Hệ thống GPRS chủ yếu định nghĩa hai phần tử: BSS và đường trục PLMN. GPRS BSS là GSM BSS được bổ sung PCU để hỗ trợ cỏc dịch vụ gúi. Đường trục PLMN bao gồm hai nỳt mới được núi từ trước là: SGSN và GGSN. GGSN và SGSN được nối với nhau qua một mạng IP và tương tỏc với nhau qua giao diện Gn dựa trờn giao thức GTP.
Khi một người sử dụng chuyển mạng, người này nối đến một SGSN trong mạng khỏch và một GGSN trong mạng nhà hoặc mạng khỏch. Nếu GGSN nằm trong mạng nhà, mạng IP được sử dụng để nối SGSN khỏch đến GGSN nhà và được gọi là mạng đường trục giữa cỏc PLMN (Inter-PLMN Backbone Network). Mạng đường trục giữa cỏc PLMN thường được cỏc nhà cung cấp dịch vụ dưới tờn GRX (GPRS Roaming Exchange – Tổng đài chuyển mạng GPRS) do Liờn đoàn GSM định nghĩa. Cỏc ứng cử vận hành mạng GRX phải tuõn thủ cỏc yờu cầu do Liờn đoàn GSM quy định. Một nột đặc biệt của của GPRS liờn quan đến GRX là SGSN trong mạng khỏch và GGSN trong mạng nhà tương tỏc với nhau trờn mạng GRX qua giao diện được gọi là Gp, giao diện này hoàn toàn giống giao thức Gn. Tuy nhiờn vỡ cỏc nhà cung cấp mạng vụ tuyến cú thể quyết định cung cấp thờm cỏc cơ chế an ninh để bảo vệ lưu lượng giữa cỏc PLMN – sẽ thực hiện bắt đầu từ phỏt hành 3GPP R5 – nờn đó đưa ra tờn mới cho giao diện này mặc dự cơ chế an ninh núi trờn vẫn chưa được chuẩn húa.
Hệ thống UMTS ngay từ đầu đó tớnh đến việc hỗ trợ cả mạng lừi chuyển mạch gúi và mạng lừi chuyển mạch kờnh. Một trong cỏc nguyờn tắc để đặc tả mạng truy nhập 3G là sự độc lập mạng lừi với giao diện vụ tuyến và hỗ trợ đa mạng lừi. 3GPP đó định nghĩa miền CS cho cỏc dịch vụ chuyển mạch kờnh và miền PS cho cỏc dịch vụ chuyển mạch gúi. Vỡ tớnh di động trong UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) phải trong suốt đối với mạng lừi UMTS, nghĩa là mạng lừi khụng biết rằng MS sẽ ở trong BTS nào. Để nhấn mạnh yờu cầu này, 3GPP quyết định RAN sẽ được đặc tả là một mạng được cấu trỳc từ cỏc RNC và cỏc Node B, khụng sử dụng thuật ngữ BSC và BTS như trong hệ thống GSM. Ngoài ra cỏc mụ hỡnh và đề ỏn nghiờn cứu ban đầu đó đưa ra khỏi niệm cỏc ANO (Access Network Operator: Nhà khai thỏc mạng truy nhập) và cỏc CNO (Core Network Operator: Nhà khai thỏc mạng lừi). Cỏc khỏi niệm này khụng được sử dụng trong thuật ngữ chớnh thức và cỏc nỗ lực chuẩn húa khụng tỡm cỏch hỗ trợ chỳng như cỏc thực thể được cụng nhận chớnh thức.
Mạng lừi miền UMTS PS giống như mạng lừi GPRS. Thực tế, bắt đầu từ R99, cả hai đặc tả hệ thống khụng cú cỏc khỏc biệt kỹ thuật liờn quan đến mạng lừi. Tuy nhiờn cần lưu ý rằng cú một số điểm khỏc nhau đỏng kể giữa cỏc dịch vụ khả dụng trong GPRS R98 và GPRS/UMTS R99 sẽ được ta núi đến trong phần cũn lại của chương này. Sở dĩ cần núi đến cỏc khỏc biệt này giữa hai hệ thống vỡ thụng thường GPRS được định nghĩa theo R98 do phần lớn cỏc mạng sẽ hỗ trợ UMTS chỉ bắt đầu từ R99 trở đi (trừ một số nhà khai thỏc muốn sử dụng phổ tần hiện cú vỡ khụng được cấp phộp phổ tần của UMTS).
