BÁO HIỆU và điều KHIỂN kết nối

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

IT

BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI

PT

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


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

IT

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

PT

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

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

IT

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

PT

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


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

IT

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

PT

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


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

IT

4.3.1 Giao thức Diameter ................................................................................128
4.3.2 Giao thức COPS .....................................................................................130
4.3.3 Nén báo hiệu trong IMS .........................................................................131

PT

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


v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
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

PT

IT

AAA

Authentication Authorization
Accounting

Carrier Sense Multiple Access
CSMA/CA with Collision Avoidance

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang/
tránh xung đột

Carrier Sense Multiple Access
CSMA/CD With Collision Detection

Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng
mang/ dò tìm xung đột

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

DECT


vi

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

PT

IT

IAM

Media Gateway Controller

Bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện

Multipurpose Internet Mail
Extentions

Mở rộng thƣ điện tử internet đa mục
đích

Multi Protocol Label Switch

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

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

MGC
MIME
MPLS
MTUP


vii

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 Chức năng quyết định chính sách dịch
Function
vụ

TCP

Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

TDM

Time Division Mode

UTRAN
VoIP
WAN
WFQ

PT

TUP

IT

RAS

Register, Administrator and
Signalling

Phƣơng thức chia thời gian

Telephone User Part

Phần ngƣời sử dụng cho mạng thoại

UMTS Terestrial Radio
Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS

Voice over Internet Protocol

Truyền thoại theo giao thức internet

Wide Area Network

Mạng diện rộng

Weight Fair Queuing

Hàng đợi trọng số công bằng


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

IT

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

PT

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


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

IT

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

PT

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


x
Hình 4.1: Vị trí và mối quan hệ của IMS ................................................................113
Hình 4.2: Truy nhập với IMS ..................................................................................114
Hình 4.3: Kiến trúc phân lớp của phân hệ IMS ......................................................115
Hình 4.4: Luồng bản tin báo hiệu đăng ký ..............................................................125
Hình 4.5: Luồng bản tin báo hiệu thiết lập phiên....................................................126
Hình 4.6: Luồng bản tin ngƣời dùng A lấy thông tin hiện diện ngƣời dùng B .......127
Hình 4.7: Kiến trúc SigComp..................................................................................132

Hình 5.1: Cấu trúc hội tụ FMC trên nền IMS .........................................................137
Hình 5.2: Mô hình tham chiếu cấu trúc FMC dựa trên IMS ...................................138
Hình 5.3: Điểm hội tụ và chức năng FMC ..............................................................140
Hình 5.4: Kiến trúc giao thức SIGTRAN ..............................................................143

IT

Hình 5.5 : Bộ giao thức SIGTRAN .........................................................................144
Hình 5.6: Vị trí chức năng và hoạt động của M2UA ..............................................146
Hình 5.7: Vị trí chức năng và hoạt động của M2PA...............................................147

PT

Hình 5.8: Vị trí chức năng và hoạt động của M3UA ..............................................149
Hình 5.9: Vị trí chức năng và hoạt động của SUA .................................................150
Hình 5.10: Kiến trúc kết nối liên mạng IMS-CS ....................................................151
Hình 5.11: Bản tin thiết lập cuộc gọi giữa ngƣời dùng IMS gọi ngƣời dùng CS ...152

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Các giao diện và giao thức cơ bản của hệ thống GSM.............................87


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
KẾT NỐI
Tóm tắt: Nội dung của chương khái quát các vấn đề chung liên quan tới báo hiệu
và điều khiển kết nối bao gồm các khái niệm, mô hình, nguyên lý chung và phân
loại các kiểu báo hiệu trong mạng truyền thông hiện nay. Bên cạnh các kiến thức cơ

sở về điều khiển và báo hiệu, trong chương sẽ đưa ra các chức năng của hoạt động
báo hiệu và điều khiển kết nối trên khía cạnh mô hình tham chiếu.

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Hệ thống viễn thông ngày nay đã trở thành một phần quan trọng không thể thiếu
của hạ tầng truyền thông trong xã hội. Sự phát triển đa dạng các dịch vụ đã tạo ra

IT

hàng loạt các sức ép mới không chỉ đối với nhà cung cấp dịch vụ mà còn tác động
trực tiếp tới các nhà khai thác và triển khai hạ tầng. Bên cạnh khả năng đáp ứng các
yêu cầu cung cấp dịch vụ bằng các giải pháp kỹ thuật và công nghệ kết nối mới,

PT

mục tiêu tối ƣu mạng bằng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại cũng đƣợc đặt ra
nhƣ là vấn đề then chốt của các nỗ lực cải thiện hiệu năng mạng. Vì vậy, các vấn đề
cốt lõi của điều khiển và báo hiệu cần đƣợc tƣờng minh nhằm lột tả bản chất của
các giải pháp kỹ thuật và công nghệ hiện đang ứng dụng trong hệ thống viễn thông.
Báo hiệu đƣợc định nghĩa là một cơ chế cho các phần tử mạng trao đổi thông tin
giữa chúng để thiết lập đƣờng dẫn truyền thông. Hệ thống báo hiệu là một tập các
phƣơng pháp hoặc thủ tục cho các thực thể mạng trao đổi thông tin để thiết lập
truyền thông. Báo hiệu đƣợc coi là một phần của cơ chế điều khiển mạng trên khía
cạnh phục vụ quá trình kết nối truyền thông. Bên cạnh mục tiêu kết nối, các yêu cầu
đảm bảo chất lƣợng dịch vụ và hiệu năng mạng đƣợc thực thi bởi các cơ chế điều
khiển kết nối. Vì vậy, báo hiệu và điều khiển kết nối là chức năng then chốt của tất
cả các môi trƣờng mạng.
Chức năng báo hiệu trong mạng truyền thông có mối quan hệ tới cơ chế định
tuyến trực tiếp hoặc gián tiếp do định tuyến cho biết nơi nhận các bản tin báo hiệu.

2
Chức năng báo hiệu đƣợc thực hiện trên nhiều lớp của kiến trúc mạng. Thông
thƣờng các giao thức báo hiệu thuộc lớp phiên của mô hình OSI (Open System
Interconnection) phục vụ cho các nhiệm vụ điều khiển và kết nối truyền thông.
Ngoài ra, báo hiệu còn đƣợc sử dụng để yêu cầu nhận thực ngƣời dùng hay thu thập
thông tin tài nguyên khả dụng để phục vụ cho các kết nối hoặc điều khiển lớp ứng
dụng.

1.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
1.2.1 Các vấn đề chung của điều khiển
Dƣới góc độ lý thuyết điều khiển chung, mạng viễn thông là một hệ thống kỹ
thuật đƣợc thiết kế nhằm đạt đƣợc một số mục tiêu nhất định. Hai mục tiêu quan

IT

trọng nhất là thích ứng và bền vững (ổn định). Thích ứng cho phép một hệ thống
tiếp tục đạt đƣợc một số mục tiêu hiệu năng dƣới điều kiện thay đổi môi trƣờng điều
hành nhƣ tải hay lỗi thành phần mạng. Bền vững ngăn ngừa hệ thống trƣợt hoặc

PT

chuyển tới trạng thái không điều khiển đƣợc do ảnh hƣởng của các đầu vào. Lý
thuyết điều khiển cung cấp các bộ công cụ mạnh để xây dựng các hệ thống tƣơng
thích và bền vững. Ví dụ, bằng công cụ mô hình hóa toán học các hành vi của một
hệ thống cho thấy sự trái ngƣợc giữa tƣơng thích và bền vững, hệ thống có độ tƣơng
thích lớn càng dễ bất ổn định. Nhằm tiếp cận hệ thống viễn thông dƣới góc độ lý
thuyết điều khiển, mục này khái quát các khái niệm và thành phần chung của lý
thuyết điều khiển.

Hình 1.1: Mô hình chung của một hệ thống điều khiển


3
Một hệ thống điều khiển có hồi tiếp đƣợc minh họa trên hình 1.1. Giả thiết
chung cho các thành phần của hệ thống là liên tục, tuyến tính và bất biến thời gian.
Đƣa một tín hiệu đầu vào u, hệ thống đáp ứng đầu ra y đƣợc bổ sung tín hiệu nhiễu
loạn không điều khiển đƣợc w. Mục tiêu điều khiển là duy trì đầu ra tại một số giá
trị tham chiếu r ngay cả khi có nhiễu bằng một bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh
giá trị tín hiệu tham khảo với tín hiệu đầu ra đo đƣợc b (có thể xuất hiện lỗi đo
lƣờng). Bộ điều khiển chọn một tín hiệu điều khiển u nhằm đảm bảo đầu ra tƣơng
lai phù hợp với đầu vào tham chiếu bất kể lỗi đo hoặc các dao động.
Nhƣ vậy, toàn bộ hệ thống và thành phần bộ điều khiển đều đặc trƣng bởi một
đầu vào và một đầu ra với đầu ra phụ thuộc vào đầu vào. Hệ thống điều khiển đƣợc
chia thành hai loại: hệ thống không điều khiển mở và hệ thống điều khiển đóng. Hệ

IT

thống phức tạp bao gồm nhiều bƣớc điều khiển đệ quy và cần đƣợc mô hình hóa
nhằm tƣờng minh các bƣớc và xác định đƣợc hiệu quả điều khiển.
a, Vấn đề mô hình hóa

