đồ án kỹ thuật viễn thông Ứng dụng công nghệ ATM cho SGSN trong UMTS

GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức xuyên hầm GPRSGTP-C Control Plane Part of GPRSHLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSCSD High Speed CircuitSwitches Data Số liệu chu

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7

LỜI NÓI ĐẦU 13

CHƯƠNG 1: 15

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UMTS 15

1.1 Lịch sử phát triển và xu hướng đa phương tiện 15

1.2 Một số đặc trưng cơ bản của hệ thống UMTS 17

1.3 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ hai GSM sang hệ thống thế hệ ba UMTS 18

1.3.1 Hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ hai GSM 19

1.3.2 Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD 20

1.3.3 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 21

1.3.4 Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE) 23

1.4 Cấu trúc hệ thống của W-CDMA (UMTS) 23

1.5 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) 27

1.5.1 Cấu trúc UTRAN 27

1.5.1.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến 28

1.5.1.2 Vai trò logic của RNC 28

1.5.2 Mô hình giao thức tổng quát đối với các giao diện mặt đất của UTRAN 31

1.5.2.1 Các lớp ngang 32

1.5.2.2 Các mặt phẳng đứng 32

1.5.3 Mô hình tham khảo mạng UMTS 35

1.5.3.1 UMTS R4 - truyền tải hoàn toàn IP 39

1.5.3.2 Mô hình kiến trúc tổng quát UMTS R5 43

1.6 Triển khai hệ thống UMTS trên thế giới 49

CHƯƠNG 2: 50

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ATM 50

2.1 Các mục tiêu của ATM 50

2.2 Nguyên lý cơ sở của ATM 51

2.3 Mô hình chuyển mạch cho thông tin băng rộng 51

2.4 Tế bào ATM 52

2.5 Mô hình mạng ATM 56

2.6 Mô hình tham chiếu giao thức B-ISDN 56

2.6.1 Lớp thích ứng ATM (AAL) 59

2.6.2 Giao thức AAL2 60

2.6.3 Giao thức AAL3/4 62

2.6.4 Giao thức AAL5 64

2.7 Chất lượng dịch vụ (QoS) và quản lí lưu lượng ATM 65

2.7.1 Các lớp QoS ở thông tin di động 3G 65

2.7.2 Các loại dịch vụ ATM 66

2.7.3 Điều khiển cho phép kết nối CAC (Connection Admision Control) 68

2.7.4 Điều khiển thông số sử dụng UPC (Usage Parameter Control) 68

CHƯƠNG 3: 70

ỨNG DỤNG ATM CHO SGSN TRONG UMTS 70

3.1 Mô tả cấu trúc cơ bản và các giao diện ở mạng lõi UMTS 70

3.2 Giao diện UTRAN-CN ( giao diện Iu ) 70

3.2.1 Cấu trúc giao thức cho IuCS 71

3.2.1.1 Ngăn xếp giao thức mặt điều khiển IuCS 72

3.2.1.2 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải IuCS 72

3.2.1.3 Ngăn xếp giao thức mặt người sử dụng 72

3.2.2.1 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển IuPS 73

3.2.2.2 Ngăn xếp giao thức mặt điều khiển mang truyền tải IuPS 74

3.2.2.3 Ngăn xếp giao thức mặt người sử dụng IuPS 74

3.2.3 Giao thức RANAP 74

3.2.4 Giao thức mặt phẳng người sử dụng Iu: 77

3.3 Giao diện giữa SGSN và GGSN (giao diện Gn) 78

3.4 Giao diện giữa mạng lõi UMTS và các mạng ngoài 80

3.4.1 Cổng biến đổi giao thức 81

3.4.2 Cổng TCP 82

3.4.3 Cổng truyền tunnel 84

3.5 Các thủ tục cơ bản đối với dịch vụ chuyển mạch 85

3.5.1 Đối với chuyển mạch kênh 85

3.5.1.1 Quản lí di động 85

3.5.1.2 Thiết lập cuộc gọi khởi xướng từ máy di động 88

3.5.1.3 Thiết lập cuộc gọi kết cuối máy di động 91

3.5.1.4 Chuyển giao 93

3.5.2 Các thủ tục cơ bản đối với dịch vụ chuyển mạch gói 95

3.5.2.1 Các thủ tục khởi xướng cuộc gọi 95

3.5.2.2 Các thủ tục kết cuối cuộc gọi 96

3.5.2.3 Các thủ tục đặt lại 97

3.6 Định cỡ giao diện IuB 99

KẾT LUẬN 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.4: Các phần tử của mạng PLMN……….Hình 1.10 : Kiến trúc mạng đa phương tiện IP UMTS R5……… Hình 2.1: Cấu trúc tế bào ATM

Hình 3.10: Các thủ tục khởi xướng cuộc gọi trong mạng UMTS………… 90Hình 3.11: Các thủ tục định tuyến trong mạng UMTS……… 92Hình 3.14: Các thủ tục khởi xướng cuộc gọi……… 96Hình 3.16: Các thủ tục đặt lại……… 99

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.2: Các loại dịch vụ ATM 66

AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM

ABR Available Bit Rate Tốc độ bit khả dụng

AMR Adaptive MultiRate Codec Mã hoá đa tốc độ thích ứng

APN Access Point Number Số nhận dạng điểm truy nhậpATDM Asynchronous Time

Divition Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thờigian không đồng bộ

ATM Asynchronous

Transfer Mode

Chế độ truyền tải không đồng bộ

BICC Bear Independent Call

Control Protocol

Giao thức điều khiển cuộc gọikhông phụ thuộc vật mang

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CAC Connection Admission

Control

Điều khiển cho phép kết nối

CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định

CGF Charging Gateway Function Chức năng cổng tính cước

DSN Domain Name Service Dịch vụ chuyển đổi tên miền

GLR Gateway Location Register Thanh ghi vị trí cổng

GMSC Gateway Mobile Switching

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System for Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động toàncầu thế hệ hai

GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức xuyên hầm GPRSGTP-C Control Plane Part of GPRS

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSCSD High Speed CircuitSwitches

Data

Số liệu chuyển mạch kênh tốc

độ caoHTTP Hyper Text Transfer

Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

IAM Initial Address Message Bản tin địa chỉ khởi đầu

IMSI International Mobile

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IS-136 Interim Standard - 136 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDMA cải tiến của Hoa KìIS-95 Interim Standard - 95 Tiêu chuẩn thông tin di động

CDMA của Hoa KìISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ InternetITU International

Telecommunocation Union

Liên minh viễn thông quốc tế

IWF InterWorking Function Chức năng kết nối mạng của

MSCLAI Location Area Identifier Nhận dạng vùng định vị

LAN Local Area Network Mạng nội hạt

M3UA MTP3 User Adaptation

Layer

Lới thích ứng người sử dụngSS7 MTP3

MAC-I Message Authentication

Code for Integrity

Mã nhận thực bản tin toàn vẹn

MBS Maximum Burst Size Kích thước cụm cực đại

MM Mobile Management Quản lí di động

MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di độngMSRN Mobile Station Roaming

Number

Số lưu động trạm di động

MTP-3b Message Transfer Part level

3

Phần truyền bản tin mức 3NNI Network- Network Interface Giao diện mạng - mạng

PC Personal Compurter Máy tính cá nhân

PCR Peak Cell Rate Tốc độ tế bào đỉnh

PDC Personal (or Pacific)

Digital Cellular

Tiêu chuẩn Nhật Bản cho thôngtin di động 2G

PDN Packet Data Network Mạng số liệu gói

PLMN Public Land Mobile

Network

Mạng thông tin di động mặt đất

PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm đến điểm

PSK Phase Shift Keying Điều chế khoá chuyển pha

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RAB Radio Access Bearer Vật mang truy nhập vô tuyếnRAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RANAP Radio Access Network

Application Part

Phần ứng dụng mạng truy nhập

vô tuyếnRANAPE

P

RANAP Elementary Procedures

Lớp thích ứng báo hiệu ATMcho giao diện vùng mạng

SCCP Signaling Connection

Control Part

Phần điều khiển kết nối báo hiệu

SCR Sustainable Cell Rate Tốc độ tế bào đủ dung

SDU Service Data Unit Đơn vị số liệu dịch vụ

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SI Stremam Identifier Nhận dạng luồng

SIM Subscriber Identification

Module

Mô đung nhận dạng thuê bao

SM Session Management Quản lí phiên

SMS Short Message Service Dịch vụ gửi bản tin ngắn

SS Supplementary Service Dịch vụ bổ sung

SS7 Signaling System 7 Hệ thống báo hiệu số 7

SSCF Service Specific

Giao thức điều khiển truyền dẫn

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

TI Transaction Identifier Nhận dạng giao dịch

TMSI Temporary Mobile

Subscriber Identifier

Số nhận dạng thuê bao di độngtạm thời

UBR Unspecified Bit Rate Tốc độ bit không xác định

UDP User Datagram Protocol Giao thức đơn vị dữ liệu người

sử dụng

UE User equipment Thiết bị người sử dụng

UMTS Universal Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

Telecommunication Sysstem cầu thế hệ baUNI User- Network Interface Giao diện người sử dụng - mạngUPC Usage Parameter Control Điều khiển thông số sử dụngUSIM UMTS Subscriber

VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit thay đổi

VCI Virtual Channel Identifier Nhận dạng kênh ảo

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

VPC Virtual Path Connection Kết nối đường ảo

VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo

WAP Wireless Application

W-PPP Wireless Point-to-Point

Protocol

Giao thức điểm tới điểm vôtuyến

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễnthông phát triển nhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất Để đáp ứngnhu cầu về chất lượng dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động ngàycàng không ngừng được cải tiến, nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin diđộng được ra đời Với sự phát triển mạnh mẽ về khoa học kỹ thuật và nhu cầu

thông tin và khả năng tích hợp nhiều loại hình dịch vụ.Cung cấp các dịch vụ

đa phương tiện di động là cần thiết để đáp ứng nhu cầu đa dạng của người sửdụng

Hệ thống thông tin di động thế hệ hai GSM đã có sự phát triển mạnhmẽ.Tuy nhiên, khi nhu cầu về thông tin tốc độ cao và truyền thông số liệungày càng tăng thì hệ thống thông tin di động thế hệ hai đã không thể đáp ứngđược Mạng thông tin di động thế hệ ba (3G) lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữacác vùng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói để truyền số liệu gói vàtiếng Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng côngnghệ ATM Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽdần được thay thế bằng chuyển mạch gói Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thờigian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môitrường IP bằng các chuyển mạch gói Công nghệ truyền tải không đồng bộ(ATM : Asynchronous Transfer Mode) có các chức năng quản lí lưu lượng vàđiều khiển chất lượng mạng để xử lí các đặc tính lưu lượng ATM là một côngnghệ hiệu quả để truyền tải cả dịch vụ chuyển mạch gói và dịch vụ chuyển

mạch kênh Vì vậy em đã quyết định chọn “ứng dụng công nghệ ATM cho

SGSN trong UMTS” là đề tài đồ án tốt nghiệp của mình.

Đề tài của em gồm 3 chương:

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ ba

UMTS

- Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động thế

hệ ba UMTS và con đường phát triển từ GSM đến UMTS

Chương 2 : Tổng quan về công nghệ ATM

- Giới thiệu các mục tiêu của ATM

- Mô hình chuyển mạch cho thông tin băng rộng

- Chất lượng dịch vụ QoS và các loại dịch vụ.

Chương 3 : Ứng dụng công nghệ ATM cho SGSN trong UMTS

- Giới thiệu mô tả cấu trúc cơ bản và các giao diện ở mạng lõi UMTS

Do nội dung kiến thức tương đối rộng, thời gian có hạn, điều kiệnnghiên cứu chủ yếu dựa trên lý thuyết nên có lẽ đề tài vẫn còn có những chỗthiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý và giúp đỡ của các thầy cô giáo vàcác bạn để em có thể nắm bắt nội dung đề tài sâu sắc hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giúp đỡ em trong suốt

thời gian qua Em xin cảm ơn thầy giáo Hoàng Anh Dũng đã tận tình hướng

dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UMTS

1.1 Lịch sử phát triển và xu hướng đa phương tiện.

Lịch sử các hệ thống viễn thông có thể tính từ khi Michael Faraday phátminh ra định luật cảm ứng điện từ năm 1831, Jemes clerk Maxwell chứng tỏkhả năng truyền của sóng điện từ trong không khí năm 1873, AlexanderGraham Bell chế tạo thành công chiếc điện thoại đầu tiên trên thế giới tháng 3năm 1876 hay Samuel F.B Morse phát minh ra điện báo năm 1973 Đó là

những phát minh quan trọng, đặt nền móng cho sự phát triển của viễn thôngnói chung và thông tin di động sau này.

Kỷ nguyên của các hệ thống vô tuyến tế bào sử dụng kĩ thuật Analog bắtđầu năm 1979 với sự kiện mạng điện thoại di động đầu tiên được NTT thươngmại hoá ở Nhật.Các hệ thống Analog tiếp tục phát triển cho đến khi hệ thốngthông tin di động sử dụng kĩ thuật số ra đời năm 1991 được đánh dấu bằngviệc triển khai mạng GSM đầu tiên tại Phần Lan Các sự kiện quan trọng đốivới sự phát triển của các hệ thống thông tin di động Đặc biệt của hệ thốngUMTS kể từ năm 1991 được liệt kê sau đây theo trình tự thời gian

Ngày 01/08/1991 Mạng GSM đầu tiên được đưa vào hoạt động chínhthức tại Phần Lan

Năm 1992 tất cả các nhà khai thác ở Châu Âu bắt đầu hoạt động kinhdoanh với các mạng GSM

Tháng 02/1995 UMTS Task Force được thành lập và đưa ra bản báo cáo

về lộ trình tới UMTS

Tháng 12/1996 UMTS Forum được thành lập tại cuộc họp khai mạc tổchức tại Zurich, Thụy sỹ

Tháng 10/1997 ERC quyết định băng lõi của UMTS

Tháng 01/1998.Tại cuộc họp của ETSI SMG tại Pari, cả hai đề xuất CDMA và TD-CDMA được kết hợp thành tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyếncủa UMTS

Tháng 12/1999 tại Nice ETSI, việc tiêu chuẩn hoá UMTS Release 1999hoàn tất cho cả EDD và TDD

Tháng 04/2000 WRC-2000 phân tích việc mở rộng băng

UMTS/IMT-2000

Tháng 03/2001 Ericsson và Vodafone UK khẳng định đã thực hiệncuộc gọi đầu tiên UMTS đầu tiên trên thế giới qua mạng thương mại

Ngày 01/12/2001.Telenor triển khai ở Na-uy mạng UMTS đã có mặttrên thị trường vào quý 3 năm 2002.

Tháng 03/2002 UMTS 3GPP Release 5 được phát hành

Ngày 25/09/2002.Mobilkom (nhà khai thác mạng ở Áo) triển khai mạngUMTS đầu tiên ở Châu Âu

Ngày 31/01/2003 Lần đầu tiên trên thế giới, Ericsson thử nghiệm thànhcông phiên bản Ipv6 với mạng UMTS/W-CDMA

Sự phát triển của công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin ngày naykhẳng định một xu thế tất yếu đó là sự hội tụ của viễn thông và tin học Hệquả là các máy tính có xu hướng ngày càng nhỏ và nhẹ hơn (trừ một số thànhphần như màn hình,…), với khả năng xách tay và tiến tới là di động thực sự.Trong khi đó các máy di động ngày càng được tăng cường các tính năng củamột chiếc máy tính, thậm chí cả tính năng của các thiết bị khác như: máy ảnh,camera, máy ghi âm…hướng tới các dịch vụ mới, các dịch vụ của mạng máytính chứ không phải chỉ riêng dịch vụ thoại hay nhắn tin thông thường

Cuối cùng, các máy tính và máy di động có xu hướng hội tụ ở một loạithiết bị mạng duy nhất là đa phương tiện Như vậy có thể thấy rằng đa phươngtiện là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống mạng và các thiết bị diđộng ngày nay

1.2 Một số đặc trưng cơ bản của hệ thống UMTS.

- Cung cấp vùng phủ toàn cầu nhờ vệ tinh.Tốc độ dữ liệu phụ thuộcvào vùng phủ như trong bảng sau:

+ Giải trí: Thể thao, video, âm nhạc…

+ Gia tăng: TV, radio, PC, nghe nhạc MP3, máy quay phim…

Chất lượng:

- Chất lượng cao, có thể đạt BER=10-6

- Tính bảo mật cao, chống nghe trộm

EDGE: Enhanced Data rates for GSM Evolution: Tốc độ số liệu gói tăngcường để phát triển GSM.

UMTS: Universal Mobile Telecommunication System: Hệ thống thôngtin di động toàn cầu thế hệ ba

1.3.1 Hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ hai GSM.

GSM là hệ thống thông tin di động phục vụ chủ yếu cho dịch vụ thoại

và dịch vụ bản tin ngắn SMS

GSM cũng có thể cung cấp dịch vụ truyền số liệu nhưng với tốc độ rấtthấp ( 9,6kbps) Để kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụnggiao thức ứng dụng vô tuyến WAP (Wireless Application Protocol)

Ở giao diện vô tuyến, GSM sử dụng kết hợp phương pháp FDMA vàTDMA

Dải tần dành cho GSM là 890-960 MHz được chia thành các kênh tần số

vô tuyến 200 kHz đường xuống và đường lên như sau:

1.3.2 Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD.

Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD (High Speed Switched Data) là một dịch vụ cho phép tăng tốc dộ dịch vụ số liệu chuyểnmạch kênh hiện có 9,6 kbps của GSM Để tăng tốc độ truyền số liệu, người sửdụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn Có thể kết hợp động từ 1đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ truyền cực đại là 64 kbps cho một người sử

Circuit-dụng Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến8*14,4 Kbps, như vậy có thể đạt tốc độ trên 100kbps.

Hầu hết các chức năng của dịch vụ truyền số liệu hiện nay được đặt ởchức năng kết nối mạng IWF (InterWorking Function) của MSC và ở chứcnăng tương thích đầu cuối TAF (Terminal Adaptation Function) của MS.Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này Kênh tốc độ cao chứa một số kênhcon ở giao diện vô tuyến Các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng

số ở IWF và TAF (hình 1.2)

Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống cho HSCSD

Một tính năng đặc biệt của HSCSD là nó có thể hỗ trợ cả kết nối đốixứng (số khe phát đường lên và đường xuống bằng nhau) và kết nối khôngđối xứng (số khe phát đường xuống lớn hơn số khe phát đường lên)

Việc sử dụng điều chế 8-PSK cho HSCSD cho phép đạt được tốc độtruyền số liệu cao hơn Tuy nhiên, do sử dụng cơ chế chuyển mạch kênh nênhiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất kém HSCSD hầu như không có khảnăng triển khai vào thực tế

1.3.3 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS

Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Service) hỗtrợ dịch vụ số liệu gói tốc độ cao cho GSM GPRS khác với HSCSD ở chỗ nó

sử dụng công nghệ chuyển mạch gói nên nhiều người sử dụng có thể sử dụng

chung một tài nguyên vô tuyến và vì thế hiệu suất sử dụng tài nguyên vôtuyến rất cao Một MS ở chế độ GPRS chỉ giành được tài nguyên vô tuyến khi

nó có số liệu cần phát và ở thời điểm khác các người sử dụng khác có thể sửdụng tài nguyên vô tuyến đó Nhờ vậy mà băng tần được sử dụng rất hiệuquả Cấu trúc của mạng GPRS được cho bởi (hình 1.3)

Um

Gr HLR

SMS: Short Message Service : Dịch vụ bản tin ngắn

SGSN: Serving GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

GGSN: Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng

MT: Mobile Terminal: Đầu cuối di động

TE: Terminal Equipment: Thiết bị đầu cuối

PLMN: Public Land Mobile Network: Mạng di động mặt đất

PDN: Packet Data Network: Mạng số liệu gói

Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian để đạtđược tốc độ đến hơn 100 kbps Tuy nhiên nếu nhiều người cùng sử dụng thìtốc độ bit sẽ thấp hơn Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho lưu lượng chuyểnmạch kênh nên việc đưa dịch vụ chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ xungthêm thiết bị cho mạng (hình 1.3) Mạng GPRS kết nối với các mạng số liệucông cộng như IP và mạng X25 Nút SGSN và nút GGSN thực hiện thu vàphát các gói số liệu đến các trạm di động (MS) ở các mạng GPRS khác nhau Giao diện vô tuyến GPRS được xây dựng trên cùng nền tảng như giaodiện vô tuyến của GSM: Cùng sóng mang vô tuyến độ rộng băng tần 200kHz

và 8 khe thời gian trên một sóng mang Điều này cho phép GSM và GPRSchia sẻ cùng một tài nguyên vô tuyến Tất nhiên GPRS có thể yêu cầu bổ sungthêm sóng mang trong cùng một ô Khi này có thể cần quy hoạch tần số bổsung nhưng việc quy hoạch này không khác gì so với quy hoạch tần số bổsung ở mạng GSM

GPRS là một bước phát triển hết sức quan trọng và tất yếu để đi từ GSMlên UMTS Vì vậy nó được gọi là hệ thống 2.5 G

1.3.4 Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE).

Nói chung cấu trúc EDGE giống như cấu trúc GPRS Tuy nhiên EDGE

sử dụng điều chế nhiều trạng thái hơn (8-PSK chẳng hạn) nên có thể đạt đượctốc độ truyền số liệu cao hơn

1.4 Cấu trúc hệ thống của W-CDMA (UMTS).

Cấu trúc hệ thống UMTS bao gồm các phần tử mạng logic và các giaodiện Hệ thống UMTS sử dụng cùng cấu trúc như hệ thống thế hệ hai, thậmchí cả một phần cấu trúc của hệ thống thế hệ một Mỗi phần tử có một chứcnăng xác định

Trong tiêu chuẩn, các phần tử mạng được định nghĩa ở mức logic, tuynhiên cũng thường được thực hiện ở dạng vật lí tương tự, nhất là một số giaodiện mở (để giao diện là mở, cần định nghĩa giao diện này cho ở mức chi tiết

có thể sử dụng được thiết bị của hai nhà sản xuất khác nhau ở các điểm cuối)

Có thể nhóm các phần tử mạng theo các chức năng giống nhau hay theo mạngcon mà chúng trực thuộc

Về mặt chức năng, các phần tử mạng được nhóm thành mạng truy nhập

vô tuyến (RAN: Radio Access Network hay URAN) Để thực hiện chức năngliên quan đến vô tuyến và mạng lõi (CN: Core Network) thực hiện chức năngchuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết cuối số liệu Để hoàn thiện hệ thốngcòn có thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment) thực hiện giao diệnngười sử dụng với hệ thống và cần định nghĩa giao diện vô tuyến

Từ quan điểm chuẩn, cả UE và UTRAN đều bao gồm các giao thứcmới, việc thiết kế các giao thức này dựa trên các nhu cầu của công nghệ vôtuyến W-CDMA mới Một phương pháp chia nhóm khác cho mạng UMTS làchia chúng thành các mạng con Ở khía cạnh này, hệ thống UMTS được thiết

kế theo modun, vì thế có thể có nhiều phần tử mạng cho cùng một kiểu.Vềnguyên tắc, yêu cầu tối thiểu cho một mạng hoạt động và có đầy đủ các tínhnăng là phải có ít nhất một phần tử logic cho mỗi kiểu Khả năng có nhiềuphần tử của cùng một kiểu cho phép chia hệ thống UMTS thành các mạngcon hoạt động hoặc độc lập, hoặc cùng với các mạng con khác Các mạng connày được phân biệt bởi các nhận dạng duy nhất Một mạng con như vậy đượcgọi là mạng di động mặt đất công cộng UMTS (UMTS PLMN: UMTS PublicLand Mobile Network) Thông thường mỗi PLMN được khai thác bởi mộtnhà khai thác duy nhất và nó được nối đến các PLMN khác cũng như cácdạng mạng khác như ISDN, PSTN, Internet,…UE (User Equipment) bao gồmhai phần:

- Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment ) là đầu cuối vô tuyến được sửdụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber IdentityModule) là một thẻ thông minh chứa nhận dạng thuê bao, thực hiện các thuậttoán nhận thực và lưu giữ các khoá nhận thực và một số thuê bao cần thiếtcho đầu cuối

UTRAN còn chứa các phần tử khác nhau như:

- Nút B: điểm chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện IuB và Uu Nócũng tham gia quản lí tài nguyên vô tuyến (Nút B có cùng ý nghĩa như trạmgốc BTS)

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC): sở hữu và điều khiển các tàinguyên vô tuyến ở trong vùng của mình (các nút B được nối với nó) RNC làđiểm truy nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN,chẳng hạn quản lý tất cả các kết nối đến UE

- Bộ ghi định vị thường trú (HLR): là một cơ sở dữ liệu được đặt tại hệthống chủ nhà của người sử dụng để lưu giữ bản sao chính về lý lịch dịch vụcủa người sử dụng Lý lịch dịch vụ này gồm: thông tin về các dịch vụ đượcphép, các vùng không được chuyển mạng và thông tin về các dịch vụ bổ sungnhư: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

- Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động / Bộ ghi định vị tạm trú(MSC/VLC): là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch

vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nó Chức năng của MSC

là sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh (CS: Circuit Swith) và chức năngcủa VLR là lưu giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng khách cũng như vịtrí chính xác hơn của UE trong hệ thống đang phục vụ Phần mạng được truynhập qua MSC/VLR thường được gọi là vùng CS

- Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng (GMSC): là chuyển

- Điểm hỗ trợ GPRS đang phục vụ (SGSN): có chức năng giống nhưMSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói PS (PacketSwitch) phần mạng được truy nhập qua SGSN thường được gọi là vùng PS.

- Điểm hỗ trợ GPRS cổng (GGSN): có chức năng giống GMSC nhưngliên quan đến các dịch vụ PS

Các mạng ngoài có thể được chia thành hai nhóm:

- Các mạng CS (Circuit Switch): các mạng này đảm bảo các kết nốichuyển mạch kênh giống như các dịch vụ điện thoại ISDN và PSTN

- Các mạng PS (Packet Switch): các mạng này đảm bảo các kết nối chocác dịch vụ chuyển mạch gói

Các tiêu chuẩn UMTS được cấu trúc sao cho không định nghĩa chi tiếtchức năng bên trong của các phần tử mạng, nhưng định nghĩa giao diện giữacác phần tử mạng logic Các giao diện mở sau đây được định nghĩa:

- Giao diện Cu: đây là giao diện giữa thẻ thông minh USIM (UMTSSubscriber Identification Module: môđun nhận dạng thuê bao UMTS) và ME(Mobile Equipment) Giao diện này tuân theo một khuân dạng tiêu chuẩn chocác thẻ thông minh

- Giao diện Uu: đây là giao diện vô tuyến của W-CDMA Uu là giao diện

mà qua đó UE (User Equipment) truy cập các phần tử cố định của hệ thống

và vì thế nó là giao diện mở quan trọng nhất trong UMTS

- Giao diện Iu: giao diện này nối UTRAN với CN (Core Network: mạnglõi) Giống như các giao diện tương ứng ở GSM: A (chuyển mạch kênh) và

Gb (chuyển mạch gói), giao diện Iu cung cấp cho các nhà khai thác khả năngtrang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện Iur: giao diện mở Iur cho phép chuyển giao mềm giữa cácRNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) từ các nhàsản xuất khác nhau

- Giao diện IuB: IuB kết nối một nút B với một RNC UMTS là hệ thốngđiện thoại di động đầu tiên trong đó giao diện giữa bộ điều khiển và trạm gốcđược tiêu chuẩn hoá như là một giao diện mở hoàn toàn.

Trước hết xét chi tiết các phần tử của UTRAN và các giao diện của nó,

ta xét các đặc tính chính của UTRAN và đây cũng là các yêu cầu chính đểthiết kế cấu trúc UTRAN, các chức năng và các giao thức Ta có thể tổng kếtmột số điểm chung sau:

- Hỗ trợ của UTRAN và tất cả các chức năng liên quan Đặc biệt, các ảnh

cuối kết nối với mạng qua hai hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lítài nguyên đặc thù W-CDMA.

- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lí số liệu chuyển mạch kênh vàchuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất vàbằng cách sử dụng cùng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai 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

Hình 1.5: Cấu trúc UTRAN

1.5.1.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến.

RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vôtuyến của UTRAN Nó giao diện với CN (thông thường với một MSC và mộtSGSN) và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC: RadioResource Control) giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa

MS và UTRAN Nó đóng vai trò như bộ điều khiển trạm gốc (BSC)

1.5.1.2 Vai trò logic của RNC.

RNC điều khiển nút B (kết cuối giao diện IuB về phía nút B) được biểuthị như là RNC điều khiển (CRNC: Controlling RNC) của nút B RNC điềukhiển chịu trách nhiệm điều khiển tải và tắc nghẽn cho các ô của mình

Khi một kết nối MS-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều cácRNC tham dự vào kết nối này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt (hình 1.5)

- RNC phục vụ (Serving RNC): RNC đối với một MS là RNC kết cuối

cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và cả báo hiệu RANAP(Radio Access Network Application Part: phần ứng dụng mạng truy nhập vôtuyến) tương ứng từ / tới mạng lõi (kết nối này được gọi là kết nối RANAP) SRNC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến Giao thứcbáo hiệu giữa UE và UTRAN Nó sử lí số liệu L2 từ / tới giao diện vô tuyến.Các thao tác quản lí tài nguyên vô tuyến như sắp xếp các thông số vật mangtruy nhập vô tuyến vào các thông số kênh truyền tải giao diện vô tuyến.SRNC cũng (nhưng không luôn luôn) là CRNC của một nút B nào đó được

MS sử dụng để kết nối với UTRAN

- RNC trôi (DRNC: Drift RNC): DRNC là một RNC bất kì khác vớiSRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở phân tập vĩ mô (chuyển giao).DRNC không thực hiện sử lí L2 đối với số liệu tới / từ giao diện vô tuyến màchỉ định tuyến số liệu trong suốt giữa các giao diện IuB và Iur Một UE có thểkhông có hoặc có một hay nhiều DRNC

Lưu ý rằng một RNC vật lí chứa tất cả các chức năng của CRNC, SRNC

và DRNC

1.5.1.3 Nút B (Trạm gốc).

Hình 1.6: Chức năng logic của RNC đối với một kết nối UTRAN của UE.

Chức năng chính của nút B là thực hiện xử lí L1 của giao diện vô tuyến (mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…) Nó cũng thực hiện mộtphần khai thác quản lí tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòngtrong Về phần chức năng nó giống như trạm gốc ở GSM Lúc đầu nút B được

sử dụng như là một thuật ngữ tạm thời trong quá trình chuẩn hoá nhưng sau

nó không bị thay đổi

Hình 1.6 phía trái cho thấy một UE đang ở chuyển giao mềm giữa cácRNC (kết hợp được thực hiện ở SRNC) Phía phải thể hiện một UE chỉ sửdụng tài nguyên vô tuyến từ một nút B được điều khiển bởi DRNC nay đã trởthành SRNC

1.5.2 Mô hình giao thức tổng quát đối với các giao diện mặt đất của UTRAN.

người sử dụng khiển mạng truyền tải người sử dụng

mạng truyền tải mạng truyền tải

ALCAP = Access Link Control: Giao thức ứng dụng điều khiển đoạn nối truynhập.

Hình 1.7: Mô hình giao thức tổng quát cho các giao diện mặt đất UTRAN

Cấu trúc giao thức của các giao diện mặt đất UTRAN được thiết kế theocùng một mô hình giao thức tổng quát Mô hình này được cho ở hình 1.7 Cấutrúc này được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các mặt phẳng độc lậplogic với nhau và khi cần có thể thay đổi một phần của cấu trúc giao thứctrong khi vẫn giữ nguyên các phần khác

1.5.2.1 Các lớp ngang.

tải Mọi vấn đề liên quan đến UTRAN chỉ có thể nhìn thấy ở lớp mạng vôtuyến Lớp mạng vô tuyến trình bày thông tin ứng dụng cần truyền, hoặc sốliệu của người sử dụng hoặc thông tin điều khiển Lớp mạng truyền tải trìnhbày công nghệ truyền tải sử dụng cho các giao diện Ở phát hành 3 GPP năm

1999 công nghệ truyền tải ATM được sử dụng vì thế lớp mạng trình bàytruyền tải trên cơ sở ATM Trong trường hợp lớp mạng truyền tải khác được

Lớp vật lí

Vật mang báo hiệu Vật mang báo hiệu Vật mang số liệu

ALCAP

sử dụng, lớp mạng truyền tải phải khác tuy nhiên lớp mạng vô tuyến khôngthay đổi.

1.5.2.2 Các mặt phẳng đứng.

*) Mặt phẳng điều khiển

Mặt phẳng điều khiển được sử dụng cho mọi báo hiệu đặc thù UMTS

Nó gồm giao thức ứng dụng (Application Protocol) Chẳng han: RANAP(Radio Access Network Application Part: phần ứng dụng hệ thống con mạng

vô tuyến) ở Iu và NBAP (Node B Application Part: phần ứng dụng lớp B) ởIuB và vật mang báo hiệu để truyền tải các bản tin của giao thức ứng dụng.Mặt phẳng báo hiệu chịu trách nhiệm thiết lập các vật mang để truyền tải sốliệu của người sử dụng, nhưng bản thân số liệu của người sử dụng khôngđược mang ở mặt phẳng điều khiển Hình 1.7 cho thấy các vật mang số liệucủa người sử dụng do giao thức ứng dụng thiết lập là các vật mang chung vàđộc lập với công nghệ truyền tải đang sử dụng Nếu lớp ứng dụng biết trướccác vật mang của một công nghệ truyền tải đặc thù thì không thể hoàn toàntách riêng lớp mạng vô tuyến ra khỏi lớp truyền tải Nói cách khác, giao thứcứng dụng phải được thiết kế sao cho phù hợp với công nghệ truyền tải đặcthù Các vật mang báo hiệu để mang các ứng dụng báo hiệu cho các thao táccủa O & M thiết lập Các vật mang báo hiệu này giống như các đoạn nối báohiệu SS7 giữa BSC và MSC ở GSM Vật mang báo hiệu đối với giao thứcứng dụng có thể hoặc không thể cùng kiểu như vật mang báo hiệu choALCAP Nó luôn được thiết lập bởi các hoạt động khai thác và bảo dưỡng

*) Mặt phẳng người sử dụng:

Mặt phẳng người sử dụng là mặt phẳng truyền mọi thông tin được người

sử dụng phát và thu như tiếng được mã hoá ở cuộc gọi hay gói ở các kết nốiInternet Mặt phẳng người sử dụng gồm các luồng số liệu và các vật mang số

liệu cho các luồng này Mỗi luồng số liệu được đặc trưng bởi một hay nhiềucác giao thức khung được định nghĩa cho giao diện này

*) Mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải.

Mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải chứa chức năng mặt phẳng đặcthù cho công nghệ truyền tải đang được sử dụng và lớp mạng vô tuyến khôngnhìn thấy nó Nếu người sử dụng các vật mang được lập cấu hình trước theotiêu chuẩn thì không cần thiết có mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải,trường hợp ngược lại cần sử dụng mặt phẳng này Mặt phẳng này không chứabất kì thông tin nào của lớp mạng vô tuyến Nó gồm giao thức ALCAP(Access Link Control Application Part: phần ứng dụng điều khiển đoạn nốitruy nhập) để thiết lập các vật mang truyền tải (các vật mang số liệu) cho mặtphẳng người sử dụng Nó cũng chứa vật mang báo hiệu cần cho ALCAP.Việc sử dụng ALCAP phụ thuộc vào công nghệ truyền tải mặt phẳng người

sử dụng

Mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải là mặt phẳng hoạt động giữa mặtphẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng Việc đưa ra mặt phẳng điềukhiển mạng truyền tải làm cho giao thức ứng dụng trong mặt phẳng điềukhiển mạng vô tuyến hoàn toàn độc lập với công nghệ được chọn lựa cho vậtmang số liệu ở mặt phẳng người sử dụng

Khi mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải được sử dụng, các vật mangtruyền tải mang số liệu ở mặt phẳng người sử dụng được thiết lập như sau: Trước hết là một giao dịch của giao thức ứng dụng ở mặt phẳng điềukhiển, giao dịch này khởi động việc thiết lập vật mang số liệu theo sự điềukhiển của giao thức ALCAP đặc thù cho công nghệ mặt phẳng người sử dụng Tính độc lập của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng dựatrên giả thiết rằng xuất hiện một giao dịch ALCAP Cần lưu ý rằng có thểkhông sử dụng ALCAP cho tất cả các kiểu vật số liệu Nếu không có giaodịch ALCAP thì hoàn toàn không cần thiết có mặt phẳng điều khiển mạng

truyền tải Đây là trường hợp xảy ra khi các vật mang số liệu được lập trướccấu hình Cũng cần lưu ý rằng giao thức ALCAP ở mặt phẳng điều khiểnmạng truyền tải không được sử dụng để thiết lập vật mang báo hiệu cho giaothức ứng dụng hay ALCAP khi đang khai thác thời gian thực.

Vật mang báo hiệu cho ALCAP có thể hoặc không thể cùng kiểu như vậtmang báo hiệu cho giao thức ứng dụng Các quy định UMTS cho rằng vậtmang báo hiệu cho ALCAP luôn được thiết lập bởi khai thác và bảo dưỡng vàkhông quy định chi tiết điều này

*) Mặt phẳng người sử dụng mạng truyền tải

Các vật mang số liệu ở mặt phẳng người sử dụng và các vật mang báohiệu cho giao thức ứng dụng đều thuộc mặt phẳng người sử dụng mạng truyềntải, các vật mang số liệu ở mặt phẳng người sử dụng mạng truyền tải đượcđiều khiển trực tiếp bởi mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải khi khai thácthời gian thực, tuy nhiên các hoạt động điều khiển để thiết lập các vật mangbáo hiệu cho giao thức ứng dụng được coi là các hoạt động khai thác và bảodưỡng

1.5.3 Mô hình tham khảo mạng UMTS.

*) Cấu trúc mạng cơ sở UMTS ở phát hành 1999 của 3GPP R3

( Tập tiêu chuẩn đầu tiên cho UMTS)

Hình 1.8: Kiến trúc mạng ở UMTS Release 1999 (R3).

Mạng UMTS gồm hai vùng chính là vùng mạng truy nhập vô tuyến vàvùng mạng lõi

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS, viết tắt là UTRAN (UMTSTerestrial Radio Access Network) chứa các phần tử chính sau:

*) Thiết bị người sử dụng UE (User Equipment) là thiết bị đầu cuối diđộng của người sử dụng Nó bao gồm thiết bị di động ME (MobileEquipment) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS SubscriberIdentification Module) USIM là một vi mạch chứa một số thông tin liên quanđến thuê bao cùng với khoá bảo an (giống như SIM ở hệ thống GSM) Giaodiện giữa UE và mạng được gọi là giao diện Uu

*) Nút B (Node B): đóng vai trò như BTS (Base Transceiver Station: trạmthu phát gốc) ở hệ thống thông tin di động 2G Nút B có chức năng chuyểnđổi dòng số liệu giữa các giao diện với UE và với RNC Nói cũng tham gia

quản lí tài nguyên vô tuyến Giao diện giữa nút B và RNC được gọi là giaodiện Iub.

*) Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) có vaitrò gần giống như BSC (Base Station Controller: Bộ điều khiển trạm gốc) ở

hệ thống GSM Nó sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùngquản lí của mình (các nút B được nối với nó) RNC là điểm truy nhập tất cảcác dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN, ví dụ như quản lí tất cảcác kết nối đến UE Khác với GSM các BSC không nối với nhau, các RNCcủa UTRAN được nối với nhau qua giao diện Iur Mục đích quan trọng nhấtcủa giao diện này là hỗ trợ tính di động giữa các RNC và chuyển giao giữacác nút B nối đến các RNC khác nhau

*) GMSC (Gateway MSC: MSC cổng): là chuyển mạch tại điểm kết nốiUMTS PLMN với mạng CS bên ngoài

*) Nút hỗ trợ GPRS phục vụ SGSN (Serving GPRS Support Node): cóchức năng giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng để phục vụ cho cácdịch vụ chuyển mạch gói PS (Packet Switch) Phần mạng được truy nhập quaSGSN thường được gọi là vùng chuyển mạch gói PS

*) Nút hỗ trợ GPRS cổng GGSN (Gateway GPRS Support Node): có chức

*) Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register): là một cơ sở

dữ liệu được đặt tại hệ thống chủ nhà của người sử dụng để lưu giữ thông tin

về lí lịch dịch vụ của người sử dụng Lí lịch dịch vụ này gồm: thông tin về cácdịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và thông tin về cácdịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướngcuộc gọi,…

Các phần tử khác ở mạng lõi liên quan đến dịch vụ mạng thông minhnhư Auc, EIR không được thể hiện trên hình vẽ

Mạng lõi CN và mạng truy nhập vô tuyến UTRAN được kết nối vớinhau qua giao diện Iu Có hai loại giao diện Iu khác nhau là IuCS và IuPS.Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạch kênh được thực hiện qua giao diệnIuCS Giao diện này nối RNC đến MSC/VLR Kết nối UTRAN đến phầnchuyển mạch gói được thực hiện qua giao diện IuPS Giao diện này nối RNCđến SGSN

Từ hình vẽ ta thấy tất cả các giao diện ở UTRAN ở phát hành 1999 của3GPP đều được xây dựng trên cơ sở ATM (Asynchronous Tranfer Mode) ATM được chọn vì nó có khả năng hỗ trợ nhiều loại dịch vụ khác nhau(chẳng hạn tốc độ bit khả biến cho các dịch vụ trên cơ sở gói và tốc độ bitkhông đổi cho các dịch vụ chuyển mạch kênh) Cũng từ hình vẽ ta thấy mạnglõi sử dụng cùng một kiến trúc cơ sở như kiến trúc của GSM/GPRS, nhờ vậy

mà công nghệ mạng lõi hiện có, có thể hỗ trợ công nghệ truy nhập vô tuyếnmới Cũng có thể nâng cấp mạng lõi hiện có để hỗ trợ UTRAN sao cho mộtMSC có thể nối đến cả UTRAN RNC và GSM BSC

Trong thực tế các tiêu chuẩn UMTS cho phép hỗ trợ chuyển giao cứng

từ UMTS đến GSM và ngược lại Đây là một yêu cầu rất quan trọng vì cầnphải có thời gian để triển khai rộng khắp UMTS nên sẽ có khoảng trống trongvùng phủ sóng của UMTS và vì thế thuê bao UMTS phải có khả năng nhậnđược dịch vụ ở vùng phủ sóng của GSM Nếu UTRAN và GSM BSS được

nối đến các MSC khác nhau thì chuyển giao giữa các hệ thống đạt được bằngcách chuyển giao giữa các MSC Nếu giả thiết rằng nhiều chức năng củaMSC/VLR giống nhau đối với UMTS và GSM, thì MSC cần phải có khảnăng hỗ trợ đồng thời cả hai kiểu dịch vụ Tương tự hoàn toàn hợp lí khi giảthiết rằng SGSN phải có khả năng hỗ trợ đồng thời kết nối IuPS đến RNC và

Gb đến một GPRS BSC

Trên thực tế nhiều phần tử mạng đang được nâng cấp để hỗ trợ đồng thờiGSM/GPRS và UMTS Các phần tử mạng này gồm MSC/VLR, GMSC,HLR, SGSN, GGSN Đối với nhiều nhà sản xuất, các trạm gốc được triểnkhai cho GSM/GPRS đã được thiết kế để có thể nâng cấp chúng hỗ trợ cho cảGSM và UMTS Đối với một số nhà sản xuất, BSC cũng được nâng cấp đểhoạt động như cả hai GSM BSC và UMTS RNC Tuy nhiên cấu hình này rấthiếm Yêu cầu các giao diện và các chức năng khác nhau (như chuyển giaomềm) của UMTS RNC dẫn đến công nghệ của nó hoàn toàn khác với GSMBSC Vì thế thông thường ta sẽ thấy các UMTS RNC tách biệt với GSMBSC

1.5.3.1 UMTS R4 - truyền tải hoàn toàn IP.

Hình 1.9: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành UMTS R4.

Phiên bản thứ hai của UMTS lúc đầu được gọi là Release 2000 theonăm dự kiến hoàn thành tiêu chuẩn Tuy nhiên người ta chóng nhận thấy rằngcác thay đổi so với phiên bản ban đầu (R99) quá lớn, nên các thay đổi nàyđược chia thành hai tiêu chuẩn và sẽ kết thúc vào năm 2002 Vì thế phiên bảnban đầu của UMTS được gọi là R3 (vì đây là phát hành thứ ba của 3GPP) vàcác phiên bản mới của UMTS này được gọi là R4 và R5

UMTS R4 chỉ liên quan đến phần chuyển mạch lõi của miền chuyểnmạch kênh (CS-domain) – UTRAN, còn miền chuyển mạch gói (PS) vẫn giữnguyên R4 tiếp nhận giao diện Iu-CS và cho phép nó kết nối đến một cổngmôi trường để lưu lượng tiếng có thể truyền ở dạng các gói IP - một dạngVOIP

Hình 1.9 cho thấy kiến trúc cơ sở của phát hành UMTS R4 Sự khácnhau cơ bản giữa phát hành 1999 và phát hành R4 là ở chỗ khi này mạng lõi

là mạng phân bố Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thốngnhư ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố được đưa vào

Về căn bản, MSC được chia thành MSC chủ (MSC Server) và cổng cácphương tiện (MGW: Media Gateway) MSC chứa tất cả các phần mềm điềukhiển cuộc gọi, quản lí di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nókhông chứa ma trận chuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằm trong MGWđược MSC chủ điều khiển và có thể đặt xa MSC chủ Cấu trúc này cho phép

ta thực hiện chuyển mạch mềm (Softswitch)

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữaRNC và MSC chủ Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh đượcthực hiện giữa RNC và MGW Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từRNC 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 thờigian thực (RTP: Real Time Transport protocol)” trên “giao thức Internet(IP)” Từ hình 1.9 ta thấy lưu lượng truyền số liệu gói từ RNC đi qua SGSN

và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP Nếu giả sử rằng cả số liệu

và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi, thì có thể cấutrúc một đường trục để hỗ trợ cả hai dịch vụ này Tuy nhiên điều này đòi hỏiđầu tư và chi phí cho khai thác rất lớn so với trường hợp sử dụng các mạngđường trục tách biệt cho chuyển mạch kênh và gói

Ở nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳnghạn, sẽ có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSCchủ cổng (GMSC server) MGW này sẽ chuyển tiếng được đóng gói thànhPCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiệntại điểm này Để thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến đượctruyền tại tốc độ 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64kbps ởMGW giao tiếp với PSTN Truyền tải kiểu đóng gói này cho phép tiết kiệmđáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau

Giao thức điều khiển giữa MSC chủ hoặc GMSC chủ với MGW là giao

tên là “điều khiển cổng các phương tiện” (MEGACO: Media GatewayControl) Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC chủ và GMSC chủ có thể

là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kì 3GPP đề nghị sử dụng (không bắtbuộc) giao thức “điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang” (BICC: BearerIndependent Call Control ) được xây dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 củaITU

Trong nhiều trường hợp MSC chủ hỗ trợ cả các chức năng của GMSCchủ Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN Khi nàycuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệmđáng 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 thànhphố A thực hiện cuộc gọi nội hạt Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọicần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuêbao PSTN tại chính thành phố A Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể đượcđiều khiển tại MSC chủ ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiệnthực tế có thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn

và giá thành khai thác mạng

Từ hình 1.9 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuêbao nhà (HSS: Home Subscriber Server) HSS và HLR có chức năng tươngđương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IPchẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 Ngoài

ra còn có các giao diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS vàgiữa GGSN với HLR/HSS

Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thứctrên cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM Tuy nhiên mạng phải giao diện vớicác mạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện Ngoài ramạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao diện này được

thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW) Đây là một cổng mà ở một phía nó

hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia

nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn) Cácthực thể như MSC chủ, GMSC chủ và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách

sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tinSS7 ở mạng IP Bộ giao thức này được gọi là Sigtran

Điểm quan trọng của R4 là nó hoàn toàn tương thích ngược với R3(R99): các đầu cuối không thay đổi và không cần nâng cấp vì chúng cung cấpcác khả năng và dịch vụ hoàn toàn giống R3 Ưu điểm của hệ thống này là tiếtkiệm giá thành, tích hợp, linh hoạt và tiến hoá Lí do tiết kiệm giá thành vì IP

tỏ ra là một công nghệ chuyển mạch rẻ hơn so với mạng lõi chuyển mạch thờigian 64kbps và ATM Ngoài ra các codec đa tốc độ thích ứng tốc độ thấp (khảbiến từ 5 đến 12 kbps) trong mạng này không cần phải biến đổi vào 64 kbps

và ngược lại tại bộ chuyển đổi mã như trước kia Mạng R4 cho phép thực hiệnlinh hoạt quá trình này Tiết kiệm giá thành cũng nhận được nhờ việc thựchiện các vùng CS và PS trong cùng một mang lõi vì thế tăng tính linh hoạt vàcho phép tích hợp giám sát và điều khiển các chức năng Các nhà khai tháccũng có thể có một đường trục IP sử dụng chung cho cả lưu lượng cố định lẫn

di động Trong R4, định cỡ riêng biệt các chức năng của mặt phẳng người sửdụng và mặt phẳng điều khiển: có thể bổ sung các cổng phương tiện (MGW:Media Gateway) và bộ điều khiển cổng phương tiện (MGWC: MediaGateway Controller) là các MSC server độc lập với nhau Cuối cùng R4 thểhiện một bước tiến hoá đến một giải pháp hoàn toàn VoIP: tiếng được đónggói tại đầu cuối Có thể coi rằng đây là một bước quá lớn đối với các nhà khaithác, sản xuất và các cơ quan tiêu chuẩn để đạt được điều này chỉ bằng mộtbước phát triển

Kết quả là so với R99, MSC được chia đôi Chuyển mạch và phần mặt