Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng thông tin di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Bùi Thị Thu Hiền ĐỀ TÀI: GIẢI PHÁP CHUYỂN MẠCH MỀM TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TRẦN VĂN CÚC HÀ NỘI – 2008 Lời nói đầu Thị trường di động năm gần có bước phát triển vô mạnh mẽ Dịch vụ chủ ñạo thoại SMS Tuy nhiên, dịch vụ liệu dựa IP ngày phát triển Nhu cầu người dịch vụ khơng giới hạn, địi hỏi dịch vụ đa dạng chất lượng cao Người sử dụng di ñộng mong muốn thời điểm họ sử dụng nhiều dịch vụ vừa gọi ñiện thoại vừa gửi hình ảnh, chia sẻ file cho Các dịch vụ viễn thông trở thành một thứ "phong cách" sống Sự cạnh tranh nhà khai thác ngày khốc liệt Với dự đốn phát triển thị trường vây, họ phải có bước phù hợp nhằm đảm bảo sống cịn Một giải pháp quan tâm xu hướng hội tụ Các nhà khai thác xây dựng mạng có tính hội tụ: hệ thống ứng dụng chung chạy hạ tầng mạng lõi phục vụ cho nhiều phương thức truy nhập khác Trong lĩnh vực di ñộng, việc chuyển ñổi kiến trúc mạng từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói dựa cơng nghệ IP ñang xu hướng chủ ñạo Trong luận văn này, em tập trung nghiên cứu giải pháp chuyển mạch mềm mạng di ñộng – Mobile Switching Solution Giải pháp dựa kiến trúc mạng phân lớp, mạng tích hợp ngang ðó kiến trúc mạng có phân tách chức ñiều khiển với chức vận chuyển liệu Sự phân tách lớp ñiều khiển khỏi lớp truyền tải phù hợp với xu hướng phát triển hệ thống thơng tin di động 3G phù hợp với tổ chức tiêu chuẩn 3GPP Nội dung báo cáo em gồm: Chương 1: Tổng quan phát triển hệ thống thông tin di ñộng Chương 2: Giải pháp chuyển mạch mềm mạng di ñộng hệ thứ WCDMA Chương 3: Cách thức triển khai giải pháp MSS Trong trình nghiên cứu, em cố gắng hồn thành luận văn cách hồn chỉnh Nhưng thời gian kiến thức nhiều hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận ñược bảo thầy cô ý kiến ñóng góp bạn bè ñể luận văn em ñược hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình TS Trần Văn Cúc thầy cô giáo khoa ðiện tử viễn thơng để em hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ðỘNG 1.1 Giới thiệu chung mạng di dộng ðiện thoại di ñộng ñã chứng tỏ thành tựu bật công nghệ thương mại thập niên gần Kể từ có đời điện thoại di động, vị trí thị trường phát triển cách chóng mặt từ thiết bị sơ khai, vật chuyên biệt, trở thành vật dụng thực cần thiết việc giải trí kinh doanh Qua hai thập kỷ gần ñây, kết hợp với giảm ñáng kể chi phí cho hoạt ñộng phát triển ứng dụng dịch vụ lạ, tiến triển cơng nghệ di động khẳng ñịnh thị trường lớn mạnh Sự tiến triển cơng truyền thơng di động phân làm hai hệ phát triển Hiện tại, bước vào hệ thứ ba (3G) hệ thống di động Tổng quan mà nói, hệ thống hệ thứ (1G) mũi tên ñường cho hệ sau, hệ thống dựa tảng công nghệ tương tự ðến năm 1990, hệ thống hệ thứ hai (2G) đời dựa cơng nghệ kỹ thuật số Bên cạnh lĩnh vực viễn thông truyền giọng nói kỹ thuật số, với góp mặt hệ thống 2G, loạt dịch vụ số với tốc ñộ truyền liệu thấp ñã trở nên phong phú ña dạng, bao gồm “mobile fax” (chuyển fax di động), gửi thư giọng nói, dịch vụ gửi tin nhanh (short message service – SMS) Những hệ thống hệ thứ hai (2G) ñồng nghĩa với tồn cầu hố hệ thống di động Trong việc nhận tầm quan trọng Internet ñồng thời bước tiến tiếp tới ngưỡng cửa cơng nghệ hệ thứ ba (3G), giai đoạn phát triển cuối loại mạng 2G ñã cho ñời dịch vụ ña phương tiện di ñộng Sự phát triển đầy kinh ngạc Internet mơ tả hồn hảo nhu cầu truy nhập vào ứng dụng dịch vụ băng rộng Những loại dịch vụ nằm khả hệ thống thuộc hệ 2G ñương thời, dịch vụ mà cung cấp dịch vụ thoại có tốc độ liệu thấp Sự hội tụ công nghệ dựa giao thức Internet di ñộng ngày động lực cho phát triển hệ thống thuộc 3G Những hệ thống truyền thông di ñộng 3G có khả phân phối ứng dụng dịch vụ với tốc ñộ liệu lên tới vượt 2Mb/s Việc tiêu chuẩn hố hệ thống 3G thực hiên Liên đồn Viễn thơng Quốc tế Trên phương diện tồn cầu, người ta nhìn nhận hệ thống Viễn thơng Di động Quốc tế 2000 (IMT- 2000) Ở châu Âu, hệ thống 3G ñược coi Hệ thống Viễn thơng Di động Tồn cầu (UMTS) Cho dù thoại ứng dụng chiếm ưu năm ñầu mạng hệ 3G, có khả mạng vận hành hệ thống với ứng dụng ña phương tiện di ñộng, chẳng hạn điện thoại truyền hình ảnh, truy nhập file ftp, tra cứu trang Web… Khi công nghệ 3G mở ra, ứng dụng với băng thông rộng thâm nhập thị trường theo khuynh hướng mà việc chuyển phát liệu cho thông lượng lớn Tuy nhiên, mạng thơng tin di động hệ thứ ba (3G) chưa ñáp ứng ñược tất nhu cầu khách hàng cần sử dụng giao tiếp thơng tin tốc độ cao Do đó, địi hỏi phải có đời mạng di động hệ thứ tư (4G) Tốc ñộ liệu di ñộng 2Mb/s, có khả lên tới 155Mb/s số mơi trường định, tiếp tục mở rộng dịch vụ ứng dụng khả phân phối 1.2 Hệ thống thơng tin di động 2G Hệ thống thơng tin di động hệ thứ hai (2G) ñời bước ngoặt lịch sử ngành truyền thơng giới Từ sử dụng tồn thiết bị với tín hiệu tương tự sang sử dụng tồn thiết bị với tín hiệu số ñã giúp chất lượng mạng ñược cải thiện ñáng kể Giai đoạn đầu q trình phát triển GSM phải ñảm bảo dịch vụ số liệu tốt Tồn hai chế dịch vụ số liệu: chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switched) chuyển mạch gói (PS: Packet Switched) Các dịch vụ số liệu chế ñộ chuyển mạch kênh ñảm bảo: - Dịch vụ tin ngắn – SMS - Số liệu dị cho tốc ñộ 14,4Kbps - Fax băng tiếng cho tốc ñộ 14,4Kbps Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch gói đảm bảo: - Chứa chế ñộ dịch vụ kênh - Dịch vụ Email, Internet, … - Sử dụng chức IWF/PSDN SSS ISDN AUC VLR HLR PSPDN CSPDN EIR MSC BSS PSTN BSC OMC BTS PLMN MS Hình 1.1: Cấu trúc mạng GSM ðể thực kết nối vào mạng IP, giai đoạn sử dụng giao thức ứng dụng vô tuyến – WAP OSS : Hệ thống khai thác hỗ trợ AUC : Trung tâm nhận thực HLR : Bộ ghi ñịnh vị thường trú MSC : Tổng ñài di ñộng BSS : Hệ thống trạm gốc BSC : ðài ñiều khiển trạm gốc OMC : Trung tâm khai thác bảo dưỡng PSPDN : Mạng chuyển mạch gói cơng cộng PSDN : Mạng chuyển mạch điện thoại cơng cộng SS : Hệ thống chuyển mạch VLR : Bộ ghi ñịnh vị tạm trú EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị BTS : Trạm vô tuyến gốc MS : Máy di ñộng ISDN : Mạng số liên kết ña dịch vụ PLMN : Mạng di động mặt đất cơng cộng Hệ thống GSM ñược thiết kế ñể làm việc băng tần 900 MHz (896960 MHz) qui ñịnh tám khe thời gian cho kênh rộng 200 KHz Cấu trúc mạng gồm ba phần chính: • Phân hệ vơ tuyến (RSS - Radio SubSystem) bao gồm phân hệ trạm gốc (BSS) thuê bao MS • Phân hệ chuyển mạch (SSS - Switching SubSystem) dùng cho chức chuyển mạch cần thiết cho hoạt ñộng ñộc lập mạng cho hoạt ñộng kết hợp mạng với mạng cố ñịnh (PSTN/ISDN) mạng vơ tuyến khác • Phân hệ vận hành bảo dưỡng (OMS - Operation and Maintenance Subsystem) cung cấp chức cần thiết cho toàn hoạt ñộng mạng cho việc thu nhận thông tin hoạt động hệ thống Phân hệ vơ tuyến (RSS - Radio SubSystem) Trạm di ñộng (MS - Mobile Station) MS ñầu cuối di ñộng, gồm thiết bị: thiết bị di ñộng ME (Mobile Equipment) module nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module) SIM khối vật lý tách riêng, chẳng hạn IC Card cịn gọi card thơng minh Khơng có SIM, MS khơng thể thâm nhập đến mạng trừ trường hợp gọi khẩn Khi liên kết ñăng ký thuê bao với card SIM với MS MS có chức chính: - Thiết bị đầu cuối: ðể thực dịch vụ người sử dụng (thoại, fax, hiển thị,…) - Kết cuối di ñộng: ðể thực truyền dẫn giao diện vô tuyến vào mạng - Thích ứng đầu cuối Hệ thống trạm gốc (BSS - Base Station System) BSS hệ thống đặc thù riêng cho tính chất tổ ong vơ tuyến GSM BSS giao tiếp trực tiếp với trạm di động MS thơng qua giao diện vơ tuyến, bao gồm thiết bị thu/phát đường vô tuyến quản lý chức Mặt khác BSS thực giao tiếp với tổng ñài phân hệ chuyển mạch SS Tóm lại, BSS thực ñấu nối MS với tổng ñài nhờ ñấu nối người sử dụng trạm di ñộng với người sử dụng viễn thông khác BSS phải điều khiển, đấu nối với phân hệ vận hành bảo dưỡng OMS BSS bao gồm hai loại thiết bị là: BTS giao diện với MS BSC giao diện với MSC Trạm thu phát gốc (BTS - Base Tranceiver Station) Một BTS bao gồm thiết bị thu/phát, anten xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến BTS thiết bị trung gian mạng GSM thiết bị th bao MS, trao đổi thơng tin với MS qua giao diện vơ tuyến Có thể coi BTS Modem vơ tuyến phức tạp có thêm số chức khác Mỗi BTS tạo hay số khu vực vùng phủ sóng ñịnh gọi tế bào (cell) Một phận quan trọng BTS khối chuyển ñổi mã thích ứng tốc độ (TRAU - Transcode/Rate Adapter Unit) TRAU thiết bị mà q trình mã hố giải mã tiếng ñặc thù riêng cho GSM ñược tiến hành, thực thích ứng tốc ñộ trường hợp truyền số liệu Khối thích ứng chuyển đổi mã thực chuyển đổi mã thơng tin từ kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành kênh thoại tiêu chuẩn (64 Kb/s) trước chuyển ñến tổng ñài TRAU phận BTS, đặt cách xa BTS chí cịn đặt BSC MSC TRAU thường ñược ñiều khiển BTS Bộ ñiều khiển trạm gốc (BSC - Base Station Controller) BSC có nhiệm vụ quản lý tất giao diện vô tuyến thơng qua lệnh điều khiển từ xa Các lệnh chủ yếu lệnh ấn định, giải phóng kênh vơ tuyến chuyển giao Một phía BSC nối với BTS, cịn phía nối với MSC phân hệ SS Trong thực tế, BSC ñược coi tổng đài nhỏ, có khả tính tốn đáng kể Vai trị quản lý kênh giao diện vô tuyến chuyển giao Giao diện BSC MSC giao diện A, giao diện BTS BSC giao diện Abis Các chức BSC: Quản lý mạng vơ tuyến: việc quản lý vơ tuyến quản lý cell kênh logic chúng Các số liệu quản lý ñều ñược ñưa BSC ñể ño ñạc xử lý, chẳng hạn lưu lượng thông tin cell, môi trường vô tuyến, số lượng gọi bị mất, lần chuyển giao thành công thất bại Quản lý trạm vơ tuyến gốc BTS: trước đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình BTS (số máy thu/phát TRX, tần số cho trạm ) Nhờ mà BSC có sẵn tập kênh vơ tuyến dành cho điều khiển nối thơng gọi ðiều khiển nối thông gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập giải phóng đấu nối tới máy di động MS Trong q trình gọi, đấu nối ñược BSC giám sát Cường ñộ tín hiệu, chất lượng ñấu nối ñược máy di ñộng TRX gửi đến BSC Dựa vào mà BSC ñịnh công suất phát tốt MS TRX ñể giảm nhiễu tăng chất lượng ñấu nối BSC điều khiển q trình chuyển giao nhờ kết ño kể ñể ñịnh chuyển giao MS sang cell khác, nhằm ñạt ñược chất lượng gọi tốt Trong trường hợp chuyển giao sang cell BSC khác phải nhờ trợ giúp MSC Bên cạnh đó, BSC ñiều khiển chuyển giao kênh cell từ cell sang kênh cell khác trường hợp cell bị nghẽn nhiều Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức quản lý cấu hình đường truyền dẫn tới MSC BTS để đảm bảo chất lượng thơng tin Trong trường hợp có cố tuyến đó, tự động điều khiển tới tuyến dự phịng 72 Hình 3.1: Mạng chuyển tiếp Mạng WCDMA ñược thêm vào mạng GSM ñang tồn RNC BSC ñều ñược nối tới MSC MGW MGW ñược ñiều khiển MSC hoạt ñộng MSC Server Chuyển giao hệ thống đạt cách nối RNC BSC tới MSC MGW 3.3 Giải pháp Ericsson ðây giải pháp mà Ericsson ñưa cho Viettel nhằm tiến tới kiến trúc mạng phân lớp (Mobile Softswitch – MSS) Giải pháp sử dụng phiên MSS R4.1 (MSC-server R12 MGW R4.1) 73 No Voice Traffic Per Sub 25 mErlang/Subscriber BHCA Per Sub 1.5 BHSMS Per Sub BHSMS Per Sub 0.9 (with SMS TE = 0.5, SMS ORG = 0.4) Voice Traffic Mean Holding Time 60s (Seconds) % of Prepaid Subscribers 75% % of Postpaid Subscribers 25% Grade of Service – GoS, A interface 1% GoS – MSC to PSTN interface and PLMN 1% Grade of Service – GoS, air interface 2% Mobile Originating Traffic 52% 10 Mobile Terminating Traffic 48% 11 SS7 utilisation 20% Bảng 1: Lưu lượng vào thơng số đo Căn theo phân bố lưu lượng thuê bao, Ericsson đưa giải pháp gồm site site phụ Site đặt Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh, chúng có MSC-Server (in pools), HLR, MGW and BSC Site phụ ðà Nẵng có MGW BSC Site GSM Lưu lượng qua giao diện Nb từ M-MGw lưu lượng báo hiệu SS7 (SIGTRAN) từ MSC Server M-MGw ñược vận chuyển qua IP Giao diện STM-1 ñược sử dụng cho lưu lượng TDM tới mạng khác 74 Giao diện STM-1 ñược sử dụng cho giao diện A, vận chuyển tải lưu lượng báo hiệu BSSAP Với site co nhiều M-MGw BSC ñược nối tới M-MGw Lưu lượng Gb từ BSC ñược vận chuyển qua IP với giao diện Gigabit Ethernet Hình 3.2: Site GSM với truyền tải IP Site GSM phụ Lưu lượng qua giao diện Nb lưu lượng báo hiệu SS7 (SIGTRAN) từ M-MGw ñược vận chuyển qua IP Giao diện STM-1 ñược sử dụng cho lưu lượng TDM tới mạng khác (có thể gồm ISUP báo hiệu khác) Giao diện STM-1 ñược sử dụng cho giao diện A, vận chuyển tải lưu lượng báo hiệu BSSAP Với site co nhiều M-MGw BSC nối tới M-MGw 75 Lưu lượng Gb từ BSC ñược vận chuyển qua IP với giao diện Gigabit Ethernet Hình 3.3: Site GSM phụ với truyền tải IP Chức transit chuyển mạch nội vùng kiểm sốt MGW Hình 3.4: Giải pháp Transit với GMSC/TSC-server 76 Sơ ñồ mạng lõi Lưu lượng tổng xuất phát từ mạng truy nhập vơ tuyến nút MSS mạng lõi kiểm soát Chức chuyển mạch nội hạt kiểm soát 25% lưu lượng nội vùng 50% lưu lượng POI Giả sử ñiểm liên kết với PSTN xa tiết kiệm chi phí truyền dẫn tối thiểu 60% ðối với lưu lượng liên vùng (25% inter-regional), MSS góp phần tiết kiệm băng thơng đáng kể thơng qua mạng truyền tải IP Hình 3.5: Phân bố mức lưu lượng mạng Thoại nén giao diện Nb phối hợp TFO/TrFO cho truy nhập GSM cho phép vận chuyển thoại mã hóa AMR EFR M-MGw Khi truyền thoại mã hóa AMR EFR mạng IP, tiết kiệm băng thông tới 80% so với truyền PCM qua IP ATM 77 Sơ ñồ mạng: ... di ñộng, việc chuyển ñổi kiến trúc mạng từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói dựa cơng nghệ IP xu hướng chủ ñạo Trong luận văn này, em tập trung nghiên cứu giải pháp chuyển mạch mềm mạng di. .. sánh cấu trúc chuyển mạch truyền thống chuyển mạch mềm Như vậy, chuyển mạch mềm tách biệt phần cứng mạng khỏi phần mềm mạng So với mạng chuyển mạch kênh truyền thống, phần cứng phần mềm khơng độc... MẠCH MỀM TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ðỘNG 2.1 Tổng quan MSS 2.1.1 Giới thiệu Trong năm gần đây, mạng viễn thơng chuyển dần từ kiến trúc tích hợp dọc sang kiến trúc mạng tích hợp ngang Giải pháp chuyển