Với xu hướng hội tụ các công nghệ mạng, hàng loạt các giải pháp điều khiển kết nối mới được đưa ra nhằm thích ứng với các điều kiện mạng và nâng cao chất lượng dịch vụ cho người sử dụng.
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG
BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
CHỦ BIÊN: ThS GVC Hoàng Trọng Minh
1 ThS GVC Hoàng Trọng Minh (Chủ biên)
2 ThS Nguyễn Thanh Trà
3 Dương Thanh Tú
4 Phạm Anh Thư
Hà Nội - 4/2013
PTIT
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Hạ tầng truyền thông trong những năm gần đây đã và đang trong giai đoạn biến chuyển mạnh mẽ và đa dạng trên cả khía cạnh kỹ thuật và công nghệ Với xu hướng hội tụ các công nghệ mạng, hàng loạt các giải pháp điều khiển kết nối mới được đưa
ra nhằm thích ứng với các điều kiện mạng và nâng cao chất lượng dịch vụ cho người sử dụng
Một trong các vấn đề quan trọng nhất liên quan tới các kết nối trong mạng được đặt ra là vấn đề báo hiệu và điều khiển kết nối Vấn đề này không chỉ liên quan trực tiếp tới hiệu năng hệ thống mà còn là cơ sở phát triển cho các ứng dụng trên các hạ tầng công nghệ Vì vậy, nội dung của cuốn tài liệu giảng dạy này nhằm cung cấp các kiến thức then chốt liên quan tới các hoạt động báo hiệu và điều khiển trong mô hình mạng truyền thông mới Bên cạnh các mục tiêu học thuật, tài liệu sẽ khái quát các giải pháp đã và đang được sử dụng trong hệ thống mạng viễn thông hiện nay Hơn nữa, tài liệu sẽ giúp người đọc có được góc nhìn hệ thống về kiến trúc điều khiển mạng nhằm phân tích được các điểm mạnh, điểm yếu của từng giải pháp cụ thể để phát triển trong môi trường thực tiễn
Bố cục của bài giảng được phân bổ theo 5 chương với các phân vùng mạng từ kiến trúc mạng viễn thông truyền thống tới mạng hội tụ trên nền IP Các khái niệm
cơ bản của lý thuyết điều khiển, mô hình kiến trúc và phân loại báo hiệu được trình bày đầu tiên và khép lại bởi các giải pháp thực thi trong các chương tiếp theo Trong quá trình viết tài liệu, nhóm biên soạn đã nhận được sự giúp đỡ của rất nhiều thầy
cô đồng nghiệp Nhóm biên soạn xin chân thành cám ơn và luôn ghi nhận sự góp ý của các thầy cô, các bạn sinh viên để cuốn bài giảng ngày càng hoàn thiện
Hà Nội, 20 tháng 12 năm 2013
T/M nhóm biên soạn
Hoàng Trọng Minh
PTIT
Trang 3MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU i
MỤC LỤC ii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI 1
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1
1.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 2
1.2.1 Các vấn đề chung của điều khiển 2
1.2.2 Cách tiếp cận điều khiển hệ thống viễn thông 4
1.3 CÁC THUỘC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 8
1.4 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 12
1.4.1 Điều khiển cung cấp QoS 12
1.4.2 Tiếp cận RACS và RASF 16
1.4.3 Điều khiển cấu trúc 19
1.4.4 Điều khiển trạng thái 21
1.5 KIẾN TRÚC VÀ PHÂN LOẠI BÁO HIỆU 22
1.5.1 Phân loại báo hiệu 22
1.5.2 Một số đặc tính của báo hiệu 24
1.5.3 Chức năng báo hiệu trong mô hình OSI 25
1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 28
CHƯƠNG 2: BÁO HIỆU TRONG MẠNG CỐ ĐỊNH 30
2.1 KIẾN TRÚC MẠNG HỘI TỤ THEO HƯỚNG MÁY CHỦ CUỘC GỌI 30
2.1.1 Mô hình kiến trúc mạng 33
2.1.2 Các giải pháp kết nối 36
2.1.3 Chức năng mặt bằng báo hiệu và điều khiển 39
2.2 HỆ THỐNG BÁO HIỆU SỐ 7 41
PTIT
Trang 42.2.1 Mô hình kiến trúc chức năng 41
2.2.2 Thành phần mạng báo hiệu số 7 43
2.2.3 Xử lý định tuyến và thủ tục thiết lập cuộc gọi 44
2.3 BỘ GIAO THỨC BÁO HIỆU H.323 51
2.3.1 Thành phần mạng báo hiệu H.323 51
2.3.2 Các giao thức báo hiệu cuộc gọi trong H.323 54
2.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thủ tục báo hiệu cuộc gọi 56
2.4 GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN SIP 57
2.4.1 Thành phần mạng báo hiệu SIP 59
2.4.2 Kiến trúc chức năng 60
2.4.3 Bản tin SIP và giao thức SDP 61
2.4.4 Thủ tục trao đổi thông tin của SIP 63
2.5 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CỔNG PHƯƠNG TIỆN MEGACO 67
2.5.1 Kiến trúc chức năng báo hiệu Megaco/H.248 67
2.5.2 Các lệnh và thủ tục trao đổi thông tin 69
2.6 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CUỘC GỌI ĐỘC LẬP KÊNH MANG BICC 75 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 79
CHƯƠNG 3: BÁO HIỆU TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 81
3.1 BÁO HIỆU TRONG MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO 81
3.1.1 Các thế hệ phát triển mạng di động tế bào 81
3.1.2 Kiến trúc báo hiệu cho hệ thống GSM 85
3.1.3 Mạng thông minh 91
3.2 BÁO HIỆU TẠI MẠNG TRUY NHẬP 94
3.2.1 Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub 96
3.2.2 Báo hiệu tại giao diện Iur và Iu 99
3.3 THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG MẠNG LÕI 102
3.3.1 Thiết lập cuộc gọi với ISUP/BICC 102
3.3.2 Báo hiệu trên giao diện Gn 106
3.3.3 Báo hiệu xử lý chuyển vùng 108
PTIT
Trang 53.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 111
CHƯƠNG 4: BÁO HIỆU TRONG PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN IP IMS 113
4.1 KIẾN TRÚC PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN IP 113
4.1.1 Mô hình kiến trúc IMS 114
4.1.2 Các thành phần chức năng 116
4.1.3 Các giao thức của IMS 122
4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA SIP TRONG IMS 123
4.2.1 Đặc tính kỹ thuật 123
4.2.2 Các thủ tục báo hiệu SIP trong IMS 124
4.3 CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU KHÁC TRONG IMS 128
4.3.1 Giao thức Diameter 128
4.3.2 Giao thức COPS 130
4.3.3 Nén báo hiệu trong IMS 131
4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 133
CHƯƠNG 5: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LIÊN MẠNG 135 5.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC MẠNG 135
5.1.1 Hội tụ mạng cố định và di động 135
5.1.2 Cấu trúc FMC dựa trên IMS 136
5.1.3 Mô hình tham chiếu IMS trong FMC 137
5.2 GIAO THỨC TRUYỀN TẢI BÁO HIỆU SIGTRAN 143
5.3 KẾT NỐI LIÊN MẠNG IMS-CS 151
5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 153
TÀI LIỆU THAM KHẢO 155
PTIT
Trang 6THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AAA
Authentication Authorization
AMPS
Advanced Mobile Phone Service
Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến
API
Application Programable
AS/FS
Application Server/ Feature
ATM Asynchronous Transfer Mode Kỹ thuật truyền tải không đồng bộ BSS Bussiness Support System Hệ thống trợ giúp kinh doanh
CAC Call Admission Control
Kỹ thuật điều khiển chấp nhận cuộc gọi
CBQ Class Based Queuing Hàng đợi dựa trên phân lớp dịch vụ COPS Common Open Policy Service
Giao thức dịch vụ chính sách mở chung
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
Đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection
Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ dò tìm xung đột
DECT
Digital European Cordless Telecommunications
Hệ thống viễn thông không dây số của Châu Âu
ETSI
European Telecommunications
GII
Global Information Infrastructure Cấu trúc thông tin toàn cầu GSM
Global System for Mobile communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu IAD Intergated Access Device Thiết bị truy nhập tích hợp
PTIT
Trang 7IAM Initial Adress Message Bản tin địa chỉ khởi tạo
IETF
Internet Engineering Task
IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện
ISDN
Integrated Service Digital
ITU
International
LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu
LTI Linear and Time-Invariant Tuyến tính và bất biến theo thời gian LTR Logic Transfromational Rule Luật ánh xạ logic
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị
MGC Media Gateway Controller Bộ điều khiển cổng đa phương tiện MIME
Multipurpose Internet Mail Extentions
Mở rộng thư điện tử internet đa mục đích
MPLS Multi Protocol Label Switch Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTUP Mobile Telephone User Part
Phần người sử dụng cho mạng điện thoại di động
NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp
NUM Network Utility Maximization Bài toán tối ưu hiệu năng mạng OSI Open System Interconnection Mô hình kết nối hệ thống mở
PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất
PLMR Public Land Mobile Radio Vô tuyến di động mặt đất công cộng PMD People Making Decision Quyết định của người điều hành
RACS
The Resource and Admission Control Sub-System1
Phân hệ điều khiển chấp nhận và tài nguyên
PTIT
Trang 8RAS
Register, Administrator and
RASF
Resource and Admission Control Functions
Chức năng điều khiển và chấp nhận tài nguyên
RED Random Early Detection Thuật toán loại bỏ gói sớm
RSVP
Resource ReserVation
SCF Service Control Function Chức năng điều khiển dịch vụ
SIO Service Information Octet Trường thông tin dịch vụ
SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên
SLA Service Level Agreement Thỏa thuận cung cấp dịch vụ
SPC Stored Program Control Điều khiển theo chương trình ghi sẵn SPDF
Service-Based Policy Decision Function
Chức năng quyết định chính sách dịch
vụ
UTRAN
UMTS Terestrial Radio Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
VoIP Voice over Internet Protocol Truyền thoại theo giao thức internet
WFQ Weight Fair Queuing PTITHàng đợi trọng số công bằng
Trang 9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình chung của một hệ thống điều khiển 2
Hình 1.2: Cấu trúc logic của thỏa thuận cung cấp chất lượng dịch vụ 13
Hình 1.3: Các kỹ thuật cung cấp QoS cho mạng viễn thông 13
Hình 1.4: Các mô hình cung cấp dịch vụ 15
Hình 1.5: Kiến trúc của phân hệ RACS 17
Hình 1.6: Kiến trúc của phân hệ RACF 18
Hình 1.7: Phân loại các kỹ thuật báo hiệu 23
Hình 1.8: Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở OSI 26
Hình 2.1: Các chức năng GII và mối quan hệ 33
Hình 2.2: Kiến trúc mạng NGN theo ETSI 35
Hình 2.3: Các thành phần chính trong mạng thế hệ kế tiếp 36
Hình 2.4: Kết nối MGC với các thành phần khác của NGN 40
Hình 2.5: Chức năng của bộ điều khiển cổng đa phương tiện MGC 40
Hình 2.6: Kiến trúc SS7 và mô hình tham chiếu OSI 42
Hình 2.7: Mã điểm theo tiêu chuẩn ANSI và ITU 44
Hình 2.8: Cấu hình nút và liên kết mạng SS7 45
Hình 2.9: Trường thông tin lớp 3 của bản tin báo hiệu 46
Hình 2.10: Lưu đồ báo hiệu cho cuộc gọi ISDN 51
Hình 2.11: Các thành phần mạng H.323 52
Hình 2.13: Chức năng của một Gatekeeper 54
Hình 2.14: Mô hình kết nối báo hiệu trong H.323 55
Hình 2.15: Tiến trình xử lý báo hiệu một cuộc gọi đơn giản trong H.323 56
Hình 2.16: Cấu trúc của hệ thống SIP 59
Hình 2.17: Kiến trúc điều khiển của MEGACO 68
Hình 2.18: Giao thức MEGACO trong mô hình OSI 69
Hình 2.19: Mô tả cuộc gọi MEGACO 71
Hình 2.20: Lưu đồ các bản tin xử lý cuộc gọi qua giao thức MEGACO/H248 73
Hình 2.21: Kiến trúc giao thức BICC 76
PTIT
Trang 10Hình 2.22: Cấu trúc các nút mạng BICC 77
Hình 2.23: Cấu trúc chức năng nút dịch vụ 78
Hình 2.24: Cấu trúc chức năng nút dàn xếp dịch vụ 78
Hình 2.25: Mô hình giao thức của BICCC 79
Hình 3.1: Lộ trình phát triển các thế hệ mạng di động 84
Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống GSM 85
Hình 3.3: Phân lớp chức năng của SS7 trong mạng GSM 86
Hình 3.4: Vị trí các giao diện trong hệ thống GSM 88
Hình 3.5: Các thủ tục chuyển vùng qua MAP/E 89
Hình 3.6: Các điều hành của MAP trong trường hợp cuộc gọi từ mạng PSTN 90
Hình 3.7: Điều hành MAP liên quan tới dịch vụ bản tin ngắn SMS 91
Hình 3.8: Mô hình khái niệm mạng IN 93
Hình 3.9: Cấu trúc của UMTS 94
Hình 3.10: Thủ tục trao đổi thông tin báo hiệu qua Iub 98
Hình 3.11: Kiến trúc giao thức mạng UMTS 99
Hình 3.12: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iur 100
Hình 3.13: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-CS 101
Hình 3.14: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-PS 102
Hình 3.15: Tiến trình cuộc gọi ISUP 103
Hình 3.16: Các giao thức trên giao diện E 103
Hình 3.17: Lưu đồ cuộc gọi BICC (1/5) 104
Hình 3.18: Lưu đồ cuộc gọi BICC (2/5) 104
Hình 3.19: Lưu đồ cuộc gọi BICC (3/5) 105
Hình 3.20: Lưu đồ cuộc gọi BICC (4/5) 105
Hình 3.21: Lưu đồ cuộc gọi BICC (5/5) 106
Hình 3.22: Giao diện Gn cho đường hầm IP 107
Hình 3.23: Các chức năng của GTP trong UMTS 108
Hình 3.24: Các giao diện UMTS giữa hai UTRAN 109
Hình 3.25: Chuyển giao nội 3G-MSC 110
PTIT