2.3.1.1. Mô hình
Hình 2.1: Mô hình của mạng 3G-WCDMA
Trong đó:
- PSTN/ ISDN: Mạng điện thoại công cộng/mạng số đa dịch vụ - VLR: Bộ đăng kí thuê bao tạm trú
- HLR: Bộ đăng kí định vị thuê bao thường trú - 3G MSC: Trung tâm chuyển mạch mạng 3G
- Circuit Switched Network: Mạng mạch chuyển mạch - AuC/ EIR: Trung tâm nhận thực/ bộ ghi nhận dạng thiết bị
- 3G SGSN: Serving GPRS Support Node/ Nút dịch vụ hỗ trợ GPRS 3G - RNC: Radio Network Controller/ Mạng điều khiển sóng vô tuyến - PSDN (X.25): mạch chuyển mạch số liệu công cộng (giao thức X.25)
- CGF: Connected Government Framework: khung kết nối chính phủ (Carrier Grade Framework: Trung tâm Năng lực Dịch vụ Truyền thông Toàn cầu)
- GGSN: Gateway GPRS Support Node/ Nút cổng hỗ trợ kết nối GPRS - Node B: Trạm thu phát gốc
2.3.1.2. Chức năng của các thành phần trong mạng 3G-WCDMA A. Mạng lõi
a. Trung tâm chuyển mạch di động
Trung tâm chuyển mạch thoại di động (mobile switching center, MSC) là trung tâm của mạng lõi chuyển mạch. Các MSC tương tự có thể được sử dụng để phục vụ cho cả GSM-BSS và các kết nối UTRAN. Một GSM-MSC phải được nâng cấp để đáp ứng các yêu cầu 3G, nhưng MSC tương tự có thể được sử dụng để phục vụ cho cả hai mạng truy cập. Ngoài các mạng truy cập vô tuyến, nó có giao diện cho mạng cố định PSTN, MSCs khác, các mạng chuyển mạch gói (SGSN), và mạng lõi khác nhau (HLR, EIR, AUC). VLR được thực hiện kết nối với MSC, do đó giao diện giữa chúng (giao diện B) chỉ tồn tại một cách logic. Một số BSSs có thể được kết nối với một MSC. Số lượng và kích thước của MSCs cũng khác nhau, một nhà điều hành nhỏ có thể chỉ có một MSC nhỏ, nhưng một khi số thuê bao tăng, một số MSCs lớn có thể cần thiết.
Các chức năng của MSC bao gồm: - Phân trang (Paging);
- Điều phối các thiết lập cuộc gọi từ tất cả MSS trong thẩm quyền của MSC; - Năng động phân bổ các nguồn lực;
- Chức năng liên mạng (IWFs) với loại khác của mạng lưới; - Bàn giao quản lý (đặc biệt là bàn giao MSC phức tạp);
- Thanh toán của các thuê bao (không phải thanh toán thực tế, nhưng thu thập dữ liệu cho trung tâm thanh toán);
- Mã hóa thông số quản lý;
- Tín hiệu trao đổi giữa các giao diện khác nhau; - Tần số giao quản lý trong toàn khu vực MSC;
- Echo canceler operation and control(hoạt động và kiểm soát khử phản hồi). MSC chấm dứt các giao thức MM và CM của giao thức giao diện ngăn xếp vô tuyến, do đó, MSC có để quản lý những giao thức này, hoặc chịu trách nhiệm cho các phần tử mạng lõi khác.
b. Đăng kí địa điểm truy cập (Visitor Location Register)
Việc đăng ký địa điểm truy cập (VLR) bao gồm các thông tin về trạm chuyển vùng điện thoại di động tại khu vực MSC này. Cũng có thể là một VLR xử lý đăng ký truy cập của một số khu vực MSC. Lưu ý rằng một VLR chứa thông tin từ tất cả các thuê bao đang hoạt động trong khu vực của nó, thậm chí từ những kết nối từ mạng gia đình, do đó tên VLR gây hiểu nhầm hầu hết các mục đăng ký mà không phải là khách, nhưng người sử dụng trong mạng gia đình riêng của họ. VLR chứa khá nhiều thông tin giống như vị trí nhà đăng ký (home location register, HLR), sự khác biệt thông tin trong VLR là tạm thời, trong khi HLR là một trang cho lưu trữ thông tin vĩnh viễn. Khi người dùng tạo ra một thuê bao, các dữ liệu của thuê bao của được thêm vào trang chủ của HLR. Từ đó nó được sao chép vào VLR và những người sử dụng hiện tạiđược đăng ký với nó. Khi một người dùng đăng ký với một mạng khác, các dữ liệu thuê bao loại bỏ khỏi VLR cũ và sao chép vào VLR mới. Một số đề án tối ưu hóa mạng, trong đó có thể thay đổi nguyên tắc này trong tương lai. Các VLR chứa dữ liệu để thủ tục thiết lập cuộc gọi bình thường có thể được xử lý mà không cần hỏi ý kiến HLR. Điều này là quan trọng nếu người dùng đang chuyển vùng ở nước ngoài, và báo hiệu kết nối với mạng gia đình rất tốn kém.
- Nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI); - Trạm di động quốc tế số ISDN (MSISDN); - Trạm di động chuyển vùng số (MSRN);
- Trạm di động nhận dạng tạm thời (TMSI), nếu áp dụng; - Trạm di động nhận dạng địa phương (LMSI), nếu sử dụng; - Vị trí khu vực, nơi các trạm di động đã được đăng ký; - Xác nhận của SGSN nơi MS đã được đăng ký, nếu có; - Vị trí cuối và vị trí ban đầu của MS.
Ngoài ra, có thể được rất nhiều dữ liệu tùy chọn, phụ thuộc vào những gì mạng hỗ trợ [ví dụ như, CAMEL hoặc local service area (LSA)]. Các VLR cũng có thể chứa các thông số dịch vụ bổ sung.
Các thủ tục VLR đã thực hiện bao gồm: - Thủ tục xác thực với HLR và AUC
- Thuật toán mật mã khóa quản lý và lấy lại từ HLR / AUC; - Phân bổ số điện thoại mới TMSI;
- Theo dõi trạng thái tất cả MSS trong khu vực của mình; - Thủ tục hỗ trợ phân trang (của TMSI và khu vực hiện tại).
c. Đăng kí thuê bao định vị thường trú (Home Location Register)
HLR chứa dữ liệu thuê bao đăng ký thường trú. Mỗi hồ sơ thông tin thuê bao được lưu trữ trong chỉ một HLR. Các HLR có thể được bổ sung trong các thiết bị tương tự như MSC/VLR, nhưng thông thường sắp xếp để MSC / VLR như là một đơn vị, và kết hợp HLR / AUC / EIR như là một đơn vị khác. Một PLMN có thể có một vài HLR. Các thông tin thuê bao được nhập vào trong HLR khi người sử dụng là một thuê bao. Có hai loại thông tin trong một HLR,vĩnh viễn và tạm thời. Các dữ liệu vĩnh viễn không bao giờ thay đổi trừ khi các thông số thuê bao thay đổi. Một ví dụ này là người dùng thêm một số dịch vụ bổ sung cho thuê bao của mình. Các dữ liệu tạm thời chứa những thứ như địa chỉ (hiện tại) và mã hóa thông tin VLR, có thể thay đổi khá thường xuyên. Dữ liệu tạm thời đôi khi cũng có điều kiện; có nghĩa là, nó không phải
luôn luôn ở đó. Một dữ liệu người thuê bao có thể được truy cập bằng IMSI hoặc MSISDN. Các dữ liệu thường trú tại HLR bao gồm:
- Số thuê bao điện thoại di động quốc tế (IMSI), trong đó xác định các thuê bao (hoặc thẻ SIM thực sự của mình) rõ ràng;
- MSISDN [số lượng thư mục của MS (ví dụ, +44-1234-654321)]; - MS mục thông tin;
- Có thể chuyển vùng hạn chế; - Đóng dữ liệu hội viên (CUG); - Bổ sung các thông số dịch vụ; - Khóa xác thực;
- Chế độ mạng truy cập (NAM), quyết định người sử dụng có thể truy cập các mạng GPRS, không GPRS, hoặc cả hai. Ngoài ra, nếu GPRS hỗ trợ, địa chỉ PDP được chứa đựng. Lần nữa, có thể có rất nhiều mục khác, phụ thuộc vào các tính năng mà mạng hỗ trợ.
Các dữ liệu tạm thời bao gồm:
- Trạm di động nhận dạng địa phương (LMSI);
- Bộ ba véc tơ; đó là ba xác thực và mã hóa tham số: (1) số ngẫu nhiên (RAND), (2) ký hiệu phản hồi(SRES), và (3) khóa mã hóa (Kc);
- Một nhóm năm véc tơ; đó là năm xác thực và mã hóa tạm thời: (1) thách thức ngẫu nhiên(RAND), (2) đáp ứng mong đợi (XRES), (3) mã khóa (CK), (4) integrity key (khóa bảo toàn-IK), và (5) authentication token (AUTN-dấu hiệu chứng thực);
- Số MSC;
- Số VLR (nhận dạng của các đăng ký VLR hiện tại).
Ngoài ra, nếu được GPRS hỗ trợ, các số SGSN và GGSN (địa chỉ SS7) cũng được chứa đựng.
