3.1.1. Khái niệm Femtocell.
Femtocell là một trạm phát sóng nhỏ của mạng thông tin di động tế bào được dùng để nâng cao chất lượng dịch vụ giá trị gia tăng ở phạm vi gia đình hay văn phòng, công sở.
Femtocell được xem như trạm cơ sở trong nhà (home base station) hay điểm truy nhập mạng tế bào giống điểm truy nhập WiFi. Femtocell kết nối các thiết bị di động tiêu chuẩn cho một nhà điều hành mạng. Femtocell là cổng kết nối của mạng thông tin di động tế bào đặt tại nhà khách hàng. Sự khác biệt lớn của femtocell so với các macrocell hay microcell truyền thống là femtocell kết nối với mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua mạng cố định băng rộng như DSL hay cáp, thay vì thông qua mạng riêng của nhà cung cấp dịch vụ di động.
3.1.2. Lịch sử phát triển thuật ngữ Femtocell
Khái niệm « Trạm cơ sở trong nhà » (home base station) được nghiên cứu bởi Bell Labs của Alcatel-Lucent vào năm 1999. Đến năm 2002, Motorola đã công bố trạm cơ sở trong nhà 3G đầu tiên. Tuy nhiên, đến năm 2005, khái niệm trạm cơ sở trong nhà mới được chấp nhận trên diện rộng. Trong năm 2006, thuật ngữ Femtocell được đưa ra. Trong tháng 2 năm 2007, một số công ty chứng minh Femtocell tại hội nghị thế giới 3GSM với nhiều công bố về những hoạt động thử nghiệm. Trong tháng 2 năm 2007, diễn đàn Femto được thành lập để thúc đấy việc chuẩn hoá và triển khai Femtocell trên toàn thế giới. Tính đến tháng 12 năm 2008, diễn đàn đã có hơn 100 thiết bị phần cứng và các nhà cung cấp phần mền, các nhà khai thác di động và đã được đưa lên. Trong năm 2008, Home NodeB (HNB) và Home eNodeB (HeNB) lần lượt được giới thiệu trong dự án 3GPP R8, cho thấy rằng nó đã trở thành một công nghệ mạng truy nhập không dây chủ đạo.
Femtocell triển khai với quy mô lớn trong năm 2010. Có khả năng là roll-out của LTE sẽ bao gồm cả macrocell ngoài trời và Femtocell trong nhà ngay từ giai đoạn đầu triển khai mạng. Ngoài ra, Femtocell cũng có triển vọng cho các dịch vụ của doanh nghiệp.
3.1.3. Tầm quan trọng của Femtocell
Giảm chi phí gọi điện thoại di động tại nhà.
Có một kết nối tốt, chất lượng dịch vụ tốt hơn, tốc độ cao hơn Tiết kiệm năng lượng tiêu tốn
Nhiều người có thể cùng dùng chung một femtocell (femtocell hiện tại có thể hỗ trợ đồng thời 5-6 kết nối di động ).
Lợi ích cho nhà cung cấp mạng di động:
Cạnh tranh cũng như giảm mối đe dọa từ các dịch vụ VoIP của nhà cung cấp dịch vụ Internet.
Tăng sự trải nghiệm của khách hàng và giảm việc khách hàng bỏ sang dùng mạng của nhà cung cấp khác.
Tăng chất lượng phủ sóng trong các công trình cũng như tăng dung lượng và các dịch vụ giá trị gia tăng cho người dùng.
Tăng doanh thu bình quân của một thuê bao/tháng ARPU
Khuyến khích người dùng sử dụng 3G hay WiMAX, từ đó tăng số thuê bao 3G, WiMAX trong tương lai.
Như vậy, giải pháp femtocell hứa hẹn mang lại lợi nhuận và tiện ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn người sử dụng dịch vụ.
3.1.4. Các thuộc tính của Femtocell
Femtocell là một điểm truy nhập không dây công suất thấp, bao gồm toàn bộ các đặc điểm sau:
Sử dụng công nghệ di động: Femtocell sử dụng đầy đủ các giao thức chuẩn không dây để giao tiếp với các thiết bị di động chuẩn như: GSM, WCDMA, LTE, Mobile WiMAX, CDMA và các dòng cũng như các giao thức tương lai khác.
