Tài liệu Bài giảng báo hiệu và điều khiển kết nối

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG IT BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI PT Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông CHỦ BIÊN: ThS. GVC Hoàng Trọng Minh 1. ThS. GVC Hoàng Trọng Minh (Chủ biên) 2. ThS. Nguyễn Thanh Trà 3. Dƣơng Thanh Tú 4. Phạm Anh Thƣ Hà Nội - 4/2013 i LỜI NÓI ĐẦU Hạ tầng truyền thông trong những năm gần đây đã và đang trong giai đoạn biến chuyển mạnh mẽ và đa dạng trên cả khía cạnh kỹ thuật và công nghệ. Với xu hƣớng hội tụ các công nghệ mạng, hàng loạt các giải pháp điều khiển kết nối mới đƣợc đƣa ra nhằm thích ứng với các điều kiện mạng và nâng cao chất lƣợng dịch vụ cho ngƣời sử dụng. Một trong các vấn đề quan trọng nhất liên quan tới các kết nối trong mạng đƣợc đặt ra là vấn đề báo hiệu và điều khiển kết nối. Vấn đề này không chỉ liên quan trực tiếp tới hiệu năng hệ thống mà còn là cơ sở phát triển cho các ứng dụng trên các hạ tầng công nghệ. Vì vậy, nội dung của cuốn tài liệu giảng dạy này nhằm cung cấp IT các kiến thức then chốt liên quan tới các hoạt động báo hiệu và điều khiển trong mô hình mạng truyền thông mới. Bên cạnh các mục tiêu học thuật, tài liệu sẽ khái quát các giải pháp đã và đang đƣợc sử dụng trong hệ thống mạng viễn thông hiện nay. Hơn nữa, tài liệu sẽ giúp ngƣời đọc có đƣợc góc nhìn hệ thống về kiến trúc điều PT khiển mạng nhằm phân tích đƣợc các điểm mạnh, điểm yếu của từng giải pháp cụ thể để phát triển trong môi trƣờng thực tiễn. Bố cục của bài giảng đƣợc phân bổ theo 5 chƣơng với các phân vùng mạng từ kiến trúc mạng viễn thông truyền thống tới mạng hội tụ trên nền IP. Các khái niệm cơ bản của lý thuyết điều khiển, mô hình kiến trúc và phân loại báo hiệu đƣợc trình bày đầu tiên và khép lại bởi các giải pháp thực thi trong các chƣơng tiếp theo. Trong quá trình viết tài liệu, nhóm biên soạn đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của rất nhiều thầy cô đồng nghiệp. Nhóm biên soạn xin chân thành cám ơn và luôn ghi nhận sự góp ý của các thầy cô, các bạn sinh viên để cuốn bài giảng ngày càng hoàn thiện. Hà Nội, 20 tháng 12 năm 2013 T/M nhóm biên soạn Hoàng Trọng Minh ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. i MỤC LỤC ........................................................................................................ ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................................................. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI ................................................................................................................... 1 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ...................................................................................... 1 1.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ................................................... 2 1.2.1 Các vấn đề chung của điều khiển ...............................................................2 IT 1.2.2 Cách tiếp cận điều khiển hệ thống viễn thông ...........................................4 1.3 CÁC THUỘC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .................................. 8 1.4 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG ..................... 12 PT 1.4.1 Điều khiển cung cấp QoS.........................................................................12 1.4.2 Tiếp cận RACS và RASF.........................................................................16 1.4.3 Điều khiển cấu trúc ..................................................................................19 1.4.4 Điều khiển trạng thái ................................................................................21 1.5 KIẾN TRÚC VÀ PHÂN LOẠI BÁO HIỆU .................................................. 22 1.5.1 Phân loại báo hiệu ....................................................................................22 1.5.2 Một số đặc tính của báo hiệu ...................................................................24 1.5.3 Chức năng báo hiệu trong mô hình OSI ..................................................25 1.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG .................................................................................. 28 CHƯƠNG 2: BÁO HIỆU TRONG MẠNG CỐ ĐỊNH ............................. 30 2.1 KIẾN TRÚC MẠNG HỘI TỤ THEO HƢỚNG MÁY CHỦ CUỘC GỌI .... 30 2.1.1 Mô hình kiến trúc mạng ...........................................................................33 2.1.2 Các giải pháp kết nối ................................................................................36 2.1.3 Chức năng mặt bằng báo hiệu và điều khiển ...........................................39 2.2 HỆ THỐNG BÁO HIỆU SỐ 7 ....................................................................... 41 iii 2.2.1 Mô hình kiến trúc chức năng ...................................................................41 2.2.2 Thành phần mạng báo hiệu số 7...............................................................43 2.2.3 Xử lý định tuyến và thủ tục thiết lập cuộc gọi .........................................44 2.3 BỘ GIAO THỨC BÁO HIỆU H.323 ............................................................. 51 2.3.1 Thành phần mạng báo hiệu H.323 ...........................................................51 2.3.2 Các giao thức báo hiệu cuộc gọi trong H.323 ..........................................54 2.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thủ tục báo hiệu cuộc gọi ..............................56 2.4 GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN SIP ........................................................... 57 2.4.1 Thành phần mạng báo hiệu SIP ...............................................................59 2.4.2 Kiến trúc chức năng .................................................................................60 2.4.3 Bản tin SIP và giao thức SDP ..................................................................61 IT 2.4.4 Thủ tục trao đổi thông tin của SIP ...........................................................63 2.5 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CỔNG PHƢƠNG TIỆN MEGACO ................ 67 2.5.1 Kiến trúc chức năng báo hiệu Megaco/H.248..........................................67 PT 2.5.2 Các lệnh và thủ tục trao đổi thông tin ......................................................69 2.6 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CUỘC GỌI ĐỘC LẬP KÊNH MANG BICC 75 2.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG .................................................................................. 79 CHƯƠNG 3: BÁO HIỆU TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ..... 81 3.1 BÁO HIỆU TRONG MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO ........................................ 81 3.1.1 Các thế hệ phát triển mạng di động tế bào ...............................................81 3.1.2 Kiến trúc báo hiệu cho hệ thống GSM.....................................................85 3.1.3 Mạng thông minh .....................................................................................91 3.2 BÁO HIỆU TẠI MẠNG TRUY NHẬP ......................................................... 94 3.2.1 Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub ...............................................................96 3.2.2 Báo hiệu tại giao diện Iur và Iu................................................................99 3.3 THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG MẠNG LÕI .............................................. 102 3.3.1 Thiết lập cuộc gọi với ISUP/BICC ........................................................102 3.3.2 Báo hiệu trên giao diện Gn ....................................................................106 3.3.3 Báo hiệu xử lý chuyển vùng ..................................................................108 iv 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG ................................................................................ 111 CHƯƠNG 4: BÁO HIỆU TRONG PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN IP IMS ............................................................................................................... 113 4.1 KIẾN TRÚC PHÂN HỆ ĐA PHƢƠNG TIỆN IP ........................................ 113 4.1.1 Mô hình kiến trúc IMS ...........................................................................114 4.1.2 Các thành phần chức năng .....................................................................116 4.1.3 Các giao thức của IMS ...........................................................................122 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA SIP TRONG IMS ........................................................ 123 4.2.1 Đặc tính kỹ thuật ....................................................................................123 4.2.2 Các thủ tục báo hiệu SIP trong IMS ......................................................124 4.3 CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU KHÁC TRONG IMS ................................ 128 IT 4.3.1 Giao thức Diameter ................................................................................128 4.3.2 Giao thức COPS .....................................................................................130 4.3.3 Nén báo hiệu trong IMS .........................................................................131 PT 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG ................................................................................ 133 CHƯƠNG 5: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LIÊN MẠNG 135 5.1 XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC MẠNG ..................................... 135 5.1.1 Hội tụ mạng cố định và di động .............................................................135 5.1.2 Cấu trúc FMC dựa trên IMS ..................................................................136 5.1.3 Mô hình tham chiếu IMS trong FMC ....................................................137 5.2 GIAO THỨC TRUYỀN TẢI BÁO HIỆU SIGTRAN ................................. 143 5.3 KẾT NỐI LIÊN MẠNG IMS-CS ................................................................. 151 5.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG ................................................................................ 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 155 v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Nhận thực trao quyền và thanh toán ACK Acknowledgement Báo nhận AMPS Advanced Mobile Phone Service Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến API Application Programable Interface Giao diện lập trình ứng dụng mở AS/FS Application Server/ Feature Server Máy chủ ứng dụng/đặc tính ATM Asynchronous Transfer Mode Kỹ thuật truyền tải không đồng bộ BSS Bussiness Support System Hệ thống trợ giúp kinh doanh CAC Call Admission Control Kỹ thuật điều khiển chấp nhận cuộc gọi CBQ Class Based Queuing Hàng đợi dựa trên phân lớp dịch vụ COPS Common Open Policy Service Giao thức dịch vụ chính sách mở chung CoS Class Of Service Phân lớp dịch vụ PT IT AAA Authentication Authorization Accounting Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA with Collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột Carrier Sense Multiple Access CSMA/CD With Collision Detection Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ dò tìm xung đột Digital European Cordless Telecommunications Hệ thống viễn thông không dây số của Châu Âu ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu FIFO First In – First Out Vào trƣớc ra trƣớc FSM Finite State Machine Máy hữu hạn trạng thái GII Global Information Infrastructure Cấu trúc thông tin toàn cầu GSM Global System for Mobile communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu IAD Intergated Access Device Thiết bị truy nhập tích hợp DECT vi Initial Adress Message Bản tin địa chỉ khởi tạo IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật internet IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phƣơng tiện IN Inteligent Network Mạng thông minh IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Service Digital Network Mạng dịch vụ tích hợp số ISUP ISDN User Part Phần ngƣời sử dụng cho mạng ISDN ITU International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu LTI Linear and Time-Invariant Tuyến tính và bất biến theo thời gian LTR Logic Transfromational Rule Luật ánh xạ logic MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phƣơng tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị MG Media Gateway Cổng đa phƣơng tiện PT IT IAM Media Gateway Controller Bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện Multipurpose Internet Mail Extentions Mở rộng thƣ điện tử internet đa mục đích Multi Protocol Label Switch Chuyển mạch nhãn đa giao thức Mobile Telephone User Part Phần ngƣời sử dụng cho mạng điện thoại di động. NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp NUM Network Utility Maximization Bài toán tối ƣu hiệu năng mạng OSI Open System Interconnection Mô hình kết nối hệ thống mở PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất PLMR Public Land Mobile Radio Vô tuyến di động mặt đất công cộng PMD People Making Decision Quyết định của ngƣời điều hành QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến RACS The Resource and Admission Control Sub-System1 Phân hệ điều khiển chấp nhận và tài nguyên MGC MIME MPLS MTUP vii Đăng ký, quản lý và báo hiệu RASF Resource and Admission Control Functions Chức năng điều khiển và chấp nhận tài nguyên RED Random Early Detection Thuật toán loại bỏ gói sớm RSVP Resource ReserVation Protocol Giao thức dự phòng tài nguyên SCF Service Control Function Chức năng điều khiển dịch vụ SIO Service Information Octet Trƣờng thông tin dịch vụ SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên SLA Service Level Agreement Thỏa thuận cung cấp dịch vụ SP Signalling Point Điểm báo hiệu SPC Stored Program Control Điều khiển theo chƣơng trình ghi sẵn SPDF Service-Based Policy Decision Chức năng quyết định chính sách dịch Function vụ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDM Time Division Mode UTRAN VoIP WAN WFQ PT TUP IT RAS Register, Administrator and Signalling Phƣơng thức chia thời gian Telephone User Part Phần ngƣời sử dụng cho mạng thoại UMTS Terestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS Voice over Internet Protocol Truyền thoại theo giao thức internet Wide Area Network Mạng diện rộng Weight Fair Queuing Hàng đợi trọng số công bằng viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình chung của một hệ thống điều khiển ..............................................2 Hình 1.2: Cấu trúc logic của thỏa thuận cung cấp chất lƣợng dịch vụ .....................13 Hình 1.3: Các kỹ thuật cung cấp QoS cho mạng viễn thông ....................................13 Hình 1.4: Các mô hình cung cấp dịch vụ ..................................................................15 Hình 1.5: Kiến trúc của phân hệ RACS ....................................................................17 Hình 1.6: Kiến trúc của phân hệ RACF ....................................................................18 Hình 1.7: Phân loại các kỹ thuật báo hiệu.................................................................23 Hình 1.8: Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở OSI ..........................................26 Hình 2.1: Các chức năng GII và mối quan hệ ...........................................................33 Hình 2.2: Kiến trúc mạng NGN theo ETSI ...............................................................35 IT Hình 2.3: Các thành phần chính trong mạng thế hệ kế tiếp ......................................36 Hình 2.4: Kết nối MGC với các thành phần khác của NGN ....................................40 Hình 2.5: Chức năng của bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện MGC ........................40 PT Hình 2.6: Kiến trúc SS7 và mô hình tham chiếu OSI ...............................................42 Hình 2.7: Mã điểm theo tiêu chuẩn ANSI và ITU ....................................................44 Hình 2.8: Cấu hình nút và liên kết mạng SS7 ...........................................................45 Hình 2.9: Trƣờng thông tin lớp 3 của bản tin báo hiệu .............................................46 Hình 2.10: Lƣu đồ báo hiệu cho cuộc gọi ISDN ......................................................51 Hình 2.11: Các thành phần mạng H.323 ..................................................................52 Hình 2.13: Chức năng của một Gatekeeper ..............................................................54 Hình 2.14: Mô hình kết nối báo hiệu trong H.323 ....................................................55 Hình 2.15: Tiến trình xử lý báo hiệu một cuộc gọi đơn giản trong H.323 ...............56 Hình 2.16: Cấu trúc của hệ thống SIP .......................................................................59 Hình 2.17: Kiến trúc điều khiển của MEGACO .......................................................68 Hình 2.18: Giao thức MEGACO trong mô hình OSI ...............................................69 Hình 2.19: Mô tả cuộc gọi MEGACO ......................................................................71 Hình 2.20: Lƣu đồ các bản tin xử lý cuộc gọi qua giao thức MEGACO/H248 .......73 Hình 2.21: Kiến trúc giao thức BICC .......................................................................76 ix Hình 2.22: Cấu trúc các nút mạng BICC ..................................................................77 Hình 2.23: Cấu trúc chức năng nút dịch vụ ..............................................................78 Hình 2.24: Cấu trúc chức năng nút dàn xếp dịch vụ .................................................78 Hình 2.25: Mô hình giao thức của BICCC ...............................................................79 Hình 3.1: Lộ trình phát triển các thế hệ mạng di động .............................................84 Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống GSM ...............................................85 Hình 3.3: Phân lớp chức năng của SS7 trong mạng GSM ........................................86 Hình 3.4: Vị trí các giao diện trong hệ thống GSM ..................................................88 Hình 3.5: Các thủ tục chuyển vùng qua MAP/E .......................................................89 Hình 3.6: Các điều hành của MAP trong trƣờng hợp cuộc gọi từ mạng PSTN .......90 Hình 3.7: Điều hành MAP liên quan tới dịch vụ bản tin ngắn SMS ........................91 IT Hình 3.8: Mô hình khái niệm mạng IN .....................................................................93 Hình 3.9: Cấu trúc của UMTS ..................................................................................94 Hình 3.10: Thủ tục trao đổi thông tin báo hiệu qua Iub ............................................98 PT Hình 3.11: Kiến trúc giao thức mạng UMTS ............................................................99 Hình 3.12: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iur ....................................................100 Hình 3.13: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-CS ...............................................101 Hình 3.14: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-PS................................................102 Hình 3.15: Tiến trình cuộc gọi ISUP ......................................................................103 Hình 3.16: Các giao thức trên giao diện E ..............................................................103 Hình 3.17: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (1/5) .................................................................104 Hình 3.18: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (2/5) .................................................................104 Hình 3.19: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (3/5) .................................................................105 Hình 3.20: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (4/5) .................................................................105 Hình 3.21: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (5/5) .................................................................106 Hình 3.22: Giao diện Gn cho đƣờng hầm IP...........................................................107 Hình 3.23: Các chức năng của GTP trong UMTS ..................................................108 Hình 3.24: Các giao diện UMTS giữa hai UTRAN ................................................109 Hình 3.25: Chuyển giao nội 3G-MSC ....................................................................110 x Hình 4.1: Vị trí và mối quan hệ của IMS ................................................................113 Hình 4.2: Truy nhập với IMS ..................................................................................114 Hình 4.3: Kiến trúc phân lớp của phân hệ IMS ......................................................115 Hình 4.4: Luồng bản tin báo hiệu đăng ký ..............................................................125 Hình 4.5: Luồng bản tin báo hiệu thiết lập phiên....................................................126 Hình 4.6: Luồng bản tin ngƣời dùng A lấy thông tin hiện diện ngƣời dùng B .......127 Hình 4.7: Kiến trúc SigComp..................................................................................132 Hình 5.1: Cấu trúc hội tụ FMC trên nền IMS .........................................................137 Hình 5.2: Mô hình tham chiếu cấu trúc FMC dựa trên IMS ...................................138 Hình 5.3: Điểm hội tụ và chức năng FMC ..............................................................140 Hình 5.4: Kiến trúc giao thức SIGTRAN ..............................................................143 IT Hình 5.5 : Bộ giao thức SIGTRAN .........................................................................144 Hình 5.6: Vị trí chức năng và hoạt động của M2UA ..............................................146 Hình 5.7: Vị trí chức năng và hoạt động của M2PA...............................................147 PT Hình 5.8: Vị trí chức năng và hoạt động của M3UA ..............................................149 Hình 5.9: Vị trí chức năng và hoạt động của SUA .................................................150 Hình 5.10: Kiến trúc kết nối liên mạng IMS-CS ....................................................151 Hình 5.11: Bản tin thiết lập cuộc gọi giữa ngƣời dùng IMS gọi ngƣời dùng CS ...152 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các giao diện và giao thức cơ bản của hệ thống GSM.............................87 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI Tóm tắt: Nội dung của chương khái quát các vấn đề chung liên quan tới báo hiệu và điều khiển kết nối bao gồm các khái niệm, mô hình, nguyên lý chung và phân loại các kiểu báo hiệu trong mạng truyền thông hiện nay. Bên cạnh các kiến thức cơ sở về điều khiển và báo hiệu, trong chương sẽ đưa ra các chức năng của hoạt động báo hiệu và điều khiển kết nối trên khía cạnh mô hình tham chiếu. 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Hệ thống viễn thông ngày nay đã trở thành một phần quan trọng không thể thiếu của hạ tầng truyền thông trong xã hội. Sự phát triển đa dạng các dịch vụ đã tạo ra IT hàng loạt các sức ép mới không chỉ đối với nhà cung cấp dịch vụ mà còn tác động trực tiếp tới các nhà khai thác và triển khai hạ tầng. Bên cạnh khả năng đáp ứng các yêu cầu cung cấp dịch vụ bằng các giải pháp kỹ thuật và công nghệ kết nối mới, PT mục tiêu tối ƣu mạng bằng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại cũng đƣợc đặt ra nhƣ là vấn đề then chốt của các nỗ lực cải thiện hiệu năng mạng. Vì vậy, các vấn đề cốt lõi của điều khiển và báo hiệu cần đƣợc tƣờng minh nhằm lột tả bản chất của các giải pháp kỹ thuật và công nghệ hiện đang ứng dụng trong hệ thống viễn thông. Báo hiệu đƣợc định nghĩa là một cơ chế cho các phần tử mạng trao đổi thông tin giữa chúng để thiết lập đƣờng dẫn truyền thông. Hệ thống báo hiệu là một tập các phƣơng pháp hoặc thủ tục cho các thực thể mạng trao đổi thông tin để thiết lập truyền thông. Báo hiệu đƣợc coi là một phần của cơ chế điều khiển mạng trên khía cạnh phục vụ quá trình kết nối truyền thông. Bên cạnh mục tiêu kết nối, các yêu cầu đảm bảo chất lƣợng dịch vụ và hiệu năng mạng đƣợc thực thi bởi các cơ chế điều khiển kết nối. Vì vậy, báo hiệu và điều khiển kết nối là chức năng then chốt của tất cả các môi trƣờng mạng. Chức năng báo hiệu trong mạng truyền thông có mối quan hệ tới cơ chế định tuyến trực tiếp hoặc gián tiếp do định tuyến cho biết nơi nhận các bản tin báo hiệu. 2 Chức năng báo hiệu đƣợc thực hiện trên nhiều lớp của kiến trúc mạng. Thông thƣờng các giao thức báo hiệu thuộc lớp phiên của mô hình OSI (Open System Interconnection) phục vụ cho các nhiệm vụ điều khiển và kết nối truyền thông. Ngoài ra, báo hiệu còn đƣợc sử dụng để yêu cầu nhận thực ngƣời dùng hay thu thập thông tin tài nguyên khả dụng để phục vụ cho các kết nối hoặc điều khiển lớp ứng dụng. 1.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 1.2.1 Các vấn đề chung của điều khiển Dƣới góc độ lý thuyết điều khiển chung, mạng viễn thông là một hệ thống kỹ thuật đƣợc thiết kế nhằm đạt đƣợc một số mục tiêu nhất định. Hai mục tiêu quan IT trọng nhất là thích ứng và bền vững (ổn định). Thích ứng cho phép một hệ thống tiếp tục đạt đƣợc một số mục tiêu hiệu năng dƣới điều kiện thay đổi môi trƣờng điều hành nhƣ tải hay lỗi thành phần mạng. Bền vững ngăn ngừa hệ thống trƣợt hoặc PT chuyển tới trạng thái không điều khiển đƣợc do ảnh hƣởng của các đầu vào. Lý thuyết điều khiển cung cấp các bộ công cụ mạnh để xây dựng các hệ thống tƣơng thích và bền vững. Ví dụ, bằng công cụ mô hình hóa toán học các hành vi của một hệ thống cho thấy sự trái ngƣợc giữa tƣơng thích và bền vững, hệ thống có độ tƣơng thích lớn càng dễ bất ổn định. Nhằm tiếp cận hệ thống viễn thông dƣới góc độ lý thuyết điều khiển, mục này khái quát các khái niệm và thành phần chung của lý thuyết điều khiển. Hình 1.1: Mô hình chung của một hệ thống điều khiển 3 Một hệ thống điều khiển có hồi tiếp đƣợc minh họa trên hình 1.1. Giả thiết chung cho các thành phần của hệ thống là liên tục, tuyến tính và bất biến thời gian. Đƣa một tín hiệu đầu vào u, hệ thống đáp ứng đầu ra y đƣợc bổ sung tín hiệu nhiễu loạn không điều khiển đƣợc w. Mục tiêu điều khiển là duy trì đầu ra tại một số giá trị tham chiếu r ngay cả khi có nhiễu bằng một bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh giá trị tín hiệu tham khảo với tín hiệu đầu ra đo đƣợc b (có thể xuất hiện lỗi đo lƣờng). Bộ điều khiển chọn một tín hiệu điều khiển u nhằm đảm bảo đầu ra tƣơng lai phù hợp với đầu vào tham chiếu bất kể lỗi đo hoặc các dao động. Nhƣ vậy, toàn bộ hệ thống và thành phần bộ điều khiển đều đặc trƣng bởi một đầu vào và một đầu ra với đầu ra phụ thuộc vào đầu vào. Hệ thống điều khiển đƣợc chia thành hai loại: hệ thống không điều khiển mở và hệ thống điều khiển đóng. Hệ IT thống phức tạp bao gồm nhiều bƣớc điều khiển đệ quy và cần đƣợc mô hình hóa nhằm tƣờng minh các bƣớc và xác định đƣợc hiệu quả điều khiển. a, Vấn đề mô hình hóa PT Mô hình hóa một hệ thống đƣợc bắt đầu từ việc phân tích và xác định đặc tính hoạt động của hệ thống và các thành phần thiết bị. Trong đó gồm quá trình xác định bản chất vật lý của các thành phần, các giới hạn hoạt động và kiểu hoạt động của hệ thống (tuyến tính hay phi tuyến). Các thành phần của hệ thống đƣợc mô tả trong khái niệm nỗ lực (effort) và luồng (flow). Nỗ lực thể hiện một đầu vào hệ thống gây ra một hiệu ứng phản ánh bằng khái niệm luồng. Tích của chúng là công suất và tổng công suất trong một khoảng thời gian gọi là năng lƣợng (enery). Trong hệ thống viễn thông và máy tính, lƣợng dữ liệu tại một nguồn cần gửi đi là nỗ lực và tốc độ dữ liệu cần gửi đi tƣơng ứng là luồng. Các thành phần hệ thống có thể là thành phần chủ động hay bị động. Các phần tử chủ động tạo ra công suất để các luồng chuyển qua hệ thống trong khi các phần tự bị động chỉ tiêu tốn năng lƣợng nhƣng không tạo ra công suất. Nhiệm vụ phân bổ công suất trong thời gian hoạt động của hệ thống đƣợc gọi là điều hành động. Cụ thể, nguồn dữ liệu là thành phần chủ động và bộ đệm là thành phần bị động của một mạng. 4 Sau quá trình xác định đặc tính của các thành phần trong hệ thống là tổ chức xây dựng các luật ràng buộc. Luật ràng buộc chỉ ra các phƣơng pháp giải cho mục tiêu điều khiển và tối ƣu hệ thống. Hệ thống điều khiển đạt đƣợc mục tiêu khi trạng thái điều hành đạt cân bằng lý tƣởng (Zero). Trong trƣờng hợp xác định đƣợc lỗi điều hành, cấp độ điều khiển phụ thuộc rất lớn vào tính tƣơng thích của luật điều khiển đƣợc áp dụng. Các biểu thức toán học thể hiện điều hành của hệ thống là vấn đề cuối cùng của bài toán mô hình hóa hệ thống. b, Biểu diễn toán học Có ba cách thông dụng để biểu diễn một hệ thống bằng toán học gồm: Biến trạng IT thái, đáp ứng xung và hàm truyền đạt. Giả thiết hệ thống tuân theo mô hình bất biến thời gian và tuyến tính LTI (Linear and Time-Invariant). Nếu hệ thống có một đầu ra y(t) tại thời điểm t của một đầu vào u(t), thì ta có đầu ra y(t-T) với đầu vào u(t-T). Vì vậy, nếu y(t)=G(u(t)), thì y(t-T)=G(u(t-T)). Hệ thống tuyến tính là hệ thống có PT tính chất xếp chồng nên nếu đầu vào u1 dẫn tới đầu ra y1, đầu vào u2 dẫn tới đầu ra y2 thì đầu vào (k1u1+k2u2) dẫn tới đầu ra (k1y1+k2y2). Vì vậy, nếu y1=G(u1) và y2=G(u2) ta có k1y1+k2y2 = G(k1u1+k2u2). Đối với hệ thống LTI, ta luôn chọn t khởi tạo bằng 0 và đầu vào tín hiệu bằng Zero khi t<0. 1.2.2 Cách tiếp cận điều khiển hệ thống viễn thông Dƣới góc độ tiếp cận hệ thống, hầu hết mô hình toán học đầy đủ cho hệ thống viễn thông đƣợc biểu diễn dƣới một cấu trúc logic điều khiển phân tán phức hợp để xử lý các sự kiện và lƣu lƣợng ngẫu nhiên. Chức năng điều khiển và phƣơng thức hoạt động của các phần tử mạng đƣa ra dƣới dạng kết hợp nhằm giải quyết mục tiêu tối ƣu nguồn tài nguyên mạng. Vì vậy, mục tiêu chính của bài toán điều khiển hệ thống viễn thông là đƣa ra các quyết định tốt nhất trƣớc sự thay đổi của lƣu lƣợng mạng hay yêu cầu của ngƣời dùng với điều kiện đảm bảo đƣợc tính bền vững của hệ điều khiển. 5 Hệ thống viễn thông hiện nay sử dụng hai phƣơng pháp chuyển mạch: chuyển mạch kênh cho các ứng dụng điện thoại truyền thống và chuyển mạch gói cho các ứng dụng phi thoại. Xu thế hiện nay cho thấy kỹ thuật chuyển mạch gói hiện đang tiếp tục chiếm ƣu thế do hiệu quả sử dụng tài nguyên so với các hệ thống sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh. Các hệ thống viễn thông này hoạt động trên cơ sở của giao thức Internet (IP). Một hệ thống viễn thông có thể biểu diễn nhƣ một hệ thống phức hợp, phân tán qua các miền lớn để cung cấp hạ tầng cho chuyển phát và phân phối thông tin từ nguồn tới đích. Các cơ chế điều hành tự động đƣợc thực hiện bởi các chƣơng trình và thuật toán ghi sẵn. Hoạt động điều hành phụ thuộc chủ yếu vào một số thiết bị nhằm hiệu chỉnh mô hình điều hành và cấu trúc liên kết nối cũng nhƣ các giải pháp quyết định của ngƣời điều hành tác động vào phƣơng thức hoạt động IT của mạng. Tất cả các thành phần đó có thể coi nhƣ một phức hệ điều khiển của mạng truyền thông. Hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng đƣợc xác định qua số lƣợng gói tin chuyển phát thành công tới đích bằng các tuyến đƣờng đi tối ƣu dƣới các yêu PT cầu cung cấp chất lƣợng dịch vụ tới ứng dụng. Khái niệm về điều khiển rất rộng và thƣờng đƣợc hiểu bởi hai thuật ngữ là điều khiển và quản lý. Tổ chức quản lý cho mạng viễn thông thƣờng chỉ ra cấp cao nhất là quyết định của ngƣời điều hành PMD (People Making Decision). Một hệ thống viễn thông thông dụng thƣờng cho thấy có nhiều phƣơng pháp điều khiển trong mạng viễn thông và quyết định cuối thuộc về PMD. Vì vậy, có thể tồn tại nhiều mô hình điều khiển trong mạng viễn thông, việc phát triển một mô hình điều khiển nào đó phải dựa trên cấu trúc biểu diễn của mô hình điều khiển bằng các mô hình. Đặc tính chủ chốt của các hệ thống phức nhƣ các mạng viễn thông là không thể biểu diễn bằng một mô hình toán học đơn nhất. Các hệ thống này đƣợc biểu diễn bởi các mô hình khác nhau. Mỗi mô hình tƣơng xứng với lý thuyết hệ thống chỉ phản ánh đƣợc một số đặc tính của hệ thống ví dụ nhƣ: Đặc tính tổng quát của hệ thống (tính toàn vẹn, ổn định, giám sát, điều khiển, mở, động, độ tin cậy …); Đặc tính cấu trúc (cấu thành, kết nối, phức tạp, phân cấp, mềm dẻo…); Đặc tính chức năng (chịu đựng, hiệu năng, hiệu suất, chính xác, kinh tế). 6 Sở dĩ tồn tại số lƣợng lớn các mô hình nhƣ vậy là do sự phức tạp và đồ sộ của biểu diễn tổng quát cũng nhƣ là thiếu khả năng hình thức hóa nhiều tiến trình xử lý trong các hệ thống phức. Nó tạo ra các khó khăn trên cả khía cạnh phân tích và tổng hợp các mô hình toán học cũng nhƣ tìm kiếm giải pháp lựa chọn tiêu chuẩn điều khiển thích hợp. Vì vậy, các phƣơng pháp điều khiển tình huống đƣợc ứng dụng cho hệ thống phức và quyết định cuối cùng thuộc về ngƣời điều hành PMD. PMD chịu trách nhiệm quyết định toàn bộ hoặc hoặc một phần điều khiển hệ thống. Để thực hiện điều đó ngƣời điều hành sử dụng kinh nghiệm, trực giác trên cơ sở các thủ tục tự động để điều hành và xử lý trực tiếp hoặc thông qua hệ thống trợ giúp điều hành. Cốt lõi của các phƣơng pháp điều khiển tình huống là mô hình ký hiệu. Mô hình ký hiệu là mô hình biểu diễn các phần tử của một ngôn ngữ sử dụng PMD. Thông IT thƣờng, nó là một tập hợp của các ký hiệu nghe-nhìn, dấu hiệu và hình vẽ chỉ ra các tình huống hiện thời, hoặc tiếp theo của hệ thống. Tính chất riêng biệt của điều khiển tình huống tạo ra sự khác biệt giữa các phƣơng pháp. Các phân tích dƣới đây PT chỉ ra các đặc điểm cơ bản của điều khiển tình huống trong hệ thống viễn thông. 1. Điều khiển tình huống luôn yêu cầu một lƣợng nhất định các dữ liệu ban đầu dựa trên thông tin về một đối tƣợng điều khiển, các luật hoạt động và tiếp cận cho điều khiển. Các nỗ lực này chỉ có ý nghĩa khi không sử dụng đƣợc các phƣơng pháp khác để đặc tính hóa đối tƣợng cũng nhƣ thủ tục điều khiển. Ví dụ, điều khiển tình huống một đối tƣợng là không cần thiết khi ta có thể biểu diễn đối tƣợng bằng một hệ phƣơng trình vi phân. Nhƣng sẽ rất có ý nghĩa khi ở đây có hàng nghìn hệ phƣơng trình biểu diễn một hệ thống. 2. Sự lựa chọn ngôn ngữ mô tả tình huống hiện thời của đối tƣợng là rất quan trọng. Một ngôn ngữ phải phản ánh đƣợc các tham số chính và các mối quan hệ để phân loại các đặc tính và tạo ra các bƣớc điều khiển đơn lẻ. 3. Ngôn ngữ định nghĩa tình huống không chỉ phản ánh tất cả thực tế số học và các mối quan hệ sử dụng đặc tính hóa đối tƣợng điều khiển mà còn lƣợng hóa các hiểu biết không thể hình thức bằng toán học. 7 4. Phân loại các tình huống và tổ hợp vào trong các lớp dƣới các quyết định điều khiển đơn bƣớc thƣờng mang tính trừu tƣợng và chủ quan. Điều này cho thấy thông tin về tình huống và quyết định điều khiển đƣợc đƣa ra bởi hệ chuyên gia. Tuy nhiên, sự hiểu biết của chuyên gia trong giai đoạn đầu có thể không đáp ứng đƣợc các tình huống hiện thời đối với một hệ thống lớn. 5. Hƣớng dẫn và luật điều khiển đóng vai trò quan trọng trong các quyết định điều khiển. Các luật này có tên là luật ánh xạ logic LTR (Logic Transfromational Rule) đƣợc khởi tạo bởi các chuyên gia và định nghĩa lại trong các xử lý điều hành hệ thống. 6. Các hệ thống điều khiển tình huống không nhằm mục tiêu điều khiển tối ƣu mà chỉ hƣớng tới hiệu quả không xấu hơn đối với cơ chế điều hành nhân công. Điều IT này có đƣợc là do có thể đƣa ra các quyết định khách quan trong cả trƣờng hợp bình thƣờng hay tới hạn nên còn đƣợc gọi là phƣơng pháp kinh nghiệm. 7. Hơn nữa, các quyết định từng bƣớc không xác định chiến lƣợc điều khiển cho PT các đối tƣợng điều khiển thời gian thực. Các đối tƣợng này cần có các quyết định đệ quy để có đƣợc quyết định cuối cùng. Các vấn đề trên cho thấy các hệ thống viễn thông sử dụng tiếp cận điều khiển tình huống và cần có các tiêu chuẩn phù hợp để đánh giá định tính hoặc định lƣợng các yêu cầu điều khiển. Thêm vào đó, sự phân loại các hệ thống viễn thông thành các miền mạng (cục bộ, vùng và diện rộng) nên điều khiển thƣờng thuộc lớp cao của kiến trúc. Ví dụ, một số bài toán điều khiển đƣợc thực hiện qua hàm mục tiêu chuẩn hóa nhƣ định tuyến hay điều khiển chống tắc nghẽn cũng vẫn là các điều khiển tình huống và không chỉ ra trực tiếp bài toán tối ƣu. Vì vậy, các hệ thống viễn thông hiện đại cần phát triển các phƣơng pháp điều khiển dựa trên các thủ tục điều khiển nhƣ là một hệ thống quản lý mạng, tối ƣu hóa định tuyến và các chức năng riêng biệt của các phần tử mạng. 8 1.3 CÁC THUỘC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Một hệ thống điều khiển cần thỏa mãn một số điều kiện: điều khiển đƣợc, nhận dạng, bền vững và bất biến. Các phƣơng pháp thống kê mẫu dƣới giả thiết giám sát các biến ngẫu nhiên, tiến trình ngẫu nhiên và các trƣờng ngẫu nhiên cũng nhƣ các tham số mẫu cho các giá trị khác nhau của các cửa sổ tƣơng quan. a, Thuộc tính điều khiển Điều khiển đƣợc là thuộc tính của một hệ thống khi chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác trong một khoảng thời gian yêu cầu. Thuộc tính này đƣợc thể hiện khi bất kỳ một thành phần nào của trạng thái xi(t) trong hệ thống S(t,x,u) đƣợc truy nhập cho hoạt động điều khiển (ảnh hƣởng bởi u(t)). Để đảm bảo khả năng điều IT khiển đƣợc, các điều kiện “lọc” phải đƣợc thỏa mãn. Thuộc tính này có thể biểu diễn bằng khả năng chuyển giao giữa các trạng thái dƣới điều kiện tài nguyên hạn chế. Đặc tính điều khiển đƣợc tồn tại khi các điều kiện sau tồn tại: giám sát đƣợc, PT nhận dạng đƣợc, bền vững và bất biến. Khả năng giám sát đƣợc của hệ thống là khi hệ thống đảm bảo khả năng thu thập thông tin về mỗi thành phần của vector trạng thái xT (t )  x1 , x2 ,..., xn . Nếu một phép đo có thể thực hiện không có lỗi thì biểu thức tất định sau có thể tồn tại. y(t )  Hx(t ) (1.1) Trong đó, H là hệ số tăng (hoặc giảm) dƣới phép đo x(t). Nếu có lỗi trong phép đo hoặc nhiễu trong kênh giám sát v(t) thì biểu thức 1.1 thành biểu thức ngẫu nhiên nhƣ dƣới đây. y(t )  Hx(t )  v(t ) (1.2) Các giá trị của y(t) từ biểu thức 1.7 có thể dùng trực tiếp cho điều khiển. Nếu phƣơng trình giám sát là ngẫu nhiên thì y(t) là tiến trình ngẫu nhiên. Để sử dụng trong một thuật toán điều khiển, ta cần xác định trạng thái xˆ (t ) . Trong các điều kiện thực, biểu thức 1.2 là mẫu từ các kết quả đánh giá: 9 yT (t )  y1 , y2 ,..., yn (1.3) Vì vậy, biểu thức giám sát trở thành rời rạc và thể hiện qua biểu thức sau yk  Hxk  vk (1.4) Chuỗi rời rạc của biểu thức giám sát cần xử lý qua các thủ tục đánh giá và các kết quả sẽ đƣợc sử dụng trong thuật toán điều khiển tại phần tiếp theo. b, Thuộc tính nhận dạng Nhận dạng đƣợc là khả năng xây dựng các mô hình toán học cho một hệ thống và thu thập thông tin đặc tính của hệ thống mô phỏng trên cơ sở kết quả giám sát. Nói cách khác, đó là khả năng tránh các tiên nghiệm không chắc chắn về các đặc tính của hệ thống của một mô hình hệ thống bằng các xử lý kết quả giám sát. Ví dụ, độ IT phân tán, giá trị trung bình, khoảng thời gian tƣơng quan là không biết trong nhiều trƣờng hợp thực tế. Trong trƣờng hợp vấn đề nhận dạng phụ thuộc vào một hoặc một vài tham số thì các tham số này cần phải đo lƣợng. Có hai phƣơng pháp đánh PT giá: đánh giá mẫu và đánh giá đệ quy. Đánh giá mẫu có thể thu đƣợc từ công thức tính toán giá trị trung bình, xcp  i 1 xi p( xi )dx . Nếu các xác suất của tất cả các sự kiện bằng nhau n ( p( x j )  p( xi )  1/ n) , ta có giá trị trung bình của mẫu: xˆcp  1 n  xk n k 1 (1.5) Với n là kích thƣớc mẫu. Cũng phƣơng pháp tiếp cận, ta có thể tính toán độ phân tán của mẫu bằng biểu thức. ˆ 2  1 n  ( xk  xˆ)2 n  1 k 1 (1.6) Trong biểu thức trên, phần ˆ  ˆ 2 xác định độ lệch bình phƣơng trung bình.