Cỏc đặc tả GPRS định nghĩa cỏc lớp giao thức mới trong BSS, là RLC (Radio Link Protocol: Giao thức liờn kết vụ tuyến) và MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập mụi trường), để cho phộp sử dụng cấu trỳc lập khung của GSM cho GPRS. Đặc tả hệ thống GSM cho phộp sử dụng một đến tỏm khe thời gian cho cả đường lờn và đường xuống. Cỏc đặc tả tiờu chuẩn này định nghĩa cỏch thớch ứng cỏc giao thức khỏc nhau đối với dịch vụ liờn kết logic do hệ thống này cung cấp, sử dụng giao thức SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol), bằng cỏch chuyển tiếp cỏc khung LLC (Logical Link Control: Điều khiển liờn kết logic) giữa MS và SGSN. Chức năng chuyển tiếp này được đảm bảo bởi PCU, PCU cho phộp tăng cường cỏc GSM BSS để được BSS cú khả năng phục vụ GPRS.
GSM RAN với chức năng PCU tăng cường được nối đến mạng lừi GPRS qua giao diện Gb, Gb định nghĩa dịch vụ mạng dựa trờn chuyển tiếp khung (Frame Relay) và trờn nú là giao thức BSSGP (BSS GPRS Protocol) (hỡnh 1.8). Phy MAC RLC LLC SNDCP IP Relay RLC MAC Phy BSSGP FR FR BSSGP LLC SNDCP Relay L1 UDP/IP L2 GTP IP GTP UDP/IP L2 L1 L2 L1 MS BSS 2G SGSN 2G GGSN Um Gb Gn Gi Mặt phẳng người sử dụng GPRS Phy MAC RLC PDCP IP Relay PDCP RLC MAC Phy GTP-U UDP/IP AAL5 ATM ATM AAL5 UDP/IP GTP-U GTP-U UDP/IP L2 L1 Relay IP GTP-U UDP/IP L2 L1 L2 L1 UE UTRAN 3G SGSN 3G GGSN Uu Iu-PS Gn Gi Mặt phẳng người sử dụng UMTS
Hỡnh 1.8. Kiến trỳc ngăn xếp giao thức mặt phẳng người sử dụng GPRS và UMTS
BSSGP được sử dụng để hỗ trợ cỏc kờnh logic bờn trờn dịch vụ mạng chuyển tiếp khung. Cỏc kờnh logic này được sử dụng để thực hiện định tuyến cỏc khung giao thức LLC giữa BSS và mạng lừi, vỡ thế BSC+PCU cú thể định tuyến cỏc khung LLC đến cell cần thiết. Trờn đường lờn, BSSGP mang thụng tin nhận dạng cell và mọi khung LLC được truyền tải trờn giao thức LLC cú thể cung cấp thụng tin vị trớ. Thụng thường MS cập nhật vị trớ (cập nhật cell) khi nú cú một phiờn tớch cực (phỏt và thu số liệu) bằng cỏch phỏt đi một khung LLC.
SNDCP, LLC và BSSGP cũng như dịch vụ mạng dựa trờn Frame Relay được kết cuối tại 2G SGSN. Vỡ cả lưu lượng của người sử dụng lẫn thụng tin điều khiển đều được truyền trờn cỏc giao thức này, và cỏc dịch vụ lớp liờn kết cho MS được kết cuối tại 2G SGSN, nờn 2G SGSN đặc biệt phức tạp. Tớnh phức tạp này dẫn đến cỏc giới hạn nghiờm trọng về khả năng mở rộng. Để giải quyết vấn đề này, trong khi phỏt triển cỏc tiờu chuẩn UMTS, người ta quyết định khụng kết cuối cỏc lớp liờn kết tại SGSN, vỡ thế giảm bớt sự phức tạp của cỏc phần tử này và cho phộp nú mở rộng để hỗ trợ nhiều thuờ bao hơn và vựng phủ rộng hơn. Định cỡ một SGSN để phủ diện tớch rộng hơn rất quan trọng. Nú cho phộp giảm thiểu bỏo hiệu quản lý di động liờn quan đến chuyển giao và chuyển giao trờn vựng phủ trở nờn dễ dàng hơn. Trong UMTS, 3GPP định nghĩa một giao diện rừ ràng hơn giữa RAN và mạng lừi miền PS gọi là giao diện Iu-PS. Giao diện này dựa trờn phương thức truyền tải IP over ATM đối với mặt phẳng người sử dụng (lớp liờn kết cú thể dựa trờn mọi cụng nghệ kể từ cỏc phỏt hành sau R99 như R4 và R5), và trờn giao thức RANAP (Radio Access Aplication Part). RANAP là một ứng dụng người sử dụng SCCP được mang trờn SS7 băng rộng (MTP3-B được trỡnh bầy trong [Q2210]) sử dụng dịch vụ SAAL-NNI (Signalling ATM Adaptation Layer Network-to- Network Interface) [Q2100] hay truyền tải IP dựa trờn cỏc giao thức SIGTRAN: M3UA và SCCP.
