Nghiên cứu công nghệ truy cập gói tốc độ cao và ứng dụng vào mạng viettel

ix HSS Home Subsscriber Server Server thuê bao nhà HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ caoHSUPA High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường l

Bộ giáo dục Và đào tạo TrƯờng đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ khoa học

NGHIấN CỨU CễNG NGHỆ TRUY NHẬP

TỐC ĐỘ CAO VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIETTEL

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THUí ANH

học viên : VŨ HUY TUYỂN

i

LỜI CẢM ƠN

Trong hai năm cao học tôi đã được học hỏi những kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong thời gian học tập và hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới TS Nguyễn Thúy Anh, người đã định hướng cho những nghiên cứu của tôi, người trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thiện bản luận văn này

Học viên

Vũ Huy Tuyển

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Thúy Anh Nội dung luận văn không sao chép của bất kỳ bản luận văn nào

Nếu có gì sai phạm tôi sẽ chịu hoàn toàn trách nhiệm

Học viên

Vũ Huy Tuyển

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN……… i

LỜI CAM ĐOAN……… ii

MỤC LỤC……….iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……… vii

DANH MỤC CÁC BẢNG……… xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……….xiii

MỞ ĐẦU……….1

Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS 4

1.1Giới thiệu chung 4

1.2Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G 4

1.3Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G 5

1.4Các loại chuyển mạch trong mạng 3G 6

1.5Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ 10

1.6Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 13

1.6.1 Thiết bị người sử dụng (UE) 14

1.6.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS 16

1.6.3 Mạng lõi 17

1.6.4Các mạng ngoài 21

1.6.5Các giao diện 22

1.7Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 22

1.8 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6 25

1.9 Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS 28

1.9.13GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn 28

1.9.23GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM 29

1.9.3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất 30

1.10Tổng kết 31

Chương 2 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS 32

2.1Giới thiệu chung 32

2.2Kiến trúc ngăn xếp giao thức của giao diện vô tuyến WCDMA/FDD 33

2.3Các kênh của WCDMA 35

2.3.1Các kênh logic, LoCH 36

2.3.2Các kênh truyền tải, TrCH 37

2.3.3Các kênh vật lý 39

2.3.4Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói CPCH 45

2.3.5 Thí dụ về báo hiệu thiết lập cuộc gọi sử dụng các kênh logic và truyền tải……… 46

2.4Chuyển giao trong WCDMA 48

2.4.1Chuyển giao cứng 48

2.4.2Chuyển giao mềm/ mềm hơn 48

2.5Tổng kết 50

Chương 3 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) 52

3.1Giới thiệu chung 52

3.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSPA cho số liệu người sử dụng 53

3.3Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống ( HSDPA ) 55

3.3.1Truyền dẫn kênh chia sẻ 55

3.3.2Lập biểu phụ thuộc kênh 57

v

3.3.3Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao 59

3.3.4HARQ với kết hợp mềm 61

3.3.5Kiến trúc 64

3.3.6 HSDPA MIMO 67

3.3.7 Tăng tốc độ đỉnh bằng việc sử dụng MIMO và điều chế bậc cao 16QAM/64QAM 69

3.4Truy cập gói tốc độ cao đường lên ( HSUPA ) 69

3.4.1Lập biểu 71

3.4.2HARQ với kết hợp mềm 74

3.4.3Kiến trúc 74

3.4.4Các loại đầu cuối HSUPA 79

3.5Chuyển giao trong HSDPA 80

3.5.1Xác định ô tốt nhất và chuyển giao 80

3.5.2Chuyển giao HS-DSCH giữa các ô (hay đoạn ô) trong cùng một RNC 81 3.5.3 Chuyển giao HS-DSCH giữa hai các ô (đoạn ô) thuộc hai RNC khác nhau……… 82

