luận văn thạc sỹ kỹ thuật nghiên cứu công nghệ chuyển mạch mềm di động và khả năng ứng dụng cho viễn thông lào

Hình 1.1: Cấu trúc mạng NGN Việc phân tách chức năng điều khiển cuộc gọi và các dịch vụ từ mạng truyền tải nằm phía dưới là giải pháp cho các mạng dựa trên chuyển mạch mềm.. - Hỗ trợ đa

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS LÊ NHẬT THĂNG

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Thị trường di động trong những năm gần đây đã có những bước phát triển vô cùng mạnh mẽ Dịch vụ chủ đạo là thoại và tin nhắn SMS Tuy nhiên, các dịch vụ dữ liệu dựa trên nền IP ngày càng phát triển Nhu cầu của con người về dịch vụ mới là không giới hạn, đòi hỏi các dịch vụ đa dạng và chất lượng cao Người sử dụng di động mong muốn cùng một thời điểm họ có thể sử dụng nhiều dịch vụ như vừa gọi điện thoại vừa gửi hình ảnh, chia sẻ file cho nhau

Mạng chuyển mạch kênh truyền thống chủ yếu được xây dựng nhằm truyền dẫn lưu lượng thoại, không có khả năng để đáp ứng các nhu cầu trên của khách hàng Vì vậy, mạng thế hệ sau (Next General Network - NGN) ra đời nhằm thỏa mãn những nhu cầu trên.

Trong luận văn này, em tập trung nghiên cứu về mạng chuyển mạch mềm và giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động – Mobile Switching Solution Giải pháp này dựa trên kiến trúc mạng phân lớp, mạng tích hợp ngang Đó là kiến trúc mạng có sự phân tách chức năng điều khiển với chức năng vận chuyển dữ liệu Sự phân tách lớp điều khiển khỏi lớp truyền tải phù hợp với xu hướng phát triển của các hệ thống thông tin di động 3G

và phù hợp với các tổ chức tiêu chuẩn 3GPP

Nội dung luận văn của em gồm:

Chương 1: Tổng quan về chuyển mạch mềm

Chương 2: Công nghệ chuyển mạch mềm di động và giải pháp chuyển mạch mềm

trong mạng di động của một số hãng cung cấp

Chương 3: Đề xuất ứng dụng triển khai chuyển mạch mềm di động cho Viễn thông

Lào

Hình 1.1: Cấu trúc mạng NGN

Việc phân tách chức năng điều khiển cuộc gọi và các dịch vụ từ mạng truyền tải nằm phía dưới là giải pháp cho các mạng dựa trên chuyển mạch mềm Hỗ trợ các giao diện báo hiệu chuẩn sẽ cung cấp kết nối liền mạch giữa PSTN truyền thống và các mạng công cộng thế hệ mới, đảm bảo việc phát triển mềm dẻo cho các hệ thống Thoại qua mạng gói, mạng chuyển tiếp khung và mạng

tế bào thể hiện một thị trường to lớn, tạo cơ hội cho các nhà kinh doanh và nhà khai thác

Công nghệ chuyển mạch mềm cho phép kết nối giữa Internet, các mạng vô tuyến, các mạng cáp và các mạng điện thoại truyền thống Hình 1.2 giới thiệu về sự hội tụ mạng có thể đạt được nhờ sử dụng chuyển mạch mềm Chuyển mạch mềm cho phép mạng điện thoại thông tin với

thế giới Internet Phương thức kết nối, hệ thống đánh số danh bạ và phương thức tính cước của thế giới thoại sẽ có sẵn đối với các mạng khác (gồm cả Internet) sử dụng chuyển mạch mềm

Hình 1.2: Vị trí của chuyển mạch mềm trong mạng NGN

1.2 Khái niệm về chuyển mạch mềm

- Công nghệ chuyển mạch các cuộc gọi trên nền công nghệ gói (như VoIP), và không chuyển mạch trực tiếp các cuộc gọi PSTN (mặc dù có thể hỗ trợ đầu cuối tương tự như máy điện thoại thông thường)

- Phần mềm hệ thống chạy trên máy chủ có kiến trúc mở (Sun, Intel,…)

