Tiểu luận Tìm hiểu về UTRAN

Kiến trúc hệ thống UMTSMạng UMTS bao gồm 3 phần chính: • Phần trạm di động Mobile Station-MS, • Phần truy nhập vô tuyến UMTS - UTRAN • phần mạng lõi Core Network-CN • các mạng ngoài 1.2.

KHOA VIỄN THÔNG I - -

TIỂU LUẬN TÌM HIỂU VỀ UTRAN

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thanh Trà

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Hạnh

Nguyễn Thị Hường Nguyễn Việt Linh

Hà Nội, 10/2015

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……… 1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20, Hiệp hội Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) đã bắt đầu trưng cầu phương án kỹ thuật của tiêu chuẩn 3G và "vội vàng" gọi chung kỹ thuật 3G là UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) có nghĩa

là các hệ thống thông tin di động đa năng CDMA băng rộng (WCDMA) chỉ là một trongcác phương án được khuyến nghị (băng rộng lên tới 5 MHz)

Sau đó sự tham gia tích cực của Nhật Bản vào việc xây dựng các tiêu chuẩn này

đã thúc đẩy nhanh chóng sự phát triển của công nghệ 3G trên phạm vi toàn cầu Năm

1998, châu Âu và Nhật đạt được sự nhất trí về những tham số chủ chốt của Khuyến nghị CDMA băng rộng và đưa nó trở thành phương án kỹ thuật dùng giao diện không gian FDD (ghép tần số song công - Frequency Division Duplex) trong hệ thống UMTS

Tiếp tục phát triển một cách logic, UMTS trở thành một trong những tiêu chuẩn 3G của tổ chức tiêu chuẩn hoá thế giới 3GPP (Tổ chức những người bạn hợp tác về 3G)

và không chỉ định nghĩa giao diện không gian; chủ thể của nó bao gồm các khuyến nghị

về các giao diện và một loạt các quy phạm kỹ thuật về các mạch kết nối và mạch phân nhóm nòng cốt của CDMA

UMTS là mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) sử dụng kỹ thuật trải phổ CDMA UMTS được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP UMTS đôi khi còn được gọi là 3GSM

W(wideband)-để chỉ khả năng "interoperability" giữa GSM và UMTS UMTS được phát triển lên từ cácnước sử dụng GSM UMTS sử dụng băng tầng khác với GSM

Mạng UMTS gồm hai phần, phầ một là mạng truy nhập vô tuyến (UMTS

UTRAN) và phần mạng lõi Vấn đề báo hiệu trong mạng USTM là một phần quan trọng trong viễn thông Vì vậy nhóm chúng em sẽ đi tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến báo hiệu trong mạng truy nhập UMTS

Nội dung đề tài gồm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

Chương II: Thủ tục báo hiệu trong mạng truy nhập UMTS UTRAN

Chương III: Kết luận

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Nguyễn Thanh Trà đã nhiệt tình góp

ý, giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tiểu luận Do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn

chế nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng toàn thể các bạn!

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kiến trúc mạng UMTS đơn giản

Hình1.2: UMTS UTRAN

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng UMTS

Hình 1.4: Các giao diện UTRAN

Hình 1.5: Iub – Control Plane

Hình 1.6: Iub – User Plane

Hình 1.7: Iur – User/Control Plane

Hình 1.8: Kiến trúc giao diện Iu

Hình 1.9: IuCs – User/Control Plane

Hình 1.10: IuPS – User/Control Plane

Hình 1.11: Kiến trúc giao diện Uu

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

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ UMTS VÀ UTRAN

1.1 Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS

Thế hệ di động thứ 3 (3G) là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 cho phép truyền

cả dữ liệu thoại và dữ liệu phi thoại (dữ liệu , mail, tin nhắn, hình ảnh…) Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dự liệu cao, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD Frequency-Division Duplexing lẫn TDD Time – Division Duplexing), CDMA2000 và TD-SCDMA

UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA

UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết cácnhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps)

Mỗi ngày trên thế giới số lượng mạng thương mai tăng lên nhanh chóng nên các nhà điều hành mạng và cung cấp thiết bị cần phải hiểu được việc xử lý và phân tích các thủ tục báo hiệu trong UMTS để có thể điều hành mạng, phát hiện lỗi và xử lý

Giao diện vô tuyến của UMTS dựa trên W-CDMA và chứa đựng các đặc tính kĩ thuật của HSPA W-CDMA sử dụng các kênh có độ rộng 5MHz ghép cặp hoặc không ghép cặp được xác định rõ trong UMTS rel 99 và rel 4 HSPA được giới thiệu trong rel 5 (đường xuống) và rel 6 (đường lên) mang tới tốc độ bit lớn hơn đáng kể và cải thiện đượccác ứng dụng chuyển mạch gói

Hiện tại tính đến tháng 7/2014,3GPP đã chính thức công bố 10 phiên bản UMTS bao gồm rel 99 và rel 4 đến rel 13 [1].Sau đây ta chỉ xem xét kiến trúc đơn giản nhất của

hệ thống UMTS

1.2 Kiến trúc hệ thống UMTS

Mạng UMTS bao gồm 3 phần chính:

• Phần trạm di động (Mobile Station-MS),

• Phần truy nhập vô tuyến (UMTS - UTRAN)

• phần mạng lõi (Core Network-CN)

• các mạng ngoài

1.2.1.Mobile Station-MS (Hay User Equipment –UE)

UE Thiết bị người dùng trong UMTS được thiết kế module, là trạm di động thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống.UE gồm

1.2.2.UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến

Các đặc tính chính của UTRAN:

 Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan Đặc biệt là các ảnh hưởng chínhlên việc thiết kế và là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm ( một đầu cuối kết nối qua

2 hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của WCDMA

 Đảm bảo tính chung nhất cho xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch góibằng 1 ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng cùng

1 giao diện để kết nối UTRAN đến cả 2 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

Các thành phần chính trong mạng UTRAN:

2 thành phần mạng trong UTRAN là RNC và Node B UTRAN được phân chia thành các miền RNS (Radio Network Subsystem) riêng gồm một RNC và các node B mà

nó điều khiển Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell

Các phần tử mạng đang tồn tại như MSC, SGSN, HLR có thể mở rộng theo yêu cầu của UMTS nhưng RNC và NodeB thì phải được thiết kế mới RNC thay thế cho BSC

và Node B thay thế cho BTS

1.2.2.1.Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC

Thành phần biên trong UTRAN là RNC (Radio Network Controler) Một điều kháchơn trong BSS là các RNC có thể kết nối với nhau qua giao diện Iur

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC là phần tử chuyển mạch và điều khiển của

UTRAN RNC nằm giữa hai giao diên IuB và Iu

RNC trong UMTS tương đương với BSC của GSM nhưng có nhiều tính năng hơn

Nó có thêm giao diện Iur để giao tiếp giữa các RNC trong trường hợp chuyển vùng mềm.Một chức năng mà BSC không có Việc quản lý tính năng di động (MM) cũng được chuyển từ mạng lõi sang RNC là một điểm khác với GSM Điều khiển việc sử dụng cũng như đảm bảo sự tin cậy của tài nguyên vô tuyến Chức năng cơ bản là: điều khiển chấp nhận cuộc gọi, quản trị kênh mang vô tuyến, điều khiển công suất, điều khiển tắc nghẽn, O&M

Cấu trúc RNC được thể hiện như hình vẽ:

Hình 1.2.1: Cấu trúc RNCRNC là phần tử mạng chịu trách nghiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN Nó giao diện với CN và kết nối với giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC, giao thức này định nghĩ các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN, nó đóng vai trò như BSC

 Chức năng của RNC:

• Quản lý tài nguyên vô tuyến UTRAN: gồm tập hợp các thuật toán được sử dụng để đảm bảo sự ổn định của đường truyền vô tuyến và QoS kết nối vô tuyến bằng cách chia sẻ và quản lý tài nguyên vô tuyến có hiệu quả.

• 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 và tắc nghẽn cho các ô của mình

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

 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 đấu nối 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) vẫn kết 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 dùng NBAP 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 nối RRC với một UE thì sẽ là SRNC của nó SRNC dùng RRC để trao đổi với UE qua Iub, Uu nếu cần thì qua cả Iur và Iub ngoại (được điều khiển bởi DRNC)

1.2.2.2 Nút B

Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell

Node B cung cấp kết nối vô tuyến vật lý giữa UE và mạng Nó là thành phần trung gian để biến đổi từ môi trường vô tuyến sang hữu tuyến Nó biến đổi dữ liệu đến và

đi từ giao diện vô tuyến Uu bao gồm cả sửa lỗi hướng phát (Forward Error FEC), tương thích tốc độ, trải phổ W-WCDA, điều chế QPSK trên giao điện vô tuyến… Nút B bao gồm một bộ khuếch đại thu vô tuyến ngoài trời (OA-RA), một thiết 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)

Chức năng chính của nút B là thực hiện xử lý L1 của giao diện vô tuyến (mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…)nó cũng thực hiện một phần khai thác, quản

lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong

Hình 1.2.2: 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 so sánh với giá trị mặc định để có những yêu cầu trong việc thay đổi công suất phát của UE),

 Báo cáo kết quả đo cho RNC, phân tập vi mô (tập hợp các tín hiệu từ các góc của anten mà một UE kết nối đến thành một chuỗi dữ liệu trước khi phát đi là tín hiệu tổng đến RNC UE kết nối với nhiều hơn một góc của antena để cho phép chuyển giao mềm Softer HO)

1.2.3.CN (Core Network)

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 cuộc gọi

• 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 mạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính 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)

• GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng như GMSC nhưng chỉ

phục vụ

cho các dịch vụ chuyển mạch gói

Các mạng ngoài: Bao gồm mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch 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.

1.3.Kiến trúc giao thức UTRAN

1.3.1.Các khối giao thức cơ bản:

• Các giao diện UTRAN gồm tập các lớp theo chiều nằm ngang và chiều thẳng đứng Có 5 khối giao thức cơ bản được thể hiện:

• Các kênh mang báo hiệu: truyền tải báo hiệu lớp cao và các thông tin điều khiển Chúng được thiết lập bởi các hoạt động O&M

• Các kênh mang dữ liệu: là các giao thức khung được sử dụng để truyền tải dữ liệu người dùng Mặt bằng điều khiển của mạng truyền tải thiết lập chúng

• Các giao thức ứng dụng được dùng để thực hiện điều khiển và báo hiệu trong UTRAN như thiết lập kênh mang trong lớp mạng vô tuyến

• Chuỗi dữ liệu: là dữ liệu người dùng được truyền tải một cách trong suốt giữa các phần tử mạng Dữ liệu người dùng gồm dữ liệu của cá nhân thuê bao, thông tin quản lý tính năng di động được trao đổi ngang cấp giữa MSC và UE

• Phần ứng dụng điều khiển đường truy nhập (ALCAP – Access Link Control Application Part) Thuộc mặt bằng điều khiển mạng truyền tải Nó thực hiện việc thiết lập, duy trì, giải phóng kênh mang dữ liệu Mặt bằng TN-CP có ở các giao diện Iu-CS, Iur và Iub Trong các giao diện không có báo hiệu ALCAP thì kênh mang dữ liệu được cấu hình từ trước

1.3.2.Kiến trúc giao thức mạng UMTS

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng UMTS Cấu trúc này dựa trên nguyên tắc: các lớp giao thức và các mặt phẳng (mặt điều khiển 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 nguyên cho 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 phần UTRAN hay UTRAN và UE

• Lớp mạng hệ thống (System Network Layer): Các giao thức NAS cho phép truyềnthông 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 khiểnMặt điều khiển được sử dụng cho tất cả các báo hiệu điều khiển đặc thù của

UMTS, bao gồm: GIao thức ứng dụng và lớp mạng báo hiệu để truyền tải các bản tin giao thức ứng dụng Giao thức ứng dụng được dùng để thiết lập các kênh mang

tới 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 dùngTất cả thông tin nhận được và gửi đi bởi người sử dụng nhưu thoại được mã hóa trong 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 kênh mang dữ liệu cho các luông dữ liệu Mỗi luồng dữ liệu được mô tả bởi 1 hoặc nhiều 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.Chức năng 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 đặc tính 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

1.4 Các Giao diện của UTRAN

Các giao diện của mạng truy nhập UMTS-UTRAN được trình bày ở hình sau:

• Giao diện Uu: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống mà vì thế nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

• Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác

• Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm từ các RNC của các nhà sản xuất khác nhau

• Giao diện Iub: Giao diện cho phep kết nối tới một nút B tới một RNC

Hình 1.4: Các giao diện UTRAN

1.4.1 Iub

1.4.1.1.Iub –Control Plane

Các chồng giao thức của giao diện Uu và Iub trên mặt bằng điều khiển được trình bày ở hình sau:

Hình 1.4.1: Iub – control planeTrong đó:

 NBAP ( Nude B Application Part)

Giao thức sử dụng giữa RNC và nút B cho phép cấu hình,quản lý và thiết lập các kênh trên các giao thức Iub và Uu

Báo hiệu giao diện Iub NBAP gồm hai phần tử chính:

• NBAP chung (C – NBAP):

- Thiết lập đoạn nối vô tuyến RL (Radio Link) đầu tiên của một UE vàchọn điểm kết cuối lưu lượng

- Cấu hình ô

- Xử lý các kênh RACH/FACH và PCH

- Khởi xượng và báo cáo đo đạc đạc thù ô hoạc nút B

• NBAP riêng (D – NBAP):

- Bổ sung, giải phóng và lập cấu hình lại các đoạn nối vô tuyến

- Xử lý các kênh riêng và dung chung

- Xử lý kết hợ chuyển giao

 ATM (Asynchoronous Transfer Mode)

Chế độ truyền dẫn dị bộ được sử dụng trong UMTS như hình thức truyền tải trên tất cả các giao diện Iu Lớp vật lý là SDH qua sợi quang Đơn vị nhỏ nhất của ATM là cell Nó sẽ được truyền trên 1 kênh ảo Nhiều kênh ảo chạy trên 1 đường truyền ảo

 AAL (ATM Adaptation Layer)

Lớp thích ứng ATM: để truyền dẫn cáo giao thức cao hơn qua ATM, nó yêu cầu các phân lớp thích ứng Các lớp này chứa một thích ứng chung và một phần thích ứng với dịch vụ cụ thể

 UPFP (User Plane Framing Protocol)

Giao thức đóng khung mặt bằng người dungfdduowcj sử dụng trên các giao diện Iur và Iub để frame hóa các kênh được hỗ trợ giữa các SRNC và các nút B

 SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol Provides)

Cơ chế thiết lập và giải phóng các kết nối, trao đổi thông tin báo hiệu tin cậy giữa các thực thể báo hiệu

 MAC (Medium Access Control Protocol)

Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền, điều khiển truy nhậpj vào lớp vật lý.Các kênh logic và các lớp cao hơn được ánh xạ vào các kênh truyền tải và các lớp thấp hơn

 RLC (Radio Link Control Protocol)

Giao thức điều khiển lien kết vô tuyến cung cấp dịch vụ vận chuyển đến các lớp cao hơn được gọi là dịch vụ tải vô tuyến Có 3 chế độ làm việc là transparent, acknowledged, unacknowledged

 SSCF (Service Specific Coordination Function)

Chức năng phối hợp các dịch vụ cụ thể, không phải là một giao thức nhưng là 1 chức năng phôi hợp nội bộ thích ứng giữa thông tin đến và đi tới các lớp cao hơn

 STC (Signaling Transport Converter)