Trong mạng thông tin di động thế hệ 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 đường truyền dành riêng như E1/T1. Các RNC ghép các lưu lượng dữ liệu từ các Node B trước khi gửi chúng đến mạng lõi di động. RNC phân phát lưu lượng 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.
Trong tương lai, hàng ngàn Femtocell sẽ được 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. Dưới đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu 3 giải pháp đã được đề nghị để kết nối thiết bị Femtocell đến mạng lõi di động.
a. 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). Bộ tập trung lưu lượng được thể hiện trên Hình 3-5, [26].
Hình 3-5. Bộ tập trung Iu (hay Femtocell GateWay–FGW)
Trong khung giải pháp này, Iu-concentrator (còn được gọi là Femtocell Gateway - FGW) như là một 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).
b. Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN
Hình 3-6 dưới đây mô tả giải pháp GAN Femtocell và Wi-Fi
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 được 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 như 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.
c. 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 hướng này là dùng SoftSwitch trong đó các Femtocell được kết nối với các SoftSwitch thông qua giao diện SIP (Session Initiation Protocol). Việc kết nối trực tiếp với IMS lõi mang lại nhiều lợi ích như: giảm tải lưu lượng cho mạng lõi di động vì lưu lượng 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 phương tiện của IMS trong tương lai. Hình 3-7 dưới đây mô tả giải pháp IMS Femtocell.
Hình 3-7. Giải pháp IMS Femtocell 3.4. Hội tụ mạng cố định - di động dựa trên IMS
IMS (IP multimedia subsystem) là một chuẩn điều khiển dựa trên mạng IP sử dụng cả mạng cố định và di động nhằm cung cấp các dịch vụ đa phương tiện, bao gồm: audio, video, thoại, văn bản và dữ liệu. Các dịch vụ này có thể phân chia thành 3 loại sau:
o Dịch vụ không yêu cầu thời gian thực như tin nhắn đa phương tiện
o Dịch vụ gần thời gian thực như Push to talk, dịch vụ game.
o Dịch vụ thời gian thực như thoại, audio, video, hội nghị truyền
hình.
Đặc điểm của IMS:
o Dựa trên nền IP.
o Hỗ trợ đa phương tiện, đa phiên làm việc.
o Bảo đảm QoS, bảo mật.
o Hệ thống mở có thể tích hợp được nhiều mạng và xây dựng được
nhiều dịch vụ khác nhau (dịch vụ yêu cầu thời gian thực, gần thời gian thực và không thời gian thực).
o Sử dụng các giao thức thông dụng trên Internet.
3.4.1. Kiến trúc IMS
IMS có khả năng hội tụ mạng cố định và di động. IMS thực hiện được điều này nhờ cấu trúc phân lớp ngang, tức là các lớp độc lập với nhau như được thể hiện trên Hình 3-8, [22].
Cấu trúc phân lớp của IMS bao gồm 3 lớp:
Lớp truyền tải: bao gồm các Switch, Router, Media GateWay, Media
Server. Lớp này có thể kết nối tới nhiều loại mạng khác nhau:
o Mạng di động 3G (UMTS, CDMA, WCDMA)
o Mạng di động 2,5G (GPRS)
o Mạng IP có dây (xDSL, Cable) và không dây (WLAN, WiMax)
o PSTN, ISDN
Lớp điều khiển: bao gồm các phần tử của mạng báo hiệu (CSCF, HSS,
MGCF…), có khả năng điều khiển phiên chung, điều khiển luồng dữ liệu và điều khiển luồng truy nhập thông qua các giao thức báo hiệu như SIP, Diameter, H248 (MEGACO). Lớp này là mạng lõi của IMS.
Lớp dịch vụ: bao gồm các Server ứng dụng AS như Server ứng dụng
SIP, Server truy nhập dịch vụ dành cho nhà cung cấp thứ 3 và các điểm điều khiển dịch vụ. IMS điều khiển dịch vụ thông qua mạng thuê bao và các thành phần mạng báo hiệu trong lớp dịch vụ và lớp điều khiển.
3.4.1.1. Lớp dịch vụ
- Máy chủ ứng dụng AS (Application Server) là nơi chứa đựng và vận hành các dịch vụ IMS. AS tương tác với S-CSCF thông qua giao thức SIP để cung cấp dịch vụ đến người dùng. Máy chủ VCC (Voice Call Continuity) đang được phát triển và chuẩn hoá bởi 3GPP. AS có thể thuộc mạng thường trú, nó có thể giao tiếp trực tiếp với HSS thông qua giao thức DIAMETER để cập nhật thông tin về hồ sơ người dùng (user profiles) trên mạng, quản lý quá trình hội thảo trực tuyến, tính cước trực tuyến…Các AS chia thành 3 loại:
o SIP-AS: máy chủ ứng dụng cung cấp các dịch vụ và ứng dụng
theo giao thức SIP.
o OSA-SCS (Open Service Access-Service Capability Server): là
máy chủ ứng dụng cung cấp dịch vụ thông qua các giao diện lập trình của OSA GTW trong mô hình kiến trúc dịch vụ mở OSA.
o IM-SSF (IP Multimedia Service Switching Function): là máy
chủ ứng dụng đặc biệt cho phép tái sử dụng CAMEL (Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic), đây là các dịch vụ đã được IMS phát triển cho GSM. IM-SSF cho phép một GSM-SCF (GSM Service Control Function) điều khiển một phiên IMS. IM-SSF cũng hoạt động giống như máy
chủ dịch vụ chuyển tiếp (là thành phần của GSM-SCF qua giao thức CAP-CAMEL Application Part).
- Máy chủ quản lý thuê bao thường trú HSS (Home Subcriber Server) có thể xem như là một cải tiến của bộ đăng ký định vụ thường trú HLR (Home Location Register). HSS là một cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin của tất cả khách hàng thuê bao. Nó chứa đựng các thông tin như nhận dạng người dùng, tên của S-CSCF gán cho người dùng, hồ sơ roaming, thông số nhận thực cũng như thông tin về dịch vụ thuê bao. Trong trường hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị người dùng SLF (Subcriber Location Function) sẽ được thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng.
3.4.1.2. Lớp điều khiển lõi (lớp lõi IMS)
Chức năng của lõi IMS là quản lý việc tạo lập phiên liên lạc và dịch vụ đa phương tiện. Các chức năng của nó bao gồm:
- Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi CSCF (Call Session Control Function) có nhiệm vụ thiết lập, theo dõi, hỗ trợ và giải phóng các phiên đa phương tiện cũng như quản lý những tương tác dịch vụ của người dùng. CSCF được phân ra 3 loại: Serving-CSCF, Proxy-CSCF và Interogating-CSCF.
Proxy-CSCF (P-CSCF): là một proxy SIP, sở dĩ gọi là proxy vì nó có thể
nhận các yêu cầu dịch vụ, xử lý nội bộ hoặc chuyển tiếp yêu cầu đến các bộ phận khác trong hệ thống IMS. Đây là điểm kết nối đầu tiên giữa hạ tầng IMS và người dùng IMS/SIP. Một vài hệ thống mạng có thể dùng SBC (Session Border Controller) để thực hiện chức năng này. Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải đăng ký với P-CSCF trong mạng mà nó đang kết nối. Địa chỉ của P-CSCF được truy cập thông qua giao thức DHCP hoặc sẽ được cung cấp khi người dùng tiến hành thiết lập kết nối PDP (Packet Data Protocol) trong mạng thông tin di động gói tế bào. Chức năng của P-CSCF bao gồm:
o P-CSCF nằm trên đường truyền của tất cả các thông điệp báo hiệu
trong hệ thống IMS. Nó có khả năng kiểm tra bất kỳ thông điệp nào. P-CSCF có nhiệm vụ đảm bảo truyền tải các yêu cầu từ UE đến máy chủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng như những thông điệp phản hồi từ máy chủ SIP về UE. P-CSCF xác thực người dùng và thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết bị IMS của người dùng. Nó còn có vai trò ngăn cản các tấn công như spoofing (bắt chước), replay (lặp lại) để đảm bảo sự bảo mật và an toàn cho người dùng.
P-CSCF cũng có thể nén và giải nén các thông điệp SIP để giảm thiểu khối lượng thông tin báo hiệu truyền trên những đường truyền tốc độ thấp. P-CSCF có thể tích hợp chức năng quyết định chính sách PDF (Policy Decision Function) nhằm quản lý và đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện. P-CSCF cũng tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ. Serving-CSCF (S-CSCF) là một nút trung tâm của hệ thống báo tín hiệu IMS.
o S-CSCF vận hành giống như một máy chủ SIP nhưng nó bao hàm
cả chức năng quản lý phiên dịch vụ. Các chức năng chính của S- CSCF bao gồm:
Tiến hành các đăng ký SIP nhằm thiết lập mối liên hệ giữa
địa chỉ người dùng (địa chỉ IP của thiết bị) với địa chỉ SIP. S- CSCF đóng vai trò như một máy chủ Registor (đăng ký) trong hệ thống SIP. S-CSCF tham gia trong tất cả các quá trình báo hiệu từ hệ thống IMS về người dùng. Nó có thể kiểm tra bất kỳ thông điệp nào nếu muốn. S-CSCF giữ vai trò quyết định chọn lựa AS nào sẽ cung cấp dịch vụ cho người dùng. Nó giữ vai trò quyết định tuyến dịch vụ thông qua việc sử dụng giải pháp DNS/ENUM (Electronic Numbering). S- CSCF thực hiện các chính sách của nhà cung cấp dịch vụ. S- CSCF tương tác với máy chủ AS để yêu cầu các hỗ trợ dịch vụ cho khách hàng. S-CSCF liên lạc với HSS để lấy thông tin, cập nhật thông tin về hồ sơ người dùng và tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ.
o Interrogating-CSCF (I-CSCF): trong hệ thống mạng của một
nhà cung cấp dịch vụ, I-CSCF là một điểm liên lạc cho tất cả các kết nối định hướng đến một UE nằm trong mạng đó. Chức năng của I-CSCF bao gồm: định tuyến thông điệp yêu cầu SIP nhận được từ một mạng khác đến S-CSCF tương ứng. Để làm được điều này, I-CSCF sẽ liên lạc với HSS (thông qua DIAMETER) để cập nhật địa chỉ S-CSCF tương ứng của người dùng. Nếu như chưa có S-CSCF nào được gán cho UE, I-CSCF sẽ tiến hành gán một S-CSCF cho người dùng để nó xử lý yêu cầu SIP. Ngược lại, I-CSCF sẽ định tuyến thông điệp yêu cầu SIP hoặc thông điệp trả lời SIP đến một S-CSCF/I-CSCF nằm trong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác.
BGCF (Breakout Gateway Control Function): là một máy chủ SIP chứa đựng chức năng định tuyến dựa trên số điện thoại. Nó được sử dụng khi một thiết bị IMS thực hiện cuộc gọI đến mạng nốI chuyển mạch hay mạng điện thoạI cố định truyền thống PSTN. BGCF hỗ trợ khả năng kết nốI liên mạng thông qua việc định tuyến yêu cầu SIP trong trường hợp S-CSCF xác định rằng không thể định tuyến yêu cầu này bằng DNS/ENUM. BGCF sẽ xác định nút mạng tiếp theo trên đường định tuyến hoặc là MGCF hoặc là một BGCF của mạng khác rồi chuyển báo hiệu đến nút mạng tương ứng.
- Chức năng điều khiển cổng đa phương tiện MGCF (Media Gateway Control Function) có nhiệm vụ quản lý cổng phương tiện, bao hàm các chức năng như: liên lạc với S-CSCF để quản lý các cuộc gọi trên kênh phương tiện, làm trung gian chuyển đổi giữa giao thức báo hiệu ISUP và SIP. MGCF quản lý một hay nhiều IM-MGW (IP Multimedia-Media Gateway). IM-MGW sẽ tương tác với MGCF để quản lý tài nguyên. IM-MGW đóng vai trò là điểm chuyển đổi nội dung đa phương tiện giữa mạng chuyển nối gói và chuyển nối mạch khi thông tin truyền từ mạng này sang mạng khác.
