Tích hợp Femtocell vào mạng thông tin di động 2G/3G

1) Giới thiệu

Femtocell là một trạm phát sóng nhỏ của mạng thông tin di động tế bào được dùng để nâng cao chất lượng dịch vụ và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng ở phạm vi gia đình hay văn phòng, công sở. Femtocell được xem như trạm phát sóng trong nhà (home base station) hay điểm truy nhập mạng tế bào giống điểm truy nhập WiFi. Femtocell là cổng kết nối của mạng thông tin di động tế bào đặt tại nhà khách hàng. Sự khác biệt lớn của femtocell so với các macrocell hay microcell truyền thống là femtocell kết nối với mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua mạng cố định băng rộng như DSL hay cáp, thay vì thông qua mạng riêng của nhà cung cấp dịch vụ di động.

Femtocell là một giải pháp cho hội tụ cố định – di động, cung cấp kết nối tốc độ cao cho người dùng trong nhà. Những tiềm năng về dịch vụ đa phương tiện trong tương lai chính là đòn bẩy cho việc triển khai femtocell. Đây là một giải pháp thay thế cho giải pháp hội tụ cố định-di động UMA (Unlicensed Mobile Access) hiện gặp không ít khó khăn trong việc thu hút người dùng. Sự khác biệt lớn nhất giữa UMA và femtocell là femtocell sử dụng cùng giao diện vô tuyến như mạng thông tin di động thay vì dùng WiFi. Do vậy, người dùng femtocell không nhất thiết phải trang bị điện thoại dual-mode (có thể kết nối với WiFi và GSM/UMTS).

2) Động lực cho giải pháp femtocell

Dự báo thị trường

Theo nghiên cứu gần đây của ABI Research thì đến hết năm 2011, sẽ có hơn 70 triệu femtocell được bán ra thị trường, cung cấp dịch vụ cho khoảng 150 triệu người. Con số này tương đương với một phần ba doanh thu của thị trường Wi-Fi, tức tầm 2 tỷ đôla. Còn theo một dự báo của công ty tư vấn OVUM thì riêng ở Tây Âu, tính đến 2011 sẽ có khoảng 11 triệu femtocells được cài đặt. Thực tế cho thấy có hơn 30% cuộc gọi di động và hơn 35% người dùng dịch vụ Tivi di động khi đang ở tại nhà. Theo một điều tra gần đây của Quality Resource Associates ở California, 43% số người trong cuộc điều tra này trả lời sẽ xem xét việc dùng giải pháp femtocell để có một kết nối tốt hơn trong phạm vi gia đình.

Lợi ích mà công nghệ hứa hẹn mang đến cho người dùng:

§  Giảm chi phí gọi điện thoại di động tại nhà.
§  Có một kết nối tốt, chất lượng dịch vụ tốt hơn, tốc độ cao hơn
§  Tiết kiệm năng lượng tiêu tốn
§  Cuối tháng chỉ cần chi trả một hóa đơn duy nhất cho cả điện thoại cố định và di động
§  Nhiều người có thể cùng dùng chung một femtocell (femtocell hiện tại có thể hỗ trợ đồng thời 5-6 kết nối di động ).

Lợi ích cho nhà cung cấp mạng di động:

§  Cạnh tranh cũng như giảm mối đe dọa từ các dịch vụ VoIP của nhà cung cấp dịch vụ Internet.
§  Tăng sự trải nghiệm của khách hàng và giảm việc khách hàng bỏ sang dùng mạng của nhà cung cấp khác.
§  Tăng chất lượng phủ sóng trong các công trình cũng như tăng dung lượng và các dịch vụ giá trị gia tăng cho người dùng.
§  Tăng doanh thu bình quân của một thuê bao/tháng ARPU
§  Khuyến khích người dùng sử dụng 3G hay WiMAX, từ đó tăng số thuê bao 3G, WiMAX trong tương lai.

Như vậy, giải pháp femtocell hứa hẹn mang lại lợi nhuận và tiện ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn người sử dụng dịch vụ.

3) Các giải pháp cho phép kết nối từ femtocell đến mạng lõi di động (core network –CN)

Trong bài viết này, tác giả 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 mạnh) 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 cắm và chạy (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.

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

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-069[1] 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 intra-RNC. 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 giảp 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 dùng giao diện Iub là một giao diện chuẩn nhưng nó lại có thêm nhiều đặc tính riêng tùy thuộc theo 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 TR-069 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.

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 điều khiển trạm gốc BSC trong GSM. GAN định nghĩa một giao diện Up mới giữa GANC và thiết bị di động UE.

Về nguyên tắc, femtocell cũng giống như UMA/GAN ngoại trừ việc femtocell sử dụng băng tần cấp phép 2G/3G thay vì băng tần không phép như WiFi hay Bluetooth. Do vậy, giải pháp UMA/GAN có thể được mở rộng đế hỗ trợ giải pháp femtocell bằng cách tích thêm các chức năng của FGW vào trong bộ điều khiển GANC. Hướng giải pháp này rất phù hợp cho những nhà cung cấp mạng đã triển khai hạ tầng GAN/UMA để cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng của công nghệ HSPA (High Speed Packet Access). Kiến trúc kết nối sẽ giống như ở hình 3. Tuy nhiên các liên lạc giữa femtocell và FGW sẽ được thực hiện trên giao diện Up của giải pháp UMA. Chồng giao thức báo hiệu của giải pháp này được minh họa ở hình 5 dưới đây.

Hình 5 : Bộ giao thức của giải pháp dựa trên UMA/GAN

Trong giải pháp này, FGW sẽ đóng vai trò như một GANC. FGW liên lạc với mạng lõi bằng giao diện Iu.  FGW xem femtocell như một thiết bị IP và do vậy FGW liên lạc với femtocell bằng địa chỉ IP và số cổng. Femtocell sẽ chuyển đổi lưu lượng thoại từ UE gửi đến sang gói rồi chuyến đến FGW trên giao thức truyền tải RTP/UDP. FGW phải chuyển đổi gói RTP trở lại lưu lượng thoại trước khi gửi đến tổng đài MSC.  Nhiều lần chuyển mã trên nhiều mạng truyền tải khác nhau có thể dẫn tới giảm chất lượng thông tin thoại. Do vậy, cần phải có các cơ chế quản lý QoS chặt chẽ hơn trên giao diện Up. Quá trình chuyển giao ở giải pháp này dựa trên nguyên tắc rất giống với giải pháp Iub-trên-IP trình bày ở trên.

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.

Ở phía mạng lõi IMS, femtocell có thể giao tiếp trực tiếp với softwitch thực hiện chức năng CSCF (Call Session Control Function) thông qua giao thức SIP, giao tiếp với HSS (Home Subscriber Server) thông qua giao thức Diameter cho chức năng xác thực, ủy quyền và tính cước AAA (Authentication, Authorization, and Accounting) (như minh họa hình 6). Femtocell cũng có thể chọn lựa giao tiếp với các thiết bị kể trên thông qua một cổng gói dữ liệu PDG (Packet Data Gateway). Về khía cạnh truyền tải thông tin thoại, femtocell sẽ truyền lưu lượng thoại trên gói RTP đến mạng lõi IMS. Chồng giao thức báo hiệu minh họa sự phối hợp các thực thể mạng được thể hiện ở hình 7.

Hình 6 : Kiến trúc giải pháp dựa trên IMS/SIP

Hình 7 : Bộ giao thức của giải pháp dựa trên IMS/SIP

Quá trình chuyển giao trong giải pháp này thuộc loại chuyển giao inter-MSC/SGSN. Để đảm bảo sự chuyển giao liên tục từ femtocell  đến macrocell, mạng lõi di động và mạng lõi IMS sẽ phải phối hợp các thông điệp quản lý di động và điều khiển quản lý tài nguyên một cách riêng biệt trên mạng vận tải báo hiệu, đồng thời đảm bảo sự liền mạch của cuộc gọi. Khi chuyển giao từ macrocell sang femtocell, MSC đóng vai trò là điểm neo. Báo hiệu chuyển giao được khởi tạo trên mạng IMS thông qua CSCF. Trong IMS, CSCF khởi tạo báo hiệu SIP để thiết lập đường vận tải báo hiệu và dữ liệu với femtocell đích đến. Sự liên mạng giữa giao thức SIP và RRC/MM được thực hiện tại femtocell. Trong chuyển giao từ femtocell sang lại macrocell, MSC vẫn sẽ là điểm neo. Tuy nhiên CSCF cũng có thể làm điểm neo cho cuộc gọi bị chuyển giao. Để hỗ trợ liên tục các cuộc gọi,  chức năng chuyển vùng  DTF (Domain Transfer Function) định nghĩa bởi 3GPP sẽ được dùng.

Cũng giống như các giải pháp kể trên, chất lượng dịch vụ một lần nữa lại phụ thuộc vào chất lượng của mạng IP công cộng. Bên cạnh đó, việc hỗ trợ chuyển giao liên tục không vết ngắt giữa femtocell và macrocell cũng là một thách thức lớn. Giải pháp này rất thích hợp cho các nhà cung cấp mạng sở hữu cả dịch vụ di động, cố định và băng rộng vì nó tạo thuận lợi cho việc tích hợp dọc các loại hình mạng này với nhau.  Nếu nhà cung cấp mạng sở hữu mạng FTTx để cung cấp dịch vụ IPTV, họ có thể dùng giải pháp này để cung cấp IPTV trên thiết bị di động kết nối với femtocell.

Như đã trình bày ở trên, rõ ràng 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.

4) Kết luận

Bài viết này đưa ra một cái nhìn tổng quát về những giải pháp để tích hợp và triển khai công nghệ femtocell trong tương lai. Trái ngược với cho vẻ bề ngoài lôi cuốn, công nghệ femtocell vẫn ẩn chứa nhiều vấn đề nghiêm trọng cũng như nhiều hiểm họa. Femtocell, theo nhiều chuyên gia, vẫn chưa đạt được độ chín công nghệ, nhất là các vấn đề về phân cấp tần số, nhiễu gây ra giữa femtocell và macrocell hay các femtocell lân cận. Nhiễu giao thoa có thể tạo ra các vùng chết (dead-spot). Vì femtocell sẽ được lắp đặt gần giống như Wi-Fi nên nhà cung cấp hầu như không thể điều chỉnh vị trí của femtocell để hạn chế nhiễu. Giải pháp cho các thách thức này cần phải có các cơ chế dò tần số vô tuyến động, tự cấu hình nhanh lại tần số của femtocell để tránh nhiễu (giống như giải pháp vô tuyến nhận thức – radio cognitive).

Vấn đề chất lượng dịch vụ khi tích hợp với mạng cố định sẽ không thật dễ dàng. Do nhà cung cấp dịch vụ mạng di động femtocell không nhất thiết sở hữu mạng băng rộng IP, nên vấn đề QoS trên mạng IP nằm ngoài sự quản lý của nhà cung cấp dịch vụ. Thông tin thời gian thực từ femtocell đến mạng lõi di động sẽ phải cạnh tranh băng thông cùng với các lưu lượng thông tin khác trên mạng IP như P2P. Sự hội tụ chặt chẽ giữa mạng cố định và di động là cần thiết để có thể cung cấp dịch vụ chất lượng cao.

Hiện tại vẫn chưa có một chuẩn thống nhất hay một kiến trúc mạng thông nhất cho femtocell. Điều này cũng sẽ gây không ít khó khăn cho việc triển khai chúng rộng khắp. Ngoài các vấn đề kỹ thuật, vấn đề liên quan đến sức khỏe người tiêu dùng khi đem các trạm phát sóng vào tận trong nhà hay văn phòng cũng cần phải được quan tâm và xem xét một cách cận thận. Một khi câu trả lời về  các vấn đề này chưa rõ ràng, người tiêu dùng sẽ rất e ngại khi chấp nhận công nghệ femtocell.