp tất cả suy hao xảy ra đồng thời với tín hiệu thoại, bao gồm mức cƣờng độ âm, mức xuyên âm vƣợt quá phạm vi cho phép và tổn hao lƣợng tử (mã hóa PCM). Hệ số Id biểu diễn suy hao gây ra bởi độ trễ và tiếng vọng. Ie-eff biểu diễn suy hao gây ra bởi codec tốc độ bit thấp. Nó còn bao gồm suy hao do mất gói phân phối ngẫu nhiên. Hệ số thuận lợi A cho phép bù các hệ số tổn hao khi có những thuận lợi khác. A cho phép điều chỉnh chất lƣợng trong những trƣờng hợp đặc biệt nhờ thêm vào các yếu tố phi kỹ thuật để đánh giá chất lƣợng. Hình 2.8 R và các tính toán suy hao Tỉ số tín hiệu trên nhiễu c bản, R0: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cơ bản R0 đƣợc định nghĩa bởi: R0 = 15 – 1,5(SLR + N0) (2.2) Số hạng N0 (dBm0p) là bổ sung công suất của những nguồn nhiễu khác. Hệ số tổn hao đồng thời, Is: Hệ số Is đƣợc chia thành ba hệ số tổn hao cụ thể hơn: Is = Iolr + Ist + Iq (2.3) Iolr biểu diễn sự suy giảm chất lƣợng gây ra bởi giá trị OLR quá thấp. Hệ số Ist biểu diễn tổn hao gây ra bởi sidetone không tối ƣu. Hệ số suy hao Iq biểu diễn suy hao gây ra bởi sai dạng lƣợng tử. Hệ số suy hao trễ, Id: Hệ số suy hao Id thể hiện tất cả suy hao do độ trễ của tín hiệu thoại đƣợc chia thành ba hệ số Idte, Idle, Idd: Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 77 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Id = Idte + Idle + Idd (2.4) Hệ số Idte cho một ƣớc lƣợng về suy hao do tiếng vọng ngƣời nói. Hệ số Idle biểu diễn suy hao do tiếng vọng ngƣời nghe. Hệ số Idd biểu diễn suy hao do độ trễ tuyệt đối Ta quá lâu, điều này xảy ra ngay cả với triệt tiếng vọng hoàn hảo. Hệ số suy hao thiết bị, Ie: Giá trị cho hệ số suy hao thiết bi Ie của những phần tử dùng codec tốc độ bit thấp không liên quan với những thông số ngõ vào khác. Chúng phụ thuộc vào kết quả test MOS chủ quan cũng nhƣ là trải nghiệm mạng. Hệ số thuận lợi, A: Vì ý nghĩa chuyên biệt của hệ số thuận lợi A, nên không có quan hệ với tất cả thông số truyền dẫn khác. Vài giá trị tạm thời đƣợc cho trong bảng: Bảng 2.6 Ví dụ tạm thời cho hệ số thuận lợi A Ví dụ hệ thống truyền thông Giá trị tối đa của A Chuẩn (có dây) 0 Mạng tế bào di động trong tòa nhà 5 Di động trong khu vực địa lý hoặc trên xe 10 Truy cập đến vị trí khó tiếp cận, chẳng hạn kết nối vệ tinh nhiều hop 20 2.4.3 Đánh giá chất lượng cuộc gọi từ R-score - Hệ số R có giá trị từ 0 đến 100, trong đó R = 0 thể hiện chất lƣợng cực tồi và R = 100 thể hiện chất lƣợng rất cao. Từ hệ số R có thể tính ra MOS bằng công thức sau: { ớ ( )( ) ớ ớ (2.5) Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 78 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Hình 2.9 Hàm MOS theo R 2.4.4 Độ nhạy trễ và mất gói của VoIP - Trong số tất cả những hệ số trong phƣơng trình (2.1), chỉ có Id và Ie là những biến số đƣợc quan tâm trong VoIP. Thay giá trị mặc định cho tất cả hệ số khác, biểu thức hệ số R trong phƣơng trình (2.1) có thể rút gọn thành: R = 93,2 – Ie – Id (2.6) Ảnh hưởng của độ trễ: Trong hệ thống VoIP, tổng độ trễ miệng-đến-tai gồm ba thành phần:  Độ trễ codec (dcodec): thể hiện độ trễ giải thuật và gói hóa kết hợp với codec và biến đổi tùy theo loại codec sử dụng. Ví dụ, codec G.729a có độ trễ 25ms.  Độ trễ playout (dplayout): là độ trễ kết hợp với bộ đệm phía bộ thu đƣợc yêu cầu làm trơn jitter cho luồng gói đến.  Độ trễ mạng (dnetwork): là độ trễ transit một chiều qua mạng vận chuyển IP từ một gateway đến gateway khác. Do đó, tổng độ trễ là: d = dcodec + dplayout + dnetwork (2.7) Bằng cách dùng giá trị mặc định cho tất cả số hạng trong biểu thức Id Id = 0,024d + 0,11(d – 177,3)H(d – 177,3) (2.8) Trong đó: ( ) { ế ế (2.9) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 R-Score M O S Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 79 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip - Chúng ta thấy rằng với độ trễ nhỏ hơn 177,3 ms cuộc đàm thoại diễn ra bình thƣờng (độ dốc thấp, suy hao tăng không đáng kể), nhƣng nếu độ trễ vƣợt quá 177,3 ms thì cuộc đàm thoại trở nên giống nhƣ truyền thông đơn công (độ dốc cao, suy hao tăng nhanh). Ảnh hưởng của độ mất gói: - Mối quan hệ giữa Ie với tổng xác suất mất gói nhƣ sau: Ie = 1 + 2ln(1 + 3e) (2.10) Trong đó 1 là hằng số xác định suy hao chất lƣợng thoại gây ra bởi mã hóa và 2, 3 mô tả ảnh hƣởng của mất gói lên chất lƣợng thoại đối với một codec cho trƣớc. Chú ý rằng e bao gồm cả mất gói mạng lẫn mất gói bộ đệm playout. Giá trị của các thông số 1, 2, 3 đối với codec G.729a và G.711 đƣợc cho trong bảng sau: Bảng 2.7 Thông số suy hao mất g i Codec 1 2 3 G.729a 11 40 10 G.711 0 30 15 Độ nhạy của R-Score đối với độ trễ và độ mất gói: R = 93,2 – [1 + 2ln(1 + 3e)] – [0,024d + 0,11(d – 177,3)H(d – 177,3)] (2.11) Trong hình 2.10, chúng ta thấy rằng R-score có giảm nhƣng không đáng kể ứng với một xác suất mất gói cho trƣớc. R-score giảm tƣơng đối nhanh khi độ trễ vƣợt quá 177,3 ms. Tuy nhiên, khi xác suất mất gói tăng từ 0% đến 5%, R-score đã giảm đi khoảng 16. Tƣơng tự trong hình 2.11, chúng ta thấy rằng R-score giảm chủ yếu là do mất gói (trục x). Khi độ trễ tăng đáng kể từ 50 lên 200 ms, R-score chỉ giảm khoảng 6. Do đ , chúng ta c thể suy ra rằng độ mất g i mang tính quyết định hơn độ trễ. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 80 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Hinh 2.10 R-score theo độ trễ Hình 2.11 R-score theo độ mất g i 2.5 KẾT NỐI MẠNG VOIP VỚI MẠNG PSTN 2.5.1 Cuộc gọi bắt đầu từ mạng VoIP (SIP) và kết thúc tại PSTN - Chú ý ở mô hình này, ta không đề cập tới sự có mặt của Proxy Server hay Redirect Server mà coi bản tin báo hiệu SIP đến thẳng Gateway. Thực chất vấn đề là khi đầu cuối SIP quay số, Proxy Server đã biết đây là cuộc gọi ngoại mạng nên nó sẽ xác định Gateway thích hợp để thực hiện cuộc gọi. Một chú ý nữa là trong mô hình này, Gateway đóng vai trò vừa là Media gateway và Signaling Gateway. 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tong do tre (ms) R- Sc or e  1-Do mat goi 0% 2-Do mat goi 5% 3-Do mat goi 10% 4-Do mat goi 15% 5-Do mat goi 20% 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Do mat goi (%) R- Sc ore  1-Tre 50 ms 2-Tre 100 ms 3-Tre 150 ms 4-Tre 200 ms Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 81 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip Hình 2.12 Quá trình thiết lập cuộc gọi SIP-PSTN 1. SIP User Agent gửi bản tin INVITE tới Gateway yêu cầu kết nối với một thuê bao PSTN. 2. Gateway trả lời bằng bản tin 100 Trying ngay sau khi khởi tạo bản tin SS7 IAM tới mạng PSTN để lập tuyến tới thuê bao bị gọi. Chú ý là việc gửi bản tin 100 Trying cũng có thể thực hiện trƣớc khi gửi bản tin IAM, điều này phụ thuộc vào việc cấu hình trên Gateway. 3. Mạng PSTN trả về bản tin ACM sau khi đã xác định đƣợc địa chỉ thuê bao bị gọi. Bản tin SS7 này đƣợc chuyển thành bản tin SIP 183 Session Progress 4. Để báo rằng thuê bao bị gọi đang đƣợc rung chuông thì ở đây, mạng SIP trọn một cách an toàn là truyền nguyên trạng thái tín hiệu nhận đƣợc trên Gateway đến thuê bao SIP. Việc này cho phép báo hiệu chính xác trạng thái đang diễn ra đề phòng có trục trặc trong lúc thực hiện kết nối với PSTN. Thông tin này đƣợc truyền bằng một luồng RTP một chiều – biểu diễn nhƣ hình vẽ. 5. Khi thuê bao bị gọi nhấc máy, bản tin SS7 ANM đƣợc gửi đi. Bản này đƣợc chuyển thành bản tin 200OK báo hiệu cổng trên Gateway sẵn sàng cho cuộc gọi. 6. Sau khi thuê bao SIP trả lời bằng bản tin ACK thì luồng RTP đƣợc thiết lập 2 chiều giữa Gateway và SIP User Agent truyền tải tín hiệu thoại trên Gateway nhận đƣợc từ tổng đài của mạng PSTN 7. Giả sử thuê bao SIP dập máy trƣớc, nó sẽ gửi bản tin BYE tới Gateway để giải phóng cuộc gọi. Gateway gửi bản tin REL tới tổng đài PSTN để hủy kết nối. Sau khi Gateway gửi bản tin 200 OK và nhận đƣợc bản tin RLC, cuộc gọi chính thức chấm dứt. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 82 Chƣơng 2-Tổng quan về công nghệ Voip 2.5.2 Cuộc gọi bắt đầu từ PSTN và kết thúc ở mạng VoIP - Trong mô hình cuộc gọi này rất giống với trƣờng hợp cuộc gọi xuất phát từ mạng VoIP và kết thúc ở PSTN. Hình 2.13 Quá trình thiết lập cuộc gọi PSTN – SIP - Thông tin báo hiệu vẫn đƣợc chuyển đổi tƣơng đƣơng giữa bản tin SS7 và SIP. Để thông báo trạng thái rung chuông của mình, thuê bao SIP gửi trả bản tin 180 Ringing tới Gateway. Bản tin này tƣơng ứng với bản tin SS7 ACM. Khi đó, Gateway sẽ gửi tín hiệu thoại một chiều mô tả trạng thái của thuê bao bị gọi tới thuê bao gọi. Việc này có tác dụng rất lớn trong việc đảm bảo thông tin trạng thái thiết lập đƣờng truyền đƣợc kiểm soát bởi thuê bao gọi. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 83 Chƣơng 3-Ứng dụng Voip trong mạng Wimax CHƯƠNG 3-ỨNG DỤNG VOIP TRONG MẠNG WIMAX 3.1 MÔ HÌNH VOIP TRONG MẠNG WIM X - Voip là cách truyền thoại qua mạng IP để mang các dữ liệu thoại đã đƣợc đóng gói qua môi trƣờng hữu tuyến hay vô tuyến (DSL, cáp, ethernet, Wi-Fi, Wimax…). Tuy nhiên Voip qua môi trƣờng vô tuyến vẫn còn ở trong giai đoạn ban đầu vì bị giới hạn dung lƣợng RF và những thách thức đối với việc khai thác hiệu quả của kênh truyền vô tuyến trong khi vẫn bảo đảm đƣợc Qos. - Wimax là công nghệ không dây băng rộng 4G đầu tiêncó khả năng hỗ trợ Qos và cung cấp dung lƣợng băng rộng cao. Nó đem lại cơ hội lợi nhuận hấp dẫn cho các nhà cung cấp mạng cố định và di động trong việc đầu tƣ kinh doanh dịch vụ voip qua môi trƣờng băng rộng Wimax. Hình 3.1 Mô hình triển khai mạng Wimax-Voip - Có 4 mạng logic tạo nên một hệ thống Voip liên quan nhau bao gồm:  Mạng vận chuyển PSTN: tạo liên kết cell truyền thống và các nhà cung cấp đƣờng truyền dịch vụ điện thoại truyền thống (POTS) sử dụng mạng chuyển mạch mạch.  Mạng nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng Voip: mạng mà nơi thiết bị Voip đƣợc đặt.  Mạng nhà cung cấp Wimax: bao gồm BS Wimax, ASN, CSN.  Đầu cuối Voip của user: quản lý Voip client và các thành phần mạng khác (không bao gồm modem Wimax). Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 84 Chƣơng 3-Ứng dụng Voip trong mạng Wimax 3.2 XÁC SUẤT KHÔI PHỤC GÓI - Với độ nhạy của VoIP với độ mất gói và độ trễ đã khảo sát, từ đó đƣa ra sơ đồ thích nghi ở lớp MAC để xây dựng động MPDU. Một khi kết nối đã đƣợc thiết lập, kích thƣớc của mỗi MPDU đƣợc xác định sao cho ít mất gói nhất mà vẫn đảm bảo độ trễ không vƣợt quá ngƣỡng 177,3 ms. Mục tiêu của chúng ta là ứng dụng lớp MAC trong Wimax để nâng cao chất lƣợng cuộc gọi VoIP, đồng thời tăng số lƣợng cuộc gọi có thể phục vụ. - Nếu bộ thu nhận đƣợc một gói hỏng, nó không có khả năng sửa lỗi. Tuy nhiên, nếu thêm vào vài bit FEC trƣớc khi phát thì bộ thu có xác suất phát hiện lỗi và sửa lỗi. Khả năng sửa lỗi của những mã FEC này tùy thuộc vào từng loại bộ mã và chiều dài từ mã. Vì đề tài này không quan tâm đến việc đƣa ra kỹ thuật mã hóa mới nên nhóm chỉ dùng bộ mã đơn giản nhất đó là mã khối. - Trong mã khối, M bit kiểm tra đƣợc thêm vào N bit mang thông tin (chú ý rằng những bit thêm vào này đƣợc tạo ra bằng ma trận sinh). Nếu chúng ra xem xét một MPDU nhƣ thế thì xác suất mất bit là: b =        NM Mi iNM p i p NM i bb iNMi NM 1 )1( )!(! )!( (3.1) Trong đó bp là xác suất mất bit trƣớc khi giải mã và b là xác suất lỗi bit đã giải mã. Xác suất khôi phục một MPDU nhƣ thế với kích thƣớc tải trọng N bit và kích thƣớc mã M bit là p = (1 – b)M+N. Có thể áp dụng ba mô hình để tính toán xác suất khôi phục gói này. 3.1.1 Giảm tải trọng, với kích thước mã cố định Gọi b là xác suất mất bit sau khi giải mã một MPDU có kích thƣớc tải trọng N và kích thƣớc mã M. Bây giờ, nếu chúng ta giảm kích thƣớc tải trọng xuống N’ (N’ < N) trong khi vẫn giữ kích thƣớc mã cố định, thì xác suất mất bit sau giải mã là b' =        ' 1 ' ' )1( )!'