Lưu ý rằng các danh sách này không đầy đủ; các dữ liệu thuê bao đăng ký có thể chứa rất nhiều thông tin (hàng chục các mục khác nhau). HLR cũng sẽ chuyển các thông tin tính phí đến trung tâm thanh toán.
Việc nhận dạng thiết bị đăng ký (EIR) được lưu trong xác nhận thiết bị di động quốc tế (IMEIs). Một EIR có thể chứa ba danh sách riêng biệt:
1. Danh sách trắng: Các IMEIs của thiết bị được biết là có theo thứ tự tốt; 2. Danh sách đen: Các IMEIs thiết bị nào được báo cáo bị đánh cắp;
3. Danh sách xám: IMEI của thiết bị được biết là có vấn đề (chẳng hạn như phần mềm bị lỗi) mà không đủ để cấm sử chúng.
Tại một EIR tối thiểu là phải có một danh sách trắng. Điều không may là danh sách đen và kiểm tra loại bỏ nó không phải là bắt buộc, điện thoại di động bị mất cắp bây giờ có thể được sử dụng trong một số mạng có chính sách bảo mật yếu. Và đáng tiếc hơn là việc thay đổi mã số IMEI của một điện thoại chưa là bất hợp pháp ở nhiều nước. Điển hình một PLMN chỉ có một EIR, sau đó kết nối đến tất cả HLRs trong mạng. Lưu ý rằng EIR IMEI xử lý các giá trị, không IMSIs hoặc bất kỳ xác nhận khác. IMEI là (hoặc phải) là một xác nhận duy nhất của một điện thoại di động được phân khi nó được sản xuất.
e. Trung tâm xác thực (Authentication Center)
Trung tâm xác thực (AuC) kết hợp với một HLR. AuC chứa khóa xác nhận thuê bao, Ki, và IMSI tương ứng. Đây là những dữ liệu thường được nhập vào thời gian đăng ký. Khoá Ki được sử dụng để tạo ra một bộ ba tham số xác thực (Kc, SRES, RAND) trong thủ tục xác thực. Tham số Kc cũng được sử dụng trong thuật toán mã hóa. AUC luôn luôn tồn tại với một HLR. Giao diện MAP giữa chúng (giao diện H) đã không được chuẩn hóa.
f. Cửa vào trung tâm chuyển mạch di động (Gateway MSC)
Các Gateway MSC (GMSC) là một MSC giữa các mạng cố định PSTN và MSCs khác trong mạng. Chức năng của nó là để định tuyến các cuộc gọi đến MSCs thích hợp bằng cách đầu tiên là kiểm tra các HLR thích hợp. Nếu nhà điều hành cho phép mạng lưới bên ngoài truy cập HLRs của nó, sau đó một GMSC riêng là không cần thiết khi các mạng khác có thể tự định tuyến các cuộc gọi đến đúng MSC. Trong thực tế cũng có thể tất cả MSCs cũng là GMSCs trong một PLMN.
Các nút hỗ trợ phục vụ GPRS (SGSN) là nguyên tố trung tâm trong mạng chuyển mạch gói. Nó chứa hai loại thông tin:
* Thông tin đăng ký: - IMSI;
- Nhận dạng tạm thời; - Địa chỉ PDP.
* Thông tin địa điểm:
- Các tế bào hoặc khu vực định tuyến mà MS được đăng ký; - Số VLR;
- Địa chỉ GGSN mỗi GGSN mà một PDP hoạt động tồn tại.
Các kết nối SGSN đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến BSS thông qua giao
diện Gb. Nó cũng có nhiều giao diện đến nhiều mạng khác như trong hình 2.2.
Hình 2.2: Phần tử mạng UMTS và giao diện
Các nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN) tương ứng với GMSC trong mạng chuyển mạch. Trong khi các GMSC chỉ định tuyến đường tới, tuy nhiên, GGSN phải định tuyến các đường ra. Nó có các dữ liệu sau:
* Đăng ký thông tin: - IMSI;
- Địa chỉ PDP .
* Thông tin địa điểm:
- Địa chỉ SGSN của SGSN nơi MS được đăng ký. Các GGSN nhận được thông tin này từ HLR và từ SGSN.
B. Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
UTRAN là mạng lưới truy cập vô tuyến mới được thiết kế đặc biệt cho UMTS. Ranh giới của nó là giao diện Iu đến mạng lõi và các giao diện Uu (giao diện vô tuyến) đến thiết bị người dùng (User Eqiupment,UE). UTRAN là một thực tế của khái niệm GRAN. Triển khai khác có thể có trong tương lai có thể bao gồm, ví dụ, các mạng truy cập băng thông rộng (BRAN)và mạng truy cập vô tuyến vệ tinh UMTS (USRAN). UTRAN này bao gồm các bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNCs) và Node Bs (cơ sở trạm). Cùng với nhau, các bộ phận này hình thành một hệ thống mạng vô tuyến con (RNS). Xem Hình 2.3.
Các giao diện nội bộ của UTRAN bao gồm Iub và Iur. Iub kết nối một Node B với RNC và Iur là một liên kết giữa hai RNC.Các Iub là chuẩn bị cho một giao diện mở, nhưng nó nằm ở một vị trí xác định trong các cơ sở hạ tầng mạng mà nó cũng có thể sẽ trở thành một giao diện độc quyền của nhà sản xuất trong thực tế. Các giao diện tương ứng trong GSM (A-bis) là như thế,người ta có thể sử dụng trang bị tương thích từ các nhà sản xuất ở cả hai bên của giao diện A- bis. Iub có giao diện để quản lý các vấn đề khó khăn như kiểm soát quyền lực; do đó, các nhà sản xuất được BRAN hỗ trợ để sử dụng giải pháp của chính quyền sở hữu của chúng ở đây.
a. Điều khiển mạng vô tuyến
RNC điều khiển một hoặc nhiều Node B. Nó có thể được kết nối thông qua giao diện cho một Iu (MSC IuCS) hoặc đến một SGSN (IuPS). Giao diện giữa RNCs (Iur) là một giao diện hợp lý, và một kết nối vật lý trực tiếp không nhất thiết phải tồn tại. An RNC được so sánh với một BSC trong các mạng GSM. Chức năng được thực hiện bởi RNC bao gồm:
- Iub vận chuyển các nguồn lực quản lý;
- Kiểm soát các hoạt động hợp lý Node B và bảo dưỡng (O & M) tái nguồn; - Hệ thống thông tin quản lý và lịch trình hệ thống thông tin;
- Lưu lượng quản lý các kênh phổ biến;
- Macro đa dạng kết hợp / tách dòng dữ liệu chuyển qua một số Node B; - Sửa đổi các bộ hoạt động; đó là chuyển giao mềm;
- Phân bổ mã phân kênh DL;
- Quyền kiểm soát Uplink outerloop; - DL quyền kiểm soát;
- Kiểm soát nhập chúng; - Báo cáo quản lý;
- Lưu lượng quản lý các kênh chia sẻ.
b. Trạm thu phát (Node B)
Node B là UMTS tương đương của một trạm thu phát. Nó có thể hỗ trợ một hoặc nhiều tế bào, mặc dù nhìn chung các thông số kỹ thuật chỉ nói về một
ô mỗi Node B. Thuật ngữ Node B thường được sử dụng như là một khái niệm hợp lý. Khi cá thể được gọi, sau đó thuật ngữ trạm gốc thường được sử dụng sau này. Chức năng được thực hiện bởi một Node B bao gồm:
- Node B hợp lý O & M thực hiện;
- Lập bản đồ của Node B hợp lý nguồn tài nguyên vào tài nguyên phần cứng; - Truyền các thông điệp hệ thống thông tin theo lịch trình các thông số được đưa ra bởi RNC;
- Macrodiversity kết hợp / tách dòng dữ liệu nội bộ Node B; - Quyền kiểm soát Uplink innerloop (trong chế độ FDD);
- Báo cáo của các phép đo nhiễu đường lên và quyền lực DL thông tin.
Ngoài ra, do Node B cũng chứa các giao diện lớp vật lý vô tuyến, nó có để thực hiện các chức năng sau đây liên quan đến nó:
- Macrodiversity phân phối / kết hợp và thực hiện chuyển giao mềm; - Lỗi phát hiện trên các kênh vận chuyển và chỉ thị cho các lớp cao hơn; - FEC mã hóa / giải mã giao thông kênh;
- Ghép kênh vận chuyển và tách kênh của CCTrCHs; - Tỷ lệ phù hợp;
- Lập bản đồ của CCTrCHs trên các kênh vật lý; - Power nặng và kết hợp của các kênh vật lý;
- Điều chế và lan truyền/ giải điều chế và không lan truyền của kênh vật lý; - Tần suất và thời gian đồng bộ;
- Số đo vô tuyến và chỉ thị cho các lớp cao hơn; - Quyền kiểm soát interloop;
- RF vận hành.
Mạng lưới các nhà sản xuất cũng là nơi cung cấp các giải pháp như thiết bị cơ sở vật chất trạm sẽ cung cấp cho cả GSM và WCDMA truyền / nhận khả năng (tức là chúng được kết hợp GSM-BTS và WCDMA-Node Bs).
Các truy cập vô tuyến vào hệ thống mạng GSM cũng được gọi là hệ thống trạm gốc con (BSS). Nó bao gồm một BSC và một hoặc nhiều trạm BTS,