3.5.4Chuyển giao HS-DSCH sang ô chỉ có DCH 82

3.6Tổng kết 83

Chương 4 ỨNG DỤNG HSPA TRONG MẠNG VIETTEL 85

4.1Giới thiệu chung 85

4.2Cấu trúc mạng 3G của Viettel 85

4.3Mạng truy nhập vô tuyến 88

4.3.1RNC 89

4.3.2Node B 90

4.3.3Chức năng của RNC 90

4.3.4Giao diện và giao thức của RNC 91

4.4Triển khai tại mạng Viettel 95

4.4.1Mạng truy nhập vô tuyến của Ericsson 95

4.4.2Mạng chuyển mạch gói ( PS Core ) 99

4.5Cấu hình hệ thống đáp ứng yêu cầu truy nhập HSPA 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………104

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 105

AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng AMR Adaptive MultiRate Đa tốc độ thích ứng

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CD/CA-

ICH:

CPCH Collision Detection/ Channel

Assignment Indicator Channel

Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh chỉ thị trạng thái CPCH DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DPCCH Dedicated Physycal Control ChannelKênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel

Kênh cho phép tuyệt đối tăng cường

E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cường

EDGE Enhanced Data rates for GPRS

Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

E-DPCCH Enhanced Dedicated Control

Channel

Kênh điều khiển riêng tăng cường E-DPDCH Enhanced Dedicated Data Channel Kênh số liệu riêng tăng cường E-RGCH Enhanced Relative Grant Channel

Kênh cho phép tương đối tăng cường

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gian F-DPCH Fractional DPCH DPCH một phần (phân đoạn) GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM

EDGE GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động tòan cấu

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA High Speed Downlink Packet

ix

HSS Home Subsscriber Server Server thuê bao nhà

HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ caoHSUPA

High-Speed Uplink Packet Access

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

IR Incremental Redundancy Phần dư tăng

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động P-CCPCH Primary Common Control Physical

Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gói chung

PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

PICH Page Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi

PRACH Physical Random Access Channel Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên)

PSTN

Public Switched Telephone Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quatrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực

S-CCPCH Secondary Common Control

Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SIM Subscriber Identity Module Mođun nhận dạng thuê bao

SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gian TDM

Time Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Mulptiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TFC Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tải TFCI Transport Format Combination

Indicator

Chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải

TTI Transmission Time Interval Khỏang thời gian phát

USIM UMTS SIM

UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTSUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

WCDMA Wideband Code Division Multiple

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS 12

Bảng 2.1 Danh sách các kênh logic 36

Bảng 2.2 Danh sách các kênh truyền tải 38

Bảng 2.3 Danh sách các kênh vật lý 40

Bảng 3.1 Các thông số tốc độ đỉnh R6 HSPA 52

Bảng 3.2 Các loại đầu cuối HSDPA khác nhau 69

Bảng 3.3 Các loại đầu cuối R6 HSUPA ……… ……….79

xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G 4

Hình 1.2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP 5

Hình 1.3 Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 5

Hình 1.4 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS 6

Hình 1.5 Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) 8

Hình 1.6 Đóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền tunnel 9

Hình 1.7 Thiết lập kết nối tunnel trong chuyển mạch tunnel 10

Hình 1.8 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 14

Hình 1.9 Vai trò logic của SRNC và DRNC 17

Hình 1.10 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 23

Hình 1.11 Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6 26

Hình 1.12 Chuyển đổi dần từ R4 sang R5 28

Hình 1.13 Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1) 29

Hình 1.14 Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1) .30

Hình 1.15 Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1 31

Hình 2.1 Kiến trúc giao thức vô tuyến cho UTRA FDD 34

Hình 2.2 Chuyển đổi giữa các LoCH và TrCH trên đường lên và đường xuống .39

Hình 2.3 Tổng kết các kiểu kênh vật lý 40

Hình 2.4 Chuyển đổi giữa các kênh truyền tải và các kênh vật lý 44

Hình 2.5 Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý 45

Hình 2.6 Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói 45

Hình 2.7 Báo hiệu thiết lập cuộc gọi .47

Hình 2.8 Thí dụ về giải thuật SHO 49

Hình 3.1 Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA(f1) 52

Hình 3.2 Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (trường hợp HSDPA) 53

Hình 3.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng 54

Hình 3.4 Các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA .55

Hình 3.5 Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH 56

Hình 3.6 Lập biểu phụ thuộc kênh cho HSDPA 58

Hình 3.7 Nguyên lý lập biểu HSDPA của nút B 59

Hình 3.8 Mã hóa turbo và đục lỗ 60

Hình 3.9 Chùm tín hiệu điều chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu 61

Hình 3.10 Nguyên lý xử lý phát lại của nút B 63

Hình 3.11 HARQ kết hợp phần dư tăng sử dụng mã turbo 64

Hình 3.12 Kiến trúc HSDPA 65

Hình 3.13 Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA 66

Hình 3.14 Sơ đồ MIMO 2x2 68

Hình 3.15 Nguyên lý lập biểu HSUPA của nút B 72

Hình 3.16 Chương trình khung lập biểu của HSUPA 73

Hình 3.17 Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH) .76

Hình 3.18 Các kênh cần thiết cho một UE có khả năng HSUPA 77

Hình 3.19 Cấu trúc kênh tổng thể với HSDPA và HSUPA 77

Hình 3.20 Sự kiện đo và báo cáo ô (đoạn ô) phục vụ HS-DSCH tốt nhất 80

Hình 3.21 Chuyển giao HS-DSCH giữa hai đoạn ô thuộc cùng một nút B 81

Hình 3.22 Chuyển giao HS-DSCH giữa các đoạn ô thuộc hai RNC khác nhau 82

Hình 3.23 Chuyển giao HS-DSCH từ nút B có HS-DSCH sang một nút B chỉ có DCH 83

Hình 4.1 Sơ đồ minh họa cấu trúc tổng thể mạng 3G của Viettel .86

Hình 4.2 Vị trí của RNC,Node B trong hệ thống 3G 88

Hình 4.3 Cấu trúc UTRAN 89

Hình 4.4 Vai trò logic của SNRC và DNRC 90

Hình 4.5 Các giao diện của RNC 91

Hình 4.6 Mô hình giao thức tổng quát UTRAN 92

Hình 4.7 Cấu trúc giao thức của RNC 95

Hình 4.8 Vị trí phần cứng tủ chứa RNC 3820 95

Hình 4.9 Kiến trúc phần cứng RNC 3820 97

xv

Hình 4.10 Cấu trúc phần cứng RBS 3206 98

Hình 4.11 Sơ đồ khối chức năng cơ bản của RBS 3206 99

Hình 4.12 Các giao diện của hệ thống PS core 100

Hình 4.13 Sơ đồ lưu lượng của dịch vụ mobile internet 101

Hình 4.14 Cấu hình kích hoạt một số tính năng phục vụ HSPA 102

Hình 4.15 Cấu hình các thông số trên Nút B 103

MỞ ĐẦU

HSDPA (High Speech Downlink Packet Access: truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) là một mở rộng của các hệ thống 3G WCDMA UMTS đã có thể cung cấp tốc độ lên đến 10 Mbps trên đường xuống HSDPA là một chuẩn tăng cường của 3GPP-3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA HSDPA hoạt động trên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng thích ứng đường truyền Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA (High Speech Uplink Packet Access) Hai công nghệ truy nhập HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA (High Speed Packet Data) Để làm cho công nghệ 3GPP UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh hơn nữa (chủ yếu là để cạnh tranh với các công nghệ mới của 3GPP2 và WiMAX), 3GPP quyết định phát triển E-UTRA và E-UTRAN (E: Elvolved ký hiệu cho phát triển) còn được gọi là siêu 3G (Super-3G) hay LTE (Long Term Evolution) mà thực chất là giai đoạn đầu 4G Công việc phát triển sẽ tiến hành trong 10 năm và sau đó như là sự phát triển dài hạn (LTE: Long Term Evolution) của công nghệ truy nhập vô tuyến 3GPP Trong giai đoạn này tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz Tiếp sau LTE, IMT-Adv (IMT tiên tiến) sẽ được phát triển, đây sẽ là thời kỳ phát triển của 4G với tốc độ từ 100 đến 1000 Mbps và băng thông 100MHz

