3.4.2.1. Thiết bị đầu cuối mạng UE
UE bao gồm hai phần: thiết bị di động (ME) và Modul nhận dạng dịch vụ UMTS (USIM).
- ME bao gồm cả phần cứng và phần mềm, thực hiện chức năng hỗ trợ truy nhập vụ tuyến di động vào hệ thống.
- USIM thực hiện chức năng hỗ trợ bảo mật người dựng và cỏc dịch vụ người dựng, lưu giữ cỏc thụng tin nhận thực thuờ bao và mật mó hoỏ/ giải mật mó hoỏ. Gồm cú cỏc thụng tin nhận dạng thuờ bao (như: IMSI, TMSI, P-TMSI, TLLI..), cỏc thủ tục nhận thực, khoỏ nhận thực lưu trữ và khúa bảo mật.
Thiết bị đầu cuối UE hay còn gọi là MS, là thiết bị giao diện với mạng lưới qua giao diện vụ tuyến, thực hiện cỏc chức năng thụng tin cần thiết ơ giao diện vụ tuyến ngoại trừ bất kỳ một ứng dụng nào của người sử dụng. Cỏc chức năng bắt buộc của đầu cuối 3G chủ yếu liờn quan đến tớnh tương tỏc giữa thiết bị đầu cuối và mạng, vớ dụ như:
Cú giao diện để tớch hợp Simcard đa dụng USim (Universal Simcard). Cú khả năng để đăng kớ và huỷ bỏ thiết bị ra khỏi mạng.
Cú khả năng cập nhật thụng tin vị trớ (location update). Hỗ trợ cỏc dịch vụ hướng kết nối và khụng kết nối. Cú trường nhận dạng cố định.
Cú khả năng hỗ trợ cỏc dịch vụ khẩn cấp khụng cần sử dụng USIM. Hỗ trợ kớch hoạt cỏc thuật toỏn nhận dạng và bảo mật khi cú yờu cầu. Bờn cạnh cỏc chức năng bắt buộc cần thiết cho sự vận hành mạng, thiết bị đầu cuối 3G cú thể còn được cung cấp thờm chức năng giỳp thuận tiện cho quỏ trỡnh phỏt triển mạng như: sử dụng được giao diện chương trỡnh ứng dụng API, cú khả năng tải cỏc dịch vụ thụng tin, giao thức, cỏc chức năng mới hay API vào thiết bị, cú khả năng lắp đặt thờm cỏc card IC khỏc,…
Một đặc điểm nữa của đầu cuối 3G là nú cú thể cú hai phần mạng sẵn sàng phục vụ: phần chuyển mạch gúi cho cỏc dịch vụ gúi PS và phần chuyển mạch kờnh cho cỏc dịch vụ kờnh CS. Do đú, sẽ cú 3 kiểu hoạt động khỏc nhau:
Ở kiểu PS/CS, thiết bị đầu cuối cú thể thõm nhập mạng qua cả phần CS và PS, cú thể sử dụng đồng thời cả dịch vụ PS và CS.
Ở kiểu PS, thiết bị đầu cuối chỉ thõm nhập mạng qua phần PS. Tuy nhiờn, thiết bị loại này cũng cho phộp cỏc dịch vụ tương tự dịch vụ CS được cung cấp qua phần PS, vớ dụ như VoIP.
Ở kiểu CS, thiết bị đầu cuối chỉ thõm nhập được mạng qua phần CS. Tuy vậy, nú vẫn cú thể cho phộp cỏc dịch vụ tương tự dịch vụ PS cung cấp qua phần CS.
Việc phõn biệt kết nối vụ tuyến và cỏc chức năng kết nối mạng của UE dẫn đến việc phõn chia UE tuỳ theo khả năng sử dụng cỏc cụng nghệ mạng lừi và truy nhập khỏc nhau của đầu cuối:
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
UE một chế độ vụ tuyến: chỉ cú thể sử dụng một loại giao diện vụ tuyến. UE nhiều chế độ vụ tuyến: cú thể sử dụng một vài loại giao diện vụ tuyến
truyền tải lưu lượng người sử dụng.
UE đơn mạng: cú thể chỉ sử dụng với một loại mạng lừi (vớ dụ kiểu hoạt động CS, PS hoặc PS/CS).
UE đa mạng: cú khả năng sử dụng một vài loại mạng lừi.
3.4.2.2. Mạng truy nhập vụ tuyến UTRAN
UTRAN được chia thành cỏc hệ thống con RNS. Một RNS bao gồm cỏc phần tử vụ tuyến và phần tử điều khiển tương ứng. Phần tử vụ tuyến là cỏc nỳt B, và phần tử điều khiển là RNC.
Nhiệm vụ chớnh của UTRAN là tạo và duy trỡ cỏc kờnh mang truy nhập vụ tuyến (RAB) để thực hiện thụng tin giữa thiết bị di động UE với mạng lừi CN, hoạt động như một Bridge, Router hay Gateway khi được yờu cầu. UTRAN nằm giữa hai giao diện mơ Uu và Iu. Nhiệm vụ của UTRAN là thực hiện cỏc dịch vụ mạng qua cỏc giao diện này. Nhiệm vụ đú được thực hiện với sự phối hợp của mạng lừi. Cỏc kờnh mang vụ tuyến (RAB) thoả món cỏc yờu cầu QoS được thiết lập bơi mạng lừi CN.
Hỡnh 3.15: Kiến trỳc UTRAN
*Nỳt B
Thuật ngữ nỳt B là một trong những tờn gọi tạm thời. Đầu tiờn, được chấp nhận trong chuẩn UMTS và tồn tại đến ngày nay. Về mặt logic nỳt B cú thể được coi như một trạm gốc BS. Nú đặt ơ giữa hai giao diện Uu và Iub (giao diện UMTS
Uu Iur Iu Iu RNS Nỳt B RNC Nỳt B RNS Nỳt B RNC Nỳt B Iub Iub Mạng lừi
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
giữa nỳt B và RNC). Nhiệm vụ chớnh của nỳt B là thiết lập giao diện Uu với mạng và giao diện Iub bằng cỏch sử dụng cỏc lớp thủ tục dành cho cỏc giao diện này. Cấu trỳc bờn trong nỳt B phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị. Tuy nhiờn cấu trỳc logic của nỳt B trong hệ thống UTRAN cú tớnh chất phổ biến. Theo quan điểm của mạng, nỳt B cú thể được phõn thành cỏc thực thể logic như hỡnh 4.16 dưới đõy:
Hỡnh 3.16: Cấu trỳc logic nỳt B
Ở phớa giao diện Iub, nỳt B bao gồm hai thực thể: thực thể truyền tải dựng chung và một số điểm kết cuối lưu lượng (TTP). Thực thể truyền tải lưu lượng cú một cổng điều khiển nỳt B để phục vụ cho việc vận hành và bảo dưỡng (O&M). Ngữ cảnh thụng tin nỳt B gồm tất cả cỏc nguồn tài nguyờn dành riờng sử dụng khi UE hoạt động ơ chế độ dành riờng. Do vậy ngữ cảnh thụng tin nỳt B cú ớt nhất một kờnh dành riờng (DCH). Kờnh phõn chia hướng xuống (DSCH) cũng nằm trong khối ngữ cảnh này. Theo quan điểm cơ sơ hạ tầng mạng UMTS, nỳt B cũng được coi như một thực thể logic O&M, thực thể này dành riờng cho quản lý mạng.
Dựa vào khớa cạnh vụ tuyến và phần điều khiển của nú, nỳt B bao gồm một số thực thể logic khỏc gọi là cell. Một cell là thực thể nhỏ nhất của mạng vụ tuyến và cú một số nhận dạng (ID) riờng. Số nhận dạng này được nhận biết bơi UE. Một Cell cú thể cú vài bộ thu phỏt (TRX) làm nhiệm vụ chuyển cỏc thụng tin quảng bỏ đến UE. Thụng tin vật lý này là kờnh vật lý điều khiển chung sơ cấp (P-CCPCH), cỏc
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
kờnh vật lý chứa cỏc kờnh truyền tải mang thụng tin cú thể dựng chung hoặc riờng.
*Bộ điều khiển mạng vụ tuyến
Bộ điều khiển mạng vụ tuyến là phần tử chuyển mạch và điều khiển của UTRAN, nằm giữa giao diện Uu và Iu. Về mặt logớc nú cú thể coi như một BSC. Cấu trỳc logic của RNC được thể hiện ơ hỡnh 3.17 sau:
Hỡnh 3.17: Cấu trỳc RNC
Chức năng RNC dựng để điều khiển cỏc ngữ cảnh thụng tin của nỳt B gọi là CRNC. Khi tớnh đến cỏc kờnh mang, RNC là điểm chuyển mạch giữa cỏc kờnh mạng Iu và kờnh mang vụ tuyến (RB). RB liờn quan đến ngữ cảnh của UE. Ngữ cảnh của UE là một bộ cỏc tiờu chuẩn dựng trong giao diện Iub để phõn bổ cỏc kết nối dành riờng giữa UE và RNC. Do UTRAN sử dụng phõn tập vĩ mụ, cho nờn UE cú thể cú một số kờnh mang vụ tuyến (RB) giữa chỳng và RNC (trong trường hợp chuyển giao mềm). SRNC chứa cỏc kờnh mang Iu cho một UE nhất định (1 SRNC được chỉ định cho một kết nối). Chức năng còn lại của RNC là DRNC. Khi ơ chế độ làm việc DRNC, RNC tự xỏc định ngữ cảnh UE. Cỏc yờu cầu cho hoạt động này xuất phỏt từ SRNC thụng qua giao diện Iur. Hai chức năng của SNRC và DRNC cú thể hoỏn đổi cho nhau. Trong trường hợp UE di chuyển trong mạng khi thực hiện chuyển giao mềm, UE được truy nhập hoàn toàn nhờ một RNC khụng phải là SRNC. RNC này thực hiện việc thiết lập kờnh mang vụ tuyến đầu tiờn cho UE. Trong trường hợp đú, chức năng SRNC được chuyển cho một RNC xỏc định. Thủ tục này gọi là định vị lại SRNC hoặc SRNS.
Chức năng của toàn bộ RNC cú thể được chia thành hai nhúm chớnh: nhúm chức năng quản lý tài nguyờn vụ tuyến UTRAN và nhúm chức năng điều khiển. RRM là một tập cỏc thuật toỏn được sử dụng để đảm bảo sự ổn định của đường truyền vụ tuyến và QoS của kết nối vụ tuyến bằng cỏch chia sẻ và quản lý tài
Quản lý tại nguyờn vụ tuyến (Băng rộng) Chuyển mạch Khối giao diện Chức năng điều khiển UTRAN Giao diện O&M Khối giao diện Iu đến/từ khối Quản lý mạng đến/từ cỏc RNC khỏc đến/ từ mạng lừi Iub đến/từ cỏc BS
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
nguyờn vụ tuyến một cỏch hiệu quả. Chức năng điều khiển UTRAN bao gồm tất cả cỏc chức năng liờn quan đờn việc thiết lập, duy trỡ và giải phúng cỏc kờnh mang vụ tuyến với sự hỗ trợ của thuật toỏn RRM.
• Giao thức RANAP
Đõy là một ứng dụng được dựng bơi mạng SS7 để truyền những bản tin của nú. Giao thức này thiết lập một kết nối logic giữa RAN và CN cho việc điều khiển mỗi trạm di động. RANAP hỗ trợ cỏc chức năng cần thiết để hỗ trợ kết nối RAN với CN:
+ RANAP cung cấp việc ấn định lại SRNC mà khụng thay đổi tài nguyờn và luồng số liệu đảm bảo tớnh di động của UE.
+ RANAP thiết lập và giải phúng cỏc kết nối về phớa UE. Điều này cũng cú nghĩa giải phúng cỏc kết nối RANAP tương ứng.
+ RAN cú thể sử dụng RANAP để thụng bỏo phỏt khụng thành cụng. Chức năng này cho phộp CN cập nhật cỏc bản ghi tớnh cước nếu phần số liệu khụng tới được UE.
+ RANAP đưa ra cỏc chức năng cho việc nhắn gọi trạm di động trong vựng định vị cốt để thiết lập cuộc gọi.
+ RANAP cũng đưa ra cỏc bỏo hiệu trực tiếp giữa CN và UE như quản lý di động (cập nhật vị trớ, cập nhật vựng định tuyến…)
+ Mật mó húa kết nối số liệu trờn giao diện vụ tuyến. MSC và SGSN cú thể sử dụng chức năng RANAP để điều khiển việc mật mó.
+ Giao thức này cũng cho phộp cỏc chức năng như: quản lý quỏ tải, khơi động lại, bỏo cỏo vị trớ.
• Bỏo hiệu RNSAP
Giao diện Iur phải đảm bảo 4 chức năng sau: + Iur 1: hỗ trợ tớnh di động cơ sơ giữa cỏc RNC.
Đõy là chức năng cơ sơ và hoàn toàn cần thiết cho sự sự hoạt động của giao diện Iur. Chức năng ấn định lại SRNC dựa trờn chức năng này nhưng do sự phức tạp của nhiệm vụ nờn chỳng khú thi hành. Chức năng này chỉ đơn thuần thực hiện bỏo hiệu mà khụng truyền lưu lượng.
+ Iur 2: Hỗ trợ lưu lương kờnh riờng.
Nhà khai thỏc mạng phải sử dụng chức năng này để truyền lưu lượng chuyển mạch kờnh với cỏc chuyển giao mềm qua giao diện Iur. Đõy chớnh là bản chất chuyển giao mềm giữa hai RNC. Cỏc kết nối AAL2 động cú thể được thiết lập qua giao diện Iur cho mục đớch này.
+ Iur 3: Hỗ trợ lưu lượng kờnh chung.
Chức năng này cho phộp xử lý cỏc loại dịch vụ chuyển mạch gúi qua giao diện Iur. Chức năng này ngăn chặn nhu cầu thay đổi điểm tham chiếu Iu trong khi đang truyền số liệu chuyển mạch gúi. Cỏc chức năng Iur 3 cung cấp là: phõn chia dòng số liệu trong lớp MAC và trỏnh việc ấn định lại SRNC (khụng yờu cầu).
+ Iur 4: Hỗ trợ quản lý tài nguyờn toàn cầu.
Chức năng này đảm bảo bỏo hiệu để hỗ trợ tài nguyờn cải tiến và cỏc tớnh năng khai thỏc bảo dưỡng qua giao diện Iur. Đõy là mụ-đun tựy chọn, cỏc chức
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
năng cung cấp là: truyền cỏc kết quả đo ơ ụ giữa hai RNC và truyền thụng tin định thời nỳt B giữa hai RNC.
3.4.2.3. Mạng lừi (CN)
Như trong hỡnh vẽ 3.18 mụ tả cấu trỳc mạng UMTS, một mạng CN gồm 5 thành phần, được kết nối với mạng truy nhập qua giao diện Iu và kết nối với mạng ngoài (PSTN, PLMN…). Cấu trỳc mạng lừi được đưa ra với cỏc tiờu chuẩn khỏc nhau, trong phần này sẽ đưa ra cấu trỳc mạng theo tiờu chuẩn 3GGP R99- đõy là hệ tiờu chuẩn đầu tiờn, trong đú thể hiện một hệ thống truy nhập vụ tuyến băng rộng với mạng lừi CN được nõng cấp từ GSM. Mạng lừi sử dụng hạ tầng GSM và phần mơ rộng GPRS để sử dụng cho cỏc dịch vụ gúi.
Hỡnh 3.18: Cấu trỳc mạng lừi CN
Mạng lừi được chia thành hai khối chức năng: khối chức năng chuyển mạch kờnh (CS) và khối chức năng chuyển mạch gúi (PS).
- Khối chức năng chuyển mạch kờnh bao gồm hai phần tử mạng cơ bản: + Trung tõm chuyển mạch di động (MSC/VLR)
+ Trung tõm chuyển mạch di động cổng (GMSC)
MSC/VLR chịu trỏch nhiệm quản lý cỏc hoạt động kết nối chuyển mạch kờnh, quản lý di động như: cập nhật vị trớ, tỡm gọi và cỏc chức năng bảo mật. Ngoài ra, MSC/VLR còn chứa bộ chuyển mó (sử dụng để chuyển mó thoại). Đõy là một khỏc biệt so với hệ thống GSM truyền thống, ơ hệ thống này bộ chuyển mó là một phần của mạng truy nhập vụ tuyến.
GMSC phụ trỏch kết nối với cỏc mạng bờn ngoài. Theo quan điểm quản lý kết nối, GMSC thiết lập đường kết nối đến cỏc MSC/VLR đang phục vụ mà tại đú cú thể tỡm thấy thuờ bao cần tỡm. Theo quan điểm quản lý di động, GMSC khơi tạo thủ tục phục hồi thụng tin vị trớ với cỏc mục đớch để tỡm MSC/VLR phục vụ để thực hiện kết nối cuộc gọi.
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
- Khối chức năng chuyển mạch gúi bao gồm hai phần tử mạng cơ bản: + Nỳt hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN)
+ Nỳt hỗ trợ GPRS cổng (GGSN)
SGSN hỗ trợ thụng tin chuyển mạch gúi tới mạng truy nhập vụ tuyến: SGSN giao tiếp với GSM BSS qua giao diện Gb và UTRAN qua giao diện Iu. Chức năng chủ yếu của SGSN liờn quan đến việc quản lý di động: cập nhật khu vực định tuyến, đăng kớ tỡm gọi, tỡm gọi và điều khiển cơ chế bảo mật trong chuyển mạch gúi.
GGSN duy trỡ kết nối tới cỏc mạng chuyển mạch gúi khỏc như: mạng Internet. GGSN thực hiện chức năng quản lý di động giống như GMSC. Ngoài ra, nú còn thực hiện chức năng quản lý phiờn.
Ngoài hai khối trờn, một mạng CN còn cú khối thanh ghi bao gồm: thanh ghi thường trỳ (HLR), trung tõm nhận thực Au và thanh ghi chỉ thị thiết bị EIR. Khối thanh ghi chứa thụng tin địa chỉ và thụng tin nhận thực cho cả hai khối chức năng chuyển mạch kờnh và khối chức năng chuyển mạch gúi để thực hiện quản lý di động. HLR chứa cỏc dữ liệu cố định về thuờ bao. Thụng thường một thuờ bao chỉ được phộp đăng kớ với một HLR. Au là một cơ sơ dữ liệu tạo ra cỏc vecto nhận thực. Cỏc vectơ này chứa cỏc tham số bảo mật mà VLR và SGSN sử dụng để thực hiện cỏc chức năng bảo mật ơ giao diện Iu. Thụng thường Au được tớch hợp với HLR và chỳng cựng sử dụng giao tiếp thủ tục MAP để truyền thụng tin. EIR duy trỡ cỏc thụng chỉ thị liờn quan đến phần cứng của UE.
Ngoài cỏc cỏc thanh ghi trong khối thanh ghi, CN còn cú thờm một thanh ghi nữa là VLR. Ở GSM thanh ghi này hoạt động độc lập nhưng ơ 3G, VLR được coi như một phần chức năng của MSC phục vụ. VLR tham gia vào cỏc thủ tục liờn quan đến quản lý di động như: cập nhật vị trớ, tỡm gọi và cỏc hoạt động bảo mật. Cơ sơ dữ liệu của VLR chứa cỏc bản sao tạm thời của cỏc thuờ bao tớch cực, thuờ bao này đó cập nhật vị trớ trong vựng phục vụ của VLR.