Tài liệu Cấu trúc femtocell và hướng triển khai

Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL MÔN: THÔNG TIN DI ĐỘNG Giang viên: Vũ Văn Tấn Sinh viên: Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Hà My Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 1 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL 1/ Khái niệm femtocell 2 / Nguyên lý hoạt động của Femtocell U 2.1 – Các giao thức và giao tiếp 2.2_ Tiêu chuẩn cấu trúc U U 3/ Các chuẩn Femtocell 4 / Hoàn thiện công nghệ 4.1 – 3G ở tần số thấp 4.2_ Long Term Evolution (LTE) U 5 / Nhiễu vô tuyến và phối hợp tần số 5.1 – Nhiễu đồng kênh 5.2_ Nhiễu kênh lân cận 5.3_ Kết luận và khuyến nghị U U 6 /Cấu trúc Femtocell và hướng triển khai 7/ Quản lý femtocell 7.1 – Cơ sở triển khai thuê bao 7.2 – Quy mô triển khai Femtocell 7.3 – Tích hợp với hệ thống mạng khác 7.4 – Các yêu cầu quản lý Femtocell 7.5 – Tổng kết và khuyến nghị 8/ Femtocell và bảo mật mạng 8.1 – Kiểm soát vị trí điểm truy nhập 8.2 – Quản lý femtocell 8.3 – Nhận thực thiết bị femtocell 8.4 – Sự ủy quyền 8.5 – Cấp phép thuật toán 8.6 – Bảo vệ chống gian lận 8.7 – Mạng và bảo mật Backhaul (Backhaul Security) 8.8 – Bảo mật nhận thực điểm truy nhập Femtocell B. Tài liệu tham khảo 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Femtocell 2. http://www.femtoforum.org/femto/aboutfemtocells.php 3. http://www.lulu.com/product/paperback/femtocell-primer/3423204 Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 2 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL Femtocell là gì? - Trong viễn thông, femtocell là một thuật ngữ khá mới liên quan đến khái niệm về trạm gốc điểm truy nhập (Access point base station). - Mỗi femtocell chỉ là một trạm thu phát di động nhỏ trong mạng thông tin di động kiểu tế bào, trong đó tích hợp nhiều chức năng của BSC (Base Station Controller) và một số chức năng của MSC (Mobile Switching Center). - Femtocell được kết nối đến mạng của các nhà cung cấp dịch vụ qua đường truyền băng rộng (như DSL hoặc cáp quang). Mục đích của các femtocell là dùng để phủ sóng bên trong các tòa nhà, bên trong các công ty; cho phép những nhà cung cấp dịch vụ mở rộng phạm vi phủ sóng ở những khu vực trong khu dân cư sóng yếu hoặc các cao ốc và tầng hầm. Vì thế, femtocell như một cổng kết nối của mạng thông tin di động tế bào đặt tại nhà khách hàng và có thể xem là sự kết hợp giữa mạng cố định và mạng di động. Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 3 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL Điểm truy nhập Femtocell được kết nối bởi DSL băng thông rộng hoặc kết nối IP để giao diện với mạng GSM hoặc UMTS chuyển mạch gói và các mạng chuyển mạch kênh. Femtocell làm việc với các thiết bị chuẩn phù hợp với các chuẩn giao diện đã tồn tại trong mạng 2G và 3G. Điều này đảm bảo dịch vụ liên tục và có tính tương thích cao với các mạng đã tồn tại và tránh được những yêu cầu về tính thích ứng với các thiết bị cầm tay. Về nguyên tắc, Femtocell kết nối đường dữ liệu đến các nhà cung cấp dịch vụ của mạng di động thông qua các đường truyền băng thông rộng như cáp đồng (DSL) hoặc cáp quang và thường hỗ trợ từ hai đến năm điện thoại di động trong khu vực đó. Về điều khiển, Femtocell kết nối đường điều khiển (báo hiệu) đến các trạm BSC, tổng đài MSC của mạng di động và hoạt động theo sự điều khiển của các trạm này. Mục đích của Femtocell là phủ sóng trong khu vực của nó và có thể xem đây là một cổng kết nối đến mạng di động và là sự kết hợp giữa mạng cố định và mạng di động Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 4 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL KIẾN TRÚC FEMTOCELL Một trong những chỉ số đánh giá mức độ thành công triển khai công nghệ Femtocell là tính tương hợp giữa điểm truy nhập Femto và mạng. Những yêu cầu tương hợp đòi hỏi sự phát triển của các kiến trúc thông thường và các chuẩn công nghệ phù hợp để đảm bảo ghép nối tương thích cho các điểm truy nhập và mạng. Để đạt được mục tiêu này, diễn đàn Femto đã phát triển một kiến trúc được biểu diễn ở Hình 3, với các thuộc tính tiêu chuẩn được định nghĩa cho cả điểm truy nhập femto (FAP-Femto Access Point) và cổng kết nối Femto (FGW-Femto Gateway). Các điểm truy nhập Femto (FAP) gồm những chức năng điển hình sau: - Quản lý báo hiệu 3GPP, mặt phẳng người sử dụng, quản lý tài nguyên tần số vô tuyến - Chức năng vận chuyển IP, quản lý QoS, bảo mật lớp 3, quản lý TR-069 - Tự cấu hình, chức năng tường lửa, NAT, bảo mật. Hình 3. Kiến trúc Femtocell tham khảo (Nguồn: diễn đàn Femto) Các cổng kết nối Femto (FGW) gồm các chức năng điển hình sau: - 3GPP RANAP, đồng bộ và cung cấp định thời cho mạng - Nhận thực và cấp phép Femtocell, Che dấu cấu trúc liên kết AP, mạng - Chức năng bảo mật IP - Tập hợp và định tuyến lưu lượng Femtocell, Tự động cấu hình Cùng với những định nghĩa này, diễn đàn Femto và 3GPP vẫn cần phải tiến hành nhiều công việc trong thời gian tới để có thể định nghĩa các kiến trúc bao gồm một kiến trúc cơ sở “luh” với “lucs” và“lups” hướng tới CN. Chi tiết về những yêu cầu cho Femtocell đã được xem xét trong bản thuyết mính của 3GPP: TS22.001 và hiện nay cũng nằm trong bản mới: TS 22.220. Các nhà cung cấp yêu cầu các giao thức và giao tiếp tiêu chuẩn phải được sử dụng giữa điểm truy nhập Femto và cổng kết nối Femto, giữa cổng kết nối Femto và mạng di động. Trong phát triển dài hạn, phải đảm bảo tính tương hợp hoàn toàn giữa FAP và FGW từ tất cả các nhà cung cấp. Để đạt được cần phải tiếp tục các hoạt động tiêu chuẩn hóa: Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 5 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL - Giao diện giữa cổng kết nối Femto và điểm truy nhập Femto (biết tới với tên “luh” trong 3GPP Rel 8) - Các giao thức bảo mật (Rel 9 trong 3GPP) - UICC hoặc TPM (trusted platform module) cho thiết bị nhận thực (FAP) (Rel 9 trong 3GPP) - Quản lý các tính năng dựa trên cơ sở TR-069, và quản lý các tiêu chuẩn - Triển khai giao diện kiểm tra mở trong cổng kết nối Femto để đảm bảo tính tương hợp trên Fa (luh). Có thể thấy kiến trúc này gồm hai thành phần chính là HNB (a.k.a. Femtocell) và HNB gateway (a.k.a. Femto Gateway). Giữa các thành phần này là một giao diện mới Iu-h. Home NodeB (HNB): được kết nối với một dịch vụ băng rộng gia đình hiện có, một HNB cung cấp vùng bao phủ vô tuyến trong một căn hộ theo chuẩn của thiết bị cầm tay 3G. Sự kết hợp chặt chẽ của các HNB thì khả năng của một node B chuẩn cũng giống như một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC chuẩn. HNB Gateway (HNB-GW): Được cài đặt trong mạng của nhà khai thác, HNB Gateway tập hợp lưu lượng từ một số lượng lớn các HNB rồi đưa lên mạng lõi thông qua chuẩn Iu-cs và giao diện Iu-ps. Giao diện Iu-h: Nằm giữa HNB và HNB-GW, bao gồm một giao thức ứng dụng HNB (HNBAP) cho phép thuận lợi trong triển khai các HNB đặc biệt. Giao điện này đưa ra một phương pháp cho việc truyền tín hiệu điều khiển Iu trên Internet. 3 Tổ hợp ba diễn đàn về công nghệ băng rộng là 3GPP, Femto và Broadband đã công bố tiêu Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 6 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL chuẩn femtocell đầu tiên trên thế giới được 3GPP chính thức xuất bản, mở đường cho việc chuẩn hoá femtocell để tạo ra một số lượng lớn, cho phép tương thích giữa các cổng truy nhập của các nhà cung cấp thiết bị khác nhau và các cổng kết nối femto (femto gateway). Tiêu chuẩn femtocell là một phần của tiêu chuẩn 3GPP phiên bản 8, hoàn toàn độc lập với phần mở rộng TR-069 (Technical Report-069) của diễn đàn Broadband.     