Chính thức được đưa vào hoạt động lần đầu tiên vào năm 2005, tính đến cuối năm 2006 đã có 19 nhà cung cấp 66 sản phẩm ứng dụng công nghệ HSDPA, trong

đó có 32 sản phẩm điện thoại di động.Với những cải tiến mang tính đột phá, HSDPA là một công nghệ đang được chú trọng phát triển Trên thực tế, thị trường của HSDPA phát triển mạnh mẽ nhất, đặc biệt là ở giai đoạn khởi đầu, là ở những nước phát triển, nơi có lượng khách hàng khổng lồ sử dụng điện thoại di động chất lượng cao Lý do là vì những chiếc điện thoại HSDPA sẽ có giá thành cao hơn hẳn

những chiếc điện thoại thông thường – được nhắm vào thị trường những nước phát triển thấp hơn

Mục đích của luận văn:

• Giới thiệu chung về mạng 3G WCDMA UMTS và xu hướng công nghệ

trong các năm tiếp theo

• Tập trung vào nghiên cứu công nghệ truy nhập gói tốc độ cao cao ( HSPA ), các kĩ thuật chính được sử dụng nhằm đảm bảo yêu cầu truy cập tốc độ cao

cho cả đường xuống và đường lên

• Ứng dụng của những kĩ thuật đó trong mạng Viettel

Nội dung luận văn bao gồm :

Mở đầu: Giới thiệu chung về công nghệ truy cập gói tốc độ cao, các vấn đề sẽ

nghiên cứu trong luận văn

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan quá trình phát triển thông tin di động lên 4G

Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS được xét: R3, R4, R5 và R6 Ngoài ra IMS vẫn còn chứa chuyển mạch mềm để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch kênh (MGCF) Hiện nay mạng 3GWCDMA UMTS đang ở giai doạn chuyển dần từ R4 sang R5 và R6

Chương 2: Trước hết chương này trình bày ngăn xếp giao thức của giao diện vô

tuyến và các kênh logic, kênh truyền tải, kênh vật lý được tạo nên ở giao diện này Tiếp theo cấu trúc của các kênh này được trình bày cụ thể Các kênh được chia thành hai loại: kênh điều khiển, báo hiệu và kênh để truyền lưu lượng WCDMA có thể sử dụng chuyển giao cứng hoặc mềm Chuyển giao mềm chỉ được thực hiện trên cùng một tần số và trong cùng một hệ thống Cuối chương một số thông số và thông tin quan trọng liên quan đến máy thu và máy phát vô tuyến của UE cũng như CODEC thoại

cho WCDMA cũng được trình bày

Chương 3: HSPA là công nghệ tăng cường cho 3G WCDMA còn được gọi là 3G+

HSPA là công nghệ truyền dẫn gói phù hợp cho truyền thông đa phương tiện IP băng rộng HSDPA sử dụng kênh chia sẻ đường xuống trên cơ sở ghép nhiều kênh mã với hệ số trải phổ SF=16, trong đó tối đa số kênh mã dành cho lưu lượng lên đến 15 và một kênh mã được dành cho báo hiệu và điều khiển HSUPA sử dụng kênh tăng cường E-DCH để truyền lưu lượng Cả HSDPA và HSUPA đều sử dụng truyền dẫn thích ứng trên cở

sở lập biểu và HARQ Điểm khác biệt giữa HSDPA và HSUPA là HSDPA không sử dụng điều khiển công suất và chuyển giao mềm trái lại HSUPA sử dụng cả hai kỹ thuật này, ngoài ra HSUPA chỉ sử dụng một kiểu điều chế BPSK vì thế nó không áp dụng kỹ thuật điều chế mà mã hóa thích ứng (AMC: Adaptive Modulation and Coding)

Chương 4: Nghiên cứu và đánh giá về việc triển khai mạng 3G UMTS WCDMA

nói chung cũng như công nghệ truy nhập gói tốc độ cao UMTS tại Viettel Trình bày một số ứng dụng đã triển khai thực tế và kết quả thu được

Phần kết luận: Tóm tắt kết quả nghiên cứu và khuyến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS

1.1 Giới thiệu chung

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đã được đưa vào hoạt động Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin động thế hệ ba

Trong chương này sẽ trình bày khái quát chung về sự phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 4G, kiến trúc chung của một mạng 3G; các kiến trúc R3, R4, R5 và R6 của mạng thông tin di động 3G WCDMA UMTS

1.2 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được cho trên hình 1.1 và lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Hình 1.2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 1.3 cho thấy lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

Hình 1.3 Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

1.3 Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng

và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói Hình 1.4 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi

Hình 1.4 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS) Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM) Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3G WCDMA UMTS

1.4 Các loại chuyển mạch trong mạng 3G

3G cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh như tiếng, video và các dịch vụ chuyển mạch gói chủ yếu để truy nhập internet

Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch) là sơ đồ chuyển mạch trong đó

thiết bị chuyển mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối chiếm một tài nguyên mạng nhất định trong toàn bộ cuộc truyền tin Kết nối này là tạm thời, liên tục và dành riêng Tạm thời vì nó chỉ được duy trì trong thời gian cuộc gọi Liên tục vì nó được cung cấp liên tục một tài nguyên nhất định (băng thông hay dung lượng và công suất) trong suốt thời gian cuộc gọi Dành riêng vì kết nối này

và tài nguyên chỉ dành riêng cho cuộc gọi này Thiết bị chuyển mạch sử dụng cho

CS trong các tổng đài của TTDĐ 2G thực hiện chuyển mạch kênh trên trên cơ sở ghép kênh theo thời gian trong đó mỗi kênh có tốc độ 64 kbps và vì thế phù hợp cho việc truyền các ứng dụng làm việc tại tốc độ cố định 64 kbps (chẳng hạn tiếng được

mã hoá PCM)

Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch) là sơ đồ chuyển mạch thực hiện phân

chia số liệu của một kết nối thành các gói có độ dài nhất định và chuyển mạch các gói này theo thông tin về nơi nhận được gắn với từng gói và ở PS tài nguyên mạng chỉ bị chiếm dụng khi có gói cần truyền Chuyển mạch gói cho phép nhóm tất cả các số liệu của nhiều kết nối khác nhau phụ thuộc vào nội dung, kiểu hay cấu trúc

số liệu thành các gói có kích thước phù hợp và truyền chúng trên một kênh chia sẻ Việc nhóm các số liệu cần truyền được thực hiện bằng ghép kênh thống kê với ấn định tài nguyên động Các công nghệ sử dụng cho chuyển mạch gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc IP

Hình 1.5 cho thấy cấu trúc của CS và PS

Hình 1.5 Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS)

Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service) là dịch vụ trong đó mỗi đầu cuối

được cấp phát một kênh riêng và nó toàn quyển sử dụng tài nguyên của kênh này trong thời gian cuộc gọi tuy nhiên phải trả tiền cho toàn bộ thời gian này dù có truyền tin hay không Dịch vụ chuyển mạch kênh có thể được thực hiện trên chuyển mạch kênh (CS) hoặc chuyển mạch gói (PS) Thông thường dịch vụ này được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (thoại)

Dịch vụ chuyển mạch gói (PS Service) là dịch vụ trong đó nhiều đầu cuối

cùng chia sẻ một kênh và mỗi đầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này khi

có thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lượng tin được truyền trên kênh Dịch vụ chuyển mạch gói chỉ có thể được thực hiện trên chuyển mạch gói (PS) Dịch vụ này rất rất phù hợp cho các dịch vụ phi thời gian thực (truyền số liệu), tuy nhiên nhờ sự phát triển của công nghệ dịch vụ này cũng được áp dụng cho các dịch

vụ thời gian thực (VoIP)

