Trong mạng thông tin di động thế hệ thứ 3G UMTS, các trạm phát sóng Node B (bao gồm các macro-cell, micro-cell hay cả pico-cell) kết nối trực tiếp với khối điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) bằng đƣờng truyền dành riêng nhƣ E1/T1. Các RNC ghép các lƣu lƣợng dữ liệu từ các Node B trƣớc khi gửi chúng đến mạng lõi di động. RNC phân phát lƣu lƣợng thoại (của mạng chuyển nối mạch) đến các tổng đài MSC (Mobile Switching Center) thông qua giao diện Iu-CS và dữ liệu gói (của mạng chuyển nối gói) đến SGSN (Serving GPRS Support Node) thông qua giao diện Iu-PS.
Vì lý do giá thành và tiện lợi sử dụng, femtocell phải đáp ứng tính năng cắm và chạy (plug-and-play) giống nhƣ cách mà ngƣời ta cài đặt và sử dụng một trạm truy nhập WiFi. Trong tƣơng lai, hàng ngàn femtocell sẽ đƣợc nối kết với kiến trúc mạng lõi di động thông qua mạng công cộng Internet. Điều này đặt ra bài toán về khả năng mở rộng (scalability), tính bảo mật và sự chuẩn hóa của các thiết bị và giải pháp. Dƣới đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu giải pháp đã đƣợc đề nghị để kết nối thiết bị femtocell đến mạng lõi di động.
2.2.3.1 Kiến trúc dựa trên UMTS
Giải pháp đầu tiên đi theo hƣớng giữ nguyên hạ tầng mạng nằm phía sau RNC. Việc liên lạc từ các femtocell về mạng lõi sẽ thực hiện bằng đƣờng hầm IP đƣợc bảo mật thông qua mạng IP băng rộng công cộng. Chúng ta có thể phân ra 2 loại: Iub trên IP (nếu đƣờng hầm IP đƣợc thiết lập giữa femtocell và RNC) và Iu trên IP (nếu đƣờng hầm đƣợc thiết lập giữa RNC và MSC/SGSN). Trong khung giải pháp này, Iu- concentrator (còn đƣợc gọi là Femtocell Gateway - FGW) đƣợc đề nghị để nhƣ điểm tập trung lƣu lƣợng thông tin từ hàng nghìn femtocell trƣớc khi đi vào mạng lõi di động để tăng khả năng mở rộng.
a) Giải pháp Iub trên IP:
Trong giải pháp này, femtocell đóng vai trò của một Node B, còn FGW sẽ nằm giữa femtocell và RNC nhƣ minh họa ở hình dƣới. Giải pháp này thích hợp khi có ít
ngƣời kết nối với femtocell cùng lúc (ví dụ trong gia đình hay văn phòng ít ngƣời). Tùy theo số lƣợng femtocell kết nối với FGW mà FGW và RNC có thể thiết kế trong cùng một thiết bị hay 2 thiết bị riêng lẻ. Ở đây ta xét trƣờng hợp chúng tách biệt nhau và liên lạc giữa FGW và RNC thực hiện trên giao diện Iub.
Hình 2.6: Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP
Hình 2.7: Bộ giao thức của giải pháp « Iub trên IP »
Femtocell có số xác thực gồm 16 bit nhƣ một cell-ID. FGW có nhiệm vụ ghép lƣu lƣợng từ nhiều femtocell đến và chuyển tiếp chúng đến RNC dùng giao thức FP (Framing Protocol). Giao thức Iub đƣợc đóng gói trong các gói IP (còn gọi là đƣờng hầm Iub). Bảo mật sẽ đƣợc đảm bảo bởi giao thức IPSec. Ngay lúc đầu lắp đặt, femtocell sẽ tạo một liên hiệp bảo mật với FGW để tránh những thông tin thuê bao giả đến từ mạng IP công cộng. Femtocell dùng TR-069 hay một cơ chế tƣơng tự để cấu hình địa chỉ IP của nó từ một máy chủ cấu hình tự động ACS (Auto Configuration Server). RNC và FGW sẽ cùng nhau thực hiện chức năng quản lý tài nguyên, đặc biệt dành riêng cho các chuyển giao giữa femtocell và macrocell. Nếu mạng lõi không hỗ trợ truyền tải IP, RNC sẽ làm nhiệm vụ chuyển đổi IP-sang-ATM và ngƣợc lại.
Các chức năng nhƣ quản lý di động MM (Mobility Management) và điều khiển cuộc gọiCC (Call Control) đƣợc thực hiện bởi mạng lõi. Với giải pháp này, nếu femtocell và macrocell cùng thuộc sự quản lý của một RNC, sự chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ thuộc loại intra-RNC. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, sự chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ là inter-RNC. Khi chuyển giao từ macrocell sang femtocell, UE sẽ chọn femtocell thích hợp, thiết lập báo hiệu Iub và tạo đƣờng hầm vận tải thông qua mạng IP công cộng giữa FGW và femtocell. Tài nguyên vô tuyến giữa femtocell và UE đƣợc quản lý bởi giao thức RRC (Radio Resource Control) ở RNC. Một khi việc thiết lập đƣờng hầm Iub hoàn tất, mạng lõi sẽ chuyển cuộc gọi sang femtocell. Trong chuyển giao từ femtocell sang macrocell, RNC sẽ tiến hành thiết lập kết nối với macrocell trƣớc khi chuyển cuộc gọi sang macrocell. Trong chuyển giao giữa 2 femtocell, RNC sẽ đóng vai trò là nút neo (anchor) trong quá trình thiết lập đƣờng hầm Iub tới femtocell đích đến.
Trở ngại của giải pháp này nằm ở giới hạn mở rộng của RNC để đáp ứng hàng ngàn Node-B (bao gồm các femtocell). Để khắc phục phần nào tình trạng này, FGW đã đƣợc đề nghị. Mặc dù giao diện Iub là một giao diện chuẩn nhƣng nó lại có thêm nhiều đặc tính riêng tùy thuộc theo giải pháp của nhà cung cấp thiết bị mạng. Chính vì thế, nó thiếu một sự nhất quán chung giữa những nhà sản xuất thiết bị khác nhau.
b)Giải pháp Iu trên IP
Trong giải pháp này, các femtocell sẽ đƣợc tích hợp với mạng lõi di động thông qua các FGW nhƣ minh họa ở hình 2.8. Những chức năng của RNC và Node B sẽ đƣợc cài đặt trên femtocell và do đó femtocell sẽ liên lạc với FGW thông qua giao diện 3G Iu trên IP. Số nhận diện của femtocell trong trƣờng hợp này khi liên lạc với FGW có dạng địa chỉ của một RNC (12 bits). FGW tạo đƣờng hầm cho các thông điệp báo hiệu RANAP từ femtocell đến mạng lõi. Nếu mạng lõi không hỗ trợ vận tải IP, FGW sẽ đảm nhiệm việc chuyển đổi giữa truyền tải IP và truyền tải ATM nhờ vào giao thức truyền tải báo tin SIGTRAN. Cũng giống nhƣ trên, trong giải pháp Iub trên IP, ngay khi lắp đặt, femtocell sẽ tạo một liên hiệp bảo mật với FGW và dùng TR- 069 hay một cơ chế tƣơng tự để cấu hình địa chỉ IP của nó. Thêm vào đấy, femtocell sẽ sử dụng ACS để cấu hình các thông số quản lý tài nguyên cũng nhƣ thuật toán thực hiện trong môi trƣờng femtocell.
Hình 2.8: Kiến trúc giải pháp Iu trên IP
FGW là điểm tập trung lƣu lƣợng từ hàng ngàn femtocell gửi đến và tách gửi lƣu lƣợng thoại và dữ liệu đến tổng đài MSC và SGSN giống nhƣ chức năng của một RNC. Ví dụ, thông tin thoại sẽ đƣợc gửi từ femtocell đến FGW dùng RTP trên UDP, sau đó FGW sẽ chuyển đổi thông tin thoại này sang IP, ATM hay DTM tƣơng ứng với truyền tải của mạng lõi. Tóm lại, FGW giả lập vai trò của mạng lõi di động đối với các femtocell và giả lập RNC đối với mạng lõi di động. Do vậy, với giải pháp này ta không cần bất cứ sự thay đổi nào ở hạ tầng mạng lõi. Để bảo mật thông tin gửi từ femtocell đến FGW qua mạng IP công cộng, giao thức IPSec đƣợc chọn dùng. Một cổng bảo mật sẽ đƣợc cài đặt cùng với FGW . Đây cũng chính là điểm kết thúc của các đƣờng hầm IPSec đến từ các femtocell.
Hình 2.9:Bộ giao thức của giải pháp « Iu trên IP »
Khi ngƣời dùng chuyển giao từ femtocell sang một macrocell, nếu cả 2 đều cùng thuộc sự quản lý của một MSC/SGSN, chuyển giao này sẽ thuộc loại inter-RNC. Nếu không, chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ đƣợc thực hiện nhƣ một chuyển giao inter-MSC/SGSN. Khi chuyển từ một macrocell sang một femtocell, UE
và CN sẽ xác định femtocell thích hợp dựa vào danh sách các cell cận kề, thiết lập báo hiệu Iu và đƣờng hầm truyền tải giữa femtocell và FGW thông qua mạng IP. Việc quản lý tài nguyên giữa femtocell và UE đƣợc thực hiện nhờ sự phối hợp của giao thức RRC và RANAP (nhƣ hình 2.9). Một khi đƣờng hầm Iu đƣợc thiết lập, mạng lõi sẽ chuyển cuộc gọi thoại tới femtocell sử dụng giao thức quản lý di động MM và giao thức quản lý cuộc gọi CC ở MSC và UE. Trong quá trình chuyển giao theo chiều ngƣợc lại, tức từ femtocell sang macrocell, giao thức RANAP tại MSC và giao thức RRC tại RNC đích đến thiết lập kết nối ở macrocell trƣớc khi cuộc gọi đƣợc chuyển giao. Đối với chuyển giao giữa 2 femtocell, MSC/SGSN đóng vai trò nhƣ một điểm neo để thiết lập đƣờng truyền và đƣờng hầm Iu mới tới femtocell đích đến.
Femtocell có chức năng quản lý tài nguyên cục bộ giữa femtocell và những ngƣời dùng. Tuy nhiên, chất lƣợng dịch vụ phụ thuộc vào sự kết nối với mạng IP công cộng. Những vấn đề nhƣ độ trễ IP hay mất gói tin dĩ nhiên sẽ ảnh hƣớng đến chất lƣợng dịch vụ trên femtocell. Đây là một giải pháp nhanh nhất và đơn giản nhất để triển khai femtocell. Tuy nhiên, do tất cả dung lƣợng từ các kết nối femtocells sẽ đổ về mạng lõi, điều này có thể sẽ dẫn đến yêu cầu phải nâng cấp mạng lõi.
2.2.3.2 Kiến trúc dự trên giải pháp UMA/GAN
Công nghệ UMA cho phép thực hiện các dịch vụ GSM /GPRS trên các băng tần không cấp phép (sử dụng cho Bluetooth và WiFi). UMA đã đƣợc 3GPP chuẩn hóa với tên gọi là công nghệ GAN (Generic Access Network). UMA/GAN đề nghị một thực thể mới gọi là GANC (GAN controller), hay UNC (UMA Network Controller) để thực hiện các chức năng giống nhƣ một bộ điều khiển trạm gốc BSC trong GSM. GAN định nghĩa một giao diện Up mới giữa GANC và thiết bị di động UE.
Về nguyên tắc, femtocell cũng giống nhƣ UMA/GAN ngoại trừ việc femtocell sử dụng băng tần cấp phép 2G/3G thay vì băng tần không phép nhƣ WiFi hay Bluetooth. Do vậy, giải pháp UMA/GAN có thể đƣợc mở rộng đế hỗ trợ giải pháp femtocell bằng cách tích thêm các chức năng của FGW vào trong bộ điều khiển GANC. Hƣớng giải pháp này rất phù hợp cho những nhà cung cấp mạng đã triển khai hạ tầng GAN/UMA để cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng của công nghệ HSPA (High Speed Packet Access). Kiến trúc kết nối sẽ giống nhƣ ở hình 3. Tuy nhiên các liên lạc giữa femtocell và FGW sẽ đƣợc thực hiện trên giao diện Up của giải
pháp UMA. Chồng giao thức báo hiệu của giải pháp này đƣợc minh họa ở hình 2.10 dƣới đây.
Hình 2.10:Bộ giao thức của giải pháp dựa trên UMA/GAN
Trong giải pháp này, FGW sẽ đóng vai trò nhƣ một GANC. FGW liên lạc với mạng lõi bằng giao diện Iu. FGW xem femtocell nhƣ một thiết bị IP và do vậy FGW liên lạc với femtocell bằng địa chỉ IP và số cổng. Femtocell sẽ chuyển đổi lƣu lƣợng thoại từ UE gửi đến sang gói rồi chuyến đến FGW trên giao thức truyền tải RTP/UDP. FGW phải chuyển đổi gói RTP trở lại lƣu lƣợng thoại trƣớc khi gửi đến tổng đài MSC. Nhiều lần chuyển mã trên nhiều mạng truyền tải khác nhau có thể dẫn tới giảm chất lƣợng thông tin thoại. Do vậy, cần phải có các cơ chế quản lý QoS chặt chẽ hơn trên giao diện Up. Quá trình chuyển giao ở giải pháp này dựa trên nguyên tắc rất giống với giải pháp Iub-trên-IP trình bày ở trên.
2.2.3.3 Kiến trúc dựa trên IMS
Giải pháp này nhằm kết nối femtocell trực tiếp với mạng lõi IMS (IP
Multimedia Subsystem). Một giải pháp thay thế trong cùng hƣớng này là dùng chuyển mạch mềm trong đó các femtocell đƣợc kết nối với các chuyển mạch mềm thông qua giao diện SIP (Session Initiation Protocol). Việc kết nối trực tiếp với IMS lõi mang lại nhiều lợi ích nhƣ: giảm tải lƣu lƣợng cho mạng lõi di động vì lƣu lƣợng từ các
femtocell sẽ không phải đi qua mạng lõi, giảm thời gian truyền tải vì giảm số nút mạng mà một gói thông tin phải đi qua. Cuối cùng, đây một giải pháp dài hạn để cung cấp dịch vụ đa phƣơng tiện của IMS trong tƣơng lai.
Hình 2.11: Kiến trúc giải pháp dựa trên IMS/SIP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở phía mạng lõi IMS, femtocell có thể giao tiếp trực tiếp với chuyển mạch mềm thực hiện chức năng CSCF (Call Session Control Function) thông qua giao thức SIP, giao tiếp với HSS (Home Subscriber Server) thông qua giao thức Diameter cho chức năng xác thực, ủy quyền và tính cƣớc AAA (Authentication, Authorization, and Accounting) (nhƣ minh họa hình 2.11). Femtocell cũng có thể chọn lựa giao tiếp với các thiết bị kể trên thông qua một cổng gói dữ liệu PDG (Packet Data Gateway). Về khía cạnh truyền tải thông tin thoại, femtocell sẽ truyền lƣu lƣợng thoại trên gói RTP đến mạng lõi IMS. Chồng giao thức báo hiệu minh họa sự phối hợp các thực thể mạng đƣợc thể hiện ở hình 2.12
Hình 2.12:Bộ giao thức của giải pháp dựa trên IMS/SIP
Quá trình chuyển giao trong giải pháp này thuộc loại chuyển giao inter- MSC/SGSN. Để đảm bảo sự chuyển giao liên tục từ femtocell đến macrocell, mạng lõi di động và mạng lõi IMS sẽ phải phối hợp các thông điệp quản lý di động và điều khiển quản lý tài nguyên một cách riêng biệt trên mạng vận tải báo hiệu, đồng thời đảm bảo sự liền mạch của cuộc gọi. Khi chuyển giao từ macrocell sang femtocell, MSC đóng vai trò là điểm neo. Báo hiệu chuyển giao đƣợc khởi tạo trên mạng IMS thông qua CSCF. Trong IMS, CSCF khởi tạo báo hiệu SIP để thiết lập đƣờng vận tải
báo hiệu và dữ liệu với femtocell đích đến. Sự liên mạng giữa giao thức SIP và RRC/MM đƣợc thực hiện tại femtocell. Trong chuyển giao từ femtocell sang lại macrocell, MSC vẫn sẽ là điểm neo. Tuy nhiên CSCF cũng có thể làm điểm neo cho cuộc gọi bị chuyển giao. Để hỗ trợ liên tục các cuộc gọi, chức năng chuyển vùng DTF (Domain Transfer Function) định nghĩa bởi 3GPP sẽ đƣợc dùng.
Cũng giống nhƣ các giải pháp kể trên, chất lƣợng dịch vụ một lần nữa lại phụ thuộc vào chất lƣợng của mạng IP công cộng. Bên cạnh đó, việc hỗ trợ chuyển giao liên tục không vết ngắt giữa femtocell và macrocell cũng là một thách thức lớn. Giải pháp này rất thích hợp cho các nhà cung cấp mạng sở hữu cả dịch vụ di động, cố định và băng rộng vì nó tạo thuận lợi cho việc tích hợp dọc các loại hình mạng này với nhau. Nếu nhà cung cấp mạng sở hữu mạng FTTx để cung cấp dịch vụ IPTV, họ có thể dùng giải pháp này để cung cấp IPTV trên thiết bị di động kết nối với femtocell.
Nhƣ đã trình bày ở trên, rõ ràng có nhiều cách để tích hợp hàng nghìn femtocells với mạng lõi di động. Mỗi giải pháp có những điểm mạnh và những điểm yếu riêng, có sức hấp dẫn riêng đối với từng nhóm nhà cung cấp dịch vụ. Trong mọi trƣờng hợp, phần cứng của femtocell sẽ không thay đổi, chỉ có phần mềm và giao diện báo hiệu mà femtocell phải hỗ trợ là thay đổi. Do đó khả năng nâng cấp phần mềm từ xa ở femtocell là một yếu tố cần thiết. Việc tồn tại nhiều giải pháp kiến trúc dẫn đến yêu cầu về tƣơng vận giữa các thiết bị, các giải pháp.