(! )!'(NM Mi iNM p i p NM i bb iNMi N (3.2) Theo lý thuyết mã hóa thông tin, khi kích thƣớc tải trọng giảm, mã kiểm tra cố định, thì BER sau giải mã giảm, dẫn đến b’ < b. Khi này, xác suất khôi phục gói là p' = (1 – b’)M+N’ (3.3) Tỉ số p’ trên p là ' ' )'1( 1 1 '1 )1( )'1(' NN NM NM NM bb b b b p p                  (3.4) NM b b          1 '1 lớn hơn 1, vì 1 – b’ < 1 nên thừa số thứ hai ')'1( 1 NNb  cũng lớn hơn 1 suy ra p’ > p. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 85 Chƣơng 3-Ứng dụng Voip trong mạng Wimax 3.1.2 Tăng kích thước mã với tải trọng cố định Tƣơng tự nhƣ trên, nếu kích thƣớc mã tăng trong khi giữ tải trọng cố định thì xác suất mất bit giảm và xác suất khôi phục gói MPDU tăng. 3.1.3 Tăng cả kích thước tải trọng lẫn kích thước mã Mô hình thứ ba là tăng cả kích thƣớc tải trọng lẫn kích thƣớc mã. Nhƣ chúng ta biết, nếu chỉ tăng tải trọng sẽ làm tăng BER, do đó chúng ta cũng phải tăng mã để bù cho phần tải trọng đƣợc gia tăng. 3.3 CHO PHÉP CƠ CHẾ RQ - Mặc dù việc áp dụng FEC đã làm tăng xác suất khôi phục gói nhƣng hiệu quả vẫn còn có thể đƣợc nâng cao hơn nữa nếu cho phép cơ chế ARQ tùy chọn. Cơ chế ARQ ở phân lớp phần chung MAC của WiMAX đƣợc cho phép bằng cách trao đổi bản tin điều khiển giữa bộ phát và bộ thu ở thời điểm thiết lập kết nối. ARQ cho phép phía bộ phát nhận đƣợc thông tin hồi tiếp để biết đƣợc chất lƣợng cuộc gọi đang diễn ra và trạng thái kênh truyền. Chúng ta cho phép cơ chế ARQ và yêu cầu mỗi trạm thuê bao gửi feedback dƣới dạng xác suất khôi phục gói, từ đó phân lớp phần chung MAC của WiMAX thu thập đƣợc thông tin liệu gói có đƣợc nhận thành công hay không. Ngoài ra, feedback này cung cấp một sự ƣớc lƣợng về trạng thái kênh truyền. - Chúng ta áp dụng feedback nhanh ở lớp MAC và dùng những gói rất nhỏ để giảm overhead. Những thông số đƣợc dùng trong gói feedback là CID, trạng thái ARQ (cho phép hay không cho phép), giới hạn phát lại tối đa, xác suất khôi phục gói và số thứ tự. Số thứ tự đƣợc dùng để tƣơng quan gói với trả lời của nó từ trạm gốc. Nếu gói không đƣợc nhận đúng, tức là xác suất khôi phục gói nhỏ hơn một ngƣỡng cho trƣớc, thì cơ chế phát lại đƣợc áp dụng. Ƣu điểm chính của việc dùng mô hình phát lại là việc này làm giảm suy hao mất gói, nhƣng lại làm tăng độ trễ. Đối với việc phát lại lớp MAC, chúng ta duy trì một bộ đệm cho mỗi luồng ở trạm gốc WiMAX đang phát. Bộ đệm này giúp lƣu trữ tạm thời các gói, trừ phi và cho đến khi các gói đƣợc khôi phục đúng bởi bộ thu. Việc này dĩ nhiên là sẽ sinh ra một độ trễ, gọi là dqueue. Do đó, tổng độ trễ miệng-đến-tai một chiều, nhƣ trong công thức 2.7, đƣợc điều chỉnh lại thành: d = dcodec + dplayout + dnetwork + dqueue (3.5) - Để đối phó với việc tăng độ trễ này, chúng ta dùng tính năng gộp chung (aggregation). Chúng ta dùng tính năng này để gộp chung nhiều MSDU vào trong một MPDU, do đó có đƣợc kích thƣớc MPDU tối ƣu. - Ví dụ nhƣ trong hình 3.2 một phần của MSDU thứ 3 sẽ đƣợc gộp chung với 2 MSDU trƣớc nó để làm đầy phần còn lại của tải trọng tránh lãng phí nguồn tài nguyên. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 86 Chƣơng 3-Ứng dụng Voip trong mạng Wimax Hình 3.2 Ghép nhiều MSDU thành MPDU (aggregation) Hình 3.3 Một MSDU được phân mảnh đến cho nhiều MPDU 3.4 KÍCH THƯỚC MPDU TỐI ƯU - Vì các gói thƣờng bị mất hoặc hƣ hỏng trong quá trình truyền đi trong kênh truyền vô tuyến vốn có nhiễu lỗi, cơ chế ARQ thƣờng đƣợc dùng để xác định và có khả năng khôi phục các frame bị mất. Trong trƣờng hợp của chúng ta, ARQ đóng vai trò quyết định trong việc ƣớc lƣợng tình trạng kênh truyền và số phận của các MPDU đã đƣợc phát. Do đó, thời gian RTT trở nên mang tính quyết định trong việc xác định kích thƣớc MPDU. Chúng ta định nghĩa RTT là khoảng thời gian tính từ thời điểm bit cuối cùng của MPDU đƣợc phát đi cho đến thời điểm nhận đƣợc ACK của MPDU đó. Ngoài ra, chúng ta giả định một khoảng thời gian bằng 0 giữa việc phát hai MPDU liên tiếp, nghĩa là, bit cuối cùng của một MPDU và bit đầu tiên của MPDU kế tiếp đƣợc phát liên tục. - Bây giờ chúng ta sẽ giải thích RTT ảnh hƣởng đến kích thƣớc MPDU nhƣ thế nào. Gọi t là thời gian cần để phát MPDU và T là RTT. Nhƣ vậy, số lƣợng MPDU đã đƣợc phát trƣớc khi nhận đƣợc ACK của MPDU đầu tiên là . Chú ý rằng t phụ thuộc vào kích thƣớc của MPDU, do đó có một sự đánh đổi giữa goodput ( ố ƣợ hô ổ ố ƣợ đƣợ há ) và độ trễ. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 87 Chƣơng 3-Ứng dụng Voip trong mạng Wimax - Nếu MPDU lớn thì thời gian phát cũng lớn nhƣng overhead do header sẽ nhỏ, giúp duy trì goodput cao. Nếu MPDU bị mất hoặc bị lỗi vì trạng thái kênh truyền xấu thì cơ chế ARQ sẽ kích hoạt việc phát lại cả một MPDU lớn, điều này sẽ làm gia tăng độ trễ trong việc phát dữ liệu. Ngoài ra, trƣớc khi phân lớp phần chung MAC nhận đƣợc feedback, tức là biết đƣợc tình trạng kênh truyền nhƣ thế nào, thì MPDU kế tiếp đã đƣợc phát đi rồi. Nếu kênh truyền ở trong tình trạng xấu kéo dài thì xác suất các frame kế tiếp bị mất hoặc bị lỗi là rất cao. Do đó, sẽ có nhiều MPDU lớn đƣợc phát lại dƣới điều kiện kênh truyền xấu, dẫn đến sự suy giảm goodput trầm trọng, không đảm bảo đƣợc QoS. - Để hiểu rõ hơn, chúng ta hãy xem xét một ví dụ đơn giản sau. Cho kích thƣớc MPDU là 1055 byte (1000 byte tải trọng, 50 byte CRC và 5 byte header). Nếu trạm gốc phát ở tốc độ từ 100 Mbps trở lên thì thời gian phát MPDU t = = 0,08 ms. RTT T = 0,05 ms đối với một cell bán kính 8 km. Do đó, việc phát MPDU thứ hai vẫn đang diễn ra trong khi nhận đƣợc ACK của MPDU thứ nhất. Nhƣ vậy, phân lớp phần chung MAC chỉ có thể biết đƣợc trạng thái kênh truyền trƣớc khi phát MPDU thứ ba. Bây giờ giả sử rằng kênh truyền ở trạng thái xấu trong vòng 2 đến 3 ms. Cả MPDU thứ nhất lẫn thứ hai đều bị mất và 2 x 1055 = 2110 byte sẽ đƣợc phát lại. - Ngƣợc lại, kích thƣớc MPDU nhỏ, chẳng hạn 355 byte (300 byte tải trọng, 50 byte CRC và 5 byte header), thời gian phát của mỗi MPDU t = = 0,0271 ms. Với RTT T = 0,05 ms, ACK của MPDU thứ nhất đến trong khi phát MPDU thứ ba. Bây giờ điều chỉnh thích hợp có thể thực hiện trên MPDU thứ tƣ và ngay cả khi tất cả ba MPDU trƣớc đều bị mất thì chỉ cần phát lại 3 x 355 = 1065 byte, khoảng một nửa ví dụ trƣớc. Nhƣng nhƣợc điểm chính của MPDU nhỏ là goodput thấp vì tỉ số tải trọng trên overhead thấp. - Do đó, chúng ta thấy rằng cả MPDU lớn lẫn nhỏ đều có ƣu điểm và nhƣợc điểm. Chúng ta kết hợp các ƣu điểm của cả hai bằng cách thay đổi động kích thƣớc MPDU tùy theo loại feedback bảng 3.1 và sự cấp phát minislot cho luồng VoIP để thu đƣợc hiệu quả nhƣ mong muốn. Bảng 3.1 Phân loại feedback Loại feedback Trạng thái MPDU ở bộ thu 1 MPDU đƣợc nhận đúng 2 MPDU bị lỗi, không sửa đƣợc 3 MPDU bị mất 4 Bộ đệm đầy Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 88 Chƣơng 3-Ứng dụng Voip trong mạng Wimax 3.5 CẤP PHÁT ĐỘNG MINISLOT - Những ngƣời dùng trong một cell WiMAX đƣợc phục vụ theo cách TDMA/TDD sau khi kết nối đƣợc thiết lập. Một hoặc nhiều minislot đƣợc gán cho mỗi ngƣời dùng để phục vụ yêu cầu của họ. Một minislot đƣợc định nghĩa là một đơn vị cấp phát băng thông hƣớng lên/hƣớng xuống tƣơng đƣơng n ký hiệu vật lý, trong đó n = 2 m và m là số nguyên từ 0 đến 7. Số lƣợng ký hiệu vật lý trong mỗi frame là hàm theo tốc độ ký hiệu. Tốc độ ký hiệu đƣợc chọn để thu đƣợc số lƣợng ký hiệu vật lý trong mỗi frame là một số nguyên. Ví dụ, với tốc độ ký hiệu 20 Mbps, có 5000 ký hiệu vật lý trong frame 1 ms. - Ngoài những cơ chế đã đƣợc đề nghị bên trên, cấp phát minislot động để không chỉ nâng cao chất lƣợng cuộc gọi VoIP mà còn hỗ trợ thêm nhiều cuộc gọi. Đối với codec G.729a, một gói VoIP dài 60 byte (40 byte RTP/UDP/IP header và 20 byte tải trọng) đƣợc đƣa xuống lớp MAC của WiMAX. Ở lớp MAC, 6 byte header tổng quát đƣợc thêm vào đầu và một số byte mã FEC (tùy số lần phát lại frame này và hiệu suất codec) đƣợc thêm vào cuối để sửa lỗi. Do đó, việc phát một MPDU (chỉ chứa một MSDU) mất khoảng 8-10 s. Mặt khác, thời lƣợng minislot tối thiểu và tối đa lần lƣợt là 1 ký hiệu vật lý (0,2 s) và 128 ký hiệu vật lý (25,6 s), với tốc độ ký hiệu 20 Mbps. Do đó, thời lƣợng của minislot đƣợc cấp phát đóng vai trò quan trọng đối với gói VoIP. Nếu một minislot có thời lƣợng nhỏ hơn kích thƣớc MPDU tối thiểu đƣợc cấp phát cho một session thì không có cách nào để MPDU có thể gửi trong minislot đó. Do đó, loại cấp phát single slot này không thể dùng hiệu quả đƣợc. Tốt hơn hết là cấp phát nhiều minislot cho một ngƣời dùng để tránh lãng phí minislot. Bây giờ, câu hỏi đặt ra là nên gán bao nhiêu minislot cho một user và nên dùng chính sách scheduling nào để giảm suy hao trễ. Vì mỗi luồng VoIP có ngƣỡng trễ 177,3 ms nên chính sách scheduling phải xem xét độ trễ mà luồng VoIP đã bị. Do đó, một chính sách scheduling trong đó trạm gốc tìm các luồng VoIP trong bộ đệm của nó, tính toán độ trễ của MPDU trong mỗi luồng, và gán minislot cho luồng nào bị delay nhiều nhất. Số lƣợng minislot đƣợc gán sao cho thời lƣợng của tất cả minislot cộng lại lớn hơn hoặc bằng MPDU đƣợc phát. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 89 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả CHƯƠNG 4-MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 GIỚI THI U PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPNET - Phần mềm OPNET đƣợc phát triển bởi công ty OPNET Technologies, Inc. Đây là một công cụ phần mềm mạnh đƣợc sử dụng để mô phỏng mạng, đã đƣợc các nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới đánh giá cao và những kết quả mô phỏng bằng Opnet đã đƣợc công nhận trên nhiều tờ báo khoa học và diễn đàn công nghệ thế giới. Opnet có chứa một lƣợng thƣ viện rất lớn về các mô hình mạng, mô hình node, mô hình liên kết, bao trùm từ mạng hữu tuyến cho tới mạng vô tuyến với rất nhiều các giao thức sẵn có. Opnet đƣợc thiết kế với cơ sở dữ liệu phân lớp và hƣớng đối tƣợng, Opnet cso giao diện GUI Ngoài việc mô phỏng mạng và các giao thức của mạng, Opnet còn cung cấp nhiều công cụ cho phép phân tích hiệu suất, tính toán đƣờng đi, khởi tạo lƣu lƣợng, so sánh bằng đồ thị,… vô cùng linh hoạt, từ đó không những chỉ tạo lập các hệ thống mạng mà còn giúp đánh giá hoạt động của các hệ thống mạng đó. - Quy trình làm việc của OPNET chính là các bƣớc để xây dựng một mô hình và chạy chƣơng trình mô phỏng, trung tâm xoay quanh môi trƣờng Project Editor. Trong chƣơng trình này, chúng ta có thể tạo một mô hình mạng, chọn số liệu thống kê để thu thập từ mỗi mạng đối tƣợng hoặc từ mạng toàn bộ, thực hiện mô phỏng, và xem kết quả. Project Editor là vùng thao tác chính cho việc tạo mô phỏng mạng. Ta có thể xây dựng một mô hình mạng bằng cách sử dụng các mô hình từ các thƣ viện chuẩn, chọn các thống kê về mạng, chạy một mô phỏng, và xem kết quả. 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG - Sơ đồ hệ thống Hình 4.1 Mô hình hệ thống Wimax cơ bản Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 90 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả Thiết lập thông số c bản cho các module: Hình 4.2 Thiết lập thông số cho BS Hình 4.3 Thiết lập thông số cho WS Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 91 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả Hình 4.4 Thiết lập thông số điều chế wimax Hình 4.5 Cấu hình Wimax Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 92 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả Hình 4.6 Thiết lập modul Application Hình 4.7 Thiết lập modul Profile Kết quả mô phỏng ban