Tiếp tục phát triển một cách logic, UMTS trở thành một trong những tiêu chuẩn 3G của tổ chức tiêu chuẩn hoá thế giới 3GPP Tổ chức những người bạn hợp tác về 3G và không chỉ định nghĩa gi
Trang 1KHOA VIỄN THÔNG I - -
TIỂU LUẬN TÌM HIỂU VỀ UTRAN
Nguyễn Thị Hường Nguyễn Việt Linh
Hà Nội, 10/2015
Trang 2M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU……… 1
DANH MỤC HÌNH VẼ 2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ UMTS VÀ UTRAN 3
1.1 Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS 3
1.2 Kiến trúc hệ thống UMTS 3
1.2.1.Mobile Station-MS (Hay User Equipment –UE) 4
1.2.2.UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network) 4
1.2.3.CN (Core Network) 6
1.3 Kiến trúc giao thức UTRAN 7
1.4 Các Giao diện của UTRAN 8
1.4.1 Iub 8
1.4.2.Iur – User/Control Plane 11
1.4.3.Giao diện Iu 13
1.4.4 Giao diên Uu 16
CHƯƠNG II: THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG MẠNG TRUY NHẬP UMTS UTRAN 17
Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub 17
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20, Hiệp hội Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) đã bắt đầu trưng cầu phương án kỹ thuật của tiêu chuẩn 3G và "vội vàng" gọi chung kỹ thuật 3G là UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) có nghĩa
là các hệ thống thông tin di động đa năng CDMA băng rộng (WCDMA) chỉ là một trongcác phương án được khuyến nghị (băng rộng lên tới 5 MHz)
Sau đó sự tham gia tích cực của Nhật Bản vào việc xây dựng các tiêu chuẩn này
đã thúc đẩy nhanh chóng sự phát triển của công nghệ 3G trên phạm vi toàn cầu Năm
1998, châu Âu và Nhật đạt được sự nhất trí về những tham số chủ chốt của Khuyến nghị CDMA băng rộng và đưa nó trở thành phương án kỹ thuật dùng giao diện không gian FDD (ghép tần số song công - Frequency Division Duplex) trong hệ thống UMTS
Tiếp tục phát triển một cách logic, UMTS trở thành một trong những tiêu chuẩn 3G của tổ chức tiêu chuẩn hoá thế giới 3GPP (Tổ chức những người bạn hợp tác về 3G) và không chỉ định nghĩa giao diện không gian; chủ thể của nó bao gồm các khuyếnnghị về các giao diện và một loạt các quy phạm kỹ thuật về các mạch kết nối và mạch phân nhóm nòng cốt của CDMA
UMTS là mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) sử dụng kỹ thuật trải phổ CDMA UMTS được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP UMTS đôi khi còn được gọi là3GSM để chỉ khả năng "interoperability" giữa GSM và UMTS UMTS được phát triểnlên từ các nước sử dụng GSM UMTS sử dụng băng tầng khác với GSM
W(wideband)-Mạng UMTS gồm hai phần, phầ một là mạng truy nhập vô tuyến (UMTS
UTRAN) và phần mạng lõi Vấn đề báo hiệu trong mạng USTM là một phần quan
trọng trong viễn thông Vì vậy nhóm chúng em sẽ đi tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến báo hiệu trong mạng truy nhập UMTS
Nội dung đề tài gồm 3 chương:
Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN
Chương II: Thủ tục báo hiệu trong mạng truy nhập UMTS UTRAN
Chương III: Kết luận
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Nguyễn Thanh Trà đã nhiệt tình góp ý, giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tiểu luận Do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng toàn thể các bạn! Page 3
Trang 4Tìm hi u v UTRAN ểu về UTRAN ề UTRAN
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kiến trúc mạng UMTS đơn giản
Hình1.2: UMTS UTRAN
Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng UMTS
Hình 1.4: Các giao diện UTRAN
Hình 1.5: Iub – Control Plane
Hình 1.6: Iub – User Plane
Hình 1.7: Iur – User/Control Plane
Hình 1.8: Kiến trúc giao diện Iu
Hình 1.9: IuCs – User/Control Plane
Hình 1.10: IuPS – User/Control Plane
Hình 1.11: Kiến trúc giao diện Uu
Hình 2.1: Thủ tục trao đổi thông tin báo hiệu qua Iub
Trang 5CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ UMTS VÀ UTRAN 1.1 Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS
Thế hệ di động thứ 3 (3G) là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 cho phép truyền
cả dữ liệu thoại và dữ liệu phi thoại (dữ liệu , mail, tin nhắn, hình ảnh…) Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dự liệu cao, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD Frequency-Division Duplexing lẫn TDD Time – Division Duplexing), CDMA2000 và TD-SCDMA
UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA
UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps)
Mỗi ngày trên thế giới số lượng mạng thương mai tăng lên nhanh chóng nên các nhà điều hành mạng và cung cấp thiết bị cần phải hiểu được việc xử lý và phân tích các thủ tục báo hiệu trong UMTS để có thể điều hành mạng, phát hiện lỗi và xử lý.Giao diện vô tuyến của UMTS dựa trên W-CDMA và chứa đựng các đặc tính kĩ thuật của HSPA W-CDMA sử dụng các kênh có độ rộng 5MHz ghép cặp hoặc không ghép cặp được xác định rõ trong UMTS rel 99 và rel 4 HSPA được giới thiệu trong rel 5(đường xuống) và rel 6 (đường lên) mang tới tốc độ bit lớn hơn đáng kể và cải thiện được các ứng dụng chuyển mạch gói
Hiện tại tính đến tháng 7/2014,3GPP đã chính thức công bố 10 phiên bản UMTSbao gồm rel 99 và rel 4 đến rel 13 [1].Sau đây ta chỉ xem xét kiến trúc đơn giản nhấtcủa hệ thống UMTS
Page 5
Trang 6Tìm hi u v UTRAN ểu về UTRAN ề UTRAN
1.2 Kiến trúc hệ thống UMTS
Mạng UMTS bao gồm 3 phần chính:
Phần trạm di động (Mobile Station-MS),Phần truy nhập vô tuyến (UMTS - UTRAN)phần mạng lõi (Core Network-CN)
các mạng ngoài
1.2.1.Mobile Station-MS (Hay User Equipment –UE)
UE Thiết bị người dùng trong UMTS được thiết kế module, là trạm di động thựchiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống.UE gồm hai phần:
Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử
dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu
Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thôngtin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin của thuê bao cần thiết Khác biệt lớn nhất giữa USIM và SIM trong GSM là USIM có thể download được, có thể truy nhập được qua môi trường vô tuyến và có thể thay đổi được bởi mạng USIM là một mạch điện tích hợp tổng thể (toàn cầu) và có dung lượng lớn hơn SIM
Page 6
Trang 71.2.2.UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truynhập vô tuyến
Các đặc tính chính của UTRAN:
Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan Đặc biệt là các ảnh hưởng chính lên việc thiết kế và là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm ( một đầu cuối kết nối qua
2 hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của WCDMA
Đảm bảo tính chung nhất cho xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch góibằng 1 ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng cùng 1 giaodiện để kết nối UTRAN đến cả 2 vùng PS và CS của mạng lõi
Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết
Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN
Các thành phần chính trong mạng UTRAN:
2 thành phần mạng trong UTRAN là RNC và Node B UTRAN được phân chia thành các miền RNS (Radio Network Subsystem) riêng gồm một RNC và các node B mà
nó điều khiển Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell
Các phần tử mạng đang tồn tại như MSC, SGSN, HLR có thể mở rộng theo yêu cầu của UMTS nhưng RNC và NodeB thì phải được thiết kế mới RNC thay thế cho BSC và Node B thay thế cho BTS
Page 7
Trang 8Tìm hi u v UTRAN ểu về UTRAN ề UTRAN
1.2.2.1.Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC
Thành phần biên trong UTRAN là RNC (Radio Network Controler) Một điều khác hơn trong BSS là các RNC có thể kết nối với nhau qua giao diện Iur
Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC là phần tử chuyển mạch và điều khiển
của UTRAN RNC nằm giữa hai giao diên IuB và Iu
RNC trong UMTS tương đương với BSC của GSM nhưng có nhiều tính năng hơn
Nó có thêm giao diện Iur để giao tiếp giữa các RNC trong trường hợp chuyển vùng mềm.Một chức năng mà BSC không có Việc quản lý tính năng di động (MM) cũng được chuyển từ mạng lõi sang RNC là một điểm khác với GSM Điều khiển việc sử dụng cũngnhư đảm bảo sự tin cậy của tài nguyên vô tuyến Chức năng cơ bản là: điều khiển chấp nhận cuộc gọi, quản trị kênh mang vô tuyến, điều khiển công suất, điều khiển tắc nghẽn, O&M
Cấu trúc RNC được thể hiện như hình vẽ:
Page 8
Trang 9Hình 1.2.1: Cấu trúc RNCRNC là phần tử mạng chịu trách nghiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyếncủa UTRAN Nó giao diện với CN và kết nối với giao thức điều khiển tài nguyên vôtuyến RRC, giao thức này định nghĩ các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN,
nó đóng vai trò như BSC
Chức năng của RNC:
Quản lý tài nguyên vô tuyến UTRAN: gồm tập hợp các thuật toán được
sử dụng để đảm bảo sự ổn định của đường truyền vô tuyến và QoS kết nối
vô tuyến bằng cách chia sẻ và quản lý tài nguyên vô tuyến có hiệu quả
Điều khiển UTRAN: gồm tất cả các chức năng liên quàn đến việc thiết lập, duy trì
và giải phóng các kênh mạng vô tuyến với sự hỗ trợ của thuật toán RRM
Vai trò logic của RNC:
RNC điều khiển nút B (kết nối giao diện Iub về phía nút B) được biểu hiện như RNC điều khiển của nút B RNC điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển tải và tắc nghẽn cho các ô của mình
Khi kết nối MS – UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC, các
RNC tham dự vào kết nối này sẽ có 2 vai trò khác nhau là RNC phục vụ và RNC trôi
Có 3 kiểu RNC:
Controlling RNC (CRNC) điều khiển, cấu hình và quản lý RNS và trao
đổi thông tin với NBAP cùng với tất cả các tài nguyên vật lý của mọi node B đấu nối thông qua giao diện Iub
Drift RNC (DRNC) nhận các UE được kết nối đến qua thủ tục handover từ
SRNC của RNS khác Tuy nhiên RRC (Radio Resource Control protocol)
Page 9
Trang 10Tìm hi u v UTRAN ểu về UTRAN ề UTRAN
vẫn kết cuối trên SRNC DRNC chỉ trao đổi thông tin định tuyến giữa SRNC và UE DRNC dùng RNSAP để trao đổi với SRNC qua giao diện Iur, CRNC dùng NBAP trao đổi với các tế bào qua Iub
RNC dịch vụ (Serving RNC – SRNC) điều khiển tính năng di động của
người dùng trong miền UTRAN và cũng là điểm kết nối đến CN RNC cókết nối RRC với một UE thì sẽ là SRNC của nó SRNC dùng RRC để trao đổi với UE qua Iub, Uu nếu cần thì qua cả Iur và Iub ngoại (được điều khiển bởi DRNC)
1.2.2.2 Nút B
Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell
Node B cung cấp kết nối vô tuyến vật lý giữa UE và mạng Nó là thành phần trung gian để biến đổi từ môi trường vô tuyến sang hữu tuyến Nó biến đổi dữ liệu đến và đi từ giao diện vô tuyến Uu bao gồm cả sửa lỗi hướng phát (Forward Error Corecction-FEC), tương thích tốc độ, trải phổ W-WCDA, điều chế QPSK trên giao điện vô tuyến…
Nút B bao gồm một bộ khuếch đại thu vô tuyến ngoài trời (OA-RA), một thiết bịđiều khiển giám sát bộ khuếch đại thu vô tuyến ngoài trời ( OA-RA-SC), một bộ khuệchđại công suất phát, một thiết bị điều chế và giải điều chế (MDE)
Chức năng chính của nút B là thực hiện xử lý L1 của giao diện vô tuyến (mãhóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…)nó cũng thực hiện một phần khai thác,quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong
Page 10
Trang 11Hình 1.2.2: Cấu hình chức năng của nút BNhiệm vụ của node B tương tự như BTS:
Điều khiển công suất (điều khiển công suất vòng nội bộ bằng cách đo SIR và sosánh với giá trị mặc định để có những yêu cầu trong việc thay đổi công suất phát củaUE),
Báo cáo kết quả đo cho RNC, phân tập vi mô (tập hợp các tín hiệu từ các góc củaanten mà một UE kết nối đến thành một chuỗi dữ liệu trước khi phát đi là tín hiệu tổngđến RNC UE kết nối với nhiều hơn một góc của antena để cho phép chuyển giao mềmSofter HO)
1.2.3.CN (Core Network)
Mạng lõi gồm các thành phần sau:
HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin
chính về lý lịch dịch vụ của ng ời sử dụng Các thông tin này bao gồm: Thông tin
về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hớng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi
MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register): Là tổng đài
(MSC)và cơ sở dữ liệu (VLR)Page 11để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh
Trang 13cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.
GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
SGSN (Serving GPRS): Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho
các dịch vụ chuyển mạch gói (PS)
GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng như GMSC nhưng
chỉ phục vụ
cho các dịch vụ chuyển mạch gói
Các mạng ngoài: Bao gồm mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói
Mạng CS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
1.3.Kiến trúc giao thức UTRAN
1.3.1.Các khối giao thức cơ bản:
Các giao diện UTRAN gồm tập các lớp theo chiều nằm ngang và chiều
thẳng đứng Có 5 khối giao thức cơ bản được thể hiện:
Các kênh mang báo hiệu: truyền tải báo hiệu lớp cao và các thông tin điều khiển Chúng được thiết lập bởi các hoạt động O&M
Các kênh mang dữ liệu: là các giao thức khung được sử dụng để truyền tải dữ liệu người dùng Mặt bằng điều khiển của mạng truyền tải thiết lập chúng.Các giao thức ứng dụng được dùng để thực hiện điều khiển và báo hiệu
trong UTRAN như thiết lập kênh mang trong lớp mạng vô tuyến
Chuỗi dữ liệu: là dữ liệu người dùng được truyền tải một cách trong suốt giữa các phần tử mạng Dữ liệu người dùng gồm dữ liệu của cá nhân thuê bao, thông tin quản lý tính năng di động được trao đổi ngang cấp giữa MSC và UE
Phần ứng dụng điều khiển đường truy nhập (ALCAP – Access Link Control Application Part) Thuộc mặt bằng điều khiển mạng truyền tải Nó thực hiện việc thiết lập, duy trì, giải phóng kênh mang dữ liệu Mặt bằng TN-CP có ở các giao diện Iu-CS, Iur và Iub Trong các giao diện không có báo hiệu ALCAP thì kênh mang dữ liệu được cấu hình từ trước
Page 12
Trang 14Tìm hi u v UTRAN ểu về UTRAN ề UTRAN
1.3.2.Kiến trúc giao thức mạng UMTS
Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng UMTSCấu trúc này dựa trên nguyên tắc: các lớp giao thức và các mặt phẳng (mặt
điều khiển va mặt dịch vụ) độc lập với nhau về mặt logic
Kiến trúc mạng UMTS được chia thành 3 lớp:
Lớp truyền tải ( Transport Network Layer): Gồm các chức năng các giao thức năng , các giao thức lớp vật lý và lớp truyền tải sử dụng để cung cấp tái nguyêncho AAL2 cho phép truyền thông giữa UTRAN và CN
Lớp mạng vô tuyến ( Radio Network Layer): Gồm các chức năng và các giao thức cho phép quản lý giao diện vô tuyến và truyền thông giữa hai thành phần UTRAN hay UTRAN và UE
Lớp mạng hệ thống (System Network Layer): Các giao thức NAS cho phép truyền thông giữa CN và UE
Mỗi lớp lại được chia thành các mặt bằng điều khiển và mặt bằng người dùng:
Mặt bằng điều khiển (control plane): Truyền tải thông tin báo hiệu điều khiển Mặtđiều khiển được sử dụng cho tất cả các báo hiệu điều khiển đặc thù của UMTS, bao gồm: GIao thức ứng dụng và lớp mạng báo hiệu để truyền tải các bản tin giao thức ứng dụng Giao thức ứng dụng được dùng để thiết lập các kênh mang tới UE (ví dụ: Kênh mang truy nhập vô tuyến trên IU và sau đó là kết nối vô tuyến trên Iur và Iub)
Mặt bằng người dùng (User plane): Truyền tải lưu lượng dữ liệu người dùng Page 13
Trang 15Tất cả thông tin nhận được và gửi đi bởi người sử dụng nhưu thoại được mã hóa trong một cuộc gọi thoại hoặc các gói dữ liệu trong 1 kết nối Intrernet được truyềntải thông qua mặt dịch vụ Mặt dịch vụ bao gồm các luồng dữ liệu và các kênh mang dữ liệu cho các luông dữ liệu Mỗi luồng dữ liệu được mô tả bởi 1 hoặc nhiều giao thức khung đặc thù cho giao diện đó.
AAL2 và AAL5
Trên lớp ATM, chúng ta thường thấy một lớp thich ứng ATM gọi là
AAL.Chức năng của nó là để xử lý dữ liệu từ các lớp cao hơn của truyền tải ATM
Tại đầu phát, dữ liệu được AAL chia thành các gói 48-byte và tại đầu thu, dữliệu sẽ được ráp lại để tai tạo khung dữ liệu ban đầu Có 5 loại AAL khác nhau (0, 1, 2,3/4, và 5) AAL0 nghĩa là không cần thích ứng Cac lớp thich ứng khác có các đặc tínhkhác nhau dựa vào ba loại tham số:
- Yêu cầu về thời gian thực
- Tốc độ bit khong đổi hoặc thay đổi
- Truyền tải dữ liệu hướng kết nối hoặc không hướng kết nối
1.4 Các Giao diện của UTRAN
Các giao diện của mạng truy nhập UMTS-UTRAN được trình bày ở hình sau:
Giao diện Uu: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệthống mà vì thế nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS
Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà
khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác
Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm từ các RNC của các nhà sản xuất khác nhau
Giao diện Iub: Giao diện cho phep kết nối tới một nút B tới một RNC
Page 14
Trang 16Tìm hi u v UTRAN ểu về UTRAN ề UTRAN
Hình 1.4: Các giao diện UTRAN
1.4.1 Iub
1.4.1.1.Iub –Control Plane
Các chồng giao thức của giao diện Uu và Iub trên mặt bằng điều khiển được trình bày ở hình sau:
Hình 1.4.1: Iub – control planeTrong đó:
NBAP ( Nude B Application Part)
Giao thức sử dụng giữa RNC và nút B cho phép cấu hình,quản lý và thiết lập các kênh trên các giao thức Iub và Uu
Báo hiệu giao diện Iub NBAP gồm hai phần tử chính:
NBAP chung (C – NBAP):
- Thiết lập đoạn nối vô tuyến RL (Radio Link) đầu tiên của một UE vàchọn điểm kết cuối lưu lượng
- Cấu hình ô
- Xử lý các kênh RACH/FACH và PCH
- Khởi xượng và báo cáo đo đạc đạc thù ô hoạc nút B NBAP riêng (D – NBAP):
Bổ sung, giải phóng và lập cấu hình lại các đoạn nối vô tuyến
-Xử lý các kênh riêng và dung chung - -Xử lý kết hợ chuyển giao
ATM (Asynchoronous Transfer Mode) Page
15