Giải pháp sử dụng công nghệ truy nhập di động không cấp phép UMA cho phép cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu di động chất lượng cao trên mạng GSM và các mạng vô tuyến băng rộng Wi-Fi/Bluetooth sử dụng ở trong nhà, văn phòng và các điểm truy nhập công cộng. Việc truy nhập trong các phổ tần vô tuyến không cấp phép của các mạng vô tuyến băng rộng có giá thành thấp hơn nhiều so với các mạng di động 2,5G và 3G. Do vậy, thuê bao có thể sử dụng
máy di động làm thiết bị thông tin cơ bản. Các nhà cung cấp dịch vụ và khai thác mạng di động có thể tối ưu lợi nhuận thông qua việc:
Cải thiện chất lượng dịch vụ di động ở trong nhà, văn phòng và các
điểm truy nhập công cộng, giảm tải cho mạng macro nhờ sử dụng các mạng vô tuyến với băng tần không cấp phép.
Giảm chi phí đầu tư cho hạ tầng mạng vô tuyến nhờ sử dụng các mạng
truy nhập vô tuyến thay thế có giá thành thấp (WLAN, Bluetooth).
Cung cấp cho thuê bao các dịch vụ băng rộng.
Cung cấp các dịch vụ tích hợp cố định và di động.
Công nghệ UMA cho phép các thuê bao di động chuyển giao giữa các mạng di động và các mạng vô tuyến trong nhà, việc truy nhập mạng cũng có thể thực hiện được tại các điểm truy nhập của WLAN. Khi thuê bao di động nằm giữa các mạng vô tuyến, khách hàng tiếp tục được sử dụng các dịch vụ thoại và số liệu di động với chất lượng không thay đổi so với khi ở trong mạng GSM/GPRS. Khi ở trong phạm vi phủ sóng của các hệ thống truy nhập vô tuyến không cấp phép, thuê bao di động có thể được cung cấp các dịch vụ số liệu tốc độ cao do không còn bị giới hạn về băng thông của mạng GSM (theo lý thuyết Wi-Fi có khả năng hỗ trợ tốc độ truy nhập lên tới 11 MB/s). Cấu trúc hệ thống UMA theo tiêu chuẩn TS 43.318 của 3GPP được mô tả trên Hình 3-1 dưới đây, [2]. MS Generic Access Network SEGW SMLC CBC MSC SGSN AAA Proxy Server HLR Generic Access Network Controller (GANC) Up A Gb Wm D’/Gr’ MS: GANC: Mobile Station GAN Controller SEGW Security Gateway
HPLMN (roaming case)
Wd Out of Scope
Lb
Hình 3-1. Cấu trúc sơ đồ khối chức năng của hệ thống UMA
UMA được chuẩn hóa bởi nhóm GERAN của 3GPP, hệ thống có tên gọi là mạng truy nhập chung – Generic Access Network (GAN). Những điển cơ bản trong cấu trúc UMA/GAN bao gồm:
So với cấu trúc một hệ thống thông tin di động thông thường, GAN có thêm một số phần tử mới và một số phần tử với chức năng được cải tiến:
o Máy di động MS: là phần tử được cải tiến, có khả năng truy nhập
đa chế độ, hỗ trợ nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến (tối thiểu là GSM/GPRS và WLAN).
o Bộ điều khiển mạng truy nhập chung GANC (Generic Access
Network Controller): nhìn từ phía mạng lõi, GANC được coi như một phân hệ điều khiển trạm gốc - GERAN Base Station Subsystem (BSS). Nó chứa một cổng an ninh - Security Gateway (SEGW) để đảm bảo việc truy nhập tunnel an toàn từ MS, hỗ trợ nhiều cơ chế nhận thực, mã hoá sử dụng chung cho tín hiệu thoại, báo hiệu và lưu lượng số liệu.
Mạng truy nhập IP chung (Generic IP Access Network): hỗ trợ kết nối
giữa MS với GANC. Kết nối truyền tải IP mở rộng từ GANC đến MS. Một giao diện duy nhất Up được định nghĩa giữa GANC và MS.
GAN là hệ thống tương đương với mạng truy nhập vô tuyến
GSM/GPRS (GERAN) và kết nối với mạng lõi di động (CN) qua các giao diện chuẩn được định nghĩa:
o Giao diện A sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch kênh được
định nghĩa trong tiêu chuẩn TS 48.008 của 3GPP.
o Giao diện Gb sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói được
định nghĩa trong tiêu chuẩn TS 48.018 của 3GPP.
o Giao diện Lb được sử dụng cho dịch vụ hỗ trợ vị trí được định
nghĩa trong tiêu chuẩn TS 43.059 của 3GPP.
o Giao diện CBC-SBC hỗ trợ dịch vụ quảng bá trong cell được
định nghĩa trong tiêu chuẩn TS 23.041 của 3GPP.