phù hợp với giao diện vô tuyến 3G cho điện thoại di động phù hợp với hệ thống quản lý từ xa TR-069 phù hợp với giao diện Iu một điểm giao diện mới giữa femtocell và gateway femtocell được gọi là Iu-h Chuẩn femtocell bao gồm bốn phần chính: cấu trúc mạng; các giao diện và can nhiễu vô tuyến; quản lý, dự liệu và an ninh cho femtocell. Về mặt cấu trúc mạng, giao diện chủ yếu giữa hàng triệu femtocell tiềm năng và các gateway trong lõi mạng được gọi là Iuh. Việc sử dụng lại các giao thức 3GPP UMTS sẵn có và mở rộng chúng nhằm mục đích hỗ trợ các nhu cầu triển khai femtocell số lượng lớn. Chuẩn mới chấp nhận giao thức quản lý TR-069 của diễn đàn Broadband, được mở rộng để hợp thành một mô hình dữ liệu mới cho femtocell và đã được cộng tác phát triển bởi các thành viên của hai diễn đàn Femto và Broadband. Kết quả là diễn đàn Broadband đã xuất bản Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 7 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL thành TR-196 (Technical Report 196). TR-069 đã thực sự được sử dụng rộng rãi trong các mạng cố định băng rộng và các thiết bị chuyển đổi (set-top box) và sẽ cho phép các nhà khai thác di động triển khai hệ thống một cách đơn giản và có thể dự liệu, chẩn đoán và cập nhật phần mềm tự động từ xa. Chuẩn mới cũng sử dụng kết hợp các giải pháp an ninh bao gồm các giao thức IKEv2 (Internet Key Exchange v2) và Ipsec (IP Security) để xác nhận nhà khai thác và thuê bao nhằm đạt được một sự bảo đảm bảo mật trong quá trình trao đổi dữ liệu. Dựa vào thành công đó công nghệ femtocell hợp nhất theo chuẩn 3GPP phiên bản 9, hướng đến LTE femtocell cũng như hỗ trợ chức năng tiên tiến hơn cho femtocell 3G. Tiêu chuẩn femtocell cũng đang được phát triển cho các công nghệ giao diện vô tuyến bổ sung phù hợp với các nhóm công nghệ khác. Trong Rel-8, 3GPP được định nghĩa là cách thức cơ bản cho sự phát triển của HNB (Home NodeB) và HeNB (Home eNodeB). Những yêu cầu đó được đề nghị trong TS 22.011. Trong Rel-9 cũng đề cập đến những yêu cầu từ Rel-8 và những yêu cầu cho HNB và HeNB trong TS22.220. TR23.832 đề cập liến trúc IMS cho HNB (HNB và HNB Gateway) như 1 dung lượng tùy ý của HB, ví dụ như một người khai thác mạng offload CS đến IMS. Từ Rel-8, một đặc trưng quan trọng được gọi là CSG( Closed Subscriber Group) được giới thiệu. HNB cung cấp cho những người dùng truy cập bị giới hạn, phụ thuộc vào CSG. 1 hoặc nhiều tế bào thành tế bào CSG, được nhận dạng bởi sự nhận dạng số độc nhất, gọi là CSG Identify. Nó được mô tả trong TS25.367. • TS22.220 : Service requirements for HNB and HeNB • TR23.830 : Architecture aspects of HNB and HeNB • TR23.832 : IMS aspects of architecture for HNB • TS25.467 : UTRAN architecture for 3G HNB • TS25.367 : Mobility procedures for Home Node B (HNB) • TS25.469 : UTRAN Iuh interface HNB Application Part (HNBAP) signalling • TR25.820 : 3G Home Node B (HNB) study item • TR25.967 : FDD Home Node B (HNB) RF Requirements • TS32.581 : HNB OAM&P, Concepts and requirements for Type 1 interface HNB to HNB Management System • TS32.582 : HNB OAM&P, Information model for Type 1 interface HNB to HNB Management System • TS32.583 : HNB OAM&P, Procedure flows for Type 1 interface HNB to HNB Management System • TR32.821 : Study of Self-Organizing Networks (SON) related OAM Interfaces for Home HNB • TR33.820 : Security of HNB/HeNB • TS25468 : UTRAN Iuh Interface RANAP User Adaptation (RUA) signaling Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 8 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL UMTS Network Architechture Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 9 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL The Radio Access Network (RAN) : trong UMTS, RAN töông ñöông BSS trong maïng GSM. Noù lieân keát UEs vaø maïng loõi. Radio NetworkController (RNC) töông ñöông BSC trong maïng GSM coù chöùc naêng ñieàu khieån moät vaøi node B vaø thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) và có khả năng giao tiếp trực tiếp với RNCs khác thông qua giao diện Iur. Giao tiếp RNC với các mạng lõi bằng một giao diện gọi là Iu. RNC thực hiện Call Admission Control (CAC) và chấp nhận hoặc từ chối cuộc gọi phụ thuộc vào NodeB yêu cầu cuộc gọi. Femtocell 3G phủ sóng vô tuyến 3G trong nhà, khu vực công cộng và các tòa nhà văn phòng. • Mỗi Femtocell có thể hỗ trợ 16 người sử dụng tại cùng một thời điểm trong phạm vi 600m • Tốc độ tải xuống lên tới 22 Mbps và tốc độ tải lên tới 6 Mbps Dễ cài đặt, chi phí triển khai thấp Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 10 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL Nhiễu là một vấn đề quan trọng trong thông tin di động, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, khi xử lí tín hiệu và truyền tín hiệu thì tín hiệu sẽ bị méo dạng hoặc có tạp âm xen vào trong thiết bị tái tạo tín hiệu. Femtocell được lắp đặt tại nhà của khách hàng, các tòa nhà văn phòng bằng cách sử dụng lớp tế bào Marco cellular layer…Đây là một môi trường không có sự quản lí chặt chẽ nên nhiễu rất dễ xuất hiện. 5.1. Nhiễu đồng kênh ( Cochannel Interference) Nhiễu đồng kênh là hiện tượng nhiễu do các nguồn phát phát ra tín hiệu ở cùng một tần số hoặc cùng một kênh phát sóng. Máy thu sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ khác nhau tùy vào vị trí và công suất của trạm phát. Trong hệ thống femtocell, nhiễu đồng kênh xảy ra do sử dụng lại tần số nhằm tăng dung lượng cho hệ thống. Khi 1 điểm truy cập Femtocel quá gần trạm macrocell (nhỏ hơn 50m),làm cho điểm truy nhập bị giới hạn về hiệu quả phủ sóng, bởi vì mức tín hiệu cao nhận được từ m đồng kênh. Khi 1 điểm truy cập quá xa macrocell, làm cho các thiết bị di động dùng trong macrocell không bắt được tín hiệu từ macro. Đặc trưng cho nhiễu đồng kênh là tỉ số C/I( tỉ số sóng mang trên nhiễu) thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các femtocell khác C/I = 10log (Pc/Pi) Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 11 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL Yêu cầu là C/I <=12dB. Trong đó : − Pc là công suất tín hiệu thu mong muốn. − Pi là công suất nhiễu thu được. 5.2 Nhiễu kênh kề ( Adjacent channel interference) Nhiễu kênh kề xảy ra do tín hiệu từ các macrocell lân cận đối với thiết bị di động trong vùng macrocell đang xét, hoặc do nhiễu của các nhà cung cấp dịch vụ . 5.3 Kết luận: Nhiễu đồng kênh:  Thiết kế mạng cellular phù hợp.  Thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau =>khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn. Nhiễu kênh kề:  Cần có 1 bộ lọc tốt để có thể loại bỏ tần số không mong muốn. Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 12 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL Các giải pháp cho phép kết nối từ femtocell đến mạng lõi di động (core network –CN) Trong phần này, nhóm tập trung trình bày quá trình tích hợp femtocell vào mạng 3G UMTS và dịch vụ thoại trên mạng chuyển nối mạch (circuit-switched) sẽ được lấy làm ví dụ minh họa. Điều này không ngăn cản việc dùng giải pháp femtocell để tích hợp với mạng GSM/GPRS hay cả mạng WiMAX, cũng như việc dùng các dịch vụ đa phương tiện trên mạng chuyển nối gói thông qua femtocell. Trên thực tế, chính các dịch vụ chuyển nối gói này mới là động lực lớn thúc đẩy người dùng đón nhận femtocell. Trong mạng thông tin di động thế hệ thứ 3G UMTS, các trạm phát sóng Node B (bao gồm các macro-cell, micro-cell hay cả pico-cell) kết nối trực tiếp với khối điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) bằng đường truyền dành riêng như E1/T1. Các RNC ghép các lưu lượng dữ liệu từ các Node B trước khi gửi chúng đến mạng lõi di động. RNC phân phát lưu lượng thoại (của mạng chuyển nối mạch) đến các tổng đài MSC (Mobile Switching Center) thông qua giao diện Iu-CS và dữ liệu gói (của mạng chuyển nối gói) đến SGSN (Serving GPRS Support Node) thông qua giao diện Iu-PS. Vì lý do giá thành và tiện lợi sử dụng, femtocell phải đáp ứng tính năng (plug-and-play) giống như cách mà người ta cài đặt và sử dụng một trạm truy nhập WiFi. Trong tương lai, hàng ngàn femtocell sẽ được nối kết với kiến trúc mạng lõi di động thông qua mạng công cộng Internet. Điều này đặt ra bài toán về khả năng mở rộng (scalability), tính bảo mật và sự chuẩn hóa của các thiết bị và giải pháp. Dưới đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu 4 giải pháp đã được đề nghị để kết nối thiết bị femtocell đến mạng lõi di động. Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 13 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL a) Kiến trúc dựa trên UMTS Giải pháp đầu tiên đi theo hướng giữ nguyên hạ tầng mạng nằm phía sau RNC. Việc liên lạc từ các femtocell về mạng lõi sẽ thực hiện bằng đường hầm IP được bảo mật thông qua mạng IP băng rộng công cộng. Chúng ta có thể phân ra 2 loại: Iub trên IP (nếu đường hầm IP được thiết lập giữa femtocell và RNC) và Iu trên IP (nếu đường hầm được thiết lập giữa RNC và MSC/SGSN). Trong khung giải pháp này, Iu-concentrator (còn được gọi là Femtocell Gateway FGW) được đề nghị để như điểm tập trung lưu lượng thông tin từ hàng nghìn femtocell trước khi đi vào mạng lõi di động để tăng khả năng mở rộng (scalability). Giải pháp Iub trên IP Trong giải pháp này, femtocell đóng vai trò của một Node B, còn FGW sẽ nằm giữa femtocell và RNC như minh họa ở hình 1. Giải pháp này thích hợp khi có ít người kết nối với femtocell cùng lúc (ví dụ trong gia đình hay văn phòng ít người). Tùy theo số lượng femtocell kết nối với FGW mà FGW và RNC có thể thiết kế trong cùng một thiết bị hay 2 thiết bị riêng lẻ. Ở đây ta xét trường hợp chúng tách biệt nhau và liên lạc giữa FGW và RNC thực hiện trên giao diện Iub. Hình 1 : Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 14 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL Hình 2 : Bộ giao thức của giải pháp « Iub trên IP » Femtocell có số xác thực gồm 16 bit như một cell-ID. FGW có nhiệm vụ ghép lưu lượng từ nhiều femtocell đến và chuyển tiếp chúng đến RNC dùng giao thức FP (Framing Protocol). Giao thức Iub được đóng gói trong các gói IP (còn gọi là đường hầm Iub). Bảo mật sẽ được đảm bảo bởi giao thức IPSec. Ngay lúc đầu lắp đặt, femtocell sẽ tạo một liên hiệp bảo mật với FGW để tránh những thông tin thuê bao giả đến từ mạng IP công cộng. Femtocell dùng TR-0691 hay một cơ chế tương tự để cấu hình địa chỉ IP của nó từ một máy chủ cấu hình tự động ACS (Auto Configuration Server). RNC và FGW sẽ cùng nhau thực hiện chức năng quản lý tài nguyên, đặc biệt dành riêng cho các chuyển giao giữa femtocell và macrocell. Nếu mạng lõi không hỗ trợ truyền tải IP, RNC sẽ làm nhiệm vụ chuyển đổi IP-sang-ATM và ngược lại. Các chức năng như quản lý di động MM (Mobility Management) và điều khiển cuộc gọi CC (Call Control) được thực hiện bởi mạng lõi. Với giải pháp này, nếu femtocell và macrocell cùng thuộc sự quản lý của một RNC, sự chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ thuộc loại intraRNC. Trong trường hợp ngược lại, sự chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ là inter-RNC. Khi chuyển giao từ macrocell sang femtocell, the CN và UE sẽ chọn femtocell thích hợp, thiết lập báo hiệu Iub và tạo đường hầm vận tải thông qua mạng IP công cộng giữa FGW và femtocell. Tài nguyên vô tuyến giữa femtocell và UE được quản lý bởi giao thức RRC (Radio Resource Control) ở RNC. Một khi việc thiết lập đường hầm Iub hoàn tất, mạng lõi sẽ chuyển cuộc gọi sang femtocell. Trong chuyển giao từ femtocell sang macrocell, RNC sẽ tiến hành thiết lập kết nối với macrocell trước khi chuyển cuộc gọi sang macrocell. Trong chuyển giao giữa 2 femtocell, RNC sẽ đóng vai trò là nút neo (anchor) trong quá trình thiết lập đường hầm Iub tới femtocell đích đến. Trở ngại của giải pháp này nằm ở giới hạn mở rộng của RNC để đáp ứng hàng ngàn Node-B (bao gồm các femtocell). Để khắc phục phần nào tình trạng này, FGW đã được đề nghị. Mặc dù giao diện Iub là một giao diện chuẩn nhưng nó lại có thêm nhiều đặc tính riêng tùy thuộc theo Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 15 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL giải pháp của nhà cung cấp thiết bị mạng. Chính vì thế, nó thiếu một sự nhất quán chung giữa những nhà sản xuất thiết bị khác nhau. Giải pháp Iu trên IP Trong giải pháp này, các femtocell sẽ được tích hợp với mạng lõi di động thông qua các FGW như minh họa ở hình 3. Những chức năng của RNC và Node B sẽ được cài đặt trên femtocell và do đó femtocell sẽ liên lạc với FGW thông qua giao diện 3G Iu trên IP. Số nhận diện của femtocell trong trường hợp này khi liên lạc với FGW có dạng địa chỉ của một RNC (12 bits). FGW tạo đường hầm cho các thông điệp báo hiệu RANAP từ femtocell đến mạng lõi. Nếu mạng lõi không hỗ trợ vận tải IP, FGW sẽ đảm nhiệm việc chuyển đổi giữa truyền tải IP và truyền tải ATM nhờ vào giao thức truyền tải báo tin SIGTRAN. Cũng giống như trên, trong giải pháp Iub trên IP, ngay khi lắp đặt, femtocell sẽ tạo một liên hiệp bảo mật với FGW và dùng TR069 hay một cơ chế tương tự để cấu hình địa chỉ IP của nó. Thêm vào đấy, femtocell sẽ sử dụng ACS để cấu hình các thông số quản lý tài nguyên cũng như thuật toán thực hiện trong môi trường femtocell. Hình 3: Kiến trúc giải pháp Iu trên IP FGW là điểm tập trung lưu lượng từ hàng ngàn femtocell gửi đến và tách gửi lưu lượng thoại và dữ liệu đến tổng đài MSC và SGSN giống như chức năng của một RNC. Ví dụ, thông tin thoại sẽ được gửi từ femtocell đến FGW dùng RTP trên UDP, sau đó FGW sẽ chuyển đổi thông tin thoại này sang IP, ATM hay DTM tương ứng với truyền tải của mạng lõi. Tóm lại, FGW giả lập vai trò của mạng lõi di động đối với các femtocell và giả lập RNC đối với mạng lõi di động. Do vậy, với giải pháp này ta không cần bất cứ sự thay đổi nào ở hạ tầng mạng lõi. Để bảo mật thông tin gửi từ femtocell đến FGW qua mạng IP công cộng, giao thức IPSec được chọn dùng. Một cổng bảo mật sẽ được cài đặt cùng với FGW . Đây cũng chính là điểm kết thúc của các đường hầm IPSec đến từ các femtocell. Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 16 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL Hình 4: Bộ giao thức của giải pháp « Iu trên IP » Khi người dùng chuyển giao từ femtocell sang một macrocell, nếu cả 2 đều cùng thuộc sự quản lý của một MSC/SGSN, chuyển giao này sẽ thuộc loại inter-RNC. Nếu không, chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ được thực hiện như một chuyển giao inter-MSC/SGSN. Khi chuyển từ một macrocell sang một femtocell, UE và CN sẽ xác định femtocell thích hợp dựa vào danh sách các cell cận kề, thiết lập báo hiệu Iu và đường hầm truyền tải giữa femtocell và FGW thông qua mạng IP. Việc quản lý tài nguyên giữa femtocell và UE được thực hiện nhờ sự phối hợp của giao thức RRC và RANAP (như hình 4). Một khi đường hầm Iu được thiết lập, mạng lõi sẽ chuyển cuộc gọi thoại tới femtocell sử dụng giao thức quản lý di động MM và giao thức quản lý cuộc gọi CC ở MSC và UE. Trong quá trình chuyển giao theo chiều ngược lại, tức từ femtocell sang macrocell, giao thức RANAP tại MSC và giao thức RRC tại RNC đích đến thiết lập kết nối ở macrocell trước khi cuộc gọi được chuyển giao. Đối với chuyển giao giữa 2 femtocell, MSC/SGSN đóng vai trò như một điểm neo để thiết lập đường truyền và đường hầm Iu mới tới femtocell đích đến. Femtocell có chức năng quản lý tài nguyên cục bộ giữa femtocell và những người dùng. Tuy nhiên, chất lượng dịch vụ phụ thuộc vào sự kết nối với mạng IP công cộng. Những vấn đề như độ trễ IP hay mất gói tin dĩ nhiên sẽ ảnh hướng đến chất lượng dịch vụ trên femtocell. Đây là một giải pháp nhanh nhất và đơn giản nhất để triển khai femtocell. Tuy nhiên, do tất cả dung lượng từ các kết nối femtocells sẽ đổ về mạng lõi, điều này có thể sẽ dẫn đến yêu cầu phải nâng cấp mạng lõi. b) Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN Công nghệ UMA cho phép thực hiện các dịch vụ GSM /GPRS trên các băng tần không cấp phép (sử dụng cho Bluetooth và WiFi). UMA đã được 3GPP chuẩn hóa với tên gọi là công nghệ GAN (Generic Access Network). UMA/GAN đề nghị một thực thể mới gọi là GANC (GAN controller), hay UNC (UMA Network Controller) để thực hiện các chức năng giống như một bộ Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 17 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL điều khiển trạm gốc BSC trong GSM. GAN định nghĩa một giao diện Up mới giữa GANC và thiết bị di động UE. c) Kiến trúc dựa trên IMS Giải pháp này nhằm kết nối femtocell trực tiếp với mạng lõi IMS (IP Multimedia Subsystem). Một giải pháp thay thế trong cùng hướng này là dùng softwitch trong đó các femtocell được kết nối với các softwitch thông qua giao diện SIP (Session Initiation Protocol). Việc kết nối trực tiếp với IMS lõi mang lại nhiều lợi ích như: giảm tải lưu lượng cho mạng lõi di động vì lưu lượng từ các femtocell sẽ không phải đi qua mạng lõi, giảm thời gian truyền tải vì giảm số nút mạng mà một gói thông tin phải đi qua. Cuối cùng, đây một giải pháp dài hạn để cung cấp dịch vụ đa phương tiện của IMS trong tương lai. Keát luaän: Ta thấy có nhiều cách để tích hợp hàng nghìn femtocells với mạng lõi di động. Mỗi giải pháp có những điểm mạnh và những điểm yếu riêng, có sức hấp dẫn riêng đối với từng nhóm nhà cung cấp dịch vụ. Trong mọi trường hợp, phần cứng của femtocell sẽ không thay đổi, chỉ có phần mềm và giao diện báo hiệu mà femtocell phải hỗ trợ là thay đổi. Do đó khả năng nâng cấp phần mềm từ xa ở femtocell là một yếu tố cần thiết. Việc tồn tại nhiều giải pháp kiến trúc dẫn đến yêu cầu về tương vận giữa các thiết bị, các giải pháp. Quản lý giao diện vô tuyến của các Femtocell gần giống với quản lý macrocell thông thường, tuy nhiên với một số lượng lớn Femtocell nên các vấn đề gặp phải cũng tăng lên. Các tiền đề cho việc triển khai thuê bao Điểm truy nhập Femto sẽ được triển khai tại nhà khách hàng và một số môi trường không kiểm soát. Bởi thế các khách hàng có thể thực hiện một số hoạt động có thể ảnh hưởng tới hiệu năng hoạt động của lớp Femtocell mà không thông báo cho nhà khai thác. Những hành động như vậy bao gồm: - Tháo bỏ và thiết lập lại nguồn, ngắt kết nối DSL. - Di chuyển vị trí vật lý điểm truy nhập Femto, thiết đặt lại điểm truy nhập Femto. - Sử dụng cùng đường kết nối DSL với các ứng dụng dữ liệu khác. - Một số hành động khác gồm cả tác động va đập với điểm truy nhập Femto. Các yêu cầu quản lý Femtocell Các nhà cung cấp sẽ yêu cầu các điều khoản về khả năng quản lý các Femtocell, không mâu thuẫn với các hệ thống quản lý được sử dụng cho các macrocell thông thường. Danh sách những yêu cầu được liệt kê dưới đây có thể hữu dụng trong việc lập hợp đồng: - Quản lý bản kiểm kê (đặc biệt là phân phối lẻ tới khách hàng). - Dữ liệu thiết bị Femtocell cho các điểm truy nhập Femto cá nhân hoặc tập thể. - Có khả năng nhận biết các điểm truy nhập Femto cá nhân và kết nối với khách hàng. Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 18 Nhóm 1 – ĐVK1 FEMTOCELL - Kích hoạt/giải phóng thiết bị Femtocell, có khả năng thiết lập hoặc ngắt truyền dẫn vô tuyến Femtocell, khống chế được bất kỳ điều khiển nào do khách hàng tạo ra. - Quản lý cấu hình. Khả năng cấu hình các thông số vô tuyến quan trọng như là năng lượng truyền, tần số…. Chú ý rằng cũng có thể cấu hình tự động những thông số này, tuy nhiên các nhà cung cấp sẽ có các tùy chỉnh để có thể khống chế các tình huống. - Quản lý hỏng hóc 1. Cảnh báo và thông báo dùng để nhận biết các hỏng hóc do người sử dụng tắt FAP hoặc các kết nối băng rộng. 2. Nhận biết vị trí và có khả năng cấu hình lại hoặc ngắt điểm truy nhập Femto nếu như vị trí bị thay đổi. - Quản lý thay đổi, bao gồm khả năng điều khiển nâng cấp phần mềm - Kiểm soát dịch vụ, quản lý hiệu năng hoạt động và dung lượng - Quản lý danh sách cấp điều khiển truy nhập. Thêm nữa, các nhà cung cấp phải có khả năng cấu hình, thay đổi, và khống chế được những thay đổi của khách hàng. Tổng kết và khuyến nghị Một hệ thống quản lý đầy đủ sẽ là một chỉ số quan trọng đánh giá sự thành công của việc triển khai Femtocell. Nó rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt cho khách hàng và tránh được những chi phí không cần thiết trong việc quản lý và hỗ trợ giải pháp Femtocell. Các nhà khai thác cần có khả năng kiểm soát, điều khiển và nâng cấp điểm truy nhập Femto trong nhà khách hàng. Các nhà cung cấp đã đề xuất giải pháp TR-069 trên diễn đàn băng rộng để giải quyết việc điều khiển những yêu cầu quản lý. TR-069 là tập các giao thức để giải quyết những yêu cầu của các modem DSL và việc cấu hình của chúng. Tuy nhiên, TR-069 không đủ để chi tiết hóa các thông số về vô tuyến và cấu hình người sử dụng, chúng có thể yêu cầu sự mở rộng của các tiêu chuẩn hiện tại hoặc các phương pháp khác cho việc cấu hình. Hiện tại BBF và FF đang làm việc trên một mô hình chung và sẽ được đề cập đến trong chuẩn 3GPP SA5. Đề xuất được đưa ra đó là cần có sự hợp tác trong công nghệ thông qua các diễn đàn Femto, diễn đàn Băng rộng (thường được biết tới là diễn đàn DSL), 3GPP và Liên minh Di Động Mở (Open Mobile Alliance) để định hướng và tạo điều kiện cho sự xây dựng các quản lý tiêu chuẩn cho hệ thống quản lý Femtocell. Kiểm soát vị trí điểm truy nhập Vì các Femtocell hoạt động trong phổ vô tuyến cho phép, nên các nhà khai thác cần phải kiểm soát vị trí Femto hoạt động để xác định điểm truy nhập hoạt động trong nước hoặc dải tần nằm ngoài dải cho phép. Hệ thống quản lý Femtocell phải có khả năng ngắt hoặc ngăn sự khởi tạo của điểm truy nhập nếu vị trí không thể được xây dựng. Điều này yêu cầu một kết nối tới hệ thống quản lý trong quá trình thiết bị khởi tạo và sau đó là vị trí chính xác được xác nhận trong quá trình thiết bị hoạt động. Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 19 Nhóm 1 – ĐVK1 Kỹ thuật AGPS Mạng Macro sniffing Cổng DSL/địa chỉ IP FEMTOCELL Độ chính xác Độ chính xác <100m Độ chính xác <300m (đô thị) Phụ thuộc vào RIR tuy nhiên có thể xác định khu vực/quốc gia Địa chỉ cài đặt cung cấp cho Ánh xạ địa chỉ chính xác thuê bao Bảng 1. Vị trí vật lý và bảo vệ của các điểm điểm truy nhập Femto Khi đưa Femtocell vào nhà các thuê bao sẽ mở ra mạng di động với những rủi ro mới và cần phải được bảo đảm. Các khách hàng sẽ có truy nhập trực tiếp tới một hạng mục của thiết bị mà có kết nối trực tiếp tới mạng di động. Họ sẽ có khả năng truy nhập vật lý vào phần cứng của các thành phần của thiết bị và thích ứng hoặc thay đổi thiết bị để cho phép sử dụng gian lận gần giống với khi thực hiện với thiết bị thu vệ tinh và cáp. Khuyến nghị các nhà khai thác sử dụng tính năng O&M để đề phòng truy nhập bất hợp pháp vào điểm truy nhập Femto, bao gồm giả mạo thông báo, sự cố mềm tự động và thông báo nếu các thành phần hoặc các thông số quan trọng như là năng lượng truyền bị tác động thay đổi. Các điểm truy nhập phải được củng cố cả về mặt vật lý và logic, thí dụ củng cố hệ điều hành (OS), không có cổng mở, đo đạc để tránh các dữ liệu nhạy cảm đến hệ thống đường truyền dẫn và bộ nhớ của thiết bị, ngăn cản, bảo vệ, dựa trên nền tính toán tin cậy... Việc khởi động các phần mềm cho các điểm truy nhập phải được bảo vệ bởi mật hóa như là sử dụng một TPM (Trusted platform module) và cập nhật dữ liệu cho toàn bộ các phần mềm, thay đổi cấu hình cũng phải được đảm bảo bởi mật hóa. Điểm truy nhập Femto phải được cung cấp một bộ hiển thị cho cả mục đích bảo vệ và cảnh báo. Nhận thực thiết bị Femtocell Sử dụng UICC được đề xuất trong 3GPP SA3 TR như là một tùy chọn điều khiển hỗ trợ nhận thực thiết bị, tuy nhiên cách tiếp cận này có thể không phải là một tùy chọn được sử dụng. Sự triển khai của một cơ cấu phù hợp để ghép cặp UICC và FAP sẽ tạo điều kiện cho việc nhận thực của một FAP với một thẻ bài an toàn như là thẻ UICC. Ghép cặp an toàn yêu cầu một kênh an toàn được xây dựng giữa điểm truy nhập Femto và UICC. Một ví dụ triển khai được thể hiện trong ETSI TS 102 484. Một cơ cấu ghép cặp thiết thực, không nhạy cho kiểu thỏa hiệp bảo mật mà đã được chứng minh qua cơ cấu khóa SIM trong các thiết bị di động cầm tay, có thể được sử dụng để gắn kết UICC với FAP. Như vậy cơ cấu sẽ giảm nh , nếu không chống lại, rủi ro của việc dùng thẻ bài nhận thực trong các thiết bị cấm. Điều này sẽ ngăn các thiết bị cấm được trang bị vào các bộ đọc UICC từ truy nhập nhận được tới nhà điều mạng IP. Thông tin chi tiết được cung cấp trong TR 33.820, ở đó TPM là bắt buộc và UICC cho máy chủ nhận thực là có khả năng điều chỉnh để được sử dụng và triển khai trong FAP. Hà My Lương Ngọc Trinh Võ Thị Ngân Huyền Page 20