Đồ án Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động – Mobile Switching Solution

ác thiết bị được chia sẻ. Theo CopperCom, Softswitch là tên gọi dùng cho một phương pháp tiếp cận mới trong chuyển mạch thoại có thể giúp giải quyết được các thiếu sót của các chuyển mạch trong tổng đài nội hạt truyền thống. Công nghệ Softswitch có thể làm giảm giá thành của các chuyển mạch nội hạt, và cho ta một công cụ hữu hiệu để tạo ra sự khác biệt về dịch vụ giữa các nhà cung cấp dịch vụ và đơn giản hoá quá trình dịch chuyển từ mạng truyền thống sang mạng hỗ trợ thoại gói từ đầu cuối đến đầu cuối (end - to - end) trong tương lai. Theo Ericsson, MSS dựa trên nền tảng của mạng thiết kế theo cấu trúc phân lớp (bao gồm cả vật lý và logic): lớp dịch vụ (service layer), lớp điều khiển (control layer), lớp kết nối (connectivity layer). MSS chỉ ứng dụng cho mạng di động và cụ thể hơn là áp dụng cho mạng lõi chuyển mạch kênh (CNCS - Core Network Circuit Switched). ChuyÓn m¹ch truyÒn thèng ChuyÓn m¹ch mÒm DÞch vô øng dông PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn PhÇn cøng DÞch vô øng dông PhÇn cøng PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn Hình 2.1: So sánh cấu trúc chuyển mạch truyền thống và chuyển mạch mềm Như vậy, chuyển mạch mềm tách biệt phần cứng mạng khỏi phần mềm mạng. So với mạng chuyển mạch kênh truyền thống, phần cứng và phần mềm là không độc lập, nên việc tách riêng phần cứng và phần mềm này sẽ làm cho chuyển mạch đơn giản hơn, hiệu quả hơn, và rẻ hơn. Chuyển mạch sẽ chỉ việc tập trung vào chuyển mạch. Trong khi đó phần mềm mạng sẽ tập trung vào điều khiển cuộc gọi, điều khiển báo hiệu và cung cấp các dịch vụ. Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động (MSS) là sự kết hợp 2 nút khác nhau: MSC server (MSC-S) thuộc lớp điều khiển và Mobile Media Gateway (M-MGw) thuộc lớp kết nối. Trong MSS cho mạng WCDMA, lớp kết nối chủ yếu dựa trên giao thức IP và ATM. MSC Server điều khiển tất cả báo hiệu mạng và các quá trình thiết lập, giải phóng và giám sát các cuộc gọi chuyển mạch kênh. Còn M-MGw điều khiển quá trình xử lý và vận chuyển lưu lượng cuộc gọi chuyển mạch kênh, và kết nối với các mạng ngoài như PSTN, các mạng di động mặt đất công cộng (PLMN) khác và các mạng viễn thông quốc tế. Hình 2.2: Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động (MSS) Tại sao chọn giải pháp MSS? Lịch sử cho thấy viễn thông xuất hiện trước khi truyền số liệu ra đời. Tuy nhiên sự phát triển của chúng lại tạo ra sự đồng vận. Do vậy, để đáp ứng nhu cầu của thị trường thì không thể tránh khỏi sự hội tụ của hai lĩnh vực này. Trong mối tương quan của những điểm khác biệt đó, khái niệm "tích hợp dọc" được sử dụng để mô tả những hệ thống mạng khi chúng kết hợp thành những chức năng rất khác biệt có liên quan tới nhau để thực hiện chức năng điều khiển và kết nối. Ngược lại, mạng MSS kết hợp thành một dạng kiến trúc "tích hợp ngang" và phân tách chức năng kết nối, điều kiển và ứng dụng thành những tầng riêng biệt. Sự hội tụ giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở lớp kết nối có thể tạo ra vô số lợi ích như cắt giảm chi phí, đồng thời tăng tính linh hoạt. Sự hội tụ này thể hiện ở nền tảng phần cứng chung, những công nghệ vận chuyển chung được áp dụng cho các mạng truy cập khác nhau, những hệ thống tín hiệu theo tiêu chuẩn. Với thiết kế có khả năng tương thích cao, mạng MSS có thể tận dụng được những lợi thế này. Hình 2.3: Mạng tích hợp dọc và mạng tích hợp ngang MSS mang lại những lợi ích chính sau: MSS đưa ra một kiến trúc mở linh hoạt có khả năng đáp ứng những yêu cầu của hiện tại và tương lai. MSS cho phép xử lý linh hoạt khi mạng được mở rộng hay thay đổi loại lưu luợng (chuyển mạch kênh hay chuyển mạch gói). MSS cho phép mạng dễ dàng tiến tới một giải pháp “all-IP”. Đối với các công nghệ truyền tải khác nhau, cả công nghệ đang tồn tại lẫn các công nghệ đang nghiên cứu phát triển, ví dụ công nghệ ATM hay IP, đều có thể được triển khai mà không ảnh hưởng tới lớp điều khiển hay lớp ứng dụng. MSS cho phép các mạng dịch vụ khác nhau có thể chia sẻ chung một mạng truyền tải. 2.1.2. Kiến trúc MSS WCDMA Kiến trúc phân lớp Mạng lõi di động 2G và 2.5G ngày nay thường là mạng ngang hàng, nghĩa là các chức năng điều khiển, chuyển mạch và ứng dụng được tích hợp trong cùng một phần tử. Với sự xuất hiện của khái niệm mạng phân lớp, các chức năng này được tách biệt, thấp nhất là lớp chuyển mạch, ở giữa là lớp điều khiển và trên cùng là lớp ứng dụng. Lớp điều khiển: Lớp điều khiển được đặt trong các phần tử được gọi là Network Server (MSC Server, HLR, AUC, EIR ...). Các server này có chức năng thực hiện bảo mật, quản lý di động, thiết lập và giải phóng cuộc gọi… Các server này liên lạc với nhau và các phần tử mạng khác bằng các giao thức chuẩn lớp 3 như ISUP, MAP, BICC. MSC-Server điều khiển các MGw và đưa ra các chức năng và tài nguyên cần thiết cho một cuộc gọi. Giao thức được sử dụng ở đây là H.248 (MGCP). Lớp kết nối Mạng kết nối là mạng phân tán dùng để chuyển mạch các cuộc gọi. Phần tử chính ở đây là các MGw. MGw dùng để thiết lập các kết nối giữa các người dùng và khi cần nó có thể chuyển đổi các công nghệ chuyển tải khác nhau (TDM, ATM, IP). MGw cũng thực hiện việc xử lý dữ liệu người dùng như mã hoá/giải mã thoại, khử tiếng vọng... Tài nguyên cho một cuộc gọi có thể được phân bố trên nhiều MGw, ví dụ một MSC-Server có thể điều khiển nhiều MGw cho cùng một cuộc gọi. Các phần tử trong mạng phân lớp có thể chạy trên nền mạng IP (Mobile Backbone Packet Network). MPBN có thể chỉ dùng riêng cho mạng phân lớp hoặc dùng chung với mạng GPRS/CS hay kết hợp nhiều loại mạng khác nhau (OSS, Billing ...) Lớp dịch vụ Lớp này cho phép triển khai các dịch vụ khác trên nền mạng di động ngoài dịch vụ thoại truyền thống như video, hình ảnh ... So sánh với kiến trúc không phân lớp Ưu điểm và nhược điểm của kiến trúc mạng không phân lớp: Với dự đoán phát triển thuê bao di động trong các năm tới, việc mở rộng mạng, trong đó có mạng lõi, là tất yếu. Việc thiết lập các tổng đài có lưu lượng lớn sẽ là biện pháp phải tính đến để giảm chi phí đầu tư về mặt truyền dẫn. Do số phần tử chuyển mạch trong mạng lõi ngày càng nhiều, phải tính đến việc trang bị các thiết bị chuyển mạch trung gian (GMSC/TSC) để kết nối giữa các phần tử trong mạng với nhau cũng như kết nối với các phần tử mạng ngoài. Việc phát triển mạng lõi theo công nghệ chuyển mạch kênh truyền thống cho ta khả năng dễ dàng trong công tác vận hành khai thác vì đây là công nghệ cũ, ngoài ra công nghệ này đã được triển khai rộng rãi trên thế giới, có tính ổn định cao. Tuy nhiên, toàn bộ việc đầu tư này sẽ vẫn kéo theo một mạng truyền dẫn rất lớn, đấu nối phức tạp, chi phí tốn kém vì phải xây dựng mạng truyền dẫn TDM dựa trên các kênh có tốc độ nhỏ nhất 64kbps chỉ dùng cho các cuộc gọi 16kbps. Cũng vì vấn đề không tương thích về tốc độ nên trong mạng di động luôn có phần tử tương thích tốc độ. Đây là phần tử làm góp phần làm suy giảm chất lượng thoại. Ngoài ra, trong xu hướng phát triển của thế giới, trong tương lai sẽ mất dần các mạng chuyển mạch kênh. Khi đó tất cả các dịch vụ viễn thông sẽ chạy trên nền IP, không còn ranh giới giữa di động, cố định. Application Application Service Capability Servers Control MSC SGSN HLR/AuC/FNR GMSC/Transit SGW Connectivity MGW MGW Services/application Control Server Server Server Servers Servers PSTN/ISDN InternetIntranets WCDMA EDGE GSM User Data Hình 2.4: Cấu trúc mạng phân lớp Ưu điểm và nhược điểm của kiến trúc mạng phân lớp: Mạng phân lớp có đặc tính cơ bản là phân tán hệ thống chuyển mạch trong khi vẫn giữa một số node mạng điều khiển và xử lý cuộc gọi tại một số ít trạm trung tâm. Các MGw có thể được đặt tại các trạm Remote (có thể đặt cùng một vài BSC ở các tỉnh) và cho phép chuyển mạch các lưu lượng nội vùng. Mặc dù có sự phụ thuộc vào vùng địa lý, nhưng nhìn chung phần lớn lưu lượng được sinh ra và kết thúc tại cùng một vùng nào đó, vì vậy, sẽ tiết kiệm được một lượng lớn đầu tư cho truyền dẫn. Số trạm trung tâm ít chỉ gồm các phần tử lớp Điều khiển cho ta khả năng tiết kiệm về mặt điện năng tiêu thụ, tiền xây dựng mặt bằng nhà trạm mới trong quá trình vận hành khai thác. Các phần tử thuộc lớp Kết nối và lớp Điều khiển có thể được định cỡ độc lập và như vậy mạng có thể mở rộng một cách dễ dàng tại bất kì thời điểm nào tuỳ thuộc vào đặc tính lưu lượng của từng vùng. Hơn nữa, sự độc lập này cũng cho phép mỗi lớp có thể được nâng cấp độc lập nhau. Về nhược điểm của kiến trúc mạng phân lớp, đây là công nghệ mới, cũng chưa được triển khai nhiều trên thế giới nên khó đánh giá được tính chín muồi, khả năng tương thích với các hệ thống đang có. Mặt khác, dung lượng của thiết bị nhỏ là một trở ngại không nhỏ đối với các nhà khai thác lớn muốn thay đổi hệ thống hiện có. Kiến trúc mạng phân lớp là công nghệ mới nên giá thành còn cao, bên cạnh đó việc nâng cao kiến thức để nhân viên vận hành làm quen với công nghệ viễn thông trên nền mạng IP cũng là một khó khăn. Mạng không phân lớp Mạng phân lớp Dễ dàng trong vận hành khai thác và độ ổn định cao Chi phí truyền dẫn lớn Do phần tử tương thích tốc độ dẫn đến ảnh hưởng chất lượng thoại Phân tách giữa điều khiển và chuyển mạch, nên có thể đặt MGW tại các tỉnh xa để tiết kiệm chi phí truyền dẫn Tiết kiệm trong xây dựng và vận hành tổng trạm Dễ dàng trong việc thay đổi và định cỡ lại mạng Tiết kiệm băng thông Kiến trúc MSS WCDMA Trong cấu hình ban đầu phát triển lên kiến trúc mạng MSS, mạng truy nhập vô tuyến giao tiếp với mạng lõi dựa trên công nghệ truyền dẫn PCM/STM. Kiến trúc này được gọi là kiến trúc không phân lớp, cho phép MSC/VLR dựa trên nền tảng tổng đài AXE có thể thực hiện đồng thời các chức năng điều khiển và kết nối. Chức năng kết nối đơn giản chỉ là thiết lập một liên kết giữa chuyển mạch AXE với mạng truy nhập và mạng lõi dựa trên PCM. Trong cấu hình này, lớp kết nối gồm các cổng phương tiện (M-MGw – Media Gateway) và các nút mạng kết nối như các chuyển mạch ATM. Mạng truy nhập của WCDMA kết nối với mạng kết nối thông qua một cổng phương tiện. Các mạng ngoài như mạng IP và ISDN/PSTN được kết nối thông qua các nút cổng phương tiện phụ. Nhưng phiên bản mới của MSS đưa ra khái niệm kiến trúc phân lớp. Trong mạng WCDMA, giao diện vật lý giữa MSC và RNC thông qua M-MGw. Kết nối truyền tải ATM giữa mạng lõi và RNC được thực hiện thông qua M-MGw. MSC server điều khiển các kết nối. Lớp điều khiển của mạng WCDMA gồm MSC server (MSC-S), GMSC server (GMSC-S), TSC server (TSC-S) và các nút cơ sở dữ liệu như HLR, FNR, EIR và AUC. Các nút mạng chính như MSC-S, GMSC-S và TSC-S có nhiệm vụ bảo mật điều khiển, quản lý di động, thiết lập và giải phóng cuộc gọi… Các nút cơ sở dữ liệu như HLR, FNR, EIR và AUC có chức năng tương tự như trong mạng WCDMA truyền thống. Trên lớp điều khiển là lớp ứng dụng. Sự phân chia lớp điều khiển và lớp kết nối tạo ra sự linh hoạt trong việc lựa chọn công nghệ truyền tải, như ATM, IP hay STM. Vì vậy, các mạng được kết nối như Internet, ISDN và PSTN, và mạng truy nhập RAN có thể dựa trên công nghệ truyền dẫn và báo hiệu khác nhau. Tóm lại, so với MSC truyền thống thực hiện cả hai chức năng chuyển mạch và điều khiển, trong kiến trúc MSS, hai chức năng này đã được phân tách và do hai nút mạng khác nhau thực hiện. Chức năng điều khiển do MSC server đảm nhiệm và MSC server thuộc lớp điều khiển, còn chức năng chuyển mạch do M-MGw đảm nhiệm và M-MGw thuộc lớp kết nối. MSC truyền thống(Control and Switching) Cấu trúc MSC truyền thống TDM MSC MSC MSC MSC MSC MSC MSC Server (Control) Mobile Media Gateway (Switching) Mobile Softswitch Solution Cấu trúc phân lớp IP/ATM/TDM Control Layer Connectivity Layer MSC-S MGw MSC-S MGw MGw MGw MGw MGw Hình 2.5: So sánh cấu trúc MSC truyền thống và giải pháp MSS IP Control Layer Connectivity Layer MSC-S MGw MGw MGw MGw MGw Chức năng chính của MSC-S Điều khiển cuộc gọi Điều khiển và lựa chọn MGW Có thể điều khiển nhiều hơn một MGW Quản lý di động … Chức năng chính của Media Gateway Xử lý thoại Thiết lập và giải phóng user data bearers Giao tiếp giữa các chuẩn truyền tải khác nhau (IP/ATM/TDM) Ranh giới với các mạng khác Có thể được điều khiển bởi nhiều MSC-server Hình 2.6: Kiến trúc MSS 2.1.3. Mô hình tham chiếu 3GPP Với yêu cầu cung cấp các dịch vụ số liệu, đặc biệt là dịch vụ truyền thông đa phương tiện, mạng thông tin di động hiện nay cũng đang phát triển theo cấu trúc NGN. Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP đóng vai trò chủ yếu trong việc xây dựng kiến trúc mạng NGN-Mobile cho các hệ thống thông tin di động dựa trên mạng lõi GSM. 3GPP R99 Mạng lõi của 3G có cả phần chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Mạng truy nhập vô tuyến của 3G có thể nối cả với phần chuyển mạch kênh của GSM sau khi đã có phần bổ sung cho 3G. Phần mạng lõi với 2 nút mạng SGSN và GGSN của GPRS trước đây được sử dụng lại hoàn toàn. Hình 2.7: Kiến trúc mạng 3G W-CDMA R3 (R99) 3GPP R4 Phần gói với GGSN và SGSN vẫn giữ nguyên. Trung tâm chuyển mạch di động MSC của hệ thống được tách thành hai phần: phần điều khiển chuyển mạch và cổng phương tiện (thưc hiện chức năng chuyển mạch). Một bộ điều khiển có thể quản lý được rất nhiều cổng chuyển mạch đa phương tiện. Hình 2.8: Kiến trúc 3G-WCDMA R4 3GPP R5 Hình 2.9: Kiến trúc 3G-WCDMA R5 Đây là giải pháp sử dụng mạng lõi toàn IP, có thể được truyền trên ATM. Như vậy vai trò của mạng truy nhập vô tuyến chỉ là thành giao diện vô tuyến của 3G. Mạng lõi IP có thể tương thích với bất kỳ công nghệ truy nhập vô tuyến nào. Hệ thống hoàn toàn không còn phần chuyển mạch kênh. Thoại cũng sẽ được truyền trên IP. Hình 2.10 minh họa mô hình tham chiếu 3GPP chi tiết. Hình 2.10: Mô hình tham chiếu 3GPP 2.1.4. Các phần tử mạng của WCDMA MSS Hình 2.11 chỉ ra các nút logic và giao diện với mạng truy nhập vô tuyến, mạng ngoài. Các mạng giao diện gồm: Mạng truy nhập vô tuyến cho WCDMA (RNC và nút B) Mạng truy nhập vô tuyến qua vệ tinh (SAT RAN) Mạng lõi chuyển mạch gói (Miền chuyển mạch gói) Trung tâm dịch vụ SMS (SMS-SC) Dịch vụ định vị (LCS) Môi trường dịch vụ CAMEL (CSE) Hệ thống tự động cấu hình thiết bị (ADC) Hệ thống tính tiền (Charging) Hệ thống LIS (Lawful Intercept System) Quản lý mạng phụ (SNM) Đồng bộ thời gian (SYN) Quản lý khách hàng (CA) Các mạng ngoài (Internet, PLMN,...) Hình 2.11: Các thành phần mạng WCDMA MSS Các thành phần mạng chính của WCDMA MSS gồm: MSC Server MSC server thuộc lớp điều khiển. MSC-S có thể điều khiển được một hay nhiều MGW bằng giao thức GCP thông qua giao diện Mc. Chức năng chính MSC-S: điều khiển cuộc gọi (call control: call set-up, call supervison, charging), VLR, quản lý di động… MSC-S có hỗ trợ đa dịch vụ, điều khiển các giao thức truyền tải khác nhau: TDM, ATM, IP. MSC server giao tiếp với mạng truy nhập vô tuyến (WCDMA RAN) qua giao diện IuCS. MSC server kết nối với nút SGSN trong miền chuyển mạch gói thông qua giao diện Gs. Tham gia vào cuộc gọi từ một thuê bao này tới một thuê bao khác có thể có một hay nhiều MSC Server. TSC Server (Transit Switching Center Server) TSC server thuộc lớp điều khiển. Có thể định tuyến cuộc gọi trong một mạng PLMN bằng báo hiệu BICC. Hoạt động như một gateway. GMSC Server GMSC server thuộc lớp điều khiển, có nhiệm vụ giao tiếp với HLR. Một GMSC server thực hiện các chức năng của TSC server và hỗ trợ chức năng giao tiếp. GsmSSF Thực thể chức năng gsmSSF luôn được tích hợp trong MSC server và GMSC server. Thực thể này hỗ trợ các dịch vụ CAMEL. OSS RC OSS-RC hỗ trợ chức năng quản lý mạng (SNM) cho mạng lõi chuyển mạch kênh. Quản lý các nút mạng trong miền chuyển mạch gói và các nút mạng khác của PLMN như HLR/FNR. SMS Node Hai nút SMS là SMS-IWMSC và SMS-GMSC, thông thường được gắn cùng MSC server. Tuy nhiên, chúng không được sử dụng vì trung tâm dịch vụ SMS - SMS Service Centers (SMS-SC) tích hợp chức năng của SMS-IWMSC và SMS-GMSC. M-MGw MGW thuộc lớp truy nhập. MGW được điều khiển bởi MGC (Media gateway controller) MGW cung cấp tài nguyên: transcoders, echo canceller, announcements… MGW có khả năng hỗ trợ các chức năng SGw, AAL2 switch, lớp truyền dẫn (ATM VC) STP/SGw STP/SGw là một phần tử của mạng báo hiệu, được đặt ở rìa mạng MSS. Vì MSS sử dụng truyền tải IP và mạng GSM truyền thống sử dụng TDM, STP/SGw dịch báo hiệu IP sang TDM và ngược lại. PRA Support Node Nút hỗ trợ PRA giao tiếp với báo hiệu DSS1 hoặc V5.2. Hỗ trợ các cuộc gọi tốc độ cơ bản - Basic rate access (BRA) trong các khe thời gian đơn của một giao diện PRA. Kết nối giữa nút hỗ trợ PRA và kiến trúc mạng MSS thông qua ISUP và vận chuyển TDM. Internet Support Node Nút này cho phép truy nhập vào Internet. Kết nối giữa nút hỗ trợ truy nhập Internet và kiến trúc mạng MSS thông qua ISUP và vận chuyển TDM. FNR/HLR Thanh ghi FNR (Flexible Numbering Register) được sử dụng cho việc cấp phát số MSISDN một cách linh hoạt. Trong kiến trúc tham chiếu 3GPP, FNR được gọi là MNP-SRF (Mobile Number Portability/Signaling Relay Function). Bản tin MAP được gửi tới FNR, tại đó được dịch sang MSISDN và chuyển tiếp tới HLR. Vì vậy, FNR giao tiếp với nút HLR. EIR EIR là thanh ghi nhận dạng thiết bị (Equipment Identity Register). 2.1.5. Giải pháp mới (TFO/TrFO) Trong các mạng lõi viễn thông và các mạng truyền tải hiện nay, thông tin thoại thời gian thực đều dựa trên tiêu chuẩn G.711 (PCM 64kbps). Ngược lại, hệ thống các mạng di động tế bào (truy nhập) (GSM+EDGE (GERAN), TDMA, PDC, cdmaOne, cdma2000 and WCDMA (UTRAN)) sử dụng thoại nén. Ở ranh giới mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi, tín hiệu thoại cần được chuyển đổi giữa hai kiểu nén khác nhau này. Thông thường, trong cuộc gọi giữa MS-MS, tín hiệu thoại được mã hóa tại MS phát, được gửi đi, được chuyển đổi theo luật A hoặc luật m theo khuyến nghị G.711 của ITU-T, được truyền qua mạng, được chuyển đổi lần nữa, rồi gửi đến MS nhận và cuối cùng được giải mã tại MS nhận (Hình …). Theo cấu hình này có 2 bộ mã hóa (chính xác là 2 bộ mã hóa/giải mã), do đó cơ chế mã hóa thoại này gọi là "Tandem Operation" (Cơ chế mã hóa thoại có chuyển tiếp). Hình 2.12: Cơ chế mã hóa thoại thông thường (có chuyển tiếp) Ưu điểm của việc mã hóa theo G.711 là giúp cho các hệ thống truy nhập tương thích với nhau. Tuy nhiên, nó còn một số nhược điểm sau: Mỗi bước mã hóa làm giảm chất lượng thoại. Chí phí vận chuyển trong mạng lõi cao hơn. Mã hóa theo G.711 trong mạng lõi cản trở dòng thông tin số khác giữa các thiết bị đầu cuối. TFO/TrFO giải quyết được tất cả các nhược điểm nêu trên. Hơn nữa, TFO/TrFO còn mang lại những lợi ích sau: Tăng hiệu quả sử dụng băng thông Chất lượng thoại giữa các di động được tăng cường Chi phí truyền dẫn giảm Trễ truyền dẫn giảm Cơ sở cho tăng cường chất lượng thoại trong tương lai. AMR-WB: Thích hợp cho mạng phân lớp và kiến trúc mạng MSC truyền thống (GSM and WCDMA). SCUDIF: Thích hợp cho mạng phân lớp (WCDMA). TFO - Tandem Free Operation Tandem Free Operation (TFO) được sử dụng với mục đích tránh việc mã hóa thoại 2 lần từ MS tới MS (đối với GSM), từ MS tới UE (đối với GSM/3G) hoặc từ UE tới UE (đối với 3G). Khi kết nối giữa MS phát và MS nhận sử dụng cùng kiểu mã hóa thoại, khung thoại sẽ được truyền trong suốt từ MS phát đến MS nhận mà không cần chức năng mã hóa trung gian. Cơ chế mã hóa thoại này gọi là "Tandem Free Operation". Hình 2.13: Tandem Free Operation Đối với các bộ mã hóa tốc độ thoại khác tốc độ AMR (Adaptive Multi Rate) như GSM_FR, GSM_EFR và GSM_HR, TFO hoàn toàn tương thích với các thiết bị thì việc xử lý ít phức tạp hơn. Trong mạng GSM, để hỗ trợ cơ chế không có tandem, BTS và BSC thêm khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ (TRAU). Nguyên tắc của TFO đối với các bộ mã hóa thoại băng hẹp Cơ chế Tandem Free Operation được kích hoạt và điều khiển bởi các đơn vị mã hóa. Trước khi kích hoạt TFO, các đơn vị mã hóa chuyển đổi các mẫu thoại PCM 64kbps (mã hóa theo khuyến nghị G.711 của ITU-T). Các bộ mã hóa còn chuyển đổi các bản tin TFO bằng cách gán bit có trọng số thấp nhất của các mẫu thoại 16. Nếu các loại mã hóa thoại tương thích được sử dụng ở tất cả đầu cuối của cuộc gọi MS-MS, MS-UE, hoặc UE-UE, các bộ mã hóa sẽ tự động kích hoạt TFO. Nếu đầu cuối sử dụng các loại mã hóa thoại không tương thích thì TFO chỉ được kích hoạt khi có bộ phối hợp mã. Khi TFO được kích hoạt, các đơn vị mã hóa chuyển đổi các khung TFO mang thông tin thoại nén và báo hiệu trong băng. Giống như các khung GSM TRAU, các khung TFO có kích cỡ cố định: 160 bits (20 ms) với định dạng 8 kbit/s 320 bits (20 ms) với định dạng 16 kbit/s Hình 2.14 mô tả mô hình tham chiếu các thực thể chức năng điều khiển Tandem Free Operation. Hình 2.14: Các thực thể chức năng điều khiển Tandem Free Operation Giao thức TFO và định dạng khung sử dụng chung cho các mạng PLMN. Hình 2.15 mô tả cấu hình TFO thông thường dùng trong cùng một mạng GSM hoặc giữa hai mạng GSM khác nhau. Hình 2.15: Cấu hình TFO giữa các mạng GSM Cấu hình TFO trong các mạng 3G (phát triển từ GSM) được minh họa trong hình 2.16. Hình 2.16: Cấu hình TFO giữa các mạng 3G Hình 2.17 mô tả cấu hình TFO liên quan tới các mạng khác nhau (GSM và 3G). Hình 2.17: Cấu hình TFO giữa mạng GSM và mạng 3G TrFO - Transcoder Free Operation TFO (Tandem Free Operation) là giao thức và thủ tục trong kênh 64kbps. Nó sử dụng cả trong mạng TDM (chuyển mạch kênh) và mạng ATM/IP (chyển mạch gói, PCM 64k). TFO chỉ ảnh hưởng tới việc mã hóa và một vài phần nhỏ khác trong mặt phẳng truyền tải. Mặt phẳng điều khiển không bị ảnh hưởng. Trong khi đó, OoBTC/TrFO (Out-of-Band Transcoder Control/ Transcoder Free Operation) là giao thức và thủ tục trong mặt phẳng điều khiển cuộc gọi và truyền lưu lượng cuộc gọi. OoBTC cho phép MSC-S lựa chọn loại mã sử dụng tại 2 nút M-MGw. TrFO chỉ sử dụng trong mạng truyền tải chuyển mạch gói. MSC Server và M-MGw cần được nâng cấp. OoBTC/TrFO là giải pháp cho mạng lõi phân lớp. OoBTC phối hợp các loại mã hóa trong mạng truy nhập vô tuyến (RAN) và mạng lõi, đạt được sự tương thích tối đa. MSS 4.0 hỗ trợ cơ chế TrFO - Transcoder Free Operation, cho phép truyền thoại nén trong cuộc gọi UE – UE trong mạng WCDMA. MSS 4.1 hỗ trợ cơ chế TFO - Tandem Free operation và cơ chế phối hợp TrFO/TFO, cho phép truyền thoại nén trong cuộc gọi MS-MS trong mạng GSM. Cả TFO và TrFO đều có thể cải thiện chất lượng thoại cho các bộ mã hóa thoại hiện tại, đồng thời tránh được việc mã hóa trên đường truyền. Transcoder Free Operation (TrFO) có nghĩa là không có bộ mã hóa trong mạng lõi. Do đó, mã hóa từ mạng truy nhập vô tuyến đến MGW giống với mã hóa trong mạng lõi. Nguyên tắc chính của TFO/TrFO được minh họa trong hình 2.18 và hình 2.19, một dùng cho kiến trúc mạng phân lớp và một dùng cho kiến trúc mạng sử dụng MSC truyền thống. Trong kiến trúc WCDMA R5/GSM R12, các nút MSC Server và M-MGw thuộc mạng lõi và BSC/TRC thuộc phân hệ trạm gốc đều bị ảnh hưởng. Hình 2.18: TFO/TrFO trong kiến trúc mạng phân lớp Đối với kiến trúc mạng sử dụng MSC truyền thống thì chỉ dùng giải pháp TFO. Hình 2.19: TFO trong kiến trúc mạng sử dụng MSC truyền thống TrFO – Cuộc gọi UE tới UE Hình 2.20: Cơ chế TrFO MSC-S thực hiện các nhiệm vụ sau: Nhận thông tin mã hóa của di động Tạo danh sách mã hóa Lựa chọn mã truy nhập thông dụng như UMTS_AMR2 (Set 1) hoặc UMTS_AMR2 (Set 7) MSC-S đảm bảo liên kết TrFO được duy trì trong hầu hết các trường hợp cơ bản như chuyển giao cuộc gọi thuộc cùng MSC, chuyển hướng cuộc gọi, định tuyến, chờ hay giữ cuộc gọi và các dịch vụ IN… Mã hóa tại rìa - Các cuộc gọi từ mạng ngoài (PSTN, PLMN) Khi không thực hiện được kết nối không bộ mã hóa (Transcoder Free Link) từ đầu cuối đến đầu cuối, ví dụ, trong các trường hợp cuộc gọi xuất phát từ mạng PSTN/ISDN với truy nhập TDM, thì thêm bộ mã hóa trong mạng lõi. Khi đó, thoại nén được truyền qua mạng lõi gói và việc mã hóa thực hiện tại ranh giới của PLMN. Hình 2.21: Mã hóa tại rìa mạng PSTN Cơ chế mã hóa tại rìa giảm băng thông sử dụng cho cuộc gọi từ mạng WCDMA tới mạng ngoài và ngược lại. Nếu vận chuyển theo IP, tín hiệu thoại được mã hóa PCM yêu cầu tốc độ xấp xỉ 158kbps, trong khi đó tốc độ UMTS_AMR2 khoảng 23kbps với cùng điều kiện truyền tải. Nếu vận chuyển theo ATM, tín hiệu thoại mã hóa PCM trong lớp vận chuyển ATM (AAL2) yêu cầu tốc độ cỡ 85kbps, trong khi đó tốc độ UMTS_AMR2 khoảng 11kbps. TFO/TrFO Interworking Từ mạng lõi CN5 (MSC-S R12.1 và M-MGw R4.1) hỗ trợ TFO/TrFO. Vì trong mạng lõi chuyển mạch gói chỉ truyền thoại mã hóa tốc độ AMR hoặc EFR nên tiết kiệm được chi phí truyền dẫn. Tandem Free Operation (TFO) hoạt động giữa BSC và MGw thông qua truyền tải 64k PCM, trong khi thoại mã hóa tốc độ AMR hoặc EFR chỉ truyền giữa các MGw trong mạng lõi chuyển mạch gói. Vì vậy, tiết kiệm được chi phí truyền dẫn thực tế trong mạng lõi. TFO/TrFO Interworking dựa trên cơ chế Out-of-Band Transcoder Control (OoBTC) và Tandem Free Operation (TFO). Hình 2.22: Thủ tục TFO/TrFO trong cuộc gọi GSM tới GSM Giữa BSC and MGw: Thoại mã hóa tốc độ AMR được truyền trên các khung TFO. Bộ transcoder trong MGw đóng gói lại và chỉ AMR được truyền trong mạng lõi. MGw ở phía thu tái tạo khung TFO từ AMR và chuyển tới BSC. BSC đóng gói lại AMR và chuyển tới thiết bị thu. 2.2. Các giao thức báo hiệu 2.2.1. Các giao thức và giao diện báo hiệu Hình 2.23: Các giao thức, giao diện trong MSS 2.2.1.1. Các giao diện trong mạng lõi GSM/WCDMA Trong kiến trúc phân lớp, MSC server và MGw là các nút chính trong miền chuyển mạch kênh. Chúng tạo ra các giao diện để điều khiển báo hiệu, xử lý tải và thiết lập đường dẫn. Trong kiến trúc không phân lớp, MSC bao gồm cả chức năng server và chức năng của MGw. Giao diện G Control Part (CP): MSC – MSC Giao diện giữa MSC – MSC là một phần ứng dụng di động (MAP - Mobile Application Part). Giao diện D: MSC – HLR Giao diện giữa MSC và HLR là một giao diện MAP, dùng để trao đổi thông tin liên quan đến việ định vị trạm di động và quản lý các dịch vụ của thuê bao. Giao diện F: MSC – EIR Giao diện giữa MSC và EIR là một giao diện MAP, dùng để trao đổi thông tin cần thiết cho công nhận thiết bị di động. Giao diện L và INAP: MSC – SCF Giao diện giữa MSC và SCF (Service Control Function) bao gồm phần ứng dụg mạng thông minh INAP - Intelligent Network Application Part, dựa trên giao diện giữa SCF và SSF gắn trên MSC server. Giao diện này được dùng cho SCF để cung cấp các dịch vụ IN. Giao diện L dựa trên MAP. Hình 2.24: Các giao diện trong mạng lõi GSM/WCDMA Giao diện Gs: MSC – SGSN Giao diện Gs kết nói cơ sở dữ liệu của MSC server và SGSN. Giao diện Iu: MSC – RNC Giao diện giữa MSC và RNC là phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến - RANAP (Radio Access Network Application Part), giao diện này cung cấp báo hiệu để thiết lập, duy trì và gải phóng kết nối trong mặt phẳng người dùng Iu (WCDMA RAN – MSC Server/Media Gateway). Giao diện A: MSC – BSC Giao diện giữa MSC và BSC là giao diện báo hiệu BSSMAP cung cấp báo hiệu để thiết lập, duy trì và gải phóng kết nối và kiểm soát chuyển gaio trong mạng GSM. Giao diện với PSTN Giao diện giữa MSC và PSTN là giao diện báo hiệu N-ISUP (Narrow band ISUP) cung cấp báo hiệu để thiết lập, duy trì và gải phóng kết nối trong mặt phẳng người dùng giữa Media Gateway và PSTN. Giao diện với ISDN Giao diện giữa MSC và ISDN là giao diện báo hiệu N-ISUP (Narrow band ISUP) cung cấp báo hiệu để thiết lập, duy trì và gải phóng kết nối trong mặt phẳng người dùng giữa Media Gateway và ISDN. Giao diện MSC – MSC: Giao diện giữa MSC và MSC là giao diện báo hiệu N-ISUP (Narrow band ISUP) cung cấp báo hiệu để thiết lập, duy trì và gải phóng kết nối trong mặt phẳng người dùng giữa Media Gateway và PLMN. Giao diện MSC Server – MGW: Giao diện này sử dụng giao thức GCP cho phép MSC server điều khiển media Gateway. Giao diện Gb Giao diện Gb kết nối BSS - Base Station System và SGSN để trao đổi thông tin báo hiệu và dữ liệu người dùng. Giao diện Gi Giao diện Gi nhận diện các điểm kết nối giữa GGSN và mạng dữ liệu gói bên ngoài. Giao diện Gr Giao diện Gr được SGSN sử dụng để khôi phục thông tin nhận thực từ một HLR và thông báo cho HLR tương ứng vị trí của UE. Giao diện Gr dựa trên giao thức MAP. Giao diện Gd Một dịch vụ dữ liệu đặc trưng của các thuê bao di động là dịch vụ SMS. Nó cho phép UE gửi gói dữ liệu tới một UE khác. Việc truyền SM được chia thành 2 pha, pha phía thiết bị phát và pha phía thiết bị thu. Giao diện Gp Giao diện Gp đảm bảo kết nối tới mạng PLMN GPRS khác và mang lưu lượng roaming tới các mạng khác. Giao diện Gp kết nối một SGSN với một GGSN mạng ngoài hoặc ngược lại. Giao diện Gs: SGSN- MSC Giao diện Gs kết nối cơ sở dữ liệu MSC server và SGSN. 2.2.1.2. Các giao thức báo hiệu Giao thức BSSAP giữa MSC-S và BSC (giao diện A) Giao thức RANAP giữa MSC Server và RNC (giao diện Iu) Giao thức GCP (Gateway Control Protocol) giữa MSC Server và M-MGw (giao diện Mc) Giao thức BICC (Bearer Independent Call Control) định tuyến giữa các MSC Server (giao diện Nc) Giao thức Q.AAL2 (Bearer Control Protocol) trong lớp vận chuyển AAL2 (giao diện Iu and Iur) Giao thức ISUP (ISDN User Part) định tuyến tới mạng ISDN Giao thức IPBCP (IP bearer control protocol) giữa các M-MGw (giao diện Nb) Hình 2.25: Các giao thức báo hiệu 2.2.2. Giao thức BICC - Bearer Independent Call Control (BICC) Giống giao thức ISUP được sử dụng trong mạng dựa trên PCM, giao thức BICC được sử dụng để thiết lập, giám sát và giải phóng kết nối (bearer) trong mạng MSS. Trong MSS, giao thức BICC được dùng giữa các server điều khiển như MSC Server và TSC/GMSC Server. Trong MSS thì việc chuyển mạch được thực hiện ở lớp dưới, cụ thể là MGw và MSC thực hiện công việc của layer điểu khiển (control). Vì thế giao thức BICC được thiết lập giữa các nút ở lớp điều khiển và nó sẽ điều khiển việc chuyển mạch thực hiện ở lớp dưới. Khi kết thúc 1 phiên (session) chuyển mạch ở MGw thì 1 "bearer" – kết nối cũng được gải phóng ở lớp trên thông qua giao thức BICC ở lớp trên (control layer). Các phiên bản BICC Theo ITU, có 2 phiên bản khác nhau: BICC Capability Set 1 BICC Capability Set 2 Capability Set 1 (CS1) BICC Capability Set 1 là phiên bản đầu tiên của BICC, được tiêu chuẩn hóa năm 2000 (khuyến nghị Q.1901 của ITU-T). CS1 cung cấp phương tiện hỗ trợ các dịch vụ ISDN băng hẹp thông qua lớp vận chuyển ATM. Hạn chế lớn nhất của nó là thừa nhận mô hình mạng không có sự phân tách vật lý giữa các nút điều khiển cuộc gọi và điều khiển bearer. Do đó, coi đó là mạng trong đó có một server điều khiển chung cho mọi Media Gateway với tính năng được tích hợp vào một nút. Đó là một hạn chế tương đối lớn đối với mô hình mạng tích hợp ngang. Capability Set 2 (CS2) Để khắc phục những hạn chế của BICC CS1, ITU đã tiêu chuẩn hóa BICC CS2 (khuyến nghị Q.1902) năm 2000/2001. CS2 có thêm một số đặc trưng sau: Trong mô hình kiến trúc phải kể đến Mobile Switching Centers Server (MSC-S), Transit Switching Centers Server (TSC-S) and Gateway MSC Server (GMSC-S) Có sự phân tách vật lý giữa điều khiển cuộc gọi và điều khiển kết nối. Điều này cho phép phân tách các server điều khiển và các M-MGw về mặt vật lý. BICC CS2 hỗ trợ việc lựa chọn M-MGw, cho phép mối quan hệ nhiều-nhiều giữa các server điều khiển và các M-MGw. Nội dung thiết lập cuộc gọi thông qua giao thức BICC Call Instance Code Trong mạng N-ISUP, mỗi kênh kết nối PCM được cấp một mã nhận dạng kênh - CIC (Circuit Identification Code). Khi