- Có giao diện lập trình mở

- Hỗ trợ đa dịch vụ, từ thoại, fax, cuộc gọi video đến tin nhắn,…

Thuật ngữ chuyển mạch mềm cũng được sử dụng như một tên sản phẩm của thành phần chính thực hiện kết nối cuộc gọi như Tác nhân cuộc gọi (Call Agent) hay Bộ điều khiển cổng phương tiện MGC (Media Gateway Controller)

1.3 Ưu điểm của chuyển mạch mềm

Chuyển mạch mềm Softswitch có những ưu điểm sau:

Cho cơ hội mới về doanh thu

4

Thời gian tiếp cận thị trường ngắn

Khả năng thu hút khách hàng

Giảm chi phí xây dựng mạng

Giảm chi phí điều hành mạng

Sử dụng băng thông một cách hiệu quả:

Quản lý mạng hiệu quả

Cải thiện dịch vụ

Tiết kiệm thời gian đặt thiết bị

Cung cấp môi trường tạo lập dịch vụ mềm dẻo

An toàn vốn đầu tư

1.4 Các tiêu chí kỹ thuật của chuyển mạch mềm

Nhìn chung, một hệ thống chuyển mạch mềm có 4 tiêu chí kỹ thuật sau:

Cách kết nối các thành phần trên được thể hiện ở hình sau:

Hình 1.3: Các thành phần của chuyển mạch mềm

1.6 Ứng dụng của chuyển mạch mềm

Chuyển mạch mềm Softswitch hiện nay, khi vẫn tận dụng mạng PSTN, được sử dụng trong mạng công cộng để thay thế cho tổng đài cấp 4 (Tandem switch) và trong mạng riêng Và phần mềm điều khiển chuyển mạch lúc này chỉ có nhiệm vụ đơn giản là thiết lập và kết thúc cuộc gọi

Trong tương lai khi tiến lên mạng NGN hoàn toàn thì các MGC sử dụng Softswitch sẽ thay thế cả các tổng đài nội hạt (lớp 5) Khi đó chuyển mạch mềm Softswitch không chỉ thiết lập và xóa cuộc gọi mà sẽ thực hiện tất cả các chức năng phức tạp khác của một tổng đài lớp 5

1.7 Thiết lập cuộc gọi trong chuyển mạch mềm

Với chức năng chuyển mạch và điều khiển cuộc gọi, softswitch là thành phần chính trong mạng thế hệ mới Tuy nhiên khác với tổng đài điện tử, lưu lượng cuộc gọi trong mạng chuyển mạch mềm không đi qua softswitch, các đầu cuối trực tiếp trao đổi dữ liệu với nhau (trong cuộc gọi VoIP các đầu cuối thiết lập kết nối RTP trực tiếp)

6

Hình 1.4: Thiết lập cuộc gọi trong mạng chuyển mạch mềm

Để hiểu rõ hơn vai trò của softswitch chúng ta xem xét quá trình thiết lập cuộc gọi như trên hình 1.4 Máy điện thoại SIP thực hiện quay số đến máy điện thoại analog được kết nối vào Access gateway Softswtich, máy điện thoại SIP và gateway trao đổi với nhau các bản tin báo hiệu cuộc gọi SIP Sau khi thủ tục báo hiệu cuộc gọi thực hiện xong, máy điện thoại SIP và Access gateway thiết lập kết nối RTP và trực tiếp trao đổi các gói dữ liệu thoại, không cần đến sự can thiệp của softswitch

Như vậy, mạng chuyển mạch mềm là mạng xử lý tập trung về mặt logic nhưng tài nguyên phân tán Chuyển mạch cuộc gọi trên nền mạng chuyển mạch gói và tạo ra nhiều ưu thế vượt trội

mà chúng ta sẽ tiếp tục xem xét

1.8 So sánh hoạt động của chuyển mạch mềm và chuyển mạch kênh

Việc so sánh sẽ dựa vào các tiêu chí sau: đặc tính của chuyển mạch (về phần cứng và phần mềm), cấu trúc chuyển mạch (các thành phần cơ bản và sự liên hệ giữa chúng) và phương thức xử

Máy điện thoại analog

Báo hiệu

Báo hiệu Kết nối

RTP

Access gateway

Bảng 1.1: Các đặc tính của chuyển mạch

Đặc tính Chuyển mạch mềm Chuyển mạch kênh

Phương thức chuyển mạch cơ bản Dựa trên phần mềm Dựa trên “kênh”

Giữa phần mềm và phần cứng Không phụ thuộc Phụ thuộc chặt chẽ

Cấu trúc Module, tiêu chuẩn mở Độc nhất

Khả năng thay đổi Có Khó khăn

Giá thành Rẻ hơn 40% Cao

Khả năng mở rộng Dễ dàng với số lượng lớn Đòi hỏi phải thêm thiết bị Khả năng sử dụng đa phương tiện Dễ dàng, nhiều loại hình Rát hạn chế

Hội nghị truyền hình Chất lượng tốt Có hỗ trợ

Loại hình dịch vụ Thoại, dữ liệu, video, fax Chủ yếu là thoại

Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động (MSS) là sự kết hợp 2 nút khác nhau: MSC server (MSC-S) thuộc lớp điều khiển và Mobile Media Gateway (M-MGw) thuộc lớp kết nối Trong MSS cho mạng WCDMA, lớp kết nối chủ yếu dựa trên giao thức IP và ATM

MSC Server điều khiển tất cả báo hiệu mạng và các quá trình thiết lập, giải phóng và giám sát các cuộc gọi chuyển mạch kênh Còn M-MGw điều khiển quá trình xử lý và vận chuyển lưu lượng cuộc gọi chuyển mạch kênh, và kết nối với các mạng ngoài như PSTN, các mạng di động mặt đất công cộng (PLMN) khác và các mạng viễn thông quốc tế

Hình 2.1: Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động (MSS)

Trong mối tương quan của những điểm khác biệt đó, khái niệm "tích hợp dọc" được sử dụng để mô

tả những hệ thống mạng khi chúng kết hợp thành những chức năng rất khác biệt có liên quan tới

nhau để thực hiện chức năng điều khiển và kết nối Ngược lại, mạng MSS kết hợp thành một dạng kiến trúc "tích hợp ngang" và phân tách chức năng kết nối, điều kiển và ứng dụng thành những tầng riêng biệt

Hình 2.2: Mạng tích hợp dọc và mạng tích hợp ngang MSS mang lại những lợi ích chính sau:

 MSS đưa ra một kiến trúc mở linh hoạt có khả năng đáp ứng những yêu cầu của hiện tại và tương lai

 MSS cho phép xử lý linh hoạt khi mạng được mở rộng hay thay đổi loại lưu luợng (chuyển mạch kênh hay chuyển mạch gói)

 MSS cho phép mạng dễ dàng tiến tới một giải pháp “all-IP”

 Đối với các công nghệ truyền tải khác nhau, cả công nghệ đang tồn tại lẫn các công nghệ đang nghiên cứu phát triển, ví dụ công nghệ ATM hay IP, đều có thể được triển khai mà không ảnh hưởng tới lớp điều khiển hay lớp ứng dụng MSS cho phép các mạng dịch vụ khác nhau có thể chia sẻ chung một mạng truyền tải

2.2 Kiến trúc MSS

Kiến trúc phân lớp

Mạng lõi di động 2G và 2.5G ngày nay thường là mạng ngang hàng, nghĩa là các chức năng điều khiển, chuyển mạch và ứng dụng được tích hợp trong cùng một phần tử Với sự xuất hiện của khái niệm mạng phân lớp, các chức năng này được tách biệt, thấp nhất là lớp chuyển mạch, ở giữa là lớp điều khiển và trên cùng là lớp ứng dụng

10

Lớp điều khiển:

Lớp điều khiển được đặt trong các phần tử được gọi là Network Server (MSC Server, HLR, AUC, EIR ) Các server này có chức năng thực hiện bảo mật, quản lý di động, thiết lập và giải phóng cuộc gọi… Các server này liên lạc với nhau và các phần tử mạng khác bằng các giao thức chuẩn lớp 3 như ISUP, MAP, BICC MSC-Server điều khiển các MGw và đưa ra các chức năng và tài nguyên cần thiết cho một cuộc gọi Giao thức được sử dụng ở đây là H.248 (MGCP)

