TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN MÔN HỌC NỀN TẢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG THẾ HỆ MỚI ĐỀ TÀI: Truy nhập tới phân hệ đa phương tiện IP IMS của mạng 3G UMTS qua mạng hữu tuyến và xu hướng hội tụ sử dụng mạng lõi IMS của mạng 3G Giảng viên hướng dẫn TS. Nguyễn Tài Hưng Học viên cao học Vũ Sơn Tùng CB110942 Nguyễn Hải Cường CB110816 Lớp BK01 Hà Nội, tháng 05/2012 Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 1 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng LỜI MỞ ĐẦU Trong xu thế phát triển vũ bão của công nghệ hiện nay, cùng với sự đòi hỏi nhu cầu của người sử dụng, các dịch vụ viễn thông ngày nay ngày càng phong phú và đa dạng. Hiện tại và trong thời gian tới nhu cầu phát triển các loại hình dịch vụ thoại, phi thoại, Internet và đặc biệt là các loại hình dịch vụ băng rộng ngày một tăng và không thể tách rời đời sống xã hội. Để thỏa mãn nhu cầu đó mạng viễn thông đòi hỏi phải có cấu trúc hiện đại linh hoạt và nhất là thỏa mãn mọi nhu cầu về dịch vụ đa phương tiện. Thực tế mạng viễn thông hiện nay đã có một bước tiến dài nhờ có sự bùng nổ của các công nghệ mới và nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông của khách hàng. Tuy nhiên trong tương lai mạng viễn thông không những chỉ thỏa mãn cho khách hàng các dịch vụ thoại, phi thoại, Internet và các dịch vụ băng rộng mà còn phải đáp ứng cho khách hàng các dịch vụ có tính mềm dẻo, linh động, các dịch vụ truyền thông đa phương tiện với các yêu cầu về bảo mật, di động,.v.v. Sự ra đời của kiến trúc mạng thế hệ mới với nền tảng là phân hệ đa phương tiện IP (IMS), với khả năng hội tụ đa dịch vụ với chất lượng tốt, cơ bản đã giải quyết được những nhu cầu hiện tại với mạng viễn thông, cụ thể là ứng dụng trong các mạng viễn thông 3G. Tạo lập một nền tảng để truy nhập vào IMS miền UMTS qua nhiều kiểu mạng truy nhập khác nhau (như là WLAN, cáp dữ liệu và DSL), mà chúng ta gọi là đa truy nhập vào IMS, có thể cung cấp nhiều lợi ích với khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ đa phương tiện nền IP của IMS. Là một phần của ý tưởng đa truy nhập, chúng ta đã thực hiện truy nhập tới IMS thông qua cáp dữ liệu. Cấu trúc cáp dữ liệu tìm cách cho phép sử dụng đa dạng các loại dịch vụ đa phương tiện nền IP trên hệ thống truy nhập hybrid quang – đồng trục (HFC). Các thực thể của mạng cáp dữ liệu cần sửa đổi và phát triển để có thể thiết lập kết nối giữa mạng cáp dữ liệu và IMS của UMTS: từ kết nối tới mạng lõi UMTS (UMTS-CN) và tạo kết nối an toàn, cho đến truy nhập vào dịch vụ và thiết lập phiên. Tuy nhiên, phần lớn các công việc nghiên cứu về phát triển kết nối từ WLAN tới mạng 3G, không có nhiều các hoạt động cho chuẩn hóa các thực thể kết nối mạng dữ liệu gói với 3G, và cũng không có các cơ chế hiệu lực đưa ra từ các nhà sản xuất. Thêm vào đó, cũng không có tài liệu xuất bản giải quyết về vấn đề này. Lĩnh vực này rất hấp dẫn vì nó sẽ dẫn đến sự hội tụ các dịch vụ và cơ sở hạ tầng dùng chung. Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 2 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng Vì vậy, chúng em thực hiện tiểu luận “Truy nhập tới phân hệ đa phương tiện IP IMS của mạng 3G UMTS qua mạng hữu tuyến và xu hướng hội tụ sử dụng mạng lõi IMS của mạng 3G” Nội dung tiểu luận chia làm 3 chương như sau: Chương 1: Mạng di động 3G UMTS (Vũ Sơn Tùng). Chương 2: IMS trong mạng di động 3G (Vũ Sơn Tùng). Chương 3: Xu hướng hội tụ sử dụng lõi IMS trong mạng 3G(Vũ Sơn Tùng) Chương 4: Truy nhập tới phân hệ đa phương tiện IP IMS của mạng 3G UMTS qua mạng hữu tuyến (Nguyễn Hải Cường). Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 3 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng CHƯƠNG I: MẠNG 3G UMTS Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS tận dụng kiến trúc đã có trong hầu hểt các hệ thống thông tin di động thế hệ 2. Hệ thống UMTS bao gồm một số các phần tử mạng logic, mỗi phần tử có một có một chức năng xác định. Theo tiêu chuẩn, các phần tử mạng được định nghĩa tại mức logic, nhưng có thể lại liên quan đến việc thực thi ở mức vật lý. Đặc biệt là khi có một số các giao diện mở (đối với một giao diện được coi là “mở”, thì yêu cầu giao diện đó phải được định nghĩa một cách chi tiết về các thiết bị tại các điểm đầu cuối mà có thể cung cấp bởi 2 nhà sản xuất khác nhau). Các phần tử mạng có thể được nhóm lại nếu có các chức năng giống nhau, hay dựa vào các mạng con chứa chúng. Theo chức năng thì các phần tử mạng được nhóm thành các nhóm: + Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS là UTRAN). Mạng này thiết lập tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến. + Mạng lõi (CN): Thực hiện chức năng chuyển mạch và định tuyến cuộc gọi và kết nối dữ liệu đến các mạng ngoài. + Thiết bị người sử dụng (UE) giao tiếp với người sử dụng và giao diện vô tuyến. Hình 1.1 Kiến trúc hệ thống UMTS ở mức cao Theo các đặc tả chỉ ra trong quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm các giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới. Ngược lại, việc định nghĩa mạng lõi (CN) được kế thừa từ GSM. Điều này đem lại cho hệ thống có công nghệ truy nhập vô tuyến mới một nền tảng mang tính toàn cầu là công nghệ mạng lõi đã có sẵn, như vậy sẽ thúc đẩy sự quảng bá của nó, mang lại ưu thế cạnh tranh chẳng hạn như khả năng roaming toàn cầu. Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 4 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng Hệ thống UMTS có thể chia thành các mạng con có thể hoạt động độc lập hoặc hoạt động liên kết các mạng con khác và nó phân biệt với nhau bởi số nhận dạng duy nhất. Hình 1.2 Cấu trúc mạng 3G thế hệ mới Thiết bị người sử dụng (UE) bao gồm 2 phần: · Thiết bị di động (ME) là đầu cuối vô tuyến sử dụng để giao tiếp vô tuyến qua giao diện Uu. · Modul nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là một thẻ thông minh đảm nhận việc xác nhận thuê bao, thực hiện thuật toán nhận thực, và lưu giữ khoá mã mật, khoá nhận thực và một số các thông tin về thuê bao cần thiết tại đầu cuối. UTRAN cũng bao gồm 2 phần tử: · Nút B: chuyển đổi dữ liệu truyền giữa giao diện Iub và Uu. Nó cũng tham gia vào quản lý tài nguyên vô tuyến. Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 5 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng · Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) sở hữu và điều khiển nguồn tài nguyên vô tuyến trong vùng của nó (gồm các Nút B nối với nó). RNC là điểm truy cập dịch vụ cho tất cả các dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi. Các phần tử chính của mạng lõi: · HSS (Home subscriber Server) Đây là cơ sở dữ liệu chung cho tất cả các người dùng, nó chứa cả HLR trong thể thức mạng GPRS. Nó chịu trách nhiệm lưu trữ danh sách các đặc điểm và thuộc tính dịch vụ của người dùng đầu cuối. Danh sách này được sử dụng để kiểm tra vị trí và các biện pháp truy nhập thuê bao. Nó cung cấp thông tin thuộc tính người dùng một cách trực tiếp hoặc thông qua các server. Thuộc tính thuê bao lưu trữ gồm: nhận dạng người dùng, dịch vụ đã thuê bao, thông tin trao quyền. HSS chứa các chức năng đa phương tiện IP để truyền tải thông tin tới các thực thể thích hợp trong mạng lõi để thiết lập cuộc gọi/ phiên, an ninh, trao quyền vv. Nó cũng truy nhập vào các server nhận thực như AUC, AAA. · MSC/VLR (Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động/Bộ đăng ký tạm trú) là một bộ chuyển mạch(MSC) và cơ sở dữ liệu(VLR) phục vụ cho UE ở vị trí tạm thời của nó cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. Chức năng MSC được sử dụng để chuyển mạch các giao dịch sử dụng chuyển mạch kênh, chức năng VLR là lưu trữ bản sao về hiện trạng dịch vụ người sử dụng là khách và thông tin chính xác về vị trí của thuê bao khách trong toàn hệ thống. Phần của hệ thống được truy nhập thông qua MSC/VLR thường là chuyển mạch kênh. · GMSC – (MSC cổng): là một bộ chuyển mạch tại vị trí mà mạng di động mặt đất công cộng UMTS kết nối với mạng ngoài. Tất các kết nối chuyển mạch kênh đến và đi đều phải qua GMSC. · SGSN (Nút hỗ trợ GPRS phục vụ) có chức năng tương tự như MSC/VLR nhưng thường được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói. · GGSN (Node cổng hỗ trợ GPRS) có chức năng gần giống GMSC nhưng phục vụ các dịch vụ chuyển mạch gói. · CSCF: có thể có một số vai trò khác nhau khi được sử dụng trong phân hệ đa phương tiện IP. Nó có thể hoạt động như một Proxy-CSCF (P-CSCF), như một Serving-CSCF (S-CSCF), và có thể như một Interrogating-CSCF (I-CSCF) · MGCF (Media Gateway Control Function) Thành phần này là điểm kết cuối cho PSTN/ PLMN cho một mạng xác định. Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 6 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng MGCF thực hiện các chức năng sau: § Điều khiển trạng thái cuộc gọi gắn liền với điều khiển kết nối cho các kênh phương tiện trong một MGW § Truyền thông với CSCF § MGCF lựa chọn CSCF phụ thuộc vào số định tuyến cho các cuộc gọi lối vào từ các mạng kế thừa § Thực hiện chuyển đổi giao thức giữa mạng kế thừa (ví dụ ISUP, R1/ R2 vv) và các giao thức điều khiển cuộc gọi mạng R00 § Giả sử MGCF nhận được thông tin ngoài băng thì nó có thể chuyển tiếp thông tin này tới CSCF/ MGW · SGW (Signalling gateway function) Chức năng cổng báo hiệu được sử dụng để kết nối các mạng báo hiệu khác nhau ví dụ mạng báo hiệu SCTP/ IP và mạng báo hiệu SS7. Chức năng cổng báo hiệu có thể triển khai như một thực thể đứng một mình hoặc bên trong môj thực thể khác. Các luồng phiên trong đặc tả này không thể hiện SGW nhưng khi làm việc với PSTN hay miền chuyển mạch kênh thì cần có một SGW để chuyển đổi truyền tải báo hiệu. SGW được triển khai như hai node logic sau: § Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) Vai trò của R-SGW liên quan đến chuyển mạng từ/ tới miền chuyển mạch kênh 2G/ R99 và miền GPRS tới/ từ miền dịch vụ thoại MUTS R00 và miền GPRS UMTS. Để chuyển mạng đúng cách R-SGW thực hiện chuyển đổi báo hiệu tại lớp transport § Cổng báo hiệu truyền tải T-SGW (Transport Singnalling Gateway) Thành phần này trong mạng R4/5 là các điểm kết cuối PSTN/ PLMN trong một mạng xác định. Nó ánh xạ báo hiệu cuộc gọi từ/ tới PSTN/ PLMN lên mạng mang IP và gửi nó từ/ tới MGCF Mạng ngoài có thể chia thành 3 nhóm: · Các mạng chuyển mạch kênh: Các mạng này cung cấp các kết nối chuyển mạch kênh, giống như dịch vụ điện thoại đang tồn tại Ví dụ như ISDN và PSTN. · Các mạng chuyển mạch gói: Các mạng này cung cấp các kết nối cho các dịch vụ dữ liệu gói, chẳng hạn như mạng Internet. · Mạng dịch vụ đa phương tiện IP Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 7 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng CHƯƠNG II: IMS TRONG MẠNG DI ĐỘNG 3G Tóm tắt: các hệ thống dựa trên nền IP mang đến cho các nhà mạng cơ hội mở rộng các dịch vụ của họ, tích hợp cả thoại và truyền thông đa phương tiện và chuyển chúng tới các môi trường mới. Đây là điều mà công nghiệp gọi là hội tụ. Các mạng UMTS của dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) hứa hẹn cung cấp nhiều tính năng tiên tiến và các ứng dụng phong phú cho người dùng trong môi trường mạng không dây 3G. Một phân hệ mạng lõi đa phương tiện IP đang được giới thiệu cho phép hội tụ và truy nhập vào thoại, video, messaging, dữ liệu và các công nghệ dựa trên nền web cho người dùng không dây. Mục đích là để kết hợp sự phát triển của Internet với sự phát triển trong truyền thông di động. 1. Giới thiệu Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP), Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) và diễn đàn Parlay đã đưa ra định nghĩa kiến trúc dịch vụ Phân hệ đa phương tiện trên nền IP (IMS). IMS được giới thiệu trong mạng lõi UMTS như là một mở rộng của các lĩnh vực như chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS). Chuyển mạch gói hỗ trợ các dịch vụ thoại và dữ liệu dựa trên các giao thức GSM. Chuyển mạch gói phục vụ như mạng lõi cho các dịch vụ GPRS. Để nghiên cứu sâu nhiều tính năng tiên tiến, đổi mới, phong phú, chất lượng cao của các dịch vụ đa phương tiện trên nền IP trong các ứng dụng mạng di động, IMS được thiết lập để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện IP trên lĩnh vực chuyển mạch gói. Với người sử dụng, nó cung cấp một trải nghiệm hoàn toàn mới; với nhà mạng nó cung cấp các giải pháp cho các vấn đề nền tảng như giảm xáo trộn và tạo nguồn doanh thu mới. Chuẩn hóa IMS đang được tiến hành trong hội đồng tiêu chuẩn hóa các công nghiệp di động, 3GPP, và giai đoạn đầu tiên đã được hoàn thành với sự ổn định của phiên bản tiêu chuẩn 5. Trong các tiêu chuẩn này, 3GPP đã tạo ra một lộ trình rõ ràng để làm Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 8 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng thế nào giới thiệu các IMS cho mạng chuyển mạch gói và bắt đầu tiến tới bỏ các dịch vụ chuyển mạch kênh. Các dịch vụ IMS dựa trên giao thức khởi tạo phiên (SIP) đã được phát triển trong IETF. SIP là căn cứ vững chắc trong nền văn hóa củaInternet và đã rút ra nhiều kinh nghiệm từ các giao thức phát triển như HTTP và SMTP. Đó là quy định mà dịch vụ của nó phải được độc lập với phương tiện truyền thông truy cập. Hình 1.3 Giới thiệu IMS 2. Các dịch vụ IMS Nhắc đến IMS là nhắc đến các dịch vụ. Các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực dễ dàng tích hợp với nhau và các dịch vụ thoại là mục tiêu chính của IMS và coi như một nền tảng dịch vụ. Bằng cách cùng đưa điều khiển cuộc gọi và cung cấp dịch vụ thành một hệ thống tích hợp ngang hàng, IMS cho phép các tổ hợp mới của các dịch vụ và các thành phần dịch vụ. Cấu trúc dịch vụ mới này không chỉ làm Nền tảng dịch vụ cho mạng thế hệ mới 9 Vũ Sơn Tùng – Nguyễn Hải Cường GVHD: TS. Nguyễn Tài Hưng cho nó dễ dàng hơn để kết hợp các dịch vụ mà còn để phát triển và triển khai dịch vụ mới trong chu kỳ ngắn hơn. Các ví dụ về dịch vụ: Danh sách hiện có, Rich Call, nhóm trò chuyện, Push-to-talk, Quảng cáo đa phương tiện, hội thảo từ xa, tin nhắn tức thì, Multiparty Gaming và dịch vụ Thông tin Cá nhân. Hình 1.4 dịch vụ Presence List Trong khi công nghệ đó thu hút đối với các nhà mạng và nhà cung cấp, phần lớn nó lại không được người dùng chú ý. Rất có thể là các chi tiết của IMS sẽ ít nhiều không được người dùng cuối biết đến, nhưng những gì họ nhận thấy đó chính là sự thay đổi trong các dịch vụ mà họ có thể sử dụng và truy cập. Những dịch vụ này sẽ không còn được xây dựng theo mô hình các dịch vụ thoại thông thường một – một, mà ta sẽ thấy các dịch vụ được xây dựng xoay quanh khái niệm các nhóm hình thành trên cơ sở lợi ích/nhu cầu chung để giao tiếp và trao đổi thông tin. Cá nhân cũng sẽ có nhiều lựa chọn hơn về cách thức giao tiếp với những người khác để quản lý và cá nhân hoá các thông tin. 3. Cấu trúc mạng IMS (Phân hệ đa phương tiện IP) Các yếu tố chính trong cấu trúc logic của IMS là: