Tài liệu Giải pháp qos trên mạng hội tụ

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LƢƠNG THỊ THUẬN GIẢI PHÁP QoS TRÊN MẠNG HỘI TỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2008 1 MỤC LỤC BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. 6 LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG NGN ............................................................. 9 1.1 NGN cố định .................................................................................................... 9 1.1.1. NGN theo khuyến nghị của ITU ................................................................... 9 1.1.2. Cấu trúc phân lớp chức năng của mạng NGN ............................................ 12 1.2. NGN di động ................................................................................................. 14 1.2.1 NGN-Mobile là gì ? ....................................................................................... 14 1.2.2. Xu hƣớng phát triển mạng thông tin di động của 3GPP/3GPP2 theo hƣớng NGN .................................................................................................. 15 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN MẠNG HỘI TỤ ...................................................... 22 2.1. Lý do ra đời mạng hội tụ ............................................................................... 22 2.2. Ba nội dung của khái niệm Hội tụ.................................................................. 23 2.2.1. Các nghiên cứu về cấu trúc mạng hội tụ ..................................................... 25 2.2.2. Hội tụ dịch vụ cố định – di động dựa trên truy nhập di động không cấp phép UMA .................................................................................................... 36 2.2.3. Hội tụ mạng cố định - di động dựa trên IMS .............................................. 41 2.3. Xây dựng mạng hội tụ cố định - di động của Việt Nam ................................. 48 2.3.1. Phƣơng án phát triển mạng cố định ............................................................. 48 2.3.2. Phƣơng án phát triển mạng di động ............................................................. 50 2.3.3. Xây dựng cấu hình mạng hội tụ FMC của Việt Nam ................................ 51 CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP QOS TRÊN MẠNG HỘI TỤ ...................................... 53 3.1. Tổng quan QoS trên mạng hội tụ FMC .......................................................... 53 3.1.1. Dịch vụ trên mạng FMC ............................................................................... 53 3.1.2. Tham số chất lƣợng dịch vụ ......................................................................... 55 3.1.3. Chất lƣợng dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối (E2E QoS) .......................... 56 2 3.1.4. Mô hình quản lý QoS trên FMC ................................................................. 57 3.2. Tình hình nghiên cứu QoS trên FMC............................................................. 61 3.2.1. Framework QoS cho mạng FMC ................................................................. 61 3.2.2. QoS cho mạng truy nhập .............................................................................. 62 3.2.3. QoS cho mạng lõi ......................................................................................... 64 3.3. Giải pháp QoS cho các đoạn mạng FMC ....................................................... 67 3.3.1. Giải pháp QoS trên mạng lõi ....................................................................... 67 3.3.2. Giải pháp QoS trên mạng truy nhập ............................................................ 76 3.3.3. Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo ...................................................... 79 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 83 3 BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt 2G 3G 3GPP 3GPP2 AAA AS B2BUA BGCF BSC BSS BTS CAMEL CAPEX CDMA CGI CN CS CSCF DHCP DiffServ DLE DNS DR DTF EDGE EMS ETSI EV-DO FA FDD FMC GAN GANC Tên tiếng anh Second Generation Third Generation Third - Generation Partnership Project Third - Generation Partnership Project 2 Authentication, Authorization, and Accounting Application Server Back-to-Back User Agent Breakout Gateway Control Function Base Station Controller Base Station Subsystem Base Transceiver Station Customized Applications for Mobile Network Enhanced Logic Capital Expenditure Code Division Multiple Access Cell Global Identification Core Network Circuit Switched Call Session Control Function Dynamic Host Configuration Protocol Differential Service Digital Local Exchange Domain Name System Dual Radio Domain Transfer Function Enhanced Data Rates for GSM Evolution Enhanced Message Service European Telecommunications Standards Institute Evolution – Data Only (or Data Optimized) Foreign Agent Frequency-Division Duplexing Fixed Mobile Convergence Generic Access Network GAN Controller 4 GERAN GGSN GPRS GPS GRX GSM HA HLR HSS I-CSCF IETF IM IMPP IMS IMSI IMT-2000 IntServ IP IPsec ISDN ISO ISP ISUP ITU-T MAP MGCF MGW MLC MM MMD MME MPLS MRFC MS MSC MSF GSM / EDGE Radio Access Network Gateway GPRS Support Node General Packet Radio Service Global Positioning System GPRS Roaming Exchange Global System (for) Mobile Home Agent Home Location Register Home Subscriber Server Interrogating CSCF Internet Engineering Task Force instant messaging Instant Messaging and Presence Protocol IP Multimedia Subsystem International Mobile Subscriber Identity International Mobile Telecommunications - 2000 Intergrated Service Internet Protocol IP Security Integrated Services Digital Network International Organization for Standardization Internet Service Provider ISDN User Part International Telecommunications Union– Telecommunication Mobile Application Part Media Gateway Control Function Media Gateway Mobile Location Center mobility management Multimedia Domain Mobility Management Entity Multi-Protocol Label Switching Multimedia Resources Function Controller Mobile Station Mobile Switching Center Multiservice Forum 5 NAT NGMN NGN OMA OPEX OSA P/S/I-CSCF PABX PBX PCEF PCRF PDP PDSN PGW PLMN PS PSDN PSTN QoS RACF RACS RAN RNC SBC SGSN SIP SLF TISPAN UE UMA UMTS UTRAN VCC VLR WEP WLAN Network Address Translation Next-Generation Mobile Networks Next-Generation Network Open Mobile Alliance Operational Expenditure Open Service Architecture Proxy/Serving/Interrogating-Call Session Control Function Private Automatic Branch Exchange Private Branch Exchange Policy and Charging Enforcement Function Policy and Charging Rules Function Packet Data Protocol Packet Data Serving Node PDN Gateway Public Land Mobile Network Packet-Switched Packet Switched Data Network Public Switched Telephone Network Quality of Service Resource Admission Control Function Resource Admission Control Subsystem Radio Access Network Radio Network Controller Session Border Controller Serving GPRS Support Node Session Initiation Protocol Subscriber Locator Function Telecoms & Internet Converged Services & Protocols for Advanced User equipment Unlicensed Mobile Access Universal Mobile Telecommunications System UMTS Terrestrial Radio Access Network Voice Call Continuity Visitor Location Register Wired Equivalent Privacy Wireless LAN 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các chức năng GII và mối quan hệ của chúng ................................. 11 Hình 1.2: Cấu trúc phân lớp của mạng NGN .................................................... 13 Hình 1.3: Cấu trúc tham chiếu cơ bản của 3GPP R99 (Nguồn: 3GPP) ............. 15 Hình 1.4: Kiến trúc tham chiếu R00 (R4 và R5) (Nguồn: 3GPP) ...................... 17 Hình 1.5: Kiến trúc phân lớp chức năng của IMS ............................................. 18 Hình 1.6: Kiến trúc tích hợp theo R00 (R4/R5) ................................................ 19 Hình 1.7: Kiến trúc mạng UMTS trong tƣơng lai ............................................. 20 Hình 2.1: Cấu trúc FMC theo ITU-T [14]......................................................... 25 Hình 2.2: Cấu trúc phân lớp mạng hội tụ [1 ] ................................................... 26 Hình 2.3: Cấu trúc FMC theo 3GPP [TR 23.882] ............................................ 31 Hình 2.4: Cấu trúc FMC theo 3GPP2 [TR 23.882] .......................................... 32 Hình 2.5: Cấu trúc mạng FMC theo ETSI TISPAN [13] .................................. 34 Hình 2.6: Cấu trúc sơ đồ khối chức năng của hệ thống UMA [TS 43.318-3GPP] ......................................................................................................................... 37 Hình 2.7: Ứng dụng công nghệ UMA trong mạng GSM .................................. 40 Hình 2.8: Cấu trúc phân lớp IMS [Theo Wikipedia] ......................................... 42 Hình 2.9: Kiến trúc mạng NGN (nguồn ETSI 2005) ........................................ 48 Hình 2.10: Cấu hình mạng hội tụ FMC với hai vùng IMS ................................ 52 Hình 3.1: E2E QoS cho mạng FMC ................................................................. 56 Hình 3.2: Mô hình chức năng của QoS ............................................................. 57 Hình 3.3: Lƣu đồ xử lý về QoS trong mặt phẳng điều khiển ............................. 58 Hình 3.4: Traffic model .................................................................................... 61 Hình 3.5: Kiến trúc QoS do TISPAN đề xuất ................................................... 62 Hình 3.6: Kiến trúc QoS trong phân vùng mạng truy nhập (3GPP) .................. 63 Hình 3.7: Intradomain và Interdomain .............................................................. 64 Hình 3.8: Mô hình Inserv ................................................................................. 65 Hình 3.9: Mô hình diffserv ............................................................................... 65 Hình 3.10: Ứng dụng Intserv, diffserv, MPLS trong kiến trúc đảm bảo E2E QoS ......................................................................................................................... 66 Hình 3.11: Kiến trúc Intserv ............................................................................. 69 Hình 3.12: Kiến trúc Diffserv ........................................................................... 72 Hình 3.13: So sánh giữa cấu trúc router truyền thống và router thế hệ mới định tuyến theo luồng ............................................................................................... 74 7 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin – viễn thông, đặc biệt là sự gia tăng nhanh chóng của Internet cả về hạ tầng mạng và nhu cầu phát triển các dịch vụ mới, sự xuất hiện của các ứng dụng đa phƣơng tiện với các yêu cầu về băng thông và chất lƣợng dịch vụ cao đã mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực công nghệ viễn thông. Trong bối cảnh đó mạng thế hệ mới - Next Generation Network (NGN) ra đời đã khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của hệ thống PSTN. NGN là mạng gói có khả năng cung cấp thêm nhiều dịch vụ viễn thông mới, sử dụng băng tần rộng và các công nghệ truyền tải hỗ trợ QoS. Hiện nay, mạng NGN cố định và NGN di động cũng đã đƣợc triển khai cùng với nhiều dịch vụ giá trị gia tăng. Tuy nhiên, việc triển khai NGN cố định tách biệt NGN di động có nhƣợc điểm là thuê bao của mạng này không thể sử dụng dịch vụ của mạng khác. Sự phân chia tách biệt này là chấp nhận đƣợc chừng nào hai thị truờng di động và cố định đều phát triển mạnh. Tuy nhiên thời gian gần đây, dƣới áp lực cạnh tranh gia tăng, doanh thu bình quân trên thuê bao (ARPU) giảm mạnh, các nhà cung cấp dịch vụ đang phải đối đầu với bài toán cắt giảm chi phí, đồng thời với việc tạo ra dịch vụ mới, riêng biệt và hấp dẫn ngƣời dùng. Để tăng nguồn thu cho nhà cung cấp mạng cố định cũng nhƣ bổ sung dịch vụ có sẵn trên mạng cố định cho các thuê bao di động, thì xu thế hội tụ cố định – di động FMC (Fixed Mobile Convergence) là một xu thế tất yếu của ngành viễn thông trong tƣơng lai nhằm đáp ứng đƣợc nhu cầu của khách hàng cũng nhƣ nhà cung cấp dịch vụ. Do mạng hội tụ FMC tối ƣu hóa cấu trúc mạng làm giảm chi phí quản lý, chi phí cho thiết bị đầu cuối, chi phí dịch vụ hàng tháng và tăng dung lƣợng mạng, vùng phủ, tiện ích cho ngƣời dùng là chỉ cần một thiết bị có thể truy nhập các mạng khác nhau. Tuy nhiên, chất lƣợng dịch vụ mạng luôn là một vấn đề quan tâm của cả ngƣời sử dụng dịch vụ và nhà cung cấp dịch vụ. Cùng với sự phát triển bùng nổ các dịch vụ của mạng hội tụ trên nền IP là hàng loạt các yêu cầu về giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lƣợng dịch vụ. Trƣớc các yêu cầu trên, đề tài: “Giải pháp QoS trên mạng hội tụ” đƣợc lựa chọn để nghiên cứu vừa có ý nghĩa về mặt lý luận, vừa có ý nghĩa về mặt thực tiễn nhằm đáp ứng với xu thế tất yếu đó. Mục tiêu của luận văn là: o Trình bày cấu trúc nguyên lý của FMC. 8 o Trình bày các vấn đề về QoS của FMC. o Trình bày Giải pháp QoS của FMC Nội dung luận văn gồm có 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan mạng NGN Trình bày về hạn chế của mạng PSTN và sự phát triển lên mạng NGN là một xu thế tất yếu. Tổng quan về mạng NGN cố định và NGN di động. Chƣơng 2: Tổng quan mạng hội tụ Trình bày về xu hƣớng hội tụ hai mạng NGN cố định và NGN di động. Cấu trúc mạng hội tụ dựa trên công nghệ UMA và IMS. Xu hƣớng hội tụ cố định – di động tại Việt Nam. Chƣơng 3: Giải pháp QoS trên mạng hội tụ Trình bày một số giải pháp cả về phần cứng và phần mềm để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trên mạng hội tụ. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Nguyễn Cảnh Tuấn, ngƣời đã trực tiếp giúp đỡ, hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu và phƣơng pháp luận nghiên cứu khoa học để tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các giảng viên khoa Điện tử - Viễn thông – Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Do có những hạn chế về thời gian và tài liệu tham khảo, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn. 9 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG NGN Mạng PSTN của VNPT đã đƣợc xây dựng và phát triển khá toàn diện, cung cấp dịch vụ thoại truyền thống chất lƣợng tốt tới khách hàng. Tuy nhiên, sau nhiều năm hoạt động, PSTN đã bộc lộ một số hạn chế hầu nhƣ không thể khắc phục đƣợc. Chuyển mạch dựa trên công nghệ TDM cứng nhắc trong việc phân bổ băng thông (Nx64kb/s) và gặp nhiều khó khăn khi đƣa ra các dịch vụ mới, nhất là khi triển khai mạng thế hệ sau. Mạng PSTN cần sự đầu tƣ lớn, giá thành thiết bị cao và cho phí vận hành mạng lớn. Hơn nữa, mạng PSTN có nhiều cấp khác nhau (Gateway quốc tế, Toll, tandem, Host) nên rất phức tạp trong việc phối hợp hệ thống báo hiệu, đồng bộ và triển khai dịch vụ mới. Nhu cầu về các dịch vụ dữ liệu thì phát triển mạnh: Internet ngày càng phổ biến, những đòi hỏi về dịch vụ IP (IP VPN...), xu thế tích hợp IP/ATM/MPLS cho mạng thông tin trục...cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn thông thế giới đã dẫn đến sự cần thiết phải thay đổi công nghệ mạng. Mạng mới ra đời phải có băng tần rộng, hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ, đơn giản về cấu trúc và quản lý, dễ dàng phát triển dịch vụ và nhanh chóng cung cấp cho khách hàng. Trong khi đó, NGN là mạng có hạ tầng thông tin duy nhất dựa trên cơ sở mạng truyền tải IP/MPLS. Đó là mạng mới với sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa cố định và di động. Trên cơ sở đó, mạng có thể triển khai các dịch vụ rất đa dạng và nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu về các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú. Việc quản lý mạng đƣợc thực hiện đơn giản, tập trung, nâng cao hiệu quả sử dụng, chất lƣợng mạng lƣới và giảm thiểu chi phí vận hành, bảo dƣỡng. Với tính linh hoạt và độ ổn định cao, mạng dễ dàng mở rộng dung lƣợng phát triển dịch vụ mới. Do vậy, sự phát triển lên mạng NGN là một xu thế tất yếu. 1.1 NGN cố định 1.1.1. NGN theo khuyến nghị của ITU [6][7] 1.1.1.1. Định nghĩa Theo khuyến nghị của Liên minh Viễn thông thế giới (ITU), mạng thế hệ mới - Next Generation Network (NGN) đƣợc coi là mạng gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông, sử dụng băng tần rộng và các công nghệ truyền tải hỗ trợ QoS. Trong đó các chức năng liên quan đến dịch vụ là độc lập với các 10 công nghệ liên quan đến truyền tải bên dƣới. NGN cho phép ngƣời dùng truy nhập mạng không giới hạn và truy nhập tới những nhà cung cấp dịch vụ cạnh tranh trên thị trƣờng, các dịch vụ mà họ lựa chọn. NGN hỗ trợ khả năng di động cho phép ngƣời dùng có thể sử dụng dịch vụ một cách ổn định mọi lúc, mọi nơi. Nền tảng của cấu trúc NGN là sự tách biệt dịch vụ và truyền tải nên mạng NGN đƣợc tổ chức dựa trên các nguyên tắc cơ bản sau:  Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú, đa dạng, đa dịch vụ, đa phƣơng tiện.  Mạng có cấu trúc đơn giản.  Nâng cao hiệu quả sử dụng, chất lƣợng mạng lƣới và giảm thiểu chi phí khai thác và bảo dƣỡng.  Dễ dàng mở rộng dung lƣợng, phát triển các dịch vụ mới.  Độ linh hoạt và tính sẵn sàng cao, có khả năng mở rộng trong tƣơng lai. Mạng viễn thông hiện tại bao gồm nhiều mạng riêng lẻ kết hợp lại với nhau thành một mạng hỗn tạp, chỉ đƣợc xây dựng ở cấp quốc gia, nhằm đáp ứng đƣợc nhiều loại dịch vụ khác nhau. Do đó, việc xây dựng mạng thế hệ mới cần tuân theo các chỉ tiêu sau:  Mạng NGN phải có khả năng hỗ trợ cả cho các dịch vụ của các mạng hiện tại.  Kiến trúc mạng NGN phải hỗ trợ dịch vụ qua nhiều nhà cung cấp khác nhau. Mỗi nhà cung cấp mạng hay dịch vụ là một thực thể riêng lẻ với mục tiêu kinh doanh và cung cấp dịch vụ khác nhau, có thể sử dụng những kỹ thuật khác nhau, nhƣng tất cả các dịch vụ đều phải đƣợc truyền qua mạng một cách thông suốt từ đầu cuối đến đầu cuối. Vì vậy, mạng NGN sẽ tiến hóa lên từ mạng truyền dẫn hiện tại. Cùng với sự thay đổi ở lớp truy nhập và truyền dẫn, chức năng chuyển mạch của tổng đài có sự thay đổi cơ bản là chức năng điều khiển đƣợc tách khỏi tổng đài. Lớp điều khiển sử dụng một phần mềm chuyển mạch thông minh gọi là Softswitch. 1.1.1.2. Mô hình mạng NGN của ITU Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử, tin học, viễn thông, các yêu cầu ngày càng gia tăng cả về số lƣợng, chất lƣợng và loại hình dịch vụ, sự ra đời của các sản phẩm thiết bị mới đã ảnh hƣởng mạnh mẽ đối với cấu trúc 11 mạng, ảnh hƣởng trực tiếp đến sự tồn tại và phát triển của các hãng sản xuất cung cấp thiết bị, các nhà khai thác viễn thông. Với sự tham gia của các hãng và các nhà khai thác này, mạng thế hệ sau là vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều tổ chức viễn thông nhầm hƣớng tới một mô hình cấu trúc mạng mới trên nền tảng công nghệ hiện đại, đầu tƣ hiệu quả, đáp ứng các nhu cầu phát triển phong phú đa dạng các dịch vụ. Tuy nhiên cho đến thời điểm này, chƣa có một mô hình nào đƣợc các tổ chức viễn thông chính thức xem nhƣ mô hình chuẩn cho mạng NGN, các kết quả nghiên cứu hầu hết vẫn đang ở dạng đƣợc tiếp tục phát triển. Sau đây là mô hình cấu trúc mạng NGN của ITU đƣa ra: Cấu trúc mạng thế hệ sau NGN nằm trong mô hình lớn của cấu trúc hạ tầng thông tin toàn cầu GII (Global Information Infrastructure) do ITU đƣa ra. Hình 1.1: Các chức năng GII và mối quan hệ của chúng Mô hình này bao gồm 3 lớp chức năng sau đây: - Các chức năng ứng dụng - Các chức năng trung gian bao gồm:  Các chức năng điều khiển dịch vụ  Các chức năng quản lý 12 - Các chức năng cơ sở bao gồm:  Các chức năng mạng (bao gồm chức năng chuyển tải và chức năng điều khiển)  Các chức năng lƣu giữ và xử lý  Các chức năng giao diện ngƣời-máy Phần mạng truy nhập bao gồm các kết nối: - Vô tuyến: Điện thoại không dây/ thông tin di động… - Hữu tuyến đối với đầu cuối thoại, TV, máy tính … - Kết nối với mạng truy nhập khác. Trong khuyến nghị Y.120 ITU đƣa ra mô hình tham chiếu với các loại điểm tham chiếu, tƣơng ứng với các loại điểm tham chiếu này là các loại giao diện kết nối (đang tiếp tục đƣợc ITU nghiên cứu) Mô hình thực hiện của GII đƣợc phân đoạn nhƣ sau: - Phân đoạn mạng quốc tế - Phân đoạn mạng lõi (Core) - Phân đoạn mạng truy nhập (Access) - Phân đoạn mạng khách hàng Các ứng dụng dịch vụ thông tin qua các giao diện có thế giao tiếp với phần mạng khách hàng, phần mạng truy nhập hoặc phần mạng lõi. Các phần mạng này đều có 2 chức năng:  Chức năng chuyển tải  Chức năng điều khiển 1.1.2. Cấu trúc phân lớp chức năng của mạng NGN NGN đƣợc hiểu là mạng dựa trên mạng chuyển mạch gói trong đó các phần tử thực hiện chức năng chuyển mạch định tuyến và các phần tử điều khiển đƣợc phân tách một cách logic và vật lý theo khả năng thông minh điều khiển dịch vụ hoặc cuộc gọi. Mạng NGN hỗ trợ rất đa dạng các loại hình dịch vụ dựa trên một cơ sở hạ tầng truyền dẫn chung, bao gồm từ các dịch vụ thoại cơ bản cho đến các dịch vụ số liệu, video, đa phƣơng tiện, dịch vụ băng thông rộng, và các ứng dụng quản lý mạng thông minh. 13 Hình 1.2: Cấu trúc phân lớp của mạng NGN Về cơ bản mạng NGN đƣợc chia thành 5 phân lớp chức năng nhƣ sau: lớp truy nhập, lớp truyền tải, lớp điều khiển, lớp ứng dụng, lớp quản lý. Mỗi phân lớp có chứa một số phần tử chức năng cơ bản nhƣ: máy chủ điều khiển cuộc gọi (Call server) hay còn gọi là chuyển mạch mềm (Softswitch), cổng truy nhập (Media Gateway) và máy chủ dịch vụ (Feature Server). Theo cấu trúc phân lớp hình 1.2, NGN đã tách lớp điều khiển ra khỏi lớp truyền tải. Điều này cho phép cấu trúc mạng lõi của NGN thực hiện việc kết nối và điều khiển cuộc gọi một cách linh hoạt hơn thông qua việc định tuyến các gói tin trên nền IP. Chức năng các lớp trong cấu trúc NGN nhƣ sau: + Lớp truy nhập: Bao gồm mạng truy nhập vô tuyến, cung cấp các kết nối các thiết bị đầu cuối thuê bao di động với mạng. Trong lớp truy nhập, các thiết bị đầu cuối có thể sử dụng các công nghê truy nhập vô tuyến khác nhau để kết nối vào mạng. + Lớp truyền tải: Bao gồm các nút chuyển mạch IP và hệ thống truyền dẫn nhằm cung cấp các chức năng chuyển mạch, định tuyến các gói tin trao đổi giữa các thuê bao trong mạng + Lớp điều khiển: là lớp trên của lớp truyền tải. Khác với chức năng nhƣ ở cấu trúc mạng mobile thông thƣờng, lớp điều khiển của mạng NGN-Mobile ngoài việc thực hiện các chức năng kết nối cuộc gọi, lớp này còn thực hiện các chức năng quản lý thuê bao, nhận thực, phân quyền hay tính cƣớc cho các thuê 14 bao trong mạng .v.v. Các phần tử mạng trong lớp này là các Softswitch hay Call Server + Lớp ứng dụng: Bao gồm các giao thức lớp trên cung cấp các ứng dụng và dịch vụ trong mạng thông qua lớp điều khiển. Trong phân lớp này sử dụng các phần tử mạng nhƣ các máy chủ dịch vụ với các liên kết mở API 1.2. NGN di động 1.2.1 NGN-Mobile là gì ? Với yêu cầu cung cấp các dịch vụ số liệu, đặc biệt là dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện, mạng thông tin di động hiện nay cũng đang phát triển theo cấu trúc NGN. Có thể nói, các tổ chức tiêu chuẩn 3GPP và 3GPP2 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 và CDMA. Xu hƣớng phát triển theo cấu trúc NGN của mạng lõi 3GPP bắt đầu từ Release 4 (R4), sau đó đƣợc hoàn thiện bởi Release 5 (R5) và Release 6 (R6) với khả năng hỗ trợ các dịch vụ thông tin đa phƣơng tiện. Về nguyên tắc, có thể xây dựng mạng thông tin di động NGNMobile dựa trên các cấu trúc: mạng lõi R4 hoặc cấu trúc mạng lõi R5&R6. Các nhà khai thác mạng GSM hiện nay chủ yếu đang ở giai đoạn R99. Họ có thể lựa chọn các giải pháp triển khai nâng cấp nhƣ sau: + Mạng lõi R99 -> Mạng lõi R4 + Mạng lõi R99 -> Mạng lõi R5 + Mạng lõi R99 -> Mạng lõi R4 -> Mạng lõi R5 Việc lựa chọn giải pháp nâng cấp mạng của mỗi nhà khai thác cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, nhƣ hiện trạng mạng hiện tại; chiến lƣợc phát triển mạng/dịch vụ; chi phí đầu tƣ. Điều này cho phép nhà khai thác lựa chọn phƣơng án triển khai mạng phù hợp. Trên thị trƣờng thế giới hiện nay, các hãng sản xuất thiết bị mạng thông tin di động đã tung ra các sản phẩm thiết bị mạng lõi dựa trên tiêu chuẩn R4 và R5. Nhiều nhà khai thác đang có chiến lƣợc phát triển hƣớng tới một mạng lõi theo cấu trúc NGN-Mobile nhằm xây dựng một cơ sở hạ tầng mạng truyền tải chung cũng nhƣ khả năng cung cấp, quản lý linh hoạt tất cả các loại hình dịch vụ/ứng dụng. 15 1.2.2. Xu hƣớng phát triển mạng thông tin di động của 3GPP/3GPP2 theo hƣớng NGN Tổ chức 3GPP thực hiện chuẩn hoá công nghệ WCDMA cho hệ thống thông tin di động 3G UMTS. Cho đến nay, mạng lõi UMTS đã đƣợc phát triển theo 3 Release cơ bản: R99, R4, R5, R6 đang trong quá trình thực hiện chuẩn hoá. Sau đây sẽ phân tích những thay đổi trong quá trình chuyển đổi cấu trúc mạng lõi của 3GPP theo hƣớng NGN. Mạng thông tin di động 3G-Cdma2000 của 3GPP2 cũng có sự phát triển hƣớng theo cấu trúc NGN, tƣơng tự nhƣ mạng lõi của 3GPP. 1.2.2.1 Mạng lõi 3GPP R99 Mô tả kiến trúc phân tách theo loại hình dịch vụ (chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh) của mạng lõi UMTS R99. Hình 1.3: Cấu trúc tham chiếu cơ bản của 3GPP R99 (Nguồn: 3GPP) Tiêu chí của cấu trúc theo R99 bao gồm: tƣơng thích ngƣợc với GSM, hỗ trợ truy nhập các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao; và quản lý đƣợc QoS. Nhƣ đã chỉ ra trong hình 1.3, có hai loại mạng truy nhập vô tuyến có thể kết nối với mạng lõi (CN) của 3GPP: hệ thống BSS của GSM và RNS của UTRAN. Các mạng truy nhập vô tuyến này kết nối với mạng CN thông qua các giao diện chuẩn. Cụ thể, BSS của GSM kết nối với miền CS qua giao diện A và miền PS qua giao diện Gb; UTRAN kết nối với miền CS qua giao diện Iu-cs và tới miền PS qua giao diện Iu-ps. Miền CS (Circuit-Switched Domain) cung cấp các dịch vụ chuyển 16 mạch kênh dựa trên tổng đài MSC (bao gồm cả GSM), trong khi miền PS (Packet-Switched Domain) cung cấp kết nối IP giữa Mobile và các mạng IP (bao gồm cả GPRS). 1.2.2.2 Mạng lõi 3GPP R4/R5 Có thể nói cấu trúc mạng lõi theo R00 phát triển tiếp sau R99, hay hiện nay đƣợc chia thành hai pha R4 và R5, đƣợc gọi là cấu trúc mạng chuyển tiếp nhằm tiến tới cấu trúc NGN toàn IP trong tƣơng lai. Các tiêu chí đặt ra cho cấu trúc R4/5 bao gồm: tƣơng thích với R99; bổ sung thêm các dịch vụ đa phƣơng tiện dựa trên IP; và hỗ trợ hiệu quả VoIP vô tuyến đối với dịch vụ đa phƣơng tiện. Điểm cần lƣu ý là trong cấu trúc R4/R5, vẫn tồn tại hai miền tách biệt CS và PS, R5 chính thức đƣa ra khái niệm hệ thống IMS: + Miền CS vẫn tồn tại và hỗ trợ khả năng tƣơng thích ngƣợc hoàn toàn đối với các dịch vụ miền CS R99, có thể thực hiện miền này bằng cách nâng cấp MSC thành MSC Server và Media Gateway. + Miền PS tiếp tục hỗ trợ các kết nối IP, đƣợc nâng cấp thêm để hỗ trợ QoS đối với các dịch vụ đa phƣơng tiện dựa trên IP. + Phân hệ IMS cung cấp các dịch vụ IP đa phƣơng tiện mới bổ sung vào các dịch vụ đƣợc cung cấp bởi miền CS. Mặc dù các nhóm tiêu chuẩn của 3GPP đã chia R00 thành R4 và R5 dựa trên tiêu chí phát triển hệ thống theo từng pha. Ở đây, với quan điểm tổng thể về sự phát triển của cấu trúc mạng, đề cập đến các hệ thống R4 và R5 nhƣ một hệ thống R00. Để có đƣợc khả năng truy nhập độc lập và đảm bảo đƣợc sự kết nối thông suốt các thiết bị đầu cuối hữu tuyến thông qua Internet, R00 hƣớng tới tƣơng thích với các tiêu chuẩn Internet của IETF ở những nơi sử dụng giao thức này, chẳng hạn R00 hỗ trợ giao thức SIP. Để đáp ứng VoIP, kiến trúc R00 cũng hỗ trợ tập tối thiểu các phƣơng thức codec bắt buộc và các tuỳ chọn giao thức bắt buộc đối với các dịch vụ VoIP. 17 Hình 1.4: Kiến trúc tham chiếu R00 (R4 và R5) (Nguồn: 3GPP) Mô tả kiến trúc tổng quát của R00. Trong kiến trúc này, đối với miền PS, xuất hiện các phần tử mới so với kiến trúc R99 thuộc về Phân hệ IMS, nó là phần tử lõi của cấu trúc mạng NGN-Mobile hiện nay. Cấu trúc của phân hệ đa phƣơng tiện dựa trên IP (Ip Multimedia Subsystem- IMS) bao gồm các phần tử sau: P-CSCF (Proxy Call Session Control Function), I-CSCF (Interrogating CSCF), S-CSCF (Serving CSCF), SGW (Signalling Gateway), MGW (Media Gateway), MGCF (Media Gateway Control Function), BGCF (Breakout Gateway Control function), MRFP (Multimedia Resource Function Processor), MRFC (Multimedia Resource Function Controller). IMS với giao thức nền là SIP, với các tính năng khởi tạo phiên thời gian thực, cho phép các nhà khai thác phát triển và quản lý các dịch vụ dữ liệu di động một cách linh hoạt và hiệu quả. Các nhà khai thác luôn mong muốn mạng của họ hỗ trợ các giao diện chuẩn kết nối tới IMS cho phép hỗ trợ các dịch vụ liên mạng và khả năng kết nối tới các nhà cung cấp nội dung/ứng dụng bên thứ ba. Hệ thống tiêu chuẩn và đề xuất phát triển IMS của 3GPP hiện nay đã bắt đầu đƣợc công nghiệp viễn thống vô tuyến và hữu tuyến chấp thuận. 18 Hình 1.5: Kiến trúc phân lớp chức năng của IMS Đối với các mạng di động, IMS cho phép các nhà khai thác giới thiệu nhiều loại hình dịch vụ hấp dẫn, nhƣ Push-to-Talk, một cách hiệu quả và linh hoạt. Đối với các nhà khai thác mạng cố định, IMS sẽ khơi mào cho sự phát triển bùng nổ các ứng dụng VoIP và dựa trên SIP thông qua truy nhập băng rộng. Mong muốn chung của các nhà khai thác viễn thông hiện nay là họ không chỉ thu đƣợc lợi nhuận từ việc truyền tải các bít dữ liệu mà còn từ việc cung cấp đa dạng các dịch vụ tiềm năng dựa trên nền IP. 1.2.2.3 Kiến trúc tích hợp theo mô hình NGN của R00 (R4/R5) Kiến trúc tích hợp theo mô hình NGN của R00 nhìn ở quan điểm phân lớp chức năng bao gồm 4 lớp chức năng: Lớp truy nhập bao gồm các phƣơng thức truy nhập vô tuyến, hữu tuyến; Lớp truyền tải gói đƣờng trục dựa trên nền IP; Lớp điều khiển với phần tử lõi là IMS; và Lớp dịch vụ bao gồm các Server cung cấp dịch vụ. Lớp dịch vụ kết nối với Lớp điều khiển thông qua các hàm giao diện lập trình ứng dụng (API) cho phép cung cấp, phát triển, mở rộng dịch vụ một cách mềm dẻo và linh hoạt. Kiến trúc này cũng cho thấy xu hƣớng hội tụ các phƣơng thức truy nhập mạng khác nhau tới một mạng lõi NGN duy nhất. 19 So với kiến trúc mạng UMTS R99, kiến trúc mạng R00 có những đặc điểm nổi bật: + Mạng lõi UMTS R00 có cấu trúc phân lớp, bao gồm 4 lớp cơ bản: Lớp truy nhập với nhiều phƣơng thức truy nhập khác nhau (vô tuyến và hữu tuyến); Lớp truyền tải IP/ATM; Lớp điều khiển; và Lớp ứng dụng. Đây chính là kiến trúc hƣớng tới một mạng lõi NGN duy nhất. + Bắt đầu từ R4, miền CS đã tách phần điều khiển MSC Server ra khỏi phần truyền tải MGW (Media GateWay). R5 chính thức đƣa ra khái niệm Phân hệ IP đa phƣơng tiện (IMS) cho phép cung cấp và quản lý các dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện dựa trên nền IP tới đầu ngƣời sử dụng. Hình 1.6: Kiến trúc tích hợp theo R00 (R4/R5) 1.2.2.4 Kiến trúc mạng lõi 3GPP tương lai Sau giai đoạn chuyển tiếp với kiến trúc R00 (bao gồm R4 và R5), dịch vụ đa phƣơng tiện dựa trên IP đã trở nên phổ biến, 3GPP hƣớng tới một hạ tầng tích hợp hoàn toàn dựa trên một hệ thống lõi chuyển mạch gói, nhƣ các tiêu chí dịch vụ đối với kiến trúc này bao gồm: chuyển các dịch vụ cơ bản thành dịch vụ đa phƣơng tiện dựa trên nền IP và sự phát triển rộng khắp của các dịch vụ IP đa phƣơng tiện bên ngoài mạng UMTS. Đến lúc này, có thể giả thiết rằng, phân hệ IMS phát triển tới mức có thể đóng vai trò thay thế việc cung cấp dịch vụ trƣớc đây vốn đƣợc miền CS thực hiện. Chúng ta thấy rằng, miền PS vẫn tiếp tục đƣợc giữ lại trong khi miền CS