1.4.1. Giới thiệu
Phần này đƣa ra tổng quan về các kỹ thuật khác nhau ảnh hƣởng tới giải pháp VoLTE trên mạng CS và PS. Giải pháp VoLTE sẽ giới thiệu chức năng thoại trong mạng LTE sử dụng mô hình IMS đƣợc chấp nhận sử dụng rộng rãi nhƣ một
28
giải pháp dài hạn cho việc hỗ trợ thoại trong mạng LTE. Thoại dựa trên IMS đƣợc xem nhƣ là giải pháp tốt nhất trong mô hình hiện tại để truyền thoại trong mạng LTE. Do vậy, các nhà mạng trên khắp thế giới xem xét việc triển khai giải pháp dựa trên nền IMS. Phần này giải thích chi tiết kỹ thuật của kiến trúc VoLTE.
1.4.2. Cấu trúc VoLTE
Hình 1-3 chỉ ra các thành phần quan trọng trong kiến trúc VoLTE. Kiến trúc chỉ ra mô hình khi mạng LTE đƣợc triển khai độc lập với mạng PS. Mạng IMS đƣợc triển khai nhƣ mạng phủ trên mạng LTE và nó cung cấp các chức năng thực hiện cuộc gọi/ kết thúc cuộc gọi cơ bản cũng nhƣ các dịch vụ giá trị gia tăng khác nhƣ Instant message… Ngƣời dùng sau khi đƣợc cấp một địa chỉ IP từ mạng LTE sẽ thực hiện đăng ký với mạng IMS để ngƣời dùng có khả năng truy cập vào các dịch vụ cơ bản nhƣ thoại cũng nhƣ các dịch vụ giá trị gia tăng. Bảng 1-1 đƣa ra các giao thức và các giao diện liên quan cho giải pháp VoLTE.
29
Nodes Interfaces Protocols
MME HSS S6a Diameter
PCRF P-CSCF Rx Diameter
I/S-CSCF HSS Cx Diameter
I/S-CSCF AS ISC SIP
I/S-CSCF P-CSCF Mw SIP
Bảng 1-1: Giao diện và giao thức giữa các phần tử VoLTE
Theo nhƣ kiến trúc trên, LTE đƣợc triển khai là mạng độc lập và không có sự tích hợp với mạng 2G/3G. Trong quá trình bắt đầu triển khai LTE, vùng phủ là nhỏ nhất nên cần phải tích hợp mạng LTE với mạng 2G/3G. Việc tích hợp này khá khó khăn vì LTE là mạng chuyển mạch gói hoàn toàn. Nhƣ đã đề cập ở trên, thoại trong mạng LTE đƣợc mang bởi các gói VoIP. Khi ngƣời dùng sử dụng bên ngoài vùng phủ LTE, ví dụ trong mạng 2G/3G, các cuộc gọi thoại cần phải đƣợc chuyển từ cuộc gọi VOIP sang cuộc gọi TDM. Một số giải pháp khả thi để tích hợp mạng LTE với mạng 2G/3G sẽ đƣợc mô tả trong phần sau.
1.4.3. Các giải pháp tích hợp LTE với mạng CS/PS sẵn có
Trong quá trình bắt đầu triển khai LTE, vùng phủ sẽ bị hạn chế, vì thế cần phải tích hợp mạng LTE với các mạng 2G/3G sẵn có. Khi nằm ngoài vùng phủ LTE, ngƣời dùng có thể chuyển sang mạng 2G/3G. Nếu trong lúc đó đang có một cuộc gọi thoại diễn ra thì việc chuyển giao sang mạng 2G/3G cần phải đƣợc thực hiện mà không làm gián đoạn cuộc gọi thoại. Có 2 kiến trúc tích hợp LTE với mạng 2G/3G đƣợc coi là khả thi để đảm bảo cuộc gọi thoại liên tục khi chuyển giao giữa mạng LTE và mạng 2G/3G là:
- Giải pháp dựa trên chuyển mạch gói PS độc lập.
- Cuộc gọi liên tục đơn tần cải tiến (Enhanced Single Radio Voice call continuity - SRVCC)/Các dịch vụ tập trung (IMS Centralized Services - ICS)
30
1.4.4. Giải pháp dựa trên PS độc lập
Với giải pháp dựa trên PS, thoại trên IMS đƣợc triển khai cả trên LTE và mạng 3G. Khi không có vùng phủ LTE, việc chuyển giao đƣợc thực hiện sang mạng 3G do vậy giải pháp này cung cấp khả năng di chuyển trong suốt giữa mạng LTE và mạng 3G. Vì thế cả phiên thoại và phiên dữ liệu đang hoạt động trên mạng LTE đồng thời đƣợc chuyển sang mạng 3G nên tránh đƣợc sự mất mát cuộc gọi thoại/dữ liệu khi ngoài vùng phủ LTE. Hình 1-4 mô tả kiến trúc giải pháp dựa trên PS. Tổng quan quá trình đƣợc mô tả ngắn gọn nhƣ sau:
- Ngƣời dùng bắt đầu truy cập mạng LTE và thực hiện cuộc gọi trên IMS trong mạng LTE.
- Khi ngƣời dùng di chuyển ra ngoài vùng phủ LTE, eNodeB trong mạng LTE khởi tạo quá trình handover tới MME, sau đó MME chuyển tiếp tới SGSN. MME cũng tách kênh mang thoại từ kênh mang phi thoại và thực hiện ánh xạ giữa các kênh mang LTE với 3G.
- SGSN đích lƣu trữ các tài nguyên cần thiết trong mạng 3G và tạo ra các phiên yêu cầu với SGW. SGSN gửi tới MME thông báo hoàn thành quá trình dự trữ.
- MME trong mạng LTE sẽ thực hiện quá trình handover bằng cách thực hiện lệnh handover tới eNodeB.
- eNode B sau đó sẽ gửi lệnh handover tới UE bao gồm các tham số mạng truy cập vô tuyến của mạng đích 3G.
31
Hình 1-4: Kiến trúc tích hợp LTE-3G [1] Ƣu điểm và nhƣợc điểm
Ƣu điểm lớn nhất là phƣơng pháp này là phƣơng pháp đơn giản nhất cho việc tích hợp mạng LTE với 3G vì cần ít sự thay đổi nhất trong cấu trúc mạng. Mạng PS có sẵn của 3G có thể đƣợc sử dụng lại dễ dàng mà không cần bất cứ sự nâng cấp nào quá lớn. Mạng 3G có chức năng PS và do đó handover thoại từ LTE sang 3G có thể hoàn thành dễ dàng thông qua IMS mà không có bất cứ sự gián đoạn nào.
Phƣơng pháp dựa trên PS độc lập không thể thực hiện đƣợc nhƣ là một giải pháp mục tiêu bởi nó đòi hỏi sự bao phủ hoàn toàn của mạng 3G. Khi mà cả thoại và dữ liệu đƣợc mang trên mạng PS 3G thì yêu cầu băng thông rộng hơn. Do vậy phiên bản nâng cấp của UMTS là HSPA+ có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao để có thể mang đồng thời cả dữ liệu và thoại. Mạng CS hiện có không đƣợc sử dụng trong giải pháp này có thể là một nhân tố chính trong tƣơng lai khi mà mạng truyền thống nhƣ 2G trở nên lỗi thời.
32
1.4.5. SRVCC/ ICS
Sự tích hợp mạng LTE với mạng 2G/3G dựa trên cuộc gọi đơn tần cải tiến SRVCC/ dịch vụ IMS tập trung ICS đƣợc mô tả nhƣ hình 1-5[4]:
Hình 1-5: Cấu trúc SRVCC/ICS SRVCC cải tiến
Trong việc tiếp cận dựa trên SR-VCC cải tiến, điều khiển cuộc gọi trong mạng LTE dựa trên mạng IMS. Máy chủ điều khiển dịch vụ và tập trung hóa ứng dụng trong mạng IMS là yếu tố chịu trách nhiệm cho các cuộc gọi trong mạng IMS. Các bản tin báo hiệu SIP từ ngƣời dùng gắn với mạng LTE và ngƣời dùng đích đƣợc chuyển tiếp qua SCC AS. Thiết bị di động cũng đƣợc gán số chuyển tiếp phiên đối với SRVCC (STN-SR) bởi SCC AS thông qua việc đăng ký khởi tạo và đƣợc sử dụng trong suốt quá trình handover cuộc gọi từ LTE sang 2G/3G. Quá trình handover đối với SRVCC đƣợc mô tả tóm tắt nhƣ sau:
- eNode B khởi tạo quá trình handover tới MME khi phát hiện vùng phủ LTE bị mất dựa trên báo cáo đo đạc nhận đƣợc từ UE.
33
- MME tách kênh thoại và kênh dữ liệu và bắt đầu quá trình handover với MSC trong miền chuyển mạch gói CS.
- MSC trong miền CS có trách nhiệm dự trữ kênh mang trong miền CS. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách chuyển bản tin yêu cầu handover tới MSC-S (MSC server) đích là MSC mà ngƣời dùng LTE sẽ đƣợc đăng ký trong miền CS.
- Thêm vào đó, MSC-S khởi tạo việc chuyển cuộc gọi trong miền IMS bằng cách sử dụng STN-SR. SCC AS trong miền IMS thực hiện quá trình chuyển phiên trong miền IMS và kênh mang phƣơng tiện đƣợc chuyển tới miền CS.
- Sau khi thực hiện quá trình chuyển nhƣợng quyền truy cập thành công trong miền CS, MSC-S sẽ thông báo quá trình hoàn tất thành công tới MME.
- MME sẽ gửi lệnh handover tới UE thông qua eNodeB và UE truy cập vào mạng CS bằng quá trình truy cập miền CS và luồng cuộc gọi sẽ đƣợc chuyển tới MSC-S và Media Gateway trong miền CS.
Dịch vụ IMS tập trung
Dịch vụ IMS tập trung (IMS Centralized services (ICS)) là mở rộng của SRVCC và hƣớng tới tích hợp hoàn toàn mạng LTE với mạng 2G/3G. Sự khác nhau nằm ở chỗ trong hƣớng tiếp cận ICS các cuộc gọi xuất phát từ mạng 2G/3G (ví dụ các cuộc gọi di động truyền thống) cũng đƣợc gắn vào mạng IMS. Vì vậy việc điều khiển cuộc gọi cả mạng CS (2G/3G) và PS (LTE) đều nằm trong IMS, việc chuyển giao cuộc gọi giữa mạng 2G/3G và LTE đƣợc thực hiện dễ dàng.
Ƣu nhƣợc điểm
Ƣu điểm chính của việc sử dụng cách tiếp cận dựa trên SRVCC/ICS là làm cho việc tích hợp mạng CS truyền thống với mạng LTE trở nên dễ dàng. Trong quá trình triển khai LTE ban đầu khi vùng phủ LTE còn hạn chế, phƣơng pháp dựa trên SRVCC cho phép chuyển vùng dễ dàng giữa LTE và mạng 2G/3G. Nó cũng cho phép ngƣời dùng có trải nghiệm dịch vụ đồng nhất không phụ thuộc vào mạng mà ngƣời dùng kết nối. Cuối cùng, cách tiếp cận dựa trên ICS là phƣơng pháp hƣớng
34
tới tƣơng lai khi mạng 2G/3G đã trở nên lỗi thời và một hạ tầng chung sẽ tiết kiệm rất nhiều chi phí vận hành các mạng này.
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp dựa trên SRVCC/ICS là nó yêu cầu nâng cấp mạng CS hiện tại rất nhiều. Trong mạng CS, các thành phần nhƣ MSC sẽ cần phải nâng cấp với chi phí rất lớn. Một hạn chế lớn khác là thời gian chuyển giao lâu khi ngƣời dùng di chuyển giữa mạng LTE và 2G, việc này dẫn tới khả năng ngắt quãng cuộc gọi cao khi đang có một cuộc gọi diễn ra trong mạng LTE.
