[123doc.vn] Cau Truc Mang 3g Va Vai Tro Cua Ims Trong Cac Mang 3g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Viện Điện tử-viễn thông

BÁO CÁO

Đề tài: Kiến trúc mạng 3G và vai trò của

IMS trong các mạng 3G

Giáo viên hướng dẫn : PGS TS. Nguyễn Hữu Thanh

Học viên thực hiện : Vũ Ngọc Dân

Phạm Xuân Thành

Ung Hong Tech

Lớp : 11BKTTT.KH

Chương 1 Giới thiệu chung

Hà Nội, tháng 05/2012

ii

Cấu trúc mạng 3G và vai trò của IMS trong các mạng 3G

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN 1. KIẾN TRÚC MẠNG 3G1.1. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G.1.2.2. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R41.2.3. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 VÀ R61.2.4. CHIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS

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

2.1. TỔNG QUAN KIẾN TRÚC IMS2.1.1. CSCF- Call/Session Control Function.

2.1.1.1. P-CSCF2.1.1.2. I-CSCF2.1.1.3. S-CSCF

2.1.2. Cơ sở dữ liệu : HSS và SLF2.1.4. MRF2.1.5. BGCF2.1.6. IMS- ALG và TrGW2.1.7. PSTN/CS gateway

2.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIAO THỨC SỬ DUNG TRONG IMS2.2.1.Giao thức điều khiển phiên2.2.2. Giao thức AAA2.2.3. Các giao thức khác nhau

2.3. VỊ TRÍ VÀ VAI TRÒ CỦA PHÂN HỆ IMS TRONG KIẾN TRÚC MẠNG 3G2.4. NHỮNG YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ IMS

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3


LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm vừa qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động và

mạng PSTN đang là xu hướng được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực thông tin

liên lạc. Nhiều kiến trúc mới đã ra đời trong quá trình phát triển, hợp nhất các

mạng với nhau mục đích tạo ra một mạng All IP duy nhất. Phân hệ IMS (IP

Multimedia Subsystem) là một trong những kiến trúc đã ra đời trong xu thế phát

triển đó. Với IMS người dùng có thể liên lạc khắp mọi nơi nhờ tính di động của

mạng di động và đồng thời có thể sử dụng những dịch vụ hấp dẫn từ mạng

Internet. IMS đã thực sự trở thành chìa khóa để hợp nhất mạng di động và mạng

Internet. IMS đồng thời cũng trở thành một phân hệ trong mô hình mạng thế hệ

mới (NGN) của tất cả các hãng sản xuất thiết bị viễn thông và các tổ chức chuẩn

hóa thế giới.

IMS được chuẩn hóa bởi 3GPP và 3GPP2 dựa trên giao thức báo hiệu SIP và

các 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 mang

lại 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 Dân

Phạm Xuân Thành

Ung Hong Tech

4


PHẦN 1. KIẾN TRÚC MẠNG 3G1.1. 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 trên hình 1.1, lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2 và hình 1.3. 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

5


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 các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. Hình 1.4 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 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

6


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 hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện chức 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 phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn.

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

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

7


1.2.1. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet. UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt 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 Radio Network), 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 vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó. Mạng lõi CN bao 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 bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm.

8


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 trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển 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 giữa RNC và MSC Server. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW. Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định 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 đường trục 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 tiêu chuẩn 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

9


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

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248. Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển. Nó có tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control). Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức 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 GMSC Server. Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu tư.

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

Từ hình 1.6 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại 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 các giao diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/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 mạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện. Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này được thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW). Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 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 được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP. Bộ giao thức này được gọi là Sigtran.

10


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. Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối 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 đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP. Từ hình 1.7 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không 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).

11


Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được tăng 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 vụ lớn hơn trước rất nhiều.

CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến và từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và định tuyến. 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 ở GPRS và UMTS R3 và R4. Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ 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 và GGSN 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 vụ hội 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 nhiều trường 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 đa phương 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 là SIP.

Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miền chuyển mạch kênh trong R3 và R4. Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các phiên 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.

12


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 tính năng 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 kỹ thuật vào tháng 6 năm 2000. Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA-FDD và sẽ được triển khai chồng lấn lên GSM. Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS phát 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 năng mới được đưa ra. Các nút B được gọi là MBS (Multistandard Base Station: trạm gốc đa tiêu chuẩn). Tuy nhiên MBS V1 chỉ đơn thuần là nút B, chỉ MBS V2 mới thực sự đa tiêu chuẩn và chứa các chức năng của cả nút B và BTS trong cùng một hộp 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 triển trong giai đoạn triển khai UMTS ban đầu (3GR1.1).

13


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 hợp BTS (MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2). Các chức năng khai thác và bảo dưỡng 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.

14


Hình 1.10. Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1).

1.2.4.3. 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất

Trong kiến trúc RAN của phát hành này được xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP. Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống UMTS và GSM. Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ. Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP. GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng. Kiến trúc RAN của 3GR1.3 được thể hiện trên hình 1.11.

Hình 1.11. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.115


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

2.1. Tổng quan kiến trúc IMS

IMS không được chuẩn hóa theo các nút mà dựa trên chức năng. Điều này có nghĩa là kiến trúc IMS là một tập hợp các chức năng được liên kết với nhau bởi các giao diện. Các chức năng có thể được kết hợp lại trong một nút hoặc một chức năng thể được tách ra thực hiện trong 2 nút hoặc nhiều hơn. Thông thường các nhà cung cấp thường thực hiện một chức năng trong mỗi nút riêng lẻ.

Hình 2.1 Tổng quan kiến trúc IMS

Bên cạnh của hình vẽ là các thiết bị IMS. Phía dưới là thiết bị di động IMS thường được gọi là thiết bị người dùng UE. Thiết bị đầu cuối IMS kết nối tới mạng chuyển mạch gói thông qua lien kết vô tuyến. IMS động thời hỗ trợ các kiểu truy nhập và các thiết bị khác như PDAs (Personal Digital Assitant) và máy tính. Các thiết bị này có thể truy nhập qua ADSL hoặc WLAN.

Phần còn lại của hình vẽ chỉ ra các node chức năng khác nhau trong kiến trúc lõi của IMS bao gồm :

+ Cơ sở dữ liệu người dùng : HSS (Home Subcriber Servers) và SLF (Subcriber Location Function).

16


+ Chức năng điều khiển phiên, cuộc gọi : CSCF (Call/ Sesion Control Function)

+ Chức năng lien quan đến nguồn media MRFC (Media Resource Function Controller) và bộ xử lí chức năng nguồn media MRFP (Media Resource Function Processor).

+ BGCF (Breakout Gateway Control Function).

+ PSTN gateway bao gồm SGM (Signlling Gateway) , MGCF (Media Gateway Controller Function) và MGW (Media Gateway).

2.1.1. CSCF- Call/Session Control Function.

CSCF là một SIP server. Nó là thành phần cơ bản nhất trong kiến trúc IMS. CSCF xử lí báo hiệu SIP. Có ba kiểu kết nối khác nhau của CSCF:

+ Proxy-CSCF (P-CSCF)

+ Serving- CSCF (S-CSCF)

+ Interrogating-CSCF (I-CSCF)

Mỗi CSCF có những chức năng đặc biệt của chúng.Tất cả góp tạo thành bộ máy định tuyến bản tin SIP. Ngoài ra chúng còn có thể gửi các thong tin tính cước tới tính năng tính cước ngoại tuyến.

2.1.1.1. P-CSCF

P-CSCF là điểm lien lạc đầu tiên giữa các thiết bị đầu cuối và mạng IMS. Trong mô hình của SIP thì P-CSCF đang làm việc như một onbound/inbound SIP Proxy-server. Tất cả bản tin SIP được khởi tạo bởi một thiết bị đầu cuối IMS hoặc gửi đến thiết bị đầu cuối IMS đều phải đi qua P-CSCF. P-CSCF chuyển tiếp các bản tin SIP request và response theo các hướng phù hợp : hoặc đi tới thiết bị IMS hoặc là tới mạng IMS. P-CSCF được chỉ định cho các thiết bị đầu cuối IMS trong quá trình đăng ký và không thay đổi trong quá trình này.

P-CSCF bao gồm nhiều chức năng khác nhau và một trong số chúng liên quan tới bảo mật. Nó thiết lập một số liên kết đảm bảo IPsec với các thiết bị đầu cuối IMS. Những liên kết bảo mật IPsec này đảm bảo sự toàn vẹn thực thể. Một khi P-CSCF đã chứng thực người dùng thì các node khác trong mạch không cần thực hiện các chứng thực người dùng khác nữa vì chúng tin tưởng vào P-CSCF. Sự xác nhận của P-CSCF còn có các chức năng khác các dịch vụ cá nhân và các bản ghi tính cước.

Một chức năng khác của P-CSCF là chúng kiểm tra sự chính xác của bản tin SIP request được gửi bởi thiết bị đầu cuối IMS. Chức năng này giúp ngăn chặn các thiết bị đầu cuối gửi SIP không chính xác.

17


P-CSCF bao gồm một bộ phận nén và giải nén các bản tin SIP (thiết bị đầu cuối IMS cũng bao gồm chưc năng này). Bản tin SIP đôi khi có thể rất lớn. Trong khi gửi một bản tin qua kết nối băng thông rộng chỉ mất một thời gian ngắn thì việc gửi một SIP qua băng thông hẹp , như một kết nối vô tuyến chẳng hạn , sẽ mất một vài giây. Cơ chế dùng để rút ngắn thời gian truyền một bản tin là nén bản tin lại, truyền qua liên kết vô tuyến và giải nén bên phía nhận.

P-CSCF có thể bao gồm một PDF. PDF cấp quyền sử dụng media và quản lí QoS trên mặt phẳng media.

P-CSCF đồng thời tạo ra các thông tin tính cước tới các nút thu thập thông tin tính cước.

Với mục địch mở rộng và tạo ra dư thừa để dụ phòng trên một mạng IMS thông thường có nhiều P-CSCF. Mỗi một P-CSCF phục vụ một số thiết bị đầu cuối IMS phụ thuộc vào dung lượng của nó.

P-CSCF có thể tạo được đặt tại mạng khách hoặc mạng chủ. Trong trường hợp mạng chuyển mạch gói trên GPRS thì P-CSCF luôn đặt trong một mạng với GGSN. Vì vậy GGSN và P-CSCF có thể cùng đặt tại mạng khách hoặc tại mạng chủ.

2.1.1.2. I-CSCF

I-CSCF là SIP proxy được đặt tại biên của miền quản trị. Địa chỉ của I-CSCF luôn được liệt kê trong bản ghi DSN (Domain name System) của miền. Khi một SIP server tuân theo các thủ tục SIP để tim chặng SIP tiếp theo cho một bản tin SIP sẽ nhận được địa chỉ của I-CSCF trong miền đích.

Ngoài chức năng là một SIP server, I-CSCF còn có một giao diện tới SLF và HSS. Giao diện này dựa trên giao thức Diameter. Qua giao thức I-CSCF truy cứu các thông tin về vị trí của người dùng và định tuyến các bản tin SIP đang chứa đựng thông tin nhạy cảm về miền , như số lượng server trong miền , tên DSN và dung lượng của chúng.

Một mạng IMS thường bao gồm nhiều I-CSCF cho mục đích mở rộng và tạo dư thừa.

I-CSCF thường nằm tại mạng chủ , mặc dù trong một số trường hợp đặc biệt có thể đặt tại mạng khách.

2.1.1.3. S-CSCF

S-CSCF là node trung tâm trong mặt phẳng báo hiệu. Ngoài chức năng là một SIP server , S-CSCF còn đóng vai trò là một SIP registrar. Nó duy trì một gắn kết giữa vị trí người dùng và địa chỉ SIP người dùng trong bản ghi.

Giống như I-CSCF, S-CSCF cũng đồng thời thực hiện giao diện với HSS để thực hiện các mục đích sau :

18


+ Tải về các vector chứng thực của người dùng đang truy nhập vào mạng S-CSCF sử dụng các vector này để chứng thực người dùng.

+ Thông báo cho HSS rằng S-CSCF này sẽ phục vụ người dùng trong khoảng thời gian đăng ký.

Tất cả báo hiệu SIP mà thiết bị đầu cuối IMS gửi và nhận đều đi qua S-CSCF. S-CSCF giám sát từng bản tin SIP và quyết định xem báo hiệu SIP sẽ đi qua một hay nhiều server ứng dụng hoặc để định tuyến tới đích cuối cùng.

Một trong những chức năng chính của S-CSCF là cung cấp chức năng định tuyến bản tin SIP. Nếu một người dùng quay một số điện thoại thay vì một SIP URI thì S-CSCF cung cấp dịch vụ chuyển đổi địa chỉ , thường dựa trên DSN E.164 Number Translation.

S-CSCF đồng thời thi hành các chính sách của nhà điều hành mạng. Hay S-CSCF ngăn chặn người dụng thực hiện những dịch vụ không được cho phép.

S-CSCF luôn đặt tại mạng chủ.

2.1.2. Cơ sở dữ liệu : HSS và SLF

HSS và SLF là hai cơ sở dữ liệu chính trong kiến trúc IMS.

HSS lưu trữ dữ liệu cho tất cả các thuê bao và tất cả dữ liệu liên quan đến dịch vụ của IMS. Dữ liệu được lưu trữ trong HSS bao gồm nhận dạng , thông tin đăng kí thuê bao, tham số truy nhập và thông tin kích hoạt dịch vụ. Thông tin nhận dạng bao gồm có hai loại :

+ Nhận dạng người dùng công cộng

+ Nhận dạng người dùng cá nhân

Nhận dạng người dùng cá nhân được sử dụng mục đích đăng ký và cấp quyền, trong khi đó nhận dạng người dùng công cộng được người dùng để liên lạc với những người dùng khác nhau. Các tham số truy nhập IMS được khởi tạo để thiết lập một phiên và bao gồm các thông số như chứng thực người dùng, cấp quyền chuyển vùng và tên của S-CSCF phụ trách người dùng. Thông tin kích hoạt dịch vụ cho phép thực hiện các dịch vụ SIP.

HSS cũng bao gồm một số các chức năng của vị trí chủ (HLR) và trung tâm nhận thực (AUC).

19


Hình 2.2. Cấu trúc của HSS

Chức năng HLR hỗ trợ thực thể trong miền chuyển mạch gói như SGSN và GGSN. Điều này cho phép cá thuê bao truy nhập tới các dịch vụ trong miền chuyển mạch gói . HLR đồng thời cũng hỗ trợ các thực thể trong miền chuyển mạch kênh như MSC/MSC server. Điều này cũng cho phép các thuê bao có thể truy nhập các dịch vụ trong miền chuyển mạch kênh và hỗ trợ chuyển vùng tới những vùng có chuyển mạch kênh .

AUC lưu trữ chìa khóa bí mật cho mỗi thuê bao di động. Chìa khóa này được sử dụng để tạo ra dữ liệu bảo mật linh động cho mỗi thuê bao. Dữ liệu được sử dụng cho sự nhận thức lẫn nhau giữa mạng và IMSI (International Mobile Subcriber Identity). Dữ liệu bảo mật cung cấp sự toàn vẹn thực thể và mã hóa thông tin liên lạc qua đường vô tuyến giũa UE và mạng.

Một mạng có thể có nhiều hơn một HSS, phụ thuộc vào số lượng thuê bao và khả năng của các thiết bị tổ chức của mạng.

Nếu mạng có một HSS không cần phải có SLF (Subscription Location Function). Ngược lại nếu mạng có nhiều hơn một HSS nhất thiêt phải có SLF. SLF là một cơ sở dữ liệu đơn giản dùng để ánh xạ địa chỉ thuê bao với HSS tương ứng quản lý thuê bao đó. Khi một nút khác truy vấn SLF với đầu là một địa chỉ thuê bao thì nhận đươc HSS chứa thông tin liên quan đến thuê bao như là đầu ra.

HSS và SLF thực hiện giao thức Diameter với các ứng dụng Diameter xác định cho IMS.

2.1.3. AS (Application Server)

AS là các thực thể SIP đảm nhận và thực hiện các dịch vụ.

20


Hình 2.3. Application Server

AS gồm ba loại :

+ SIP AS : đây là các AS cơ sở thực hiện các dịch vụ multimedia dựa trên SIP. Các dịch vụ IMS mới sẽ phát triển trong SIP AS.

