Mạng thông tin di động theo cấu trúc NGN

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THEO CẤU TRÚC NGN (NGN-Mobile)  Mạng thông tin di động đã phát triển mạnh mẽ và rộng khắp trên toàn thế giới trong mười năm vừa qua với khả năng cung cấp đa dạng các loại hình dịch vụ. Hiện nay, nhu cầu sử dụng dịch vụ dữ liệu ngày càng tăng cao, các dịch vụ dữ liệu chiếm một tỉ trọng đáng kể trong tổng doanh thu của nha khai thác mạng thông tin di động. Trong vài năm tới các dịch vụ thông tin đa phương tiện dựa trên nền IP, sẽ là nguồn doanh thu chính khi doanh thu từ các dịch vụ thoại đang trở nên bão hoà. Xu hướng này đòi hỏi mạng thông tin di động phải phát triển theo một cấu trúc mới tiên tiến hơn, cấu trúc dựa trên nguyên tắc của mạng NGN (Next Generation Network), với các tiêu chí cơ bản: a) Sự hội tụ dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu; b) Sự phân tách lớp điều khiển khỏi lớp truyền tải. Xu hướng này bắt đầu từ phiên bản Release 4 (của 3GPP) và được hoàn thiện trong Release 5/6 và cũng có một ánh xạ tương ứng đối với mạng thông tin di động của 3GPP2. Bài viết này phân tích xu hướng phát triển mạng thông tin di động theo cấu trúc NGN dựa trên các phiên bản tiêu chuẩn của tổ chức 3GPP/3GPP2. 1. Mở đầu Khái niệm cấu trúc mạng NGN xuất phát từ mạng thông tin cố định. Theo khuyến nghị của Liên minh Viễn thông thế giới (ITU), mạng thế hệ mới - Next Generation Network (NGN) được coi là mạng gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông, sử dụng băng tần rộng và các công nghệ truyền tải hỗ trợ QoS trong đó các chức năng liên quan đến dịch vụ không phụ thuộc vào công nghệ truyền tải. Hệ thống hỗ trợ tính di động linh hoạt cho phép cung cấp dịch vụ cho thuê bao một cách ổn định mọi lúc, mọi nơi. NGN được hiểu là mạng dựa trên mạng chuyển mạch gói trong đó các phần tử thực hiện chức năng chuyển mạch định tuyến và các phần tử điều khiển được phân tách một cách logic và vật lý theo khả năng thông minh điều khiển dịch vụ hoặc cuộc gọi. Mạng NGN hỗ trợ rất đa dạng các loại hình dịch vụ dựa trên một cơ sở hạ tầng truyền dẫn chung, bao gồm từ các dịch vụ thoại cơ bản cho đến các dịch vụ số liệu, video, đa phương tiện, dịch vụ băng thông rộng, và các ứng dụng quản lý mạng thông minh. Về cơ bản, mô hình chức năng của mạng NGN như. Trong mô hình này, mạng NGN được chia thành các phân lớp cơ bản: lớp truy nhập, lớp truyền tải, lớp điều khiển và lớp ứng dụng. Mỗi phân lớp có chứa một số phần tử chức năng cơ bản như: Máy chủ cuộc gọi (Call Sever) hay còn gọi là Chuyển mạch mềm (SoftSwitch), Cổng truy nhập (Media Gateway), Cổng báo hiệu (Signalling Gateway) và Máy chủ dịch vụ (Feature Server). 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. Có thể nói, các tổ chức tiêu chuẩn 3GPP và 3GPP2 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 và CDMA. Xu hướng phát triển theo cấu trúc NGN của mạng lõi 3GPP bắt đầu từ Release 4 (R4), sau đó được hoàn thiện bởi Release 5 (R5) và Release 6 (R6) với khả năng hỗ trợ các dịch vụ thông tin đa phương tiện. Về nguyên tắc, có thể xây dựng mạng thông tin di động NGN-Mobile dựa trên các cấu trúc: mạng lõi R4 hoặc cấu trúc mạng lõi R5&R6.  