cấu trúc mạng 3g và vai trò của ims trong các mạng 3g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Viện Điện tử-viễn thông BÁO CÁO Đề tài: Kiến trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Giáo viên hướng dẫn : PGS TS. Nguyễn Hữu Thanh Học viên thực hiện : Vũ Ngọc Dân Phạm Xuân Thành Ung Hong Tech Lớp : 11BKTTT.KH Chương 1 Giới thiệu chung Hà Nội, tháng 05/2012 ii Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN 1. KIẾN TRÚC MẠNG 3G 1.1. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G. 1.2.2. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4 1.2.3. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 VÀ R6 1.2.4. CHIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS KẾT LUẬN MẶC DÙ ĐỀ TÀI CHỈ ĐƯỢC THỰC HIỆN DƯỚI DẠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT NHƯNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ĐÃ GIÚP CHÚNG EM RẤT NHIỀU TRONG VIỆC CỦNG CỐ LẠI KIẾN THỨC ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG, ĐỒNG THỜI BỔ SUNG NHỮNG KIẾN THỨC CÒN THIẾU SÓT. TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU, CHẮC CHẮN KHÔNG TRÁNH KHỎI NHỮNG SAI SÓT, CHÚNG EM RẤT MONG NHẬN ĐƯỢC Ý KIẾN ĐÓNG GÓP CỦA THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN ĐỂ ĐỀ TÀI TRỞ NÊN CÓ ÍCH VÀ THIẾT THỰC HƠN. TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm vừa qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động và mạng PSTN đang là xu hướng được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực thông tin liên lạc. Nhiều kiến trúc mới đã ra đời trong quá trình phát triển, hợp nhất các mạng với nhau mục đích tạo ra một mạng All IP duy nhất. Phân hệ IMS (IP Multimedia Subsystem) là một trong những kiến trúc đã ra đời trong xu thế phát triển đó. Với IMS người dùng có thể liên lạc khắp mọi nơi nhờ tính di động của mạng di động và đồng thời có thể sử dụng những dịch vụ hấp dẫn từ mạng Internet. IMS đã thực sự trở thành chìa khóa để hợp nhất mạng di động và mạng Internet. IMS đồng thời cũng trở thành một phân hệ trong mô hình mạng thế hệ mới (NGN) của tất cả các hãng sản xuất thiết bị viễn thông và các tổ chức chuẩn hóa thế giới. IMS được chuẩn hóa bởi 3GPP và 3GPP2 dựa trên giao thức báo hiệu SIP và các giao thức mở khác do IETF chuẩn hóa nên dễ dàng tích hợp các dịch vụ mới. IMS đồng thời cũng hỗ trợ nhiều loại hình truy cập khác nhau do hứa hẹn sẽ mang lại một số lượng lớn khách hàng sử dụng dịch vụ xây dựng trên đó. Chính vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài: “Kiến trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G” với hi vọng đem lại cái nhìn tổng quan về vấn đề này. Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2012 Nhóm sinh viên Vũ Ngọc Dân Phạm Xuân Thành Ung Hong Tech 4 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G PHẦN 1. KIẾN TRÚC MẠNG 3G 1.1. Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được cho trên hình 1.1, lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2 và hình 1.3. cho thấy lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP. Hình 1.1. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G AMPS: Advanced Mobile Phone System TACS: Total Access Communication System GSM: Global System for Mobile Telecommucations WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access EVDO: Evolution Data Only IMT: International Mobile Telecommnications IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers WiFi: Wireless Fidelitity WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access LTE: Long Term Evolution UMB: Untra Mobile Broadband 5 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Hình 1.2. Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP Hình 1.3. Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 1.2. Kiến trúc chung của hệ thống thông tin di động 3G Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. Hình 1.4 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi. Hình 1.4. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS 6 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh PS: Packet Switch: chuyển mạch gói SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin Server: máy chủ PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn. 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS). Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM). Báo cáo này chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3G WCDMA UMTS. 3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5. Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói). Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh. Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP. Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên. 7 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G 1.2.1. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet. UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí. Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.8). UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module). UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó. Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi trường nhà). HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị). Hình 1.5. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 1.2.2. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 Hình 1.6 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4. Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. 8 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào. Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server. Hình 1.6. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MSC Server. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW. Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói. Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP). Từ hình 1.6 ta thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP. Cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP. Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server). MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này. Để thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc độ 9 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN. Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau. Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248. Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển. Nó có tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control). Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ. 3GPP đề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức Điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) được xây dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU. Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server. Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu tư. Để làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B. Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt. Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố A. Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSC Server ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng. Từ hình 1.6 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: Home Subscriber Server). HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Ngoài ra còn có các giao diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS. Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM. Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện. Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này được thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW). Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn). Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP. Bộ giao thức này được gọi là Sigtran. 10 [...]... UMTS và GSM Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng Kiến trúc RAN của 3GR1.3 được thể hiện trên hình 1.11 Hình 1.11 Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1 15 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G PHẦN 2 KIẾN TRÚC IMS VÀ VAI TRÒ CỦA... dưỡng mạng vô tuyến cũng có thể được thực hiện chung bởi cùng một OMC-R (V2) Hình 1.10 mô tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai 14 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Hình 1.10 Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1) 1.2.4.3 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất Trong kiến trúc RAN của phát hành này được xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP Trong. .. đầu (3GR1.1) 13 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Hình 1.9 Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1) 1.2.4.2 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM Trong giai đoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp đầu tiên giữa hai mạng sẽ được thực hiện bằng cách đưa ra các thiết bị đa tiêu chuẩn như: Nút B kết hợp BTS (MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2) Các chức năng khai thác và bảo... IMS Cấu hình lai ghép được thể hiện trên hình 1.8 12 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Hình 1.8 Chuyển đổi dần từ R4 sang R5 1.2.4 Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS Trong phần này ta sẽ xét chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS của hãng Alcatel Alcatel dự kiến phát triển RAN từ GSM lên 3G UMTS theo ba phát hành: 3GR1, 3GR2 và 3GR3 Với mỗi phát hành, các sản phẩm mới và các. .. lại hướng vào mạng khác Mỗi chặng này sử dụng phiên bản IP khác nhau Thêm vào đó , IMS- ALG ghi lại SDP băng cách thay đổi các địa chỉ IP và các port number tạo ra bởi các thiết bị đầu cuối với một hoặc nhiều địa chỉ IP và port 22 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G numbers phân bổ cho TrGW Điều này cho phép lưu lượng media được định tuyến tới TrGW IMS- ALG giao tiếp I-CSCF với các luồng... đầu ra HSS và SLF thực hiện giao thức Diameter với các ứng dụng Diameter xác định cho IMS 2.1.3 AS (Application Server) AS là các thực thể SIP đảm nhận và thực hiện các dịch vụ 20 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Hình 2.3 Application Server AS gồm ba loại : + SIP AS : đây là các AS cơ sở thực hiện các dịch vụ multimedia dựa trên SIP Các dịch vụ IMS mới sẽ phát triển trong SIP AS... trí chủ (HLR) và trung tâm nhận thực (AUC) 19 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Hình 2.2 Cấu trúc của HSS Chức năng HLR hỗ trợ thực thể trong miền chuyển mạch gói như SGSN và GGSN Điều này cho phép cá thuê bao truy nhập tới các dịch vụ trong miền chuyển mạch gói HLR đồng thời cũng hỗ trợ các thực thể trong miền chuyển mạch kênh như MSC/MSC server Điều này cũng cho phép các thuê bao... hiện các mục đích sau : 18 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G + Tải về các vector chứng thực của người dùng đang truy nhập vào mạng SCSCF sử dụng các vector này để chứng thực người dùng + Thông báo cho HSS rằng S-CSCF này sẽ phục vụ người dùng trong khoảng thời gian đăng ký Tất cả báo hiệu SIP mà thiết bị đầu cuối IMS gửi và nhận đều đi qua S-CSCF S-CSCF giám sát từng bản tin SIP và. .. dùng, do đó được sử dụng các dịch vụ thời gian 25 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G thực và dịch vụ hội đàm như dịch vụ thoại và dịch vụ hội nghị video Miền chuyển mạch kênh được sử dụng cho các ứng dụng dữ liệu gói từ đầu cuối đến đầu cuối như truyền file, truy cập web và e-mail Phân hệ IMS là một phần trong miền chuyển mạch gói Chức năng của IMS là cung cấp các dịch vụ đa phương.. .Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G 1.2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6 Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện IP (hình 1.7) Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúc . này của mạng. Kiến trúc RAN của 3GR1.3 được thể hiện trên hình 1.11. Hình 1.11. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1 15 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G PHẦN 2. KIẾN TRÚC IMS. hai. 14 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Hình 1.10. Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1). 1.2.4.3. 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất Trong kiến trúc RAN của phát. một số các chức năng của vị trí chủ (HLR) và trung tâm nhận thực (AUC). 19 Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G Hình 2.2. Cấu trúc của HSS Chức năng HLR hỗ trợ thực thể trong