- Chức năng quản lý tài nguyên đa phương tiện (Media Resource Function) có thể phân ra thành 2 thành phần: MRFC (Media Resource Function Controller) và MRFP (Media Resource Function Processor). MRFC có vai trò quản lý tài nguyên cho các dòng dữ liệu đa phương tiện trong MRFP, giải mã thông điệp đến từ máy chủ ứng dụng AS truyền qua S-CSCF, điều khiển MRFP tương ứng cũng như tham gia vào quá trình tính cước. MRFP đóng vai trò quan trọng trong việc thích ứng nội dung dịch vụ, chuyển đổi định dạng nội dung.
3.4.1.3 Lớp truyền tải
Chức năng của các phần tử thuộc lớp truyền tải như sau:
NASS (Network Attachment Subsystem): chức năng chính của NASS bao gồm:
- Cung cấp một cách linh hoạt địa chỉ IP cũng như các thông số cấu hình
khác cho UE (sử dụng DHCP).
- Xác thực người dùng trước và trong quá trình cấp phát địa chỉ IP.
- Cấp phép cho mạng truy nhập dựa trên hồ sơ mạng.
- Quản lý định vị người dùng.
Chức năng điều khiển tài nguyên và chấp nhận kết nối RACS (Resource & Admission Control Functionality) bao gồm 2 chức năng chính là: chức năng quyết định chính sách dịch vụ (S-PDF) và chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập (A-RACF).
Chức năng quyết định chính sách dịch vụ S-PDF (Serving Policy Decision Function), dưới yêu cầu của các ứng dụng, sẽ tạo ra các quyết định về chính sách bằng việc sử dụng các luật chính sách và chuyển những quyết định này tới A-RACF. S-PDF cung cấp một cách nhìn trừu tượng về các chức năng truyền tải với nội dung hay các dịch vụ ứng dụng. Bằng cách sử dụng S-PDF, việc xử lý tài nguyên sẽ trở nên độc lập với việc xử lý dịch vụ.
Chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập A-RACF (Access Resource and Admission Control Function) nhận các yêu cầu về tài nguyên QoS từ S-PDF. A-RACF sẽ sử dụng thông tin QoS nhận được từ S-PDF để quyết định chấp nhận hay không chấp nhận kết nối. A-RACF cũng thực hiện chức năng đặt trước tài nguyên và điều khiển các thực thể NAT/Firewall.
Session Border Controller (SBC): được biết đến như một chức năng điều khiển lưu trú trong IMS. Đây là các cổng kết nối IP to IP triển khai tại các điểm tiếp giáp giữa mạng IMS và các mạng khác (NNI-Network to Network Interface). Đối với một mạng truy nhập băng rộng, P-CSCF và các chức năng điều khiển cho người sử dụng (UNI-Network to User Interface), điều này đảm bảo cho việc điều khiển phiên với các ứng dụng IP thời gian thực một cách an toàn chất lượng và tin cậy. Trong mặt phẳng truyền tải, SBC cũng được sử dụng như chức năng biên dịch địa chỉ giữa địa chỉ quảng bá và địa chỉ dùng riêng trong IPv4 hay giữa địa chỉ của IPv4 và IPv6…
Media Gateway (MG): được điều khiển bởi MGCF, đáp ứng các kết nối truyền thông giữa các mạng khác nhau, nó cung cấp liên kết giữa các định dạng truyền thông khác nhau RTP/UDP/IP và TDM.
Gateway GPRS Support Node (GGSN): đóng vai trò là một gateway kết nối giữa IMS và các mạng ở ngoài (như Internet hoặc các mạng GPRS khác) trong kiến trúc của mạng tế bào. Vai trò của GGSN là nhận và chuyển thông tin từ UE gửi ra mạng bên ngoài và ngược lại. GGSN cũng tham gia quản lý quá trình di động của UE và thiết lập các bối cảnh PDP để phục vụ việc liên lạc giữa SGSN và GGSN.
SGSN (Serving GPRS Support Node): là một phần tử nhằm kết nối giữa mạng truy nhập (RAN) và gateway GGSN. Vai trò chính của SGSN là xác thực các UE đang dùng dịch vụ GPRS kết nối với nó; quản lý việc đăng ký của một
UE vào mạng GPRS; quản lý quá trình di động của UE, thiết lập, duy trì và giải phóng các bối cảnh, nhận và chuyển thông tin đến UE và ngược lại…
3.4.2. Kiến trúc IMS và mạng hội tụ FMC