Tiểu luận báo hiệu trong mạng truy nhập UMTS

Bắt đầu từ các hệ thống thôngtin di động đầutiên ra đời vào nãm 1946, các hệ thống thông tin di động thứ 2 2G ra đời vớimục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I - -

BÁO CÁO Môn: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI

ĐỀ TÀI: BÁO HIỆU TRONG MẠNG TRUY NHẬP UMTS

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thanh Trà

Sinh viên thực hiện

Hà NỘI, 10/2015

Vũ Việt Hoàng D12VT4 Nguyễn Thị Yến D12VT4 Nguyễn Thu Hà D12VT7 Trần Mạnh Tiến D12VT4

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại Các hệ thống thông tin

di động với khả năng giúp con người trao đổi thông tin mọi lúc, mọi nơi và phát triển rất nhanh

và đang trở thành không thể thiếu trong xã hội thông tin ngày nay Bắt đầu từ các hệ thống thôngtin di động đầutiên ra đời vào nãm 1946, các hệ thống thông tin di động thứ 2 (2G) ra đời vớimục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ thấp Hệ thống thông tin di động2G đánh dấu sự thành công của công nghệ GSM với hơn 70% thị phần thông tin di động trêntoàn cầu hiện nay Trong tương lai, nhu cầu các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng và có khảnăng vượt quá thông tin thoại Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãnnhu cầu của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, videostreaming, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)…Ðến nay các hệ thống thôngtin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã đượcc đưa vào khai thác thương mại ở nhiều nước trên thế giới

Ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba cũng đã được triển khai trong cuối nãm

2009 Ðối với các nhà khai thác mạng di động GSM thì cái đích 3G là các hệ thống thông tin diđộng CDMA bãng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000 Xuất phát từ định hướng này mànhóm em xin chọn đề tài nghiên cứu về 3G Báo cáo đã đi vào tìm hiểu khá đầy đủ các vấn đềtrong mạng truy nhập vô tuyến từ cấu trúc, các giao diện, các kỹ thuật truy nhập dùng trongmạng Theo đó,báo cáo của nhóm em tiến hành nghiên cứu các nội dung chính của báo hiệutrong mạng truy nhập UMTS như sau:

Chương I: khái niệm và kiến trúc UMTS

Chương II: Báo hiệu trong mạng truy nhập UMTS

Kết luận:

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Nguyễn Thanh Trà đã nhiệt tìnhgóp ý, giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tiểu luận Trong quá trình làm bài có hạn chế vànhững sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng toàn thể cácbạn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VÀ KIẾN TRÚC UMTS 5

I Khái niệm mạng UMTS 5

II Kiến trúc hệ thống UMTS 5

1 Sơ đồ khối hệ thống UMTS 5

2 UE 6

3 UTRAN 6

4 CN (core network) 9

5 Các mạng ngoài 10

6 Giao diện vô tuyến 10

III Kiến trúc giao thức UMTS 12

CHƯƠNG 2: BÁO HIỆU TRONG MẠNG TRUY NHẬP UMTS 14

I Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub 14

1 Các chức năng của Iub 14

2 Các bước tiến hành xử lý cuộc gọi 15

II Báo hiệu tại giao diện Iur và Iu 16

1 Báo hiệu tại giao diện Iur 16

1.1- Mặt bằng điều khiển/người dùng Iur 16

1.2- Báo hiệu RNSAP 18

2 Báo hiệu tại giao diện Uu 20

2.1- Mặt bằng điều khiển/người dùng Iu-CS 20

2.2- Mặt bằng điểu khiểu/người dùng Iu-PS 21

2.3- Báo hiệu RANAP 21

III Thủ tục thiết lập cuộc gọi 23

KẾT LUẬN 28

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Cấu trúc của UMTS 6

Hình 1.2: UMTS UTRAN 7

Hình 1.3: Cấu trúc RNC 7

Hình 1.4: Vai trò logic của SRNC và DRNC 8

Hình 1.5: Cấu trúc chức năng của nút B 9

Hình 1.6: Các giao diện UTRAN 11

Hình 1.7: Kiến trúc giao thức UMTS 12

Hình 2.1: Thủ tục trao đổi thông tin báo hiệu qua Iub 16

Hình 2.2: Ngăn xếp giao thức cho giao diện Iur (RNC với RNC ) 17

Hình 2.3: Mặt bằng điều khiển/người dùng Iur 17

Hình 2.4: Mặt bằng điều khiển/người dùng Iu-CS 20

Hình 2.5: Mặt bằng điều khiển/người dùng Iu-PS 21

Hình 2.6: Quá trình kết nối RRC 23

Hình 2.7: Quá trình xác thực và bảo vệ 24

Hình 2.8: Quá trình thiết lập kênh mang truy nhập vô tuyến 25

Hình 2.9: Quá trình giải phóng cuộc gọi 26

Hình 2.10: Quá trình giải phóng kênh mang Iu 27

CHƯƠNG I:KHÁI NIỆM VÀ KIẾN TRÚC

UMTS

I Khái niệm mạng UMTS

 Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS: (Universal Mobile

Telecommunications Systems) là 1 trong các công nghệ di động 3G UMTS dựa

trên nền tảng CDMA băng rộng (WCDMA), được chuẩn hóa bởi Tổ chức cácđối tác phát triển 3G (3GPP), và là lời đáp của Châu Âu cho yêu cầu phát triển3G đối với hệ thống di động tổ ong của tổ chức ITU IMT2000 UMTS đôi khicòn được gọi là 3GSM, để chỉ sự kết hợp về bản chất công nghệ 3G của UMTS

và chuẩn GSM truyền thống

 UMTS : Hiện đang được triển khai trên mạng GSM sẵn có UMTS hỗ trợ tốc

độ truyền dữ liệu lên đến 21Mbps Thực tế, hiện nay, tại đường xuống, tốc độnày chỉ có thể đạt 384 kbps (với máy di động hỗ trợ chuẩn R99), hay 7.2Mbps.Tốc độ này lớn hơn khá nhiều so với tốc độ 9.6kbps của 1 đơn kênh GSM hay9.6kbps của đa kênh trong HSCSD (14.4 kbit/s của CDMAOne) và một sốcông nghệ mạng khác Mạng UMTS đầu tiên triển khai năm 2002 nhấn mạnhtới các ứng dụng di động như TV di động hay thoại Video Hiện tại, tốc độtruyền dữ liệu cao của UMTS thường dành để truy cập Internet

II Kiến trúc hệ thống UMTS

Hình 1.1: Cấu trúc của UMTS

2 Thiết bị người sử dụng (UE)

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của người

sử dụng 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 Giá thành giảmnhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS Điều nàyđạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các cardthông minh.UE gồm hai phần:

 Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử

dụngcho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu

 Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa

thông tin 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

3 Mạng truy cập vô tuyến UMTS (UTRAN)

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyếnmặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN Nó gồm các phần tử đảmbảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng

UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện Giao diện Iu giữa UTRAN và CN,gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạchkênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này

là hai nút, RNC và nút B

 Điều khiển UTRAN: gồm tất cả các chức năng liên quàn đến việc thiết lập, duytrì 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 nhưRNC điều khiển của nút B RNC điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển tải vàtắc nghẽn cho các ô của mình

 Khi kết nối MS – UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC, các RNCtham dự vào kết nối này sẽ có 2 vai trò khác nhau là RNC phục vụ và RNCtrôi

 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 đấunối 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) vẫnkết 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 dùngNBAP 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 có kết nốiRRC với một UE thì sẽ là SRNC của nó SRNC dùng RRC để trao đổi với UEquaIub, Uu nếu cần thì qua cả Iur và Iub ngoại (được điều khiển bởi DRNC)

Hình 1.4 Vai trò logic của SRNC và DRNC

o Node B

Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B

Nút B bao gồm một bộ khuếch đại thu vô tuyến ngoài trời (OA-RA), mộtthiết bị điều khiển giám sát bộ khuếch đại thu vô tuyến ngoài trời ( OA-RA-SC), một bộ khuệch đại công suất phát, một thiết bị điều chế và giải điều chế(MDE)

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 gầnxa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầucuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa

Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo chochúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được côngsuất như nhau từ tất cả các đầu cuối

Hình 1.5: Cấu hình chức năng của nút B Nhiệm 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 phátcủa UE),

 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 hiệutổng đến RNC UE kết nối với nhiều hơn một góc của anten để cho phép chuyểngiao mềm Softer HO)

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 cuộcgọi. 

 MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register): Là

tổng đài (MSC)và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênhcho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạchkênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị tríchính 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). 

phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói. 

Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cần thiết đểđảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác

Các mạng ngoài có thể là các mạng điện thoại như: PLMN (Public Land

Mobile Network: mạng di động mặt đất công cộng), PSTN (Public Switched

Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng), ISDN hay các

mạng số liệu như Internet Có thể là chuyển mạch kênh hoặc 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.

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

Hình 1.6: Các giao diện UTRAN

Các giao diện vô tuyến: Gồm một số giao diện sau

 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 trong UMTS.

Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng Giaodiện này nằm giữa nút B và đầu cuối

 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 nốiđến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS Nhưng một UTRAN chỉ cóthể kết nối đến một điểm truy nhập CN

 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 tínhnăng mới được bổ sung Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:

o Di động giữa các RNC

o Lưu thông kênh riêng

o Lưu thông kênh chung

o Quản lý tài nguyên toàn cục

 Giao diện Iub Giao diện Iub cho phép kết nối nút B và RNC Khác với GSM

đây là giao diện mở

III Kiến trúc giao thức UMTS

Hình 1.7: Kiến trúc giao thức UMTS

Cấu trúc này dựa trên nguyên tắc: các lớp giao thức và các mặt phẳng (mặt điềukhiển 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 phầnUTRAN 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

Mặt điều khiển được sử dụng cho tất cả các báo hiệu điều khiển đặc thù củaUMTS, bao gồm: GIao thức ứng dụng và lớp mạng báo hiệu để truyền tải các bảntin giao thức ứng dụng Giao thức ứng dụng được dùng để thiết lập các kênh mangtới UE (ví dụ: Kênh mang truy nhập vô tuyến trên IU và sau đó là kết nối vô tuyếntrên Iur và Iub)

 Mặt bằng người dùng (User plane): Truyền tải lưu lượng dữ liệu người dùng

Tất cả thông tin nhận được và gửi đi bởi người sử dụng nhưu thoại được mã hóatrong 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 kênhmang dữ liệu cho các luông dữ liệu Mỗi luồng dữ liệu được mô tả bởi 1 hoặcnhiều 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.Chứcnăng 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, dữ liệu

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 đặctính khác 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

CHƯƠNG II: BÁO HIỆU UMTS

I Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub:

1 Các chức năng của Iub

Giao diện Iub nằm giữa RNC và một node B RNC điều khiển node B thôngqua Iub một số tác vụ như: thỏa thuận tài nguyên vô tuyến, bổ sung hoặc loại bỏcác tế bào khỏi node B, hỗ trợ các kiểu truyền thông khác nhau và các liên kết điềukhiển

Giao diện Iub cho phép truyền dẫn liên tục chia sẻ giữa giao diện Abis/GMS vàgiao diện Iub, tối thiểu số lượng tùy chọn có sẵn trong phần chức năng giữa RNC

và node B Bên cạnh chức năng điều khiển các ô, thêm hoặc loại bỏ các liên kết vôtuyến trong các ô thuộc quản lý của các node B, Iub hỗ trợ các chức năng O&Mcủa node B Iub cho phép chuyển mạch giữa các kiểu kênh khác nhau nhằm duy trìkết nối Các chức năng chi tiết của Iub như sau:

 Tái định vị bộ điều khiển mạng dịch vụ vô tuyến SRNC (Serving Radio

Network Controller): Chuyển chức năng SRNC cũng như các nguồn tài nguyên

liên quan tới Iu từ một RNC này tới một RNC khác

 Quản lý kênh mang truy nhập vô tuyến RAB (Radio Access Bearer): Bao gồm

thiết lập, quản lý và giải phóng kênh mang truy nhập vô tuyến

 Yêu cầu giải phóng RAB: gửi yêu cầu giải pháp kênh mang truy nhập vô tuyến

tới mạng lõi CN

 Giải phóng các tài nguyên kêt nối Iu: Giải phóng toàn bộ tài nguyên liên quan

tới một kết nối Iu Gửi yêu cầu giải phóng toàn bộ kết nối Iu tới mạng lõi CN

 Quản lý các tài nguyên truyền tải Iub: Quản lý liên kết Iub, quản lý cấu hình ô,

đo hiệu năng mạng vô tuyến, quản lý sự kiện tài nguyên, quản lý kênh truyền tảichung, quản lý tài nguyên vô tuyến, sắp xếp cấu hình mạng vô tuyến

 Quản lý thông tin hệ thống và lưu lượng các kênh chung: Điều khiển chấp

nhận, quản lý công suất, truyền dữ liệu