PT

Mô hình hóa một hệ thống đƣợc bắt đầu từ việc phân tích và xác định đặc tính
hoạt động của hệ thống và các thành phần thiết bị. Trong đó gồm quá trình xác định
bản chất vật lý của các thành phần, các giới hạn hoạt động và kiểu hoạt động của hệ
thống (tuyến tính hay phi tuyến). Các thành phần của hệ thống đƣợc mô tả trong
khái niệm nỗ lực (effort) và luồng (flow). Nỗ lực thể hiện một đầu vào hệ thống gây
ra một hiệu ứng phản ánh bằng khái niệm luồng. Tích của chúng là công suất và

tổng công suất trong một khoảng thời gian gọi là năng lƣợng (enery). Trong hệ
thống viễn thông và máy tính, lƣợng dữ liệu tại một nguồn cần gửi đi là nỗ lực và
tốc độ dữ liệu cần gửi đi tƣơng ứng là luồng. Các thành phần hệ thống có thể là
thành phần chủ động hay bị động. Các phần tử chủ động tạo ra công suất để các
luồng chuyển qua hệ thống trong khi các phần tự bị động chỉ tiêu tốn năng lƣợng
nhƣng không tạo ra công suất. Nhiệm vụ phân bổ công suất trong thời gian hoạt
động của hệ thống đƣợc gọi là điều hành động. Cụ thể, nguồn dữ liệu là thành phần
chủ động và bộ đệm là thành phần bị động của một mạng.


4
Sau quá trình xác định đặc tính của các thành phần trong hệ thống là tổ chức xây
dựng các luật ràng buộc. Luật ràng buộc chỉ ra các phƣơng pháp giải cho mục tiêu
điều khiển và tối ƣu hệ thống.
Hệ thống điều khiển đạt đƣợc mục tiêu khi trạng thái điều hành đạt cân bằng lý
tƣởng (Zero). Trong trƣờng hợp xác định đƣợc lỗi điều hành, cấp độ điều khiển phụ
thuộc rất lớn vào tính tƣơng thích của luật điều khiển đƣợc áp dụng. Các biểu thức
toán học thể hiện điều hành của hệ thống là vấn đề cuối cùng của bài toán mô hình
hóa hệ thống.
b, Biểu diễn toán học
Có ba cách thông dụng để biểu diễn một hệ thống bằng toán học gồm: Biến trạng

IT

thái, đáp ứng xung và hàm truyền đạt. Giả thiết hệ thống tuân theo mô hình bất biến
thời gian và tuyến tính LTI (Linear and Time-Invariant). Nếu hệ thống có một đầu
ra y(t) tại thời điểm t của một đầu vào u(t), thì ta có đầu ra y(t-T) với đầu vào u(t-T).
Vì vậy, nếu y(t)=G(u(t)), thì y(t-T)=G(u(t-T)). Hệ thống tuyến tính là hệ thống có

PT

tính chất xếp chồng nên nếu đầu vào u1 dẫn tới đầu ra y1, đầu vào u2 dẫn tới đầu ra
y2 thì đầu vào (k1u1+k2u2) dẫn tới đầu ra (k1y1+k2y2). Vì vậy, nếu y1=G(u1) và
y2=G(u2) ta có k1y1+k2y2 = G(k1u1+k2u2). Đối với hệ thống LTI, ta luôn chọn t khởi
tạo bằng 0 và đầu vào tín hiệu bằng Zero khi t<0.

1.2.2 Cách tiếp cận điều khiển hệ thống viễn thông
Dƣới góc độ tiếp cận hệ thống, hầu hết mô hình toán học đầy đủ cho hệ thống
viễn thông đƣợc biểu diễn dƣới một cấu trúc logic điều khiển phân tán phức hợp để
xử lý các sự kiện và lƣu lƣợng ngẫu nhiên. Chức năng điều khiển và phƣơng thức
hoạt động của các phần tử mạng đƣa ra dƣới dạng kết hợp nhằm giải quyết mục tiêu
tối ƣu nguồn tài nguyên mạng. Vì vậy, mục tiêu chính của bài toán điều khiển hệ
thống viễn thông là đƣa ra các quyết định tốt nhất trƣớc sự thay đổi của lƣu lƣợng
mạng hay yêu cầu của ngƣời dùng với điều kiện đảm bảo đƣợc tính bền vững của hệ
điều khiển.


5
Hệ thống viễn thông hiện nay sử dụng hai phƣơng pháp chuyển mạch: chuyển
mạch kênh cho các ứng dụng điện thoại truyền thống và chuyển mạch gói cho các
ứng dụng phi thoại. Xu thế hiện nay cho thấy kỹ thuật chuyển mạch gói hiện đang
tiếp tục chiếm ƣu thế do hiệu quả sử dụng tài nguyên so với các hệ thống sử dụng
kỹ thuật chuyển mạch kênh. Các hệ thống viễn thông này hoạt động trên cơ sở của
giao thức Internet (IP). Một hệ thống viễn thông có thể biểu diễn nhƣ một hệ thống
phức hợp, phân tán qua các miền lớn để cung cấp hạ tầng cho chuyển phát và phân
phối thông tin từ nguồn tới đích. Các cơ chế điều hành tự động đƣợc thực hiện bởi
các chƣơng trình và thuật toán ghi sẵn. Hoạt động điều hành phụ thuộc chủ yếu vào
một số thiết bị nhằm hiệu chỉnh mô hình điều hành và cấu trúc liên kết nối cũng nhƣ
các giải pháp quyết định của ngƣời điều hành tác động vào phƣơng thức hoạt động

IT

của mạng. Tất cả các thành phần đó có thể coi nhƣ một phức hệ điều khiển của
mạng truyền thông. Hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng đƣợc xác định qua số lƣợng
gói tin chuyển phát thành công tới đích bằng các tuyến đƣờng đi tối ƣu dƣới các yêu

PT

cầu cung cấp chất lƣợng dịch vụ tới ứng dụng.

Khái niệm về điều khiển rất rộng và thƣờng đƣợc hiểu bởi hai thuật ngữ là điều
khiển và quản lý. Tổ chức quản lý cho mạng viễn thông thƣờng chỉ ra cấp cao nhất
là quyết định của ngƣời điều hành PMD (People Making Decision). Một hệ thống
viễn thông thông dụng thƣờng cho thấy có nhiều phƣơng pháp điều khiển trong
mạng viễn thông và quyết định cuối thuộc về PMD. Vì vậy, có thể tồn tại nhiều mô
hình điều khiển trong mạng viễn thông, việc phát triển một mô hình điều khiển nào
đó phải dựa trên cấu trúc biểu diễn của mô hình điều khiển bằng các mô hình. Đặc
tính chủ chốt của các hệ thống phức nhƣ các mạng viễn thông là không thể biểu
diễn bằng một mô hình toán học đơn nhất. Các hệ thống này đƣợc biểu diễn bởi các
mô hình khác nhau. Mỗi mô hình tƣơng xứng với lý thuyết hệ thống chỉ phản ánh
đƣợc một số đặc tính của hệ thống ví dụ nhƣ: Đặc tính tổng quát của hệ thống (tính
toàn vẹn, ổn định, giám sát, điều khiển, mở, động, độ tin cậy …); Đặc tính cấu trúc
(cấu thành, kết nối, phức tạp, phân cấp, mềm dẻo…); Đặc tính chức năng (chịu
đựng, hiệu năng, hiệu suất, chính xác, kinh tế).


6
Sở dĩ tồn tại số lƣợng lớn các mô hình nhƣ vậy là do sự phức tạp và đồ sộ của
biểu diễn tổng quát cũng nhƣ là thiếu khả năng hình thức hóa nhiều tiến trình xử lý
trong các hệ thống phức. Nó tạo ra các khó khăn trên cả khía cạnh phân tích và tổng

hợp các mô hình toán học cũng nhƣ tìm kiếm giải pháp lựa chọn tiêu chuẩn điều
khiển thích hợp. Vì vậy, các phƣơng pháp điều khiển tình huống đƣợc ứng dụng cho
hệ thống phức và quyết định cuối cùng thuộc về ngƣời điều hành PMD. PMD chịu
trách nhiệm quyết định toàn bộ hoặc hoặc một phần điều khiển hệ thống. Để thực
hiện điều đó ngƣời điều hành sử dụng kinh nghiệm, trực giác trên cơ sở các thủ tục
tự động để điều hành và xử lý trực tiếp hoặc thông qua hệ thống trợ giúp điều hành.
Cốt lõi của các phƣơng pháp điều khiển tình huống là mô hình ký hiệu. Mô hình
ký hiệu là mô hình biểu diễn các phần tử của một ngôn ngữ sử dụng PMD. Thông

IT

thƣờng, nó là một tập hợp của các ký hiệu nghe-nhìn, dấu hiệu và hình vẽ chỉ ra các
tình huống hiện thời, hoặc tiếp theo của hệ thống. Tính chất riêng biệt của điều
khiển tình huống tạo ra sự khác biệt giữa các phƣơng pháp. Các phân tích dƣới đây

PT

chỉ ra các đặc điểm cơ bản của điều khiển tình huống trong hệ thống viễn thông.
1. Điều khiển tình huống luôn yêu cầu một lƣợng nhất định các dữ liệu ban đầu
dựa trên thông tin về một đối tƣợng điều khiển, các luật hoạt động và tiếp cận
cho điều khiển. Các nỗ lực này chỉ có ý nghĩa khi không sử dụng đƣợc các
phƣơng pháp khác để đặc tính hóa đối tƣợng cũng nhƣ thủ tục điều khiển. Ví dụ,
điều khiển tình huống một đối tƣợng là không cần thiết khi ta có thể biểu diễn
đối tƣợng bằng một hệ phƣơng trình vi phân. Nhƣng sẽ rất có ý nghĩa khi ở đây
có hàng nghìn hệ phƣơng trình biểu diễn một hệ thống.
2. Sự lựa chọn ngôn ngữ mô tả tình huống hiện thời của đối tƣợng là rất quan
trọng. Một ngôn ngữ phải phản ánh đƣợc các tham số chính và các mối quan hệ
để phân loại các đặc tính và tạo ra các bƣớc điều khiển đơn lẻ.
3. Ngôn ngữ định nghĩa tình huống không chỉ phản ánh tất cả thực tế số học và các
mối quan hệ sử dụng đặc tính hóa đối tƣợng điều khiển mà còn lƣợng hóa các

hiểu biết không thể hình thức bằng toán học.


7
4. Phân loại các tình huống và tổ hợp vào trong các lớp dƣới các quyết định điều
khiển đơn bƣớc thƣờng mang tính trừu tƣợng và chủ quan. Điều này cho thấy
thông tin về tình huống và quyết định điều khiển đƣợc đƣa ra bởi hệ chuyên gia.
Tuy nhiên, sự hiểu biết của chuyên gia trong giai đoạn đầu có thể không đáp ứng
đƣợc các tình huống hiện thời đối với một hệ thống lớn.
5. Hƣớng dẫn và luật điều khiển đóng vai trò quan trọng trong các quyết định điều
khiển. Các luật này có tên là luật ánh xạ logic LTR (Logic Transfromational
Rule) đƣợc khởi tạo bởi các chuyên gia và định nghĩa lại trong các xử lý điều
hành hệ thống.
6. Các hệ thống điều khiển tình huống không nhằm mục tiêu điều khiển tối ƣu mà
chỉ hƣớng tới hiệu quả không xấu hơn đối với cơ chế điều hành nhân công. Điều

IT

này có đƣợc là do có thể đƣa ra các quyết định khách quan trong cả trƣờng hợp
bình thƣờng hay tới hạn nên còn đƣợc gọi là phƣơng pháp kinh nghiệm.
7. Hơn nữa, các quyết định từng bƣớc không xác định chiến lƣợc điều khiển cho

PT

các đối tƣợng điều khiển thời gian thực. Các đối tƣợng này cần có các quyết
định đệ quy để có đƣợc quyết định cuối cùng.
Các vấn đề trên cho thấy các hệ thống viễn thông sử dụng tiếp cận điều khiển
tình huống và cần có các tiêu chuẩn phù hợp để đánh giá định tính hoặc định lƣợng
các yêu cầu điều khiển. Thêm vào đó, sự phân loại các hệ thống viễn thông thành
các miền mạng (cục bộ, vùng và diện rộng) nên điều khiển thƣờng thuộc lớp cao

của kiến trúc. Ví dụ, một số bài toán điều khiển đƣợc thực hiện qua hàm mục tiêu
chuẩn hóa nhƣ định tuyến hay điều khiển chống tắc nghẽn cũng vẫn là các điều
khiển tình huống và không chỉ ra trực tiếp bài toán tối ƣu. Vì vậy, các hệ thống viễn
thông hiện đại cần phát triển các phƣơng pháp điều khiển dựa trên các thủ tục điều
khiển nhƣ là một hệ thống quản lý mạng, tối ƣu hóa định tuyến và các chức năng
riêng biệt của các phần tử mạng.


8

1.3 CÁC THUỘC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Một hệ thống điều khiển cần thỏa mãn một số điều kiện: điều khiển đƣợc, nhận
dạng, bền vững và bất biến. Các phƣơng pháp thống kê mẫu dƣới giả thiết giám sát
các biến ngẫu nhiên, tiến trình ngẫu nhiên và các trƣờng ngẫu nhiên cũng nhƣ các
tham số mẫu cho các giá trị khác nhau của các cửa sổ tƣơng quan.
a, Thuộc tính điều khiển
Điều khiển đƣợc là thuộc tính của một hệ thống khi chuyển từ trạng thái này sang
trạng thái khác trong một khoảng thời gian yêu cầu. Thuộc tính này đƣợc thể hiện
khi bất kỳ một thành phần nào của trạng thái xi(t) trong hệ thống S(t,x,u) đƣợc truy
nhập cho hoạt động điều khiển (ảnh hƣởng bởi u(t)). Để đảm bảo khả năng điều

IT

khiển đƣợc, các điều kiện “lọc” phải đƣợc thỏa mãn. Thuộc tính này có thể biểu
diễn bằng khả năng chuyển giao giữa các trạng thái dƣới điều kiện tài nguyên hạn
chế. Đặc tính điều khiển đƣợc tồn tại khi các điều kiện sau tồn tại: giám sát đƣợc,

PT

nhận dạng đƣợc, bền vững và bất biến.

Khả năng giám sát đƣợc của hệ thống là khi hệ thống đảm bảo khả năng thu thập
thông tin về mỗi thành phần của vector trạng thái xT (t )  x1 , x2 ,..., xn . Nếu một phép
đo có thể thực hiện không có lỗi thì biểu thức tất định sau có thể tồn tại.
y(t )  Hx(t )

(1.1)

Trong đó, H là hệ số tăng (hoặc giảm) dƣới phép đo x(t). Nếu có lỗi trong phép
đo hoặc nhiễu trong kênh giám sát v(t) thì biểu thức 1.1 thành biểu thức ngẫu nhiên
nhƣ dƣới đây.
y(t )  Hx(t )  v(t )

(1.2)

Các giá trị của y(t) từ biểu thức 1.7 có thể dùng trực tiếp cho điều khiển. Nếu
phƣơng trình giám sát là ngẫu nhiên thì y(t) là tiến trình ngẫu nhiên. Để sử dụng
trong một thuật toán điều khiển, ta cần xác định trạng thái xˆ (t ) . Trong các điều kiện
thực, biểu thức 1.2 là mẫu từ các kết quả đánh giá:


9
yT (t )  y1 , y2 ,..., yn

(1.3)