Hoạt động ở phổ tần cho phép: Với phổ tần cho phép đối với người cung cấp
dịch vụ, femtocell cho phép nhà điều hành cung cấp chất lượng dịch vụ được bảo đảm tới khách hàng, loại bỏ tác hại của nhiễu mà lại tạo nên hiệu quả sử dụng phổ của chúng.
Cung cấp vùng phủ và dung lượng: femtocell cũng tạo ra sự mở rộng dung lượng mạng, phục vụ một số lượng khách hàng lớn hơn với các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao.
Kết nối qua đường trục Internet: Femtocell kết nối đường trục dữ liệu của
chúng trên các kết nối băng rộng Internet, bao gồm DSL và cáp, sử dụng các giao thức Internet chuẩn.
Cho phép chi phí thấp: Khối lượng lớn dự tính đối với femtocell sẽ cho tỷ lệ
kinh tế đáng kể, hiệu quả trong sản xuất và phân phối theo cách tương tự như ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng và kế hoạch giá có thể so sánh với các thiết bị
truy nhập sử dụng các công nghệ không dây khác.
Quản lý hoàn toàn bằng nhà điều hành được quyền: Femtocell chỉ hoạt động
trong phạm vi các tham số đặt bởi nhà điều hành được quyền.
Tự thiết lập và tự quản lý: Femtocell có thể được lắp đặt bởi khách hàng đầu
cuối. Chúng tự thiết lập hoạt động với sự thực hiện cao theo các điều kiện của mạng cục bộ hay mạng diện rộng đối với sóng vô tuyến, các chính sách điều tiết, hoạt động mà không cần sự can thiệp bởi khách hàng hay người điều hành.
3.2. Kiến trúc Femtocell
3.2.1. Điểm truy nhập Femtocell (FAP – Femtocell Access Point)
Các đơn vị Femtocell được tích hợp các chức năng của một trạm cơ sở điển hình (như chức năng của Node-B trong UMTS). Một đơn vị Femtocell trông giống như một điểm truy nhập WiFi (hình 3.1). Tuy nhiên, nó cũng chứa RNC (Bộ điều khiển mạng vô tuyến – Radio Network Control, trong trường hợp của GSM là BSC) và tất cả các yếu tố của mạng lõi. Vì vậy, nó không đòi hỏi một mạng lõi di động, chỉ cần một kết nối dữ liệu với DSL hoặc cáp Internet, thông qua đó nó sẽ kết nối với mạng lõi của nhà điều hành điện thoại di động như miêu tả trên hình 3.1. Trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng các điểm truy cập Femtocell (FAP – Femtocell Access Point) cho các đơn vị Femtocell có chức năng cơ sở và sử dụng Femtocell để chỉ ra khu vực dịch vụ được bao bởi một FAP.
Hình 3.1. Kiến trúc Femtocell
Các công nghệ đằng sau Femtocell là các công nghệ di động. Động lực chính của Femtocell là nhu cầu ngày càng cao về tốc độ dữ liệu, hiện nay đang tập trung chủ yếu vào các điểm truy nhập Femtocell UMTS/HSPA. Tuy nhiên, các điểm truy nhập Femtocell cũng có thể dựa trên GSM/GPRS/EDGE. Femtocell dựa trên 2G/3G đã được phát triển bởi các nhà cung cấp khác nhau. Bên canh đó, sự phát triển của Femtocell dựa trên WiMAX và LTE cũng đang diễn ra.
3.2.2. Giao diện và giao thức Femtocell.
Nhà cung cấp mạng viễn thông đòi hỏi phải có một tiêu chuẩn hóa công nghiệp, cho phép họ có thể mua femtocell từ nhiều nhà cung cấp và giảm thiểu trục trặc trong quá trình vận hành. Trọng tâm chính của việc tiêu chuẩn hóa là giao diện Iu, tách rời mạng lõi 3G (chuyển mạch thoại MSC, GSN…) với mạng truy nhập sóng vô tuyến (RAN- Radio Access Network) bao gồm trạm gốc và bọ điều khiển trạm gốc.
Hình 3.2. Giao diện hệ thống Femtocell
Sau khi thảo luận tại Femto Forum và ủy ban tiểu chuẩn 3GPP, đã thông qua sử dụng giao diện Iu vào trong mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ di động, và một giao diện mới được định nghĩa đó là giao diện Iu-h cho kết nối giữa femtocell và femtocell gateway.
Có thể thấy kiến trúc này gồm hai thành phần chính là HNB (Femtocell) và HNB gateway ( Femto Gateway). Giữa các thành phần này là một giao diện mới Iu-h.
Home NodeB (HNB): được kết nối với một dịch vụ băng rộng gia đình hiện có, một HNB cung cấp vùng phủ vô tuyến trong một căn hộ theo chuẩn của thiết bị cầm tay 3G. Sự kết hợp chặt chẽ của các HNB thì khả năng của một node B chuẩn cũng giống như một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC chuẩn.
HNB Gateway (HNB-GW): Được cài đặt trong mạng của nhà khai thác, HNB Gateway tập hợp lưu lượng từ một số lượng lớn các HNB rồi đưa lên mạng lõi thông qua giao diện Iu-cs và giao diện Iu-ps.
Giao diện Iu-h: Nằm giữa HNB và HNB-GW, bao gồm một giao thức ứng dụng HNB (HNBAP) cho phép thuận lợi trong triển khai các HNB đặc biệt. Giao điện này đưa ra một phương pháp cho việc truyền tín hiệu điều khiển Iu trên Internet
3.3. Các giải pháp kết nối Femtocell tới mạng lõi 3G
Trong phần này, chúng ta tập trung tìm hiểu quá trình tích hợp femtocell vào mạng 3G UMTS và dịch vụ thoại trên mạng chuyển mạch (circuit-switched) sẽ được lấy làm ví dụ minh họa. Điều này không ngăn cản việc dùng giải pháp femtocell để tích hợp với mạng GSM/GPRS hay cả mạng WiMAX, cũng như việc dùng các dịch vụ đa phương tiện trên mạng chuyển mạch gói thông qua femtocell. Trên thực tế, chính các dịch vụ chuyển mạch gói này mới là động lực lớn thúc đẩy người dùng đón nhận femtocell.
Dưới đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu 4 giải pháp đã được đề nghị để kết nối thiết bị femtocell đến mạng lõi di động.
Hình 3.3. Các giải pháp kết nối Femtocell tới mạng lõi di động (CN)
3.3.1. Kiến trúc dựa trên UMTS
Giải pháp đầu tiên đi theo hướng giữ nguyên hạ tầng mạng nằm phía sau RNC. Việc liên lạc từ các femtocell về mạng lõi sẽ thực hiện bằng đường hầm IP được bảo mật thông qua mạng IP băng rộng công cộng. Chúng ta có thể phân ra 2 loại: Iub trên
IP (nếu đường hầm IP được thiết lập giữa femtocell và RNC) và Iu trên IP
(nếu đường hầm được thiết lập giữa RNC và MSC/SGSN). Trong khung giải pháp này, Iu-concentrator (còn được gọi là Femtocell Gateway - FGW) được đề nghị như điểm tập trung lưu lượng thông tin từ hàng nghìn femtocell trước khi đi vào mạng lõi di động để tăng khả năng mở rộng (scalability).
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 như minh họa ở hình 3.4. Giải pháp này thích hợp khi có ít người kết nối với femtocell cùng lúc (ví dụ trong gia đình hay văn phòng ít người). Tùy theo số lượng 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 trường hợp chúng tách biệt nhau và liên lạc giữa FGW và RNC thực hiện trên giao diện Iub.
FAP giao tiếp với FGW sử dụng cell ID 16 bit, mỗi cell ID nhận dạng duy nhất một femtocell. FGW thực hiện ghép kênh đối với lưu lượng đến từ những FAP khác nhau và chuyển tiếp tới RNC sử dụng giao thức Framing Protocol (FP). FGW không sửa đổi bất kỳ một gói tin FP nào.
Hình 3.4. Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP
Lúc khởi động, FAP thiết lập một liên kết bảo mật với FGW để tránh tổn hại thông tin các thuê bao trên mạng IP công cộng. TR-069 hoặc một vài kỹ thuật tương tự có thể được sử dụng bởi FAP để dò/nhận địa chỉ IP từ một bộ server tự động thiết lập cấu hình (ACS – Auto Configuration Server). RNC sẽ điều khiển tất cả những chức năng quản lý tài nguyên.
Mobitity Management (MM) và Call Control (CC) được điều khiển bởi CN. Chuyển giao trong phương thức này tương tự như Intra-RNC/Inter-RNC. Nếu FAQ và macrocell được quản lý bởi cùng một RNC, chuyển giao theo kiểu Intra-RNC, nếu không sẽ là kiểu Inter –RNC. Trong khi chuyển giao từ macrocell tới femtocell, CN và thiết bị người sử dụng (UE- Use Equipment) nhận diện FAP thích hợp (sử dụng danh mục FAP lân cận, quản lý bởi RNC) và thiết lập tín hiệu Iub và đường hầm truyền tải qua mạng IP băng rộng kết nối giữa FAP và UE được quản lý bởi giao thức RRC (Radio Resource Control Protocol).
Khi đường hầm Iub (Iub tunnel) được thiết lập, CN chuyển cuộc gọi tới môi trường femtocell sử dụng giao thức MM và CC tại MSC và UE. Trong lúc chuyển giao từ femtocell tới macrocell, giao thức RRC tại RRC thiết lập đường vô tuyến trong môi trường femtocell trước khi chuyển cuộc gọi tới macrocell và ngắt đường hầm Iub. Với chuyển giao từ femtocell tới femtocell, RNC đóng vai trò như một nút ngoại vi để thiết lập đường hầm Iub qua FAP mới và thiết lập đường vô tuyến tại FAP sử dụng giao thức RRC trước khi chuyển cuộc gọi tới FAP mới và chấm dứt đường vô tuyến tại FAP cũ.
Giải pháp Iu trên IP
Trong giải pháp này, FAP đóng vai trò của RNC và FGW nằm giữa RCN và CN (MSC/SGSN). Các femtocell sẽ được tích hợp với mạng lõi di động thông qua các FGW (Femtocell Gateway). Những chức năng của RNC và Node B sẽ được 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 trường hợp này khi liên lạc với FGW có dạng địa chỉ của một RNC (12 bits). FGW tạo đường 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.
Khi khởi động, FAP thiết lập một sự kết hợp bảo mật với FGW để ngăn chặn mất mát thông tin thuê bao qua mạng IP công cộng. TR-069 hay một số kỹ thuật tương tự được sử dụng bởi FAP để dò/nhận địa chỉ IP từ một ACS cho FGW. Thêm vào đó FAP sẽ sử dụng ACS để nhận thông số quản lý tài nguyên và các thuật toán để áp dụng vào môi trường femtocell.
Hình 3.6. Kiến trúc giải pháp Iu trên IP
FGW là điểm tập trung lưu lượng từ hàng ngàn femtocell gửi đến và tách gửi lưu lượng thoại và dữ liệu đến tổng đài MSC và SGSN giống như chức năng của một RNC. Ví dụ, thông tin thoại sẽ được gửi từ femtocell đến FGW dùng RTP trên UDP, sau đó FGW sẽ chuyển đổi thông tin thoại này sang IP, ATM hay DTM tương 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 được chọn dùng. Một cổng bảo mật sẽ được cài đặt cùng với FGW . Đây cũng chính là điểm kết thúc của các đường hầm IPSec đến từ các femtocell.
Hình 3.7. Bộ giao thức của giải pháp « Iu trên IP »
Khi người 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 được thực hiện như 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 đường hầm truyền tải giữa femtocell và FGW thông qua mạng IP. Việc quản lý tài nguyên giữa femtocell và UE được thực hiện nhờ sự phối hợp của giao thức RRC và RANAP (như hình 3.7). Một khi đường hầm Iu được 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 ngược 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 trước khi cuộc gọi được chuyển giao. Đối với chuyển giao giữa 2 femtocell, MSC/SGSN đóng vai trò như một điểm ngoại vi để thiết lập đường truyền và đường hầm Iu mới tới femtocell đích đến. Femtocell có chức năng quản lý tài nguyên cục bộ giữa femtocell và những người dùng. Tuy nhiên, chất lượng dịch vụ phụ thuộc vào sự kết nối với mạng IP công cộng. Những vấn đề như độ trễ IP hay mất gói tin dĩ nhiên sẽ ảnh hướng đến chất lượng 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 lượng từ các kết nối femtocells sẽ đổ về mạng lõi, điều này có thể sẽ dẫn đến yêu cầu phải nâng cấp mạng lõi.
3.3.2. Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN
Công nghệ UMA cho phép thực hiện các dịch vụ GSM /GPRS trên các băng tần