Hệ thống viễn thông di động tòan cầu 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 gi

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS)

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) là 1 trong các công nghệ di động 3G UMTS

dựa trên nền tảng CDMA băng rộng (WCDMA), được chuẩn hóa bởi Tổ chức các đối tác phát triển 3G (3GPP), và là lời đáp của Châu Âu cho yêu cầu phát triển 3G đối với hệ thống di động

tổ ong của tổ chức ITU IMT2000 UMTS đôi khi còn được gọi là 3GSM, để chỉ sự kết hợp về bản chất công nghệ 3G của UMTS và chuẩn GSM truyền thống

Lịch sử

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 chuẩn3G 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 trong các 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 nghệ3G 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 Và từ đó phương án kỹ thuật này được gọi là WCDMA

để nêu rõ sự khác biệt với tiêu chuẩn CDMA băng hẹp của Mỹ (băng rộng chỉ có 1,25 MHz) 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 khuyến nghị về các giao diện và một loạt các quy phạm kỹ thuật về các mạch kết nối và mạch phân nhóm nòng cốt củaCDMA

UMTS là viết tắt của Universal Mobile Telecommunication System UMTS là mạng di động thế

hệ thứ 3 (3G) sử dụng kỹ thuật trãi phổ W(wideband)-CDMA UMTS được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP UMTS đôi khi còn được gọi là 3GSM để chỉ khả năng "interoperability" giữa GSM

và UMTS UMTS được phát triển lên từ các nước sử dụng GSM UMTS sử dụng băng tầng khác với GSM

Đặc trưng

UMTS, dùng công nghệ CDMA băng rộng WCDMA, hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 21 Mbps (về lý thuyết, với chuẩn HSPDA) Thực tế, hiện nay, tại đường xuống, tốc độ này chỉ có thể đạt 384 kbps (với máy di động hỗ trợ chuẩn R99), hay 7.2 Mbps (với máy di động hỗ trợ HSPDA) Dù sao, tốc độ này cũng lớn hơn khá nhiều so với tốc độ 9.6 kbps của 1 đơn kênh GSM hay 9.6 kbps của đa kênh trong HSCSD (14.4 kbit/s của CDMAOne) và một số công nghệ mạng khác

Nếu như thế hệ 2G của mạng tổ ong là GSM, thì GPRS được xem là thế hệ 2.5G GPRS, dùng chuyển mạch gói, khác so với chuyển mạch kênh (dành kênh riêng) của GSM, hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn (lý thuyết đạt: 140.8 kbit/s, thực tế, khoảng 56 kbit/s) E-GPRS hay EGDE, được xem là thế hệ 2.75G, là sự cải tiến về thuật toán mã hóa GPRS dùng 4 mức mã hóa (coding schemes; CS-1 to 4), trong khi EDGE dùng 9 mức mã hóa và điều chế (Modulation and Coding Schemes; MCS-1 to 9) Tốc độ truyền dữ liệu thực của EDGE đạt tới 180 kbit/s

Từ năm 2006, mạng UMTS được nhiều quốc gia nâng cấp lên, với chuẩn HSPDA, được xem như mạng 3.5G Hiện giờ, HSPDA cho phép tốc độ truyền đường xuống đạt 21 Mbps Dài hơi hơn, một nhánh của tổ chức 3GPP lên kế hoạch phát triển mạng 4G, với tốc độ 100 Mbit/s đường xuống và 50 Mbit/s đường lên, dùng công nghệ giao diện vô tuyến dựa trên Ghép kênh tần số trực giao

Mạng UMTS đầu tiên triển khai năm 2002 nhấn mạnh tới các ứng dụng di động như: TV di động hay thoại Video Tuy nhiên, kinh nghiệm triển khai ở Nhật và một số nước khác cho thấy rằng, nhu cầu người dùng với thoại Video là không cao Hiện tại, tốc độ truyền dữ liệu cao của UMTS thường dành để truy cập Internet

Công nghệ

Một bộ phát của UMTS đặt trên nóc tòa nhà

UMTS kết hợp giao diện vô tuyến WCDMA, TD-CDMA, hay TD-SCDMA, lõi Phía ứng dụng

di động của GSM (MAP), và các chuẩn mã hóa thoại của GSM

UMTS (W-CDMA) dùng các cặp kênh 5 MHz trong kỹ thuật truyền dẫn UTRA/FDD Ban đầu, băng tần ấn định cho UMTS là 1885–2025 MHz với đường lên (uplink) và 2110–2200 MHz cho đường xuống (downlink) Ở Mỹ, băng tần thay thế là 1710–1755 MHz (uplink) và 2110–2155 MHz (downlink), do băng tần 1900 MHz đã dùng

UMTS là một mạng RAN (mạng truy nhập vô tuyến) thay vì GERAN như của GSM/EGDE UMTS và GERAN có thể dùng chung mạng lõi CN, và cho phép chuyển mạch thông suốt giữa các RAN nếu cần Mạng lõi CN có thể kết nối đến nhiều mạng đường trục khác nhau như của Internet và ISDN UMTS (cũng như GERAN) gồm 3 lớp thấp nhất của mô hình truyền thông OSI Lớp mạng (OSI 3) gồm giao thức Quản lý tài nguyên vô tuyến RRM, quản lý các kênh sóng mang (bearer channels) giữa máy di động và mạng

Kiến trúc mạng UMTS

Kiến trúc mạng UMTS

Như hình vẽ thể hiện, Mạng UMTS bao gồm 2 phần, phần truy nhập vô tuyến (UMTS Terrestrial Radio Access Network – UTRAN) và phần mạng lõi (core) Phần truy nhập vô tuyến bao gồm Node B và RNC Còn phần core thì có core cho data bao gồm SGSN, GGSN; Phần core cho voice thì có MCS và GMSC

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu là 1 trong số các chuẩn di động 3G, phát triển lên từ EGDE 2.75G; GPRS 2.5G và mạng tổ ong GSM 2G

Kiến trúc UMTS

Kiến trúc mạng UMTS

Như hình vẽ thể hiện, Mạng UMTS bao gồm 2 phần, phần truy nhập vô tuyến (UMTS

Terrestrial Radio Access Network- UTRAN) và phần mạng lõi (core) Phần truy nhập vô

tuyến bao gồm Node B và RNC Còn phần core thì có core cho data bao gồm SGSN,

GGSN; Phần core cho voice thì có MCS và GMSC

•Node B: Chức năng chính của Node B là xử lý lớp vật lý (L1) ở giao diện vô tuyến như mã

hóa kênh, đan xen, trải phổ, điều chế Nó cũng thực hiện một chức năng tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong,

•RNC: Trong trường hợp Node B chỉ có một kết nối với mạng thì RNC chịu trách nhiệm

điều khiển Node B được gọi là CRNC Ngược lại, khi Node B có hơn một kết nối mạng thì các RNC được chia thành hai loại khác nhau theo vai trò logic của chúng

- RNC ph ục vụ (Serving RNC): Đây là RNC kết nối cả đường lưu lượng và báo hiệu

RANAP với mạng lõi.SRNC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến giữa UE

và UTRAN, xử lý số liệu lớp 2 (L2) từ/tới giao diện vô tuyến SRNC của Node B này cũng

có thể là CRNC của một Node B khác

- RNC trôi (Drift RNC): Đây là RNC bất kỳ khác với SRNC, để điều khiển các ô được MS sử

dụng Khi cần, DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở phân tập vĩ mô DRNC

không thực hiện xử lý ở lớp 2 đối số liệu từ/tới giao diện vô tuyến mà chỉ định tuyến số liệu một cách trong suốt giữa các giao diện Iub và Iur MộtUE có thể không có hoặc có một hay

nhiều DRNC

Các Giao diện trong mạng:

 Giao diện Iub

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 Đặc điểm của giao diện vật lý đối với BTS dẫn đến dung lượng Iub với BTS có một giá trị quy định Thông thường để kết nối với BTS ta có thể sử dụng luồng E1, E3 hoặc STM1 nếu không có thể sử dụng luồng T1, DS-3 hoặc OC-3 Như vậy, dung lượng của các đường truyền dẫn nối đến RNC có thể cao hơn tổng tải của giao diện Iub tại RNC.Chẳng hạn nếu

ta cần đấu nối 100BTS với dung lượng Iub của mỗiBTS là 2,5 Mbps, biết rằng cấu hình cho mỗi BTS hai luồng 2 Mbps và tổng dung lượng khả dụng của giao diện Iub sẽ là 100 x 2 x 2

= 400 Mbps Tuy nhiên tổng tải của giao diện Iub tại RNC vẫn là 250 Mbps chứ không phải

là 400 Mbps

 Giao diện Iur

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 Iu

Giao diện Iu là giao diện kết nối giữa mạng lõi CN và mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Giao diện này gồm hai thành phần chính là:

• Giao diện Iu-CS: Giao diện này chủ yếu là truyền tải lưu lượng thoại giữa RNC và

MSC/VLR Việc định cỡ giao diện Iu-CS phụ thuộc vào lưu lượng dữ liệu chuyển mạch kênh mà chủ yếu là lượng tiếng

• 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 Uu

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 Thật ra, nếu nhìn trên tổng thể kiến trúc mạng UMTS ta sẽ thấy là "nút cổ chai" của mạng UMTS chính là ở capacity của giao diện Uu này Nó sẽ giới hạn tốc độ truyền thông tin của mạng UMTS Nếu ta có thể tăng tốc độ data rate của giao diện này thì ta có thể tăng tốc độ của mạng UMTS Thế hệ tiếp theo của UMTS đã sử dụng OFDMA kết hợp MIMO thay vì WCDMA để tăng tốc độ

Lõi mạng Core Network

Trong phần mạng lõi (core) có 2 phần, mạng lõi data (gồm 2 thực thể chính là SGSN và GGSN) và mạng lõi cho voice (gồm GMSC và MSC) Ngoài 4 thực thể vừa nêu, chúng ta còn có các thành phần khác như là HLR (HSS), VLR, AuC, EiR, BG Vài trò, và các chức năng chính của từng thành phần sẽ được miêu tả ngắn gọn trong bài viết này

 SGSN = Serving GPRS Support Node Trong mạng lõi GPRS của 1 operator có nhiều SGSN chứ không phải chỉ có 1 Mỗi SGSN kết nối trực tiếp với 1 số RNC Mỗi RNC lại quản lý 1 số Node B, và mỗi node-B sẽ có một số UE đang nối kết SGSN quản lý tất cả các UE đang sử dụng dịch vụ data trong vùng của nó Vài trò của SGSN là

- Authenticate (xác minh) các UE đang dùng dịch vụ data nối kết với nó

- Quản lý việc đăng ký của 1 UE vào mạng GPRS (data)

- Quản lý quá trình di động của UE Cụ thể là SGSN phải biết là UE hiện đang nối kết với thằng Node-B nào tại một thời điểm Tùy theo UE đang ở mode active (đang liên lạc) hay idle (không liên lạc) mà độ chính xác của thông tin liên quan đến vị trí UE sẽ khác nhau SGSN sẽ phải quản lý và theo dõi sự thay đổi vị trí (location area identity/ routing area identity) của UE theo thời gian

- Tạo dựng, duy trì và giải phóng các "PDP context" (các thông tin liên quan đến connection của UE mà nó cho phép/qui định việc gửi và nhận thông tin của UE)

- Nhận và chuyển thông tin từ ngoài mạng data (Internet chẳng hạn) đến UE và ngược lại

- Quản lý việc tính tiền (billing) đối với các UE

- Tìm và đánh thức idle UE khi có cuộc gọi tìm đến UE (paging)

- etc

 GGSN= Gateway GPRS Support Node Như đúng tên gọi của nó, nó là một cái gateway giữa mạng GPRS/UMTS và các mạng ở ngoài (external network, như Internet chẳng hạn, các mạng GPRS khác) Vài trò của nó

- Nhận và chuyển thông tin từ UE gửi ra ngoài mạng external và ngược lại từ ngoài đến

UE Packet thông tin từ SGSN gửi đến GGSN sẽ được "decapsulate" trước khi gửi ra ngoài

vì thông tin truyền giữa SGSN và GGSN là truyền trên 'GTP tunnel'

- Nếu thông tin từ ngoài đến GGSN để gửi đến một UE trong khi chưa tồn tại PDP context, thì GGSN sẽ yêu cầu SGSN thực hiện paging và sau đó sẽ thực hiện quá trình PDP

context để chuyển cuộc gọi đến UE

- Trong suốt quá trình liên lạc thông qua nối kết mạng UMTS, UE sẽ chỉ connect với 1 GGSN (mà GGSN đó nối kết với dịch vụ mà UE đang dùng) Dù có di chuyển đi đâu đi nữa, GGSN vẫn không đổi Dĩ nhiên là SGSN, RNC và Node-B sẽ thay đổi GGSN cũng tham gia vào quản lý quá trình di động của UE

SGSN và GGSN đều có 1 địa chỉ IP cố định (có thể là private IP)