Bài giảng báo hiệu và điều khiển kết nối phần 2 ThS Hoàng Trọng Minh

Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin di động 3G, một cách vắn tắt, bao gồm: + Có khả năng truyền thông đa phương tiện với các tốc độ: a 384 kb/s đi bộ và 144 kb/s trên xe đố

CHƯƠNG 3: BÁO HIỆU TRONG MẠNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG Tóm tắt: Nội dung của chương tập trung vào các mô hình báo hiệu trong mạng

thông tin di động bao gồm các mạng di động thế hệ hai và thế hệ ba Các thủ tục báo hiệu được phân chia thành các vùng mạng truy nhập vô tuyến và vùng mạng lõi cùng với các kết nối báo hiệu tới các hạ tầng mạng khác

3.1 BÁO HIỆU TRONG MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO

3.1.1 Các thế hệ phát triển mạng di động tế bào

Từ cuối những năm 1970, với sự ra đời của các công nghệ, các mạng vô tuyến di động tế bào đã được phát triển rất nhanh chóng Thập kỷ 1980 chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự, thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng PLMR (Public Land Mobile Radio) Các hệ thống loại này được gọi là hệ thống vô tuyến di động tế bào thế hệ thứ nhất 1G (1st Generation), tiêu biểu là Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AMPS (Advanced Mobile Phone Service) của Mỹ công tác trên dải tần 800 MHz và Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT 450 (Nordic Mobile Telephony) công tác trên dải tần 450 MHz, rồi sau đó trên cả dải 900 MHz (NMT 900) Làm việc ở dải UHF, các mạng này cho thấy một sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp của các hệ thống thông tin liên lạc dân sự Chúng cho phép những người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi di động với nhau hay với bất kỳ đối tượng nào có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN hoặc các mạng thông tin số đa dịch vụ tích hợp ISDN

Trong những năm 1990 đã có những bước tiến hơn nữa với việc áp dụng các hệ thống thông tin di động tế bào số (digital cellular system) Các hệ thống mới này được gọi là các hệ thống vô tuyến di động thế hệ thứ hai 2G (2nd Generation), tiêu biểu là Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile communications) của Châu Âu công tác trên dải tần 900 MHz và 1800 MHz, các hệ

PTIT

thống của Mỹ IS-136 làm việc trên hai dải 800 MHz và 1900 MHz hay IS-95 công tác trên dải 800 MHz và các hệ thống viễn thông không dây số (digital cordless telecommunication system) như Hệ thống viễn thông không dây số của Châu Âu DECT (Digital European Cordless Telecommunications) Trong số các hệ thống 2G

kể trên, hệ thống GSM được xem là hệ thống thành công nhất Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ thống vô tuyến di động số thế hệ thứ hai cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác như thư thoại (voice-mail), truyền số liệu tốc độ thấp, truyền fax, các tin ngắn (short message)

Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chủ yếu vẫn nhắm vào phục vụ dịch vụ thoại Dịch vụ số liệu mà chúng đáp ứng được chủ yếu là dịch vụ truyền số liệu chuyển mạch kênh tốc độ thấp (dưới 10 kb/s), không đáp ứng được các nhu cầu truyền số liệu ngày càng tăng Chính sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu đối với các dịch vụ dữ liệu, nhất là đối với Internet, đã thúc đẩy mạnh mẽ công nghiệp vô tuyến và là động lực chính đối với sự phát triển các hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ ba 3G (3rd Generation) đa dịch vụ Các nỗ lực phát triển thông tin di động 3G được phát động trước tiên tại Châu Âu Vào năm 1988, dự án RACE 1043 đã được hình thành với mục đích ấn định công nghệ và dịch vụ cho hệ thống 3G gọi là

Hệ thống viễn thông di động vạn năng (UMTS: Universal Mobile Telecommunications System) Song song với dự án RACE 1043, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) cũng thành lập ban TG8/1, ban đầu đặt dưới sự bảo trợ của CCIR (Uỷ ban tư vấn quốc tế về vô tuyến), nhằm phối hợp hoạt động nghiên cứu phát triển hệ thống 3G với tên gọi Hệ thống viễn thông di động mặt đất công cộng tương lai (FPLMTS: Future Public Land Mobile Telecommunications System), mục đích ban đầu là xây dựng một tiêu chuẩn 3G chung cho toàn thế giới Sau này TG8/1 đã bỏ tên gọi FPLMTS, thay bằng Viễn thông di động quốc tế cho năm 2000 (IMT-2000: International Mobile Telecommunications-2000) và chấp nhận một họ các tiêu chuẩn cho 3G Dự án IMT-2000 đã xây dựng các yêu cầu chung nhất cho các hệ thống thông tin di động

PTIT

3G nhằm phục vụ nhiều loại hình dịch vụ, với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin di động 3G, một cách vắn tắt, bao gồm: + Có khả năng truyền thông đa phương tiện với các tốc độ: a) 384 kb/s (đi bộ) và

144 kb/s (trên xe) đối với môi trường ngoài trời (out-door) có vùng phủ sóng tương đối rộng; b) tới 2 Mb/s đối với môi trường trong nhà (in-door) có vùng phủ sóng hẹp;

+ Có khả năng cung cấp đa dịch vụ như thoại, hội nghị truyền hình (video conferencing), dữ liệu gói Hỗ trợ cả các dịch vụ chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói và truyền dữ liệu không đối xứng (tốc độ bít cao trên đường xuống và tốc

độ bít thấp trên đường lên);

+ Có khả năng lưu động và chuyển vùng quốc gia lẫn quốc tế;

+ Có khả năng tương thích, cùng tồn tại và liên kết với vệ tinh viễn thông;

+ Cơ cấu tính cước theo dung lượng truyền chứ không theo thời gian kết nối;

Đã có tới mười sáu đề xuất tiêu chuẩn cho các hệ thống 3G, trong đó mười cho các mạng 3G mặt đất và sáu cho các hệ thống di động vệ tinh MSS (Mobile Satellite Systems) Đa số các đề xuất đều ủng hộ chọn CDMA (Code Division Multiple Access-Đa truy nhập theo mã) làm phương thức đa truy nhập và ITU chấp thuận các tiêu chuẩn trong IMT-2000 sẽ bao gồm năm công nghệ sau:

+ IMT DS (Direct Sequence): Công nghệ này được gọi rộng rãi là UTRA FDD

và W-CDMA, trong đó UTRA là Truy nhập vô tuyến mặt đất cho UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access), FDD là song công phân chia theo tần số (Frequency Division Duplex), còn W trong W-CDMA là băng rộng (Wideband);

+ IMT MC (MultiCarrier): Hệ thống này (còn được gọi là cdma2000) là phiên bản 3G của IS-95 (nay được gọi là cdmaOne), sử dụng đa sóng mang;

+ IMT TC (Time Code): Đây là UTRA TDD, tức là kiểu UTRA sử dụng song công phân chia theo thời gian (Time Division Duplex);

PTIT

+ IMT SC (Single Carrier): IMT đơn sóng mang, nguyên thuỷ là một dạng của GSM pha 2+ gọi là EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution);

+ IMT FT (Frequency Time): IMT tần số-thời gian, là hệ thống viễn thông không dây tăng cường DECT (Digitally Enhanced Cordless Telecommunications)

Hiện nay, ITU thực hiện việc phân loại các mạng di động quốc tế thành 3 loại hệ thống gồm: các hệ thống IMT-2000 là các hệ thống 3G (UMTS, CDMA2000); hệ thống enhanced IMT-2000 (thế hệ sau 3G) và IMT-Advance là hệ thống 4G Để tiến tới 4G, LTE được coi là con đường chính hiện nay cho sự phát triển công nghệ

và được phát triển bởi 3GPP

Hình 3.1: Lộ trình phát triển các thế hệ mạng di động

3GPP-LTE là công nghệ hướng tới hệ thống di động tốc độ cao và tích hợp với các chuẩn ứng dụng dịch vụ khác Do đó, người dùng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS trên nền WCDMA 3GPP-LTE hỗ trợ cơ chế cấp phát phổ tần linh động và các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao khi thiết bị di chuyển

PTIT

3.1.2 Kiến trúc báo hiệu cho hệ thống GSM

Kiến trúc hệ thống GSM được chia làm 3 phần: phân hệ trạm gốc BSS, phân hệ chuyển mạch và mạng NSS, phân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS Mỗi phân hệ có các nhiệm vụ riêng và được cấu trúc bởi các thực thể chức năng BSS gồm có bộ thu phát gốc BTS và bộ điều khiển trạm gốc BSC BSS cung cấp và quản trị tuyến thông tin giữa thuê bao di động MS và NSS NSS là bộ não của toàn bộ mạng GSM,

nó bao gồm trung tâm chuyển mạch cho di động MSC và 4 nút mạng thông minh là đăng ký thuê bao nhà HLR, đăng ký thuê bao khách VLR, đăng ký nhận dạng thiết

bị EIR và trung tâm nhận thực AuC OSS cung cấp phương tiện để các nhà cung cấp dịch vụ có thể điều khiển và quản trị mạng Nó gồm các trung tâm vận hành và bảo dưỡng OMC làm nhiệm vụ khai thác, quản lý, bảo dưỡng

Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống GSM

Nguyên thủy thì phân hệ OSS thuộc quyền sở hữu của mạng và không liên quan đến báo hiệu Còn đứng về mặt thuật ngữ của lớp vật lý thì môi trường không khí trên giao diện MS-BTS để truyền dẫn sóng vô tuyến và dùng LAP-D là giao thức lớp 2 MSC không kết nối trực tiếp với BTS mà thông qua BSC, được coi như là giao diện giữa phần vô tuyến và phần chuyển mạch Kết nối giữa BTS và BSC

PTIT

thông qua giao diện A–bis Giao diện A-bis là đường liên kết số 64 kbps, sử dụng 3 giao thức để truyền tải thông tin báo hiệu đến MSC:

o Thủ tục truy nhập đường trên kênh D (LAPD)

o Quản trị trạm thu phát gốc (BTSM)

o Bảo dưỡng và vận hành A-bis (ABOM)

o Phần ứng dụng truyền tải trực tiếp (DTAP)

Giao thức LAPD được dùng như giao thức lớp 2, cung cấp khả năng trao đổi thông tin cần thiết từ nút - nút để gửi các gói tin qua mạng Giao thức BTSM dùng

để quản lý các thiết bị vô tuyến của trạm gốc và giao diện giữa trạm gốc với MSC

Dữ liệu và các thông tin báo hiệu khác được gửi từ trạm gốc thông qua một giao thức của SS7 - phần DTAP

Hình 3.3: Phân lớp chức năng của SS7 trong mạng GSM

Các giao thức SS7 được sử dụng trong mạng di động để cung cấp thông tin báo hiệu cho việc thiết lập và giải phóng các kết nối cũng như chia sẻ những thông tin trong cơ sở dữ liệu cho các thực thể của mạng Ngăn xếp của SS7 sử dụng cho mạng di động được thể hiện trên hình 3.3

MSC kết nối với mạng cố định thông qua giao thức ISUP hoặc TUP Cùng với MTP và SCCP, còn có thêm một số các giao thức khác để MSC giao tiếp với các thực thể khác trong hệ thống GSM Đó là các giao thức:

o Phần ứng dụng di động MAP

PTIT

o Phần ứng dụng di động phân hệ trạm gốc BSSMAP

o Phần ứng dụng truyền tải trực tiếp DTAP

o Phần ứng dụng khả năng phiên dịch TCAP

Trên giao diện A giữa phân hệ BSS và MSC sử dụng phần ứng dụng hệ thống trạm gốc BSSAP BSSAP có thể được chia thành phần ứng dụng quản trị hệ thống trạm gốc BSSMAP và phần ứng dụng truyền tải trực tiếp DTAP

BSSAP được sử dụng để trao đổi các bản tin giữa BSC và MSC mà BSC thực sự phải xử lý ví dụ như bản tin quản trị tài nguyên vô tuyến RR Còn DTAP bao gồm những bản tin mà phân hệ NSS và máy di động MS trao đổi với nhau Những bản tin này (ví dụ bản tin quản trị kết nối CM, bản tin quản trị di động MM) là trong suốt đối với BSC BSC chỉ làm chức năng chuyển tiếp bản tin mà không xử lý nó Phần ứng dụng di động MAP là giao thức của SS7 hỗ trợ cho mạng di động Nó định nghĩa những hoạt động giữa các thành phần mạng như MSC, HLR, VLR, EIR

và mạng cố định Các lớp truyền tải, phiên và trình diễn không sử dụng trong SS7, các chức năng này được nhóm trong lớp ứng dụng sử dụng ISUP và TUP Các giao thức MAP được thiết kế là MAP/B và MAP/H tuỳ thuộc vào chức năng của giao tiếp Các giao diện và giao thức của GSM được trình bày trong bảng 3.1 và hình dưới đây

Bảng 3.1: Các giao diện và giao thức cơ bản của hệ thống GSM

Um MS-BSS Giao tiếp môi trường được sử dụng để trao đổi

thông tin giữa MS-BSS LAPDm là thủ tục sửa đổi từ LAPD d cho báo hiệu

Abis BSC-BTS Giao diện nội bộ của BSS sử dụng liên kết giữa

BSC và BTS Abis cho phép điều khiển thiết bị vô tuyến và chỉ định tần số trong BTS

A BSS-MSC Quản lý nguồn tài nguyên và tính di động của MS

B MSC-VRL Xử lý báo hiệu giữa MSC và VRL Giao tiếp B sử

PTIT

dụng giao thức MAP/B

GMSC-HRL

HRL

SMSG-Sử dụng để điều khiển các cuộc gọi từ trong vùng GSM ra ngoài và ngược lại Giao thức MAP/C sử dụng cho thông tin định tuyến và tính cước qua các gateway

D HRL-VRL Giao thức MAP/D sử dụng để trao đổi dữ liệu liên

quan tới vị trí của MS và các số liệu phụ của thuê bao

E MSC-MSC Giao thức MAP/E sử dụng để trao đổi thông tin

chuyển vùng giữa các MSC

F MSC-EIR Giao thức MAP/F sử dụng để xác nhận trạng thái

IMEI của MS

G VRL-VRL Giao thức MAP/G sử dụng để chuyển các thông

tin thuê bao trong các thủ tục cập nhật vị trí vùng

MSC-SMSG

Giao thức MAP/H hỗ trợ truyền bản tin nhắn tin ngắn SMS

I MSC-MS Giao diện I là giao diện giữa MSC và MS Các bản

tin trao đổi qua giao diện I qua BSS là trong suốt

Hình 3.4: Vị trí các giao diện trong hệ thống GSM

PTIT

Các hoạt động điều hành của MAP có thể chia thành 5 phần chính như sau: quản

lý di động; vận hành và bảo dưỡng; xử lý cuộc gọi; hỗ trợ dịch vụ bổ sung; dịch vụ bản tin ngắn SMS

Quản lý di động

Các tác vụ quản lý di động gồm một số các nội dung sau: Quản lý vị trí, tìm kiếm

vị trí của MS, quản lý truy nhập, chuyển giao vùng, quản lý nhận thực, quản lý bảo mật, quản lý IMEI, quản lý thuê bao, nhận dạng thuê bao và khôi phục lỗi

Để hạn chế các thông tin trao đổi giữa HRL, các HRL chỉ chứa các thông tin về MSC/VRL quản lý thuê bao hiện thời Việc quản lý vị trí gồm một số tác vụ như: Cập nhật vùng, loại bỏ vùng, gửi nhận dạng, xác định MS

Chuyển vùng giữa các MSC được thực hiện bởi một chuỗi các thủ tục báo hiệu gồm: Chuẩn bị chuyển vùng, gửi tín hiệu tới kết cuối, xử lý báo hiệu truy nhập, chuyển báo hiệu truy nhập và chuyển vùng Các thủ tục cơ bản được thể hiện qua ví

dụ trên hình 3.5 dưới đây Các thủ tục được thực hiện qua giao thức MAP/E, cập nhật vị trí mới của MS được thực hiện qua MAP/D không thể hiện trong hình vẽ

Hình 3.5: Các thủ tục chuyển vùng qua MAP/E

PTIT

Vận hành và bảo dưỡng

Vận hành và bảo dưỡng được chia thành hai vùng chính: Giám sát thuê bao và nhiệm vụ hỗn hợp Giám sát thuê bao gồm hai trạng thái kích hoạt và không kích hoạt, trạng thái kích hoạt giám sát thuê bao được khởi tạo từ HRL yêu cầu VRL kiểm tra trạng thái của thuê bao và gửi về MSC để giám sát MS Nhiệm vụ hỗn hợp

sử dụng trong mạng GSM hiện nay chỉ thực hiện nhiệm vụ trao đổi thông tin về thuê bao giữa HRL và VRL

Xử lý cuộc gọi

Các thủ tục xử lý cuộc gọi chủ yếu dựa trên các thông tin định tuyến, khi các thuê bao tìm kiếm và xác nhận các địa chỉ MSC đích, các thủ tục do MAP không còn cần thiết Riêng việc xử lý cuộc gọi qua gateway của trung tâm chuyển mạch di động GMSC thì vẫn phải sử dụng các giao thức MAP/C

Hình 3.6: Các điều hành của MAP trong trường hợp cuộc gọi từ mạng PSTN

Trong trường hợp một thuê bao từ mạng cố định PSTN gọi sang mạng di động, các bản tin khởi tạo ISUP IAM được gửi tới gateway chứa thông tin số bị gọi Dựa trên các con số này, mạng PSTN định tuyến cuộc gọi tới GMSC thích hợp GMSC chứa nhận dạng thuê bao di động trong cơ sở dữ liệu sẽ sử dụng điều hành MAP tới HRL để tim kiếm MS Nếu thuê bao đang trong trạng thái chuyển vùng, các thông tin trao đổi giữa HRL và VRL được thực thi để đảm bảo quá trình định tuyến thành

PTIT

công Hình vẽ 3.6 chỉ ra thủ tục của MAP trong trường hợp cuộc gọi từ mạng

Hình 3.7: Điều hành MAP liên quan tới dịch vụ bản tin ngắn SMS

3.1.3 Mạng thông minh

Mạng thông minh (IN – Intelligent Network) là mạng viễn thông tách rời dịch

vụ, nghĩa là sự thông minh được lấy ra từ thiết bị chuyển mạch và trong các máy tính phân bổ trên mạng Mạng thông minh cung cấp tới người vận hành mạng

PTIT

phương tiện để phát triển và điều khiển các dịch vụ một cách linh hoạt và hiệu quả hơn IN cung cấp năng lực mạng thoả mãn nhu cầu thay đổi thường xuyên của khách hàng, tính thông minh của mạng trở nên phân tán với độ phức tạp ngày càng tăng nhanh IN/1 thể hiện mô hình thực hiện dịch vụ ở bên ngoài các hệ thống chuyển mạch, đặt trong những cơ sở dữ liệu gọi là những điểm điều khiển dịch vụ (SCP – Service Controll Points) Hai dịch vụ cần đến IN/1 là dịch vụ 800 (hay điện thoại miễn phí) và xác minh thẻ cuộc gọi (hay dịch vụ thực hiện hóa đơn luân phiên [ABS]) Để giao tiếp với nguyên tắc thực hiện dịch vụ giá trị gia tăng, phần mềm phải được triển khai trong những hệ thống chuyển mạch Phần mềm hệ thống chuyển mạch này cho phép thừa nhận hệ thống chuyển mạch khi nó cần thiết để giao tiếp với một SCP thông qua mạng SS7 Sau khi IN/1 xuất hiện thì các nhà cung cấp liên tục đưa ra các dịch vụ mới, nhưng có 1 điều không đổi đó là : mạng thông

minh IN là mạng viễn thông độc lập dịch vụ Mạng IN cho phép các hệ thống

chuyển mạch và các hệ thống điều khiển dịch vụ xuất xứ từ các nhà cung cấp khác nhau làm việc với nhau một cách độc lập và trơn tru Điều này cung cấp cho các nhà điều hành mạng các phương tiện để phát triển và điều khiển dịch vụ hiệu quả hơn Các dịch vụ mới có thể được giới thiệu một cách nhanh chóng trong mạng và dễ dàng được thiết lập phù hợp với nhu cầu của khách hàng mà không phải thay đổi cấu trúc của các nút chuyển mạch trong mạng

Mô hình mang tính khái niệm về mạng thông minh bao gồm 4 mặt phẳng Mỗi mặt phẳng tượng trưng cho một quan điểm trừu tượng khác nhau về các khả năng được mạng cấu trúc theo kiểu IN Các quan điểm này lần lượt nhằm vào các khía cạnh dịch vụ, tính năng tổng thể, tính năng phân phối và các khía cạnh vật lý của mạng IN

Mặt phẳng dịch vụ: Mặt phẳng dịch vụ minh hoạ cho các dịch vụ cung cấp bởi mạng IN (Chẳng hạn dịch vụ Prepaid, Freephone ,Tevoting…) Một dịch vụ bao gồm nhiều đặc tính dịch vụ SF (Service Feature) và có thể được tăng cường vào các đặc tính dịch vụ khác SF có 2 loại: lõi dịch vụ và tùy chọn dịch vụ Một đặc tính dịch vụ SF là phần tử nhỏ nhất của một dịch vụ mà người sử dụng dịch vụ có thể

PTIT

nhận thức được Những SF đóng vai trò trong việc đặc tả và thiết kế các dịch vụ mới phức tạp hơn, muốn tạo ra một dịch vụ chỉ cần tạo ra SF phần lõi và khi muốn nâng cấp dịch vụ thì chỉ cần kết hợp thêm các SF tùy chọn Nhờ vậy mà các dịch vụ trong mạng IN sẽ được cung cấp một cách nhanh chóng và đa dạng hơn

Hình 3.8: Mô hình khái niệm mạng IN

Mặt phẳng chức năng tổng thể GFP (Global Function Plane): GFP tạo ra mô hình chức năng mạng từ quan điểm tổng thể Vì vậy mạng có cấu trúc IN được nhìn nhận như là một thực thể đơn trong GFP Trong mặt phẳng này, dịch vụ và các SF được định nghĩa lại về mặt chức năng mạng rộng, những chức năng này không phải là dịch vụ hay đặc tính dịch vụ riêng biệt nữa mà được tham chiếu như là các khối xây dựng dịch vụ độc lập Khối xây dựng dịch vụ độc lập xử lý cuộc gọi cơ sở và chương trình Logic - dịch vụ tổng thể GSL (Global Service Logic) GSL mô tả các khối xây dựng dịch vụ độc lập kết hợp với nhau như thế nào được sử dụng để mô tả đặc tính dịch vụ SF

Mặt phẳng chức năng phân phối DFP (Distributed Functional Plane): DFP gồm các thực thể chức năng FE (Functional Entity) Một chương trình logic dịch vụ (SLP) trong GFP được đại diện bởi một nhóm các SIB phân phối tại các FE Đặc biệt, mỗi SIB được thực hiện trong DFP bởi một chuỗi các hoạt động của thực thể chức năng cụ thể FEA (Functional Entity Action) được thực hiện trong các FE Một

PTIT

số trong các FEA này tạo ra luồng thông tin giữa các FE; có nghĩa trao đổi bản tin giữa các FE sẽ thông qua FEA

Mặt phẳng vật lý: Mặt phẳng vật lý của mô hình mạng thông minh bao gồm các thực thể vật lý PE khác nhau và sự tương tác giữa chúng Mỗi PE gồm một hoặc nhiều FE xác định chức năng trong mạng IN Có thể đặt một hoặc nhiều thực thể chức năng FE trong một PE Ngoài ra một FE không thể được tách ra giữa hai PE, một FE được ánh xạ hoàn toàn trong một PE Cuối cùng, trường hợp bản sao của một FE có thể được ánh xạ đến các PE khác mặc dù không cùng PE

3.2 BÁO HIỆU TẠI MẠNG TRUY NHẬP

Nhằm tìm hiệu báo hiệu trong mạng thông tin di động hiện nay, mục này sẽ phân tích các giao diện báo hiệu trong mạng truy nhập của hệ thống UMTS UMTS là sự phát triển lên 3G của họ công nghệ GSM (GSM, GPRS & EDGE), là công nghệ duy nhất được các nước châu Âu công nhận cho mạng 3G GSM và UMTS cũng là dòng công nghệ chiếm thị phần lớn nhất trên thị trường thông tin di động

Các thành phần thiết bị chính và các giao diện của UMTS được chỉ ra trên hình 3.9

Hình 3.9: Cấu trúc của UMTS

UE (User Equipment): Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người

sử dụng với hệ thống UE gồm hai phần:

PTIT

o Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng

cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu

o Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin của thuê bao cần thiết

UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến có

nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử:

o Nút B: Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu Nó

cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến

o Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó) RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN

CN (Core Network): Mạng lõi gồm các thành phần sau

o HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này bao gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

o MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register): Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ

o GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài

o SGSN (Serving GPRS): Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS)

PTIT

o GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng nhƣ GMSC nhƣng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói

Các mạng ngoài: Bao gồm mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói

o Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh

o Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói

Các giao diện vô tuyến: gồm một số giao diện sau

o Giao diện Cu: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chung cho các thẻ thông minh

o Giao diện Uu: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ

thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

o Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

o Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất

khác nhau

o Giao diện Iub: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC

3.2.1 Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub

Giao diện Iub nằm giữa RNC và một node B RNC điều khiển node B thông qua Iub một số tác vụ nhƣ: thỏa thuận tài nguyên vô tuyến, bổ sung hoặc loại bỏ các tế

báo khỏi node B, hỗ trợ các kiểu truyền thông khác nhau và các liên kết điều khiển

Giao diện Iub cho phép truyền dẫn liên tục chia sẻ giữa giao diện Abis/GSM và giao diện Iub, tối thiểu số lƣợng tùy chọn có sẵn trong phần chức năng giữa RNC và

node B Bên cạnh chức năng điều khiển các ô, thêm hoặc loại bỏ các liên kết vô

tuyến trong các ô thuộc quản lý của các node B, Iub hỗ trợ chức năng O&M của node B Iub cho phép chuyển mạch giữa các kiểu kênh khác nhau nhằm duy trì kết nối Các chức năng chi tiết của Iub nhƣ sau:

PTIT

o Tái định vị bộ điều khiển mạng dịch vụ vô tuyến SRNC (Serving Radio Network Controller): Chuyển chức năng SRNC cũng như các nguồn tài nguyên liên quan tới Iu từ một RNC này tới một RNC khác

o Quản lý kênh mang truy nhập vô tuyến RAB (Radio Access Bearer): bao gồm thiết lập, quản lý và giải phóng kênh mang truy nhập vô tuyến

o Yêu cầu giải phóng RAB: gửi yêu cầu giải pháp kênh mang truy nhập vô tuyến tới mạng lõi CN

o Giải phóng các tài nguyên kết nối Iu: giải phóng toàn bộ tài nguyên liên quan tới một kết nối Iu Gửi yêu cầu giải phóng toàn bộ kết nối Iu tới mạng lõi CN

o Quản lý các tài nguyên truyền tải Iub: quản lý liên kết Iub, quản lý cấu hình ô,

đo hiệu năng mạng vô tuyến, quản lý sự kiện tài nguyên, quản lý kênh truyền tải chung, quản lý tài nguyên vô tuyến, sắp xếp cấu hình mạng vô tuyến

o Quản lý thông tin hệ thống và lưu lượng các kênh chung: Điều khiển chấp nhận, quản lý công suất, truyền dữ liệu

o Quản lý lưu lượng của các kênh cố định: Quản lý và giám sát liên kết vô tuyến, chỉ định và giải tỏa kênh, báo cáo thông tin đo kiểm, quản lý kênh truyền tải dành riêng, truyền dữ liệu

o Quản lý lưu lượng các kênh chia sẻ: Chỉ định và giải tỏa kênh, quản lý công suất, quản lý kênh truyền tải, truyền dữ liệu

o Quản lý đồng bộ và định thời: Đồng bộ kênh truyền tải, đồng bộ khung, đồng

bộ giữa node B và RNC, đồng bộ giữa các node B

Để hiểu rõ chức năng xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub, ta xem xét một tiến trình

thực hiện cuộc gọi theo các bước như sau (hình minh họa 3.10) Các bước tiến hành

logic dành riêng DCCH (Dedicated Control Channel), các DCCH được sử dụng để truyền các bản tin của RRC và NAS (NonAccess Stratum)

Bước 3: Khi DCH và DCCH không khả dụng, các bản tin báo hiệu để thiết lập kết nối cho RRC được truyền nhờ RACH (Random Access Channel) hướng đi và FACH (Forward Access Channel) hướng về

Hình 3.10: Thủ tục trao đổi thông tin báo hiệu qua Iub

Bước 4: Thủ tục mã hóa/ nhận thực được yêu cầu từ mạng được sử dụng để kiểm tra lần hai nhận dạng UE và chuyển mã giữa RNC và UE nếu cần

Bước 5: Thiết lập cuộc gọi thoại bắt đầu bởi bản tin SETUP trong lớp MM/SM/CC Bản tin Setup gồm con số thiết bị bị gọi và chuyển tới RNC tới miền mạng chuyển mạch kênh

Bước 6: Vùng mạng chuyển mạch kênh định nghĩa QoS cho cuộc gọi thoại Các giá trị QoS là các tham số trong kênh mang truy nhập vô tuyến RAB RAB gán thủ tục tương thích với thiết lập kênh mang trong mạng SS7 RAB cung cấp một kênh cho thoại gói giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị chuyển mạch trong vùng mạng chuyển mạch kênh

Bước 7: Tái cấu hình liên kết vô tuyến cung cấp nguồn tài nguyên để thiết lập kênh mang vô tuyến trong bước tiếp theo

PTIT

Bước 8: Bên cạnh việc thỏa thuận tham số trong thủ tục gán RAB, một kênh vô tuyến mới được thiết lập để mang các kênh lưu lượng dành riêng DTCH Nếu sử dụng mã AMR để mã hóa thoại, ba kênh DTCH được thiết lập gồm: Lớp A, Lớp B

và Lớp C

Bước 9: Giải phóng cuộc gọi thoại được thực hiện ngay sau khi RRC được giải phóng nếu không còn dịch vụ nào được kích hoạt Cả hai kênh điều khiển và lưu lượng dành riêng được giải phóng Cuối cùng, RNC giải phóng tài nguyên vô tuyến

bị khóa cho cả hai kênh để dành cho các cuộc gọi khác

3.2.2 Báo hiệu tại giao diện Iur và Iu

Để xem xét các thủ tục báo hiệu liên quan tới giao diện Iur và Iu, ta xem xét

chồng giao thức mạng UMTS dưới khía cạnh mặt bằng điều khiển như trên hình 3.11

Hình 3.11: Kiến trúc giao thức mạng UMTS

Một kiến trúc giao thức mạng UMTS được chia thành ba lớp: Lớp mạng truyền tải gồm các giao thức truyền tải và các chức năng để cung cấp nguồn tài nguyên AAL2 cho phép trao đổi thông tin giữa UTRAN và mạng chuyển mạch kênh; Lớp mạng vô tuyến gồm các giao thức và chức năng để quản lý giao diện vô tuyến và truyền thông giữa các thành phần của UTRAN hay giữa UTRAN và UE; Lớp mạng

hệ thống gồm các giao thức truy nhập mạng để truyền thông giữa mạng chuyển mạch kênh và UE Mỗi một lớp được chia thành mặt bằng điều khiển để truyền các

PTIT

thông tin báo hiệu và mặt bằng người dùng để truyền lưu lượng dữ liệu người sử dụng

a, Mặt bằng điều khiển/ người dùng Iur

Giao diện Iur giữa các RNC chỉ ra hai giải pháp trên lớp truyền tải gồm: SCCP

và các bản tin RNSAP chạy trên nền của SSCOP hoặc SCCP trên nền M3UA nếu lớp truyền tải là lớp IP

Hình 3.12: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iur Các giao thức sử dụng trong mặt bằng điều khiển/ dữ liệu của Iur đảm nhiệm các

M3UA: Lớp tương thích người dùng MTP mức 3 tương đương các chức năng của MTP3 M3UA được mở rộng để truy nhập tới các dịch vụ MTP3 cho các ứng dụng điều khiển từ xa dựa trên IP

PTIT

SCCP: Cung cấp dịch vụ truyền bản tin giữa hai điểm báo hiệu bất kỳ trong cùng một mạng

RNSAP: Phần ứng dụng phân hệ mạng vô tuyến RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part) gồm các giao thức truyền thông sử dụng trên giao diện

Iur và sử dụng luật mã hóa gói PER (Packet Encoding Rule)

a, Mặt bằng điều khiển/ người dùng Iu-CS

Chồng giao thức điều khiển/ người dùng Iu-CS bao gồm một số giao thức

AMR: Mã hóa đa tốc độ thích ứng AMR (Adaptive Multirate Codec) cung cấp một miền tốc độ rộng cho dữ liệu và sử dụng cho mã hóa tốc độ thấp cho giao diện

Hình 3.13: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-CS

Vùng chuyển mạch kênh liên quan tới một tập các thực thể xử lý lưu lượng người

sử dụng cũng như các báo hiệu liên quan Tại đây gồm các thành phần MSC, GMSC, VRL và chức năng liên kết liên mạng IWF tới mạng PSTN

c, Mặt bằng điều khiển/ người dùng Iu-PS

Vùng chuyển mạch gói gồm các thực thể liên quan tới truyền dẫn gói, SGSN, GGSN và cổng biên

PTIT

Hình 3.14: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-PS

Lưu lượng IP được truyền tải trên AAL5 của ATM Vì vậy không tồn tại lớp ALCAP trong mặt bằng điều khiển để thiết lập và xóa bỏ các kết nối ảo chuyển mạch của lớp AAL2

3.3 THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG MẠNG LÕI

3.3.1 Thiết lập cuộc gọi với ISUP/BICC

Trên giao diện giữa các MSC, ISUP được sử dụng để thiết lập và giải phóng các cuộc gọi qua miền mạng chuyển mạch kênh Một chức năng tương tự trên giao diện

Nc là BICC được định nghĩa trong 3GPP rel 4 BICC tương thích một phần với ISUP khi phần lớn các bản tin báo hiệu đều cùng tên nhưng không thể hoạt động ngang hàng Phần khác biệt chính là ISUP sử dụng chỉ một khe thời gian trong luồng E1 hoặc T1 với tốc độ không đổi (64kbps hoặc 56 kbps) Trong khi BICC có khả năng cung cấp và điều khiển bất kỳ một mức chất lượng dịch vụ nào cho các kết nối từ đầu cuối tới đầu cuối Các dịch vụ khả thi cung cấp cho thuê bao 3G trong Rel 4 có thể đưa ra từ các kết nối kênh hẹp tới các luồng đa phương tiện thời gian thực

Có ít nhất hai giao thức cung cấp dịch vụ truyền tải cho bản tin ISUP và BICC gồm bản tin SS7 MTP và M3UA Các địa chỉ được tìm thấy trong nhãn định tuyến Mỗi mạng SS7 trao đổi địa chỉ của nút gửi bằng mã điểm báo hiệu SPC Nhãn định tuyến thuộc đơn vị báo hiệu bản tin MTP mức 2 trong trường hợp dựa trên luồng E1, T1 hoặc nằm một phần trên MTP3-B nếu sử dụng hệ thống truyền tải ATM Phía gửi bản tin MSU hoặc MTP3-B được gọi là mã điểm đi OPC và phía nhận là

PTIT

mã điểm đến DPC Tham số SLS đưa thông tin về liên kết báo hiệu số 7 sẽ thuộc nhóm liên kết nào sử dụng để gửi bản tin Độ dài của SPC phụ thuộc vào cùng địa

lý Trong trường hớp sử dụng báo hiệu M3UA, địa chỉ IP được sử dụng để nhận dạng máy chủ MSC

Hình 3.15: Tiến trình cuộc gọi ISUP

Một cuộc gọi ví dụ trên hình 3.15 chỉ ra các thủ tục cần thiết cho một cuộc gọi ISUP thành công Các bản tin ISUP được trao đổi giữa hai MSC và được kết nối bởi STP với nhiệm vụ duy nhất là định tuyến bản tin báo hiệu STP không thiết lập hoặc giải phóng cuộc gọi nhưng đóng vai trò quan trọng của các dịch vụ mạng thông minh

Trên hình 3.15 cho thấy các thủ tục thiết lập cuộc gọi BICC trên giao diện E BICC sử dụng dịch vụ truyền tải MTP để trao đổi bản tin báo hiệu qua liên kết ATM Dịch vụ mang được điều khiển bởi BICC là thoại qua ATM sử dụng kênh ảo chuyển mạch AAL2 trên giao diện E

Hình 3.16: Các giao thức trên giao diện E

PTIT

Để rõ các thủ tục thiết lập và giải phóng một cuộc gọi sử dụng BICC, ta xem xét các lưu đồ trên hình 3.17 Mỗi nút mạng được nhận dạng bởi SPC SS7 là một phần của nhãn định tuyến MTP Các bản tin trên giao diện IuCS được lọc bởi giao thức SCCP Trên giao diện E, tất cả các bản tin BICC đều có cùng OPC hoặc DPC tương ứng với nhãn điện thoại MTP và được thêm giá trị CIC của BICC nếu cùng một cuộc gọi Các bản tin trao đổi giữa NAS và gán RAB được thực hiện trên IuCS bao gồm cả chức năng nhận thực và bảo mật (hình 3.18)

Hình 3.17: Lưu đồ cuộc gọi BICC (1/5)

Hình 3.18: Lưu đồ cuộc gọi BICC (2/5)

Như chỉ ra trên hình 3.19, sau khi thiết lập RAB thành công, bản tin IAM BICC được gửi trên giao diện E tới gateway MSC IAM của BICC chứa mã cuộc gọi hiện thời CIC=1 (Call Instance Code) để sử dụng cho các bản tin BICC khác trong cùng

PTIT

một cuộc gọi Thêm vào đó, số thuê bao bị gọi có thể tự động bổ sung hoặc bớt số 0 đối với các cuộc gọi quốc tế

Hình 3.19: Lưu đồ cuộc gọi BICC (3/5)

Số chỉ định vùng là địa chỉ E.164 tạo ra các thông tin nhận dạng địa lý của chủ gọi Nhận dạng ngữ cảnh ứng dụng chỉ ra phần tử dịch vụ ứng dụng truyền tải liên kết kênh mang trên thực thể BICC tại gateway MSC Phần tử này sẽ được gán vào các nguồn tài nguyên cần thiết để thiết lập kênh lưu lượng trên giao diện E Địa chỉ

IP của MSC được gửi đi trên bản tin IAM để các mạng truyền tải SS7 liên kết với các mạng dựa trên nền IP hoặc ATM

Hình 3.20: Lưu đồ cuộc gọi BICC (4/5)

Sau khi nhận được IAM, GMSC trả lời bằng một bản tin truyền tải ứng dụng APM (Application Transport Mechanism) ngược lại tới MSC Bản tin này chưa các

PTIT

tham số về kênh mang được thiết lập, giá trị nhận dạng biding nếu kênh mang sử dụng kênh ảo chuyển mạch AAL2

Hình 3.21: Lưu đồ cuộc gọi BICC (5/5)

Các bản tin phản ánh hành vi của hai thuê bao A, B cùng chức năng như trong cuộc gọi ISUP Trigger giải phóng cuộc gọi BICC thực hiện giải phóng cả kênh mang truy nhập vô tuyến RAB và các kênh mang thực hiện bởi RANAP (IuCS) và các thủ tục ALCAP

3.3.2 Báo hiệu trên giao diện Gn

Giao diện Gn xác định kết nối giữa các nút hỗ trợ GPRS (GPRS Support Nodes- GSNs) khác nhau Chúng có thể là nút hỗ trợ GPRS phục vụ (Serving GPRS Nodes-SGSNs) nếu chúng có một kết nối tới UTRAN sử dụng giao diện IuPS và/hoặc kết nối tới GERAN sử dụng giao diện Gb, hoặc nút hỗ trợ GPRS Gateway (Gateway GPRS Support Nodes-GGSNs) nếu chúng có một kết nối tới một mạng dữ liệu gói (Packet Data Network-PDN, ở đây là mạng Internet công cộng) sử dụng giao diện Gi hoặc tới mạng PLMN khác (Public Land Mobile Network- mạng di động mặt đất công cộng) sử dụng giao diện Gp Giao diện Gn cũng sử dụng để kết nối tất cả các SGSNs với nhau

Trong cả giao diện Gp và Gn giao thức đường hầm GPRS (GPRS Tunneling

Protocol-GTP) đều được sử dụng Mạng giao vận phía dưới mặt bằng điều khiển là

MTP (cho tin nhắn báo hiệu GTP-C) và mặt bằng người dùng GTP (cho IP payload)

PTIT

được dựa trên IP chạy trên Ethernet hoặc liên kết ATM Để cung cấp một dịch vụ giao vận nhanh giữa các thực thể GTP ngang hàng, giao thức UDP được sử dụng TCP với mức độ tin cậy cao hơn UDP được định nghĩa trong các tài liệu tiêu chuẩn như mọt sự thay thế, nhưng không được sử dụng bởi người điều hành mạng và các nhà sản xuất vì nó sẽ làm giảm thông lượng dữ liệu trong miền PS

Hình 3.22: Giao diện Gn cho đường hầm IP

Như trong hình 3.22, mục đích chính của giao diện Gn là đóng gói và tạo đường hầm cho các gói tin IP Tạo đường hầm dữ liệu nghĩa là dẫn dữ liệu một cách thông suốt qua mạng lõi Giữa các GSNs, một đường hầm GTP-U (GTP User Plane) được tạo cho mỗi ngữ cảnh PDP của một người đăng ký GPRS Qua đường hầm này, tất

cả các gói tin IP trong đường lên và đường xuống được dẫn trực tiếp Một tập các tin nhắn báo hiệu GTP được sử dụng để tạo, điều chỉnh và xoá đường hầm Những tin nhắn GTP-C này được trao đổi bằng một đường hầm độc lập giữa các GSNs Các thông số của đường hầm như tốc độ thông lượng,… được xác định trực tiếp từ

thoả thuận về chất lượng dịch vụ QoS trong PDP context Vì lớp giao vận IP mang

các gói tin dữ liệu GTP, bao gồm dữ liệu mặt bằng người sử dụng IP nên việc đóng gói IP-trong-IP có thể được theo dõi trên giao diện Gn do địa chỉ của lớp IP thấp hơn lớp giao vận thuộc SGSN và GGSN và chỉ liên quan tới giao diện Gn Địa chỉ

IP trong các gói tin IP đường hầm (được vận chuyển bởi GTP T-PDU) là địa chỉ IP của người đăng ký GPRS và máy chủ IP (IP Server)

Kiến trúc của GTP gồm có ba mặt bằng: mặt bằng điều khiển (GTP-C); mặt bằng người sử dụng (GTP-U) và GTP tính cước

PTIT

Hình 3.23 cho thấy những chức năng này có thể tìm thấy ở giữa những nút nào của kiến trúc mạng

Hình 3.23: Các chức năng của GTP trong UMTS

GTP-C quản lý thiết lập và giải phóng các đường hầm người dùng cụ thể giữa các GSNs để trao đổi thông tin báo hiệu GTP Sau đó, nó được sử dụng để tạo, sửa đổi

và xoá các đường hầm mặt bằng người dùng giữa các GSNs Nhiệm vụ thứ ba của GTP-C là hỗ trợ, quản lý di động và quản lý chỉ định vùng tuỳ chọn

GTP-U được dùng để truyền tải các gói tin IP đến và đi từ mạng chuyển mạch gói giống như Internet Nó được sử dụng trong cả giao diện IuPS và giao diện Gn Tuy nhiên, các đường hầm trên giao diện IuPS được điều khiển bởi báo hiệu RANAP GTP’ được dùng giữa GSNs và chức năng cổng tính cước (CGF) để truyền các bản tin chi tiết cước

3.3.3 Báo hiệu xử lý chuyển vùng

Báo hiệu xử lý chuyển vùng cho UMTS gồm hai kiểu chính: chuyển giao giữa các MSC trong cùng mạng 3G và chuyển giao giữa mạng 2G-3G Mục này tập trung vào các nội dung liên quan tới báo hiệu chuyển vùng trong nội mạng 3G Như

đã biết, giao thức ứng dụng di động MAP không chỉ sử dụng cho truyền thông giữa các cơ sở dữ liệu mà còn điều hành thông tin trao đổi giữa các MSC cũng như hỗ trợ chức năng truyền tải cho các giao thức truy nhập mạng vô tuyến RAN lớp 3 khác nhau MAP có thể mang các bản tin RANAP được trao đổi giữa các RNC kết nối tới các MSC khác nhau Khi RANAP hỗ trợ một phần chức năng truyền tải cho giao thức RRC, các bản tin RANAP mang thông tin RRC MSC trên giao diện E

PTIT

trong vùng mạng 3G, được nhúng trong các hoạt động của MAP Các RNC của

cùng một UTRAN có thể kết nối qua giao diện Iur nhưng không có giao diện Iur

cho các RNC khác UTRAN

Hình 3.23 chỉ ra hai UTRAN khác nhau kết nối qua giao diện E của vùng CS và giao diện Gn của vùng PS Nếu có một tình huống chuyển vùng của một UE thuộc hai UTRAN, CRNC của các ô này cần thông tin tới các CRNC khác để đảm bảo chuyển giao không gây lỗi

Hình 3.24: Các giao diện UMTS giữa hai UTRAN

Vấn đề trao đổi thông tin giữa UE và mạng được bắt đầu bằng việc thiết lập một

kết nối RRC RNC1 điều khiển kết nối RRC này và kết cuối trên các giao diện Iu

được gọi là RNC phục vụ (SRNC) Nếu UE di chuyển, nó cần liên hệ với một ô của một RNC khác Hai RNC này thuộc cùng một UTRAN và kết nối với nhau qua giao

diện Iur Nếu hai ô hoạt động trên cùng tần số thì chuyển giao mềm có thể diễn ra

Nếu UE mất liên hệ với các ô được điều khiển bởi RNC ban đầu thì chỉ còn RNC phía sau cung cấp tài nguyên vô tuyến cho kết nối Tuy nhiên nếu UE tiếp tục di chuyển khi cuộc gọi vẫn đang được hoạt hóa thì có thể có một ô của một Node B khác còn tốt hơn Điều này dẫn tới việc chuyển giao cứng giữa RNC thứ 2 và RNC mới thứ 3 này Trong trường hợp chuyển vùng cứng các tham số của kết nối RRC

PTIT

được chuyển tiếp đến SRNC mới và kết nối giữa các RNC được thực hiện thông qua giao diện E của miền lõi CS Các bước xử lý chuyển vùng nội mạng 3G được tóm tắt theo các bước sau:

Bước 1: Thủ tục chuyển giao nội 3G-MSC được khởi phát bởi báo cáo đo RRC khi

một thiết bị mới hoạt động cùng tần số với một thiết bị cũ (hình 3.25)

Bước 2: Khi SRNC (RNC 1) nhận được bản tin báo cáo RRC, quyết định thực hiện chuyển giao sang RNC 2 Khi không tồn tại giao thức Iur giữa các RNC, thủ tục

chuyển giao buộc phải là chuyển giao cứng cùng với tái chỉ định lại SRNS tại cùng thời điểm Tiến trình này được xử lý bởi SRNC cũ, là thành phần gửi bản tin yêu cầu tái định vị RANAP tới MSC của nó

Bước 3: Dựa trên bảng định tuyến của MSC phục vụ, RNC 2 được xác định có kết

nối tới một MSC khác như trên hình 3.24 Vì vậy, MSC cần gửi bản tin yêu cầu tái định vị RANAP tới MSC khác tới RNC 2 Do kênh lưu lượng của cuộc gọi cần chuyển tới MSC mới, MSC phục vụ gửi bản tin chuẩn bị chuyển vùng MAP chứa RANAP tới MSC mới

Hình 3.25: Chuyển giao nội 3G-MSC Bước 4: MSC mới chuyển bản tin yêu cầu tại định vị RANAP tới RNC 2

PTIT

Bước 5: RNC 2 chỉ định tất cả các nguồn tài nguyên vô tuyến để chuẩn bị cho kết

nối UE Đặc biệt, các chức năng lập lịch và điều khiển quản trị được kiểm tra và tính toán tương thích với các tập tham số của RNC 1 Tùy thuộc vào kết quả tính toán mà chuyển giao có được thực hiện hay không qua bản tin RRC được gửi đi từ RNC 2 Nếu yêu cầu QoS thay đổi, bản tin tái cấu hình kênh mang vô tuyến được gửi đi, trên ví dụ cho thấy bản tin tái cấu hình kênh vật lý được gửi

Bước 6: RNC 2 gửi bản tin xác nhận tái định vị RANAP tới RNC 2 để đáp lại bản

tin tái cấu hình kênh vật lý RRC

Bước 7: Trả lời bản tin tiền chuyển giao MAP được gửi bởi MSC mới tới MSC

phục vụ cũ Bản tin này chứa xác nhận tái định vị RANAP gồm thông tin tái cấu hình kênh vật lý RRC

Bước 8: MSC cũ gửi lệnh tái định vị RANAP tới RNC 1 Khi đó bản tin tái cấu hình

kênh vật lý được đưa ra bởi RNC 2 nhúng trong bản tin này một lần nữa bản tin lệnh tái định vị ra lệnh cho RNC 1 kết thúc các luật hiện áp dụng cho kết nối

Bước 9: Bản tin tái cấu hình kênh vật lý được chuyển bởi RNC 2 qua Iub cũ và giao diện Uu tới UE

Bước 10: Dựa trên các thông tin thu được từ bản tin yêu cầu tái cấu hình kênh vật lý

RRC, chuyển giao được thực hiện và bản tin hoàn tất tái cấu hình kênh vật lý được

gửi đi trên giao diện Iub mới tới RNC 2

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Nội dung chương 3 tập trung vào các nội dung liên quan tới kiến trúc, các giao thức báo hiệu và điều khiển kết nối trong mạng di động Kiến trúc báo hiệu cho hệ thống GSM (2G) được thực hiện chủ yếu trên hệ thống báo hiệu số 7 với sự hỗ trợ của mạng thông minh Trong mạng UMTS, các giao thức báo hiệu và điều khiển được chia tách thành hai phần chính gồm báo hiệu trên mạng truy nhập UTRAN và báo hiệu tại mạng lõi Các thủ tục báo hiệu cơ bản được trình bày thông qua các ví

dụ cụ thể mang tính chất điển hình

PTIT

Các nội dung ôn tập chính trong chương

- Kiến trúc và các điểm tham chiếu báo hiệu của hệ thống GSM;

- Đặc tính chức năng mặt bằng điều khiển của các giao diện Iub, Iu, Iur;

- Xử lý báo hiệu với ISUP/BICC tại mạng lõi;

- Thủ tục báo hiệu xử lý chuyển vùng nội mạng 3G

PTIT

CHƯƠNG 4: BÁO HIỆU TRONG PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG

TIỆN IP IMS

Tóm tắt: Tiếp cận phân hệ đa phương tiện IP đóng vai trò then chốt trong quá

trình hội tụ giữa mạng cố định và di động và internet hiện nay Nhằm sáng tỏ các vấn đề liên quan tới báo hiệu và điều khiển trong IMS, nội dung chương này sẽ trình bày các khía cạnh liên quan của IMS như cấu trúc chức năng, thành phần và các giao thức báo hiệu liên quan Bên cạnh báo hiệu và điều khiển cuộc gọi đa phương tiện qua giao thức SIP, các giao thức hỗ trợ nhận thực, tính cước hay thiết lập chính sách cho các cuộc gọi cũng sẽ được trình bày

4.1 KIẾN TRÚC PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN IP

Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị đầu cuối di động và mạng xã hội

đã và đang đem lại hàng loạt tiện ích mới cho người sử dụng Nhu cầu phát triển một phân hệ tích hợp các dịch vụ internet vào di động nhằm tạo ra một mạng di động thế hệ kế tiếp được xác định bằng giải pháp công nghệ IMS

Hình 4.1: Vị trí và mối quan hệ của IMS

Hình 4.1 thể hiện một cấu trúc hội tụ mạng với tâm điểm là IMS hỗ trợ cả miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh Việc phát triển của IMS là sự nỗ lực hợp tác giữa tổ chức tiêu chuẩn đứng đầu cho mạng di động 3GPP và tổ chức đứng đầu cho mạng Internet là IETF IETF cung cấp đặc tả các giao thức và công nghệ nền tảng trong khi 3GPP phát triển kiến trúc khung làm việc, tích hợp các giao thức cần thiết để cung cấp cho hệ thống di động các khả năng như chuyển vùng giữa các

PTIT

nhà điều hành, phân biệt chất lượng dịch vụ và tính cước Các yêu cầu cơ bản về cấu trúc của một hệ thống IMS đã được đặt ra gồm: hỗ trợ các phiên truyền thông

đa phương tiện IP; kết nối IP cho các thiết bị di động trên cả vùng mạng nhà và mạng khách; đảm bảo chất lượng thông tin cho các phiên đa phương tiện; hỗ trợ các chính sách sử dụng đúng tài nguyên yêu cầu; đảm bảo an toàn thông tin trong các môi trường kết nối; hỗ trợ chính sách tính cước; thực hiện chuyển vùng linh hoạt; phối hợp kết nối với các mạng khác; ứng dụng cơ chế điều khiển dịch vụ linh hoạt; phân lớp cấu trúc và đa dạng hình thức truy nhập

4.1.1 Mô hình kiến trúc IMS

Mục tiêu của kiến trúc IMS là cung cấp nhiều giá trị gia tăng hơn cho nhà cung cấp mạng, người phát triển ứng dụng, người cung cấp dịch vụ cũng như người sử dụng các thiết bị đầu cuối Kiến trúc IMS giúp các dịch vụ mới được triển khai một cách nhanh chóng với chi phí thấp Với IMS, nhà cung cấp mạng sẽ không chỉ làm công tác chuyển tải thông tin một cách đơn thuần mà trở thành tâm điểm trong việc phấn phối dung lượng thông tin trong mạng, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng như kịp thời thay đổi để đáp ứng các tình huống khác nhau của khách hàng Một mạng IMS được định nghĩa trong một kiến trúc mặt phẳng ngang gồm 3 lớp chức năng

Hình 4.2: Truy nhập với IMS

Lớp đầu tiên là lớp mang Lớp này truyền tải dung lượng báo hiệu và các luồng lưu lượng đa phương tiện Lớp này bao gồm các thiết bị phần cứng như thiết bị chuyển

PTIT

mạch, bộ định tuyến và các thực thể xử lý phương tiện như cổng đa phương tiện hay máy chủ phương tiện IMS đóng vai trò như một lớp truy nhập không phụ thuộc mạng để kết nối đến nhiều loại mạng khác nhau hiện có (hình 4.2)

Lớp thứ hai trong kiến trúc IMS là lớp điều khiển Bao gồm các phần tử của mạng báo hiệu như CSCF, HSS, MGCF…để hỗ trợ điều khiển phiên chung, điều khiển phương tiện và chức năng điều khiển truy nhập qua các giao thức báo hiệu như SIP, Diameter, H248 Lớp điều khiển là chức năng cốt lõi của IMS để truyền thông báo hiệu và các yêu cầu điều khiển tới các thành phần thiết bị trong phiên Lớp thứ 3 trong kiến trúc IMS là lớp dịch vụ Lớp này bao gồm các Server ứng dụng như server ứng dụng SIP, Server truy nhập dịch vụ mở bên thứ 3 và các điểm điều khiển dịch vụ mở kế thừa từ các hệ thống truyền thống IMS đưa ra các điều khiển dịch vụ thông qua mạng thuê bao nhà, các thành phần của mạng báo hiệu được phân phối trong lớp dịch vụ và lớp điều khiển Cấu trúc phân lớp được thể hiện trên hình 4.3

Hình 4.3: Kiến trúc phân lớp của phân hệ IMS

Một trong các yếu tố tạo nên tính ưu việt của hệ thống IMS trong mục tiêu kết nối là các cơ chế báo hiệu và điều khiển Cụ thể là thông qua hai giao thức báo hiệu là SIP và giao thức Diameter Giao thức SIP được sử dụng để thiết lập, duy trì và kết thúc các phiên đa phương tiện Còn giao thức Diameter được sử

Lớp Điều Khiển

CSCF MRFC MRFP MGCF

BGCF

SEG SGW

IMS_MGW GGSN

mở rộng

Các mạng IP

mở rộng

Lưu lượng báo hiệu Lưu lượng người dùng

Lớp Ứng Dụng

Lớp Truyền tải

AS

PTIT

dụng cho nhận thực trao quyền và thanh toán (AAA) đối với các dịch vụ của người sử dụng Nếu so sánh với giao thức báo hiệu SS7 truyền thống, giao thức được sử dụng trong mạng chuyển mạch kênh cung cấp dịch vụ thoại, chức năng giao thức SIP tương tự như ISUP còn giao thức Diameter và các ứng dụng của

nó tương ứng với giao thức dựa trên TCAP Để truyền tải giao thức báo hiệu trong IMS, giao thức truyền tải điều khiển luồng SCTP và giao thức điều khiển truyền tải TCP chạy trên nền IPv4/IPv6 được sử dụng

4.1.2 Các thành phần chức năng

Mục này phân tích các thực thể IMS và các chức năng cơ bản Các thực thể chức năng trong IMS có thể chia thành 6 loại cơ bản: nhóm quản lý phiên và định tuyến (CSCF); cơ sở dữ liệu (HSS, SLF); dịch vụ (máy chủ ứng dụng, MRFC, MRFP); các phần tử chức năng liên mạng (BGCF, MGCF, IMS-MGW, SGW); các bộ phận chức năng hỗ trợ (PDF, SEG, THIG); tính cước Dưới đây sẽ phân tích các chức năng cơ bản theo các thực thể trong IMS

a, Thực thể chức năng điều khiển phiên cuộc gọi (CSCF)

Thực thể chức năng điều khiển phiên cuộc gọi (CSCF) thực chất là một máy chủ SIP và đóng vai trò trung tâm của IMS CSCF có nhiệm vụ xử lý báo hiệu SIP trong IMS Có ba loại chức năng điều khiển phiên khác nhau: CSCF uỷ quyền (Proxy-CSCF: P-CSCF); CSCF phục vụ (Serving-CSCF: S-CSCF) và CSCF tham vấn (Interrogating-CSCF: I-CSCF) Mỗi CSCF có nhiệm vụ riêng Thường thì tất cả các CSCF tham gia trong suốt quá trình đăng ký thiết lập phiên và định hình cơ chế định tuyến SIP Ngoài ra, tất cả các chức năng đều có khả năng gửi số liệu tính cước tới bộ chức năng tính cước offline Có vài chức năng thông thường mà P-CSCF và S-CSCF có thể thực hiện Các thực thể có khả năng giải phóng phiên thay cho thuê bao (ví dụ khi S-CSCF phát hiện ra một phiên đang treo - không sử dụng, hoặc P-CSCF nhận được thông báo kênh mang truyền thông bị mất) và có khả năng kiểm tra nội dung của giao thức mô tả phiên (SDP) hoặc kiểm tra các loại hoặc các mã truyền thông trong giao thức này Khi SDP đang sử dụng không phù hợp với chính

PTIT

sách của nhà khai thác, CSCF từ chối yêu cầu và gửi bản tin thông báo lỗi SIP tới

UE

CSCF đại diện (ủy quyền)

P-CSCF là điểm kết nối, giao tiếp đầu tiên của các thuê bao trong hệ thống IMS

Có nghĩa là tất cả lưu lượng báo hiệu SIP từ UE sẽ được gửi tới P-CSCF Ngược lại, tất cả các kết cuối báo hiệu SIP từ mạng được gửi từ P-CSCF tới UE Bốn chức năng cơ bản của P-CSCF bao gồm: nén SIP, kết hợp bảo mật IP (IPSec), tương tác với chức năng quyết định chính sách (PDF) và xác định phiên khẩn cấp Có thể có một hoặc nhiều P-CSCF trong một mạng P-CSCF thực hiện các chức năng sau:

o Chuyển tiếp các yêu cầu SIP REGISTER tới CSCF truy vấn (I-CSCF) dựa trên tên miền do UE cung cấp

o Chuyển tiếp các yêu cầu và đáp ứng SIP của UE tới CSCF phục vụ (S-CSCF)

o Chuyển tiếp các yêu cầu và đáp ứng SIP tới UE

o Phát hiện các yêu cầu thiết lập phiên

o Tạo thông tin tính cước để gửi cho nút tính cước CCF

o Bảo vệ toàn vẹn báo hiệu SIP và duy trì liên kết bảo mật giữa UE và P-CSCF Chức năng này được cung cấp bởi giao thức bảo mật IPsec và tải tin bảo mật đóng gói ESP

o Nén và giải nén các bản tin SIP từ UE P-CSCF hỗ trợ nén bản tin dựa trên ba RFC: [RFC3320], [RFC3485] và [RFC3486]

o Chức năng kiểm tra phương tiện P-CSCF có thể kiểm tra nội dung tải tin giao thức mô tả phiên (SDP) và kiểm tra xem nó chứa các loại phương tiện hay codec Khi SDP không phù hợp với chính sách của nhà khai thác thì P-CSCF sẽ loại bỏ yêu cầu và gửi bản tin báo lỗi SIP tới UE

o Duy trì bộ định thời phiên Các bộ định thời phiên cho phép P-CSCF phát hiện

và giải phóng tài nguyên do các phiên đang bị treo chiếm dụng

PTIT