Lớp kết nối

Mạng kết nối là mạng phân tán dùng để chuyển mạch các cuộc gọi Phần tử chính ở đây là các MGw MGw dùng để thiết lập các kết nối giữa các người dùng và khi cần nó có thể chuyển đổi các công nghệ chuyển tải khác nhau (TDM, ATM, IP) MGw cũng thực hiện việc xử lý dữ liệu người dùng như mã hoá/giải mã thoại, khử tiếng vọng Tài nguyên cho một cuộc gọi có thể được phân bố trên nhiều MGw, ví dụ một MSC-Server có thể điều khiển nhiều MGw cho cùng một cuộc gọi Các phần tử trong mạng phân lớp có thể chạy trên nền mạng IP (Mobile Backbone Packet Network) MPBN có thể chỉ dùng riêng cho mạng phân lớp hoặc dùng chung với mạng GPRS/CS hay kết hợp nhiều loại mạng khác nhau (OSS, Billing )

Lớp dịch vụ

Lớp này cho phép triển khai các dịch vụ khác trên nền mạng di động ngoài dịch vụ thoại truyền thống như video, hình ảnh

So sánh với kiến trúc không phân lớp

Ưu điểm và nhược điểm của kiến trúc mạng không phân lớp:

Với dự đoán phát triển thuê bao di động trong các năm tới, việc mở rộng mạng, trong đó có mạng lõi, là tất yếu Việc thiết lập các tổng đài có lưu lượng lớn sẽ là biện pháp phải tính đến để giảm chi phí đầu tư về mặt truyền dẫn Do số phần tử chuyển mạch trong mạng lõi ngày càng nhiều, phải tính đến việc trang bị các thiết bị chuyển mạch trung gian (GMSC/TSC) để kết nối giữa các phần tử trong mạng với nhau cũng như kết nối với các phần tử mạng ngoài Việc phát triển mạng lõi theo công nghệ chuyển mạch kênh truyền thống cho ta khả năng dễ dàng trong công tác vận hành khai thác vì đây là công nghệ cũ, ngoài ra công nghệ này đã được triển khai rộng rãi trên thế giới, có tính ổn định cao

Tuy nhiên, toàn bộ việc đầu tư này sẽ vẫn kéo theo một mạng truyền dẫn rất lớn, đấu nối phức tạp, chi phí tốn kém vì phải xây dựng mạng truyền dẫn TDM dựa trên các kênh có tốc độ nhỏ nhất 64kbps chỉ dùng cho các cuộc gọi 16kbps Cũng vì vấn đề không tương thích về tốc độ nên trong mạng di động luôn có phần tử tương thích tốc độ Đây là phần tử làm góp phần làm suy giảm chất lượng thoại Ngoài ra, trong xu hướng phát triển của thế giới, trong tương lai sẽ mất dần các

mạng chuyển mạch kênh Khi đó tất cả các dịch vụ viễn thông sẽ chạy trên nền IP, không còn ranh giới giữa di động, cố định

 Ưu điểm và nhược điểm của kiến trúc mạng phân lớp:

Mạng phân lớp có đặc tính cơ bản là phân tán hệ thống chuyển mạch trong khi vẫn giữa một số node mạng điều khiển và xử lý cuộc gọi tại một số ít trạm trung tâm Các MGw có thể được đặt tại các trạm Remote (có thể đặt cùng một vài BSC ở các tỉnh) và cho phép chuyển mạch các lưu lượng nội vùng Mặc dù có sự phụ thuộc vào vùng địa lý, nhưng nhìn chung phần lớn lưu lượng được sinh ra và kết thúc tại cùng một vùng nào đó, vì vậy, sẽ tiết kiệm được một lượng lớn đầu tư cho truyền dẫn Số trạm trung tâm ít chỉ gồm các phần tử lớp Điều khiển cho ta khả năng tiết kiệm

về mặt điện năng tiêu thụ, tiền xây dựng mặt bằng nhà trạm mới trong quá trình vận hành khai thác Các phần tử thuộc lớp Kết nối và lớp Điều khiển có thể được định cỡ độc lập và như vậy mạng có thể mở rộng một cách dễ dàng tại bất kì thời điểm nào tuỳ thuộc vào đặc tính lưu lượng của từng vùng Hơn nữa, sự độc lập này cũng cho phép mỗi lớp có thể được nâng cấp độc lập nhau

