HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông CHỦ BIÊN: ThS. GVC Hoàng Trọng Minh 1. ThS. GVC Hoàng Trọng Minh (Chủ biên) 2. ThS. Nguyễn Thanh Trà 3. Dƣơng Thanh Tú 4. Phạm Anh Thƣ Hà Nội - 4/2013 PTIT i LỜI NÓI ĐẦU Hạ tầng truyền thông trong những năm gần đây đã và đang trong giai đoạn biến chuyển mạnh mẽ và đa dạng trên cả khía cạnh kỹ thuật và công nghệ. Với xu hƣớng hội tụ các công nghệ mạng, hàng loạt các giải pháp điều khiển kết nối mới đƣợc đƣa ra nhằm thích ứng với các điều kiện mạng và nâng cao chất lƣợng dịch vụ cho ngƣời sử dụng. Một trong các vấn đề quan trọng nhất liên quan tới các kết nối trong mạng đƣợc đặt ra là vấn đề báo hiệu và điều khiển kết nối. Vấn đề này không chỉ liên quan trực tiếp tới hiệu năng hệ thống mà còn là cơ sở phát triển cho các ứng dụng trên các hạ tầng công nghệ. Vì vậy, nội dung của cuốn tài liệu giảng dạy này nhằm cung cấp các kiến thức then chốt liên quan tới các hoạt động báo hiệu và điều khiển trong mô hình mạng truyền thông mới. Bên cạnh các mục tiêu học thuật, tài liệu sẽ khái quát các giải pháp đã và đang đƣợc sử dụng trong hệ thống mạng viễn thông hiện nay. Hơn nữa, tài liệu sẽ giúp ngƣời đọc có đƣợc góc nhìn hệ thống về kiến trúc điều khiển mạng nhằm phân tích đƣợc các điểm mạnh, điểm yếu của từng giải pháp cụ thể để phát triển trong môi trƣờng thực tiễn. Bố cục của bài giảng đƣợc phân bổ theo 5 chƣơng với các phân vùng mạng từ kiến trúc mạng viễn thông truyền thống tới mạng hội tụ trên nền IP. Các khái niệm cơ bản của lý thuyết điều khiển, mô hình kiến trúc và phân loại báo hiệu đƣợc trình bày đầu tiên và khép lại bởi các giải pháp thực thi trong các chƣơng tiếp theo. Trong quá trình viết tài liệu, nhóm biên soạn đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của rất nhiều thầy cô đồng nghiệp. Nhóm biên soạn xin chân thành cám ơn và luôn ghi nhận sự góp ý của các thầy cô, các bạn sinh viên để cuốn bài giảng ngày càng hoàn thiện. Hà Nội, 20 tháng 12 năm 2013 T/M nhóm biên soạn Hoàng Trọng Minh PTIT ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI 1 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 2 1.2.1 Các vấn đề chung của điều khiển 2 1.2.2 Cách tiếp cận điều khiển hệ thống viễn thông 4 1.3 CÁC THUỘC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 8 1.4 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 12 1.4.1 Điều khiển cung cấp QoS 12 1.4.2 Tiếp cận RACS và RASF 16 1.4.3 Điều khiển cấu trúc 19 1.4.4 Điều khiển trạng thái 21 1.5 KIẾN TRÚC VÀ PHÂN LOẠI BÁO HIỆU 22 1.5.1 Phân loại báo hiệu 22 1.5.2 Một số đặc tính của báo hiệu 24 1.5.3 Chức năng báo hiệu trong mô hình OSI 25 1.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 28 CHƯƠNG 2: BÁO HIỆU TRONG MẠNG CỐ ĐỊNH 30 2.1 KIẾN TRÚC MẠNG HỘI TỤ THEO HƢỚNG MÁY CHỦ CUỘC GỌI 30 2.1.1 Mô hình kiến trúc mạng 33 2.1.2 Các giải pháp kết nối 36 2.1.3 Chức năng mặt bằng báo hiệu và điều khiển 39 2.2 HỆ THỐNG BÁO HIỆU SỐ 7 41 PTIT iii 2.2.1 Mô hình kiến trúc chức năng 41 2.2.2 Thành phần mạng báo hiệu số 7 43 2.2.3 Xử lý định tuyến và thủ tục thiết lập cuộc gọi 44 2.3 BỘ GIAO THỨC BÁO HIỆU H.323 51 2.3.1 Thành phần mạng báo hiệu H.323 51 2.3.2 Các giao thức báo hiệu cuộc gọi trong H.323 54 2.