Điều khiển kết nối (như CC và SM) và các dịch vụ thuê bao được hỗ
trợ bởi mạng lõi (MSC/VLR và SGSN/GGSN).
GANC kết nối với máy chủ AAA qua giao diện Wm được định nghĩa
trong tiêu chuẩn TS 29.234 của 3GPP. Máy chủ AAA được sử dụng để nhận thực MS khi nó muốn thiết lập một tunnel an toàn. Lưu ý rằng, chỉ một phần tử các chức năng của giao diện Wm được sử dụng cho
ứng dụng GAN. Chức năng tối thiểu của giao diện phần tử GAN- SEGW là hỗ trợ các thủ tục nhận thực qua giao diện Wm.
Các phần tử chức năng cơ bản của hệ thống GAN:
Máy di động (MS): MS hỗ trợ truy nhập vô tuyến hai chế độ (GSM và
hệ thống truy nhập vô tuyến không cần cấp phép) và có khả năng chuyển đổi chế độ làm việc giữa hai chế độ này. MS có thể hỗ trợ công nghệ Bluetooth (sử dụng yêu cầu hệ thống Bluetooth PAN) hoặc 802.11 (WLAN).
Điểm truy nhập (AP): là phần tử nằm trong khối chức năng mạng truy
nhập IP - Generic IP Access Network như trên Hình 3-1. AP chính là điểm truy nhập vô tuyến của MS sử dụng băng tần không cấp phép (2,4 GHz; 5,8 GHz….). AP được kết nối với mạng IP băng rộng tới GANC. AP hỗ trợ chức năng truy nhập Bluetooth (PAN) hoặc 802.11. Các AP không hỗ trợ các chức năng cổng truy nhập UMA. Điều đó có nghĩa là một AP thông thường có thể được sử dụng để kết nối MS tới GANC qua mạng truy nhập băng rộng.
GANC: kết nối với một MSC và một SGSN tương ứng với các giao
diện A và giao diện Gb. GANC hỗ trợ các tính năng tương đương với bộ điều khiển trạm gốc GERAN. Nó kết nối với một điểm truy nhập (AP) qua mạng truyền tải IP. GANC giao tiếp với MS sử dụng giao diện Up.
GANC hỗ trợ một phần các tính năng của giao diện Wm, đặc biệt là các thủ tục nhận thực. Nó duy trì thông tin đầu cuối - đến - đầu cuối với việc MS chuyển tiếp báo hiệu GERAN tới giao diện A/Gb và tới mạng lõi. Các tính năng được hỗ trợ bởi GANC bao gồm:
o Các dịch vụ thoại trong mặt phẳng người sử dụng tại giao diện
Up: hỗ trợ tương tác kênh thoại trên giao diện Up tới kênh thoại trên giao diện A, chuyển mã thoại sang PCM khi MSC không sử dụng chức năng TFO/TrFO.
o Các dịch vụ số liệu trong mặt phẳng người sử dụng tại giao diện
Up: các kênh truyền tải số liệu trên giao diện Up truyền gói qua giao diện Gb.
o Cổng an ninh tại giao diện Up (SGW) được sử dụng để tạo tunnel
truy nhập an toan từ xa đến MS.
o Đăng ký truy nhập dịch vụ UMA.
o Thiết lập đường truyền kênh mang UMA cho cả dịch vụ CS và
PS. Nó cũng tham gia vào việc thiết lập, quản lý và giải phóng các báo hiệu và kênh mang trên mặt phẳng người sử dụng giữa MS và GANC.
o Các chức năng UMA tương đương với GSM RR và GPRS RLC
để thực hiện tìm gọi và chuyển giao.
o Truyền trong suốt các bản tin L3 giữa MS và mạng lõi.
3.2.2. Công nghệ UMA và xu hƣớng tích hợp cố định - di động FMC
Đối với các nhà khai thác mạng di động, việc sử dụng UMA trong mạng GSM của họ không phải là một vấn đề lớn, không cần phải thay đổi nhiều về cấu trúc mạng khi sử dụng UMA. Việc triển khai UMA trong mạng đơn giản chỉ là thêm vào một bộ điều khiển mạng UMA - UMA Network Controller (UNC) (còn được gọi là Generic Access Network Controller - GANC trong tiêu chuẩn của 3GPP) để kết nối mạng truy nhập vô tuyến WLAN với mạng lõi GSM sử dụng các giao diện đã chuẩn hoá A và Gb.
Giải pháp công nghệ UMA có thể sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng của các mạng UTRAN trong lộ trình phát triển của mạng GSM và cũng tạo điều kiện cho phép sớm triển khai các dịch vụ tích hợp di động, cố định. Đối với các nhà khai thác mạng GSM (Vinaphone và Mobifone, Viettel) ở Việt Nam, việc nghiên cứu giải pháp triển khai công nghệ UMA là cần thiết để có thể hỗ trợ cho lộ trình phát triển, nâng cấp mạng GSM, chuẩn bị cung cấp các dịch vụ hội tụ cố định - di động. Hình 3-2 dưới đây mô tả việc ứng dụng công nghệ UMA trong mạng GSM, sử dụng giao diện đã được chuẩn hóa A và Gb.
Nhiều nhà khai thác mạng đã triển khai UMTS dưới hình thức bổ xung vào mạng GSM đang sử dụng và cũng có những nhà khai thác mạng triển khai một mạng UMTS độc lập (Hutchison 3G). Đối với phần lớn các nhà khai thác mạng, việc thêm vào UMTS là bước phát triển mạng quan trọng yêu cầu một băng tần cấp phép ở dải 2 GHz, thiết bị mạng truy nhập mới (UTRAN) và các phần tử mạng lõi mới. Hình 3-3 mô tả mạng di động GSM và UMTS sử dụng kết hợp UMA.
Hình 3-3. Mạng di động GSM và UMTS sử dụng kết hợp UMA
Một vấn đề quan trọng cần tính đến đó là tính di động giữa các vùng phủ sóng của WLAN và của UMTS. Từ góc nhìn tổng thể trên toàn mạng, hiện nay chuyển giao giữa GSM và UMTS đã được hỗ trợ. Đối với mạng lõi GSM, khối chức năng điều khiển UNC của UMA được coi như một BSC. Do vậy, khi một cuộc gọi đang được xử lý bởi UNC được chuyển giao sang một RNC, thì quá trình chuyển giao được thực hiện giống như đối với các cuộc gọi được chuyển giao giữa một BSC (GSM) tới một RNC (UMTS). Chuyển giao giữa UMA và UMTS chỉ có thể thực hiện được khi cả hai công nghệ này đều được hỗ trợ trong cùng một máy di động. Hiện tại, các thiết bị UMA chỉ hỗ trợ GSM. Cùng với xu hướng phát triển của các thiết bị đầu cuối di động, các thiết bị UMA sẽ hỗ trợ cả hai công nghệ GSM và UMTS.
Các nhà khai thác mạng cũng quan tâm đến vấn đề sử dụng giao diện Iu bên trong hệ thống tiêu chuẩn UMA. Trên thực tế, nhu cầu sử dụng giao diện này rất ít. Như đã phân tích ở trên, không cần thiết phải sử dụng giao diện Iu để xử lý chuyển giao giữa UMA và UMTS. Ngoài ra, các nhà khai thác mạng sử dụng kết hợp mạng GSM và UMTS có thể hỗ trợ phần lớn các dịch vụ trên hệ thống UMA thông qua các giao diện A và Gb. Các nhà khai thác chỉ có mạng UMTS độc lập có hai lựa chọn khi sử dụng công nghệ UMA:
1) Hỗ trợ giao diện Iu bên trong UNC.
2) Hỗ trợ giao diện A/Gb trong MSC/SGSN của họ.
Dịch vụ duy nhất yêu cầu sử dụng giao diện Iu là dịch vụ điện thoại hình ảnh chuyển mạch kênh. Chính dịch vụ này tạo ra nhu cầu sử dụng Iu trong tương lai. Một số nhà khai thác mạng đã bắt đầu nghiên cứu các giải pháp để sử dụng giao diện Iu cho UMA và đề xuất thành chuẩn trong 3GPP.
Một trong những nguyên nhân cơ bản khiến các nhà khai thác mạng muốn triển khai UMA là mong muốn cải thiện chất lượng phủ sóng trong nhà. Do đặc tính của dải tần 2 GHz, việc phủ sóng trong nhà là một thách thức lớn đối với hệ thống UMTS. Điều đó có nghĩa là cần thiết sử dụng một công nghệ khác có hiệu quả để thực hiện phủ sóng trong nhà (GSM hoặc UMA).
Ngoài ra, UMA cũng cho phép sử dụng các ứng dụng băng thông rộng hơn so với GSM, do đó mở rộng vùng phủ cho các ứng dụng UMTS tới tận nhà thuê bao. Ngoài ra, các nhà khai thác mạng đang cân nhắc khả năng sử dụng UMA là một công nghệ hỗ trợ cho UMTS nhằm đạt được dung lượng lớn để thỏa mãn nhu cầu số lượng các thuê bao di động ngày càng tăng do xu thế thay thế cố định - di động.
Như vậy, về mặt kỹ thuật sẽ không có rào cản nào cho việc sử dụng UMA kết hợp với các mạng GSM và UMTS, do việc chuyển giao giữa hệ thống truy nhập UMTS và UMA được hỗ trợ.
Về lâu dài, giao diện Iu có khả năng được sử dụng trong UNC để cung cấp tất cả các dịch vụ UMTS. Mặc dù các máy cầm tay UMTS có hỗ trợ UMA nhưng chúng ta vẫn có cơ sở để khẳng định rằng UMA có thể được sử dụng cùng với UMTS.
Tuy nhiên, UMA còn có một số nhược điểm chủ yếu:
Để thực thi thành công UMA cần định cỡ lại hoặc thay thế một số
thành phần GSM/GPRS vì lưu lượng tăng lên.
Phát sinh vấn đề chất lượng dịch vụ QoS do sử dụng WLAN.
Thiếu hỗ trợ chuyển giao giữa các điểm truy nhập trong cùng một
mạng Wi-Fi.
Giải pháp UMA cho GSM/GPRS không sử dụng được cho UMTS, trừ
khi bộ điều khiển UNC mới thực thi được với các giao diện khác nhau. UMA không phù hợp với các doanh nghiệp vì nó không hỗ trợ: chuyển
cuộc gọi, IP PBX, cổng nối WLAN, nhận thực trao quyền và thanh toán cho truy nhập đến các dịch vụ.
3.3. Hội tụ cố định - di động dựa trên công nghệ Femtocell
Femtocell là một giải pháp cho hội tụ cố định - di động, cung cấp kết nối tốc độ cao cho người dùng trong nhà. Những tiềm năng về dịch vụ đa phương tiện trong tương lai chính là đòn bẩy cho việc triển khai Femtocell. Đây là một giải pháp thay thế cho giải pháp hội tụ cố định - di động UMA (Unlicensed Mobile Access) hiện gặp không ít khó khăn trong việc thu hút người dùng. Sự khác biệt lớn nhất giữa UMA và Femtocell là Femtocell sử dụng cùng giao diện vô tuyến như mạng thông tin di động thay vì dùng WiFi. Do vậy, người dùng Femtocell không nhất thiết phải trang bị điện thoại dual-mode (có thể kết nối với WiFi và GSM/UMTS).
3.3.1. Giải pháp sử dụng công nghệ 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 và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng ở phạm vi gia đình hay văn phòng, công sở. Femtocell được xem như trạm phát sóng trong nhà (home base station) hay điểm truy nhập mạng tế bào giống điểm truy nhập WiFi. 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, [29].
Một trong những chỉ số đánh giá mức độ thành công triển khai công nghệ Femtocell là tính tương hợp giữa điểm truy nhập Femto và mạng. Những yêu cầu tương hợp đòi hỏi sự phát triển của các kiến trúc thông thường và các chuẩn công nghệ phù hợp để đảm bảo ghép nối tương thích cho các điểm truy nhập và mạng. Để đạt được mục tiêu này, diễn đàn Femto đã phát triển một kiến trúc được biểu diễn ở Hình 3-4 mô tả giải pháp kiến trúc Femtocell với các thuộc tính tiêu chuẩn được định nghĩa cho cả điểm truy nhập Femto (FAP-Femto Access Point) và cổng kết nối Femto (FGW-Femto Gateway).
Các điểm truy nhập Femto (FAP) gồm những chức năng điển hình sau:
Quản lý báo hiệu, quản lý mặt phẳng người sử dụng, quản lý tài
nguyên tần số vô tuyến.
Chức năng vận chuyển IP, quản lý QoS, bảo mật lớp 3, quản lý TR-
069 (là tập các giao thức để giải quyết những yêu cầu của các modem DSL và việc cấu hình của chúng).
Tự cấu hình, chức năng tường lửa, NAT, bảo mật.
Các cổng kết nối Femto (FGW) gồm các chức năng điển hình sau:
Đồng bộ và cung cấp định thời cho mạng.
Nhận thực và cấp phép Femtocell, che dấu cấu trúc liên kết AP.
Chức năng bảo mật IP.
Tập hợp và định tuyến lưu lượng Femtocell, tự động cấu hình.