Về nhược điểm của kiến trúc mạng phân lớp, đây là công nghệ mới, cũng chưa được triển khai nhiều trên thế giới nên khó đánh giá được tính chín muồi, khả năng tương thích với các hệ thống đang có Mặt khác, dung lượng của thiết bị nhỏ là một trở ngại không nhỏ đối với các nhà khai thác lớn muốn thay đổi hệ thống hiện có Kiến trúc mạng phân lớp là công nghệ mới nên giá thành còn cao, bên cạnh đó việc nâng cao kiến thức để nhân viên vận hành làm quen với công nghệ viễn thông trên nền mạng IP cũng là một khó khăn

Bảng 2.1 So sánh mạng không phân lớp và phân lớp

So với MSC truyền thống thực hiện cả hai chức năng chuyển mạch và điều khiển, trong kiến trúc MSS, hai chức năng này đã được phân tách và do hai nút mạng khác nhau thực hiện Chức năng

Dễ dàng trong vận hành khai thác và độ ổn định cao

Chi phí truyền dẫn lớn

Do phần tử tương thích tốc độ dẫn đến ảnh

hưởng chất lượng thoại

Phân tách giữa điều khiển và chuyển mạch, nên

có thể đặt MGW tại các tỉnh xa để tiết kiệm chi phí truyền dẫn

Tiết kiệm trong việc xây dựng và vận hành tổng trạm

Dễ dàng trong việc thay đổi và định cỡ lại mạng Tiết kiệm băng thông

IP/ATM/TDM

Control Layer Connectivity Layer

S

MSC-MG

w

S MG

• Điều khiển cuộc gọi

• Điều khiển và lựa chọn MGW

• Có thể điều khiển nhiều hơn một MGW

• Quản lý di động

• …

Chức năng chính của Media Gateway

• Xử lý thoại

• Thiết lập và giải phóng user data bearers

• Giao tiếp giữa các chuẩn truyền tải khác nhau

(IP/ATM/TDM)

• Ranh giới với các mạng khác

• Có thể được điều khiển bởi nhiều MSC-server

2.3 Mô hình tham chiếu 3GPP

Với yêu cầu cung cấp các dịch vụ số liệu, đặc biệt là dịch vụ truyền thông đa phương tiện, mạng thông tin di động hiện nay cũng đang phát triển theo cấu trúc NGN Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP đóng vai trò chủ yếu trong việc xây dựng kiến trúc mạng NGN-Mobile cho các hệ thống thông tin di động dựa trên mạng lõi GSM

Iur Iub

RNC

Node B Iub

S G W BSC

T-C

SMS

SCF

MSC/VLR Server

Iur Iub

RNC

Node B Iub

S G W BSC

T-C

SMS

SCF

MSC/VLR Server

Lg

C Lh

IuCS

Mc

Nb Nc

H

PRA support

MGW

MGW

MGW

TSC Server MSC

Server

gsmSSF

GMSC Server

gsmSSF

legacy support

Internet support

OSS-RC SMS

IWMSC/GMSC

Serv

AUC HLR

FNR

EIR

Control plane User plane User & control

Engine Multi-Service Network

PLMN

Internet ISDN / PSTN

CAS, TUP Legacy NW

Mc

Lg

C Lh

IuCS

Mc

Nb Nc

H

PRA support

MGW

MGW

MGW

TSC Server MSC

Server

gsmSSF

GMSC Server

gsmSSF

legacy support

Internet support

OSS-RC SMS

IWMSC/GMSC

Serv

AUC HLR

FNR

EIR

Control plane User plane User & control

Engine Multi-Service Network

PLMN

Internet ISDN / PSTN

CAS, TUP Legacy NW

2.5 Các giao thức báo hiệu

Hình 2.13: Các giao thức báo hiệu

 Giao thức BSSAP giữa MSC-S và BSC (giao diện A)

 Giao thức RANAP giữa MSC Server và RNC (giao diện Iu)

 Giao thức GCP (Gateway Control Protocol) giữa MSC Server và M-MGw (giao diện Mc)

 Giao thức BICC (Bearer Independent Call Control) định tuyến giữa các MSC Server (giao

diện Nc)