PCRF

PCRF : Policy and Charging Rule Function

         บทความนี้นำเสนอแนวทางการนำระบบ Policy and Charging Rules Function (PCRF) ในระบบโครงข่าย โทรศัพท์เคลื่อนที่ระบบ 3G (Third Generation) ซึ่งทำหน้าที่จัดการปริมาณการใช้งานข้อมูลภายในโครงข่ายของผู้ใช้บริการให้ เป็นไปตามหลักการใช้งานอย่างยุติธรรม (Fair Usage Policy) มาประยุกต์ใช้กับโครงข่ายคอมพิวเตอร์ไร้สาย (Wireless LAN) เพื่อบริหารจัดการการใช้งานปริมาณข้อมูลในโครงข่าย เนื่องจากผู้ให้บริการโทรคมนาคมในปัจจุบันมักจะให้บริการการเชื่อมต่อ Wireless LAN ในลักษณะเหมาจ่าย ทำให้ผู้ใช้งานบางรายอาจจะใช้งานข้อมูลปริมาณมาก ซึ่งอาจจะส่งให้ทรัพยากรต่าง ๆ ภายใน ระบบถูกใช้งานไปเป็นจำนวนมาก ส่งผลให้คุณภาพการให้บริการของผู้ใช้งานอื่น ๆ ด้อยลงกว่าที่ควรจะเป็น ระบบ PCRF ทำงานโดยมีเงื่อนไขว่าเมื่อผู้ใช้งานใช้งานข้อมูลครบตามปริมาณที่กำหนดไว้ ผู้ใช้งานรายนั้นๆ จะถูกลดขนาดของแบนด์วิทด์ลงตาม เงื่อนไขที่กำหนด ส่งผลให้ความเร็วในการใช้งานข้อมูลของผู้ใช้งานรายนั้นลดลงจากค่าปกติ ด้วยหลักการดังกล่าวจะทำให้ผู้ให้ บริการโทรคมนาคมสามารถรับประกันคุณภาพการให้บริการกับผู้ใช้งานWireless LAN ทุกคนในระบบ ให้มีคุณภาพของบริการได้ เหมาะสมตามที่กำหนดไว้ในระบบ จากผลการทดสอบการทำงานของระบบ PCRF ที่พัฒนาพบว่าระบบสามารถควบคุมปริมาณการ ส่งข้อมูลของผู้ใช้งานในระบบได้ใกล้เคียงกับค่าที่ได้กำหนดไว้ในระบบ

       เทคโนโลยีในโทรคมนาคมในปัจจุบันนั้นมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว โดยปัจจุบันเทคโนโลยีใน 3G เป็นที่ได้รับความ นิยมอย่างมาก โดยมีแนวโน้มของผู้ใช้บริการมากขึ้นเรื่อย ๆ นั้นเป็นเพราะเครือข่าย 3G ได้มีการพัฒนาความเร็วและความจุ (Capacity) จนได้ถึง 42 Mbps ด้วยเทคโนโลยี Evolved High Speed Packet Access (HSPA+) ทำให้การเชื่อมต่อ อินเทอร์เน็ตผ่านมือถือได้รับความนิยมเป็นอย่างสูง และด้วย การคิดราคาแบบ Flat Rate ที่เหมาจ่ายราคาหนึ่ง และ สามารถที่จะดาวน์โหลดปริมาณข้อมูลได้ตามแพ็คเกจ สิ่งต่างๆเหล่านี้ทำให้บริการเครือข่าย 3G ประสบความสำเร็จเป็นอย่างสูง

      โดยทั่วไปพฤติกรรมการใช้งานอินเทอร์เน็ตผ่านมือถือนั้น จะมีปริมาณการใช้ข้อมูลที่ไม่มาก แต่สามารถใช้งานได้ทุกที่ ที่ มีสัญญาณโทรศัพท์แต่มีผู้ใช้งานที่เป็นส่วนน้อย(ประมาณ 5%)นำโปรโมชั่น
การใช้งาน ดาต้าบนเครือข่าย 3G แบบไม่จำกัดไปใช้งานเพื่อวัตถุประสงค์อื่น เช่น การนำไปใช้งาน Bit Torrent โดยใช้โทรศัพท์มือถือต่อเป็นโมเด็ม หรือต่อผ่านแอร์การ์ด ซึ่งส่งผลกระทบต่อการใช้งานของผู้ใช้งานส่วนใหญ่(ประมาณ 95%) ทำให้ประสิทธิภาพการใช้งาน 3G ลดลงเป็นอย่างมาก

       ด้วยเหตุดังกล่าว ทำให้มาตรฐาน Third Generation Program Partnership (3GPP) Release7 จึงได้มีการทำ Fair Usage Policy เพื่อลดภาระการทำงานของเครือข่ายอัน เนื่องมาจากการใช้งานข้อมูลปริมาณมากของผู้ใช้งานบางคน โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Policy and Charging Rules Function (PCRF) [1] โดยอยู่บน Core Network และทำงาน ร่วมกับ Gateway GPRS Support Node (GGSN) ที่ทำหน้าที่ เป็น gateway เชื่อมต่อระหว่างเครือข่าย GPRS กับ เครือข่ายข้อมูลทั่วไป โดย PCRF จะเป็นผู้บังคับใช้งาน Policy ต่างๆ ก็จะเข้าควบคุมการใช้งาน เช่น การลดแบนด์วิดท์ของทราฟฟิคบางชนิด หรือการที่จะลดปริมาณการใช้งาน เมื่อผู้ใช้งาน ดาวน์โหลดข้อมูลถึงปริมาณหนึ่งๆ เป็นต้น ซึ่งก็จะช่วยจัดการปริมาณทราฟฟิคที่จะเกิดขึ้นในเครือข่ายได้ดีขึ้น เพื่อให้เป็น ตามหลักการของนโยบายการใช้งานรับส่งข้อมูลอย่างเหมาะสม (Fair Usage Policy)

        ปัจจุบันในประเทศไทย ระบบเครือข่ายไร้สายประเภท WiFi ยังเป็นแพ็คเกจแบบ Unlimited
จึงเจอปัญหาเรื่องของทราฟฟิคการใช้งานปริมาณมาก ซึ่งยังไม่มีบทความใดนำแนวคิดการทำ Fair Usage Policy ในระบบ 3GPP มาแก้ปัญหา บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อนำแนวความคิดการรับประกัน Quality of Service (QoS) ของ 3GPP มาประยุกต์ใช้กับ ระบบเครือข่าย WiFi

        นโยบายการใช้งานรับส่งข้อมูลอย่างเหมาะสม คือ ข้อกำหนดและเงื่อนไขของการใช้งานข้อมูลในระบบ เพื่อบริหารการใช้งานข้อมูลของผู้ใช้งานผ่านโทรศัพท์มือถือหรือ อุปกรณ์ที่รองรับ เพื่อให้มีปริมาณการใช้ข้อมูลอย่างเหมาะสม เพื่อป้องกันไม่ให้ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการให้บริการ ของเครือข่าย จนทำให้ผู้ใช้งานอื่นไม่สามารถใช้งานได้ตาม ระดับความเร็วที่เหมาะสม

        Policy and Charging Rules Function (PCRF) คือ อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับ GGSN ที่เริ่มนำเข้าใช้ใน 3GPP Rel.7 และทำหน้าที่จัดการนโยบายการให้บริการ ของแต่ละผู้ใช้งาน โดย PCRF จะรวมฟังก์ชันการทำงานระหว่าง The Policy Decision Function (PDF) และ The Charging Rules Function (CRF) โดย PDF จะมีหน้าที่คอยตัดสินใจในนโยบาย ที่จะปฏิบัติ และ CRF คือส่วนที่ให้ผู้ประกอบการกำหนด กฎระเบียบที่บังคับใช้โดย CRF จะเลือกกฎระเบียบที่เกี่ยวข้อง การเรียกเก็บเงินตามข้อมูลที่ได้

       Serving GPRS Support Node (SGSN) เป็น ชุมสายโทรศัพท์เคลื่อนที่ที่มีการเชื่อมต่อแบบแพ็กเกตสวิตช์ ทำหน้าที่คล้ายกับอุปกรณ์ Mobile Service Switching Center (MSC) ต่างกันเพียงรองรับการสื่อสารข้อมูล ที่มิใช่ สัญญาณเสียงพูดสนทนา มีการร่วมใช้อุปกรณ์ Visitor Location Register (VLR) กับชุมสาย MSC ที่ได้รับการ กำหนดให้บริการในพื้นที่เดียวกัน รวมถึงมีการเชื่อมต่อกับ เครือข่ายสถานีฐาน โดยใช้จุดเชื่อมต่อ Gb-interface ไปยัง อุปกรณ์ Packet Control Unit (PCU) ที่แยกสัญญาณข้อมูลออกจากเครือข่ายสถานีฐานและปล่อยให้สัญญาณเสียงพูด ส่งไปยังชุมสาย MSC ผ่านจุดเชื่อมต่อ A-interface

       Gateway GPRS Support Node (GGSN) เป็นชุมสาย แบบแพ็กเกตสวิตช์ เช่นเดียวกับ SGSN แต่ มีบทบาทหน้าที่แตกต่างออกไป โดยจะบริหารจัดการเชื่อมต่อกับเครือข่าย สื่อสารข้อมูลภายนอก ไม่ว่าจะเป็นเครือข่ายอินเทอร์เน็ต เครือข่าย IP หรือแม้กระทั่งเครือข่ายที่เชื่อมต่อเฉพาะกับ องค์กรอื่นๆ เช่น ลูกค้าแบบองค์กร (Corporate Customer) นอกจากนั้น GGSN ยังมีบทบาทในการก าหนดและบริหาร จัดการกลไกการสร้างช่องสื่อสารเพื่อรับส่งข้อมูลไปยังอุปกรณ์ SGSN อีกด้วย [2] จากการค้นคว้าของผู้วิจัย ยังไม่พบว่ามีงานวิจัยใดน า แนวความคิดของ PCRF ของ 3GPP มาประยุกต์ใช้กับ โครงข่ายคอมพิวเตอร์ไร้สาย จึงเป็นแนวความคิดที่จะออกแบบ และพัฒนาในงานวิจัยนี้

       ระเบียบวิธีการศึกษาวิจัย การออกแบบและพัฒนาระบบ การทำงานของระบบจะนำรูปแบบการทำงานของ โครงข่าย 3G (Release7) มาประยุกต์กับระบบเครือข่ายไร้ สาย (Wireless LAN) โดยนำคอมพิวเตอร์มาจำลองเป็น อุปกรณ์ PCRF และใช้ Wireless Router Linksys WRT54GL แทน GGSN ดังรูปที่ 2 โดย Wireless Router Linksys WRT54GL จะทำหน้าที่ เปรียบเสมือน GGSN โดยจะติดตั้ง Firmware DD-WRT v23 SP2 [3] เพื่อให้มีความสามารถในการจำกัดแบนด์วิดท์ของแต่ละผู้ใช้งานได้ โดยจะทำการจำกัดแบนด์วิดท์โดยอ้างอิงจาก MAC Address ของแต่ละผู้ใช้งานและสามารถส่งปริมาณ ของทราฟฟิคการใช้งาน[4] ของผู้ใช้งานไปยังคอมพิวเตอร์ทุก ๆ 5 นาที เพื่อป้องกันเรื่องของการโอนย้ายข้ามเซลล์ (Handoff) โดยคอมพิวเตอร์ทำหน้าที่เหมือนกับอุปกรณ์ PCRF โดยจะมีลักษณะการทำงานคือนำทราฟฟิคที่ได้รับมาของแต่ ละผู้ใช้งานมาคำนวณว่าปริมาณทราฟฟิคที่มีการใช้งาน ครบ ตามเงื่อนไขของแต่ละผู้ใช้งานได้รับแล้วหรือไม่ โดยข้อมูลของ ผู้ใช้งานนั้น จะถูกระบุในฐานข้อมูลไว้อยู่แล้ว และมีหน้าที่ส่ง MAC Address ของผู้ใช้งานที่ใช้งานครบที่กำหนดไว้ไปยัง Wireless Router Linksys WRT54GL เพื่อทำการจำกัดแบนด์วิดท์ตามเงื่อนไขที่กำหนด

     ในปัจจุบันการใช้งาน WiFi ส่วนใหญ่จะเป็นแบบเหมาจ่ายเป็นรายเดือน และไม่จำกัดปริมาณข้อมูลที่ใช้งาน ทำให้มีผู้ใช้งานบางกลุ่มนำไปใช้วัตถุประสงค์อื่น เช่น การนำไปใช้งาน Bit Torrent ทำให้ส่งผล
กระทบต่อประสิทธิภาพการให้บริการ ของเครือข่ายจนทำให้ผู้ใช้งานอื่นไม่สามารถใช้งานได้ตาม ระดับความเร็วที่เหมาะสม โดยบทความนี้จะดำเนินการ จัดการทราฟฟิคทางด้านขาลง (Download) เป็นหลัก และจะ แบ่งผู้ใช้งานออกเป็น 3 แพ็กเกจคือ แพลทินัมโกลด์และซิลเวอร์ ตามลำดับ ซึ่งแต่ละแพ็กเกจจะแตกต่างในส่วนของปริมาณของข้อมูลที่จะได้รับ และจะถูกจำกัดปริมาณแบนด์วิดท์ที่แตกต่างกันออกไป โดยแต่ละแพ็กเกจจะนำไปประยุกต์ใช้ได้กับทั้งระบบแบบ ใช้ก่อนจ่ายทีหลัง(Postpaid) และ จ่ายก่อนใช้ทีหลัง (Prepaid) และงานวิจัยในอนาคตจะ ทำการศึกษาเพิ่มเติมทางด้านประสิทธิภาพ และการจำกัด แบนด์วิดท์ให้กับขาขึ้น (Upload)

     กระบวนการทำงานจะทำการโต้ตอบโดยการส่งข้อมูลหา กันระหว่างคอมพิวเตอร์แม่ข่าย (PCRF) และอุปกรณ์ WRT54GLโดย หลักการทำงานของระบบจะแบ่งหน้าที่ ออกเป็น 2 ส่วนดังนี้

    1. WRT54GL (AP)
จากรูปที่ 3 สามารถอธิบายได้ดังนี้
    1) อุปกรณ์ WRT54GL เก็บข้อมูลของผู้ใช้งานซึ่ง ประกอบด้วย IP Address, MAC Address และ ปริมาณทราฟฟิคการใช้งานอินเทอร์เน็ตล่าสุดของ แต่ละผู้ใช้งาน
    2) อุปกรณ์ WRT54GL จะทำการส่งข้อมูลที่เก็บไว้ได้ ไปยังเครื่องคอมพิวเตอร์แม่ข่ายทุก ๆ 5 นาที เพื่อ ป้องกันปัญหาเรื่องของการโอนย้ายข้ามเซลล์ (Handoff) ของผู้ใช้งาน
    3) หลังจากที่ส่งข้อมูลไปยังเครื่องแม่ข่ายแล้ว WRT54GL จะรอรับข้อมูลจากเครื่องคอมพิวเตอร์ แม่ข่ายโดยข้อมูลที่ได้รับมาจะประกอบด้วย MAC Address และปริมาณแบนด์วิดท์ที่จะต้องจำกัด ให้กับผู้ใช้งาน
    4) WRT54GL จะทำการจำกัดแบนด์วิดท์ให้กับผู้ใช้งาน ตามที่ได้รับข้อมูลมาจากเครื่องคอมพิวเตอร์แม่ข่าย

     2. เครื่องแม่ข่าย PCRF 

มีหลักการทำงานดังแสดงในรูปที่ 4 สามารถอธิบายได้ดังนี้

    1) คอมพิวเตอร์แม่ข่ายจะรับข้อมูลและปริมาณทราฟ ฟิคของแต่ละผู้ใช้งานจาก WRT54GL โดยอ้างอิง ผู้ใช้งานจาก MAC Address ของแต่ละเครื่อง

    2) เมื่อคอมพิวเตอร์แม่ข่ายเก็บบัญทึกข้อมูลของแต่ละผู้ใช้งานตาม MAC Address ลงฐานข้อมูล แล้ว ตรวจสอบปริมาณการใช้งานที่คงเหลือ โดยนำปริมาณทราฟฟิคที่ได้รับจาก WRT54GL มาหักล้าง ออกจากประมาณข้อมูลของผู้ใช้งานที่ได้รับ (เพื่อที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ทั้งกับระบบ Postpaid และPrepaid)

    3) เมื่อคอมพิวเตอร์แม่ข่าย ตรวจพบว่าปริมาณการใช้ ข้อมูลของผู้ใช้งานครบตามที่ผู้ใช้งานได้รับแล้ว คอมพิวเตอร์แม่ข่ายจะส่ง MAC Address และปริมาณแบนด์วิดท์ที่ต้องจำกัด ส่งไปยัง WRT54GL เพื่อให้จำกัดแบนด์วิดท์ให้กับผู้ใช้งานต่อไป

      จำนวนของข้อมูลที่ผู้ใช้งานได้รับนั้น ระบบจะมีการรีเซต ให้กับผู้ใช้งานใหม่ในระยะเวลา 1 เดือน โดยนับจากวันที่ ผู้ใช้งานลงทะเบียนเข้าสู่ระบบโดยจำนวนข้อมูลที่คงเหลืออยู่จะถูกยกเลิก (ระบบแบบใช้ก่อนจ่ายทีหลัง) และจะนำจำนวนของข้อมูลที่ได้รับเพิ่มเข้าไปกับจำนวนที่คงเหลืออยู่เดิมในกรณี ที่มีการลงทะเบียนเพิ่ม (ระบบแบบจ่ายก่อนใช้ทีหลัง)

การทดสอบการทำงาน 
      การทดลองการทำงานจะจำลองสภาพการใช้งานใน ห้องปฏิบัติการคอมพิวเตอร์ โดยใช้คอมพิวเตอร์โน๊ตบุ๊ค จำนวน 15 เครื่อง ใช้งานอยู่กับที่ โดยการจำลองระบบการใช้ งานจะแบ่งออกเป็นแพ็กเกจต่าง ๆ ตามตารางที่ 1 โดยแต่ละ แพ็กเกจจะแบ่งออกเป็นแพ็กเกจละ 5 เครื่องแล้วทำการทดสอบโดยให้ผู้ใช้งานแต่ละเครื่องใช้งานอินเทอร์เน็ตแล้วสังเกตผลที่ได้
     โดยระหว่างการใช้งานของแต่ละแพ็กเกจผู้ใช้งานจะ สามารถใช้อัตราการรับส่งข้อมูลได้ถึงค่าสูงสุดตามแพ็กเก็จจริง ที่ตนเองได้สมัครใช้งาน แต่เมื่อมีการใช้งานการ แต่เมื่อมีการใช้ งานครบตามปริมาณที่กำหนดจะถูกจำกัดอัตราการรับส่งข้อมูล สูงสุดของแพ็กเก็จแพลทินัม, โกลด์ และซิลเวอร์คือ 2048, 1024 และ 512 Kbps ตามลำดับ

      ผลการศึกษาวิจัยและการอภิปรายผล จากรูปที่ 5 และ 6 คือตัวอย่างในการทดสอบอัตราการ รับส่งข้อมูลโดยโปรแกรมสำหรับทดสอบความเร็วของ อินเทอร์เน็ต [5] โดยในรูปที่ 5 คืออัตราการรับส่งข้อมูลขณะใช้ งานปกติ และเมื่อจำกัดแบนด์วิดท์แล้วจะได้ดังรูปที่ 6 ซึ่งเป็น ตัวอย่างอัตราความเร็วของแพ็กเกจโกลด์หลังจากถูกจำกัด แบนด์วิดท์

    จากการทดลองการใช้งานของแต่ละแพ็กเกจการใช้งาน โดยเมื่อจำกัดปริมาณแบนด์วิดท์แล้วใช้โปรแกรมสำหรับ ทดสอบความเร็วของอินเทอร์เน็ต ซึ่งผลอัตราการรับส่งข้อมูลที่ ได้จะแสดงในตารางที่ 2 ผลการทดลองดังกล่าวได้จากการทดสอบความเร็วของ แต่ละแพ็กเกจ แพ็กเกจละ 30 ครั้ง ซึ่งผลที่ออกมาจะเห็นได้ว่าเมื่อท า Fair Usage Policy แล้วผู้ใช้งานถูกจ ำกัดความเร็วของ แบนด์วิดท์ลงตามที่กำหนดไว้ โดยอัตราการรับส่งข้อมูลที่ ผู้ใช้งานได้รับจะมีค่าเฉลี่ยที่ไม่เกินจากจำนวนอัตราการรับส่ง ข้อมูลสูงสุดที่ถูกกำหนดไว้โดย PCRF และมีค่าส่วนเบี่ยงเบน มาตรฐาน ของแพ็กเกจแพลทินัม โกลด์ และซิลเวอร์คือ 4.48, 2.24 และ 2.79 เปอร์เซ็นต์ตามลำดับ

     งานวิจัยในอนาคตนั้นวางแผนว่าจะทำการเพิ่ม ประสิทธิภาพของระบบ และทำการจำกัดแบนด์วิดท์ให้กับขาขึ้นอีกด้วย

     สรุปผลการศึกษาวิจัย บทความนี้นำเสนอเกี่ยวกับการนำระบบ Policy and Charging Resource Function (PCRF) ในระบบโครงข่าย 3GPP ซึ่งทำหน้าที่จัดการปริมาณการใช้ทราฟฟิคผู้ใช้บริการ โทรศัพท์เคลื่อนที่ให้เป็นไปตามหลักของ Fair Usage Policy มาประยุกต์ใช้กับโครงข่าย WiFi เพื่อให้สามารถรับประกัน QoS ของผู้ใช้งานในโครงข่ายได้ จากการทดสอบการทำงาน ของระบบที่พัฒนา พบว่าระบบสามารถจ ากัดปริมาณการใช้ งานทราฟฟิคด้านขาลงของผู้ใช้งาน WiFi ได้ตามนโยบายที่ตั้งไว้ที่ PCRF ได้เป็นอย่างดี

Credit : www.sci.rmuti.ac.th