Chuyển mạch gói có thể thực hiện trên cơ sở ATM hoặc IP

ATM (Asynchronous Transfer Mode: chế độ truyền dị bộ) là công nghệ

thực hiện phân chia thông tin cần phát thành các tế bào 53 byte để truyền dẫn và

chuyển mạch Một tế bào ATM gồm 5 byte tiêu đề (có chứa thông tin định tuyến)

và 48 byte tải tin (chứa số liệu của người sử dụng) Thiết bị chuyển mạch ATM cho phép chuyển mạch nhanh trên cơ sở chuyển mạch phần cứng tham chuẩn theo thông tin định tuyến tiêu đề mà không thực hiện phát hiện lỗi trong từng tế bào Thông tin định tuyến trong tiêu đề gồm: đường dẫn ảo (VP) và kênh ảo (VC) Điều khiển kết nối bằng VC (tương ứng với kênh của người sử dụng) và VP (là một bó các VC) cho phép khai thác và quản lý có khả năng mở rộng và có độ linh hoạt cao Thông thường VP được thiết lập trên cơ sở số liệu của hệ thống tại thời điểm xây dựng mạng Việc sử dụng ATM trong mạng lõi cho ta nhiều cái lợi: có thể quản lý lưu lượng kết hợp với RAN, cho phép thực hiện các chức năng CS và PS trong cùng một kiến trúc và thực hiện khai thác cũng như điều khiển chất lượng liên kết

Chuyển mạch hay Router IP (Internet Protocol) cũng là một công nghệ

thực hiện phân chia thông tin phát thành các gói được gọi là tải tin (Payload) Sau

đó mỗi gói được gán một tiêu đề chứa các thông tin địa chỉ cần thiết cho chuyển mạch Trong thông tin di động do vị trí của đầu cuối di động thay đổi nên cần phải

có thêm tiêu đề bổ sung để định tuyến theo vị trí hiện thời của máy di động Quá trình định tuyến này được gọi là truyền đường hầm (Tunnel) Có hai cơ chế để thực hiện điều này: MIP (Mobile IP: IP di động) và GTP (GPRS Tunnel Protocol: giao thức đường hầm GPRS) Tunnel là một đường truyền mà tại đầu vào của nó gói IP được đóng bao vào một tiêu đề mang địa chỉ nơi nhận (trong trường hợp này là địa chỉ hiện thời của máy di động) và tại đầu ra gói IP được tháo bao bằng cách loại bỏ tiêu đề bọc ngoài (hình 1.6)

Hình 1.6 Đóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền tunnel

Hình 1.7 cho thấy quá trình định tuyến tunnel (chuyển mạch tunnel) trong hệ

thống 3G UMTS từ tổng đài gói cổng (GGSN) cho một máy di động (UE) khi nó chuyển từ vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt (SGSN1) này sang một vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt khác (SGSN2) thông qua giao thức GTP

Hình 1.7 Thiết lập kết nối tunnel trong chuyển mạch tunnel

Vì 3G WCDMA UMTS được phát triển từ những năm 1999 khi mà ATM là

công nghệ chuyển mạch gói còn ngự trị nên các tiêu chuẩn cũng được xây dựng trên công nghệ này Tuy nhiên hiện nay và tương lai mạng viễn thông sẽ được xây dựng trên cơ sở internet vì thế các chuyển mạch gói sẽ là chuyển mạch hoặc router IP

1.5 Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ

Vì TTDĐ 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu

lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh Ngoài ra TTDĐ 3G cũng được sử dụng cho các dịch vụ tiếng Nói chung TTDĐ 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông đa phương tiện Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ QoS ở W-CDMA được phân loại như sau:

Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ

(thoại chẳng hạn)

Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với

trễ nhỏ (phân phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming)

Loại tương tác (Interactive, nrt): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất

định và tỷ lệ lỗi thấp (trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn)

Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được thực hiện

trên nền cơ sở (e-mail, tải xuống file: Video Download)

Môi trường hoạt động của 3WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng với các tốc độ bit Rb phục vụ như sau:

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

viễn

thông

Dịch vụ số liệu - Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144kbps)

- Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao (144 kbps 2Mbps)

- Dịch vụ số liệu tốc độ cao (≥ 2Mbps) Dịch vụ đa

Internet

Dịch vụ internet

đa phương tiện

Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực (≥ 2Mbps)

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5 Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói) Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực

như thoại và hình ảnh Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được truyền trên miền PS R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên

1.6 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố định và Internet Các dịch vụ này gồm: điện thoại

có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí

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 Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.8) 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 vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó Mạng lõi CN bao 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)

Hình 1.8 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

1.6.1 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 giảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS Điều này đạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các card thông minh

1.6.1.1 Các đầu cuối (TE)

Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó được chuyển thành đầu cuối Các nhà sản xuất chính đã đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trên các khái niệm mới, nhưng trong thực tế chỉ một số ít là được đưa vào sản xuất Mặc dù các đầu cuối dự kiến khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ít phím hơn so với 2G Lý do chính là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di động, modem và máy tính bàn tay

Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến (giao diện WCDMA) Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS Giao

diện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh

Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng các đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theo cùng một cách

Các tiêu chuẩn này gồm:

• Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình)

• Đăng ký mật khẩu mới

• Thay đổi mã PIN

• Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)

• Trình bầy IMEI

• Điều khiển cuộc gọi

Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng sẽ chọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) là thiết kế và giao diện Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cung cấp (màn hình nút chạm), các phím và menu

khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh) Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng

USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao

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

1.6.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN Nó gồm các phần tử đảm bảo 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 mạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B

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 1.9 Khi UE trong chuyển giao mềm 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 1.9 Vai trò logic của SRNC và DRNC

1.6.2.2 Nút B

Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu 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 đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối 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 cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối

1.6.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE Miền PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các

mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM Các nút B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP

1.6.3.1 SGSN

SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là nút chính của miền chuyển mạch gói Nó 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

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

• IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động 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 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

GGSN nối đến Internet thông qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp

1.6.3.3 BG

BG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN với các mạng khác Chức năng của nút này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài

1.6.3.4 VLR

VLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao của HLR cho mạng phục vụ (SN: Serving Network) Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng

Số liệu sau đây được lưu trong VLR:

• IMSI

• MSISDN

• TMSI (nếu có)

• LA hiện thời của thuê bao

• MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến

Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp

Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế được gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC

1.6.3.5 MSC

MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng 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

1.6.3.6 GMSC

GMSC có thể là một trong số các MSC GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS

1.6.3.7 Môi trường nhà

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng 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 tính cước cho các dịch vụ cung cấp Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm đều được liệt kê ở đây

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

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

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

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 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 sử dụng để cấm các seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn

1.6.4 Các mạng ngoài

Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cần thiết để đảm 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 Miền PS kết nối đến các mạng số liệu còn miền CS nối đến các mạng điện thoại

1.6.5 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 trong UMTS

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

• 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 UTRAN chỉ có thể 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 tính năng mới được bổ sung 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

1.7 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.10 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4 Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm

Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào

Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway) MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển

và có thể đặt xa MSC Server

Hình 1.10 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MSC Server Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Trong nhiều trường

hợp đường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time

Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP) Từ hình 1.10 ta thấy lưu lượng số

liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP Cả

số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP

Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn,

sẽ có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server) MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này Để thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc

độ 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248 Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển Nó có tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control) Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức điều

khiển cuộc gọi bất kỳ 3GPP đề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức Điều khiển

cuộc gọi độc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) được xây

dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU

Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu

tư

Để làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố A Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSC Server

ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố

A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng