Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng mạng lõi chuyển mạch gói của Nokia Siemens Network và ứng dụng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Vũ Văn Hùng

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NANG CAO CHAT LƯỢNG MẠNG LOI

CHUYEN MACH GÓI CUA NOKIA SIEMENS NETWORK VÀ UNG DỤNG

Chuyén nganh: KY THUAT VIEN THONG Mã sé: 60.52.02.08

TOM TAT LUAN VAN THAC Si

HA NOI - 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Minh

Phản biện Ï: c0 000201201 22g 5n ng nh nh nh na

Phản biện 2:_ - 0200020022 Q 221 ng ng nh ng văn

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 thang năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

MỞ ĐẦU

Ngày nay tốc độ phát triển các dịch vụ trên nền tảng số liệu gia tăng một cách nhanh chóng, việc đầu tư cho hạ tầng mạng lõi chuyên mạch gói là rất cần thiết Kết hợp với đó là

quá trình tối ưu mạng sao cho chất lượng dịch vụ tốt nhất trên cơ sở hạ tầng mạng hiện tại,

đem lại hài lòng cho khách hàng cũng như tiết kiệm chi phi đầu tư cho mạng.

NSN - Nokia Siemens Network là một nhà cung cấp thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới, đặc biệt NSN rất mạnh với giải pháp mạng lõi chuyển mạch gói - Packet Switching Core (PS Core), thị phần mạng lõi chuyên mạch gói của NSN có trên 110 quốc gia và chiếm thị phan đa số tại Việt Nam Việc tìm hiểu cũng như nghiên cứu các giải pháp và cách thức tối ưu mạng lõi chuyển mạch gói — Packet Switching Core của NSN là rất cần thiết.

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE MẠNG LOI CHUYEN MẠCH GÓI

Ngày nay cùng với sự phat triển của kĩ thuật điện tử, các thiết bi đầu cuối đều hỗ trợ

tốt khả năng truyền tải đữ liệu, cùng với đó là sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ

trên nền số liệu như xem video chất lượng cao, truyền tải file, thanh toán trực tuyến, truy

cập web, Một số dịch vụ đòi hỏi chất lượng dịch vụ cao như tốc độ nhanh và độ tin cậy

lớn chính vì thế việc đầu tư cho hạ tầng mạng lõi chuyển mạch gói là rất cần thiết Vai trò của mạng lõi chuyển mạch gói trở lên cực kì quan trọng đối với mỗi nhà cung cấp dich vụ di

động như Mobifone, Vinaphone, Viettel Việc tìm hiểu về cầu trúc mạng lõi chuyển mach

gói nói chung cũng như giải pháp của hãng Nokia Siemens Network một nhà cung cấp hàng đầu thế giới về giải pháp mạng lõi chuyển mạch gói sẽ cho ta một cái nhìn tổng quan về

mạng PS Core.

1.1 Tổng quan về mạng lỗi chuyển mạch gói

1.11 Các phan tử trong mạng lõi chuyển mạch gói

Dé có thể tối ưu mạng được một cách chính xác cũng như hiệu quả việc đầu tiên của

người kĩ sư là phải năm rõ chức năng nhiệm vụ của các phân tử trong mạng lõi PS.

PCRF NDS Traffica Web Portal

trong đó mỗi phần tử đảm nhiệm một chức năng cụ thể, các phần tử được kết nối với nhau

thông qua hạ tầng mạng IP.

Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu chỉ tiết về chức năng các phần tử trọng mạng PS Core

của NSN [3].

SGSN- Serving GPRS Support Node (Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS): Đây là phần tử quan trọng của mạng PS core, SGSN kết nối với mạng vô tuyến thông qua giao diện IuPS (3G) và

Gb (GPRS/EDGE) tương ứng với RNC (Radio Network Control) và BSC (Base Station

Control) Các van đề tối ưu hóa liên quan đến SGSN bao gồm ti lệ Attach thành công, ti lệ RAU (Routing Area Update) thành công.

GGSN - Gateway GPRS Support Node (Céng hỗ trợ GPRS): GGSN của Mobifone do

NSN cung cấp gọi là Flexi Trên mạng hiện có 2 loại: Flexi ISN sử dụng từ dự án GPRS pha 3 và Flexi NG đời mới hơn sử dụng từ dự án GPRS pha 4 Các Flexi đều có tính năng

Service Awareness dé quản ly dich vụ cũng như thêm các tinh năng nhằm cung cấp dịch vu

đa dạng cho khách hang [3].

OneAAA- One Authentication, Authorization, Accounting (Xác thực, cấp quyền, tính cước): Hệ thống One-AAA/NDS đặt tại Mobifone bao gồm 8 server Sun Netra X4200 chạy hệ điều hanh Sun Solaris 10, kết nối vào mạng IPBB thông qua 2 Switch Cisco 3570 Hai bộ cân băng tải (Load Balancer) của Nortel 3408E được dùng với mục dich cân bang tải.

GGSN và OneAAA giao tiếp với nhau qua giao diện RADIUS Bản tin trao đổi

(Message flow) trên giao diện này như hình sau đây [4]:

— | Ey

| Create PDP Context Request!

'“#—— Create PDP Context Response———_

|<——Delete PDP Context Response ——

Message Flow trên giao diện Radius

Các chức năng chính của hệ thong OneAAA/NDS:

Xác thực (Authentication): One-AAA RADIUS Server xác thực thuê bao dựa vàousername/password nhận từ thuê bao MS (Mobile Station) sau đó là MSISDN

hoặc APN name.

Cấp quyền (Authorization): Nếu xác thực thành công, RADIUS server sẽ cấp

quyên truy cập cho thuê bao trong bản tin Access-Accept GGSN-Flexi sẽ nhận

được thông tin bao gồm danh sách các dịch vụ cho thuê bao, QoS và Charging ID cho từng dịch vụ Thông tin này RADIUS truy vấn từ One-NDS.

Accounting: Sau khi cấp quyền truy cập cho thuê bao, GGSN-Flexi gửi bản tin Accouting-Request (start) lên OneAAA RADIUS dé thông báo bắt đầu mở phiên truy cập cho thuê bao Việc tính cước và điều khiển phiên truy cập của thuê bao

được thực hiện trong suốt thời gian thuê bao truy cập cho đến khi RADIUS server

nhận được bản tin Accounting-Request (stop) từ GGSN- Flexi.

OneNDS — One Network Directory Server: Luu đữ liệu của thuê bao (database), ngoaira với du án GPRS Phase 4, OneNDS còn có thêm một chức nang nữa là lưu trữ dung lượng

Data của thuê bao có gói cước nhăm thực hiện điêu khiên QoS Một chức năng khác của

OneNDS là định tuyến các đầu số tới hệ thống tính cước online — OCS (Online Charging

System) phục vụ tương ứng dựa vào các OCS ID.

PCRF — Policy and Charging Rule Function (Chức năng quản lý chính sách và cước):

Thực hiện chức năng điều khiển QoS (Quality of Service) thông qua việc lay dir liệu thuê

bao trên OneNDS và gửi lệnh điều khiển hạ QoS tới Flexi NG [5].

Thông qua hình vẽ trên ta có thé thấy, PCRF có giao điện với OneNDS dé quan lý dit liệu của thuê bao (dữ liệu này gồm có số MSISDN, dung lượng đã sử dụng, dung lượng

được sử dụng tối đa trong chu kì, chu kì gói ) Khi thuê bao vào mạng, GGSN sẽ truy vấn PCRF về QoS mà thuê bao có thé sử dụng, PCRF sẽ truy vấn trong OneNDS và trả lời

GGSN, từ đó GGSN sẽ áp dung QoS cho từng thuê bao cụ thé theo các quy luật (rule base) theo thiết kế của các gói cước.

CMD - Charger @One Mediate: CMD có chức năng lưu trữ dữ liệu cước

Online/Offline Hiện CMD làm chức năng lưu cước Offline ngoài ra có chức năng chuyển tiếp (Relay) các bản ghi cước tới các hệ thống tính cước online - OCS Tương tự như các hệ

thống tập trung khác, CMD được đặt tại Hà Nội phục vụ TT1, TT3, TTS và Thanh phố Hồ

Chí Minh phục vụ TT2, TT4, TT6.

Traffica: Thực hiện kết nối trực tiếp tới database của mỗi SGSN và đưa ra các báo cáo về KPI Traffica gồm các Server TNES kết nối trực tiếp vào các SGSN va Server TS quản

lý chung các TNES Traffica cho phép ta trace theo các thuê bao theo lịch sử, cho phép ta

giám sát số lượng thuê bao theo danh sách máy đầu cuối, cho phép ta sử dụng để đếm số

lượng thuê bao Roaming.

Netact: Dùng để monitor các phần tử PS Core mạng Mobifone với các ứng dụng cảnh

báo cho người kĩ sư vận hành, báo cáo về các KPI trong mạng Từ Netact ta có thé xem được cảnh báo các phần tử mạng Core, lấy được các KPI trong mạng PS Core Hiện tại chỉ

có 01 hệ thống Netact đặt tại TT1 và có kết nối đến các SGSN, GGSN trên toàn mạng Số liệu day ra hàng ngày phục vụ công tác thống kê cũng như công tác tối ưu.

1.12 Các kết nỗi trong mạng lối chuyển mạch gói

Một trong những yêu cau đầu tiên về tối ưu là ta phải am hiểu về các giao diện cũng

như các chồng giao thức trong mạng Chúng ta phải nắm được giao diện đó chạy trên hạ

tầng truyền dẫn nào ví dụ IP hay Frame Relay, giao thức chạy trên giao diện đó là gì ví dụ

Diamter, SS7, GTP (GPRS Tunnel Protocol) [3].

Các giao diện chính trong mạng GPRS

Các giao diện quan trọng trong mạng PS Core bao gồm:

— Gr Interface: là giao diện giữa HLR và SGSN Giao diện này chạy giao thức SS7 trên

nền Frame Relay hay IP.

— n Interface: là giao diện giữa SGSN và GGSN Giao thức này chạy giao thức GTPtrên nên IP, đây là giao diện có lưu lượng lớn nên cân xem xét tới vân đê tài nguyên.

—_ Gn-Gp Interface: là giao diện giữa SGSN và GGSN của đối tác Roamming La giao diện kết nối với các mạng Roamming nên vấn đề an ninh cần chú trọng.

— Gi Interface: là giao diện từ GGSN ra Internet Từ giao diện này GGSN sẽ kết nối tới

các ISP.

— Ga Interface: là giao diện giữa GGSN và hệ thống OCS- IN Giao diện này nhằm

thực hiện chức năng quản lý cước online cho thuê bao, giao thức Diameter được sử dụng

trên giao diện này.

— Gy Interface: là giao diện kết nối giữa SGSN, GGSN với CMD Là giao diện kết nối giữa GGSN, SGSN với hệ thống lưu trữ cước nhăm mục đích đối soát, thanh toán.

— Gx Interface: là giao diện kết nối giữa GGSN và PCRF Là giao diện thực hiện chức năng điều khiển QoS, Policy cho các thuê bao có gói cước đặc biệt, giao thức sử dụng là

— lu Interface: là giao diện giữa SGSN và RNC Giao thức sử dụng là RANAP.

—_ Gb Interface: là giao diện giữa SGSN va BSC Hiện tại Mobifone đã chuyền toàn bộ

giao diện này chạy trên nên IP.

1.2 Tinh cấp thiết của đề tài

Ngày nay tốc độ phát triển các dich vụ trên nền tảng Data- số liệu gia tăng một cách nhanh chóng bao gồm như: truy cập Web, chơi game, nghe nhạc, video, chia sẻ file, thanh

toán trực tuyến một số dịch vụ đòi hỏi chất lượng dịch vụ cao như tốc độ nhanh và độ tin

cậy lớn chính vì thế việc đầu tư cho ha tang mạng lõi chuyển mạch gói là rất cần thiết Kết hợp với đó là quá trình tối ưu mạng sao cho chất lượng dịch vụ tốt nhất trên cơ sở hạ tầng

mạng hiện tại, đem lại hài lòng cho khách hàng cũng như tiết kiệm chi phí đầu tư cho nha

cung cấp dịch vụ như Mobifone.

1.3 Kết luận chương

Thông qua một số báo cáo của các hãng lớn như Ericsson, Nokia Siemens Network, chúng ta thấy được tốc độ phát triển của kĩ thuật điện tử cùng các nhà sản xuất đầu cuối dẫn đến số lượng Smartphone ngày càng lớn cùng với đó là tốc độ tăng trưởng của các dịch vụ trên nền số liệu Đáp ứng nhu cầu đó mạng di động phải nhanh chóng đáp ứng được khả

năng truyền tải dir liệu cũng như cung cấp được các dịch vụ một cách phong phú và chất

Tại Việt Nam cũng như trên thế giới, Nokia Siemen Network là nhà cung cấp hàng đầu về giải pháp mạng lõi chuyển mạch gói - mạng PS Core Việc tìm hiểu về tổng quan mạng PS

Core cũng như giải pháp cụ thé của NSN là điều rat cần thiết Thông qua những giải pháp

tối ưu mạng PS Core của NSN đã và đang được triển khai thực tế, Mobifone đã có thé đưa

ra các dịch vụ tiện ích đem lại sự hài lòng cho khách hàng cũng như doanh thu lớn cho nhàkhai thác dịch vụ.

CHƯƠNG 2: CÁC THAM SO KPI VÀ VAN DE NÂNG CAO CHAT LƯỢNG MẠNG LOI CHUYEN MẠCH GÓI

Qua chương | ta đã biết vai trò quan trọng của mạng lõi chuyên mạch gói, tuy nhiên

việc dành thời gian và kinh phí cho việc thực hiện tối ưu mạng lõi là điều rất cần thiết đối với mỗi một nhà cung cấp dịch vụ Thông qua việc tối ưu mạng giúp cho nhà cung cấp tiết

kiệm chi phi dau tu ha tang cũng như đưa ra được các san phẩm, dịch vụ tốt nhất cho khách

hàng, đem lại lợi thế canh tranh với các đối thủ Nội dung chương 2 sẽ đề cập đến vấn tối ưu

hóa mạng PS Core cũng như đưa ra một số KPI chính trong việc đánh giá chất lượng mạng

PS Core.

2.1 Một số KPI trong mạng lõi chuyển mạch gói

Bằng việc quan sát KPI — Key Performance Indicator, vi du sự tăng giảm đột ngột của KPI trong một khoảng thời gian hay KPI không thỏa mãn yêu cầu đề ra, KPI không đảm

bảo cam kết trong hợp đồng, người tối ưu sẽ tìm hiểu nguyên nhân, thực hiện các giải pháp tối ưu mạng dé đạt được chỉ số mong muốn, đem lại trải nghiệm dịch vụ tốt nhất cho khách hàng.

Với mạng PS Core: có 03 chỉ số KPI cần quan tâm nhất đó là: tỉ lệ Attach thành công

(GPRS Attach success rate), tỉ lệ thiết lập PDP Context thành công (PDP Context activation

success rate), ti lệ Inter RAU thành công (Inter Routing Area Update success rate) Các

tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến việc thuê bao có thé sử dụng được dịch vụ GPRS hay không, cũng như khả năng duy trì phiên truy cập khi thay đổi vị trí Sau đây ta sẽ nghiên

cứu cu thé qua trình Attach, Activation PDP va RAU của thuê bao Từ tiến trình xử lý

(Callflow) cũng như công thức tính toán KPI ta có thể nắm được nguyên nhân KPI giảm cũng như các giải pháp tác động lên các phần tử của mạng qua đó cải thiện một KPI cụ thể.

2.1.1 Tỷ lệ Attach thành công

Quá trình Attach diễn ra khi thuê bao tắt bật máy cũng như lần đầu đăng nhập một mạng PLMN Về cơ bản ta thấy quá trình Attach của thuê bao liên quan đến mạng Core có các phần tử như là SGSN và HLR.

.2.L2 Tỷ lệ Routing Area Update (RAU) thành công

Dé có thê tiêp tục sử dụng phiên truy cập Data đang có cũng như sử dụng được dich vụ khi

khởi tạo phiên mới Khi thuê bao di chuyển từ BSC này sang BSC khác hay từ RNC này

sang một RNC khác thuộc một SGSN khi đó thuê bao phải thực hiện quá trình Routing Area

Update, đây gọi là Intra SGSN RAU Khi thuê bao di chuyển từ SGSN này dang SGSN khác thì đấy là quá trình RAU giữa hai SGSN gọi là Inter SGSN RAU [3].

2.1.3 Tỷ lệ thiết lập Packet Data Protocol-PDP Context thành công

Activation PDP Context là quá trình thuê bao thực hiện để có thể kết nối tới mạng ngoài

thông qua GGSN, ở đây GGSN đóng vai trò cung cấp địa chỉ IP, cung cấp phiên PDP, cung cấp QoS cho thuê bao, quá trình này được thực hiện trước khi thuê bao có thể kết nối tới

mạng ngoài, trong quá trình này có rất nhiều phần tử mạng Core tham gia thực hiện bản tin trao đổi dữ liệu dé quá trình được hoàn tat gồm có SGSN, GGSN, DNS, RADIUS Server, hệ thống tính cước online IN- OCS (Online Charging System) [3].

2.2 Van dé nâng cao chất lượng mang lõi chuyển mạch gói

2.2.1 Khái niệm về tối ưu hóa mạng lối chuyển mạch gói

Tối ưu hóa mạng là một quá trình mà kết quả của nó có thể coi giống như là một sản phẩm dich vụ giá trị gia tăng đối với mỗi nhà cung cấp dich vụ di động, nó bao gồm các hoạt động như: tìm hiểu sâu về cách thức hoạt động của mạng, đưa ra những phân tích sâu

sắc cho từng vấn đề trong mạng, đưa ra những giải pháp bao gồm cải thiện hiệu suất của các phần tử trong mạng, đem lại chất lượng dịch vụ cao hơn cũng như tiết kiệm chỉ phí cho nhà

cung cấp dịch vụ, đem lại trải nghiệm tốt đối với khách hàng.

Chất lượng dịch vụ cũng như hiệu suất của mạng được đánh giá thông qua những chỉ

tiêu, con số cụ thể mà thường được biết đến với bộ thông số KPI (Key Performance Indicator), đó là những công thức được định nghĩa theo tiêu chuẩn nhằm đem lại sự đánh giá chính xác nhất cho chất lượng dịch vụ cũng như hiệu suất sử dụng các phần từ trong

mạng Các KPI được so sánh trước va sau khi những giải pháp tối ưu được áp dụng dé từ đó ta có thé đánh giá được hiệu quả của việc tối ưu mạng.

2.2.2 Tiến trình nâng cao chất lượng mạng lõi chuyển mạch gói

Một tiến trình tối ưu hóa mạng về cơ bản thì có thể miêu tả theo hình bên dưới: bao

gôm các quá trình đê ra mục tiêu ví dụ như nâng cao một KPI cụ thé nào đó hay đơn giản

chỉ là giảm tải CPU cho một phần tử trong mạng, tập hợp phân tích số liệu, hiệu chỉnh tham

số, thay đổi yêu cầu cho phù hợp, tiếp nhận phản hồi, báo cáo chi tiết cũng như tổng kết những mục tiêu đạt được và những mục tiêu chưa thành công dé từ đó rút ra kinh nghiệm triển khai cũng như những biện pháp khắc phục phòng ngừa, những điểm còn hạn chế, từ đó

rút ra được các quy trình hợp lý, tiết kiệm chi phí cho những lần thực hiện sau

2.3 Kết luận chương

Việc đi nghiên cứu tổng quan về tối ưu mạng đem lại cho ta cái nhìn một cách bao quát hơn về công việc tối ưu, quá trình thực hiện tối ưu, cùng với đó nghiên cứu chi tiết một số tiến trình trong mang PS Core mà nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sử dụng dich vụ

cũng như chất lượng của dịch vụ như Attach, Routing Area Update, Activation PDP Context Cùng với đó chúng ta cần phải hiểu chỉ tiết về KPI cũng như công thức tính toán cho từng KPI cụ thể từ đó có cái nhìn sâu sát hơn cho việc tối ưu một KPI cụ thể nào đó.

Với giải pháp mạng PS Core của mình, NSN khuyến nghị nhà cung cấp chú trọng vào các

KPI thông qua các KPI đó thực hiện giám sát chất lượng dịch vụ của mạng và tác động vào

cấu hình của các phần tử trong mạng nhằm cải thiện KPI là một nhiệm vụ cần thiết và quan

trọng của người làm tôi ưu.

CHUONG 3: GIẢI PHAP NANG CAO CHAT LƯỢNG MẠNG LOI CHUYEN MACH GÓI CUA NOKIA SIEMENS NETWORK VÀ

UNG DUNG

Nội dung chương 3 tác gia sé đi sâu vào việc sử dụng các công cụ phân tích lay thống kê KPI cũng như các mã lỗi dé giải quyết van đề tối ưu, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu

mạng PS Core và ứng dụng, các giải pháp này đã được triển khai và áp dụng thành công tại

Mobifone Một số giải pháp tối ưu hóa trong mạng PS Core ở đây bao gồm:

— Tối ưu hóa kết nối giữa các phan tử trong mạng lõi chuyên mạch gói Với giải pháp này ta sẽ tối ưu các kết nói như: kết nối giữa SGSN với RNC, kết nối giữa SGSN với

BSC, kết nỗi với các hệ thống phụ trợ như OneAAA, GiDNS

— Tối ưu hóa các Node (phan tử) thuộc mạng lõi chuyên mạch gói Với giải pháp này ta sẽ tối ưu mà đối tượng là các phần tử thuộc mạng PS Core vi dụ như GGSN,

SGSN