thiết lập cuộc gọi, giá trị CIC tương ứng được kết hợp với một call instance tại mỗi nút. Vì giá trị CIC như nhau tại mỗi kết cuối đường truyền, CIC kết hợp duy nhất với call instance tại các nút. Khi truyền bản tin SS7, giá trị CIC là thông tin để nhận dạng call instance và kết nối vật lý mang lưu lượng thoại tới chuyển mạch. Giải pháp MSS không có khái niệm kênh vật lý như N-ISUP, do đó, call instance tại mỗi nút cần phải kết kợp với thông tin liên quan đến bản tin báo hiệu để xác định cuộc gọi. Vì thế cần định nghĩa khái niệm “Call Instance Code”. Call Instance Code có thể được hiểu như “virtual” SS7 CIC (SS7 CIC ảo), nó không tương ứng với một kênh vật lý. Khác với N-ISUP CIC, BICC CIC có chiều dài 4 octet. Bearer Setup Direction Thủ tục thiết lập cuộc gọi BICC có thể được phân loại theo hướng thiết lập kết nối liên quan với hướng thiết lập cuộc gọi. Nếu kết nối được thiết lập cùng hướng với hướng thiết lập cuộc gọi (từ bên gửi IAM tới bên nhận IAM) như trong hình 2.26 thì việc thiết lập kết nối là theo hướng lên. Hình 2.26: Thiết lập kết nối hướng lên Nếu kết nối được kết nối theo hướng ngược với hướng thiết lập cuộc gọi như trong hình 2.27, khi đó việc thiết lập kết nối là theo hướng xuống. Hình 2.27: Thiết lập kết nối hướng xuống Codec Negotiation Trong một số trường hợp, cần xác định mã dùng ở rìa trước khi thiết lập kết nối. Nếu mã sử dụng cho giao tiếp người dùng có tốc độ dữ liệu 16kb/s, cấp phát kết nối 64kb/s thì sẽ lãng phí. Quá trình lựa chọn mã liên quan tới thiết bị khởi tạo hoặc M-MGw ngõ vào cung cấp danh sách mã cho phép. Danh sãch mã này được truyền trong bản tin địa chỉ khởi tạo – IAM. Tại M-MGw ngõ ra, mã có mức ưu tiên cao nhất sẽ được chọn. Mã được chọn dược gửi trở lại trong bản tin BICC APM. Sau đó mã này dùng để định cỡ kết nối. Hình 2.28: Transcoder Free Operation Việc lựa chọn mã căn cứ theo thủ tục Out of Band Transcoder Control (OoBTC). OoBTC là điều kiện tiên quyết cho phép truyền thoại nén trong mạng lõi, cho phép cơ chế TrFO và phối hợp TrFO/TFO. OoBTC có thể sử dụng để mã hóa tại rìa. Thủ tục lựa chọn mã cho phép chọn mã tối ưu mà không yêu cầu server điều khiển phát biết dung lượng của media gateway. Notification of Bearer Setup Một số thủ tục báo hiệu yêu cầu xác thực việc thiết lập kết nối trước khi gửi bản tin điều khiển cuộc gọi. Vì thế, MSC Server cần được thông báo thiết lập kết nối đã thành công. Thông tin này được gửi trong bản tin APM. BICC Tunneling Nội dung BICC tunneling được dùng để chuyển đổi thông tin thiết lập kết nối IP giữa các M-MGw cho phép thiết lập liên kết IP dựa trên chuyển mạch kênh. Hình 2.29: IPBCP Message Tunnelling 2.2.3. GCP/ H.248 - Gateway control protocol Giải pháp MSS yêu cầu sử dụng giao thức điều khiển các M-MGw từ xa. Giao thức điều khiển Gateway được phát triển cho mục đích này. Giao thức GCP dựa trên giao thức H.248. GCP hoạt động dưới hình thức master-slave, bộ điều khiển Gateway (MGC - Media Gateway Controller) điều khiển các Mobile Media Gateway. Hình 2.30: Giao thức điều khiển Gateway - GCP Mô hình kết nối Mô hình kết nối mô tả các thức thể trong M-MGw được điều khiển bởi giao thức MGC. Các thức thể chính trong mô hình kết nối gồm: Terminations Contexts Media Streams Hình 2.31: Connection Model Termination Termination có thể so sánh với thiết bị AXE như MALT, RALT hoặc UPD. Một cuộc gọi được kết nối qua một M-MGw bắng cách kết hợp 2 Termination hoặc nhiều hơn với nhau. H.248/GCP phân ra 2 loại Termination: Physical termination Ephemeral termination Một Termination vật lý là một thiết bị thực có dung lượng và chức năng nhất định, chẳng hạn termination của khe thời gian 64Kb/s trong một luồng E1/T1. Một giao diện ATM có thể có khả năng đạt 155 Mbps, nhưng nhiều người cùng chia sẻ công suất đó. Khi thiết lập kênh ATM ảo, người dùng yêu cầu một kết nối có băng thông nhất định. Chuyển mạch ATM cấp phát dung lượng từ giao diện vật lý. Kênh ảo được thực hiện bởi Ephemeral Termination trong mô hình kết nối GCP. Ephemeral Termination được tạo ra bằng các lệnh của GCP. Hình 2.32: Physical và Ephemeral Termination Context Context là kết hợp giữa hai hay nhiều Termination, nó mô tả kết nối bên trong. Mỗi Termination chỉ thuộc về một và chỉ một Context. Physical Termination tương ứng với đường dây tĩnh (idle) thuộc về một Context đặc biệt, NULL Context. Media Stream Media Stream là thông tin người sử dụng gắn với một kết nối đơn nào đó. 2.2.4. Q.AAL2 - ATM Adaptation Layer 2 Signaling Q.AAL2 là giao thức báo hiệu sử dụng để thiết lập kết nối AAL2 - ATM Adaptation Layer Type 2 thông qua lớp kết nối của mạng phân lớp. Q.AAL2 liên quan với Q.2630. Q.2630 được sử dụng suốt quá trình thiết lập và giải phóng cuộc gọi. Thực thể Q.2630 chỉ thực hiện thủ thục đến thông qua giao diện Iu. Trong qua trình thiết lập cuộc gọi, kết nối AAL2 (AAL2 bearer) được thiết lập từ RNC tới M-MGw. Hình 2.33: Truyền tải ATM 2.2.5. IP Bearer Control Protocol Giải pháp MSS hỗ trợ việc thiết lập kết nối IP. Kết nối IP là một liên kết hai chiều giữa hai M-MGw để vận chuyển thông tin qua mạng IP. Trong MSS sử dụng giao thức IPBCP thiết lập một kết nối. IPBCP được thiết kế là một giao thức đường hầm, tận dụng các giao thức báo hiệu GCP và BICC để thiết lập kết nối. Giao thức này chỉ được sử dụng để thiết lập kết nối IP thông qua mạng lõi. Hình 2.34: Giao thức IPBCP Kết luận chương: Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động (MSS - Mobile Softswitch Solution) dựa trên kiến trúc mạng phân lớp, mạng tích hợp ngang. MSS dựa trên nền tảng của mạng thiết kế theo cấu trúc phân lớp (bao gồm cả vật lý và logic): lớp dịch vụ (service layer), lớp điều khiển (control layer), lớp kết nối (connectivity layer). MSS chỉ ứng dụng cho mạng di động và cụ thể hơn là áp dụng cho mạng lõi chuyển mạch kênh (CNCS - Core Network Circuit Switched). Chương 3: CÁCH THỨC TRIỂN KHAI GIẢI PHÁP MSS 3.1. Các yếu tố thúc đẩy việc triển khai kiến trúc mạng phân lớp Nhìn chung, thị trường di động trong những năm gần đây và trong những năm sắp tới, thoại và SMS vẫn là 2 dịch vụ chủ đạo. Tuy nhiên, các dịch vụ dữ liệu dựa trên nền IP ngày càng phát triển. Người dùng ngày càng nhiều kinh nghiệm: cùng một thời điểm họ có thể sử dụng nhiều dịch ví như vừa gọi điện thoại vừa gửi hình ảnh, chia sẻ file cho nhau...Các dịch vụ viễn thông trở thành một một thứ "phong cách" trong cuộc sống. Cạnh tranh giữa các đối thủ ngày càng khốc liệt. Với các dự đoán về sự phát triển của thị trường như vậy, các nhà khai thác phải có các bước đi phù hợp nhằm đảm bảo sự sống còn của mình. Một giải pháp được quan tâm là xu hướng hội tụ: các nhà khai thác xây dựng mạng có tính hội tụ: một hệ thống các ứng dụng chung chạy trên một hạ tầng mạng lõi duy nhất có thể phục vụ cho nhiều phương thức truy nhập khác nhau Mobile, Fixed, Internet Broadband, Wifi, Wimax ... Riêng trong lĩnh vực di động, việc chuyển đổi kiến trúc mạng từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói dựa trên nền công nghệ IP đang là xu hướng chủ đạo, là bước đi có tính tất yếu. Ngoài ra, các ứng dụng đa phương tiện đã làm phong phú thêm rất nhiều cho dịch vụ di động mà trước đây chỉ thuần túy có thoại và SMS. Hiện nay trên thế giới đang triển khai kiến trúc mạng hoàn toàn mới, đó là kiến trúc mạng phân lớp (Split Architecture hay Layered Architecture). Các yếu tố thúc đẩy việc triển khai kiến trúc mạng phân lớp: Chi phí đầu tư truyền dẫn lớn Triển khai 3G Cần thêm dung lượng chuyển mạch: MGw là giải pháp tối ưu nhằm chuyển mạch các cuộc gọi nội hạt. Cần tiết kiệm tối đa về mặt nhân lực trong quá trình vận hành khai thác: chỉ cần một số ít nhân viên đủ năng lực nhưng vẫn đảm bảo khả năng vận hành được một mạng lớn do đặc tính quản l‎ý, điều khiển tập trung của mạng phân lớp. Truyền thoại đã mã hóa qua mạng di động mà vẫn đảm bảo chất lượng thoại: tính năng TrFO đảm bảo tiết kiệm truyền dẫn và TFO nâng cao chất lượng thoại, sự kết hợp của 2 tính năng này TFO/TrFO Interworking cho ta khả năng chuyển thoại đã mã hóa xuyên qua mạng di động. Truyền VoIP mà vẫn đảm bảo Chất lượng Dịch vụ (QoS) và các dịch vụ đa phương tiện khác: IMS. 3.2. Sự chuyển đổi từ kiến trúc không phân lớp sang kiến trúc phân lớp Một trong những cách chuyển tiếp lên kiến trúc phân lớp là hỗ trợ chức năng server trong MSC/VLR và MSC/MGW. Nhờ đó, MSC/VLR hoặc MSC/MGW hoạt động như một MSC server. Lợi ích của giải pháp này là tăng tính linh hoạt trong quá trình phát triển tiến tới kiến trúc phân lớp. Cơ sở hạ tầng của mạng không phân lớp được tái sử dụng, do đó, giảm bớt chi phí đầu tư phần cứng. Hình 3.1: Mạng chuyển tiếp Mạng WCDMA được thêm vào mạng GSM đang tồn tại. RNC và BSC đều được nối tới MSC và MGW. MGW được điều khiển bởi MSC hoạt động như một MSC Server. Chuyển giao giữa các hệ thống có thể đạt được bằng cách nối RNC và BSC tới MSC và MGW. 3.3. Giải pháp của Ericsson Đây là giải pháp mà Ericsson đưa ra cho Viettel nhằm tiến tới kiến trúc mạng phân lớp (Mobile Softswitch – MSS). Giải pháp sử dụng phiên bản MSS R4.1 (MSC-server R12 và MGW R4.1). No. Voice Traffic Per Sub. 25 mErlang/Subscriber 1 BHCA Per Sub. 1.5 2 BHSMS Per Sub. 2 BHSMS Per Sub. 0.9 (with SMS TE = 0.5, SMS ORG = 0.4) 3 Voice Traffic Mean Holding Time (Seconds) 60s 4 % of Prepaid Subscribers 75% 5 % of Postpaid Subscribers 25% 6 Grade of Service – GoS, A interface 1% 7 GoS – MSC to PSTN interface and PLMN 1% 8 Grade of Service – GoS, air interface 2% 9 Mobile Originating Traffic 52% 10 Mobile Terminating Traffic 48% 11 SS7 utilisation 20% Bảng 1: Lưu lượng vào và các thông số đo Căn cứ theo phân bố lưu lượng và thuê bao, Ericsson đưa ra giải pháp gồm 2 site chính và 1 site phụ. Site chính đặt ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, chúng có các MSC-Server (in pools), HLR, MGW and BSC. Site phụ tại Đà Nẵng chỉ có các MGW và BSC. Site GSM chính Lưu lượng qua giao diện Nb từ M-MGw cũng như lưu lượng báo hiệu SS7 (SIGTRAN) từ MSC Server và M-MGw được vận chuyển qua IP. Giao diện STM-1 được sử dụng cho lưu lượng TDM tới các mạng khác. Giao diện STM-1 được sử dụng cho giao diện A, vận chuyển cả tải và lưu lượng báo hiệu BSSAP. Với site co nhiều hơn một M-MGw thì mỗi BSC được nối tới 2 M-MGw. Lưu lượng Gb từ BSC được vận chuyển qua IP với giao diện Gigabit Ethernet. Hình 3.2: Site GSM chính với truyền tải IP Site GSM phụ Lưu lượng qua giao diện Nb cũng như lưu lượng báo hiệu SS7 (SIGTRAN) từ M-MGw được vận chuyển qua IP. Giao diện STM-1 được sử dụng cho lưu lượng TDM tới các mạng khác (có thể gồm ISUP và báo hiệu khác). Giao diện STM-1 được sử dụng cho giao diện A, vận chuyển cả tải và lưu lượng báo hiệu BSSAP. Với site co nhiều hơn một M-MGw thì mỗi BSC được nối tới 2 M-MGw. Lưu lượng Gb từ BSC được vận chuyển qua IP với giao diện Gigabit Ethernet. Hình 3.3: Site GSM phụ với truyền tải IP Chức năng transit và chuyển mạch nội vùng được kiểm soát bởi MGW. Hình 3.4: Giải pháp Transit với GMSC/TSC-server. Sơ đồ mạng lõi Lưu lượng tổng xuất phát từ mạng truy nhập vô tuyến được các nút MSS trong mạng lõi kiểm soát. Chức năng chuyển mạch nội hạt sẽ kiểm soát 25% lưu lượng nội vùng và 50% lưu lượng POI. Giả sử các điểm liên kết với PSTN ở xa thì có thể tiết kiệm chi phí truyền dẫn tối thiểu 60%. Đối với lưu lượng liên vùng (25% inter-regional), MSS góp phần tiết kiệm băng thông đáng kể thông qua mạng truyền tải IP. Hình 3.5: Phân bố mức lưu lượng trong mạng Thoại nén trên giao diện Nb và phối hợp TFO/TrFO cho truy nhập GSM cho phép vận chuyển thoại mã hóa AMR hoặc EFR giữa các M-MGw. Khi truyền thoại mã hóa AMR hoặc EFR trong mạng IP, tiết kiệm băng thông tới 80% so với truyền PCM qua IP hoặc ATM. Sơ đồ mạng: Hình 3.6: Sơ đồ mạng thoại Viettel 3.4. Giới thiệu một số thiết bị dùng trong mạng MSS 3.4.1. MSC-S R12 MSC server đóng vai trò quan trọng trong giải pháp MSS, điều khiển mọi cuộc gọi dịch vụ chuyển mạch kênh. Nó cũng điều khiển các Media Gateway. Chức năng MSC server dựa trên tiêu chuẩn 3GPP Rel-6. Ngoài ứng dụng MSC server, còn có các ứng dụng TSC server và STP trong sản phẩm MSC server của Ericsson. Các sản phẩm khác như HLR, AUC, FNR, SSP Server và SCP được tích hợp trong MSC server của Ericsson. Hình 3.7: MSC server Phần mềm MSC server R12 MSC server của Ericsson hỗ trợ nhiều dịch vụ và tính năng cho cả mạng WCDMA và GSM. Các tính năng của MSC server: Kiểm soát cuộc gọi và quản lý di động: Bên cạnh các tính năng cơ bản, MSC-S R12 tăng cường một số tính năng khác: Load Based Inter-System Handover: gửi thông tin cell từ BSC tới RNC và ngược lại thông qua MSC. Service Based Inter-System Handover Roaming priority handling Các dịch vụ thuê bao chung và dịch vụ phụ như: chuyển cuộc gọi, chặn cuộc gọi, giữ cuộc gọi, báo cuộc gọi nhỡ… Dịch vụ dữ liệu Tính cước … Phần cứng MSC server R12 MSC server dựa trên nền tổng đài AXE, dòng tổng đài chính của Ericsson. Qua nhiều lần nâng cấp và phát triển, đời mới nhất của AXE là AXE 810. Trong 1 tổng đài AXE của ericsson thì có 3 phần chính: Phần điều khiển (control) ký hiệu là APZ Phần thực hiện chức năng chuyển mạch (switching) ký hiệu là APT Phần thực hiện chức năng giao tiếp người dùng (In/Out Interface) ký hiệu là APG MSC server R12 không thực hiện chức năng chuyển mạch nên trong MSC server, xét về mặt phần cứng, sẽ không có phần APT (khối chuyển mạch) mà chỉ có phần APZ (khối điều khiển) và phần APG (khối giao tiếp vào/ra). Khối thực hiện chức năng chuyển mạch lúc này sẽ được thực hiện bởi MGw (Media Gateway). Hình 3.8: Kiến trúc phần cứng MSC server Bộ xử lý trung tâm có nhiều loại, trong MSC server R12 là APZ 212 50 hoặc APZ 212 33C. Bên cạnh đó, cấu hình cơ bản bao gồm một APG40C dùng cho hệ thống vào/ra. APG40C là một platform mở dựa trên hệ điều hành Windows® Server 2003 và vi xử lý Intel Pentium. 3.4.2. MGW R4 Kiến trúc mạng 3G là kiến trúc phân lớp, các nút server thuộc lớp điều khiển và các Media Gateway kiểm soát tải lưu lượng thuộc lớp kết nối. Media Gateway tạo liên kết giữa các mạng khác nhau và các công nghệ truyền tải thích hợp với WCDMA and GSM. Hình 3.9: Mạng lõi 2G/3G M-MGw kết nối mạng lõi di động với các mạng như mạng truy nhập vô tuyến WCDMA và GSM, mạng PSTN và các mạng di động khác. Các MSC Server điều khiển M-MGw thông qua giao thức GCP/ H.248. M-MGw có nhiều ứng dụng bao gồm ứng dụng làm Media Gateway và Signaling Gateway. Media Gateway Application Ứng dụng Media Gateway gồm các chức năng chính liên quan đến giao tiếp với MSC/TSC Server, xử lý tải và phối hợp các công nghệ truyền dẫn trong lớp kết nối. Hình 3.10: Cấu trúc M-MGw Signaling Gateway Application Ứng dụng Signaling Gateway hỗ trợ các chức năng liên quan đến báo hiệu SS7. Signaling Gateway (SGw) chuyển đổi các bản tin SS7 giữa mạng báo hiệu SS7 dựa trên TDM/ATM và mạng báo hiệu SS7 dựa trên IP. Định tuyến bản tin báo hiệu giữa các link dữ liệu báo hiệu do chức năng Signaling Transfer Point (STP). Phần cứng M-MGw R4 M-MGw dựa trên Connectivity Packet Platform (CPP). Hệ thống vận chuyển TDM/ATM/IP của CPP bao gồm một chuyển mạch và một loạt giao diện. Hệ thống điều khiển CPP có bộ xử lý chính - Main Processor (MP) và Board Processor (BP). Hình 3.11: M-MGw Cabinet Layout 3.4.3. MSC Server/MGW kết hợp Trong những giải pháp đáp ứng yêu cầu khách hàng, giải pháp thích hợp hơn cả là sử dụng kiến trúc phân lớp, MSC server và MGW được phân tách. Tuy nhiên, phát triển từ mạng GSM, MSC có thể được cấu hình thực hiện các chức năng của cả server và MGW. Do đó, giải pháp thứ hai là kết hợp kiến trúc server và MGW. Hình 3.12: Kiến trúc MSC server/M-MGw Kiến trúc phần mềm của MSC Server/Media Gateway bao gồm cả MSC server và MSC Media gateway dựa trên nền tổng đài AXE 810. Kết luận chương: Giải pháp của Ericsson triển khai mạng phân lớp (Mobile Softswitch- MSS) nhằm kết hợp giữa hạ tầng sẵn có của mạng 2G hiện tại và hướng tới mạng 3G trong tương lai gần. Giải pháp này sử dụng phiên bản MSS R4.1 (MSC-server R12 và MGW R4.1). Kết luận và kiến nghị Sự phát triển bùng nổ của mạng Internet, nhu cầu sử dụng các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói di động ngày càng tăng, đặc biệt là các dịch vụ truyền thông đa phương tiện dựa trên nền IP chính là động lực thúc đẩy sự phát triển của công nghệ mạng thông tin di động theo một kiến trúc mới, kiến trúc phân lớp mềm dẻo và linh hoạt. Đối với các mạng GSM, việc lựa chọn kiến trúc mạng phân lớp lấy nền tảng truyền dẫn là công nghệ IP là giải pháp tiết kiệm, chất lượng và phù hợp với xu hướng chung trên thế giới. Kết quả của quá trình chuyển đổi ta sẽ được mạng phân lớp. Đây là kiến trúc mạng đã tiết kiệm đáng kể về mặt truyền dẫn. Bên cạnh đó, mạng có tính tập trung điều khiển mang lại khả năng dễ dàng quản lý, tiết kiệm chi phí vận hành khai thác. Hơn nữa, các phương thức TrFO và TFO sẽ nâng cao chất lượng và giảm chi phí về mặt đầu tư truyền dẫn trong mạng một cách đáng kể. Việc chuyển đổi kiến trúc mạng phải đảm bảo các yêu cầu: Các bước phát triển mạng phải tuân theo các khuyến nghị của 3GPP, tương thích với công nghệ GSM và các công nghệ trong tương lai đã được thử nghiệm, triển khai thành công trên thế giới; đảm bảo các không có sự khác biệt lớn giữa các dòng sản phẩm trên thị trường. Quá trình chuyển đổi không làm gián đoạn dịch vụ trong mạng hiện tại. Đảo bảo việc tái sử dụng tối đa với các tài nguyên sẵn có. Các bước trong quá trình phát triển mạng phải riêng biệt, sự phức tạp và chi phí phải được giảm thiểu để không có sự chênh lệch so với mạng truyền thống. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Văn Cúc và các thầy cô trong khoa đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2002), “Thông tin di động”, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2004), “Thông tin di động 3G”, Nhà xuất bản bưu điện. TS. Đặng Đình Lâm, TS Chu Ngọc Anh, Ths. Nguyễn Phi Hùng, Ths. Hoàng Anh (2004), “Hệ thống thông tin di động 3G và xu hướng phát triển”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật. Tổng công ty Viễn thông quân đội (2008), Báo cáo quy hoạch mạng thổng thể 2008, Hà Nội. Tiếng Anh Keiji Tachikawa (2001), “W-CDMA Mobile communications system” , John Wiley & Sons, Ltd. Jjuh-cheng Chen, Tao Zhang (2004), “IP-Based Next-Generation Wireless Networks”, John Wiley & Sons, Inc. DR. Jonathan P. Castro (2001), “The UMTS Network and Radio Access Technology”, John Wiley & Sons, Ltd. Ericsson WCDMA System Overview, Ericsson student book. GSM/WCDMA M-MGw R4 Operation and Configuration, Ericsson student book. WCDMA MSS R4 Introduction, Ericsson student book. GSM MSC/MSC-S R12 Configuration, Ericsson student book. Ericsson MSC Server R12 Product Description Ericsson MSC R12 Product Description Ericsson M-MGw R4 Product Description AXE 810 Platform Description 3GPP, Technical Specification TS 22.105, V4.0.0, Services and Service Capabilities, December 2000.