2 Các yêu cầu về kiến trúc IMS

Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Kết nối IP có thể được tạo ra từ mạng địa phương (home network) hoặc mạng tạm trú

(visited network). Phần bên trái của hình 1.1 biểu diễn một tùy chọn trọng đó thiết bị

người dùng đạt được địa chỉ IP từ mạng tạm trú. Trong mạng UMTS, điều này có nghĩa là

mạng truy nhập vô tuyến (RAN), node hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) và node hỗ trợ

GPRS Gateway sẽ được đặt trong mạng tạm trú khi trong mạng có sự chuyển vùng của

người dùng. Phần bên phải của hình biểu diễn một tuỳ chọn trong đó thiết bị người dùng

lấy địa chỉ IP từ mạng địa phương. Trong mạng UMTS, điều này nghĩa là RAN và SGSN

được đặt trong mạng tạm trú khi mạng này có sự chuyển vùng của người dùng. Dễ dàng

thấy được, khi người dùng được đặt trong mạng địa phương thì tất cả các phần tử cần

thiết và kết nối IP đều nằm trong mạng địa phương.



Hình 1-1: Các tuỳ chọn kết nối IMS khi người dùng đang chuyển vùng.

Cần chú ý rằng một người dùng có thể chuyển vùng và đạt được kết nối IP từ mạng

nhà như trong hình vẽ. Điều này cho phép người dùng sử dụng các dịch vụ IMS mới ngay

cả khi chúng đang chuyển vùng trong một vùng không có mạng IMS nhưng có kết nối IP.

Về lý thuyết thì mạng IMS có thể được triển khai trong một vùng đơn lẻ và sử dụng

chuyển vùng GPRS để kết nối các khách hàng tới mạng địa phương. Nhưng trên thực tế

thì điều này không xảy ra do hiệu suất định tuyến không cao. Tuy nhiên, mô hình triển

khai này rất quan trọng khi các nhà khai thác phát triển lên các mạng IMS hoặc trong pha

ban đầu, khi họ đưa ra các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực/ không thực.



1.2.2 Truy nhập độc lập



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



3



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Kiến trúc IMS được thiết kế có khả năng truy nhập độc lập sao có thể cung cấp các

dịch vụ IMS qua bất kỳ mạng kết nối IP nào (như GPRS, WLAN, đường thuê bao số truy

nhập băng rộng). 3GPP sử dụng thuật ngữ “mạng truy nhập kết nối IP” đề cập tới tập các

thực thể mạng và các giao diện cung cấp kết nối truyền tải IP lớp dưới giữa các thực thể

UE và IMS.



1.2.3 Đảm bảo chất lượng dịch vụ đối với các dịch vụ đa phương tiện IP

Trên các đường truyền Internet công cộng, khả năng xảy ra trễ rất cao và biến thiên

dẫn đến hiện tượng thất lạc gói tin hoặc các gói tin đến không theo thứ tự Trong IMS

không xảy tình trạng này. Các mạng truy nhập và truyền tải lớp dưới cùng với IMS cung

cấp chất lượng dịch vụ xuyên suốt (end-to-end QoS).

Thông qua IMS, UE đàm phán về dung lượng và gửi các yêu cầu QoS trong suốt quá

trình thiếp lập phiên (SIP). UE có thể đàm phán về các tham số như:

- Loại phương tiện, hướng lưu lượng.

- Tốc độ bit, kích thước gói, tần số truyền tải gói tin.

- Việc sử dụng tải trọng RTP đối với các loại phương tiện.

- Thích ứng băng thông.

Sau khi đàm phán các tham số ở mức ứng dụng, các UE dành trước tài nguyên thích

hợp từ mạng truy nhập. Khi QoS xuyên suốt (end-to-end) được tạo ra, các UE mã hoá và

đóng gói các loại phương tiện riêng rẽ với một giao thức thích hợp (chẳng hạn, RTP) và

gửi các gói phương tiện này tới mạng truy nhập và truyền tải sử dụng giao thức lớp truyền

tải (chẳng hạn, TCP và UDP) qua IP.