Vì vậy, biểu thức giám sát trở thành rời rạc và thể hiện qua biểu thức sau
yk  Hxk  vk

(1.4)

Chuỗi rời rạc của biểu thức giám sát cần xử lý qua các thủ tục đánh giá và các kết
quả sẽ đƣợc sử dụng trong thuật toán điều khiển tại phần tiếp theo.
b, Thuộc tính nhận dạng
Nhận dạng đƣợc là khả năng xây dựng các mô hình toán học cho một hệ thống và
thu thập thông tin đặc tính của hệ thống mô phỏng trên cơ sở kết quả giám sát. Nói
cách khác, đó là khả năng tránh các tiên nghiệm không chắc chắn về các đặc tính
của hệ thống của một mô hình hệ thống bằng các xử lý kết quả giám sát. Ví dụ, độ

IT

phân tán, giá trị trung bình, khoảng thời gian tƣơng quan là không biết trong nhiều
trƣờng hợp thực tế. Trong trƣờng hợp vấn đề nhận dạng phụ thuộc vào một hoặc
một vài tham số thì các tham số này cần phải đo lƣợng. Có hai phƣơng pháp đánh

PT

giá: đánh giá mẫu và đánh giá đệ quy.

Đánh giá mẫu có thể thu đƣợc từ công thức tính toán giá trị trung bình,
xcp  i 1 xi p( xi )dx . Nếu các xác suất của tất cả các sự kiện bằng nhau
n

( p( x j )  p( xi )  1/ n) , ta có giá trị trung bình của mẫu:

xˆcp 

1 n
 xk
n k 1

(1.5)

Với n là kích thƣớc mẫu. Cũng phƣơng pháp tiếp cận, ta có thể tính toán độ phân
tán của mẫu bằng biểu thức.
ˆ 2 

1 n
 ( xk  xˆ)2
n  1 k 1

(1.6)

Trong biểu thức trên, phần ˆ  ˆ 2 xác định độ lệch bình phƣơng trung bình.


10
Vì vậy, các đánh giá mẫu thu đƣợc sau một số chu kỳ thời gian để nhận đƣợc
thống kê chính xác và thực hiện tính toán. Trong một số trƣờng hợp, trễ quá lớn
trong quá trình thu thập mẫu dẫn tới không sử dụng đƣợc cho điều khiển.
Đánh giá đệ quy giả thiết vấn đề xử lý thống kê mẫu trong thời gian thực theo
từng bƣớc. Mỗi bƣớc đệ quy gắn liền với việc thu nhận giá trị mẫu hiện thời yk. Giá
trị này so sánh với giá trị trƣớc đó ( yk  yˆ k 1 ) và bổ sung giá trị thu đƣợc với trọng
số 1/  . Giá trị thu đƣợc thể hiện qua biểu thức sau:
1
xˆk  xˆk 1  ( yk  xˆk 1 )



(1.7)

Theo lý thuyết phân hoạch, cả hai công thức (1.5) và (1.6) đều có thể sử dụng

IT

cho điều khiển. Việc sử dụng công thức (1.5) cho điều khiển tự động có thể dẫn tới
trễ đáp ứng, hay trễ quyết định trong trƣờng hợp sử dụng phƣơng pháp điều khiển
tình huống. Các đánh giá đệ quy là tính toán cho từng bƣớc điều khiển và cho phép
quyết định trong thời gian thực. Hiển nhiên, cả hai phƣơng pháp đều có một số ràng

PT

buộc nhất định nhƣ sau: Đối với các thống kê mẫu, khi đƣợc tạo bởi một số mô
phỏng rời rạc (giám sát rời rạc)

yk  Hxk  vk , k  1, 2,...., n

(1.8)

Nếu H=1, ta có

yk  xk  vk

(1.9)

Biểu thức trên có thể biểu diễn một tình huống giám sát điện thoại điển hình với
tiến trình ngẫu nhiên x(k) biểu diễn cuộc gọi với nhiễu trắng Gassian v(k). Giám sát
ngẫu nhiên cho cả hai tiến trình, sự ngẫu nhiên của đối tƣợng giám sát có thể có vài
khía cạnh khác nhau và chuỗi thống kê có thể tạo theo nhiều cách khác nhau. Để
lấy thống kê mẫu cần có một số bƣớc: xác lập lớp của đối tƣợng giám sát (giá trị

ngẫu nhiên hay tiến trình ngẫu nhiên); và tạo mẫu theo lựa chọn theo công thức
(1.8). Nếu giả thiết x(t) là một chuỗi ngẫu nhiên, ta có các giá trị hằng số
( x(t)  const ) trong thời gian giám sát T  t1, t2 ,..., tn . Nhƣng giá trị của x(t) và x(k) là


11
không biết (vẫn đảm bảo tính ngẫu nhiên). Các giá trị nhận đƣợc của yk là yk  yk .
Đối với bất kỳ tổ chức tiến trình mẫu nào thì giá trị yk là độc lập do không tƣơng
quan với nhiễu. Chuỗi mẫu thu đƣợc yk  xk  vk , k  1, 2,..., n đƣợc xử lý bởi công
thức (1.5) để lấy các giá trị trung bình.
Để tìm thống kê mẫu cho tiến trình x(t), ta cần chọn hai tham số chính: chu kỳ
giám sát T0 và tốc độ mẫu f d  1/  d với giá trị  d là khoảng thời gian giữa hai lần
lấy mẫu. Việc lựa chọn tham số này phụ thuộc vào việc sử dụng các thống kê
y1 , y2 ,..., yn .

