Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động thế hệ thứ 3 WCDMA

Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Lời nói đầu
Thị trường di động trong những năm gần đây đã có những bước phát
triển vô cùng mạnh mẽ. Dịch vụ chủ đạo là thoại và SMS. Tuy nhiên, các dịch
vụ dữ liệu dựa trên nền IP ngày càng phát triển. Nhu cầu của con người về
dịch vụ mới là không giới hạn, đòi hỏi các dịch vụ đa dạng và chất lượng cao.
Người sử dụng di động mong muốn cùng một thời điểm họ có thể sử dụng
nhiều dịch vụ như vừa gọi điện thoại vừa gửi hình ảnh, chia sẻ file cho nhau...
Các dịch vụ viễn thông trở thành một một thứ "phong cách" trong cuộc sống.
Sự cạnh tranh giữa các nhà khai thác ngày càng khốc liệt. Với các dự đoán về
sự phát triển của thị trường như vây, họ phải có các bước đi phù hợp nhằm
đảm bảo sự sống còn của mình. Một giải pháp được quan tâm là xu hướng hội
tụ. Các nhà khai thác xây dựng mạng có tính hội tụ: một hệ thống các ứng
dụng chung chạy trên một hạ tầng mạng lõi duy nhất có thể phục vụ cho nhiều
phương thức truy nhập khác nhau. Trong lĩnh vực di động, việc chuyển đổi
kiến trúc mạng từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói dựa trên nền
công nghệ IP đang là xu hướng chủ đạo.
Trong luận văn này, em tập trung nghiên cứu về giải pháp chuyển mạch
mềm trong mạng di động – Mobile Switching Solution. Giải pháp này dựa
trên kiến trúc mạng phân lớp, mạng tích hợp ngang. Đó là kiến trúc mạng có
sự phân tách chức năng điều khiển với chức năng vận chuyển dữ liệu. Sự
phân tách lớp điều khiển khỏi lớp truyền tải phù hợp với xu hướng phát triển
của các hệ thống thông tin di động 3G và phù hợp với các tổ chức tiêu chuẩn
3GPP.
Nội dung báo cáo của em gồm:
Chương 1: Tổng quan về sự phát triển các hệ thống thông tin di động
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Chương 2: Giải pháp chuyển mạch mềm trong mạng di động thế hệ thứ 3
WCDMA
Chương 3: Cách thức triển khai giải pháp MSS
Trong quá trình nghiên cứu, em đã cố gắng hoàn thành bản luận văn của

mình một cách hoàn chỉnh. Nhưng do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn
chế nên luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong nhận được sự chỉ
bảo của thầy cô và ý kiến đóng góp của bạn bè để luận văn của em được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của TS. Trần Văn
Cúc và các thầy cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông để em hoàn thành luận
văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CÁC HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Giới thiệu chung các mạng di dộng
Điện thoại di động đã chứng tỏ là một trong những thành tựu nổi bật về
công nghệ và thương mại trong những thập niên gần đây. Kể từ khi có sự ra
đời của điện thoại di động, vị trí của nó trong thị trường đã phát triển một
cách chóng mặt từ một thiết bị sơ khai, một vật chuyên biệt, rồi trở thành một
vật dụng thực sự cần thiết đối với việc giải trí và kinh doanh. Qua hai thập kỷ
gần đây, kết hợp với sự giảm đáng kể chi phí cho hoạt động và sự phát triển
của những ứng dụng và dịch vụ mới lạ, sự tiến triển trong công nghệ di động
đã khẳng định một thị trường lớn mạnh.
Sự tiến triển của công cuộc truyền thông di động có thể phân ra làm hai
thế hệ phát triển. Hiện tại, chúng ta sắp bước vào thế hệ thứ ba (3G) của
những hệ thống di động. Tổng quan mà nói, những hệ thống của thế hệ thứ
nhất (1G) là mũi tên chỉ đường cho các thế hệ sau, và những hệ thống này dựa
trên nền tảng công nghệ tương tự. Đến những năm 1990, những hệ thống của
thế hệ thứ hai (2G) ra đời dựa trên công nghệ kỹ thuật số. Bên cạnh lĩnh vực
viễn thông truyền giọng nói bằng kỹ thuật số, với sự góp mặt của những hệ
thống 2G, một loạt các dịch vụ số mới với tốc độ truyền dữ liệu thấp đã trở
nên phong phú và đa dạng, bao gồm “mobile fax” (chuyển fax di động), gửi

thư giọng nói, và dịch vụ gửi tin nhanh (short message service – SMS).
Những hệ thống của thế hệ thứ hai (2G) đồng nghĩa với sự toàn cầu hoá các
hệ thống di động. Trong việc nhận ra tầm quan trọng của Internet và đồng
thời là một bước tiến tiếp tới ngưỡng cửa của công nghệ thế hệ thứ ba (3G),
giai đoạn phát triển cuối của loại mạng 2G đã cho ra đời những dịch vụ đa
phương tiện di động. Sự phát triển đầy kinh ngạc của Internet mô tả hoàn hảo
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
nhu cầu truy nhập vào các ứng dụng và dịch vụ băng rộng. Những loại dịch
vụ này nằm ngoài khả năng của các hệ thống thuộc thế hệ 2G đương thời, là
những dịch vụ mà chỉ cung cấp các dịch vụ thoại có tốc độ dữ liệu thấp. Sự
hội tụ của những công nghệ dựa trên các giao thức Internet và di động ngày
nay là động lực chính cho sự phát triển của các hệ thống thuộc 3G. Những hệ
thống truyền thông di động 3G sẽ có khả năng phân phối các ứng dụng và
dịch vụ với tốc độ dữ liệu lên tới và có thể vượt quá 2Mb/s. Việc tiêu chuẩn
hoá các hệ thống 3G thực hiên bởi Liên đoàn Viễn thông Quốc tế. Trên
phương diện toàn cầu, người ta sẽ nhìn nhận ra đây là hệ thống Viễn thông Di
động Quốc tế 2000 (IMT- 2000). Ở châu Âu, hệ thống 3G này sẽ được coi là
Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu (UMTS). Cho dù thoại vẫn có thể là
ứng dụng chiếm ưu thế trong mấy năm đầu của mạng hệ 3G, những cũng sẽ
có khả năng mạng vận hành những hệ thống với những ứng dụng đa phương
tiện di động, chẳng hạn như điện thoại truyền hình ảnh, truy nhập file bằng
ftp, tra cứu trang Web… Khi công nghệ 3G mở ra, những ứng dụng mới với
băng thông rộng sẽ thâm nhập thị trường theo một khuynh hướng mà việc
chuyển phát dữ liệu sẽ cho ra thông lượng lớn nhất.
Tuy nhiên, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) vẫn chưa đáp
ứng được tất cả nhu cầu của khách hàng cần sử dụng giao tiếp thông tin tốc
độ cao. Do đó, đòi hỏi phải có sự ra đời của mạng di động thế hệ thứ tư (4G).
Tốc độ dữ liệu di động trên 2Mb/s, và có khả năng lên tới 155Mb/s trong một
số môi trường nhất định, sẽ tiếp tục mở rộng các dịch vụ và ứng dụng trong
khả năng phân phối.

1.2. Hệ thống thông tin di động 2G
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) ra đời là một bước ngoặt
trong lịch sử ngành truyền thông thế giới. Từ sử dụng toàn bộ các thiết bị với
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
tín hiệu tương tự sang sử dụng toàn bộ các thiết bị với tín hiệu số đã giúp chất
lượng mạng được cải thiện đáng kể.
Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là phải đảm bảo dịch vụ số
liệu tốt hơn. Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu: chuyển mạch kênh (CS:
Circuit Switched) và chuyển mạch gói (PS: Packet Switched).
Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch kênh đảm bảo:
- Dịch vụ bản tin ngắn – SMS
- Số liệu dị bộ cho tốc độ 14,4Kbps
- Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4Kbps
Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch gói đảm bảo:
- Chứa cả chế độ dịch vụ kênh
- Dịch vụ Email, Internet, …
- Sử dụng các chức năng IWF/PSDN
Hình 1.1: Cấu trúc mạng GSM
Để thực hiện kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụng giao
thức ứng dụng vô tuyến – WAP.
SSS
AUC
AUC
EIR
EIR
MSC
MSC
HLR
HLR
BSS

BSC
BSC
BTS
BTS
VLR
VLR
ISDN
ISDN
OMC
OMC

PSPDN

PSPDN
PLMN
PLMN
PSTN
PSTN
CSPDN
CSPDN
MS
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
OSS : Hệ thống khai thác và hỗ trợ
AUC : Trung tâm nhận thực
HLR : Bộ ghi định vị thường trú
MSC : Tổng đài di động
BSS : Hệ thống trạm gốc
BSC : Đài điều khiển trạm gốc
OMC : Trung tâm khai thác và bảo dưỡng
PSPDN : Mạng chuyển mạch gói công cộng

PSDN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
SS : Hệ thống chuyển mạch
VLR : Bộ ghi định vị tạm trú
EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị
BTS : Trạm vô tuyến gốc
MS : Máy di động
ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ
PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng
Hệ thống GSM được thiết kế để làm việc ở băng tần 900 MHz (896-
960 MHz) và qui định tám khe thời gian cho mỗi kênh rộng 200 KHz.
Cấu trúc của mạng gồm ba phần chính:
• Phân hệ vô tuyến (RSS - Radio SubSystem) bao gồm phân hệ trạm gốc
(BSS) và thuê bao MS.
• Phân hệ chuyển mạch (SSS - Switching SubSystem) dùng cho các
chức năng chuyển mạch cần thiết cho các hoạt động độc lập của mạng
hoặc cho các hoạt động kết hợp của mạng với các mạng cố định
(PSTN/ISDN) hoặc các mạng vô tuyến khác.
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
• Phân hệ vận hành và bảo dưỡng (OMS - Operation and Maintenance
Subsystem) cung cấp các chức năng cần thiết cho toàn bộ hoạt động
của mạng và cho việc thu nhận thông tin về hoạt động của hệ thống.
 Phân hệ vô tuyến (RSS - Radio SubSystem)
 Trạm di động (MS - Mobile Station)
MS là một đầu cuối di động, gồm 2 thiết bị: thiết bị di động ME
(Mobile Equipment) và module nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity
Module). SIM là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card hoặc
còn gọi là card thông minh. Không có SIM, MS không thể thâm nhập đến
mạng trừ trường hợp gọi khẩn. Khi liên kết đăng ký thuê bao với card SIM
chứ không phải với MS.
MS có 3 chức năng chính:

- Thiết bị đầu cuối: Để thực hiện các dịch vụ người sử dụng (thoại, fax,
màn hiển thị,…)
- Kết cuối di động: Để thực hiện truyền dẫn ở giao diện vô tuyến vào
mạng
- Thích ứng đầu cuối
 Hệ thống trạm gốc (BSS - Base Station System)
BSS là một hệ thống đặc thù riêng cho tính chất tổ ong vô tuyến của
GSM. BSS giao tiếp trực tiếp với các trạm di động MS thông qua giao diện vô
tuyến, vì thế nó bao gồm các thiết bị thu/phát đường vô tuyến và quản lý các
chức năng này. Mặt khác BSS thực hiện giao tiếp với các tổng đài ở phân hệ
chuyển mạch SS. Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ
vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng
viễn thông khác. BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với
phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS.
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
BSS bao gồm hai loại thiết bị là: BTS giao diện với MS và BSC giao
diện với MSC.
 Trạm thu phát gốc (BTS - Base Tranceiver Station)
Một BTS bao gồm các thiết bị thu/phát, anten và bộ xử lý tín hiệu đặc
thù cho giao diện vô tuyến. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và
thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến. Có thể
coi BTS là các Modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác.
Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế
bào (cell).
Một bộ phận quan trọng của BTS là khối chuyển đổi mã và thích ứng
tốc độ (TRAU - Transcode/Rate Adapter Unit). TRAU là thiết bị mà ở đó quá
trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây
cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. Khối thích
ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô
tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại tiêu chuẩn (64

Kb/s) trước khi chuyển đến tổng đài. TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng
cũng có thể được đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC và MSC.
TRAU thường được điều khiển bởi BTS.
 Bộ điều khiển trạm gốc (BSC - Base Station Controller)
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh
điều khiển từ xa. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô
tuyến và chuyển giao. Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với
MSC của phân hệ SS. Trong thực tế, BSC được coi như là một tổng đài nhỏ,
có khả năng tính toán đáng kể. Vai trò chính của nó là quản lý các kênh ở giao
diện vô tuyến và chuyển giao. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A,
còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện Abis.
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Các chức năng chính của BSC:
1. Quản lý mạng vô tuyến: việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các
cell và các kênh logic của chúng. Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để
đo đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vô
tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại...
2. Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: trước khi đưa vào khai thác, BSC
lập cấu hình của BTS (số máy thu/phát TRX, tần số cho mỗi trạm...). Nhờ đó
mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông
cuộc gọi.
3. Điều khiển nối thông các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và
giải phóng các đấu nối tới máy di động MS. Trong quá trình gọi, sự đấu nối
được BSC giám sát. Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở máy
di động và TRX gửi đến BSC. Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất
phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối.
BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo kể trên để
quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được chất lượng cuộc
gọi tốt hơn. Trong trường hợp chuyển giao sang cell của một BSC khác thì nó
phải nhờ sự trợ giúp của MSC. Bên cạnh đó, BSC cũng có thể điều khiển

chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell
khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều.
4. Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các
đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin. Trong
trường hợp có sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến
dự phòng.
 Phân hệ chuyển mạch (SS - Switching Subsystem)
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Phân hệ chuyển mạch (SS) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính
của mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và
quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin
giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.
SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tải
của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hay báo hiệu
giữa các phần tử của mạng GSM. Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo
hiệu kênh chung số 7, mạng này đảm bảo hoạt động tương tác giữa các phần
tử của SS trong một hay nhiều mạng GSM.
Phân hệ chuyển mạch bao gồm:
 Trung tâm chuyển mạch di động (MSC - Mobile Switching Center)
MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ
điều khiển trạm gốc BSC. Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị
và ngoại ô có dân cư vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình).
MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC
là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao của GSM, một mặt MSC
giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao tiếp với mạng ngoài qua G-MSC.
 Bộ ghi định vị thường trú (HLR - Home Location Register)
HLR lưu giữ các số liệu cố định của thuê bao di động trong mạng như
SIM, các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, không
phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện
thời của thuê bao. Thường HLR là một máy tính đứng riêng, không có khả

năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một
chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực thuê bao AUC.
 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register)
Là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng
phục vụ của MSC. Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
MSC. Ngay cả khi MS lưu động vào một vùng MSC mới. VLR liên kết với
MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR. Đồng thời HLR sẽ được thông báo
rằng MS đang ở vùng MSC nào. Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc
gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà
không cần hỏi HLR có thể coi VLR như một HLR phân bố. VLR chứa thông
tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC. Nhưng khi thuê bao tắt máy hay
rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giá
trị. Vì vậy, có thể gọi HLR là hệ thống lưu giữ “ Hộ khẩu tạm trú ” của các
thuê bao vãng lai.
 Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR - Equipment Identity Register):
EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận
dạng di động quốc tế ( IMEI - International Mobile Equipment Identity ) và
chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị. ME thuộc một trong ba danh sách
sau:
- Nếu ME thuộc danh sách trắng ( White List ) thì nó được quyền truy nhập
và sử dụng các dịch vụ đã đăng ký.
- Nếu ME thuộc danh sách xám ( Gray List ), tức là có nghi vấn và cần kiểm
tra.
- Nếu ME thuộc danh sách đen ( Black List ), tức là bị cấm không cho truy
nhập vào mạng.
 Trung tâm nhận thực (AUC – AUthentication Center)
Được nối đến HLR, chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần
số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật. Đường vô tuyến
cũng được AUC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay

đổi riêng biệt cho từng thuê bao. Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông
tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một
cách trái phép.
 Tổng đài di động cổng G-MSC:
Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM/PLMN sẽ được định tuyến cho
tổng đài vô tuyến cổng Gateway-MSC. Nếu một người nào đó ở mạng cố
định PSTN muốn thực hiện một cuộc gọi đến một thuê bao di động của mạng
GSM/PLMN. Tổng đài tại PSTN sẽ kết nối cuộc gọi này đến MSC có trang bị
một chức năng được gọi là chức năng cổng. Tổng đài MSC này gọi là MSC
cổng và nó có thể là một MSC bất kỳ ở mạng GSM. G-MSC sẽ phải tìm ra vị
trí của MS cần tìm. Điều này được thực hiện bằng cách hỏi HLR nơi MS đăng
ký. HLR sẽ trả lời, khi đó MSC này có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC
cần thiết. Khi cuộc gọi đến MSC này, VLR sẽ biết chi tiết hơn về vị trí của
MS. Như vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM có sự khác biệt
giữa thiết bị vật lý và đăng ký thuê bao.
 Khối IWF:
Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm
truyền dẫn của mạng GSM với các mạng này. Các thích ứng này gọi là chức
năng tương tác IWF. IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và
truyền dẫn. IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở
thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở.
 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS)
OSS (Operation and Support System) thực hiện 3 chức năng chính:
- Khai thác và bảo dưỡng mạng
- Quản lý thuê bao và tính cước
- Quản lý thiết bị di động
 Khai thác và bảo dưỡng mạng: