Thứ Sáu, 6 tháng 4, 2012

Tìm hiểu về giao thức chuyển giao (handover procedure)

1. Handover là gì?
Ví dụ trong mạng tế bào, mỗi một tràm phát sóng BTS có một vùng phủ giới hạn (vài km). Khi bạn ngồi trên ô tô/ xe bus và điện thoại cho bạn gái, thì chắc chắn bạn không thể nối kết với cùng 1 trạm BTS được. Khi bạn đi ra khỏi vùng phủ sóng của một trạm BTS A và đi vào vùng phủ của một trạm BTS B, lúc đó bạn sẽ kết nối với trạm B. Dĩ nhiên là cuộc gọi vẫn diễn ra bình thường. Quá trình chuyển đổi kết nối từ một trạm phát sóng này sang một trạm phát sóng khác được gọi chung là chuyển giao (handover).
Trong hầu hết các loại hình mạng không dây: tế bào, wifi, wimax, DVB-H…, đều có tính đến khái niệm chuyển giao. Chú ý là khái niệm chuyển giao luôn gắn liền với việc có communication đang diễn ra.
2. Phân loại các loại hình chuyển giao (HO).
Thực tế có nhiều khái niệm khác nhau liên quan đến “Handover” (HO).
- Trong mạng tế bào, người ta phân biệt ra Hard HO, Soft HO (khái niệm này không có ở GSM) và intersystem HO (inter-RAT).
- Trong IETF/IEEE thì hay nhắc đến các khái niệm Fast HO, smooth HO, horizontal HO, vertical HO, intra/inter-technology (system) HO, L2 HO, L3 HO … Các bạn có thể tham khảo các terminology ở đây http://www3.tools.ietf.org/html/draf…amoby-terms-00
- Trong WiMAX (IEEE) thì có khái niệm Hard HO, Fast BS Switching (FBSS) và Macro diversity HO.
Túm lại, theo mình thì là thế này.
- Trước hết giữa Soft HO và Hard HO, cái khác nhau cơ bản là new connection (nối kết ở mạng đến) được thiết lập trước hay sau khi old connection (nối kết hiện tại) chấm dứt. Vì thế đôi khi bạn nghe nói đến make-before-break (tức là SOFT) và break-before-make (gọi là HARD) HO. Khái niệm Hard và soft là độc lập (independent of) với technology và operator domain.
- Với cách phân biệt như trên thì inter-system HO có thể là Hard cũng có thể là Soft. System ở đây không hẳn chỉ là khác nhau về technology (RAT) mà có thể khác nhau về administrative domain (giữa các operator/owners khác nhau, tuy nhiên cũng nên phân biệt với khác niệm roaming).
- Về khái niệm horizontal và vertical HO. Horizontal ở đây tức là HO giữa cùng 1 system, cùng 1 technology. Còn Vertical là chỉ HO giữa 2 technology khác nhau (có thể thuộc cùng hoặc không cùng thuộc 1 owner). VD: Handover giữa WLAN và UMTS là vertical.
3. Các bước cơ bản trong một quá trình chuyển giao
Chuyển giao ngang (horizontal HO) trong mạng tế bào có thể phân ra thành 3 bước chính như sau:
1. HO measurement (đo đạc/theo dõi chất lượng đường truyền radio)
2. HO decision (ra quyết định chuyển giao)
3. HO Execution (tiến hành chuyển giao)
Cụ thể từng bước như sau:
Bước 1: Trong suốt quá trình liên lạc, thiết bị cầm tay (gọi nôm na là UE (user equipment)) sẽ luôn đo năng lượng thu được từ BTS đang nối kết và của cả các BTS xung quanh nó. UE thường xuyên gửi báo cáo về tình hình đo đạc này về trạm phát sóng (Node B trong UMTS/BTS trong GSM) và thiết bị quản lý radio (RNC trong UMTS/BSC trong GSM).
Bước 2. Nếu chất lượng đường truyền từ trạp phát hiện tại kết nối đến UE bị giảm mạnh dưới một mức nào đó, thì mạng sẽ quyết định tiến hành HO. Mạng sẽ chọn ra một cái BTS lân cận mà cho chất lượng đường truyền tốt nhất để UE nối kết vào.
Bước 3. UE thiết lập nối kết với trạm mới và tài nguyên dành riêng cho UE ở trạm cũ sẽ được giải phóng. Tùy theo soft/hard HO mà các quá trình này sẽ được thực hiện một cách khác nhau.
4. Sự khác nhau giữa chuyển giao ngang (HHO) và chuyển giao dọc (VHO)
Chuyển giao dọc đã và đang là xu thế phát triển và nghiên cứu của ngành truyền thông trên toàn thế giới. Cụ thể và nổi bật nhất là khả năng chuyển giao liên mạng giữa mạng tế bào cellular và mạng cục bộ WLAN. Chuyển giao dọc không còn là những nghiên cứu đơn lẻ mà đã và đang được chuẩn hóa bởi nhiều tổ chức như 3GPP, 3GPP2, IEEE, IETF,…
Lợi ích của việc chuyển giao dọc:
Mạng di động thế hệ thứ 3, UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) chuẩn hóa bởi 3GPP (Third Generation Partnership Project), đảm bảo tốc độ truyền dự liệu từ mức chậm đến trung bình trên một diện rộng với tốc độ di chuyển khá cao của người dùng. Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu tối đa trên mạng UMTS không thể đáp ứng được cho những dịch vụ đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao như video, streaming, mobile TV. Ngoài ra giá thành của dịch vụ UMTS khá cao so với dịch vụ Internet. Bên cạnh đó, mạng WLAN (Wireless Local Area Network) có thể cung ứng tốc độ truyền dữ liệu cao và giá dịch vụ lại thấp. Tuy nhiên mạng WLAN không đáp ứng được dịch vụ cho người dùng di chuyển ở tốc độ cao. Do đó, rất nhiều nghiên cứu nhằm tích hợp giữa mạng UMTS và mạng WLAN nhằm tận dụng ưu điểm cũng như loại bỏ khuyến điểm của từng kỹ thuật đã thu hút được sự quan tâm chú ý của đông đảo giới nghiên cứu và giới công nghiệp trong vài năm trở lại đây.
Rõ ràng chuyển giao dọc (VHO) sẽc phức tạp hơn nhiều so với chuyển giao ngang (HHO). Trong HHO, bạn chỉ cần chọn lựa một trạm phát sóng lân cận tốt nhất theo nghĩa năng lượng thu được (RSS/SNR) tốt nhất để thực hiện chuyển giao. Trong VHO, bạn có nhiều sự lựa chọn giữa nhiều trạm phát (BS) của nhiều công nghệ khác nhau, của nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau,…sự lựa chọn sẽ phức tạp hơn vì nó không đơn thuần là dựa vào RSS/SNR (link quality) nữa.
Trong HHO, việc chuyển giao không còn bó buộc giữa 2 BS của cùng một operator, cùng một vùng quản lý mà thuộc 2 vùng quản lý khác nhau. Do đó sẽ có những vấn đề cần được quan tâm như về bảo mật/authentication trong quá trình chuyển giao.
Để thực hiện được VHO, thiết bị di động hoặc phải được trang bị nhiều radio interface khác nhau hoặc radio interface có thể tự cấu hình để hoặt động trong nhiều mode khác nhau….
5. Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế một thuật toán (giao thức) chuyển giao.
1. Trước hết là làm thế nào để đo được chất lượng đường truyền cũng như các thông tin liên quan của một BS lân cận trong khi UE vẫn đang liên lạc với BS nó đang kết nối? Các bạn đừng tưởng là vấn đề này đơn giản! Nếu BS lân cận hoạt động trong cùng 1 tần số với BS bạn đang nối kết thì bạn có thể “đo” được năng lượng phát ra từ nó. Nếu bây giờ BS lân cận không cùng tần số, ví dụ như trong UMTS inter-frequency BS. Nếu UMTS hoạt động ở mode FDD thì UE phải dùng “compressed mode” để dừng liên lạc đang diễn ra và shift đến tần số của BS lân cận để có thể đo được năng lường phát ra từ BS lân cận. Nếu BS lân cận lại thuộc một công nghệ khác (ví dụ bạn đang kết nối với GSM mà muốn chuyển giao sang WLAN). Nếu UE có 2 radio interface, 1 dùng liên lạc với GSM, một cái khác dùng để dò thông tin WiFi. Vấn đề có vẻ không phức tạp lắm. Nếu UE chỉ có 1 radio interface mà có khả năng tự cấu hình (SDR) lại để hoạt động ở cả 2 mode, thì sao?
2. Trong trường hợp VHO, bên cạnh thông tin về RSS bạn còn cần các thông tin khác ví dụ “cost” của từng BS lân cận (giá bạn phải trả nếu thực hiện cuộc gọi thông qua BS đấy/ một operator khác). Và còn nhiều thông tin khác . Liệu BS có broadcast thông tin ấy không? Các bạn quan tâm có thể xem chuẩn IEEE 802.21 Media Independent Handover…
3. Khi nào thì UE cần thiết phải thực hiện chuyển giao? Vấn đề không hẳn đơn giản là khi UE sắp mất connection với BS đang kết nối (serving BS). Có thể UE thực hiện chuyển giao sang một BS có chất lượng tốt hơn/ giá rẻ hơn ngay khi nó vẫn đang kết nối với serving BS….
4. Ai sẽ ra quyết định trong quá trình chuyển giao? UE hay BS?
5. Một khi có tất cả thông tin cấn thiết để thực hiện chọn lựa BS lân cận tốt nhất. Tốt nhất theo nghĩa nào? Tốt nhất đối vơis UE A sẽ không giống với tốt nhất của UE B???
6. Một câu hỏi khó là liệu BS lân cận có đảm bảo được QoS (Quality of Service) mà UE yêu cầu (expect) ko?
7. Làm thế nào để UE, serving BS và target BS (được chọn trong số các BS lân cận) trao đổi tay ba với nhau để thực hiện quá trình authentication?
8. Nếu là VHO thì việc tính tiền (billing) sẽ phân chia và giải quyết thế nào?
9. Trong quá trình thực hiện chuyển giao, cuộc gọi đang diễn ra không được gián đoạn quá lâu: low handover latency + less packet loss. Quá trình HO này phải không được nhận biết bởi người dùng (transparency).
10. và nhiều vấn đề khác nữa
6. Đôi điều về chuyển giao trong Mobile WiMAX
Nói chung thì mình cũng đã đề cập một cách tổng quát về bài toán chuyển giao trong mạng di động. Hôm nay mình sẽ nói sâu hơn một tí về vấn đề chuyển giao dọc, chuyển giao giữa 2 technology khác nhau, 2 mạng khác nhau, 2 nhà cung cấp mạng khác nhau. Bạn cần gì để có thể thực hiện được chuyển giao dọc, ví dụ giữa 3G và WLAN?
Nói về thiết bị: Đầu tiên là bạn cần phải có một thiết bị di động (ví dụ laptop hoặc PDA) mà có thể kết nối với cả 3G và WLAN. Hiện nay thì tương đối đơn giản vì PDA nào cũng có hỗ trợ Wifi, và PDA nào cũng có khe để nhét cái SIM vào. Đây là loại thiết bị “multiple radio interfaces” bởi chúng có 2 máy phát và thu riêng nhau, 2 angten riêng nhau, 1 cho 3G một cho wifi, có 2 ASIC khác nhau, nói chung là 2 communication chains khác nhau.
Điểm tiện lợi của thiết bị này là chúng dễ sản xuất, bằng chứng là chúng đã có mặt trên thị trường. Song, điểm bất lợi là vì có nhiều hardware khác nhau, nên chúng sẽ ngốn rất nhiều năng lượng. Thiết bị di động thì 90% năng lượng tiêu tốn là do tiêu thụ từ phần RF. Nên nếu bạn cứ thử dùng PDA mà check wifi thì sẽ biết là năng lượng tiêu tốn thế nào.
Trong tương lai sẽ có thiết bị mà chỉ có một radio interface thôi, sẽ có một transceiver thôi, và chúng có thể tự lập trình, tự cấu hình để có thể hoạt động ở nhiều công nghệ mạng khác nhau. Tưởng tượng là nếu bây giờ thiệt bị của bạn không chỉ có 3G và wifi mà còn cả wimax, dvb-h…. thì nếu mà mỗi cái cần một hardware riêng như ở trên thì….Do vậy cái tự cấu hình radio này có vẻ theo mình là khá hướng hẹn. Nó gọi là SDR (software defined radio). Các bác nào làm về phần radio, phần RF…thì chắc là biết rõ hơn mình.
Dĩ nhiên có thiết bị dual-mode hay multi-mode xong vẫn chưa đủ.
Phần tiếp theo mình sẽ nói về phần mạng, bạn cần phải có gì giữa hai mạng wifi và 3G để có thể thực hiện được chuyển giao. Liệu bạn có thể thực hiện chuyển giao mà không cần bất cứ một sự thỏa thuận nào giữa 2 mạng? Liệu bạn có thể tự làm điều đó ở nhà bạn, thông qua Internet?
7. Bạn cần gì đế thực hiện chuyển giao dọc giữa 2 kỹ thuật khác nhau (tiếp theo)
7.1. Thiết bị
7.2. Hạ tầng mạng
Một điều dễ hiểu là để thực hiện chuyển giao giữa 2 mạng khác nhau, 2 kỹ thuật khác nhau (cụ thể là WLAN và GPRS /UMTS) thì 2 mạng này phải kết nối với nhau ở đâu đó.



Cái điểm kết nối đấy được gọi là “coupling point”. Nó có nhiều khả năng khác nhau ví dụ như hình trên. Bạn cũng có thể tượng tượng là bây giờ điểm kết nối nằm ở máy chủ dịch vụ, và máy chủ dịch vụ là nằm trên Internet. Tùy vào vị trí của coupling point mà người ta phân ra các loại: loose, very loose, tight, very tight coupling.
Xem thêm http://vntelecom.org/diendan/showthread.php?t=76
Xem thêm cái này http://vntelecom.org/diendan/showthread.php?t=197
Bạn có thể hình dung là điểm coupling này cũng sẽ rất phụ thuộc vào nhà cung cấp mạng của 2 loại mạng này. Nếu là của cùng một nhà cung cấp, ok không thành vấn đề lắm. Nếu là 2 nhà cung cấp khác nhau, thì sẽ phiền phức hơn nhiều. Và nếu như họ không có bất kỳ sự đồng thuận nào cả, liệu có thể thực hiện chuyển giao dọc được? Câu trả lời là có Xem thêm ở đây và đây.
8. HO liên quan như thế nào với RRM?
- Hệ thống phải đảm bảo cung cấp đủ tài nguyên cho một connection (MS). Do vậy, muốn đảm bảo điều đó thì phải cần có một cơ chế Admission control (AC) và resource reservation tốt. Nói cách khác là RRM tốt.
- Nếu khi mà load của một BS đã lớn. Có nghĩa là BS đã và đang có nhiều MS connected với nó, thì BS sẽ không accept thêm bất cứ MS nào mới.
- Ngoài ra hệ thống phải đặt một độ ưu tiên nhất định đối với các user thực hiện HO từ cell lân cận sang nó so với các user mới bắt đầu khởi tạo kết nối. Nghĩa là khi load của một BS ở một mức nào đó, nó sẽ không nhập kết nối mới bắt đầu trong vùng của nó, nhưng nó sẽ để dành một phần tài nguyên để tiếp đón các user thực hiện chuyển giao từ cell bên cạnh sang nó. Cái này cũng đã được quan tâm nghiên cứu nhiều.
- Nếu BS có load cao, nó sẽ cưỡng ép các MS thực hiện HO sang cell lân cận nếu được để giảm bớt load. Cái này liên quan nhiều đến “load balancing”.
- Riêng về phía MS, trong quá trình chọn cell, nó sẽ chọn các cell có load thấp. Cũng là một cách để thực hiện cân bằng load trong hệ thống…


Do vậy, HO là một vấn đề liên quan mật thiết trong RRM.

0 nhận xét:

Đăng nhận xét