+ OSA-SCS (Open Service Access-Service Capability Server) : Đây là AS cung cấp giao diện tới ứng dụng nền tảng OSA. Nó thừa kế tất cả các khả năng của dịch vụ mở, đặc biệt khả năng để truy nhập một cách bảo mật vào các mạng bên ngoài. Nút này một mặt đóng góp vai trò là AS và mặt khác là một giao diện OSA AS và giao diện lập trình ưng dụng OSA.

+IM-SSF (IP Multimedia Service Switching Function) : AS cho phép tái sử dụng dịch vụ CAMEL (Customized Application for Mobile Network Enhanced Logic) được phát triển cho GSM. IM-SSF cho phép một GSM SCF (GSM Service Control Function) điều khiển một phiên IMS.

AS có thể được đặt tại mạng chủ hoặc tại mạng của một nhà cung cấp thứ ba. Trong trường hợp AS được đặt ngoài mạng chủ thì nó không giao tiếp với HSS.

2.1.4. MRF

MRF cung cấp nguồn media trong mạng chủ . MRF cung cấp khả năng để play thông báo , trộn các luồng media với nhau, chuyển đổi giữa các loại mã khác nhau, thu thập thống kê và làm các công việc phân tích media khác.

MRF được chia thành MRFC và MRFP. MRFC đóng vai trò như một SIP User Agent và có một giao diện tới S-CSCF. MRFC điều khiển nguồn tài nguyên

21


trong MRFP thông qua giao diện H.248. MRFP thực hiện tất cả chức năng liên quan đến media như play và trộn media.

MRF luôn đặt tại mạng chủ.

2.1.5. BGCF

BGCF là một thành phần SIP server cơ bản bao gồm chức năng định tuyến dựa trên số điện thoại. BGCF chỉ được sử dụng trong nhưng phiên mà bắt đầu từ một thiết bị đầu cuối IMS tới một người dùng trong mạng chuyển mạch kênh như PSTN hoặc là PLMN.

Hai chức năng chính của BGCF:

+ Lựa chọn mạng thích hợp trong trường hợp làm việc với miền chuyển mạch kênh

+ Lựa chọn PSTN/CS gateway phù hợp

2.1.6. IMS- ALG và TrGW

IMS hỗ trợ cả IPv4 và IPv6. Ở một số điểm trong phiên multimedia IP làm việc chéo giữa hai phiên cơ bản có thể xảy ra. Để tránh cho thiết bị đầu cuối không phải hỗ trợ các chức năng để có thể làm việc liên kết, IMS bổ sung them hai thực thể mới đó là : IMS-ALG (IMS- Application Layer Gateway và TrGW (Transition Gateway). IMS-ALG xử lý các vấn đề về báo hiệu (SIP,SDP…), còn TrGW xử lí lưu lượng media (RTP,RCTP).

Hình 2.4. IMS-ALG và TrGW

IMS-ALG thực hiện chức năng như một SIP B2BUA bằng cách duy trì hai chặng báo hiệu độc lập. Một chặng hướng tới bên trong mạng IMS và chặng còn lại hướng vào mạng khác. Mỗi chặng này sử dụng phiên bản IP khác nhau. Thêm vào đó , IMS-ALG ghi lại SDP băng cách thay đổi các địa chỉ IP và các port number tạo ra bởi các thiết bị đầu cuối với một hoặc nhiều địa chỉ IP và port

22


numbers phân bổ cho TrGW. Điều này cho phép lưu lượng media được định tuyến tới TrGW

IMS-ALG giao tiếp I-CSCF với các luồng lưu lượng tới và với S-CSCF cho các luồng lưu lượng đi thông qua giao diện Mx.

TrGW là một NAT-PT/NAPT-PT (Network address Port Translator-Protocol Translator). TrGW được cấu hình với một tập hợp các địa chỉ IP, được phân bổ tự động cho một phiên đã cho. TrGW thực hiện sự chuyển đổi media giữa IPv4 và IPv6.

2.1.7. PSTN/CS gateway

PSTN gateway cung cấp giao diện hướng tới mạng chuyển mạch kênh, cho phép các thiết bị đầu cuối IMS gọi và nhận các cuộc gọi từ PSTN và tới PSTN.

Hình 2.5. PSTN/CS Getway giao tiếp với một mạng CS

PSTN gateway được phân chia thành những thành phần chức năng sau :

+ SGW (Signalling Gateway) : Signalling gateway giao tiếp với mặt phẳng báo hiệu của mạng chuyển mạch kênh. SGW thực hiện sự chuyển đổi giao thức mức thấp. SGW thay thế các giao tiếp bậc thấp NTP (ITU-T khuyến nghị Q.701) bằng SCTP/IP (Stream Control Transmission Protocol, RFC 2960). Vì vậy, SGW chuyển đổi ISUP (ITU-T khuyến nghị Q.761) hoặc BICC trên nền MTP bằng ISUP hoặc BICC trên nền SCTP/IP

+ MGCF(Media Gateway Control Function): MGCF là node trung tâm của PSTN/CS gateway. Nó thực hiện chuyển đổi giao thức ánh xạ SIP (giao thức điệu khiển cuộc gọi trong IMS) thành ISUP/IP hoặc BICC/IP. Ngoài ra, MGCF còn

23


điệu khiển tài nguyên trong MGW (Media Gate Way). Giao thức được sử dụng giữa MGCF và MGW là H.248.

+ MGW : Media Gateway giao tiếp với mặt phẳng media của PSTN. Một mặt MGW có khả năng gửi nhận media IMS trên nền RTP (Real-time Transport Protocol). Mặt khác MGW sử dụng một hoặc nhiều khe thời gian PCM để kết nối tới mạng chuyển mạch kênh. Thêm vào đó, MGW thực hiện việc chuyển đổi mã khi mà thiết bị đầu cuối IMS không hỗ trợ các codec được sử dụng bởi mạng chuyển mạch kênh. Một tình huống phổ biến thường xảy ra thiết bị đầu cuối IMS sử dụng mã AMR trong khi đó thiêt bị đầu cuối PSTN sử dụng mã G.711.

2.2. Tổng quan về các giao thức sử dung trong IMS

Kiến trúc trong IMS do 3GPP phát triển dựa trên các giao thức IP được chuẩn hóa bởi IETF, bao gồm các giao thức điều khiển phiên , các giao thức về chứng thực cấp quyền và tính toán (AAA) và một số các phiên giao thức khác.

2.2.1.Giao thức điều khiển phiên

Các giao thức điều khiển đóng vai trò chìa khóa trong bất kì một hệ thống điện thoại nào. Trong mạng chuyển mạch kênh các giao thức điều khiển cuộc gọi quan trọng nhất là TUP ( Telephony User Part, ITU-T khuyến nghị Q.721), ISUP (ISDN User Part, ITU-T, khuyến nghị Q.761) và BICC ( Bearer Independent Call Control, ITU-T khuyến nghị Q.1901).

SIP đã được chọn là giao thức điền khiển phiên cho IMS trong nhiều giao thức điều khiển phiên dựa trên IP khác như BICC và H323. SIP được IETF chuẩn hóa

Trong RFC 3261 ( Request for Command). SIP tuân theo mô hình khách-chủ ( Clien- Server). SIP được thiết kế dựa trên các nguyên lý cơ bản từ hai giao thức HTTP, SMTP. Nên SIP thừa kế hầu hết các đặc tính quan trọng của hai giao thức này. Điều này tạo ra sức mạnh cho nó bởi HTTP và SMTP là các giao thức đã rất thành công trong mạng Internet. Không giống như H323 và BICC, SIP không phân biệt giao diện người dùng tới mạng (Uses-to-Network) với giao diện mạng với mạng (Network-to-Network). Trong mô hình SIP chỉ có một giao thức duy nhất hoạt động thông suốt. Ngoài ra SIP là một giao thức dưới dạng văn bản do đó nó dễ dàng mở rộng, gỡ rối và phát triển các dịch vụ.

2.2.2. Giao thức AAA

Diameter dựa trên RFC 3588 được chọn là giao thức AAA trong mạng IMS. Diameter được phát triển từ giao thức RADIUS (RFC 2865) là một giao thức được sử dụng phổ biến trong Internet để thực hiện chứng thực, cấp quyền và tính cước.

24


Diameter bao gồm một giao thức cơ bản và giao thức này được bổ sung bởi các ứng dụng Diameter. Các ứng dụng Diameter là các tùy biến hoặc là các mở rộng Diameter để phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

2.2.3. Các giao thức khác nhau

Bên cạnh SIP và Diameter , IMS cón sử dụng nhiều giao thức khác. Giao thức dịch vụ chính sách mở rộng thông thường COPS (Common Open Service) được sử dụng để truyền tải chinh sách giữa các điểm quyết định dich vụ PDPs (Policy Decision Points ) và các điểm thực hiện chính sách (Policy Enforcement Points).

H.248 (ITU-T khuyến nghị H.248) được sử dụng bởi các nút báo hiệu để điều khiển các nút trong mặt phẳng media.

RPT (Real-Time Transport Protocol, RFC 3550) và RCTP (RTP Control Protocol, RFC 3550) dùng để truyền tải media trong video và audio.

2.3. Vị trí và vai trò của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng 3G

Mạng di động 3G được phân chia logic thành mạng truy nhập (Access Network) và mạng lõi (Core Network). Phía trên cơ sở hạ tầng mạng là nền tảng dịch vụ được sử dụng để tạo ra các dịch vụ khác nhau.

Mạng hỗ trợ hai kiểu mạng truy nhập khác nhau : Hệ thống trạm gốc (BSS) và phân hệ mạng vô tuyến (RNS). BSS là mạng truy nhập GSM trong khi đó RSN là mạng truy nhập UMTS.

Hình 2.6 Kiến trúc mạng UMTS

Mạng lõi bao gồm miền chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói. Hai miền này khác nhau trong cách xử lí dữ liệu. Miền chuyển mạch kênh dành sẵn các kênh cho lưu lượng người dùng, do đó được sử dụng các dịch vụ thời gian

25


thực và dịch vụ hội đàm như dịch vụ thoại và dịch vụ hội nghị video. Miền chuyển mạch kênh được sử dụng cho các ứng dụng dữ liệu gói từ đầu cuối đến đầu cuối như truyền file, truy cập web và e-mail.

Phân hệ IMS là một phần trong miền chuyển mạch gói. Chức năng của IMS là cung cấp các dịch vụ đa phương tiện trên nền IP, bao gồm các dịch vụ thời gian thực như trong miền chuyển mạch kênh. Do đó IMS sẽ làm cho miền chuyển mạch kênh dần dần được thay thế trong tương lai.

2.4. Những yêu cầu khi thiết kế IMS

IMS được xây dựng và phát triển với mục đích phải kết hợp được những xu thế công nghệ mới nhất, tạo ra một nền tảng chung để phát triển các dịch vụ multimedia đa dạng và tạo ra nhiều lợi nhuận hơn trong việc thúc đẩy khách hàng sử dụng miền chuyển mạch gói trong 3G. Để đạt được những mục đích đó thì IMS phải thực hiện những yêu cầu sau:

1. Hỗ trợ việc thiết lập các phiên đa phương tiện IP

2. Hỗ trợ cơ chế để thỏa thuận QoS

3. Hỗ trợ làm việc liên kết mạng Internet và mạng chuyển mạch kênh (PSTN)

4. Hỗ trợ phát triển các dịch vụ

5. Hỗ trợ chuyển vùng

6. Hỗ trợ điều khiển dịch vụ

7. Hỗ trợ đa truy nhập

26


KẾT LUẬN

Mặc dù đề tài chỉ được thực hiện dưới dạng nghiên cứu lý thuyết nhưng

thực hiện đề tài đã giúp chúng em rất nhiều trong việc củng cố lại kiến thức điện tử

- viễn thông, đồng thời bổ sung những kiến thức còn thiếu sót. Trong quá trình

nghiên cứu, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, chúng em rất mong nhận

được ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để đề tài trở nên có ích và thiết thực

hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Thanh đã trang bị cho

chúng em những kiến thức cơ bản để thực hiện đề tài này.

27


TÀI LIỆU THAM KHẢO

28

Documents

[123doc.vn] Cau Truc Mang 3g Va Vai Tro Cua Ims Trong Cac Mang 3g