1. MỞ ĐẦU
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
Bỏo hiệu điều khiển cỏc cuộc gọi chuyển mạch kờnh được thực hiện giữa RNC và MSC Server. Đường truyền cho cỏc cuộc gọi chuyển mạch kờnh được thực hiện giữa RNC và MGW. Thụng thường MGW nhận cỏc cuộc gọi từ RNC và định tuyến cỏc cuộc gọi này đến nơi nhận trờn cỏc đường trục gúi. Trong nhiều trường hợp đường trục gúi sử dụng
Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trờn Giao thức Internet (IP). Từ hỡnh 1.10 ta thấy lưu lượng số liệu gúi từ RNC đi qua SGSN và từ
SGSN đến GGSN trờn mạng đường trục IP. Cả số liệu và tiếng đều cú thể sử dụng truyền tải IP bờn trong mạng lừi. Đõy là mạng truyền tải hoàntoàn IP.
Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khỏc, PSTN chẳng hạn, sẽ cú một cổng cỏc phương tiện khỏc (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server). MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đúng gúi thành PCM tiờu chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mó chỉ cần thực hiện tại điểm này. Để thớ dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vụ tuyến được truyền tại tốc độ 12,2 kbps, thỡ tốc độ này chỉ
phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN. Truyền tải kiểu này cho phộp tiết kiệm đỏng kể độ rộng băng tần nhất là khi cỏc MGW cỏch xa nhau.
Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248. Giao thức này được ITU và IETF cộng tỏc phỏt triển. Nú cú tờn là điều khiển cổng cỏc phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control). Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server cú thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ. 3GPP đề nghị sử dụng (khụng bắt buộc) giao thức Điều khiển cuộc gọi độc lập vật
mang (BICC: Bearer Independent Call Control) được xõy dựng trờn cơ sở khuyến nghị
Q.1902 của ITU.
Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả cỏc chức năng của GMSC Server. Ngoài ra MGW cú khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN cú thể chuyển nội hạt, nhờ vậy cú thể tiết kiệm đỏng kể đầu tư. Để làm thớ dụ ta xột 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 thuờ bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt. Nếu khụng cú cấu trỳc phõn bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi cú MSC) để đấu nối với thuờ bao PSTN tại chớnh thành phố A.Với cấu trỳc phõn bố, cuộc gọi cú thể được điều khiển tại MSC Server ở thành phố B nhưng đường truyền cỏc phương tiện thực tế cú thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậy giảm đỏng kể yờu cầu truyền dẫn và giỏ thành khai thỏc mạng.
Từ hỡnh 2.3 ta cũng thấy rằng HLR cũng cú thể được gọi là Server thuờ bao tại nhà (HSS: Home Subscriber Server). HSS và HLR cú chức năng tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trờn cơ sở truyền tải gúi (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trờn cơ sở bỏo hiệu số 7. Ngoài ra cũn cú cỏc giao diện (khụng cú trờn hỡnh vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS. Rất nhiều giao thức được sử dụng bờn trong mạng lừi là cỏc giao thức trờn cơ sở gúi sử dụng hoặc IP hoặc ATM. Tuy nhiờn mạng phải giao diện với cỏc mạng truyền thống qua việc sử dụng cỏc cổng cỏc phương tiện. Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với cỏc mạng SS7 tiờu chuẩn. Giao diện này được thực hiện thụng qua cổng SS7 (SS7 GW). Đõy là cổng mà ở một phớa nú hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trờn đường truyền tải SS7 tiờu chuẩn, ở phớa kia nú truyền tải cỏc bản tin ứng dụng SS7 trờn mạng gúi (IP chẳng hạn). Cỏc thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS liờn lạc với cổng SS7 bằng cỏch sử dụng cỏc giao thức truyền tải
Bước phỏt triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trỳc mạng đa phương tiện IP (hỡnh 2.4). Bước phỏt triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mụ hỡnh cuộc gọi. Ở đõy cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trờn toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cựng. Cú thể coi kiến trỳc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu.
Hỡnh 2.4 Kiến trỳc mạng 3GPP R5 và R6
Điểm mới của R5 và R6 là nú đưa ra một miền mới được gọi là phõn hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). Đõy là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ cỏc dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP. Từ hỡnh 2.4 ta thấy tiếng và số liệu khụng cần cỏc giao diện cỏch biệt; chỉ cú một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện. Trong mạng lừi giao diện này kết cuối tại SGSN và khụng cú MGW riờng. Phõn hệ đa