đầu: Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 93 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả Hình 4.8 So sánh Jitter của các WS - Dựa vào kết quả trên cho ta thấy khoảng thời gian đầu Jitter có sự biến thiên lớn, sau đó Jitter dần dần ổn định hơn nhờ Wimax sử dụng kỹ thuật OFDM. - Các WS ở gần BS có sự biến thiên Jitter nhỏ hơn các WS ở xa BS. - Maximum Jitter nhỏ hơn 2ms cho nên không ảnh hƣởng đáng kể đến chất lƣợng cuộc gọi. Hình 4.9 So sánh mất g i giữa 2 WS ở xa BS Hình 4.10 So sánh mất g i giữa 2 WS gần BS Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 94 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả - Các WS ở xa BS có độ mất gói lớn hơn các WS ở gần BS. Độ mất gói nhỏ hơn 10% thì có thể chấp nhận đƣợc. Để giảm độ mất gói tin ta có thể tăng công suất phát và độ lợi anten của BS hoặc của WS. Hình 4.11 So sánh delay giữa 2 WS ở các khoảng cách khác nhau - Kết quả mô phỏng cho thấy trễ end to end ở cả 2 khoảng cách gần và xa xấp xỉ 80ms nằm trong giới hạn cho phép của cuộc gọi Voip. - Ở khoảng cách xa khoảng 6km so với BS thời gian trễ end to end bị ảnh hƣởng do môi trƣờng và các yếu tố khác. Kết quả mô phỏng khi thay đổi một vài thông số c bản:  Khi tăng công suất và độ lợi anten của các WS là 1W, 15dBi: Hình 4.12 Jitter của các WS khi thay đổi thông số của WS Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 95 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả Hình 4.13 Mất g i giữa 2 WS ở xa BS Hình 4.14 Mất g i giữa 2 WS ở gần BS khi thay đổi thông số của WS khi thay đổi thông số của WS Hình 4.15 Delay của các WS khi thay đổi thông số của WS - Khi tăng công suất và độ lợi anten của các WS lên 1W, 15dB: cả 3 thông số Jitter, delay ổ định hơn và tỉ lệ mất gói giảm xấp xỉ 5% cho 2 khoảng cách xa và gần.  Khi tăng công suất phát của BS là 15W: Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 96 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả Hình 4.16 Jitter của các WS khi thay đổi thông số của BS Hình 4.17 Mất g i giữa 2 WS ở xa BS Hình 4.18 Mất g i giữa 2 WSở gần BS khi thay đổi thông số của BS khi thay đổi thông số của BS Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 97 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả Hình 4.19 Delay giữa các WS khi thay đổi thông số của BS - Khi tăng công suất phát của BS là 15W: Jitter thì ổn định hơn trƣờng hợp trên, tỉ lệ mất gói thì tăng, delay thì không ảnh hƣởng nhiều lắm.  Khi tăng công suất, độ lợi anten của WS 15dBi, 1W và công suất phát của BS là 15W: Hình 4.20 Jitter của các WS khi thay đổi thông số của WS và BS Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 98 Chƣơng 4-Mô phỏng và kết quả Hình 4.21 Mất g i giữa 2 WS ở xa BS Hình 4.22 Mất g i giữa 2 WS ở gần BS khi thay đổi thông số của WS và BS khi thay đổi thông số của WS và BS Hình 4.23 Delay giữa các WS khi thay đổi thông số của WS và BS - Jitter và delay thì không chịu ảnh hƣởng nhiều bằng việc thay đổi công suất và độ lợi của WS và BS, riêng tỉ lệ mất gói thì phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi công suất và độ lợi anten của WS và BS. PHẦN C. KẾT LUẬN Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 100 Với mục tiêu là tìm hiểu việc ứng dụng Voip vào trong mạng truy cập vô tuyến băng rộng Wimax thì sau khi phân tích, đánh giá. Nhóm thực hiện đề tài rút ra đƣợc một số kết luận nhƣ sau: - Trong khi các công nghệ truy cập không dây mới đang đƣợc phát triển, WiMAX đang nổi bật lên nhƣ là một trong những công nghệ băng rộng đầy hứa hẹn có thể hỗ trợ rất đa dạng các dịch vụ thời gian thực nhƣ Voip, Iptv... - Một ƣu điểm đáng kể đến nữa của Wimax là hỗ trợ khoảng cách xa lên đến hàng Km với chất lƣợng cuộc gọi vẫn có thể chấp nhận đƣợc. Wimax đƣợc hỗ trợ Qos cho các dịch vụ dữ liệu và các ứng dụng. Đây là một ƣu điểm vƣợt trội của Wimax so với Wi-Fi. - Công nghệ OFDM với những tính năng nổi trội nhƣ khả năng chống nhiễu, khả năng sử dụng phổ cao, cho phép truyền tin với tốc độ cao...đƣợc sử dụng trong WiMAX cố định đã cho phép hệ thống có khả năng làm việc tốt trong môi trƣờng NLOS và tốc độ truyền tin cao. - Với những ƣu điểm nổi trội đã trình bày, WiMAX có thể song song tồn tại cùng với các mạng nhƣ 3G việc triển khai WiMAX tại Việt Nam sẽ đáp ứng đƣợc các đòi hỏi ngày một lớn về nhu cầu truy nhập băng rộng, đặc biệt là các khu vực nông thôn, miền núi và các khu đô thị mới. Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 101 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI - Nghiên cứu ứng dụng cuộc gọi Voip qua mạng Wimax trên phạm vi lớn hơn qua nhiều mạng khác nhau nhƣ IP,PSTN… - Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng cho các dịch vụ thời gian thực khác qua mạng WiMAX nhƣ dịch vụ video, truyền hình hội nghị… Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 102 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AAS Adaptive Antenna systems ASN Access Service Network ATM Asynchronous Transfer Mode BS Base Station CC Convolutional Code CID Connection Identification CP Cyclic Prefix CPE Customer Premier Equipment CPL Call Processing Language CPS Common Part Sublayer CS Convergency Sublayer CSN Connectivity Serving Network CTC Convolutional Turbo Code DFS Dynamic Frequency Selection DQDB Distributed Queue Dual Bus EAP Extensible authentication protocol FDDI Fiber-Distributed Data Interface FEC Forward Error Corection HTTP Hyper Text Transfer Protocol ICI Inter Channel Interference ISI Inter Symbol Interference ISP Internet service provider LAN Local Area Network LMDS Local Multi-point Distribution System MAN Metropolitan Area Network MIMO Multi Input Multi Output MMDS Multichannel multipoint distribution service MOS Mean Opinion Score MPDU MACpacketdataunits MSDU MAC Service Data Units NAP Network Access Provider NSP Network Service Provider OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PAN Personal Area Network PDA Personal Digital Assistant PDU Protocol Data Unit Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 103 PKM Privacy key management PPS Packets Per Second QoS Quality of Service RAS Registration, Admissions, and Status RSVP Resource Reservation Protocol RTCP Real-time Transport Control Protocol RTP Real-time Transport Protocol RTT Round Trip Time SAP Service Access Point SAP Session Announcement Protocol SCTP Stream Control Transmission Protocol SDP Session Description Protocol SIP Session Ineitiation Protocol SNMP Simple Network Management Protocol SS Subscriber Station TA Telephony Adapter TCP Transmission Control Protocol VOIP Voice over Internet Protocol WAN Wide Area Network WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WS Works Station Tìm hiểu công nghệ Voip trong Wimax 104 TÀI LI U TH M KHẢO [1] S.Sengupta,M.Chatterjee,S.Ganguly,andR.Izmailov.Improving R-score of VoIP Streams over WiMax.Proc.IEEEInt’lConf.Comm, vol.2,pp.866-871,June2006. [2] Sengupta, S. Chatterjee, M. Ganguly. Improving Quality of VoIP Streams over WiMax. IEEE transactions on computers, vol. 57, no. 2, February 2008. [3] MarcosD.Katz, FrankH.P.Fitzek.WiMAX Evolution Emerging Technologies and Applications. [4] Jeremy Yoo. Performance Evaluation of Voice Over IP on WiMAX and Wi-Fi Based Networks.2009. [5] Meghanathan, N.; Boumerdassi, S.; Chaki, N.; Nagamalai, D.Recent Trends in Networks and Communications.International Conferences, NeCoM 2010, WiMoN 2010, WeST 2010,Chennai, India, July 23-25, 2010. [6] Nguyễn Hồng Sơn. Kỹ thuật điện thoại qua IP và Internet. NXB Lao động xã hội, 8/2003. [7] Lê Quang Đạo. Công nghệ Wimax nghiên cứu và xây dựng mô hình mẫu triển khaicho vùng địa hình đặc thù tại Việt Nam. Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2007. [8]