Hình 1. Cấu trúc phân lớp chức năng của mạng NGN Các nhà khai thác mạng GSM hiện nay chủ yếu đang ở giai đoạn R99. Họ có thể lựa chọn các giải pháp triển khai nâng cấp như sau: Mạng lõi R99 -> Mạng lõi R4 Mạng lõi R99 -> Mạng lõi R5 Mạng lõi R99 -> Mạng lõi R4 -> Mạng lõi R5 Việc lựa chọn giải pháp nâng cấp mạng của mỗi nhà khai thác cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, như hiện trạng mạng hiện tại; chiến lược phát triển mạng/dịch vụ; chi phí đầu tư. Điều này cho phép nhà khai thác lựa chọn phương án triển khai mạng phù hợp. Trên thị trường thế giới hiện nay, các hãng sản xuất thiết bị mạng thông tin di động đã tung ra các sản phẩm thiết bị mạng lõi dựa trên tiêu chuẩn R4 và R5. Nhiều nhà khai thác đang có chiến lược phát triển hướng tới một mạng lõi theo cấu trúc NGN-Mobile nhằm xây dựng một cơ sở hạ tầng mạng truyền tải chung cũng như khả năng cung cấp, quản lý linh hoạt tất cả các loại hình dịch vụ/ứng dụng. 2. Xu hướng phát triển mạng thông tin di động của 3GPP/3GPP2 theo hướng NGN Tổ chức 3GPP thực hiện chuẩn hoá công nghệ WCDMA cho hệ thống thông tin di động 3G UMTS. Cho đến nay, mạng lõi UMTS đã được phát triển theo 3 Release cơ bản: R99, R4 và R5; ngoài ra, R6 đang trong quá trình thực hiện chuẩn hoá. Sau đây sẽ phân tích những thay đổi trong quá trình chuyển đổi cấu trúc mạng lõi của 3GPP theo hướng NGN. Lưu ý rằng, mạng thông tin di động 3G-Cdma2000 của 3GPP2 cũng có sự phát triển hướng theo cấu trúc NGN, tương tự như mạng lõi của 3GPP, do vậy bài viết chỉ tập trung phân tích mạng lõi di động do 3GPP chuẩn hóa. 2.1 Mạng lõi 3GPP R99 Mô tả kiến trúc phân tách theo loại hình dịch vụ (chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh) của mạng lõi UMTS R99. Tiêu chí của cấu trúc theo R99 bao gồm: tương thích ngược với GSM; hỗ trợ truy nhập các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao; và quản lý được QoS. Như đã chỉ ra trong Hình 2, có hai loại mạng truy nhập vô tuyến có thể kết nối với mạng lõi (CN) của 3GPP: hệ thống BSS của GSM và RNS của UTRAN. Các mạng truy nhập vô tuyến này kết nối với mạng CN thông qua các giao diện chuẩn. Cụ thể, BSS của GSM kết nối với miền CS qua giao diện A và miền PS qua giao diện Gb; UTRAN kết nối với miền CS qua giao diện Iu-cs và tới miền PS qua giao diện Iu-ps. Miền CS (Circuit-Switched Domain) cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh dựa trên tổng đài MSC (bao gồm cả GSM), trong khi miền PS (Packet-Switched Domain) cung cấp kết nối IP giữa Mobile và các mạng IP (bao gồm cả GPRS).  Hình 2. Cấu trúc tham chiếu cơ bản của 3GPP R99 (Nguồn: 3GPP)  2.2 Mạng lõi 3GPP R4/R5 Có thể nói cấu trúc mạng lõi theo R00 phát triển tiếp sau R99, hay hiện nay được chia thành hai pha R4 và R5, được gọi là cấu trúc mạng chuyển tiếp nhằm tiến tới cấu trúc NGN toàn IP trong tương lai. Các tiêu chí đặt ra cho cấu trúc R4/5 bao gồm: tương thích với R99; bổ sung thêm các dịch vụ đa phương tiện dựa trên IP; và hỗ trợ hiệu quả VoIP vô tuyến đối với dịch vụ đa phương tiện. Điểm cần lưu ý là trong cấu trúc R4/5, vẫn tồn tại hai miền tách biệt CS và PS, R5 chính thức đưa ra khái niệm hệ thống IMS: + Miền CS vẫn tồn tại và hỗ trợ khả năng tương thích ngược hoàn toàn đối với các dịch vụ miền CS R99, có thể thực hiện miền này bằng cách nâng cấp MSC thành MSC Server và Media Gateway. + Miền PS tiếp tục hỗ trợ các kết nối IP, được nâng cấp thêm để hỗ trợ QoS đối với các dịch vụ đa phương tiện dựa trên IP. + Phân hệ IMS cung cấp các dịch vụ IP đa phương tiện mới bổ sung vào các dịch vụ được cung cấp bởi miền CS. Mặc dù các nhóm tiêu chuẩn của 3GPP đã chia R00 thành R4 và R5 dựa trên tiêu chí phát triển hệ thống theo từng pha. ở đây, với quan điểm tổng thể về sự phát triển của cấu trúc mạng, đề cập đến các hệ thống R4 và R5 như một hệ thống R00 (). Để có được khả năng truy nhập độc lập và đảm bảo được sự kết nối thông suốt các thiết bị đầu cuối hữu tuyến thông qua Internet, R00 hướng tới tương thích với các tiêu chuẩn Internet của IETF ở những nơi sử dụng giao thức này, chẳng hạn R00 hỗ trợ giao thức SIP. Để đáp ứng VoIP, kiến trúc R00 cũng hỗ trợ tập tối thiểu các phương thức codec bắt buộc và các tuỳ chọn giao thức bắt buộc đối với các dịch vụ VoIP.  Hình 3. Kiến trúc tham chiếu R00 (R4 và R5) (Nguồn: 3GPP) Mô tả kiến trúc tổng quát của R00. Trong kiến trúc này, đối với miền PS, xuất hiện các phần tử mới so với kiến trúc R99 thuộc về Phân hệ IMS, nó là phần tử lõi của cấu trúc mạng NGN-Mobile hiện nay. Cấu trúc của phân hệ đa phương tiện dựa trên IP (Ip Multimedia Subsystem) như. IMS bao gồm các phần tử sau: P-CSCF (Proxy Call Session Control Function); I-CSCF (Interrogating CSCF); S-CSCF (Serving CSCF); SGW (Signalling Gateway); MGW (Media Gateway); MGCF (Media Gateway Control Function); BGCF (Breakout Gateway Control function); MRFP (Multimedia Resource Function Processor); MRFC (Multimedia Resource Function Controller). IMS với giao thức nền là SIP, với các tính năng khởi tạo phiên thời gian thực, cho phép các nhà khai thác phát triển và quản lý các dịch vụ dữ liệu di động một cách linh hoạt và hiệu quả. Các nhà khai thác luôn mong muốn mạng của họ hỗ trợ các giao diện chuẩn kết nối tới IMS cho phép hỗ trợ các dịch vụ liên mạng và khả năng kết nối tới các nhà cung cấp nội dung/ứng dụng bên thứ ba. Hệ thống tiêu chuẩn và đề xuất phát triển IMS của 3GPP hiện nay đã bắt đầu được công nghiệp viễn thống vô tuyến và hữu tuyến chấp thuận.  Hình 4. Kiến trúc phân lớp chức năng của IMS Đối với các mạng di động, IMS cho phép các nhà khai thác giới thiệu nhiều loại hình dịch vụ hấp dẫn, như Push-to-Talk, một cách hiệu quả và linh hoạt. Đối với các nhà khai thác mạng cố định, IMS sẽ khơi mào cho sự phát triển bùng nổ các ứng dụng VoIP và dựa trên SIP thông qua truy nhập băng rộng. Mong muốn chung của các nhà khai thác viễn thông hiện nay là họ không chỉ thu được lợi nhuận từ việc truyền tải các bít dữ liệu mà còn từ việc cung cấp đa dạng các dịch vụ tiềm năng dựa trên IP và IMS chính là câu trả lời khả thi nhất [1]. 2.3 Kiến trúc tích hợp theo mô hình NGN của R00 (R4/R5) Kiến trúc tích hợp theo mô hình NGN của R00 nhìn ở quan điểm phân lớp chức năng được mô tả trong . Mạng bao gồm 4 lớp chức năng: Lớp truy nhập bao gồm các phương thức truy nhập vô tuyến, hữu tuyến; Lớp truyền tải gói đường trục dựa trên nền IP; Lớp điều khiển với phần tử lõi là IMS; và Lớp dịch vụ bao gồm các Server cung cấp dịch vụ. Lớp dịch vụ kết nối với Lớp điều khiển thông qua các hàm giao diện lập trình ứng dụng (API) cho phép cung cấp, phát triển, mở rộng dịch vụ một cách mềm dẻo và linh hoạt. Kiến trúc này cũng cho thấy xu hướng hội tụ các phương thức truy nhập mạng khác nhau tới một mạng lõi NGN duy nhất.  So với kiến trúc mạng UMTS R99, kiến trúc mạng R00 có những đặc điểm nổi bật: + Mạng lõi UMTS R00 có cấu trúc phân lớp, bao gồm 4 lớp cơ bản: Lớp truy nhập với nhiều phương thức truy nhập khác nhau (vô tuyến và hữu tuyến); Lớp truyền tải IP/ATM; Lớp điều khiển; và Lớp ứng dụng. Đây chính là kiến trúc hướng tới một mạng lõi NGN duy nhất. + Bắt đầu từ R4, miền CS đã tách phần điều khiển MSC Server ra khỏi phần truyền tải MGW (Media GateWay). R5 chính thức đưa ra khái niệm Phân hệ IP đa phương tiện (IMS) cho phép cung cấp và quản lý các dịch vụ truyền thông đa phương tiện dựa trên nền IP tới đầu người sử dụng.  Hình 5. Kiến trúc tích hợp theo R00 (R4/R5). 2.4 Kiến trúc mạng lõi 3GPP tương lai Sau giai đoạn chuyển tiếp với kiến trúc R00 (bao gồm R4 và R5), dịch vụ đa phương tiện dựa trên IP đã trở nên phổ biến, 3GPP hướng tới một hạ tầng tích hợp hoàn toàn dựa trên một hệ thống lõi chuyển mạch gói, như . Các tiêu chí dịch vụ đối với kiến trúc này bao gồm: chuyển các dịch vụ cơ bản thành dịch vụ đa phương tiện dựa trên nền IP và sự phát triển rộng khắp của các dịch vụ IP đa phương tiện bên ngoài mạng UMTS. Đến lúc này, có thể giả thiết rằng, phân hệ IMS phát triển tới mức có thể đóng vai trò thay thế việc cung cấp dịch vụ trước đây vốn được miền CS thực hiện. Chúng ta thấy rằng, miền PS vẫn tiếp tục được giữ lại trong khi miền CS đã bị loại bỏ. Một vấn đề lớn sẽ gặp phải với hệ thống này chính là việc tích hợp dịch vụ và các vấn đề bảo mật vẫn đang trong tiến trình chuẩn hoá của 3GPP/3GPP2 [2].  Hình 6. Kiến trúc mạng UMTS trong tương lai 3. Ưu điểm của mạng NGN-Mobile Xu hướng hội tụ và tích hợp về công nghệ lẫn dịch vụ đang diễn ra rất mạnh mẽ trong mạng viễn thông ngày nay. Giải pháp mạng NGN sẽ cho phép chúng ta thực hiện thành công cuộc cách mạng này. Các lợi ích chính của mạng NGN-Mobile không nằm ngoài khả năng cung cấp mềm dẻo và đa dạng nhiều loại hình dịch vụ, đặc biệt là dịch vụ thông tin đa phương tiện thời gian thực, các dịch vụ dữ liệu phong phú. Sau đây là một số ưu điểm cơ bản của mạng NGN-Mobile [3]: + Một mạng lõi duy nhất: mạng lõi dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, cho phép tối ưu khả năng sử dụng tài nguyên. + Tính hội tụ: cho phép nhiều loại hình đa truy nhập mạng bao gồm cả vô tuyến lẫn hữu tuyến. + Kiến trúc mở: các nhà phát triển dịch vụ/ứng dụng bên thứ ba dễ dàng tham gia vào việc cung cấp dịch vụ bằng cách sử dụng các hàm mở API (Application Programming Interface) do mạng cung cấp. + Dịch vụ đa dạng: cho phép phát triển các loại hình dịch vụ gia tăng đặc biệt là các loại hình dịch vụ truyền thông đa phương tiện IP. Tuy có rất nhiều ưu điểm như trên, nhưng cũng cần giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến cấu trúc mạng NGN-Mobile, bao gồm: + Vấn đề bảo mật, tính tin cậy, và khả năng thực thi: NGN-Mobile là mạng có cấu trúc mở hỗ trợ nhiều loại ứng dụng với nhiều mức chất lượng khác nhau do vậy vấn đề bảo mật, đảm bảo chất lượng dịch vụ sẽ càng khó khăn hơn. + Vấn đề phát triển phần mềm: mạng NGN-Mobile là cơ hội rất lớn cho các nhà phát triển phần mềm ứng dụng, sẽ có rất nhiều phần mềm được sử dụng lại. Việc tích hợp các ứng dụng sử dụng các thành phần phần mềm trung gian do nhiều nhà cung cấp làm phức tạp mạng cung cấp dịch vụ. + Vấn đề tiêu chuẩn kết nối mạng: mạng NGN-Mobile hỗ trợ rất nhiều giao thức kết nối mạng. Do đó việc phối hợp hoạt động suôn sẻ giữa các giao thức đang là một vấn đề cần giải quyết.  4. Kết luận Sự phát triển bùng nổ của mạng Internet, nhu cầu sử dụng các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói di động ngày càng tăng, đặc biệt là các dịch vụ truyền thông đa phương tiện dựa trên nền IP chính là động lực thúc đẩy sự phát triển của công nghệ mạng thông tin di động theo một kiến trúc mới tiến tiến, mềm dẻo và linh hoạt hơn, cấu trúc NGN. Có thể nói rằng trong cấu trúc NGN-Mobile, phân hệ IP đa phương tiện chính là phần tử lõi của hệ thống có vai trò như một hạ tầng chung hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện và hiện nay, đã có rất nhiều nhà khai thác mạng thông tin di động trên thế giới triển khai nâng cấp mạng của họ theo cấu trúc mạng NGN-Mobile.