1. MỞ ĐẦU
2.1 KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R3
WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kờnh lẫn chuyển mạch gúi: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Cỏc kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập cỏc dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong cỏc mạng điện thoại cố định và Internet. Cỏc dịch vụ này gồm: điện thoại cú hỡnh (Hội nghị video), õm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tớnh năng khỏc cũng được đưa ra cựng với GPRS là "luụn luụn kết nối" đến Internet. UMTS cũng cung cấp thụng tin vị trớ tốt hơn và vỡ thế hỗ trợ tốt hơn cỏc dịch vụ dựa trờn vị trớ.
Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạng lừi (CN: Core Network) (xem hỡnh 2.1). UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuờ bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module). UTRAN gồm cỏc hệ thống mạng vụ tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vụ tuyến) và cỏc nỳt B nối với nú. Mạng lừi CN bao gồm miền chuyển mạch kờnh, chuyển mạch gúi và HE (Home Environment: Mụi trường nhà). HE bao gồm cỏc cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tõm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trỳ) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị).
Hỡnh 2.1. Kiến trỳc 3G WCDMA UMTS R3 2.1.1. Thiết bị người sử dụng (UE)
UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng. Cú thể núi đõy là phần hệ thống cú nhiều thiết bị nhất và sự phỏt triển của nú sẽ ảnh hưởng lớn lờn cỏc ứng dụng và cỏc dịch vụ khả dụng. Giỏ thành giảm nhanh chúng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS. Điều này đạt được nhờ tiờu chuẩn húa giao diện vụ tuyến và cài đặt mọi trớ tuệ tại cỏc card thong minh.
2.1.1.1 Cỏc đầu cuối (TE)
Vỡ mỏy đầu cuối bõy giờ khụng chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà cũn cung cấp cỏc dịch vụ số liệu mới, nờn tờn của nú được chuyển thành đầu cuối. Cỏc nhà sản xuất chớnh đó đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trờn cỏc khỏi niệm mới, nhưng trong thực tế chỉ một số ớt là được đưa vào sản xuất. Mặc dự cỏc đầu cuối dự kiến khỏc nhau về kớch thước và thiết kế, tất cả chỳng đều cú màn hỡnh lớn và ớt phớm hơn so với 2G. Lý do chớnh là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn và vỡ thế đầu cuối trở thành tổ hợp của mỏy thoại di động, modem và mỏy tớnh bàn tay. Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện. Giao diện Uu định nghĩa liờn kết vụ tuyến (giao diện WCDMA). Nú 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 tuõn theo tiờu chuẩn cho cỏc card thụng minh. Mặc dự cỏc nhà sản xuất đầu cuối cú rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuõn theo một tập tối thiểu cỏc định nghĩa tiờu chuẩn để cỏc người sử dụng bằng cỏc đầu cuối khỏc nhau cú thể truy nhập đến một số cỏc chức năng cơ sở theo cựng một cỏch.
Cỏc tiờu chuẩn này gồm:
+Đăng ký mật khẩu mới + Thay đổi mó PIN
+Giải chặn PIN/PIN2 (PUK) + Trỡnh bầy IMEI
+ Điều khiển cuộc gọi
Cỏc phần cũn lại của giao diện sẽ dành riờng cho nhà thiết kế và người sử dụng sẽ chọn cho mỡnh đầu cuối dựa trờn hai tiờu chuẩn (nếu xu thế 2G cũn kộo dài) là thiết kế và giao diện. Giao diện là kết hợp của kớch cỡ và thụng tin do màn hỡnh cung cấp (màn hỡnh nỳt chạm), cỏc phớm và menu.
2.1.1.2 UICC
UMTS IC card là một card thụng minh. Điều mà ta quan tõm đến nú là dung lượng nhớ và tốc độ bộ xử lý do nú cung cấp. Ứng dụng USIM chạy trờn UICC.
2.1.1.3 USIM
Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thụng tin cỏ nhõn (đăng ký thuờ bao) cài cứng trờn card. Điều này đó thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuờ bao UMTS được cài như một ứng dụng trờn UICC. Điều này cho phộp lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khúa) điện tử hơn cựng với USIM cho cỏc mục đớch khỏc (cỏc mó truy nhập giao dịch ngõn hàng an ninh). Ngoài ra cú thể cú nhiều USIM trờn cựng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng. USIM chứa cỏc hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuờ bao trong mạng UMTS. Nú cú thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuờ bao. Người sử dụng phải tự mỡnh nhận thực đối với USIM bằng cỏch nhập mó PIN.
Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đớch thực mới được truy nhập mạng UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp cỏc dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trờn nhận dạng USIM được đăng ký.
2.1.2 Mạng truy nhập vụ tuyến UMTS
người sử dụng. Giữa hai giao diện này là hai nỳt, RNC và nỳt B.
2.1.2.1RNC
RNC (Radio Network Controller) chịu trỏch nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển cỏc tài nguyờn của chỳng. Đõy cũng chớnh là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nú được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gúi (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kờnh (MSC).
Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bớ mật và toàn vẹn. Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khúa, cỏc khoỏ bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC. Sau đú cỏc khúa này được sử dụng bởi cỏc hàm an ninh f8 và f9. RNC cú nhiều chức năng logic tựy thuộc vào việc nú phục vụ nỳt nào. Người sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC). Khi người sử dụng chuyển vựng đến một RNC khỏc nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trụi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyờn vụ tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN. Vai trũ logic của SRNC và DRNC được mụ tả trờn hỡnh 1.9. Khi UE trong chuyển giao mềm giữa cỏc RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và cú ớt nhất một kết nối qua Iur. Chỉ một trong số cỏc RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lừi cũn cỏc RNC khỏc (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thụng tin giữa cỏc Iub và Iur. Chức năng cuối cựng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC). Mỗi nỳt B cú một RNC điều khiển chịu trỏch nhiệm cho cỏc tài nguyờn vụ tuyến của nú.
Hỡnh 2.2 Vai tro logic của SRNC và DRNC 2.1.2.2 NÚT B
Trong UMTS trạm gốc được gọi là nỳt B và nhiệm vụ của nú là thực hiện kết nối vụ tuyến vật lý giữa đầu cuối với nú. Nú nhận tớn hiệu trờn giao diện Iub từ RNC và chuyển nú vào tớn hiệu vụ tuyến trờn giao diện Uu. Nú cũng thực hiện một số thao tỏc quản lý tài nguyờn vụ tuyến cơ sở như "điều khiển cụng suất vũng trong". Tớnh năng này để phũng
ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả cỏc đầu cuối đều phỏt cựng một cụng suất, thỡ cỏc đầu cuối gần nỳt B nhất sẽ che lấp tớn hiệu từ cỏc đầu cuối ở xa. Nỳt B kiểm tra cụng suất thu từ cỏc đầu cuối khỏc nhau và thụng bỏo cho chỳng giảm cụng suất hoặc tăng cụng suất sao cho nỳt B luụn thu được cụng suất như nhau từ tất cả cỏc đầu cuối.
2.1.3 Mạng lừi
Mạng lừi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE. Miền PS đảm bảo cỏc dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng cỏc kết nối đến Internet và cỏc mạng số liệu khỏc và miền CS đảm bảo cỏc dịch vụ điện thoại đến cỏc mạng khỏc bằng cỏc kết nối TDM. Cỏc nỳt B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thỏc, thường sử dụng cỏc cụng nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP. Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM cũn trong miền PS sử dụng IP.
2.1.3.1 SGSN
SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nỳt hỗ trợ GPRS phục vụ) là nỳt chớnh của miền chuyển mạch gúi. Nú nối đến UTRAN thụng qua giao diện IuPS và đến GGSN thụng quan giao diện Gn. SGSN chịu trỏch nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả cỏc thuờ bao. Nú lưu hai kiểu dữ liệu thuờ bao: thụng tin đăng ký thuờ bao và thụng tin vị trớ thuờ bao.
Số liệu thuờ bao lưu trong SGSN gồm:
+ IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuờ bao di động quốc tế)
+ Cỏc nhận dạng tạm thời gúi (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subscriber Identity: số nhận dạng thuờ bao di động tạm thời gúi)
+ Cỏc địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gúi)
Số liệu vị trớ lưu trờn SGSN:
+ Vựng định tuyến thuờ bao (RA: Routing Area) + Số VLR
GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nỳt hỗ trợ GPRS cổng) là một SGSN kết nối với cỏc mạng số liệu khỏc. Tất cả cỏc cuộc truyền thụng số liệu từ thuờ bao đến cỏc mạng ngoài đều qua GGSN. Cũng như SGSN, nú lưu cả hai kiểu số liệu: thụng tin thuờ bao và thụng tin vị trớ.
Số liệu thuờ bao lưu trong GGSN:
+ IMSI
+ Cỏc địa chỉ PDP
Số liệu vị trớ lưu trong GGSN:
+ Địa chỉ SGSN hiện thuờ bao đang nối đến GGSN nối đến Internet thụng qua giao diện Gi và đến BG thụng qua Gp.
2.1.3.3 BG
BG (Border Gatway: Cổng biờn giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN với cỏc mạng khỏc. Chức năng của nỳt này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại cỏc tấn cụng bờn ngoài.
2.1.3.4 VLR
VLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trỳ) là bản sao của HLR cho mạng phục vụ (SN: Serving Network). Dữ liệu thuờ bao cần thiết để cung cấp cỏc dịch vụ thuờ bao được copy từ HLR và lưu ở đõy. Cả MSC và SGSN đều cú VLR nối với chỳng.
Số liệu sau đõy được lưu trong VLR:
+ IMSI + MSISDN + TMSI (nếu cú)
+ LA hiện thời của thuờ bao
+ MSC/SGSN hiện thời mà thuờ bao nối đến
Ngoài ra VLR cú thể lưu giữ thụng tin về cỏc dịch vụ mà thuờ bao được cung cấp. Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trờn cựng một nỳt vật lý với VLR vỡ thế được gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC.
2.1.3.5 MSC
MSC thực hiện cỏc kết nối CS giữa đầu cuối và mạng. Nú thực hiện cỏc chứcnăng bỏo hiệu và chuyển mạch cho cỏc thuờ bao trong vựng quản lý của mỡnh. Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nú cú nhiều khả năng hơn. Cỏc kết nối CS được thực hiện trờn giao diện CS giữa UTRAN và MSC. Cỏc MSC được nối đến cỏc mạng ngoài qua GMSC.
2.1.3.6 GMSC
GMSC cú thể là một trong số cỏc MSC. GMSC chịu trỏch nhiệm thực hiện cỏc chức năng định tuyến đến vựng cú MS. Khi mạng ngoài tỡm cỏch kết nối đến PLMN của một nhà khai thỏc, GMSC nhận yờu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS.
2.1.3.7 Mụi trường nhà
Mụi trường nhà (HE: Home Environment) lưu cỏc hồ sơ thuờ bao của hóng khai thỏc. Nú cũng cung cấp cho cỏc mạng phục vụ (SN: Serving Network) cỏc thụng tin về thuờ bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tớnh cước cho cỏc dịch vụ cung cấp. Tất cả cỏc dịch vụ được cung cấp và cỏc dịch vụ bị cấm đều được liệt kờ ở đõy.
2.1.3.8 Bộ ghi định vị thường trỳ (HLR)
HLR là một cơ sở dữ liệu cú nhiệm vụ quản lý cỏc thuờ bao di động. Một mạng di động cú thể chứa nhiều HLR tựy thuộc vào số lượng thuờ bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bờn trong mạng.
Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuờ bao di động quốc tế), ớt nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuờ bao cú trong danh bạ điện thoại) và ớt nhất một địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gúi). Cả IMSI và MSISDN cú thể sử dụng làm khoỏ để truy nhập đến cỏc thụng tin được lưu khỏc. Để định tuyến và tớnh cước cỏc cuộc gọi, HLR cũn lưu giữ thụng tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trỏch nhiệm thuờ bao.
Cỏc dịch vụ khỏc như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng cú trong danh sỏch cựng với cỏc hạn chế dịch vụ như cỏc hạn chế chuyển mạng. HLR và
người sử dụng.
2.1.3.9 Trung tõm nhận thực (AuC)
AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mó húa và bảo vệ sự toàn vẹn thụng tin cho người sử dụng. Nú liờn kết với HLR và được thực hiện cựng với HLR trong cựng một nỳt vật lý. Tuy nhiờn cần đảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thụng tin về cỏc vectơ nhận thực (AV: Authetication Vector) cho HLR. AuC lưu giữ khúa bớ mật chia sẻ K cho từng thuờ bao cựng với tất cả cỏc hàm tạo khúa từ f0 đến f5. Nú tạo ra cỏc AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/VLR yờu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn cỏc AV dự trữ.
2.1.3.10 Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR)
EIR (Equipment Identity Register) chịu trỏch nhiệm lưu cỏc số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity). Đõy 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, xỏm và đen. Danh mục trắng chứa cỏc số IMEI được phộp truy nhập mạng. Danh mục xỏm chứa IMEI của cỏc đầu cuối đang bị theo dừi cũn danh mục đen chứa cỏc số IMEI của cỏc đầu cuối bị cấm truy nhập mạng. Khi một đầu cuối được thụng bỏo là bị mất cắp, IMEI của nú sẽ bị đặt vào danh mục đen vỡ thế nú bị cấm truy nhập mạng. Danh mục này cũng cú thể được sử dụng để cấm cỏc seri mỏy đặc biệt khụng được truy nhập mạng khi chỳng khụng hoạt động theo tiờu chuẩn.
2.1.4 Cỏc mạng ngoài
Cỏc mạng ngoài khụng phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chỳng cần thiết để đảm bảo truyền thụng giữa cỏc nhà khai thỏc. Cỏc mạng ngoài cú thể là cỏc mạng điện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di động mặt đất cụng cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch cụng cộng), ISDN hay cỏc mạng số liệu như Internet. Miền PS kết nối đến cỏc mạng số liệu cũn miền CS nối đến cỏc mạng điện thoại.
2.1.5.Cỏc giao diện
Vai trũ cỏc cỏc nỳt khỏc nhau của mạng chỉ được định nghĩa thụng qua cỏc giao diện khỏc nhau. Cỏc giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để cỏc nhà sản xuất cú thể kết nối cỏc phần cứng khỏc nhau của họ.
+ Giao diện Cu. Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho cỏc card thụng minh. Trong UE
+ Giao diện Uu. Giao diện Uu là giao diện vụ tuyến của WCDMA trong UMTS. Đõy là giao diện mà qua đú UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giaodiện này nằm giữa nỳt B và đầu cuối.
+ Giao diện Iu. Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nú gồm hai phần, IuPS cho miền
chuyển mạch gúi, IuCS cho miền chuyển mạch kờnh. CN cú thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ cú thể kết nối đến một điểm truy nhập CN.
+ Giao diện Iur. Đõy là giao diện RNC-RNC. Ban đầu được thiết kế để đảm bảo chuyển
giao mềm giữa cỏc RNC, nhưng trong quỏ trỡnh phỏt triển nhiều tớnh năng mới được bổ sung. Giao diện này đảm bảo bốn tớnh năng nổi bật sau:
1. Di động giữa cỏc RNC 2. Lưu thụng kờnh riờng 3. Lưu thụng kờnh chung
4. Quản lý tài nguyờn toàn cục
+ Giao diện Iub. Giao diện Iub nối nỳt B và RNC. Khỏc với GSM đõy là giao diện mở.
2.2 KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4
Hỡnh 2.3 cho thấy kiến trỳc cơ sở của 3G UMTS R4. Sự khỏc nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lừi là mạng phõn bố và chuyển mạch mềm. Thay cho việc cú cỏc MSC chuyển mạch kờnh truyền thống như ở kiến trỳc trước, kiến trỳc chuyển mạch phõn bố và chuyển mạch mềm được đưa vào. Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng cỏc phương tiện (MGW: Media Gateway). MSC chứa tất cả cỏc phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động cú ở một MSC tiờu chuẩn. Tuy nhiờn nú khụng chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và cú thể đặt xa MSC Server.
Hỡnh 2.3 Kiến trỳc mạng phõn bố của phỏt hành 3GPP R4