Bài giảng Báo hiệu và điều khiển kết nối- Phần 1 - ThS. Hoàng Trọng Minh

HỌC 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. Dƣơng Thanh Tú
4. Phạm Anh Thƣ


Hà Nội - 4/2013
PTIT
i



LỜI 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 hƣớng
hội tụ các công nghệ mạng, hàng loạt các giải pháp điều khiển kết nối mới đƣợc đƣa
ra nhằm thích ứng với các điều kiện mạng và nâng cao chất lƣợng dịch vụ cho
ngƣời sử dụng.
Một trong các vấn đề quan trọng nhất liên quan tới các kết nối trong mạng đƣợc
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 đƣợc sử dụng trong hệ thống mạng viễn thông hiện nay.
Hơn nữa, tài liệu sẽ giúp ngƣời đọc có đƣợc góc nhìn hệ thống về kiến trúc điều
khiển mạng nhằm phân tích đƣợc các điểm mạnh, điểm yếu của từng giải pháp cụ
thể để phát triển trong môi trƣờng thực tiễn.
Bố cục của bài giảng đƣợc phân bổ theo 5 chƣơng 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 đƣợc trình
bày đầu tiên và khép lại bởi các giải pháp thực thi trong các chƣơng tiếp theo. Trong
quá trình viết tài liệu, nhóm biên soạn đã nhận đƣợc 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
ii

MỤC 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 CHƢƠNG 28
CHƯƠNG 2: BÁO HIỆU TRONG MẠNG CỐ ĐỊNH 30
2.1 KIẾN TRÚC MẠNG HỘI TỤ THEO HƢỚNG 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

iii



2.2.1 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 PHƢƠNG 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 CHƢƠNG 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
iv



3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 111
CHƯƠNG 4: BÁO HIỆU TRONG PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN IP
IMS 113
4.1 KIẾN TRÚC PHÂN HỆ ĐA PHƢƠNG 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 CHƢƠNG 133
CHƯƠNG 5: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LIÊN MẠNG 135
5.1 XU HƢỚNG 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 CHƢƠNG 153
TÀI LIỆU THAM KHẢO 155



PTIT
v



THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AAA
Authentication Authorization
Accounting
Nhận thực trao quyền và thanh toán
ACK
Acknowledgement
Báo nhận
AMPS
Advanced Mobile Phone
Service
Hệ thống các dịch vụ điện thoại di
động tiên tiến
API
Application Programable
Interface
Giao diện lập trình ứng dụng mở
AS/FS
Application Server/ Feature
Server

Máy chủ ứng dụng/đặc tính
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
CoS
Class Of Service
Phân lớp dịch vụ
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
Standards Institute
Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu
FIFO
First In – First Out
Vào trƣớc ra trƣớc
FSM
Finite State Machine
Máy hữu hạn trạng thái
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
vi

IAM
Initial Adress Message
Bản tin địa chỉ khởi tạo
IETF
Internet Engineering Task
Force
Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật internet
IMS
IP Multimedia Subsystem
Phân hệ đa phƣơng tiện
IN
Inteligent Network
Mạng thông minh
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet
ISDN
Integrated Service Digital
Network
Mạng dịch vụ tích hợp số
ISUP
ISDN User Part
Phần ngƣời sử dụng cho mạng ISDN
ITU
International
Telecommunication Union
Liên minh Viễn thông Quốc tế

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 phƣơng tiện
MAN
Metropolitan Area Network
Mạng đô thị
MG
Media Gateway
Cổng đa phƣơng tiện
MGC
Media Gateway Controller
Bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện
MIME
Multipurpose Internet Mail
Extentions
Mở rộng thƣ điện tử internet đa mục
đích
MPLS
Multi Protocol Label Switch
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
MTUP

Mobile Telephone User Part
Phần ngƣời sử dụng cho mạng điện
thoại di động.
NGN
Next Generation Network
Mạng thế hệ kế tiếp
NUM
Network Utility Maximization
Bài toán tối ƣu 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 ngƣời điều hành
QoS
Quality of Service
Chất lƣợng dịch vụ
RAB
Radio Access Bearer
Kênh mang truy nhập vô tuyến
RACS
The Resource and Admission
Control Sub-System1

Phân hệ điều khiển chấp nhận và tài
nguyên
PTIT
vii



RAS
Register, Administrator and
Signalling
Đăng ký, quản lý và báo hiệu
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
Protocol
Giao thức dự phòng tài nguyên
SCF
Service Control Function
Chức năng điều khiển dịch vụ
SIO
Service Information Octet
Trƣờng thông tin dịch vụ
SIP

Session Initiation Protocol
Giao thức khởi tạo phiên
SLA
Service Level Agreement
Thỏa thuận cung cấp dịch vụ
SP
Signalling Point
Điểm báo hiệu
SPC
Stored Program Control
Điều khiển theo chƣơng trình ghi sẵn
SPDF
Service-Based Policy Decision
Function
Chức năng quyết định chính sách dịch
vụ
TCP
Transmission Control Protocol
Giao thức điều khiển truyền dẫn
TDM
Time Division Mode
Phƣơng thức chia thời gian
TUP
Telephone User Part
Phần ngƣời sử dụng cho mạng thoại
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
WAN
Wide Area Network
Mạng diện rộng
WFQ
Weight Fair Queuing
Hàng đợi trọng số công bằng









PTIT
viii



DANH 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 lƣợng 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 phƣơng 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: Trƣờng thông tin lớp 3 của bản tin báo hiệu 46
Hình 2.10: Lƣu 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: Lƣu đồ các bản tin xử lý cuộc gọi qua giao thức MEGACO/H248 73
Hình 2.21: Kiến trúc giao thức BICC 76
PTIT
ix



Hình 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 trƣờng 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: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (1/5) 104
Hình 3.18: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (2/5) 104
Hình 3.19: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (3/5) 105
Hình 3.20: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (4/5) 105
Hình 3.21: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (5/5) 106
Hình 3.22: Giao diện Gn cho đƣờng 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