Đây là kiến trúc mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA trong 3GPP năm 1999, tập tiêu chuẩn đầu tiên cho hệ thống UMTS.
Hình 1.5. Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999
Mạng UMTS R3 có hỗ trợ cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Tốc độ thông tin lên tới 384 Kbps trong miền chuyển mạch kênh và 2 Mbps trong miền chuyển mạch gói. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dịch vụ mới cho người sử dụng di động gồm: Điện thoại có hình (hội nghị Video) âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối.
TE ME USIM R Cu Node B RNC Node B Node B RNC Node B Iub Iur MSC/VLR EIR HLR/AuC SGSN GGSN GMSC E C D F Gf Gn n Gc Gr PSTN ISDN Inter net Iu Uu UE UTRAN CN
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
Mạng UMTS R3 gồm ba phần chính đó là: Thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network) và mạng lõi (CN: Core Network).
1.3.1.1 Thiết bị ngƣời sử dụng
Thiết bị người sử dụng (UE): Là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng. là phần 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.
Thiết bị đầu cuối (TE: Terminal Equipment): Trong mạng 3G, thiết bị đầu cuối không đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp dịch vụ số liệu mới.
Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến để giao tiếp với mạng qua đường vô tuyến.
Modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subcriber Identity Modulo)
Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao. USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng, nhận thực thuê bao và có thể giữ các khóa nhận thực cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho thiết bị đầu cuối. Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điều này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhạp UMTS, và mạng cũng chỉ cung cấp dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký.
1.3.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Netwok): Là mạng liên kết giữa người sử dụng và mạng lõi. Nó bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem), trong một RNS gồm một RNC và gồm một hay nhiều nút B (node B).
UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện: Giao diện Iu giữa UTRAN và mạng lõi (CN) gồm hai phần là IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh và giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người dùng (UE).
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
Các đặc tính chính của UTRAN:
- Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan. Đặc biệt là các ảnh hưởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một đầu cuối kết nối qua hai hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù WCDMA.
- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng 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.
Hai thành phần của UTRAN là bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và node B.
Bộ điều khiển mạng vô tuyến
Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Controller): Là một phần tử mạng, chịu tránh nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển tài nguyên cho chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi (CN). Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói đến SGSN và một đến chuyển mạch kênh đến MSC.
Các chức năng chính của RNC: - Điều khiển tài nguyên vô tuyến - Cấp phát kênh
- Thiết lập điều khiển công suất - Điều khiển công suất vòng hở - Điều khiển chuyển giao - Phân tập Macro
- Mật mã hóa
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
Node B
Trong hệ thống UMTS, trạm gốc được gọi là node 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 là để phòng ngừa vấn đề gần xa, nghĩa là khi tất các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần node B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Node 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 node B luôn thu được công suất như nhau tại tất cả các đầu cuối.
1.3.1.3 Mạng lõi
Mạng lõi (CN: Core Network) của hệ thống UMTS chia thành hai phần: Chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Thành phần chuyển mạch gói gồm những nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng hỗ trợ dịch vụ GPRS (GGSN: Gateway GPRS Support Node). Thành phần chuyển mạch kênh là MSC và GMCS. Một số thành phần của mạng như HLR và AuC được chia sẻ cho cả hai phần. Cấu trúc của mạng lõi có thể được thay đổi khi các dịch vụ mới và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra. Các phần tử chính trong mạng lõi:
SGSN
SGSN (Serving GPRS Support Node): Là nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông qua 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)
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
- 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 VLR
Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực
GGSN
Khi một SGSN (Gateway GPRS Support Node) kết nối với mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền dữ liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: Thông tin thuê bao và thông tin vị trí.
Số liệu về thông tin thuê bao: - IMSI
- Các địa chỉ PDP
Số liệu về vị trí: Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến.
MSC
MSC (Mobile Switching Center) thực hiện chức năng kết nối chuyển mạch kênh giữa thiết bị đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê baoo trong vùng quản lý của mình. Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều chức năng hơn. Các kết nối chuyển mạch kênh được thực hiện trên giao diện chuyển mạch kênh giữa UTRAN và MSC. Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC.
GMSC
GMSC (Gateway MSC) 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
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
khai thác khác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS.
VLR
VLR (Visitor Location Register): Là bản sao của HLR, dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được lấy từ HLR và lưu ở đây. Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng.
HLR
HLR (Home Location Register):Là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động. Một mạng di động có thể có nhiều HLR tùy thuộc vào số lượngthuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng.
HLR và AuC là hai nút mạng logic nhưng thường được thực hiện trong cùng một nút vật lý. HLR lưu trữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng lý thuê bao như: Thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối, thông tin chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.
Trung tâm nhận thực
Trung tâm nhận thực (AuC: Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ thông tin của người dùng. Nó liên kết với HLR và được hiện cùng với một nút vật lý.
Bộ nhận dạng thiết bị
Bộ nhận dạng thiết bị (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 nhạp 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. Danh mục nay cũng có thể được sử dụng để cấm các
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn.
Các giao diện vô tuyến
Giao diện Cu: Là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong UE đây là giao diện kết nối giữa USIM và UE
Giao diện Uu: Là giao diện vô tuyến mà UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giao diện này nằm giữa nút B và thiết bị đầu cuối.
Giao diện Iu: Là giao diện kết nối UTRAN và CN. Một CN có thể kết nối với nhiều UTRAN, nhưng với mỗi UTRAN thì chỉ có thể kết nối với một điểm truy nhập CN.
Giao diện Iur: Đây là giao diện giữa RNC với RNC. Giao diện này có các tính năng cơ bản sau:
- Di động giữa các RNC - Lưu thông kênh riêng - Lưu thông kênh chung - Quản lý tài nguyên toàn cục
Giao diện Iub: Giao diện Iub nối nút B với RNC. Đây là một giao diện mở