1.4.6. Call flow của VoLTE
Khi thuê bao bật thiết bị hỗ trợ VoLTE (nhƣ điện thoại thông minh), thuê bao sẽ kết nối với mạng LTE và đƣợc cấp cho hai kênh mang mặc định EPS – một kênh mang cho báo hiệu SIP với giá trị QCI là 5, và một kênh cho mạng LTE với giá trị QCI có giá trị từ 5 đến 9. Hai kênh mang này cho phép thiết bị VoLTE giao tiếp với cả mạng LTE và IMS (SIP). Call flow cho dịch vụ VoLTE đƣợc mô tả trong hình dƣới:
35
Hình 1-6: Call flow VoLTE
1. Ngƣời dùng bật điện thoại thông minh để thực hiện cuộc gọi VoIP. 2. LTE xác định P-GW để kết nối với mạng IMS.
3. LTE thiết lập kênh mang mặc định cho SIP từ thuê bao tới PGW. Kênh mặc định EPS đƣợc thiết lập với QCI giá trị bằng 5 (giá trị QCI cần cho báo hiệu SIP).
4. Thuê bao gửi bản tin SIP invite về mạng IMS. Nội dung bản tin SIP có chứa giao thức SDP mang yêu cầu về QoS. Chú ý rằng các bản tin SIP đƣợc mang qua mạng LTE, mạng LTE không quan tâm tới nội dung của bản tin SIP (không có đối xử đặc biệt nào trong trƣờng hợp này).
5. Mạng IMS thực hiện thiết lập QoS từ bản tin SIP.
6. Nếu áp dụng tính cƣớc, mạng IMS sẽ gửi bản tin CCR (Credit Control Request) tới OCS thông qua giao diện Ro và khởi tạo quá trình tính cƣớc.
36
7. Các yêu cầu về QoS đƣợc gửi từ mạng IMS thông qua giao diện Rx (sử dụng giao thức Diameter) tới PCRF.
8. PCRF tạo các luật liên quan đến tính cƣớc và QoS và gửi đến PCEF trong PGW tại mạng LTE thông qua giao diện Gx.
9. PGw gửi yêu cầu thiết lập kênh mang riêng biệt (với giá trị QCI = 1) tới điện thoại.
10. Sau khi điện thoại xác nhận LTE có thể hỗ trợ kênh mang riêng biệt, nó sẽ gửi bản tin SIP UPDATE tới mạng IMS.
11. Mạng IMS hoàn thành quá trình setup và thiết lập cuộc gọi.
12. Luồng gói thoại VoIP hai chiều thiết lập giữa mạng LTE và điện thoại thông minh.
13. Với việc tính cƣớc, mạng IMS yêu cầu tính cƣớc từ OCS trên mỗi cuộc gọi (mỗi 10 giây). Nếu tài khoản không còn tiền, bản tin 402 (payment required) đƣợc gửi trở về điện thoại và cuộc gọi sẽ bị hủy. Nếu tài khoản hết tiền trong lúc đang thực hiện cuộc gọi, cuộc gọi sẽ bị kết thúc.
14. Khi kết thúc cuộc gọi, điện thoại gửi bản tin SIP BYE tới mạng IMS.
15. Mạng IMS gửi yêu cầu kết thúc CCR tới OCS, kết thúc việc tính cƣớc và thực hiện thu thập tính cƣớc IMS.
16. Mạng IMS thông báo tới PCRF về việc kết thúc cuộc gọi.
17. PCRF thông báo tới PCEF đóng tính cƣớc LTE, và giải phóng kênh mang riêng biệt đƣợc thiết lập cho thoại VoIP.
37
CHƢƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ VoLTE
2.1. Giới thiệu
2.1.1. Giới thiệu chung
Tổ chức 3GPP đã phát triển kỹ thuật mới là LTE trong phiên bản 8. 3GPP LTE nhắm đến sự phát triển kỹ thuật 3G - UTMS để đáp ứng đƣợc các yêu cầu của ITU. Một trong những chức năng chính của LTE là tốc độ dữ liệu tăng đáng kể từ 300Mbps đƣờng downlink (DL) và 75Mbps uplink (UL); độ rộng băng tần từ 1.4, 3, 5, 10, 15 và 20 MHZ và độ trễ giảm. Tuy nhiên có sự thay đổi đáng kể trong thiết kế, với mạng lõi Evolved Packet CORE (EPC) chỉ hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch gói, bao gồm thoại, đƣợc xem nhƣ là nguồn thu chính cho các nhà cung cấp dịch vụ di động. Đó là sự khác biệt đáng kể từ mạng vô tuyến truyền thống UTRAN/GERAN nhƣ UMTS là mạng hỗ trợ cả các dịch vụ chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh (CS, PS). Ngƣời dùng luôn luôn mong muốn thoại nhƣ là một dịch vụ cơ bản đƣợc cung cấp bởi nhà mạng. Mạng truy cập vô tuyến E-UTRAN và kiến trúc mạng đơn giản hơn và phẳng hơn mạng truy cập vô tuyến 3G. 3GPP giới thiệu các chỉ tiêu kỹ thuật cho mạng E-UTRAN, bao gồm cả LTE và LTE-A trong các phiên bản 8, 9 và 10. Dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật đƣợc đƣa ra bởi 3GPP, không có sự đảm bảo rằng LTE có khả năng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kỹ thuật của ITU-R và 3GPP liên quan đến QoS, đặc biệt là thời gian trễ end-to-end VoLTE nhỏ hơn 150 ms và tỉ lệ truyền gói thành công lớn hơn 98%. Đánh giá chất lƣợng QoS VoLTE bao gồm đánh giá độ trễ, jitter và tỉ lệ mất gói.
2.1.2. VoLTE qua IMS
Thoại là một dịch vụ cơ bản đƣợc xem là mạng di động thế hệ mới. IMS có khả năng cung cấp hệ thống thoại chất lƣợng cao (HD) cho mạng LTE. VoLTE sử dụng chỉ số phân loại chất lƣợng dịch vụ (QoS Class Indicator – QCI) với giá trị là một (QCI=1) và phân loại chất lƣợng dịch vụ cho cả cuộc gọi đến và cuộc gọi đi. Theo chuẩn 3GPP truy cập trong IMS là độc lập và dựa trên giao thức SIP (Session
38
Initiation Protocol), đƣợc định nghĩa trong chuẩn IETF để hỗ trợ thoại và các dịch vụ đa phƣơng tiện khác. IMS cung cấp một giải pháp hoàn thiện để quản lý thoại trên nền toàn IP và mạng vô tuyến PS.
Bƣớc đầu tiên để thiết bị di động (UE) bắt đầu cuộc gọi là đăng ký IMS. Sau đó UE đạt đƣợc các kênh mang theo yêu cầu để hoàn thành cuộc gọi dựa trên địa chỉ IP đƣợc cấp phát.
2.1.3. QoS trong mạng vô tuyến E-UTRAN
Chất lƣợng dịch vụ QoS là khái niệm của việc cung cấp chất lƣợng cá biệt cho từng loại dịch vụ cụ thể. QoS là một trong những thách thức chính và lớn nhất cho các dịch vụ dựa trên nền IP khi không có kênh kết nối riêng biệt. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng đa phƣơng tiện, QoS cần duy trì dịch vụ đảm bảo thông qua mạng vô tuyến. Giải pháp QoS cho trải nghiệm ngƣời dùng với từng dịch vụ chạy trên kênh vô tuyến chung phải đƣợc thỏa mãn. Do vậy hệ thống EPS lựa chọn QoS khác nhau cho từng dịch vụ.
Kiến trúc QoS trong mạng LTE
3GPP giới thiệu kiến trúc QoS cho LTE/EPS trong phiên bản R8. QoS trong mạng EPS dựa trên khái niệm luồng dữ liệu và kênh mang. Ví dụ nhƣ luồng dữ liệu đƣợc thiết lập giữa UE và PDN-GW và ánh xạ tới kênh mang, cùng với ba kênh mang riêng biệt (vô tuyến, S1 và S5/S8). Sự kết hợp của các kênh mang cung cấp QoS từ điểm đầu đến điểm cuối „end to end‟ trong hệ thống LTE. Cùng với các