Nếu thống kê đƣợc sử dụng cho đánh giá mẫu có giá trị trung bình
xˆcp  n1  K 1 xK thì khoảng thời gian giữa các giá trị ra cần chọn độc lập với các giá
n

rij 

IT

trị lân cận. Điều đó có nghĩa hệ số tƣơng quan tiến tới giá trị Zero.

  ( x  x )( x  x )
 (x  x )  (x  x
n

n

n

i

j

cp

2

i

cp

j

cp

n

j 1

j

0

(1.10)

2

cp )

PT

i 1

i

c, Thuộc tính bền vững và bất biến

Thuật ngữ bền vững đƣợc sử dụng để xác định các đặc tính cả các hệ thống phức
tạp nhƣ hệ thống điều khiển viễn thông và các hệ thống điều khiển đơn giản. Trong
trƣờng hợp các hệ thống phức tạp, yếu tố bền vững gồm nhiều thành phần. Đầu tiên
là độ tin cậy khi xác định khả năng thực thi các hàm yêu cầu trong một khoảng thời
gian. Thành phần thứ hai “sống sót” xác định đặc tính thực thi hàm yêu cầu dƣới
một số điều kiện cho trƣớc. Thành phần thứ ba “bảo vệ nhiễu” là bất biến với các
loại nhiễu. Bền vững có thể hiểu theo nghĩa hẹp là độ ổn định của hệ thống. Một hệ
thống có thể chuyển tới trạng thái bất ổn định khi tham số hoặc hoạt động đầu vào
không đúng. Các hệ thống bền vững đƣa ra các đáp ứng giới hạn với các đầu vào
giới hạn. Điều đó có nghĩa là tồn tại điều kiện ràng buộc giá trị đầu ra theo đầu vào.
dy(t ) / dx(t )  

(1.11)


12
Hệ thống bền vững hoàn toàn khi ổn định với bất kỳ đầu vào nào. Độ ổn định hệ
thống có thể đƣợc nhìn nhận từ một số khía cạnh khác nhau: độ ổn định lyapunov,
độ ổn định xác suất, độ ổn định trung bình và độ ổn định thực tế.
Đặc tính bất biến của hệ thống là khả năng duy trì một số trạng thái đầu ra khi có

một số hoạt động khác biệt tại đầu vào. Ví dụ giám sát một hệ thống
y(t )  H (t ) x(t )  S (t )

(1.12)

Trƣờng hợp hệ thống bất biến nếu bất kỳ một hoạt động đầu vào v(t) nào đều
không dẫn tới các đáp ứng không mong muốn y(t )  y .

1.4 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

IT

1.4.1 Điều khiển cung cấp QoS
Cung cấp QoS cho các dịch vụ mạng luôn là vấn đề then chốt của các hệ thống
truyền thông và thƣờng gắn liền với các giải pháp quản lý mạng. Các thuật toán

PT

điều khiển hệ thống viễn thông phải tính tới hàng loạt các đặc tính nhƣ: trạng thái
phân tán của mạng trên cả khía cạnh không gian và thời gian; trễ khác nhau giữa
các vòng điều khiển kết nối trạng thái và các phần tử mạng; nguyên tắc điều khiển
manager/agent đƣợc thực hiện dƣới tƣơng tác của các đối tƣợng điều khiển tách
biệt; tƣơng tác giữa các phần tử mạng đƣợc thực hiện qua một tập giao thức phân
cấp để xử lý tuần tự dữ liệu điều khiển.

Chú ý rằng hiện nay chƣa có một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh nào cho các
mạng viễn thông, đặc biệt là mạng diện rộng MAN và WAN. Vấn đề cung cấp chất
lƣợng dịch vụ mạng đƣợc thông qua các thỏa thuận và hợp đồng lƣu lƣợng theo một
số tham số QoS sau: thông lƣợng lƣợng mạng, độ tin cậy, tổn thất gói, trễ và biến
động trễ (Rec Y.1540). Các tham số này đƣợc thể hiện qua thỏa thuận cung cấp dịch

SLA (Service Level Agreement) còn gọi là hợp đồng lƣu lƣợng giữa ngƣời sử dụng
và nhà cung cấp dịch vụ. Khái niệm QoS có thể định nghĩa nhƣ tỷ lệ tổng thể của
các đặc tính dịch vụ xác định mức độ thỏa mãn ngƣời dùng từ một dịch vụ nhất
định. Thông thƣờng, QoS đƣợc đặc trƣng bởi trễ kết nối, thông lƣợng dữ liệu và


13
chất lƣợng kết nối. Thỏa thuận SLA có thể đƣợc thực hiện trƣớc các phiên truyền
thông thực tế hoặc theo một số chu kỳ thời gian và đƣợc dùng để điều khiển các
dịch vụ mạng. Vì vậy, các thuật toán điều khiển chính thƣờng gồm điều khiển tình
huống, cận tối ƣu thay vì điều khiển tất định thông qua các tiếp cận xác suất. Qua
các phân tích trên, một kiến trúc logic đƣa ra gồm ba mặt bằng: điều khiển, dữ liệu
và quản lý đƣợc chỉ ra trên hình 1.2. Các tiếp cận chung bao gồm các phƣơng pháp

PT

IT

và kỹ thuật sử dụng để cung cấp QoS đƣợc chỉ ra trên hình 1.3.