1.2.4 Điều khiển chính sách IP để đảm bảo việc sử dụng đúng các tài

nguyên phương tiện

Điều khiển chính sách IP chính là khả năng nhận thực và điều khiển việc sử dụng lưu

lượng sóng mang dựa trên các tham số báo hiệu tại phiên IMS. Để thực hiện được cần sự

tương tác giữa các mạng truy nhập kết nối IP và IMS. Có thể chia phương tiện thiết lập

tương tác thành ba loại khác nhau:

- Phần tử điều khiển chính sách có khả năng xác minh các giá trị được đàm phán

trong báo hiệu SIP sử dụng khi kích hoạt sóng mang cho lưu lượng truyền thông. Nó cho

phép nhà điều hành xác nhận các tài nguyên sóng mang của nó không bị lạm dụng (chẳng

hạn, địa chỉ IP nguồn và đích và băng thông ở mức sóng mang giống với ở việc thiết lập

phiên SIP).

Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



4



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



- Phần tử điều khiển chính sách có hiệu lực khi lưu lượng truyền thông giữa các

điểm đầu cuối của một phiên SIP bắt đầu hoặc kết thúc. Nó ngăn chặn việc sử dụng sóng

mang cho đến khi phiên được thiết lập hoàn toàn và cho phép lưu lượng bắt đầu/ kết thúc

đồng bộ với việc tính cước cho một phiên trong IMS.

- Phần tử điều khiển chính sách có khả năng nhận thông báo khi các dịch vụ mạng

truy nhập kết nối IP điều chỉnh, trì hoãn hay giải phóng sóng mang trong một phiên của

người dùng. Điều này cho phép IMS giải phóng phiên đang diễn ra do người dùng không

ở trong vùng phủ sóng nữa.



1.2.5 Truyền thông an toàn

Bảo mật là một yêu cầu cơ bản và rất cần thiết trong mỗi hệ thống viễn thông và IMS

không phải là một ngoại lệ. IMS tối thiểu cung cấp mức độ bảo mật tương tự các mạng

chuyển mạch kênh và GPRS tương ứng: chẳng hạn, IMS đảm bảo việc nhận thực người

dùng trước khi bắt đầu sử dụng dịch vụ và người dùng có thể yêu cầu sự riêng tư khi tham

gia vào một phiên.



1.2.6 Tổ chức tính cước

Từ phía nhà cung cấp dịch vụ hoặc nhà khai thác thì khả năng tính cước người dùng là

rất quan trong đối với bất kỳ mạng nào. Kiến trúc IMS cung cấp các mô hình tính cước

khác nhau, bao gồm, khả năng tính cước chỉ tính cho bên chủ gọi hoặc tính cước cho cả

chủ gọi và bị gọi dựa trên các tài nguyên được sử dụng ở mức truyền tải. Ở mô hình tính

cước thứ hai, bên chủ gọi sẽ được tính cước hoàn toàn ở phiên IMS: nghĩa là có thể sử

dụng các cơ chế tính cước khác nhau ở mức IMS và truyền tải. Tuy nhiên, nhà khai thác

có thể nhìn thấy thông tin tính cước từ các mức tính cước (dịch vụ và nội dung) IMS và

truyền tải bằng cách thiết lập một điểm tham chiếu điều khiển chính sách.

Do các phiên IMS có chứa các thành phần đa phương tiện (như audio và video) nên nó

cần cung cấp phương tiện tính cước cho thành phần này. Nghĩa là nó có khả năng tính

cước bên bị gọi nếu bên bị gọi sử dụng thêm một thành phần phương tiện mới trong một

phiên. Các mạng IMS khác nhau có thể trao đổi thông tin trên việc tính cước được áp

dụng cho phiên hiện tại.

Kiến trúc IMS hỗ trợ cả hai phương pháp tính cước online và offline. Tính cước online

là quá trình tính cước trong đó thông tin tính cước có thể ảnh hưởng tới dịch vụ trong thời

gian thực và do đó tương tác trực tiếp với quá trình điều khiển phiên/dịch vụ. Trên thực

tế, nhà khai thác có thể kiểm tra tài khoản của người sử dụng trước khi cho phép người sử

Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



5



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



dụng tham gia vào phiên và dừng phiên khi đã tiêu hết toàn bộ thẻ tín dụng. Các dịch vụ

trả trước là các ứng dụng cần phải tính cước online. Tính cước offline là quá trình tính

cước trong đó thông tin tính cước không ảnh hưởng đến dịch vụ trong thời gian thực. Đây

là mô hình truyền thông trong đó thông tin tính cước được tập hợp lại sau một khoảng

thời gian cụ thể, và nhà khai thác sẽ gửi hoá đơn đến khách hàng ở cuối mỗi giai đoạn

này.



1.2.7 Hỗ trợ roaming

Từ quan điểm của người sử dụng thì điều quan trọng là truy nhập được dịch vụ chứ

không quan tâm tới vị trí địa lý. Roaming hỗ trợ việc sử dụng các dịch vụ ngay cả khi

người dùng không nằm trong vùng dịch vụ của mạng địa phương. Có hai trường hợp

Roaming: GPRS roaming và IMS roaming. Ngoài ra còn có IMS CS roaming (roaming

chuyển mạch kênh IMS). GPRS roaming là khả năng truy nhập IMS khi mạng tạm trú

cung cấp RAN và SGSN còn mạng địa phương cung cấp GGSN và IMS. Mô hình IMS

roaming đề cập tới cấu hình mạng trong đó mạng tạm trú cung cấp các kết nối IP (như

RAN, SGSN, GGSN) và điểm đi vào IMS (P-CSCF) còn mạng địa phương cung cấp phần

chức năng IMS còn lại. Ưu điểm chính của mô hình roaming này so với mô hình GPRS

roaming là nó sử dụng tối ưu tài nguyên mặt phẳng người dùng. Roaming giữa IMS và

miền CS CN là roaming liên miền giữa IMS và CS. Khi một người dùng không được

đăng ký hay không thế truy cập vào một miền thì có thể định tuyến một phiên tới miền

khác. Cần phải lưu ý rằng cả miền CS CN và miền IMS đều có các dịch vụ riêng của nó

và không thể sử dụng từ miền khác. Có một số dịch vụ tương đương và có sẵn trong cả

hai miền (ví dụ, VoIP trong IMS và điện thoại tiếng trong CSCN).



1.2.8 Tương tác với các mạng khác

Rõ ràng là IMS không được triển khai đồng thời ở các vùng trên toàn thế giới. Hơn

nữa, người dùng không thể nhanh chóng chuyển đổi các đầu cuối. Điều này đặt ra một

vấn đề về khả năng tiếp cận người dùng mà không quan tâm đến các đầu cuối của họ hay

nơi mà họ sống. Là một kiến trúc và công nghệ mạng truyền dẫn thành công mới, IMS có

thể kết nối tới nhiều rất nhiều người dùng. Do đó IMS hỗ trợ giao tiếp với PSTN, ISDN,

di động và người dùng Internet. Bên cạnh đó, nó có thể hỗ trợ các phiên với các ứng dụng

Internet không được phát triển bởi tổ chức 3GPP.



1.2.9 Mô hình điều khiển dịch vụ



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



6



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Các mạng di động 2G sử dụng cơ chế điều khiển dịch vụ tạm trú. Điều này có nghĩa

là, khi một người dùng đang roaming thì một thực thể trong mạng tạm trú sẽ cung cấp các

dịch vụ và điều khiển lưu lượng của người dùng. Thực thể này trong 2G được gọi là trung

tâm chuyển mạch dịch vụ di động tạm trú. Trong thời gian gần đây, Release 5 hỗ trợ cả

hai mô hình điều khiển dịch vụ tạm trú và dịch vụ địa phương. Khi sử dụng cả hai mô

hình này thì những giải pháp kiến trúc tối ưu sẽ bị giảm đi do một số giải pháp đơn giản

không phù hợp với cả hai mô hình này. Sự hỗ trợ cả hai mô hình này cũng mở rộng các

giao thức IETF và tăng các vấn đề liên quan tới việc đăng ký và các luồng phiên. Điều

khiển dịch vụ tạm trú bị drop do nó khá phức tạp và không tạo bất kì giá trị gia tăng đáng

kể nào so với điều khiển dịch vụ địa phương. Điều khiển dịch vụ tạm trú yêu cầu phải có

các mô hình roaming và đa liên hệ giữa các nhà khai thác. Sự phát triển dịch vụ sẽ bị

chậm lại khi cả mạng địa phương và mạng tạm trú cần hỗ trợ các dịch vụ giống nhau.

Thêm vào đó, số lượng các điểm tham chiếu giữa các nhà khai thác với nhau cũng tăng

lên, do đó cần phải đưa ra các giải pháp phức tạp hơn (chẳng hạn, cơ chế bảo mật và tính

cước phức tạp hơn). Do đó, điều khiển dịch vụ địa phương được lựa chọn, điều này có

nghĩa là thực thể truy cập tới cơ sở dữ liệu thuê bao và tương tác trực tiếp với các nền

tảng dịch vụ luôn luôn được cấp phát ở mạng địa phương của người dùng.

1.1.10 Phát triển dịch vụ

Tầm quan trọng của việc mở rộng nền tảng dịch vụ và khả năng triển khai nhanh

chóng các dịch vụ mới cho thấy phương pháp chuẩn hoá các tổ hợp các dịch vụ viễn

thông, các ứng dụng và các dịch vụ bổ sung trước đây không lâu nữa sẽ bị loại bỏ. Do đó,

3GPP đang chuẩn hoá dần các dịch vụ. Kiến trúc IMS bao gồm một kết cấu dịch vụ cung

cấp khả năng cần thiết để hỗ trợ các dịch vụ thoai, video, đa phương tiên, nhắn tin, chia sẻ

file, chuyển giao dữ liệu, trò chơi và các dịch vụ bổ sung khác trong IMS.

1.1.11 Thiết kế phân lớp

3GPP sử dụng phương pháp thiết kế phân lớp kiến trúc, nghĩa là tách riêng các dịch vụ

sóng mang và truyền tải với mạng báo hiếu IMS và các dịch vụ quản lý phiên.

Trong một số trường hợp, không thể phân biệt được chức năng của các lớp dưới và

lớp trên. Phương pháp phân lớp này nhằm tối thiểu hoá sự phụ thuộc giữa các lớp. Ưu

điểm của nó là giúp đơn giản hoá việc bổ sung các mạng truy nhập mới vào hệ thống sau

đó. Phương pháp này cũng làm tăng tính quan trọng của lớp ứng dụng. Khi các ứng dụng



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



7



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



được tách ra và các tính năng chung được cung cấp bởi mạng IMS bên dưới thì có thể

chạy cùng các ứng dụng trên UE sử dụng các kiểu truy nhập khác nhau.

Hình 1.2 biểu diễn mô hình kiến trúc phân lớp của IMS, bao gồm 3 lớp chức năng

khác nhau. Lớp đầu tiên là lớp mang, truyền tải dung lượng báo hiệu và các luồng phương

tiện. Lớp này bao gồm các switch, router và các thực thể xử lý phương tiện (ví dụ:

MediaGateway, MediaServer). Như là một lớp truy nhập không phụ thuộc mạng, một

IMS có thể kết nối đến nhiều loại mạng khác nhau.

Lớp thứ hai trong kiến trúc IMS là lớp điều khiển. Bao gồm các phần tử của mạng

báo hiệu (ví dụ: CSCF, HSS, MGCF…) để hỗ trợ điều khiển phiên chung, điều khiển

phương tiện và chức năng điều khiển truy nhập qua các giao thức báo hiệu như SIP,

Diameter, H248. Lớp điều khiển là mạng lõi IMS, nó thực sự điều khiển hiệu quả cho

các thiết bị của người sử dụng kết nối tới nhiều kiểu mạng truy nhập.

Lớp thứ 3 trong kiến trúc IMS là lớp dịch vụ. Lớp này bao gồm các Server ứng dụng

như server ứng dụng SIP, Server truy nhập dịch vụ mở bên thứ 3 và các điểm điều khiển

dịch vụ mở kế thừa. IMS chỉ đạo điều khiển dịch vụ thông qua mạng thuê bao nhà và các

thành phần của mạng báo hiệu được phân phối trong lớp dịch vụ và lớp điều khiển.

Những thuê bao khả thi này có thể nhận dữ liệu cùng loại các dịch vụ trong khi chúng

chuyển giao.



Hình 1-2: Kiến trúc phân lớp IMS



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



8



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Khi đưa ra một cấu trúc mạng lõi đơn của một mạng lõi cấu trúc theo chiều ngang

cho bất kỳ một loại mạng truy nhập và dịch vụ khác nhau, kiến trúc phân hệ IMS

mang lại lợi thế xoá bỏ kiến trúc dịch vụ theo chiều dọc truyền thống, mà nó nhân đôi

các chức năng tương tự nhau (ví dụ: điều khiển phiên, tính cước) cho mỗi kiểu truy

nhập và dịch vụ. Kiến trúc phân hệ IMS tạo lập một nguồn tài nguyên chia sẻ hấp dẫn

và cơ hội cho việc tiết kiệm chi phí cho nhà khai thác mạng và nhà cung cấp dịch vụ .

Kiến trúc này sẽ được trình bày chi tiết ở phần 1.4.



1.3 Các giao thức được sử dụng trong IMS

Khi Viện tiêu chuẩn viễn thông của Châu Âu – ETSI phát triển các tiêu chuẩn cho

GSM thì hầu hết các giao thức đều được thiết kế phục vụ cho giao diện vô tuyến và vấn

đề quản lý tính di động của mạng này. Trong đó, ETSI chỉ tái sử dụng một số giao thức

do ITU-T phát triển, hầu hết các giao thức còn lại đều được thiết lập mới hoàn toàn.

Sau này, khi phát triển IMS, 3GPP bắt đầu phân tích các giao thức trong GSM mà

ETSI đã chuẩn hóa. Trên cơ sở đó, 3GPP sử dụng các giao thức có sẵn của các tổ chức

phát triển tiêu chuẩn khác như IETF hay ITU-T. Nhờ thế có thể tận dụng kinh nghiệm của

IETF và ITU-T để thiết kế các giao thức có nhiều ưu điểm, tiết kiệm được thời gian chuẩn

hóa và chi phí phát triển.



1.3.1 Giao thức thiết lập phiên SIP

Giao thức khởi đầu phiên (được định nghĩa trong RFC 3261) được thiết kế để hỗ trợ

việc thiết lập các phiên đa phương tiện giữa các người sử dụng trên mạng IP. Giống như

điều khiển cuộc gọi, mục tiêu của SIP RFC là hỗ trợ các chức năng như di động của

người sử dụng và chuyển hướng cuộc gọi. Giống như RFC 3261, một số các mở rộng

được định nghĩa trong các RFC bổ sung và trong các khởi thảo của IETF về các vấn đề

như: tương tác SIP/PSTN và SIP cho các vản tin tức thời và phát hiện sự có mặt. Hiện

nay SIP hỗ trợ một số dịch vụ cơ bản sau:

 Thiết lập cuộc gọi đa phương tiện.

 Di động người sử dụng.

 Cuộc gọi hội nghị.

 Các dịch vụ bổ sung (giữ cuộc gọi, chuyển hướng cuộc gọi...)

 Nhận thực và thanh toán.

 Truyền bản tin thống nhất.



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



9



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



 Truyền bản tin tức thời và phát hiện sự có mặt.

Mặc dù SIP có thể đảm bảo tất cả các dịch vụ nói trên, R5 hiện nay chưa định nghĩa

các kịch bản cho chúng. Chẳng hạn hội nghị đa phương tiện sẽ chỉ có trong R6. Tuy nhiên

điều này không báo trước rằng nhà khai thác hay nhà cung cấp sẽ đưa ra như một dịch vụ

giá trị gia tăng.

Lợi ích của việc sử dụng SIP làm giao thức báo hiệu chính trong IMS như sau:

•



Báo hiệu SIP đầu cuối giữa các người sử dụng IP di động và cố định.



•



Có thể cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng cho người sử dụng di động.



•

SIP được thiết kế như một giao thức IP, vì thế nó thích hợp tốt với các giao thức IP

và các dịch vụ khác.

•



SIP đơn giản và tương đối dễ thực hiện.



•

Hiện nay trong R5 SIP cung cấp các khả năng chính đến quản lý các cuộc truyền

thông đa phương tiện sau đây:

- Xác định vị trí hiện thời của người sử dụng đích (nhận phương tiện).

- Xác định xem một người sử dụng có định tham gia phiên hay không?

- Xác định các khả năng đầu cuối người sử dụng.

- Thiết lập và quản lý phiên. Bao gồm: thay đổi các thông số của phiên, yêu cầu các

chức năng để cung cấp các dịch vụ cho một phiên và kết thúc phiên.

Lợi ích được liệt kê đầu tiên trên đây là có tầm quan trọng đặc biệt. Khi các thuê bao

di động bắt đầu sử dụng các dịch vụ dựa trên một hạ tầng IP, chúng có thể muốn thông tin

với các đường Internet cố định. Được mô tả như trong hình vẽ sau đây:



Hình 1-3: Báo hiệu SIP từ đầu cuối đến đầu cuối



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



10