Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động thế hệ thứ 3 WCDMA

Tài liệu tham khảo ngành tin học Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động thế hệ thứ 3 WCDMA

Lời nói đầu

Thị trường di động trong những năm gần đây đã có những bước phát triển vô cùng mạnh mẽ Dịch vụ chủ đạo là thoại và SMS Tuy nhiên, các dịch

vụ dữ liệu dựa trên nền IP ngày càng phát triển Nhu cầu của con người về dịch vụ mới là không giới hạn, đòi hỏi các dịch vụ đa dạng và chất lượng cao Người sử dụng di động mong muốn cùng một thời điểm họ có thể sử dụng nhiều dịch vụ 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

Sự cạnh tranh giữa các nhà khai thác ngày càng khốc liệt Với các dự đoán về

sự phát triển của thị trường như vây, họ 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 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

Trong luận văn này, em tập trung nghiên cứu về giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động – Mobile Switching Solution Giải pháp này dựa trên kiến trúc mạng phân lớp, mạng tích hợp ngang Đó là kiến trúc mạng có

sự phân tách chức năng điều khiển với chức năng vận chuyển dữ liệu Sự phân tách lớp điều khiển khỏi lớp truyền tải phù hợp với xu hướng phát triển của các hệ thống thông tin di động 3G và phù hợp với các tổ chức tiêu chuẩn 3GPP

Nội dung báo cáo của em gồm:

Chương 1: Tổng quan về sự phát triển các hệ thống thông tin di động

Chương 2: Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động thế hệ thứ 3 WCDMA

Chương 3: Cách thức triển khai giải pháp MSS

Trong quá trình nghiên cứu, em đã cố gắng hoàn thành bản luận văn của mình một cách hoàn chỉnh Nhưng do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô và ý kiến đóng góp của bạn bè để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của TS Trần Văn Cúc và các thầy cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông để em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CÁC HỆ

THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG1.1 Giới thiệu chung các mạng di dộng

Điện thoại di động đã chứng tỏ là một trong những thành tựu nổi bật về công nghệ và thương mại trong những thập niên gần đây Kể từ khi có sự ra đời của điện thoại di động, vị trí của nó trong thị trường đã phát triển một cách chóng mặt từ một thiết bị sơ khai, một vật chuyên biệt, rồi trở thành một vật dụng thực sự cần thiết đối với việc giải trí và kinh doanh Qua hai thập kỷ gần đây, kết hợp với sự giảm đáng kể chi phí cho hoạt động và sự phát triển của những ứng dụng và dịch vụ mới lạ, sự tiến triển trong công nghệ di động

đã khẳng định một thị trường lớn mạnh

Sự tiến triển của công cuộc truyền thông di động có thể phân ra làm hai thế hệ phát triển Hiện tại, chúng ta sắp bước vào thế hệ thứ ba (3G) của những hệ thống di động Tổng quan mà nói, những hệ thống của thế hệ thứ nhất (1G) là mũi tên chỉ đường cho các thế hệ sau, và những hệ thống này dựa trên nền tảng công nghệ tương tự Đến những năm 1990, những hệ thống của thế hệ thứ hai (2G) ra đời dựa trên công nghệ kỹ thuật số Bên cạnh lĩnh vực viễn thông truyền giọng nói bằng kỹ thuật số, với sự góp mặt của những hệ thống 2G, một loạt các dịch vụ số mới với tốc độ truyền dữ liệu thấp đã trở nên phong phú và đa dạng, bao gồm “mobile fax” (chuyển fax di động), gửi thư giọng nói, và dịch vụ gửi tin nhanh (short message service – SMS) Những hệ thống của thế hệ thứ hai (2G) đồng nghĩa với sự toàn cầu hoá các

hệ thống di động Trong việc nhận ra tầm quan trọng của Internet và đồng thời là một bước tiến tiếp tới ngưỡng cửa của công nghệ thế hệ thứ ba (3G), giai đoạn phát triển cuối của loại mạng 2G đã cho ra đời những dịch vụ đa phương tiện di động Sự phát triển đầy kinh ngạc của Internet mô tả hoàn hảo

nhu cầu truy nhập vào các ứng dụng và dịch vụ băng rộng Những loại dịch

vụ này nằm ngoài khả năng của các hệ thống thuộc thế hệ 2G đương thời, là những dịch vụ mà chỉ cung cấp các dịch vụ thoại có tốc độ dữ liệu thấp Sự hội tụ của những công nghệ dựa trên các giao thức Internet và di động ngày nay là động lực chính cho sự phát triển của các hệ thống thuộc 3G Những hệ thống truyền thông di động 3G sẽ có khả năng phân phối các ứng dụng và dịch vụ với tốc độ dữ liệu lên tới và có thể vượt quá 2Mb/s Việc tiêu chuẩn hoá các hệ thống 3G thực hiên bởi Liên đoàn Viễn thông Quốc tế Trên phương diện toàn cầu, người ta sẽ nhìn nhận ra đây là hệ thống Viễn thông Di động Quốc tế 2000 (IMT- 2000) Ở châu Âu, hệ thống 3G này sẽ được coi là

Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu (UMTS) Cho dù thoại vẫn có thể là ứng dụng chiếm ưu thế trong mấy năm đầu của mạng hệ 3G, những cũng sẽ

có khả năng mạng vận hành những hệ thống với những ứng dụng đa phương tiện di động, chẳng hạn như điện thoại truyền hình ảnh, truy nhập file bằng ftp, tra cứu trang Web… Khi công nghệ 3G mở ra, những ứng dụng mới với băng thông rộng sẽ thâm nhập thị trường theo một khuynh hướng mà việc chuyển phát dữ liệu sẽ cho ra thông lượng lớn nhất

Tuy nhiên, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) vẫn chưa đáp ứng được tất cả nhu cầu của khách hàng cần sử dụng giao tiếp thông tin tốc

độ cao Do đó, đòi hỏi phải có sự ra đời của mạng di động thế hệ thứ tư (4G) Tốc độ dữ liệu di động trên 2Mb/s, và có khả năng lên tới 155Mb/s trong một

số môi trường nhất định, sẽ tiếp tục mở rộng các dịch vụ và ứng dụng trong khả năng phân phối

1.2 Hệ thống thông tin di động 2G

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) ra đời là một bước ngoặt trong lịch sử ngành truyền thông thế giới Từ sử dụng toàn bộ các thiết bị với

tín hiệu tương tự sang sử dụng toàn bộ các thiết bị với tín hiệu số đã giúp chất lượng mạng được cải thiện đáng kể.

Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là phải đảm bảo dịch vụ số liệu tốt hơn Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu: chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switched) và chuyển mạch gói (PS: Packet Switched)

Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch kênh đảm bảo:

- Dịch vụ bản tin ngắn – SMS

- Số liệu dị bộ cho tốc độ 14,4Kbps

- Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4Kbps

Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch gói đảm bảo:

BSS

BSC BTS

VLR ISDN

OMC

PLMN

PSTN

CSPDN

MS

BSC : Đài điều khiển trạm gốc

OMC : Trung tâm khai thác và bảo dưỡng

PSPDN : Mạng chuyển mạch gói công cộng

PSDN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

• Phân hệ vận hành và bảo dưỡng (OMS - Operation and Maintenance Subsystem) cung cấp các chức năng cần thiết cho toàn bộ hoạt động của mạng và cho việc thu nhận thông tin về hoạt động của hệ thống.

 Trạm di động (MS - Mobile Station)

MS là một đầu cuối di động, gồm 2 thiết bị: thiết bị di động ME (Mobile Equipment) và module nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module) SIM là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card hoặc còn gọi là card thông minh Không có SIM, MS không thể thâm nhập đến mạng trừ trường hợp gọi khẩn Khi liên kết đăng ký thuê bao với card SIM chứ không phải với MS

 Hệ thống trạm gốc (BSS - Base Station System)

BSS là một hệ thống đặc thù riêng cho tính chất tổ ong vô tuyến của GSM BSS giao tiếp trực tiếp với các trạm di động MS thông qua giao diện vô tuyến, vì thế nó bao gồm các thiết bị thu/phát đường vô tuyến và quản lý các chức năng này Mặt khác BSS thực hiện giao tiếp với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch SS Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS

BSS bao gồm hai loại thiết bị là: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC.

 Trạm thu phát gốc (BTS - Base Tranceiver Station)

Một BTS bao gồm các thiết bị thu/phát, anten và bộ xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến Có thể coi BTS là các Modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là

tế bào (cell)

Một bộ phận quan trọng của BTS là khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ (TRAU - Transcode/Rate Adapter Unit) TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại tiêu chuẩn (64 Kb/s) trước khi chuyển đến tổng đài TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng

có thể được đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC và MSC TRAU thường được điều khiển bởi BTS

 Bộ điều khiển trạm gốc (BSC - Base Station Controller)

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân hệ SS Trong thực tế, BSC được coi như là một tổng đài nhỏ,

có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chính của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện

A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện Abis

Các chức năng chính của BSC:

1 Quản lý mạng vô tuyến: việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và các kênh logic của chúng Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC

để đo đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường

vô tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại

2 Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS (số máy thu/phát TRX, tần số cho mỗi trạm ) Nhờ đó

mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi

3 Điều khiển nối thông các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy di động MS Trong quá trình gọi, sự đấu nối được BSC giám sát Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở máy

di động và TRX gửi đến BSC Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được chất lượng cuộc gọi tốt hơn Trong trường hợp chuyển giao sang cell của một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC Bên cạnh đó, BSC cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều

4 Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin Trong trường hợp có sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến

dự phòng

 Phân hệ chuyển mạch (SS - Switching Subsystem)

Phân hệ chuyển mạch (SS) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác

SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hay báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7, mạng này đảm bảo hoạt động tương tác giữa các phần

tử của SS trong một hay nhiều mạng GSM

Phân hệ chuyển mạch bao gồm:

 Trung tâm chuyển mạch di động (MSC - Mobile Switching Center)MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị

và ngoại ô có dân cư vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình) MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC

là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao của GSM, một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao tiếp với mạng ngoài qua G-MSC

 Bộ ghi định vị thường trú (HLR - Home Location Register)

HLR lưu giữ các số liệu cố định của thuê bao di động trong mạng như SIM, các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao Thường HLR là một máy tính đứng riêng, không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực thuê bao AUC

 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register)

Là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ của MSC Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC Ngay cả khi MS lưu động vào một vùng MSC mới VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR có thể coi VLR như một HLR phân bố VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC Nhưng khi thuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giá trị Vì vậy, có thể gọi HLR là hệ thống lưu giữ “ Hộ khẩu tạm trú ” của các thuê bao vãng lai.

 Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR - Equipment Identity Register):EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng di động quốc tế ( IMEI - International Mobile Equipment Identity ) và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị ME thuộc một trong ba danh sách sau:

- Nếu ME thuộc danh sách trắng ( White List ) thì nó được quyền truy nhập

 Trung tâm nhận thực (AUC – AUthentication Center)

Được nối đến HLR, chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần

số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật Đường vô tuyến cũng được AUC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông

tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép.

 Tổng đài di động cổng G-MSC:

Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM/PLMN sẽ được định tuyến cho tổng đài vô tuyến cổng Gateway-MSC Nếu một người nào đó ở mạng cố định PSTN muốn thực hiện một cuộc gọi đến một thuê bao di động của mạng GSM/PLMN Tổng đài tại PSTN sẽ kết nối cuộc gọi này đến MSC có trang bị một chức năng được gọi là chức năng cổng Tổng đài MSC này gọi là MSC cổng và nó có thể là một MSC bất kỳ ở mạng GSM G-MSC sẽ phải tìm ra vị trí của MS cần tìm Điều này được thực hiện bằng cách hỏi HLR nơi MS đăng

ký HLR sẽ trả lời, khi đó MSC này có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC cần thiết Khi cuộc gọi đến MSC này, VLR sẽ biết chi tiết hơn về vị trí của

MS Như vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM có sự khác biệt giữa thiết bị vật lý và đăng ký thuê bao

 Khối IWF:

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng GSM với các mạng này Các thích ứng này gọi là chức năng tương tác IWF IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở

OSS (Operation and Support System) thực hiện 3 chức năng chính:

- Khai thác và bảo dưỡng mạng

- Quản lý thuê bao và tính cước

- Quản lý thiết bị di động

 Khai thác và bảo dưỡng mạng:

Khai thác: Là hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai cell… Nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ

mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời nâng cấp Khai thác còn bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vẫn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời,

để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lai và mở rộng vùng phủ sóng ở hệ thống viễn thông hiện đại, khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm

Bảo dưỡng: Có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố và hỏng hóc, nó có một số quan hệ với khai thác Các thiết bị ở hệ thống viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số các sự cố hay dự báo sự cố thông qua kiểm tra Bảo dưỡng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố, cũng như việc sử dụng các phần mềm điều khiển từ xa

Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý của TMN (Telecommunication Management Network - Mạng quản lý viễn thông) Lúc này, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông (MSC, HLR, VLR, BSC, và các phần tử mạng khác trừ BTS) Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối tới máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người - máy Theo tiêu chuẩn GSM hệ thống này được gọi là trung tâm vận hành và bảo dưỡng (OMC - Operation and Maintenance Center)

 Quản lý thuê bao:

Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xoá thuê bao khỏi mạng Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung Nhà khai thác có thể thâm

nhập được các thông số nói trên Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác

là tính cước các cuộc gọi rồi gửi đến thuê bao Khi đó HLR, SIM-Card đóng vai trò như một bộ phận quản lý thuê bao

di động thế hệ thứ 3 (3G) Ưu điểm của các hệ thống này là tận dụng được cơ

sở vật chất sẵn có của mạng GSM, chỉ yêu cầu thay đổi rất ít để có thể khai thác được

1.3.1 Hệ thống GPRS

Một sự phát triển đầu tiên của hệ thống GSM để đạt được tốc độ bit thích hợp với các ứng dụng yêu cầu tốc độ bit trung bình là việc dựa trên nền GSM sẵn có và thêm một lớp trong thủ tục thông tin cho phép vận chuyển các

dữ liệu dạng gói với tốc độ bit khoảng 115 kbit/s và giữ nguyên kiểu (mode) chuyển mạch cho các tốc độ bit thấp khoảng chục kbit/s Hệ thống này có tên

là GPRS GPRS (General Packet Radio Service) là một hệ thống vô tuyến thuộc thế hệ 2,5G, nhưng vẫn là một hệ thống 2G nếu xét về mạng lõi Bằng việc sử dụng lại các tần số, khung truyền dẫn (frame) và các cơ sở vật chất sẵn có của mạng GSM, chỉ có duy nhất có thay đổi về phần mềm trong việc cài đặt hệ thống, giải pháp GPRS sử dụng là mode thông tin khác nhau

Chuẩn GPRS sử dụng khung truyền dẫn TDMA của chuẩn GSM Tùy theo số lượng bit thông tin cần tuyền đi, có thể một khe thời gian hoặc nhiều khe thời gian được sử dụng để chuyển các gói tin Do đó, ở kiểu chuyển mạch kênh được sử dụng để truyền thông tin có tốc độ bit thấp như tiếng nói và kiểu chuyển mạch gói để truyền thông tin tốc độ bit cao hơn như truyền các gói dữ liệu GPRS đã kết hợp các khe thời gian, tạo ra tốc độ bit cao hơn so với GSM GPRS cho phép tăng tốc độ truyền dữ liệu lên 8 lần nều sử dụng cả

8 khe thời gian của tần số sóng mang Tuy nhiên, GPRS vẫn dựa vào kỹ thuật điều chế GMSK nguyên thủy, do đó, vẫn hạn chế tốc độ truyền tin GPRS là nền tảng IP (Internet Protocol) cho mạng GSM và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), do đó nó được sử dụng cho các ứng dụng WAP (Wireless Application Protocol) và Internet

1.3.2 Hệ thống EDGE

Một giải pháp kỹ thuật khác để đạt được tốc độ bit tương thích với các ứng dụng truyền thông đa phương tiện tốc độ cao đó là giải pháp EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) Giải pháp này sử dụng lại các đặc trưng phổ của chuẩn GSM cho phép tốc độ bit đạt tới 384 kbit/s Chuẩn EDGE cho phép đạt được tốc độ bit này bằng việc kết hợp sử dụng phương thức điều chế pha 8-PSK (8–Phase Shift Keying) và sử dụng hay kết hợp nhiều khe thời gian trong quá trình truyền dẫn như trong mạng GPRS thay vì chỉ sử dụng khe thời gian như trong mạng GSM Bằng việc có thể sử dụng lại hầu hết các cơ sở vật chất của mạng GSM, giải pháp này cho phép giảm giá thành đầu tư Phương thức điều chế 8-PSK; có nghĩa là trong đó kết hợp 3 bits cho 1 ký hiệu sẽ tăng tốc độ bit lên 3 lần so với điều chế GMSK của chuẩn GSM với cùng một dải phổ chiếm dụng Tốc độ bit cơ sở chuyền từ 270 kbit/s lên tới 810 kbit/s hoặc tốc độ truyền số liệu 384 kbit/s cho chuẩn EDGE thay

vì 9,6 kbit/s cho chuẩn GSM Tuy nhiên hiệu suất công suất của phương thức điều chế 8-PSK trong mạng EDGE chỉ bằng 4/9 của phương thức điều chế GMSK trong mạng GSM Do đó công suất của máy phát EDGE phải lớn gấp đôi so với GSM, điều này sẽ ảnh hưởng tới việc chế tạo thiết bị đầu cuối và các trạm thu phát công suất nhỏ như Micro BTS, pico BTS Để khắc phục khó khăn về công suất của máy đầu cuối người ta đã đưa ra giải pháp trong đó máy đầu cuối ở đường lên sẽ phát tín hiệu sử dụng phương thức điều chế GMSK còn trạm thu phát vô tuyến gốc BTS sẽ phát ở đường xuống tín hiệu điều chế 8–PSK với lý do phần lớn các ứng dụng tốc độ cao đều nằm ở đường xuống (như truy cập internet, ứng dụng dịch vụ đa phương tiện), giải pháp này nhằm hạn chế tính phức tạp cho máy đầu cuối.

Hệ thống EDGE, tuy nhiên, vẫn dựa vào chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói và hạn chế tốc độ 384 kbit/s nên sẽ khó khăn cho việc ứng dụng các dịch vụ đòi hỏi việc chuyển mạch linh động hơn và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn (khoảng 2 Mbit/s) trong tương lai

1.4 Hệ thống thông tin di động 3G

Các dịch vụ vô tuyến di động thế hệ thứ 3 mới (3G) không tương ứng với một giao diện thông tin duy nhất và toàn cầu, mà tương ứng với sự kết hợp các hệ thống có nhiều giao diện với nhau Sự kết hợp này được gọi là IMT 2000 và nó kết hợp hệ thống UMTS (Universal Mobile Telephone System), hệ thống UWC–136 và CDMA 2000 ở Mỹ, các hệ thống đang trong quá trình nhiên cứu và phát triển đó là hệ thống CDMA 2000 tương ứng với

sự tiến triển của hệ thống IS – 95 và hệ thống UWC–136 là một tiến triển của IS–136 ở Châu Âu, các hệ thống đang được nghiên cứu và phát triển tương ứng với chuẩn UMTS Chuẩn UMTS và CDMA 2000 sử dụng phương pháp

truy cập theo mã CDMA, trong khi chuẩn UWC–136 dựa trên phương pháp truy cập theo thời gian TDMA.

Mục đích của các chuẩn này là cho phép các dịch vụ truyền thông tin

đa phương tiện tốc độ cao (điện thoại, dữ liệu và hình ảnh) qua mạng internet

và để mở ra một mạng thông tin chung trên toàn thế giới Các chuẩn 3G phải tương thích với các hệ thống 2G và 2G+ Do đó, kỹ thuật thông tin sử dụng băng tần kép hoặc đa băng sẽ được ứng dụng

 Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000:

 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

- Đường lên : 1882- 2025 MHz

- Đường xuống: 2110- 2200 MHz

 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thong tin vô tuyến:

- Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

- Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông

 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như sau:

- Các phương tiện tại nhà ảo (VHE – Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

- Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

- Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

Sự phát triển của hệ thống thông tin di dộng thế hệ 3 ngoài việc giải quyết các vấn đề mà hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2 chưa thực hiện được,

còn phải có khả năng đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của con người đối với khả năng truyền số liệu Vì vậy, hệ thống thông tin di dộng thế hệ 3 phải thực hiện được những mục tiêu cơ bản sau:

- Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu

- Có khả năng truyền tải đa phương tiện: Hệ thống thông tin di dộng trong tương lai truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là 2Mbps

- Tăng dịch vụ chuyển mạch gói: Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2 chỉ

có phương thức chuyển mạch kênh truyền thống, hiệu suất kênh tương đối thấp Trong khi đó, hệ thống thông tin di dộng thế hệ 3 tồn tại đồng thời cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

- Tăng phương thức truyền tải không đối xứng: Do dịch vụ số liệu mới như www có đặc tính không đối xứng, truyền tải đường lên thường chỉ cần vài nghìn bit/s, còn truyền tải đường xuống có thể cần vài trăm nghìn bit/s Trong khi đó, hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2 chỉ hỗ trợ dịch vụ đối xứng

- Khả năng tăng cường số liệu: Hệ thống thông tin di dộng trong tương lai

sẽ nâng cao khả năng truyền số liệu so với hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2

- Chất lượng truyền và chất lượng dịch vụ không thua kém mạng cố định:

Hệ thống thông tin di dộng trong tương lai cung cấp chất lượng truyền tải đạt đến hoặc gần đến chất lượng của hệ thống hữu tuyến, có thể cung cấp tốc độ truyền là 144Kbps cho người đi xe, 384Kbps cho người đi bộ và 2Mbps cho người sử dụng trong nhà

- Hiệu suất phổ tần cao hơn: ứng dụng nhiều kỹ thuật mới như điều khiển công suất nhanh, chuyển giao mềm, hệ thống anten thông minh… đã nâng cao hiệu suất phổ của hệ thống mới một cách hiệu quả

Hệ thống 3G WCDMA

UMTS là một hệ thống được lựa chọn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 UMTS được quản lý bởi liên đoàn viễn thông thế giới ITU trong khuôn khổ dự án IMT-2000 toàn cầu Năm 1998, dự án UMTS đă mở rộng đến các đối tác, các tổ chức ở Mỹ, Nhật và Hàn Quốc Dự án này có tên

là 3GPP (Third Generation Group Project Partnership) Mục đích của UMTS

là để phát triển vùng phủ sóng tốt nhất, tăng số lượng thuê bao, cải tiến sự hội

tụ giữa điện thoại cố định và di động và xúc tiến việc hoàn thành dịch vụ 3G UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) là giao diện vô tuyến của UMTS UTRA có 2 kiểu hay phương thức đa truy cập: truy cập theo mã băng rộng W- CDMA (Wide Band Code Division Multiple Access) dành cho chế độ FDD và phương pháp phân bố theo mã trong miền thời gian TD-CDMA (Time Division Code Division Multiple Access) cho ché độ TDD Phương thức điều chế được sử dụng cho mỗi kênh là QPSK Tùy theo nhu cầu sử dụng phổ và tốc độ bit truyền, hệ số trải phổ sẽ thay đổi cho phù hợp Kỹ thuật điều chế và trải phổ được kết hợp gọi là HPSK

Tốc độ bit dữ liệu thay đổi tùy theo vận tốc di chuyển và hệ thống UMTS hoạt động theo phương thức truyền dẫn không đồng bộ Tốc độ dữ liệu thay đổi và hệ thống cho phép giảm các ảnh hưởng của fading trong kênh

vô tuyến

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một công nghệ truy nhập vô tuyến được phát triển mạnh ở châu Âu Hệ thống này hoạt động ở chế độ FDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS-Direct Sequence Spread Spectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84 Mcps bên trong băng tần 5MHz Băng tần rộng hơn và tốc độ trải phổ cao làm tăng độ lợi xử lý và

một giải pháp thu đa đường tốt hơn, đó là đặc điểm quyết định để chuẩn bị băng tần cho IMT-2000.

WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả các dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời của các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói hoạt động ở mức hiệu quả nhất Hơn thế, WCDMA hỗ trợ các tốc độ số liệu của người sử dụng có tính thay đổi cao, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ, trong đó tỷ lệ dung lượng số liệu giữa những người sử dụng

có thể thay đổi từ khung này qua khung khác

Chuẩn WCDMA hiện thời sử dụng phương pháp điều chế QPSK, một phương pháp điều chế tốt hơn 8-PSK nhiều, cung cấp tốc độ số liệu đỉnh là 2Mbps với chất lượng truyền tốt trong vùng phủ rộng

WCDMA là công nghệ truyền dẫn vô tuyến mới với mạng truy nhập vô tuyến mới, được gọi là UTRAN, bao gồm các phần tử mạng mới như RNC (Radio Network Controller) và NodeB (tên gọi trạm gốc mới trong UMTS)

Hình 1.2: Kiến trúc mạng 3G WCDMA

Kiến trúc mạng 3G WCDMA gồm:

Thiết bị người sử dụng bao gồm thiết bị di động (ME) và Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) USIM là một vi mạch chứa thông tin liên quan đến thuê bao cùng với khóa an toàn Giao diện giữa UE và mạng là giao diện

Uu

Mạng truy nhập chứa các phần tử sau:

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC – Radio Network Controller): đóng vai trò như BSC ở mạng thông tin di động GSM

- Nút B (NB – Node B): đóng vai trò như các trạm BTS ở mạng thông tin

di động GSM

Theo quy định của 3GPP, trạm gốc được gọi là nút B Nút B được nối đến bộ điều khiển mạng vô tuyến – RNC RNC điều khiển tài nguyên vô tuyến của các nút B Giao diện giữa nút B và RNC là giao diện Iub Khác với giao diện Abis tương đương của GSM, giao diện Iub được tiêu chuẩn hóa hoàn toàn và để mở, vì thế nó có thể kết nối nút B của nhà sản xuất này với RNC của một nhà sản xuất khác.

Khác với ở GSM là các BSC không nối với nhau, mạng truy nhập vô tuyến của 3G WCDMA có cả các giao diện giữa các RNC Mục đích của giao diện này là hỗ trợ tính di động giữa các RNC và chuyển giao giữa các nút B nối đến các RNC

Mạng lõi CN thực hiện khả năng hỗ trợ cho cả các dịch vụ viễn thông chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tới các thuê bao di động Các dịch vụ viễn thông này bao gồm cả các dịch vụ cơ bản và các dịch vụ mới Các dịch

vụ chuyển mạch kênh cơ bản bao gồm việc chuyển mạch kênh cho các cuộc gọi thoại và dữ liệu, các chức năng điều khiển cuộc gọi để hỗ trợ các cuộc gọi chuyển mạch kênh điểm-điểm cơ bản Các dịch vụ chuyển mạch gói cơ bản bao gồm việc định tuyến và vận chuyển các gói IP của người dùng Các dịch

vụ mới, được đề cập chung như là các dịch vụ bổ sung hay là các dịch vụ được thêm vào, bao gồm bất cứ dịch vụ nào cung cấp các hữu ích ngoài các dịch vụ cơ bản Ví dụ như các dịch vụ chuyển mạch kênh mới bao gồm các cuộc gọi trả trước, các cuộc gọi miễn thuế, cuộc gọi chuyển tiếp (ví dụ chuyển tiếp một cuộc gọi thoại này đến một cuộc gọi thoại khác hay đến một hòm thư)… Các dịch vụ chuyển mạch gói mới có thể bao gồm tất cả các dịch vụ hay tất cả các ứng dụng trên nền mạng IP ngoại trừ sự vận chuyển gói đơn giản Một vài ứng dụng là dịch vụ thư điện tử, World-Wide-Web, các dịch vụ

dựa vào sự phân vùng, các dịch vụ nhắn tin đa phương tiện, chò trơi trên mạng và dịch vụ thương mại điện tử.

Mạng lõi CN được chia thành các khối chức năng như sau:

1 Vùng chuyển mạch kênh (CS)

2 Vùng chuyển mạch gói (PS)

3 Phân hệ đa phương tiện IP (IMS)

4 Các bộ dịch vụ thông tin

 Vùng chuyển mạch kênh trong mạng lõi

Vùng CS bao gồm tất cả các thực thể mạng lõi để cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu chuyển mạch kênh cho các thuê bao di động Vùng chuyển mạch kênh trong mạng lõi được xây dựng dựa trên các kỹ thuật của mạng lõi GSM

Các thực thể mạng chính của nó là:

- Tổng đài di động cổng Gateway MSC

- Cổng Gateway MSC

- Bộ ghi định vị tạm trú VLR

- Bộ phục vụ thuê bao thường trú HSS

- Bộ ghi nhận thực thiết bị EIR và Trung tâm nhận thực AuC

MSC đóng vai trò chuyển mạch và các chức năng điều khiển cuộc gọi cần thiết để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cơ bản cho các đầu cuối

di động Mặt khác, nó cũng giữ chức năng quản lý di động, bao gồm các chức năng đăng ký vị trí và handoff cho các đầu cuối di động MSC liên kết các RAN tới vùng CS trong mạng lõi Một MSC có thể nối với nhiều BSS trong GSM hay với nhiều RNS trong UTRAN

Một MSC riêng biệt được gọi là Gateway MSC (GMSC) có thể được

sử dụng để kết nối với các mạng chuyển mạch kênh bên ngoài Một GMSC có

trách nhiệm trong việc định tuyến cuộc gọi chuyển mạch kênh tới các đích cuối cùng của nó trong các mạng bên ngoài Các chức năng chuyển mạch và điều khiển cuộc gọi của một GMSC có thể cũng được tách ra và được thực hiện trên các thực thể mạng riêng biệt: CS-MGW cho việc chuyển mạch và điều khiển phương tiện và một GMSC Server cho việc điều khiển cuộc gọi.Một VLR duy trì vị trí và dịch vụ thu thập thông tin cho các di động tạm trú tạm thời trong khi chúng ở bên trong phần được điều khiển bởi VLR của mạng Nó theo dõi vị trí của một di động tạm trú và báo tin cho HLR của di động tạm trú về vị trí hiện tại của di động Nó khôi phục dịch vụ thu thập thông tin của một di động tạm trú từ HLR của di động đó, duy trì một bản sao thông tin trong khi di động tạm trú ở bên trong phần được điều khiển bởi VLR của mạng và sử dụng thông tin để cung cấp dịch vụ điều khiển cho di động tạm trú.

Một VLR nói chung được hòa nhập với mỗi MSC bởi vì không có một giao diện chuẩn mở nào được xác định giữa một MSC và một VLR Giao thức MAP (Mobile Application Part) được sử dụng trong việc báo hiệu giữa một VLR và một HLR

 Vùng chuyển mạch gói trong mạng lõi

Vùng PS CN cung cấp các chức năng chính dưới đây để hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói:

- Điều khiển truy nhập mạng: xác định những thuê bao di động nào được cho phép để sử dụng vùng PS Các chức năng này bao gồm việc đăng ký, việc nhận thực và việc uỷ quyền, điều khiển sự cho phép, việc chọn lọc tin nhắn, và thu thập dữ liệu sử dụng

- Định tuyến và vận chuyển gói: địng tuyến các gói tin người dùng đến các đích của chúng hoặc trong cùng một PLMN hoặc trong các mạng bên ngoài.

- Quản lý di động: Cung cấp các chức năng quản lý di động ở lớp mạng Các chức năng này bao gồm việc theo dõi các vị trí của các đầu cuối di động, đánh dấu thời điểm bắt đầu để xác định vị trí chính xác của một di động cụ thể khi mạng có dữ liệu để gửi cho di động,

và duy trì cập nhật mạng lõi định tuyến tới di động khi chúng di chuyển

Vùng PS được xây dựng trên nền mạng GPRS Như trong GPRS, vùng

PS CN 3GPP bao gồm hai loại nút mạng chính: Serving GPRS Support Node (SGSN) và Gateway GPRS Support Node (GGSN)

Một SGSN liên kết một hay nhiều RAN tới một PS CN

Một GGSN phục vụ như là giao diện giữa vùng PS CN và mạng gói khác (ví dụ như Internet, intranet, phân hệ đa phương tiện IP 3GPP) Một GGSN có thể được sử dụng để hỗ trợ cho cả các GERAN và các UTRAN

HSS, EIR và AuC được chia sẻ bởi các vùng PS và CS

Bộ phục vụ thuê bao thường trú (HSS): HSS là cơ sở dữ liệu logic chính gốc trong một PLMN để duy trì cho mạng thu thập thông tin của người dùng để điều khiển các dịch vụ mạng cung cấp cho người sử dụng Thành phần chính của HSS là bộ ghi định vị thường trú (HLR), HLR để duy trì các đặc điểm của người sử dụng, các vị trí, và các dịch vụ thu thập thông tin

Trung tâm nhận thực (AuC): AuC là một thực thể logic để duy trì thông tin cần thiết cho mạng để nhận thực mỗi người dùng và để m• hoá thông tin

thông qua đường vô tuyến Các thực thể mạng truy nhập vào AuC thông qua HSS Điều này sẽ loại bỏ sự cần thiết phải xác định các giao diện riêng giữa AuC và mỗi thực thể mạng, cần thiết cho việc truy nhập vào AuC.

Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR): EIR là một thực thể logic để duy trì các IMEI của các thuê bao

Mạng 3G tạo ra bước tiến triển lớn trong sự phát triển của thông tin di động cá nhân Trên thực tế, mạng 3G có khả năng hỗ trợ loại hình dịch vụ internet di động đa phương tiện với chất lượng dịch vụ cải thiện đáng kể so với các hệ thống 2G và 2,5G

1.5 Hướng tới hệ thống thông tin di động 4G

Cùng với sự hoàn thiện của rất nhiều khía cạnh của chuẩn hoá những

hệ thống 3G, giờ đây mọi hướng tập trung đổ dồn về việc xác định và chuẩn hoá của các công nghệ 4G Sự ảnh hưởng của Internet sẽ có một tầm ý nghĩa quan trọng về các khả năng của 4G, khi các nhà vận hành khai thác mạng tiến thẳng tới một môi trường IP toàn bộ Khi 3G thực sự có thể chứng minh đ• mang lại sự hội tụ của các công nghệ mobile và Internet, 4G sẽ báo trước sự hội tụ của các công nghệ cố định, quảng bá, và di động UMTS với quảng bá hình ảnh số (DVB) và quảng bá âm thanh số (DAB) là một lĩnh vực cho sự phân tích tiếp theo Một giải pháp như vậy có thể tạo phép cho truyền hình chất lượng quảng bá có thể chẳng hạn như được phát thẳng tới người sử dụng mobile Đó là trong một môi trường mà tế bào, vô tuyến điện, WLL, và vệ tinh sẽ kết hợp để mở ra những khả năng mới cho lĩnh vực viễn thông

Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động

Hình 1.3: Lộ trình phát triển của các hệ thống thống tin di động

Kết luận chương:

Sự tiến triển của các mạng di động có thể phân ra nhiều thế hệ phát triển Hiện tại, các mạng di động ở Việ Nam đang ở thế hệ 2G hoặc 2,5G và sắp bước vào thế hệ thứ ba (3G) Sự hội tụ của những công nghệ dựa trên các giao thức Internet và di động ngày nay là động lực chính cho sự phát triển của các hệ thống thuộc 3G Những hệ thống truyền thông di động 3G sẽ có khả năng phân phối các ứng dụng và dịch vụ với tốc độ dữ liệu lên tới và có thể vượt quá 2Mb/s

Chương 2: GIẢI PHÁP CHUYỂN MẠCH MỀM TRONG

Chuyển mạch mềm - softswitch - xuất hiện lần đầu tiên vào khoảng năm 1995 Theo định nghĩa chung nhất hiện nay, chuyển mạch mềm được định nghĩa là một giải pháp chuyển mạch dựa trên phần mềm mà chạy trên phần cứng chuẩn để bổ sung hoặc thay thế các chức năng của chuyển mạch điện thoại TDM truyền thống Chuyển mạch mềm là một thuật ngữ tổng quát cho bất kỳ phần mềm giao diện chương trình ứng dụng chuẩn mở nào được sử dụng để làm cầu nối giữa các mạng PSTN và IP bằng cách tách biệt chức năng điều khiển cuộc gọi, cung cấp dịch vụ với chức năng chuyển mạch

Theo Nortel, Softswitch là một thành tố quan trọng nhất của mạng thế

hệ mới (NGN – Next Generation Network) Softswitch là một phần mềm theo

mô hình mở có thể thực hiện được những chức năng thông tin phân tán trên một môi trường máy tính mở và có những tính năng của mạng chuyển mạch thoại TDM truyền thống Chuyển mạch mềm có thể tích hợp thông tin thoại,

số liệu và video, nó có thể phiên dịch giao thức giữa các mạng khác nhau ví

dụ như giữa mạng vô tuyến và mạng cáp Softswitch cũng cho phép triển khai các dịch vụ VoIP mang lại lợi nhuận

Theo MobileIN, Softswitch là ý tưởng về việc tách phần cứng mạng ra khỏi phần mềm mạng Trong mạng chuyển mạch kênh truyền thống, phần cứng và phần mềm không độc lập với nhau Mạng chuyển mạch kênh dựa trên những thiết bị chuyên dụng cho việc kết nối và được thiết kế với mục đích phục vụ thông tin thoại Những mạng dựa trên chuyển mạch gói hiệu quả hơn thì sử dụng giao thức Internet (IP) để định tuyến thông tin thoại và số liệu qua các con đường khác nhau và qua các 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)

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.

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.

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

Application

Application Service Capability Servers

EDGE

GSM

User Data

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

• Tiết kiệm trong xây dựng và vận

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

Hình 2.5: So sánh cấu trúc MSC truyền thống và giải pháp MSS

MSC truyền thống ( Control and Switching )

Mobile Media Gateway ( Switching )

Mobile Softswitch Solution

Cấu trúc phân lớp

IP/ATM/TDM

Control Layer Connectivity Layer

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

IP

Control Layer Connectivity Layer

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 2.7: 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