Mạng thông tin di động đã phát triển mạnh mẽ và rộng khắp trên toàn thế giới trong mười năm vừa qua với khả năng cung cấp đa dạng các loại hình dịch vụ. Hiện nay, nhu cầu sử dụng dịch vụ dữ liệu ngày càng tăng cao, các dịch vụ dữ liệu chiếm một tỉ trọng đáng kể trong tổng doanh thu của nhà khai thác mạng thông tin di động. Trong vài năm tới các dịch vụ thông tin đa phương tiện dựa trên nền IP, sẽ là nguồn doanh thu chính khi doanh thu từ các dịch vụ thoại đang trở nên bão hoà.
Xu hướng này đòi hỏi mạng thông tin di động phải phát triển theo một cấu trúc mới tiên tiến hơn, cấu trúc dựa trên nguyên tắc của mạng NGN (Next Generation Network) (giải pháp NGN-Mobile), với các tiêu chí cơ bản là sự hội tụ dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu, sự phân tách lớp điều khiển khỏi lớp truyền tải.
Giải pháp mạng NGN là một giải pháp tổng thể liên quan đến toàn mạng. Mục đích hướng tới là hệ thống mạng sử dụng toàn bộ giao thức IP.
Trên thế giới hiện nay, mạng thông tin di động phát triển theo hai hướng công nghệ cơ bản là: công nghệ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) và công nghệ cdma2000 tương ứng với 2 tổ chức chuẩn hóa là 3GPP và 3GPP2. Mạng thông tin di động cũng được định hướng phát triển theo hướng mạng lõi toàn IP.
Các lợi ích chính của mạng NGN-Mobile không nằm ngoài khả năng cung cấp mềm dẻo và đa dạng nhiều loại hình dịch vụ, đặc biệt là dịch vụ thông tin đa phương tiện thời gian thực, các dịch vụ dữ liệu phong phú. Sau đây là một số ưu điểm cơ bản của mạng NGN-Mobile:
+ Một mạng lõi duy nhất: mạng lõi dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, cho phép tối ưu khả năng sử dụng tài nguyên.
+ Tính hội tụ: cho phép nhiều loại hình đa truy nhập mạng bao gồm cả vô tuyến lẫn hữu tuyến.
+ Kiến trúc mở: các nhà phát triển dịch vụ/ứng dụng bên thứ ba dễ dàng tham gia vào việc cung cấp dịch vụ bằng cách sử dụng các hàm mở API (Application Programming Interface) do mạng cung cấp.
+ Dịch vụđa dạng: cho phép phát triển các loại hình dịch vụ gia tăng đặc biệt là các loại hình dịch vụ truyền thông đa phương tiện IP.
+ Tiết kiệm băng thông: cuộc gọi từđầu cuối tới đầu cuối trong mạng NGN di động sử dụng mã hóa thích nghi AMR (Adaptive Multi Rate) cho phép tối ưu hóa băng thông, giảm thiểu sử dụng các thiết bị chuyển đổi mã hóa thoại (Transcoder), nhưng vẫn cải thiện được chất lượng thoại.
+ Tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị ban đầu cũng như chi phí vận hành khai thác trong giai đoạn sau: Dễ dàng phát triển các dịch vụ mới, tăng hiệu quả trong kinh doanh.
+ Phù hợp với tiến trình chuyển đổi và xu hướng hội tụ mạng di động và cố định ở trong nước và ngoài nước: hệ thống mạng áp dụng các tiêu chuẩn lớn trên thế giới như 3GPP, 3GPP2, ITU, ETSI. IETF đã được chuẩn hóa. Tiến tới hội tụ sử dụng chung mạng truyền tải IP/MPLS-backbone, mạng IMS (Internet Protocol Multimedia Subsystem), mạng lõi chung cho mạng NGN-Mobile và mạng NGN-cố định, hội tụ các dịch vụ mạng NGN-di động và NGN-cố định. Mạng NGN-Mobile đã được triển khai ở nhiều nước như: Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Thái Lan,..
CHƯƠNG 2
MẠNG NGN-MOBILE
Nhưđã khảo sát ở chương I, mạng thông tin di động tại Việt Nam phát triển rất nhanh chóng. Về cơ bản mạng thông tin di động hiện tại đã đáp ứng được nhu cầu cung cấp dịch vụ trên phạm vi cả nước. Tuy nhiên, nhu cầu khách hàng ngày một tăng lên và đòi hỏi các dịch vụ ngày càng tiện dụng, thông minh và chất lượng cao hơn.
Cũng như mô hình một số nước khác, mạng Viễn thông Việt Nam hiện tại có cấu trúc khá phức tạp, gồm nhiều chủng loại thiết bị và hệ thống mạng dịch vụ khác nhau. Mỗi loại hình dịch vụ có một mạng riêng để cung cấp các dịch vụđó, gần như chưa tận dụng được hạ tầng của các mạng cho nhau, như mạng PSTN/ISDN, truyền số liệu kênh thuê riêng, X25-Frame Relay, Internet, VOIP 171, 1717, mạng di động GSM, CDMA…
Các nhà cung cấp dịch vụ lớn như VNPT, Viettel hay SPT cũng đang rất nỗ lực nhằm triển khai mạng ngày một hiện đại hơn theo hướng NGN. Đặc biệt, VNPT đã và đang triển khai mạng NGN cố định trong thời gian gần đây. Hiện tại đã có định hướng phát triển mạng di động theo hướng NGN.
Xuất phát từ kết quả nghiên cứu chương trước, chương này nghiên cứu mô hình cấu trúc nguyên tắc của mạng NGN-Mobile.
2.1. Nguyên tắc cấu trúc của mạng NGN-Mobile
Mạng thế hệ sau được tổ chức dựa trên các nguyên tắc cơ bản sau[2]:
- Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú, đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện.
- Mạng có cấu trúc đơn giản.
- Nâng cao hiệu quả sử dụng, chất lượng mạng lưới và giảm thiểu chi phí khai thác và bảo dưỡng.
- Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các dịch vụ mới.
Việc tổ chức mạng dựa trên số lượng thuê bao theo vùng địa lý và nhu cầu phát triển dịch vụ, không tổ chức theo địa bàn hành chính mà tổ chức theo vùng mạng hay vùng lưu lượng.
Chúng ta nhận thấy mạng viễn thông hiện tại gồm nhiều mạng riêng lẻ kết hợp lại với nhau thành một mạng “hỗn tạp”, chỉ được xây dựng ở cấp quốc gia, nhằm đáp ứng được nhiều loại dịch vụ khác nhau.
Do đó, việc xây dựng mạng thế hệ mới NGN cần tuân theo các chỉ tiêu : • Mạng NGN phải có khả năng hỗ trợ cả cho các dịch vụ của các mạng hiện tại.
• Kiến trúc mạng NGN khả thi phải hỗ trợ dịch vụ qua nhiều nhà cung cấp khác nhau. Mỗi nhà cung cấp mạng hay dịch vụ là một thực thể riêng lẻ với mục tiêu kinh doanh và cung cấp dịch vụ khác nhau, có thể sử dụng những kỹ thuật và giao thức khác nhau. Một vài dịch vụ có thể chỉ do một nhà cung cấp dịch vụ đưa ra, nhưng tất cả các dịch vụ đều phải được truyền qua mạng một cách thông suốt từđầu cuối đến đầu cuối.
• Mạng tương lai phải hỗ trợ tất cả các loại kết nối (hay còn gọi là cuộc gọi), cả cho hữu tuyến cũng như vô tuyến.
Vì vậy, mạng NGN sẽ tiến hóa lên từ mạng truyền dẫn hiện tại. Cùng với sự thay đổi ở lớp truy nhập và truyền dẫn, chức năng chuyển mạch của tổng đài ở lớp điều khiển được thay thế bằng một phần mềm chuyển mạch thông minh gọi là
Softswitch (hay Call Agent).
2.2. Cấu trúc phân lớp của mạng NGN-Mobile
Cấu trúc mạng NGN-Mobile được xây dựng dựa trên hai nguyên tắc cơ bản là[2, 4, 7]:
o Hội tụ thoại và dữ liệu, sử dụng cùng một công nghệ, cùng một mạng cho cả hai dịch vụ thoại và dữ liệu.
o Phân tách các lớp: tách chức năng chuyển mạch và chức năng xử lý cuộc gọi
Mạng NGN là mạng dựa trên mạng chuyển mạch gói trong đó các phần tử thực hiện chức năng chuyển mạch định tuyến và các phần tử điều khiển được phân tách một cách logic và vật lý theo khả năng thông minh điều khiển dịch vụ hoặc cuộc gọi. Mạng NGN hỗ trợ rất đa dạng các loại hình dịch vụ dựa trên một cơ sở hạ tầng truyền dẫn chung, bao gồm từ các dịch vụ thoại cơ bản cho đến các dịch vụ số liệu, video, đa phương tiện, dịch vụ băng thông rộng, và các ứng dụng quản lý mạng thông minh.
Mạng NGN được chia thành các phân lớp cơ bản: lớp truy nhập, lớp truyền tải, lớp điều khiển và lớp ứng dụng. Mỗi phân lớp có chứa một số phần tử chức năng cơ bản như: Máy chủ cuộc gọi (Call Sever) hay còn gọi là Chuyển mạch mềm (SoftSwitch), Cổng truy nhập (Media Gateway), Cổng báo hiệu (Signalling Gateway) và Máy chủ dịch vụ (Feature Server).
Mạng NGN-Mobile gồm các lớp như sau:
Lớp truy nhập:
Bao gồm các thiết bị của mạng truy nhập vô tuyến cung cấp các kết nối giữa các thiết bịđầu cuối thuê bao di động với mạng. Các thiết bị thuộc lớp này có thể sử dụng các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau như: GSM, GRPS, EDGE, WCDMA, IS-95, cdma2000-1x, cdma200-1 x EV-DO, cdma200-1 x EV-DV,...
Lớp này bao gồm các phần tử chức năng cơ bản khác như: Cổng truy nhập (Media Gateway) và cổng báo hiệu (Signalling Gateway).
• Cổng truy nhập (Media Gateway): Chức năng cổng truy nhập chỉ được sử dụng khi trong mạng còn tồn tại các hệ thống cũ dựa trên công nghệ TDM. Khi thực hiện thông tin từ đầu cuối đến đầu cuối dựa trên công nghệ truyền gói thì cổng phương tiện không cần thiết phải sử dụng. Đây là thiết bị kết nối hai điểm kết cuối thuộc các miền mạng khác nhau về công nghệ. Cổng truy nhập hỗ trợ kết nối ở lớp truyền tải.
• Cổng báo hiệu (Signalling Gateway): Cổng báo hiệu hỗ trợ báo hiệu liên mạng giữa các mạng dựa trên công nghệ TDM và các mạng chuyển mạch gói.Giao thức SIGTRAN được sử dụng để truyền thông tin báo hiệu giữa các mạng truy nhập và các thiết bị thuộc lớp điều khiển (Chuyển mạch mềm, MSC Server, Call Server). Cổng báo hiệu có thểđược tích hợp bên trong cổng truy nhập hoặc cấu hình là một thiết bịđộc lập.
Lớp truyền tải:
Bao gồm các nút chuyển mạch IP và các hệ thống truyền dẫn thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến các cuộc gọi giữa các thuê bao của lớp truy nhập dưới sựđiều khiển của thiết bịđiều khiển cuộc gọi thuộc lớp điều khiển.
Lớp ứng dụng:
Lớp ứng dụng cung cấp các ứng dụng và dịch vụ cho khách hàng thông qua lớp điều khiển. Hệ thống ứng dụng này liên kết với lớp điều khiển thống qua các giao diện mở API cho phép hệ thống có thể kết nối đến máy chủ cung cấp dịch vụ
của bên thứ 3. Phần tử cơ bản thuộc lớp ứng dụng là máy chủ dịch vụ (Feature Server, Application Server,…).
Lớp điều khiển:
Lớp điều khiển có chức năng kết nối cuộc gọi thuê bao với lớp ứng dụng. Các chức năng như quản lý, chăm sóc khách hàng, tính cước cũng được tích hợp trong lớp điều khiển. Phần tử quan trọng trong lớp điều khiển là chuyển mạch mềm Softswitch, MSC Server hay Call Server. Chuyển mạch mềm hỗ trợ các chức năng liên quan đến xử lý cuộc gọi. Chuyển mạch mềm giao tiếp với các cổng truy nhập MG (Media Gateway) ở ranh giới mạng tại lớp truyền tải sử dụng các giao thức điều khiển đã được chuẩn hóa như: MGCP, Megaco (H.248). Bằng cách sử dụng các giao thức này, khối chức năng chuyển mạch mềm có thể xác định hai đầu cuối cần thực hiện kết nối (phiên truyền dẫn). Sau khi đã xác định được 2 điểm kết cuối, chuyển mạch mềm sẽ thiết lập một kênh truyền dẫn giữa chúng.
Lớp điểu khiển của cấu trúc của mạng NGN-Mobile dựa trên cấu trúc Softwitch hoặc cấu trúc dựa trên IMS. Cấu trúc dựa trên Softwitch là cấu trúc xuất hiện trước và có nhiều hãng cung cấp thiết bị này trên thị trường như Siemens, Ericsson, Nokia, Alcatel, Huawei, Motorola,...Cấu trúc dựa trên Softwitch có thể nâng cấp lên cấu trúc IMS trong những giai đoạn phát triển sau của hệ thống mạng.
2.2.1. Cấu trúc dựa trên Softwitch
Chúng ta có thể thấy rằng, giải pháp mạng NGN là tách phần điều khiển ra khỏi phần truyền tải trong miền chuyển mạch kênh. Phiên bản Release 4 lần đầu tiên đã sử dụng Media Gateway và MSC Server hoạt động dựa trên Chuyển mạch mềm. Softswitch trong mạng NGN-Mobile có các tính năng tương tự chuyển mạch mềm trong tổng đài NGN[ 4, 7, 9].
Chuyển mạch mềm - Softswitch là một thành phần cơ bản của mạng thế hệ sau NGN dựa trên ý tưởng chuyển mạch mềm trong tổng đài NGN, với chức năng cơ bản là điều khiển kết nối. Softswitch điều khiển việc thiết lập và kết thúc cuộc gọi từ hoặc tới các thuê bao được phục vụ bởi tổng đài, quản l ý các kết nối này tới các mạng ngoài.
Softswitch bao gồm các phần tử Softswitch host, Application Server, Operating Support System và các Media Gateway (Signaling Gateway, Trunk Gateway, Access Gateway), các phần tử này hoặc là các phần tử riêng biệt hoặc được tích hợp với nhau, trong đó:
o Softswitch (còn được gọi là Call Agent hoặc Call Controller): thực hiện chức năng quản l ý cuộc gọi.
o Application Server (AS): cung cấp các tính năng hỗ trợ ứng dụng/ nội dung.
o Operating Support System (OSS): có chức năng quản lý mạng, hỗ trợ tính cước,...
o Trunk Gateway (TG): kết nối tổng đài Toll hoặc Local của mạng PSTN. o Signaling Gateway: kết nối mạng báo hiệu CCS-7.
o Access Gateway (AG): kết nối với thiết bịđầu cuối.
Hình 2.2: Khái niệm Softswitch
Softswitch được thực hiện bằng phần mềm chạy trên các Platform thương mại. Softwitch thực hiện các chức năng thông tin giống như tổng đài chuyển mạch kênh truyền thống. Nhưng không giống các giải pháp chuyển mạch được sử dụng rộng rãi, Softswitch là một platform mở, linh hoạt và tin cậy có cấu trúc phân lớp dựa trên tưởng tách phần điều khiển cuộc gọi/phiên khỏi lớp truyền tải lưu lượng.
Hình 2.3 mô tả cấu trúc phân lớp của Softswitch bao gồm: lớp truyền tải, lớp điều khiển và lớp ứng dụng/dịch vụ. Các lớp kết nối với nhau sử dụng các hàm giao diện lập trình ứng dụng (API) đã được chuẩn hóa. Kiến trúc này cho phép nhà khai thác mạng có giải pháp tối ưu để phát triển và quản lý các dịch vụ mới nhằm đảm bảo nhu cầu thay đổi rất nhanh của các dịch vụ/ứng dụng.
o Lớp ứng dụng (Application Layer): các giao diện mở API cho phép các nhà cung cấp nội dung/ứng dụng thuộc bên thứ ba dễ dàng phát triển các dịch vụ và cung cấp cho khách hàng.
o Lớp điều khiển cuộc gọi/phiên (Session Control Layer): kết nối, điều khiển, giám sát cuộc gọi/phiên, cũng như hỗ trợ nhiều loại giao thức khác nhau.
o Lớp truyền tải (Transport Layer): bao gồm các phần tử mạng thực tế (thiết bị phần cứng) thực hiện chức năng truyền tải vật các bit thông tin độc lập với loại hình mạng truy nhập. Phương thức truyền tải gói tin có thể là IP hoặc ATM.
Hình 2.3: Cấu trúc phân lớp chức năng của Softswitch so với cấu trúc của tổng
đài chuyển mạch kênh truyền thống
Hệ thống chuyển mạch kênh và chuyển mạch mềm có sự khác biệt rõ rệt như sau:
Chuyển mạch kênh: Nhà cung cấp đưa ra tất cả các giải pháp trong một khối chuyển mạch duy nhất bao gồm: Phần cứng, chuyển mạch, ứng dụng. Khách hàng phụ thuộc nhà cung cấp, không có đổi mới, chi phí vận hành và bảo dưỡng cao
Chuyển mạch mềm: Các giải pháp đưa ra từ nhiều nhà cung cấp, ở nhiều mức độ khác nhau với nhiều sản phẩm nguồn mở theo chuẩn. Khách hàng tự do chọn lựa những sản phẩm tốt nhất để xây dựng từng lớp mạng trong hệ thống. Các chuẩn mở cho phép mở rộng dễ dàng và giảm chi phí vận hành, quản lý và bảo dưỡng.
2.2.2. Cấu trúc dựa trên IMS
Trong lớp điều khiển, cấu trúc dựa trên Softwitch có thể nâng cấp lên cấu trúc IMS trong những giai đoạn phát triển sau của hệ thống mạng
Hiện nay có nhiều dịch vụ Internet được sử dụng thông qua điện thoại di động. IMS với giao thức nền là SIP, với các tính năng khởi tạo phiên thời gian thực, cho phép các nhà khai thác phát triển và quản lý các dịch vụ dữ liệu di động một cách linh hoạt và hiệu quả. Các nhà khai thác luôn mong muốn mạng hỗ trợ các giao diện chuẩn kết nối tới IMS cho phép hỗ trợ các dịch vụ liên mạng và khả năng kết nối tới các nhà cung cấp nội dung/ứng dụng bên thứ ba. IMS sẽ được bổ sung các tính năng phức tạp hơn trong Release 6. Các tiêu chuẩn IMS đang được mở rộng và hỗ trợ nhiều giao thức kết nối mạng khác nhau như 802.11-WiFi, cáp, DSL, cung cấp nhiều loại ứng dụng/dịch vụ IP.
IMS là giải pháp với các giao diện được tiêu chuẩn hoá. Hệ thống IMS cho phép các nhà khai thác mạng có cơ hội lựa chọn các sản phẩm và các giải pháp từ