Cỏc gúi của người sử dụng được truyền trờn Iu-PS sử dụng giao thức truyền tải GTP/UDP/IP, sau đú được chuyển tiếp bởi RNC đến MS sử dụng cỏc giao thức liờn kết vụ tuyến (PDCP, RLC/MAC). Chức năng PDCP (Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gúi) trong UMTS giống như SNDCP trong GPRS. Nú cũng hỗ trợ cỏc giao thức nộn tiờu đề để giảm phần overhead cho cỏc ứng dụng thời gian thực, đặc biệt đối với cỏc ứng dụng VoIP (Voice over IP) tương lai. VoIP sẽ là sự tiến húa của hệ thống UMTS khi ta chuyển sang R5. Cỏc lớp RLC và MAC được sử dụng để thực hiện lớp liờn kết vụ tuyến. Cỏc lớp này thực hiện cỏc kờnh liờn kết logic trờn lớp vật lý giao diện vụ tuyến W-CDMA. Hỡnh 1.8 trỡnh bầy tổng kết về cỏc ngăn xếp giao thức đối với mặt phẳng người sử dụng cho cả hai hệ thống GPRS và UMTS.
Đầu cuối di động truyền thụng tin điều khiển đến mạng lừi GPRS hay UMTS sử dụng giao thức RIL3 (Radio Interface Layer 3: Lớp 3 giao diện vụ tuyến) được đặc tả trong [3GPP TS 21.008]. Giao thức này gồm GMM (GPRS Mobility Management: Quản lý di động GPRS) và SM (Session Management: Quản lý phiờn). Trong GPRS,
RIL3 được mang trờn kờnh LLC NULL và nú được xử lý bởi SGSN tại phớa mạng lừi. Trong UMTS, giao thức này được truyền tải sử dụng thủ tục truyền trực tiếp trờn giao thức RANAP. SGSN xử lý thụng tin từ đầu cuối, kết quả là nú cú thể tương tỏc với cỏc phần tử khỏc trong mạng. Chẳng hạn nú cú thể mở cỏc hội thoại MAP với HLR cho cỏc thủ tục an ninh, nhận thụng tin về thuờ bao hay cho cỏc mục đớch định vị. Nú cũng cú thể tương tỏc với mạng thụng minh qua giao diện CAMEL [3GPP TS21.078] chẳng hạn cho cỏc dịch vụ trả tiền trước đối với cỏc người sử dụng GPRS.
Cỏc phiờn số liệu gúi trong GPRS và UMTS được thiết lập bằng cỏch thiết lập và duy trỡ cỏc GTP tunnel đến cỏc GGSN. Một GTP tunnel là một quỏ trỡnh đúng bao cỏc gúi người dựng giữa GGSN và SGSN trong GTP/UDP/IP. Thực ra, đúng bao cũng được định nghĩa là GTP/TCP/IP, nhưng từ R99 trở đi cú sự nhất trớ chung rằng dạng tunnel này khụng cần nữa, vỡ nú chỉ cần để truyền X.25 một cỏch tin cậy trờn đường trục PLMN. Rừ ràng X.25 khụng phải là phương thức nối mạng số liệu tương lai, cỏc nhà khai thỏc vụ tuyến sẽ khụng cung cấp dịch vụ X.25 và cỏc nhà cung cấp thiết bị nối mạng cũng khụng hỗ trợ nú.
Một chức năng khỏc của SGSN là thu thập cỏc số liệu tớnh cước và truyền nú đến CGF (Charging Gateway Function: Chức năng cổng tớnh cước) trờn giao diện Ga (xem hỡnh 1.7). Giao diện Ga được xõy dựng trờn giao thức GTP [3GPP TS 32.015]. SGSN cũng cú thể hỗ trợ cỏc dịch vụ SMS thụng qua giao diện Gd đến SMS-GMSC và tương tỏc với MSC/VLR qua gia diện Gs để điều phối nhắn tin và cập nhật vị trớ.