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thủ tục báo hiệu cuộc gọi 56 2.4 GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN SIP 57 2.4.1 Thành phần mạng báo hiệu SIP 59 2.4.2 Kiến trúc chức năng 60 2.4.3 Bản tin SIP và giao thức SDP 61 2.4.4 Thủ tục trao đổi thông tin của SIP 63 2.5 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CỔNG PHƢƠNG TIỆN MEGACO 67 2.5.1 Kiến trúc chức năng báo hiệu Megaco/H.248 67 2.5.2 Các lệnh và thủ tục trao đổi thông tin 69 2.6 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CUỘC GỌI ĐỘC LẬP KÊNH MANG BICC 75 2.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 79 CHƯƠNG 3: BÁO HIỆU TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 81 3.1 BÁO HIỆU TRONG MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO 81 3.1.1 Các thế hệ phát triển mạng di động tế bào 81 3.1.2 Kiến trúc báo hiệu cho hệ thống GSM 85 3.1.3 Mạng thông minh 91 3.2 BÁO HIỆU TẠI MẠNG TRUY NHẬP 94 3.2.1 Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub 96 3.2.2 Báo hiệu tại giao diện Iur và Iu 99 3.3 THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG MẠNG LÕI 102 3.3.1 Thiết lập cuộc gọi với ISUP/BICC 102 3.3.2 Báo hiệu trên giao diện Gn 106 3.3.3 Báo hiệu xử lý chuyển vùng 108 PTIT iv 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 111 CHƯƠNG 4: BÁO HIỆU TRONG PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN IP IMS 113 4.1 KIẾN TRÚC PHÂN HỆ ĐA PHƢƠNG TIỆN IP 113 4.1.1 Mô hình kiến trúc IMS 114 4.1.2 Các thành phần chức năng 116 4.1.3 Các giao thức của IMS 122 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA SIP TRONG IMS 123 4.2.1 Đặc tính kỹ thuật 123 4.2.2 Các thủ tục báo hiệu SIP trong IMS 124 4.3 CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU KHÁC TRONG IMS 128 4.3.1 Giao thức Diameter 128 4.3.2 Giao thức COPS 130 4.3.3 Nén báo hiệu trong IMS 131 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 133 CHƯƠNG 5: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LIÊN MẠNG 135 5.1 XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC MẠNG 135 5.1.1 Hội tụ mạng cố định và di động 135 5.1.2 Cấu trúc FMC dựa trên IMS 136 5.1.3 Mô hình tham chiếu IMS trong FMC 137 5.2 GIAO THỨC TRUYỀN TẢI BÁO HIỆU SIGTRAN 143 5.3 KẾT NỐI LIÊN MẠNG IMS-CS 151 5.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 155 PTIT v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AAA Authentication Authorization Accounting Nhận thực trao quyền và thanh toán ACK Acknowledgement Báo nhận AMPS Advanced Mobile Phone Service Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến API Application Programable Interface Giao diện lập trình ứng dụng mở AS/FS Application Server/ Feature Server Máy chủ ứng dụng/đặc tính ATM Asynchronous Transfer Mode Kỹ thuật truyền tải không đồng bộ BSS Bussiness Support System Hệ thống trợ giúp kinh doanh CAC Call Admission Control Kỹ thuật điều khiển chấp nhận cuộc gọi CBQ Class Based Queuing Hàng đợi dựa trên phân lớp dịch vụ COPS Common Open Policy Service Giao thức dịch vụ chính sách mở chung CoS Class Of Service Phân lớp dịch vụ CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ dò tìm xung đột DECT Digital European Cordless Telecommunications Hệ thống viễn thông không dây số của Châu Âu ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu FIFO First In – First Out Vào trƣớc ra trƣớc FSM Finite State Machine Máy hữu hạn trạng thái GII Global Information Infrastructure Cấu trúc thông tin toàn cầu GSM Global System for Mobile communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu IAD Intergated Access Device Thiết bị truy nhập tích hợp PTIT vi IAM Initial Adress Message Bản tin địa chỉ khởi tạo IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật internet IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phƣơng tiện IN Inteligent Network Mạng thông minh IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Service Digital Network Mạng dịch vụ tích hợp số ISUP ISDN User Part Phần ngƣời sử dụng cho mạng ISDN ITU International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu LTI Linear and Time-Invariant Tuyến tính và bất biến theo thời gian LTR Logic Transfromational Rule Luật ánh xạ logic MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phƣơng tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị MG Media Gateway Cổng đa phƣơng tiện MGC Media Gateway Controller Bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện MIME Multipurpose Internet Mail Extentions Mở rộng thƣ điện tử internet đa mục đích MPLS Multi Protocol Label Switch Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTUP Mobile Telephone User Part Phần ngƣời sử dụng cho mạng điện thoại di động. NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp NUM Network Utility Maximization Bài toán tối ƣu hiệu năng mạng OSI Open System Interconnection Mô hình kết nối hệ thống mở PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất PLMR Public Land Mobile Radio Vô tuyến di động mặt đất công cộng PMD People Making Decision Quyết định của ngƣời điều hành QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến RACS The Resource and Admission Control Sub-System1 Phân hệ điều khiển chấp nhận và tài nguyên PTIT vii RAS Register, Administrator and Signalling Đăng ký, quản lý và báo hiệu RASF Resource and Admission Control Functions Chức năng điều khiển và chấp nhận tài nguyên RED Random Early Detection Thuật toán loại bỏ gói sớm RSVP Resource ReserVation Protocol Giao thức dự phòng tài nguyên SCF Service Control Function Chức năng điều khiển dịch vụ SIO Service Information Octet Trƣờng thông tin dịch vụ SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên SLA Service Level Agreement Thỏa thuận cung cấp dịch vụ SP Signalling Point Điểm báo hiệu SPC Stored Program Control Điều khiển theo chƣơng trình ghi sẵn SPDF Service-Based Policy Decision Function Chức năng quyết định chính sách dịch vụ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDM Time Division Mode Phƣơng thức chia thời gian TUP Telephone User Part Phần ngƣời sử dụng cho mạng thoại UTRAN UMTS Terestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS VoIP Voice over Internet Protocol Truyền thoại theo giao thức internet WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WFQ Weight Fair Queuing Hàng đợi trọng số công bằng PTIT viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình chung của một hệ thống điều khiển 2 Hình 1.2: Cấu trúc logic của thỏa thuận cung cấp chất lƣợng dịch vụ 13 Hình 1.3: Các kỹ thuật cung cấp QoS cho mạng viễn thông 13 Hình 1.4: Các mô hình cung cấp dịch vụ 15 Hình 1.5: Kiến trúc của phân hệ RACS 17 Hình 1.6: Kiến trúc của phân hệ RACF 18 Hình 1.7: Phân loại các kỹ thuật báo hiệu 23 Hình 1.8: Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở OSI 26 Hình 2.1: Các chức năng GII và mối quan hệ 33 Hình 2.2: Kiến trúc mạng NGN theo ETSI 35 Hình 2.3: Các thành phần chính trong mạng thế hệ kế tiếp 36 Hình 2.4: Kết nối MGC với các thành phần khác của NGN 40 Hình 2.5: Chức năng của bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện MGC 40 Hình 2.6: Kiến trúc SS7 và mô hình tham chiếu OSI 42 Hình 2.7: Mã điểm theo tiêu chuẩn ANSI và ITU 44 Hình 2.8: Cấu hình nút và liên kết mạng SS7 45 Hình 2.9: Trƣờng thông tin lớp 3 của bản tin báo hiệu 46 Hình 2.10: Lƣu đồ báo hiệu cho cuộc gọi ISDN 51 Hình 2.11: Các thành phần mạng H.323 52 Hình 2.13: Chức năng của một Gatekeeper 54 Hình 2.14: Mô hình kết nối báo hiệu trong H.323 55 Hình 2.15: Tiến trình xử lý báo hiệu một cuộc gọi đơn giản trong H.323 56 Hình 2.16: Cấu trúc của hệ thống SIP 59 Hình 2.17: Kiến trúc điều khiển của MEGACO 68 Hình 2.18: Giao thức MEGACO trong mô hình OSI 69 Hình 2.19: Mô tả cuộc gọi MEGACO 71 Hình 2.20: Lƣu đồ các bản tin xử lý cuộc gọi qua giao thức MEGACO/H248 73 Hình 2.21: Kiến trúc giao thức BICC 76 PTIT ix Hình 2.22: Cấu trúc các nút mạng BICC 77 Hình 2.23: Cấu trúc chức năng nút dịch vụ 78 Hình 2.24: Cấu trúc chức năng nút dàn xếp dịch vụ 78 Hình 2.25: Mô hình giao thức của BICCC 79 Hình 3.1: Lộ trình phát triển các thế hệ mạng di động 84 Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống GSM 85 Hình 3.3: Phân lớp chức năng của SS7 trong mạng GSM 86 Hình 3.4: Vị trí các giao diện trong hệ thống GSM 88 Hình 3.5: Các thủ tục chuyển vùng qua MAP/E 89 Hình 3.6: Các điều hành của MAP trong trƣờng hợp cuộc gọi từ mạng PSTN 90 Hình 3.7: Điều hành MAP liên quan tới dịch vụ bản tin ngắn SMS 91 Hình 3.8: Mô hình khái niệm mạng IN 93 Hình 3.9: Cấu trúc của UMTS 94 Hình 3.10: Thủ tục trao đổi thông tin báo hiệu qua Iub 98 Hình 3.11: Kiến trúc giao thức mạng UMTS 99 Hình 3.12: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iur 100 Hình 3.13: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-CS 101 Hình 3.14: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-PS 102 Hình 3.15: Tiến trình cuộc gọi ISUP 103 Hình 3.16: Các giao thức trên giao diện E 103 Hình 3.17: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (1/5) 104 Hình 3.18: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (2/5) 104 Hình 3.19: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (3/5) 105 Hình 3.20: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (4/5) 105 Hình 3.21: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (5/5) 106 Hình 3.22: Giao diện Gn cho đƣờng hầm IP 107 Hình 3.23: Các chức năng của GTP trong UMTS 108 Hình 3.24: Các giao diện UMTS giữa hai UTRAN 109 Hình 3.25: Chuyển giao nội 3G-MSC 110 PTIT . CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI 1 1. 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1. 2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 2 1. 2 .1 Các vấn đề chung của điều khiển 2 1. 2.2 Cách tiếp cận điều khiển. khiển cấu trúc 19 1. 4.4 Điều khiển trạng thái 21 1. 5 KIẾN TRÚC VÀ PHÂN LOẠI BÁO HIỆU 22 1. 5 .1 Phân loại báo hiệu 22 1. 5.2 Một số đặc tính của báo hiệu 24 1. 5.3 Chức năng báo hiệu trong mô. thông 4 1. 3 CÁC THUỘC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 8 1. 4 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 12 1. 4 .1 Điều khiển cung cấp QoS 12 1. 4.2 Tiếp cận RACS và RASF 16 1. 4.3 Điều khiển cấu