bài tập lớn thông tin di động umts network architecture umts logical channel uplink and downlink spreading and modulation

Thiết bị đầu cuối mạng UMTSMột thiết bị đầu cuối người dùng trong UMTS tương ứng voiw MS trong GSM được gọi là UE – User Equipment, thực hiện chức năng truyền thông cần thiết trên giao d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG:

UMTS network Architecture, UMTS Logical Channel, Uplink and Downlink spreading and

modulation

1

Họ và tên: Đào Vi t Anh - 20187115ệ

Doãn Th Hòa -20187132ị

Nguyễễn Th Thu Trang -20187155ị

Gi ng viễnả : TS Nguyễễn Thu Nga

Mục Lục

Bảng phân công công việc 3

I Cấu trúc mạng 3G UMTS 4

1 Giới thiệu 4

2 Thiết bị đầu cuối mạng UMTS 5

3 Phân hệ vô tuyến UTRAN ( UMTS Radio Access Network) 7

3.1 RNC 7

3.2 Nút B (Node B) 8

4 Phân hệ mạng lõi CN (Core Network) 8

4.1 Các khối chức năng mô đun chuyển mạch gói PS 9

4.2 Các khối chức năng của mô đun chuyển mạch kênh CS 10

4.3 Các mô đun dùng chung cho CS và PS (HE) 10

5 Các giao diện 12

II Các kênh logic 14

1 Kênh điều khiển 14

2 Kênh lưu lượng 15

III Downlink and Uplink spreading and modulation 16

1 Cấu trúc mã OVSF 17

2 Mã xáo trộn 18

3 Downlink Spreading and Modulation 18

4 Uplink Spreading and Modulation 19

Kết luận 20

2

Bảng phân công công việc

Tên thành viên Công việc tìm hiểu

Đào Việt Anh - 20187115 UMTS network Architecture Nguyễn Thị Thu Trang –

Doãn Thị Hòa - 20187132 Uplink and Downlink

spreading and modulation

3

I Cấu trúc mạng 3G UMTS

1 Giới thiệu

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial RadioNetwork), mạng lõi (CN: Core Network) UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết

bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module) UTRAN gồm các hệ thống mạng vôtuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio NetworkController: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó Mạng lõi CNbao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment:Môi trường nhà) HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center:Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú)và EIR (Equipment Identity Register:

Bộ ghi nhận dạng thiết bị)

4

Hình 1,2 : Sơ đồ kiến trúc mạng 3G UMTS

2 Thiết bị đầu cuối mạng UMTS

Một thiết bị đầu cuối người dùng trong UMTS tương ứng voiw MS trong GSM được gọi là UE – User Equipment, thực hiện chức năng truyền thông cần thiết trên giao diện vô tuyến cũng như thực hiện một số chức năng quản ý và truyền tải các yêu cầu tới mạng lõi Có thể nói đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng Một

UE thường là một máy điện thoại thông minh (smartphone), hoặc một thiết bị PDA, hoặc là cổng USB 3G kết nối với máy tính

Kiến trúc của một UE sẽ gồm 2 mô đun chức năng Chức năng thực hiện xử lý tín

hiệu ở giao diện vô tuyến (thực hiện chức năng truyền thông) được ký hiệu là ME

5

( Mobile Equipment) và thẻ USIM ( UMTS Subcriber Identity Module) – chính là SIM card trong mạng GSM ME và USIM giao tiếp thông qua giao diện Cu a) ME – Mobile Equipment

ME thực hiện hoàn toàn chức măng vật lý cho giao diện vô tuyến như điều chế và giải điều chế

b) USIM – UMTS Subcriber Identity Module

Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng trên card Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh) USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng

ký Thẻ USIM thực hiện một số tính năng như sau:

- Các tính năng quản lý di động ( mobility management) như cập nhật vị trí,…

- Các tính năng quản lý nhận dạng (identity management) bao gồm nhận dạng (identifying), xác thực (authenticating), ủy thác (authorizing) và mật mã (encryption) Các chức năng này đều phục vụ mục đích bảo mật của mạng Bên cạnh đó, USIM còn mang các thông tin về số nhận dạng thuê bao IMSI (International Mobile Subcriber Identity) và số MSISDN ( Mobile Station International ISDN Number) Vai trò của các số IMSI và MSISDN tương tự như trong GSM, đó là định danh cho mỗi thuê bao được sử dụng để liên lạc giữa các thuê bao và để báo hiệu trong hệ thống

6

3 Phân hệ vô tuyến UTRAN ( UMTS Radio Access Network)

Phân hệ vô tuyến trong mạng UMTS được gọi là UTRAN ( UMTS Radio Access Network) là liên kết giữa người sử dụng và CN (Core Network), nó bao gồm 1 hoặc nhiều phân hệ vô tuyến phụ RNS (Radio Network Subsystem) Một phân hệ

vô tuyến RNS bao gồm 2 phần tử cơ bản là trạm gốc NodeB và bộ điều khiển phân

hệ vô tuyến RNC (Radio Network Controller) Phân hệ vô tuyến UTRAN cho phép

UE giao tiếp với phân hệ mạng lõi CN (Core Network) thông qua việc RNC giao tiếp với NodeB thông qua giao diện IuB,với RNC khác qua giao diện IuR, đối với giao tiếp phía mạng lõi thì gồm 2 giao diện: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh Ngoài ra thì còn có giao diện Uu giữa UTRAN

và thiết bị người sử dụng UE (giữa NodeB và ME)

3.1 RNC

RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng Nó thực hiện các chức năng về thiết lập cuộc gọi, điều khiển về chất lượng dịch vụ cũng như quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) tại các cell mà nó chịu trách nhiệm thông qua điều khiển công suất phát, cho phép thue bao kết nối mạng, quản lý mã,… Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ

mà UTRAN cung cấp cho CN Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC) Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào Người sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khi người sử dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN Vai trò logic của SRNC và DRNC được mô tả trên hình 3 Khi UE trong chuyển giao mềm

7

giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua IuB và có ít nhất một kết nối qua IuR Chỉ một trong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các IuB và IuR Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC) Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó

Hình 3: Vai trò logic của SRNC và DRNC

3.2 Nút B (Node B)

Trong UMTS, trạm gốc (Base Station) được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa UE với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện IuB từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu Ngược lại, nút

B giao tiếp với UE qua giao tiếp Uu, tức nhận dữ liệu từ giao diện vô tuyến Uu và chuyển sang dòng dữ liệu với định dạng của giao diện IuB để chuyển tới RNC Nút

B phần nhiều không thực hiện các chức năng điều khiển mà chủ yếu thực hiện các giao tiếp vô tuyến với UE Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên

vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòng trong" Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các UE đều phát cùng một công suất, thì các UE gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các UE ở xa Nút B kiểm tra công suất thu từ các UE khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các UE

4 Phân hệ mạng lõi CN (Core Network)

Phân hệ mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE Miền

PS – hay mô đun chuyển mạch gói (Packet Switched), đảm bảo các dịch vụ số liệu

8

cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác, thực hiện việc chuyển mạch với dữ liệu là các gói Công nghệ này cũng tương tự như công nghệ chuyển mạch thực hiện trong mạng GPRS, bản chất các gói sẽ được chuyển mạch theo phương thức định tuyến để tới đích.Miền CS – hay mô đun chuyển mạch kênh (Circuit Switched), đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM, chính là sự kế thừa của mạng GSM, tức cuộc gọi được duy trì liên tục thông qua kênh chuyển mạch trong suốt quá trình cuộc gọi

4.1 Các khối chức năng mô đun chuyển mạch gói PS

Các khối chức năng mô đun chuyển mạch gói bao gồm:

a) Mô đun SGSN (Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ)

Nó là nút chính của miền chuyển mạch gói, nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng

ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao Các tính năng cơ bản của SGSN bao gồm: giao tiếp với RNC và GGSN, quản lý di động (Mobility management), quản lý tính cước,…

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

- IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao diđộng quốc tế)

- Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói)

- Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

- Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

- Số VLR

- Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực

9

b) GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng)

Nó là phần tử trung tâm của mạng chuyển mạch gối UMTS Bản chất của nó có thể xem là bộ định tuyến Bộ GGSN thực hiện chức năng chuyển mạch gói trong mạng nội bộ UMTS cũng như định tuyến các gói tin đến mạng Internet

Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:

- IMSI

- Các địa chỉ PDP

Số liệu vị trí lưu trong GGSN:

- Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến

4.2 Các khối chức năng của mô đun chuyển mạch kênh CS

Mô đun chuyển mạch kênh CS gồm các khối chức năng sau:

a) Trung tâm chuyển mạch MSC (Mobile Switching Center)

Có chức năng chuyển mạch, tạo kết nối giữa các thuê bao,… thực hiện chuyển mạch kênh Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khả năng hơn Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và MSC Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC

b) Cổng kết nối GMSC (Gateway MSC)

GMSC có thể là một trong số các MSC GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS GMSC là cổng giao diện với mạng PTSN

và ISDN

4.3 Các mô đun dùng chung cho CS và PS (HE)

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hang khai thác Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tínhcước cho

10

các dịch vụ cung cấp Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bịcấm đều được liệt kê ở đây

a) Bộ ghi định vị thường trú (HLR)

HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuê bao có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói) Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy nhập đến các thông tin được lưu khác

Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê bao Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùng một nút vật lý HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao,ví dụ như: thông tin tính cước, các dịch

vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện VLR và SGSN nào đang phụ trách người sử dụng

b) Trung tâm nhận thực (AuC)

AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật

mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng Nó liên kết với HLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý Tuy nhiên cần

đảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực

(AV:Authetication Vector) cho HLR AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạo khóa từ f0 đến f5 Nó tạo ra các AV, cả

11

trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ

c) Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR)

EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị

di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity) Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: danh mục trắng, xám và đen Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập mạng Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng Khi một đầu cuối(UE) được thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen vì thế nó bị cấm truy nhập mạng Danh mục này cũng có thể được sửd ụng để cấm các seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn

5 Các giao diện

Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diện khác nhau Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản xuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ

- Giao diện Cu Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh

Trong UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE

- Giao diện Uu Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA

trongUMTS Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối Đây là giao diện không dây (duy nhất) của mạng UMTS Tất cả giao diện khác đều có dây dẫn hết Liên lạc trên giao diện này dựa vào kỹ thuật FDD/TDD WCDMA

- Giao diện Iu Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN Nó gồm hai phần, IuPS

cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh CN có thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS Nhưng một

12

UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập CN Giao diện Iu-CS:

Giao diện này chủ yếu là truyền tải lưu lượng thoại giữa RNC và MSC/VLR

Giao diện Iu-PS: Là giao diện giữa RNC và SGSN Định cỡ giao diện này

phụ thuộc vào lưu lượng dữ liệu chuyển mạch gói Việc định cỡ giao diện này phức tạp hơn nhiều so với giao diện IuB vì có nhiều dịch vụ dữ liệu gói với tốc độ khác nhau truyền trên giao diện này

- Giao diện IuR Đây là giao diện RNC-RNC Ban đầu được thiết kế để đảm

bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới được bổ sung Ta có thể thấy rõ vị trí của giao diện Iur trong cấu hình của phần tử của mạng UMTS Giao diện Iur mang thông tin của các thuê bao thực hiện chuyển giao mềm giữa hai Node B ở các RNC khác nhau Tương tự như giao diện Iub, độ rộng băng của giao diện Iur gần bằng hai lần lưu lượng do việc chuyển giao mềm giữa hai RNC gây ra Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:1 Di động giữa các RNC 2 Lưu thông kênh riêng 3 Lưu thông kênh chung 4 Quản lý tài nguyên toàn cục 

- Giao diện IuB Giao diện Iub nối nút B và RNC Khác với GSM đây là giao

diện mở Giao diện IuB là một giao diện quan trọng nhất trong số các giao diện của hệ thống mạng UMTS Sở dĩ như vậy là do tất cả các lưu lượng thoại và số liệu đều được truyền tải qua giao diện này, cho nên giao diện này trở thành nhân tố ràng buộc bậc nhất đối với nhà cung cấp thiết bị đồng thời việc định cỡ giao diện này mang ý nghĩa rất quan trọng

13