Hình 1.2: Cấu trúc logic của thỏa thuận cung cấp chất lượng dịch vụ

Hình 1.3: Các kỹ thuật cung cấp QoS cho mạng viễn thông
Các kỹ thuật cho mặt bằng điều khiển. Các kỹ thuật này liên quan trực tiếp tới
các đƣờng dẫn dữ liệu của ngƣời dùng gồm 3 kỹ thuật chính. (i) Kỹ thuật điều khiển
chấp nhận cuộc gọi CAC (Call Admission Control) điều khiển các yêu cầu luồng
lƣu lƣợng mới phù hợp với trạng thái tài nguyên mạng. CAC xác định các kết quả
lƣu lƣợng trong điều kiện tắc nghẽn hoặc suy giảm cấp độ chất lƣợng cho các dịch
vụ trong hệ thống hiện thời. (ii) Kỹ thuật định tuyến QoS cung cấp sự lựa chọn
tuyến thỏa mãn yêu cầu chất lƣợng dịch vụ của một luồng dữ liệu cụ thể. Thông

14
thƣờng, chỉ một hoặc hai điều kiện ràng buộc đƣợc đƣa ra làm cơ sở tính toán
tuyến. (iii) Kỹ thuật dự trữ tài nguyên thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạng IP dựa
trên giao thức dự trữ tài nguyên nhằm dành trƣớc tài nguyên cho luồng lƣu lƣợng.
Kỹ thuật cho mặt bằng dữ liệu. Đó là một nhóm kỹ thuật liên quan trực tiếp tới
các luồng lƣu lƣợng ngƣời sử dụng. Một số kỹ thuật điển hình nhƣ quản lý bộ đệm,
tránh tắc nghẽn, lập lịch và xếp hàng, phân loại và chia cắt lƣu lƣợng. Kỹ thuật quản
lý bộ đệm làm giảm các gói tin điều khiển đợi tại hàng đợi truyền dẫn. Mục tiêu
quan trọng nhất là tối thiểu hóa độ dành trung bình hàng đợi tại tốc độ cao nhằm
tăng độ hiệu dụng kênh. Bên cạnh đó, kỹ thuật quản lý bộ đệm nhằm phân bổ công
bằng không gian đệm giữa các luồng lƣu lƣợng khác nhau. Giải pháp hiện nay sử
dụng cơ chế quản lý bộ đệm tích cực để giải quyết các khả năng tắc nghẽn ví dụ nhƣ

IT

thuật toán loại bỏ gói sớm RED (Random Early Detection). Khi RED đƣợc áp dụng,
chuỗi gói tin bị cắt bỏ dựa trên độ dài trung bình nhằm tránh các khả năng từ chối
phục vụ. Kỹ thuật tránh tắc nghẽn hỗ trợ mức tải mạng thấp hơn một chút thông

PT

lƣợng mạng thông qua giải pháp cắt tải lƣu lƣợng.

Tiếp cận đánh dấu gói tin đƣợc sử dụng để định nghĩa một mức dịch vụ cụ thể
cho các gói tin khác nhau. Việc đánh dấu gói tin thƣờng đƣợc thực hiện tại các đầu
vào bộ định tuyến qua thủ tục gán một số giá trị vào trƣờng chức năng đặc biệt của
tiêu đề gói tin.

Mục tiêu chính của các kỹ thuật lập lịch và xếp hàng là lựa chọn một gói tin cụ
thể từ bộ đệm để đƣa vào kênh truyền. Tùy thuộc vào hàm mục tiêu xử lý gói tin tại
đầu ra mà cơ chế xử lý dựa trên một số luật cụ thể nhƣ: vào trƣớc ra trƣớc FIFO
(First In – First Out), hàng đợi trọng số công bằng WFQ (Weight Fair Queuing) hay
hàng đợi dựa trên phân lớp dịch vụ CBQ (Class Based Queuing)...
Mục tiêu của xử lý chia cắt lƣu lƣợng là điều khiển tốc độ và kích thƣớc các
luồng dữ liệu tại đầu vào mạng. Lƣu lƣợng ban đầu đƣợc chuyển qua các bộ đệm có
cấu trúc đặc biệt để cho phép dự đoán các đặc tính luồng lƣu lƣợng. Hai thuật toán
phổ biến sử dụng cho chia cắt lƣu lƣợng là thuật toán thùng dò (leaky bucket) và