Tính toán thiết kế mạng lõi 3g

1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Xuân Bách TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠNG LÕI 3G Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI -2012 1 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bạch Nhật Hồng Phản biện 1: ………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc :…. giờ …. ngày …. tháng …. năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Mạng UMTS bao gồm hai phần, phần mạng lõi (Core Network) và phần mạng truy nhập (RAN- Radio Access Network). Mạng lõi CN liên quan đến vấn đề chuyển mạch và định tuyến lưu lượng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, phần mạng truy nhập liên quan đến vấn đề cung cấp tài nguyên vô tuyến và điều khiển truy nhập vô tuyến. Phần mạng lõi CN đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định năng lực phục vụ cũng như khả năng nâng cấp mạng. Tất cả các nhu cầu xuất phát từ phần mạng truy nhập đều phải thông qua xử lý của phần mạng lõi, và bất cứ những sự thay đổi nào từ phần RAN cũng đều dựa trên khả năng phục vụ của phần CN. Vì vậy việc nghiên cứu tính toán dung lượng mạng lõi CN là hết sức quan trọng. Đề tài “Tính toán thiết kế mạng lõi 3G” sẽ trình bày chi tiết các thuật toán để định cỡ miền chuyển mạch gói của mạng UMTS. Sự phân tích dựa vào lưu lượng và thông lượng dữ liệu được tạo ra trên các giao diện của các thực thể mạng trong mạng UMTS. phục vụ cho quá trình vận hành khai thác cũng như phát triển nâng cấp hệ thống mạng lõi 3G đảm bảo phục vụ kịp thời nhu cầu đang tăng nhanh của người sử dụng. 2 CHƯƠNG I – TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động và giới thiệu hệ thống thông tin IMT-2000 1.1.1 Lịch sử phát triển Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba, 3G ra đời với mục tiêu là thực hiện một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới. Khác với các dịch vụ được cung cấp bởi những hệ thống thông tin di động hiện nay chủ yếu là thoại (công nghệ tương tự là đặc trưng hệ thống thế hệ thứ nhất, công nghệ số là đặc trưng của hệ thống thế hệ thứ 2), hệ thống 3G nhằm vào các dịch vụ băng rộng như truy nhập Internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lượng cao tương đương mạng hữu tuyến 1.1.2 Hệ thống thông tin di động 3G theo IMT-2000 1.2 Nâng cấp từ CDMA IS-95 (cdmaOne) lên 3G 1.3 Hướng phát triển theo nhánh WCDMA từ GSM Các mạng WCDMA mới được xây dựng trên sự thành công của GSM và tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của những nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển về dịch vụ và mạng là từ mạng GSM hiện nay, qua giai đoạn phát triển GPRS và cuối cùng tiến lên mạng WCDMA. 1.3.1 GPRS GPRS là hệ thống 2.5G được nâng cấp từ GSM chủ yếu về mạng lõi theo nguyên tắc chuyển mạch gói. GPRS tăng cường các dịch vụ số liệu của GSM một cách đáng kể bằng cách cung cấp các kết nối dữ liệu chuyển mạch gói đầu cuối đến đầu cuối, cho tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 171,.2 kbps và hỗ trợ các giao thức Internet TCP/IP và X.25. 1.3.2 EDGE Để tiếp tục tối ưu hoá hệ thống GSM của mình, nhà khai thác có thể sử dụng công nghệ EDGE. EDGE là một một bước phát triển cao hơn của GPRS nhằm tiếp cận gần 3 hơn với yêu cầu của 3G, nó có thể triển khai trên phổ tần sẵn có của các nhà khai thác TDMA và GSM. So với GPRS, EDGE tập trung vào các cải thiện phần truy nhập vô tuyến bằng cách sử dụng các phương thức điều chế mức cao và một số kỹ thuật mã hoá tiên tiến khác. Nhờ vậy tốc độ dữ liệu tối đa của người sử dụng trên một sóng mang 200 kHz có thể đạt được là 473,6 kbps. 1.3.3 WCDMA Điều kiện trển khai là nhu cầu dịch vụ dữ liệu chiếm phần lớn trong lưu lượng. Để triển khai mạng một cách nhanh chóng và hiệu quả, hệ thống phải tương thích ngược với mạng lõi GSM-MAP của GSM. Chung hệ thống báo hiệu, đầu cuối di động có thể chuyển vùng với hệ thống GSM hiện có. Điều này đòi hỏi phải có máy cầm tay hai chế độ GSM/GPRS hoặc GSM/GPRS/WCDMA. 1.4 Hướng phát triển tiếp theo của WCDMA Tổ chức 3GPP thực hiện chuẩn hoá cho nhánh công nghệ WCDMA. Tính đến thời điểm hiện nay, lộ trình chuẩn hóa các tính năng của mạng di động theo cấu trúc NGN của 3GPP được liệt kê dưới đây: R99: Hoàn thành vào tháng 12/2000. R4: phần gói với GGSN và SGSN vẫn giữ nguyên R5,6: đây là giải pháp sử dụng mạng lõi hướng tới toàn IP, R7,8: Giới thiệu HSPA +, áp dụng công nghệ MIMO, nâng cao tốc độ download và upload. LTE (Long Term evolution) Nhìn vào lộ trình chuẩn hóa IMS của 3GPP, chúng ta có thể thấy: HSDPA bắt đầu được chuẩn hóa từ phiên bản Release 5 (hoàn thành từ giữa năm 2002). Tiếp theo phiên bản Release 5 tính đến thời điểm hiện nay đã có 4 phiên bản được chuẩn hóa. Phiên bản Release 6 giới thiệu HSUPA và bổ sung thêm một số tính năng dịch vụ IMS và hoàn thiện một số tính năng (về tính cước, chất lượng dịch vụ…) của phiên bản Release 5. Đặc trưng cơ bản đối với phiên bản Release 7 của 3GPP là chuẩn hóa tính năng hỗ trợ truy nhập với mạng băng rộng cố định. 4 1.4.1 HSDPA 1.4.2 HSUPA 1.4.3 HSPA+ Tổng kết chương: Chương này đã trình bày quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, cho ta cái nhìn khái quát về các giai đoạn phát triển của hệ thống thông tin đi động và xu hướng phát triển trong giai đoạn tới, trong đó tập trung trình bày sự phát triển từ mạng 2G lên mạng 3G. 5 CHƯƠNG II – KIẾN TRÚC MẠNG LÕI UMTS Chương 1 đã trình bày quá trình phát triển của mạng 2G lên mạng 3G. Trong chương này sẽ trình bày kiến trúc của mạng lõi 3G UMTS. Miền chuyển mạch gói của mạng UMTS thế hệ thứ 3 phục vụ tất cả các dịch vụ liên quan đến dữ liệu gói cho thuê bao di động. 2.1 Kiến trúc mạng lõi UMTS Miền chuyển mạch gói (PS) và miền chuyển mạch kênh (CS) bao gồm mạng lõi (CN) của hệ thống 2G (GSM) và hệ thống mạng 3G (UMTS). Ở phiên bản R99, phiên bản đầu tiên của mạng 3G UMTS, miền mạng lõi CN có cùng các thực thể mạng và kiến trúc mạng với pha GSM. Tuy nhiên, ở phiên bản R4, phiên bản thứ 2 của mạng UMTS có sự thay đổi ở miền chuyển mạch kênh, ở đó hỗ trợ chế độ kênh mang tách biệt khỏi kênh điều khiển. Khi đó mạng CN sẽ hỗ trợ nhiều phương dạng kênh mang như ATM/IP/TDM. Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng mạng lõi UMTS Theo các chuẩn 3GPP TS23.060, 3GPP TS24.008, 3GPP TS23.002, miền chuyển mạch gói về mặt vật lý bao gồm SGSN, GGSN và Charging Gateway. Theo các chuẩn 3GPP TS29.060 và 3GPP TS29.061, SGSN chịu trách nhiệm phân phối gói dữ 6 liệu từ và đến MS nằm trong vùng quản lý của nó. Nhiệm vụ của nó bao gồm việc định tuyến và chuyển tải gói tin, quản lý di động (quản lý nhập mạng/rời mạng và quản lý vị trí), quản lý liên kết logic, và chức năng nhận thực, tính cước. Các giao diện của nó bao gồm Iu-Ps là giao diện kết nối tới RNC, giao diện Gn/Gp giao diện với GGSN, giao diện Gr với HLR, giao diện Gs với MSC server hay MSC, giao diện Gd với SMC (Short Message Center) và giao diện Ga với Charging Gateway. GGSN là một cổng kết nối giữa mạng UMTS PS/GPRS và các mạng dữ liệu bên ngoài (ví dụ: Internet). Nó thực hiện các chức năng như định tuyến và đóng gói dữ liệu giữa MS và mạng dữ liệu ngoài, điều khiển an ninh, điều khiển truy nhập và quản lý mạng. Đối với phía UMTS PS/GPRS một MS sẽ lựa chọn một GGSN như một thiết bị định tuyến giữa nó với mạng ngoài trong tiến trình kích hoạt ngữ cảnh giao thức dữ liệu gói PDP mà trong đó bộ APN (Access Point Name) sẽ xác định điểm truy nhập tới mạng dữ liệu gói đích. Đối với phía mạng dữ liệu gói bên ngoài GGSN là một bộ định tuyến mà có thể xác định được địa chỉ IP của tất cả MS trong mạng UMTS PS/GPRS. GGSN cung cấp giao diện Gc để kết nối với HLR, giao diện Gn/Gp với SGSN, giao diện Gi với các mạng dữ liệu ngoài, và giao diện Ga với Charging Gateway(CG). Charging Gateway là một khối tính cước cho miền chuyển mạch gói. Đôi khi kết hợp với SGSN thực hiện chức năng thu thập, kết hợp, lọc và lưu trữ chi tiết cuộc gọi Call Detail Record (CDR) xuất phát từ SGSN và giao tiếp với trung tâm tính cước để chuyển CDR đã được xắp sếp tới trung tâm tính cước. HLR chịu trách nhiệm lưu trữ, cập nhật, sửa đổi, hay xóa thông tin thuê bao, kiểm soát thông tin đăng ký dịch vụ cơ bản, dịch vụ bổ xung, và thông tin vị trí của các thuê bao. Ngoài ra nó còn thực hiện chức năng quản lý an ninh thuê bao. Đứng ở phương diện vật lý HLR cung cấp giao diện D để kết nối với VLR trong MSC server, giao diện C để kết nối với MSC server hoặc MSC trong mạng lõi GSM, giao diện Gr với SGSN, giao diện Gc với GGSN. Loại báo hiệu được phân phối đi và đến HLR là Mobile Aplication Part (MAP). Trong miền chuyển mạch kênh của UMTS, MSC server là một thực thể chức năng làm nhiệm vụ thiết lập dịch vụ cuộc gọi, quản lý di động, chuyển giao và các 7 dịch vụ bổ xung khác. Theo nguyên lý tách riêng chức năng điều khiển khỏi kênh mang trong mạng lõi UMTS, nó thực sự là một bộ điều khiển cho MGW để thiết lập các hướng cuộc gọi giữa các MS thông qua giao diện Mc. MSC server về mặt vật lý cũng tích hợp một VLR để lưu giữ dữ liệu của thuê bao. MSC server cung cấp một giao diện tùy chọn Gs với SGSN. Tổng kết chương: Chương này đã trình bày chi tiêt kiến trúc mạng lõi 3G UMTS, trong đó giới thiệu sơ đồ cấu trúc tổng quát của mạng lõi cũng như các phần tử mạng liên quan qua các Release sơ khai cho tới Release gần đây đang được các nhà khai thác sử dụng. 8 CHƯƠNG III - TOÁN TÍNH TOÁN THÔNG LƯỢNG TRÊN CÁC GIAO DIỆN CỦA MẠNG LÕI GÓI UMTS Chương này trình bày chi tiết về các giao thức trên các giao diện trong miền chuyển mạch gói, cấu trúc bản tin và các tham số liên quan, từ đó tính toán được thông lượng trên các giao diện kết nối giứa các phần tử mạng trong miền chuyển mạch gói 3G UMTS. Do giao diện Iu-PS mới được định nghĩa trong mạng lõi UMTS so với các giao diện khác nên phần này sẽ trình bày thuật toán tính toán thông lượng cho giao diện Iu-PS trước tiên. Thuật toán thông lượng cho các giao diện khác như là Gn, Gi, Gs và Gr do chúng đã hình thành trong mạng GPRS nên chúng sẽ được trình bày dựa trên một quy tắc chung: lưu lượng tổng (Erlang hoặc kích cỡ bản tin), tỉ lệ lưu lượng theo thời gian để tính toán sự phân phối lưu lượng cho mỗi thực thể mạng và mỗi liên kết mạng. 3.1 Giao diện Iu-PS Giao diện Iu-PS là giao diện giữa bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và node hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) và giao diện Iu-CS giữa RNC và MGW tạo thành giao diện Iu. 3.1.1 Kích thước mào đầu của GTP-U Mào đầu của giao thức GTP-U có độ dài thay đổi, nhỏ nhất là 8 tytes. Như trong Bảng 8 ta có Octet 1 gồm 3 cờ là cờ PN, cờ S và cờ E. Độ dài tối đa của mào đầu của giao thức GTP-U là 12 Octet, nó sẽ được áp dụng trong quá trình tính toán của chúng ta sau này. 3.1.2 Kích thước mào đầu của giao diện Iu-UP trong công thức thông lượng ở mặt phẳng người dùng: Chúng ta sẽ đề cập chính tới chế độ Support mode trong quá trình tính toán do chế độ này phức tạp hơn chế độ transparent mode. Có một số kiểu đơn vị dữ liệu gói PDU được định nghĩa cho giao thức Iu-UP là loại 0, loại 1 và loại 14 là các kiểu điển hình của định dạng PDU. [...]... sở lý thuyết và các phương thức tính toán đã trình bày ở các chương trước ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể Tính toán dung lượng và khả năng phục vụ của mạng dựa trên sơ đồ phủ sóng 3G UMTS Hình 4.1 Giả sử thiết kế cung cấp 1 SGSN và 1 GGSN để phục vụ 100000 thuê bao 3G UMTS trong vùng trung tâm Hà Nội Hình 4.1 Sơ đồ phủ sóng mạng 3G UMTS Hình 4.2 Mô hình rút gọn mạng chuyển mạch gói Bảng 4.1 - Mô... 100000*75%*25%*(600*3/4)*1.035*8 = 69.87 Mbps 22 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu tìm hiểu tôi đã hoàn thành luận văn Tính toán thiết kế mạng lõi 3G Luận văn gồm 4 chương: Chương 1, cho ta cái nhìn xuyên suốt về quá trình phát triển của mạng thông tin di động Chương 2, trình bày kiến trúc mạng lõi 3G UMTS, trong đó giới thiệu sơ đồ cấu trúc tổng quát của mạng lõi cũng như các phần tử mạng liên quan qua các Release... bản tin và các tham số liên quan, từ đó tính toán được thông lượng trên các giao diện kết nối giứa các phần tử mạng trong miền chuyển mạch gói 3G UMTS Từ cơ sở lý thuyết và các phương thức tính toán đã trình bày ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể trong chương 4, với mô hình mạng cụ thể và các tham số mạng được cung cấp bởi nhà vận hành mạng Mobifone Việc tính toán này giúp các nhà vận hành khai thác... hành khai thác độc lập trong quá trình triển khai đầu tư thiết kế vận hành mạng để tối ưu chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX) Mô hình và các thuật toán cũng giúp nhà khai thác ước tính tổng dung lượng cần thiết độc lập với nhà cung cấp thiết bị Hiện nay mạng viễn thông đang chuyển dần từ 3G UMTS lên 4G LTE (Long Term Evolution) Mạng chuyển mạch gói sẽ hình thành hệ thống đa phương tiện... 3.2.1 Công thức tính toán thông lượng gói GTP-U trên giao diện Gn/Gp : Khi định cỡ thông lượng trên giao diện Gn/Gp, nhà vận hành mạng sẽ ước tính các tham số dựa trên mô hình lưu lượng như số thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ chuyển mạch gói 3G, tỉ lệ thuê bao nhập mạng, và tỉ lệ thuê bao đã nhập mạng đồng thời kích hoạt ngữ cảnh giao thức dữ liệu gói (PDP) Tỉ lệ mào đầu cũng được tính toán tương tự... tin nhỏ và ít sử dụng nên nó không đề cập trong quá trình tính toán trên mặt phẳng giao diện này Nếu các bản tin này được yêu cầu bởi nhà vận hành mạng và các tham số hệ thống của họ khó đánh giá được thì người ta thêm vào công thức (3.4) một tham số dự phòng trong quá trình tính toán 3.1.6 Tổng lưu lượng trên giao diện Iu-PS Dựa vào kết quả tính toán của 3 phần trên, tổng lưu lượng trên giao diện Iu-PS... thêm vào công thức tính toán tham số dự phòng Khi tính toán ta tính xấp xỉ thông lượng trên giao diện Gi do chúng ta giả thiết không có đóng gói VPN trong gói dữ liệu nguồn Do đó kết quả của tỉ lệ mào đầu trong công thức (3.12) có thể nhỏ hơn giá trị thực tế Một giá trị tỉ lệ mào đầu nhỏ hơn dẫn đến thông lượng trên giao diện Gi trong công thức (3.13) cũng nhỏ hơn 17 CHƯƠNG IV - BÀI TOÁN CỤ THỂ Từ cơ... là 4 octets Do đó chúng ta sẽ sử dụng mào đầu có kích thước 4 octets cho những phân tích, tính toán sau này 3.1.3 Tính toán thông lượng của mặt phẳng người dùng trên giao diện Iu-PS Các gói dữ liệu gửi qua giao diện Iu-PS sử dụng giao thức ATM Do đó để tính toán thông lượng trên giao diện Iu-PS đầu tiên ta phải tính xem cần bao nhiêu tế bào ATM để truyền tải gói tin Kích thước gói tổng bao gồm trung... có các công thức tính toán thông lượng cho các giao diện Iu-PS, Gn/Gp, Gr, Gs, và Gi trong mạng chuyển mạch gói UMTS Một số giao diện khác như Gc và Gb không được đề cập do nó được cấu hình một cách tùy chọn trong mạng chuyển mạch gói UMTS Việc có cấu hình giao diện Gd kết nối với trung tâm tin nhắn hay không phụ thuộc vào yêu cầu của nhà vận hành khai thác Trong quá trình tính toán thông lượng ở mặt... mào đầu của gói IP HAAL5 : giá trị mào đầu của gói AAL5 HATM : giá trị mào đầu của tế bào ATM Khi tính toán cho mạng chuyển mạch gói, các nhà vận hành mạng sẽ ước tính một số các tham số lưu lượng quan trọng liên quan đến mô hình lưu lượng, như là kích thước trung bình của gói tin, số lượng thuê bao ước tính, tỉ lệ người dùng truy cập trong giờ bận, thông lượng trung bình trên một người dùng trong giờ . nghiên cứu tính toán dung lượng mạng lõi CN là hết sức quan trọng. Đề tài Tính toán thiết kế mạng lõi 3G sẽ trình bày chi tiết các thuật toán để định. IV - BÀI TOÁN CỤ THỂ Từ cơ sở lý thuyết và các phương thức tính toán đã trình bày ở các chương trước ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể. Tính toán dung