cấu trúc mạng 3g và vai trò của ims trong các mạng 3g

IMS được chuẩn hóa bởi 3GPP và 3GPP2 dựa trên giao thức báo hiệu SIP vàcác giao thức mở khác do IETF chuẩn hóa nên dễ dàng tích hợp các dịch vụ mới.IMS đồng thời cũng hỗ trợ nhiều loại h

Viện Điện tử-viễn thông

Hà Nội, tháng 05/2012

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN 1 KIẾN TRÚC MẠNG 3G

1.1 L Ộ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G.

1.2.2 K IẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4

1.2.3 K IẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 VÀ R6

1.2.4 C HIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS

PHẦN 2 KIẾN TRÚC IMS VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ TRONG CÁC MẠNG 3G

2.1 T ỔNG QUAN KIẾN TRÚC IMS

2.1.1 CSCF- Call/Session Control Function.

2.2 T ỔNG QUAN VỀ CÁC GIAO THỨC SỬ DUNG TRONG IMS

2.2.1.Giao thức điều khiển phiên

2.2.2 Giao thức AAA

2.2.3 Các giao thức khác nhau

2.3 V Ị TRÍ VÀ VAI TRÒ CỦA PHÂN HỆ IMS TRONG KIẾN TRÚC MẠNG 3G

2.4 N HỮNG YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ IMS

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm vừa qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động vàmạng PSTN đang là xu hướng được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực thông tinliên lạc Nhiều kiến trúc mới đã ra đời trong quá trình phát triển, hợp nhất cácmạng với nhau mục đích tạo ra một mạng All IP duy nhất Phân hệ IMS (IPMultimedia Subsystem) là một trong những kiến trúc đã ra đời trong xu thế pháttriển đó Với IMS người dùng có thể liên lạc khắp mọi nơi nhờ tính di động củamạng di động và đồng thời có thể sử dụng những dịch vụ hấp dẫn từ mạngInternet IMS đã thực sự trở thành chìa khóa để hợp nhất mạng di động và mạngInternet IMS đồng thời cũng trở thành một phân hệ trong mô hình mạng thế hệmới (NGN) của tất cả các hãng sản xuất thiết bị viễn thông và các tổ chức chuẩnhóa thế giới

IMS được chuẩn hóa bởi 3GPP và 3GPP2 dựa trên giao thức báo hiệu SIP vàcác giao thức mở khác do IETF chuẩn hóa nên dễ dàng tích hợp các dịch vụ mới.IMS đồng thời cũng hỗ trợ nhiều loại hình truy cập khác nhau do hứa hẹn sẽ manglại một số lượng lớn khách hàng sử dụng dịch vụ xây dựng trên đó

Chính vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài: “Kiến trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G” với hi vọng đem lại cái nhìn tổng quan về vấn đề

này

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2012

Nhóm sinh viên

Vũ Ngọc DânPhạm Xuân ThànhUng Hong Tech

PHẦN 1 KIẾN TRÚC MẠNG 3G

1.1 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G.

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được cho trênhình 1.1, lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2 và hình1.3 cho thấy lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

AMPS: Advanced Mobile Phone System

TACS: Total Access Communication System

GSM: Global System for Mobile Telecommucations

WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access

EVDO: Evolution Data Only

IMT: International Mobile Telecommnications

IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers

WiFi: Wireless Fidelitity

WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access

LTE: Long Term Evolution

UMB: Untra Mobile Broadband

Hình 1.2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 1.3 Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

1.2 Kiến trúc chung của hệ thống thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa cácvùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói vàtiếng Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệATM Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần đượcthay thế bằng chuyển mạch gói Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (nhưtiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng cácchuyển mạch gói Hình 1.4 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát củaTTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi

Hình 1.4 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến

BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc

BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc

RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc

CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh

PS: Packet Switch: chuyển mạch gói

SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin

Server: máy chủ

PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiệnbằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chứcnăng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Chẳng hạn có thể thực hiệnchức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói(SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phépchuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếngđến lưu lượng số liệu dung lượng lớn

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thôngtin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN Kiểu thứ nhất sử dụng côngnghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truynhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial RadioNetwork: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS) Kiểu thứ hai sử dụngcông nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio AccessNetwork: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM) Báo cáonày chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3GWCDMA UMTS

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi làR3, R4, R5 Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (CircuitSwitch: chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói) Việckết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thờigian thực như thoại và hình ảnh Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoạicòn số liệu được truyền trên miền PS R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyểnsang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạchđều trên IP Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên

1.2.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạchgói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS Các kết nối tốc độ caonày đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giốngnhư trong các mạng điện thoại cố định và Internet Các dịch vụ này gồm: điệnthoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền caotại đầu cuối Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luônkết nối" đến Internet UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợtốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment),mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial RadioNetwork), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.8) UE bao gồm ba thiết bị:thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS(USIM: UMTS Subscriber Identity Module) UTRAN gồm các hệ thống mạng vôtuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio NetworkController: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó Mạng lõi CNbao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment:Môi trường nhà) HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center:Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú)

và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị)

Hình 1.5 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

1.2.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.6 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4 Sự khác nhau cơ bảngiữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm

Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước,kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào

Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện(MGW: Media Gateway) MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi,quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trậnchuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điềukhiển và có thể đặt xa MSC Server

Hình 1.6 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữaRNC và MSC Server Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh đượcthực hiện giữa RNC và MGW Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC vàđịnh tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Trong nhiều

trường hợp đường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real

Time Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP) Từ hình 1.6 ta thấy lưu

lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đườngtrục IP Cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi.Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP

Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ

có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng(GMSC server) MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêuchuẩn để đưa đến PSTN Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này

Để thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc độ

12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp vớiPSTN Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khicác MGW cách xa nhau.

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW làgiao thức ITU H.248 Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển Nó cótên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control) Giaothức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giaothức điều khiển cuộc gọi bất kỳ 3GPP đề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức

Điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control)

được xây dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU

Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSCServer Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN Khi này cuộcgọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầutư

Để làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A vàđược điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B Giả sử thuê bao thành phố Athực hiện cuộc gọi nội hạt Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từthành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tạichính thành phố A Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSCServer ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ởthành phố A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thácmạng

Từ hình 1.6 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê baotại nhà (HSS: Home Subscriber Server) HSS và HLR có chức năng tương đương,ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn)trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 Ngoài ra còn có cácgiao diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN vớiHLR/HSS

Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ

sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạngtruyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện Ngoài ra mạng cũng phảigiao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao diện này được thực hiện thông quacổng SS7 (SS7 GW) Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụngSS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn) Các thực thể như MSC Server, GMSC Server

và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải đượcthiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP Bộ giao thức này được gọi làSigtran

1.2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện

IP (hình 1.7) Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi Ởđây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầucuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúc này là sự hội

tụ toàn diện của tiếng và số liệu

Hình 1.7 Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6

Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đaphương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) Đây là một miền mạng IP đượcthiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP Từ hình 1.7 ta thấytiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhấtmang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN vàkhông có MGW riêng

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng điều

khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway).

Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng đượctăng cường rất nhiều Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE Trong thực tế, UE hỗ

trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol) UE trở thành một

tác nhân của người sử dụng SIP Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụlớn hơn trước rất nhiều

CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiệnđến và từ người sử dụng Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và địnhtuyến CSCF hoạt động như một đại diện Server /hộ tịch viên

SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ởGPRS và UMTS R3 và R4 Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này khôngchỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn)

Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN vàGGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng

Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi

được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụhội nghị

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo

tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN T-SGW hỗ trợ các giao

thức Sigtran Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút đảm bảo tương tác

báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn Trong nhiềutrường hợp T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng

MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đaphương tiện MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ở R4

MGW được điều khiển bởi Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF).

Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248

MGCF cũng liên lạc với CSCF Giao thức được chọn cho giao diện này làSIP

Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miềnchuyển mạch kênh trong R3 và R4 Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ cácphiên bản R3 và R4 sang R5 Một số các cuộc gọi thoại có thể vẫn sử dụng miền

CS một số các dịch vụ khác chẳng hạn video có thể được thực hiện qua R5 IMS.Cấu hình lai ghép được thể hiện trên hình 1.8

Hình 1.8 Chuyển đổi dần từ R4 sang R5

1.2.4 Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS

Trong phần này ta sẽ xét chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS của

hãng Alcatel Alcatel dự kiến phát triển RAN từ GSM lên 3G UMTS theo ba phát

hành: 3GR1, 3GR2 và 3GR3 Với mỗi phát hành, các sản phẩm mới và các tínhnăng mới được đưa ra

1.2.4.1 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn

Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các đặc tả kỹthuật vào tháng 6 năm 2000 Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA-FDD và sẽđược triển khai chồng lấn lên GSM Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTSphát hành 3GR1 được chia thành ba giai đoạn được ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3(R: Release: phát hành) Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năngmới được đưa ra Các nút B được gọi là MBS (Multistandard Base Station: trạmgốc đa tiêu chuẩn) Tuy nhiên MBS V1 chỉ đơn thuần là nút B, chỉ MBS V2 mớithực sự đa tiêu chuẩn và chứa các chức năng của cả nút B và BTS trong cùng mộthộp máy Tương tự RNC V2 và OMC-R V2 được đưa ra để phục vụ cho cả UMTS

và GSM

Hình 1.9 cho thấy kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS được phát triểntrong giai đoạn triển khai UMTS ban đầu (3GR1.1)

Hình 1.9 Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1)

1.2.4.2 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM

Trong giai đoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp đầu tiên giữa hai mạng

sẽ được thực hiện bằng cách đưa ra các thiết bị đa tiêu chuẩn như: Nút B kết hợpBTS (MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2) Các chức năng khai thác và bảodưỡng mạng vô tuyến cũng có thể được thực hiện chung bởi cùng một OMC-R(V2) Hình 1.10 mô tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai