TIỂU LUẬN môn học đề tài GIAO THỨC và THỦ tục báo HIỆU UTRAN UMTS

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
ĐỀ TÀI: GIAO THỨC VÀ THỦ TỤC BÁO HIỆU
UTRAN UMTS
Mơn: Báo hiệu và điều khiển kết nối
•
Giảng viên hướng dẫn: TS. Hoàng Trọng Minh
Sinh viên thực hiện:

Trương Quang Huy - B17DCVT180
Giáp Quốc Khánh - B18DCVT232
Nguyễn Bá Long - B18DCVT254

Nhóm:

15

Hà Nội, 12/2021


MỤC LỤC

2


LỜI NÓI ĐẦU
UMTS là mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) sử dụng kỹ thuật trải phổ WCDMA.
UMTS được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP. UMTS đơi khi cịn được gọi là 3GSM để
chỉ khả năng "interoperability" giữa GSM và UMTS. UMTS được phát triển lên từ các
nước sử dụng GSM. UMTS sử dụng băng tầng khác với GSM.
Mạng UMTS gồm hai phần, phần một là mạng truy nhập vô tuyến (UMTS
UTRAN) và phần mạng lõi. Vấn đề báo hiệu trong mạng UMTS là một phần quan

trọng trong viễn thơng. Vì vậy nhóm chúng em sẽ đi tìm hiểu một số vấn đề liên quan
đến báo hiệu trong mạng truy nhập UMTS.
Nội dung đề tài gồm 3 chương:

•
•
•

Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN
Chương II: Thủ tục báo hiệu trong UMTS UTRAN

Chương III: Kết luận
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Hoàng Trọng Minh đã có những
góp ý, giúp đỡ chúng em hồn thành bài tiểu luận. Do thời gian có hạn và kiến thức
cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi những sai sót, nhóm rất mong nhận được ý kiến
đóng góp của các thầy cùng toàn thể các bạn!

3


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

3GPP

The 3 Generation Partnership Project

Dự án đối tác thế hệ thứ 3

ATM
ALCAP

Asynchronous Transfer Mode
Access Link Control Application Part

AAL

ATM Adaptation Layer

Chế độ truyền không đồng bộ
Ứng dụng kiểm sốt liên kết
truy cập
Lớp thích ứng ATM

AMR

Adaptive Multi-Rate code

Mã nhiều tỷ lệ thích ứng

AKA
BMC

Authentication & Key Agreement
Broadcast/Multicast Protocol

Xác thực và thỏa thuận khóa
Giao thức Broadcast/Multicast

BSC
BTS

Base Station Controller
Base Transceiver Station

Bộ điều khiển trạm gốc
Trạm thu phát sóng

CDMA

Code Division Multiple Access

Phân chia mã đa truy cập

CN

Core Network

Mạng lõi

CRNC

Controlling RNC

Điều khiển RNC

CC

Call Control

Kiểm soát cuộc gọi

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển chuyên dụng

DCH
FACH

Dedicated Channel
Forward Access Channel

Kênh chuyên dụng
Kênh truy cập chuyển tiếp

FDD

Frequency Division Duplexing

Song công phân chia tần số

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi chuyển tiếp

GSM
GPRS

Global System for Mobile
Communication
General Packet Radio Service

Hệ thống tồn cầu cho truyền
thơng di động
Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS của gateway

HLR

Home Location Register

Đăng ký vị trí nhà

rd

4

HSPA
IP
IMSI

High Speed Packet Access
Internet Protocol
International Mobile Subscriber Identity

LAI

Location Area Identity

Nhận dạng thuê bao di động
quốc tế
Nhận dạng khu vực vị trí

MTP3-B
MM

Message Transfer Past Level 3 Broadband
Mobility Management

Truyền tin nhắn qua cấp độ 3
băng thông rộng
Quản lý di động

MAC

Medium Access Control

Kiểm sốt truy cập

MSC

Visitor Location Register

ME
MS

Mobile Equipment
Mobile Station

Đăng ký vị trí của khách truy
cập
Thiết bị di động
Trạm di động

NAS
O&M

NonAccess Stratum
Operations anh Maintenance

Tầng NonAccess
Hoạt động và bảo trì

PDCP

Packet Data Convergence Protocol

Giao thức hội tụ dữ liệu gói

PS

Packet Switched

Gói đã chuyển

PCH

Paging Channel

Kênh phân trang

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature phase-shift keying

Khóa dịch pha vng góc

RAB
RNSAP

Radio Access Bearer
Radio Network Subsystem Application

Part

Bộ truyền tín hiệu vô tuyến
ứng dụng hệ thống con mạng
vô tuyến

RCR

Radio Resource Control Protocol

RLC

Radio Link Control

Giao thức kiểm sốt tài ngun
vơ tuyến
Kiểm sốt liên kết vô tuyến

RACH
RRM
RNC

Random Access Channel
Radio Resource Managenment
Radio Network Controller

Kênh truy cập ngẫu nhiên
Quản lý tài nguyên vô tuyến
Điều khiển mạng vơ tuyến

SCCP

Signaling Connection Control Part

Điều khiển kết nối tín hiệu

QoS

5

Truy cập gói tốc độ cao
Giao thức internet


SCTP

Stream Control Transmission Protocol

SM
STC

Session Management
Signaling Transport Converter

SSCF

Service Specific Coordination Function

SSCOP
SDH

Service Specific Connection Oriented
Protocol
Synchronous Digital Hierarchy

SRNC
SGSN

Serving RNC
Serving GPRS Support Node

SIM

Subscriber Identity Module

TDD

Time Division Duplexing

Modun nhận dạng người đăng
ký
Song công phân chia thời gian

TAF

Terminal Adaptation Function

Chức năng thích ứng đầu cuối

TMSI

Temporary Mobile Subscriber Identity

UE
USIM

User Equipment
The Universal Subscriber Identity
Module
User Plane Framing Protocol

Danh tính thuê bao di động tạm
thời
Thiết bị người dùng
Môdun nhận dạng người đăng
ký chung

UPFP
UMTS

UTRAN
VLR
WCDMA

Giao thức truyền điều khiển
luồng
Quản lý phiên
Bộ chuyển đổi truyền tải tín
hiệu
Chức năng điều phối dịch vụ cụ

thể
Giao thức định hướng kết nối
dịch vụ cụ thể
Hệ thống phân cấp kỹ thuật số
đồng bộ
Phục vụ RNC
Cung cấp nút hỗ trợ GPRS

Universal Mobile Telecommunications
Systems

Giao thức khung hình mặt
phẳng người dùng
Hệ thống viễn thơng di động
tồn cầu

UMTS Terrestrial Radio Access
Network
Visitor Location Register
Wideband Code Division Multiple
Access

Mạng truy cập vô tuyến mặt đất
UMTS
Đăng ký vị trí khách truy cập
Đa truy nhập phân chia mã
băng thông

6

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kiến trúc của UMTS đơn giản
Hình 1.2: UMTS UTRAN
Hình 1.3: Cấu trúc RNC
Hình 1.4: Cấu hình chức năng của node B
Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng UMTS
Hình 1.6: Chuyển đổi mạng
Hình 1.7: Kiến trúc bảo mật UMTS
Hình 1.8: Tổng quan về giao diện UMTS và kiến trúc miền
Hình 2.1: Các giao diện UTRAN
Hình 2.2: lub - Control Plane
Hình 2.3: lub - User Plane
Hình 2.4: Giao diện lur
Hình 2.5: Kiến trúc giao diện Iu
Hình 2.6: luCs - User/Control Plane
Hình 2.7: luPS - User/Control Plane
Hình 2.8: Cấu trúc phân lớp của giao diện vơ tuyến
Hình 2.9: Thủ tục trao đổi thơng tin báo hiệu qua lub
Hình 2.10: Thiết lập kết nối RRC
Hình 2.11: Xác thực và mật mã
Hình 2.12: Thành lập RAB và thiết lập cuộc gọi
Hình 2.13: Thực hiện cuộc gọi
Hình 2.14: Iu bearer release

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ
Họ tên và MSV

Nhiệm vụ

Trương Quang Huy — B17DCVT180

Chương I: từ 1.1 đến 1.7

Giáp Quốc Khánh — B18DCVT232

Chương 1:1.8 và 1.9 và chương II: 2.3

Nguyễn Bá Long — B18DCVT254

Chương II: 2.1 và 2.2

7


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ UMTS VÀ UTRAN
1.1.
Giới thiệu chung
Thế hệ di động thứ 3 (3G) là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 cho phép
truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu phi thoại (dữ liệu, mail, tin nhắn, hình ảnh...). Mạng
3G đặc trưng bởi tốc độ dự liệu cao, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến
khác. Có một loạt các chuẩn cơng nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao
gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD), CDMA 2000 VÀ TD - SCDMA.
UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA.
UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết
các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps
(gần 2Mbps).
Mỗi ngày trên thế giới số lượng mạng thương mai tăng lên nhanh chóng nên các

nhà điều hành mạng và cung cấp thiết bị cần phải hiểu được việc xử lý và phân tích
các thủ tục báo hiệu trong UMTS để có thể điều hành mạng, phát hiện lỗi và xử lý.
Giao diện vô tuyến của UMTS dựa trên W-CDMA và chứa đựng các đặc tính kĩ
thuật của HSPA. W-CDMA sử dụng các kênh có độ rộng 5MHz ghép cặp hoặc khơng
ghép cặp được xác định rõ trong UMTS rel 99 và rel 4. HSPA được giới thiệu trong rel
5 (đường xuống) và rel 6 (đường lên) mang tới tốc độ bit lớn hơn đáng kể và cải thiện
được các ứng dụng chuyển mạch gói.
1.2.

Kiến trúc hệ thống UMTS

Hình 1.1: Kiến trúc cùa UMTS đon gián
Mạng UMTS bao gồm 3 phần chính:

•
•
•

Phần trạm di động (Mobile Station-MS) hay Thiết bị người dùng (UE).
Phần truy nhập vô tuyến (UMTS - UTRAN).
Phần mạng lõi (Core Network - CN).

8


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

1.3.

Trạm di động (MS) / Thiết bị người dùng (UE)

UE thiết bị người dùng trong UMTS được thiết kế module, là trạm di động
thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần:

•

Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng
cho thơng tin vơ tuyến trên giao diện Uu.
• Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): Là một thẻ thông minh chứa
thơng tin nhận dạng của th bao, nó thực hiện các thuật tốn nhận thực, lưu
giữ các khóa nhận thực và một số thông tin của thuê bao cần thiết. Khác biệt
lớn nhất giữa USIM và SIM trong GSM là USIM có thể download được, có
thể truy nhập được qua mơi trường vơ tuyến và có thể thay đổi được bởi mạng.
USIM là một mạch điện tích hợp tổng thể (tồn cầu) và có dung lượng lớn hơn
SIM.
1.4.
UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vơ tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến
truy nhập vô tuyến.
- 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 và là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một đầu cuối kết
nối qua 2 hay nhiều ơ tích cực) và các thuật tốn quản lý tài ngun đặc thù
của WCDMA.

•

Đảm bảo tính chung nhất cho xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch

gói bằng 1 ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử
dụng cùng 1 giao diện để kết nối UTRAN đến cả 2 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.
- Các thành phần chính trong mạng UTRAN:

•

2 thành phần mạng trong UTRAN là RNC và Node B. UTRAN được phân
chia thành các miền RNS (Radio Network Subsystem) riêng gồm một RNC và
các node B mà nó điều khiển. Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell.

•

Các phần tử mạng đang tồn tại như MSC, SGSN, HLR có thể mở rộng theo
yêu cầu của UMTS nhưng RNC và NodeB thì phải được thiết kế mới. RNC
thay thế cho BSC và Node B thay thế cho BTS.

9


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

1.5.
Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC

Thành phần biên trong UTRAN là RNC (Radio Network Controler). Một điều
khác hơn trong BSS là các RNC có thể kết nối với nhau qua giao diện Iur.
Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC là phần tử chuyển mạch và điều khiển của
UTRAN. RNC nằm giữa hai giao diên IuB và Iu.
RNC trong UMTS tương đương với BSC của GSM nhưng có nhiều tính năng
hơn. Nó có thêm giao diện Iur để giao tiếp giữa các RNC trong trường hợp chuyển
vùng mềm. Một chức năng mà BSC khơng có. Việc quản lý tính năng di động (MM)
cũng được chuyển từ mạng lõi sang RNC là một điểm khác với GSM. Điều khiển việc
sử dụng cũng như đảm bảo sự tin cậy của tài nguyên vô tuyến. Chức năng cơ bản là:
điều khiển chấp nhận cuộc gọi, quản trị kênh mang vô tuyến, điều khiển công suất,
điều khiển tắc nghẽn, O&M.
Cấu trúc RNC được thể hiện như hình vẽ:

1
0


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

RNC là phần tử mạng chịu trách nghiệm điều khiển các tài nguyên vơ tuyến của
UTRAN. Nó giao diện với CN và kết nối với giao thức điều khiển tài nguyên vô
tuyếnRRC, giao thức này định nghĩ các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN, nó
đóng
vai trị như BSC.
- Chức năng của RNC

•

Quản lý tài ngun vơ tuyến UTRAN: gồm tập hợp các thuật toán được sử
dụng để đảm bảo sự ổn định của đường truyền vô tuyến và QoS kết nối vô

tuyến bằng cách chia sẻ và quản lý tài ngun vơ tuyến có hiệu quả.

•

Điều khiển UTRAN: gồm tất cả các chức năng liên quan đến việc thiết lập,
duy trì và giải phóng các kênh mạng vơ tuyến với sự hỗ trợ của thuật tốn
RRM.
- Vai trị của RNC

•

RNC điều khiển nút B (kết nối giao diện Iub về phía nút B) được biểu hiện
như RNC điều khiển của nút B. RNC điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển
tải và tắc nghẽn cho các ơ của mình.

•

Khi kết nối MS - UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC, các RNC
tham dự vào kết nối này sẽ có 2 vai trị khác nhau là RNC phục vụ và RNC
trơi.
- Có 3 kiểu RNC

•

Controllỉng RNC (CRNC): điều khiển, cấu hình và quản lý RNS và trao đổi
thơng tin với NBAP cùng với tất cả các tài nguyên vật lý của mọi node B đấu
nối thông qua giao diện Iub.

•

Drỉft RNC (DRNC): nhận các UE được kết nối đến qua thủ tục handover từ
SRNC của RNS khác. Tuy nhiên RRC (Radio Resource Control protocol) vẫn
kết cuối trên SRNC. DRNC chỉ trao đổi thông tin định tuyến giữa SRNC và
UE. DRNC dùng RNSAP để trao đổi với SRNC qua giao diện lur, CRNC
dùng NBAP trao đổi với các tế bào qua Iub.

•

RNC dịch vụ (Servỉng RNC - SRNC): điều khiển tính năng di động của người
dùng trong miền UTRAN và cũng là điểm kết nối đến CN. RNC có kết nối
RRC với một UE thì sẽ là SRNC của nó. SRNC dùng RRC để trao đổi với UE
qua lub, Uu nếu cần thì qua cả lur và lub ngoại (được điều khiển bởi DRNC).

1.6.
Node B
Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell.
Node B cung cấp kết nối vơ tuyến vật lý giữa UE và mạng. Nó là thành phần
trung gian để biến đổi từ môi trường vô tuyến sang hữu tuyến. Nó biến đổi dữ liệu đến
và đi từ giao diện vô tuyến Uu bao gồm cả sửa lỗi hướng phát (Forward Error
Correction - FEC), tương thích tốc độ, trải phổ W-WCDA, điều chế QPSK trên giao
diện vô tuyến...
Node B bao gồm một bộ khuếch đại thu vơ tuyến ngồi trời (OA - RA), một thiết

11


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

bị điều khiển giám sát bộ khuếch đại thu vơ tuyến ngồi trời (OA - RA - SC), một bộ
khuếch đại công suất phát, một thiết bị điều chế và giải điều chế (MDE).

1
2


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

Chức năng chính của nút B là thực hiện xử lý L1 của giao diện vơ tuyến (mã hóa
kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ...) nó cũng thực hiện một phần khai thác,
quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển cơng suất vịng trong.

Hình 1.4: Cấu hình chức năng của node B
Nhiệm vụ của node B tương tự như BTS:

•

Điều khiển cơng suất (điều khiển cơng suất vịng nội bộ bằng cách đo SIR
và so sánh với giá trị mặc định để có những u cầu trong việc thay đổi
cơng suất phát của UE).

•

Báo cáo kết quả đo cho RNC, phân tập vi mơ (tập hợp các tín hiệu từ các
góc của anten mà một UE kết nối đến thành một chuỗi dữ liệu trước khi
phát đi là tín hiệu tổng đến RNC. UE kết nối với nhiều hơn một góc của
anten để cho phép chuyển giao mềm Softer HO).

1.7.
Mạng lõi
- Mạng lõi gồm các thành phần sau:

•

HLR: Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thơng tin chính về lý lịch
dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm: Thông tin về các
dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin
về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển
hướng cuộc gọi.

•

MSC/VLR: Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các
dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng
sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản
sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ
thống đang phục vụ.

1
3


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

•
•

GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngồi.
SGSN (Serving GPRS): Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử
dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).

•

GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng như GMSC nhưng
chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
- Các mạng ngồi: Bao gồm mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói.

•
•

Mạng CS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.

1.8.

Kiến trúc giao thức UTRAN

1.8.1.

Các giao thức cơ bản

•

Các giao diện UTRAN gồm tập các lớp theo chiều nằm ngang và chiều thẳng
đứng. Có 5 khối giao thức cơ bản được thể hiện.

•

Các kênh mang báo hiệu: truyền tải báo hiệu lớp cao và các thông tin điều
khiển. Chúng được thiết lập bởi các hoạt động O&M.
Các kênh mang dữ liệu: là các giao thức khung được sử dụng để truyền tải dữ

liệu người dùng. Mặt bằng điều khiển của mạng truyền tải thiết lập chúng.
Các giao thức ứng dụng được dùng để thực hiện điều khiển và báo hiệu trong
UTRAN như thiết lập kênh mang trong lớp mạng vô tuyến.
Chuỗi dữ liệu: là dữ liệu người dùng được truyền tải một cách trong suốt giữa
các phần tử mạng. Dữ liệu người dùng gồm dữ liệu của cá nhân thuê bao,
thông tin quản lý tính năng di động được trao đổi ngang cấp giữa MSC và UE.

•
•
•
•

Phần ứng dụng điều khiển đường truy nhập (ALCAP - Access Link Control
Application Part). Thuộc mặt bằng điều khiển mạng truyền tải. Nó thực hiện
việc thiết lập, duy trì, giải phóng kênh mang dữ liệu. Mặt bằng TN - CP có ở
các giao diện Iu - CS, lur và lub. Trong các giao diện không có báo hiệu
ALCAP thì kênh mang dữ liệu được cấu hình từ trước.

1.8.2.

Kiến trủc giao thức mạng UMTS

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng UMTS
1
4


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

- Cấu trúc này dựa trên nguyên tắc: Các lớp giao thức và các mặt phẳng (mặt điều

khiển và mặt dịch vụ) độc lập với nhau về mặt logic.
- Kiến trúc mạng UMTS được chia thành 3 lớp:

•

Lớp truyền tải (Transport Network Layer): Gồm các chức năng các giao thức
năng, các giao thức lớp vật lý và lớp truyền tải sử dụng để cung cấp tái nguyên
cho AAL2 cho phép truyền thông giữa UTRAN và CN.

•

Lớp mạng vơ tuyến (Radio Network Layer): Gồm các chức năng và các giao
thức cho phép quản lý giao diện vô tuyến và truyền thông giữa hai thành phần
UTRAN hay UTRAN và UE.

•

Lớp mạng hệ thống (System Network Layer): Các giao thức NAS cho phép
truyền thông giữa CN và UE.
- Mỗi lớp lại được chia thành các mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng:

•

Mặt phẳng điều khiển (Control plane): Truyền tải thông tin báo hiệu điều
khiển. Mặt điều khiển được sử dụng cho tất cả các báo hiệu điều khiển đặc thù
của UMTS, bao gồm: Giao thức ứng dụng và lớp mạng báo hiệu để truyền tải
các bản tin giao thức ứng dụng. Giao thức ứng dụng được dùng để thiết lập
các kênh mang tới UE (ví dụ: Kênh mang truy nhập vơ tuyến trên IU và sau đó
là kết nối vơ tuyến trên Iur và Iub).

•

Mặt phẳng người dùng (User plane): Truyền tải lưu lượng dữ liệu người
dùng. Tất cả thông tin nhận được và gửi đi bởi người sử dụng nhưu thoại được
mã hóa trong một cuộc gọi thoại hoặc các gói dữ liệu trong 1 kết nối Intrernet
được truyền tải thông qua mặt dịch vụ. Mặt dịch vụ bao gồm các luồng dữ liệu
và các kênh mang dữ liệu cho các luông dữ liệu. Mỗi luồng dữ liệu được mô tả
bởi 1 hoặc nhiều giao thức khung đặc thù cho giao diện đó.

1.9.
Bảo mật UMTS
Sau khi trải nghiệm GSM, những người sáng tạo 3GPP muốn cải thiện các khía
cạnh bảo mật cho UMTS.
Ví dụ: UMTS giải quyết vấn đề BTS giả “Man-in-the-Middle” bằng cách giới
thiệu một chức năng bảo tồn tín hiệu.
Các tính năng bảo mật quan trọng nhất trong bảo mật truy cập của UMTS là:

•
•
•
•

Sử dụng danh tính tạm thời (TMSI, P-TMSI).
Xác thực lẫn nhau của người dùng và mạng.
Mã hóa mạng truy cập vơ tuyến.
Bảo vệ tính bảo tồn của tín hiệu bên trong UTRAN.

1.9.1.
Kiến trủc bảo mật UMTS
Dựa trên Hình 1.6, cho thấy thứ tự của tất cả các giao dịch của một kết nối, phần

tiếp theo sẽ bao gồm Xác thực và Kiểm soát Bảo mật và giải thích các chức năng bảo
mật tổng thể cho kết nối.

1
5


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

Kiến trúc bảo mật 3G (Hình 1.6 và 1.7) là một tập hợp các tính năng và cải tiến
bảo mật được mơ tả đầy đủ trong 3GPP 33.102 và dựa trên ba nguyên tắc bảo mật.

NodeB
p-

RRC Connection Setup
lub Bearer Establishment
Transaction reasoning
Authentication and Security Control
IU-CS/-PS
Bearer Establishment
Radio Bearer Estabíshment

End-to-end connection
lu-CSAPS Bearer Retease
lub Bearer Release
Clearing of RRC Connection

Hình 1.6. Chun đơi mạng

Hình 1.7. Kiến trúc bảo mật UMTS
1.9.2.
Xác thực và Thỏa thuận khóa (AKA)
Xác thực được cung cấp để đảm bảo danh tính được xác nhận giữa người dùng
và mạng. Nó được chia thành hai phần:

•
•

Xác thực người dùng đối với mạng.
Xác thực mạng đối với người dùng (tính năng mới trong UMTS).
Điều này được thực hiện trong cái gọi là xác thực một lần, giảm các tin nhắn
được gửi qua lại. Sau các quy trình này, người dùng sẽ chắc chắn rằng mình được kết
nối với mạng được phục vụ, đáng tin cậy của mình và mạng này chắc chắn rằng thông
tin được xác nhận của người dùng là đúng. Xác thực là cần thiết cho các cơ chế bảo
mật khác như tính bảo mật và tính tồn vẹn.

1
6


Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN

Hình 1.8. Tổng quan về giao diện UMTS và kiến trúc miền
1.9.3.
Khả năng bảo toàn
Khả năng bảo toàn được sử dụng để đảm bảo rằng nội dung của một thông điệp
báo hiệu giữa người dùng và mạng không bị thao túng, ngay cả khi thơng báo đó có
thể khơng được bảo mật. Điều này được thực hiện bằng cách tạo ra các “tem” riêng lẻ
từ người dùng và mạng được thêm vào các thông điệp báo hiệu được truyền. Các tem

được tạo dựa trên khóa bí mật được chia sẻ trước K, được lưu trữ trong USIM và AuC.
Ở cấp độ truyền tải, tính tồn vẹn được kiểm tra bằng tổng kiểm tra CRC, nhưng các
biện pháp này chỉ để đạt được giao tiếp khơng có lỗi bit và khơng tương đương với
tính toàn vẹn ở cấp độ truyền tải.
1.9.4.
Cơ chế bảo mật
Bảo mật được sử dụng để giữ cho thông tin được bảo mật khỏi các bên không
mong muốn. Điều này đạt được bằng cách truy cập dữ liệu người dùng, tín hiệu giữa
người đăng ký và mạng và bằng cách giới thiệu người đăng ký bằng danh tính tạm thời
(TMSI / P-TMSI) thay vì sử dụng danh tính tồn cầu (IMSI); kết nối được thực hiện
giữa thiết bị đầu cuối của người dùng (USIM) và RNC. Tính bảo mật của người dùng
là giữa người đăng ký và VLR / SGSN. Nếu nhà mạng không bảo mật dữ liệu người
dùng, thuê bao sẽ được thơng báo và có cơ hội từ chối kết nối.
Các phần được bảo mật là:

•
•
•
•

Thơng tin người đăng kí.
Vị trí hiện tại của người đăng ký.
Dữ liệu người dùng (thoại và dữ liệu).
Dữ liệu báo hiệu.

1
7


ChươngII: Thủ tục báo hiệu trong UTRAN UMTS

CHƯƠNG II: THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG UTRAN UMTS
2.1.
Các giao diện vô tuyến của UMTS
Các giao diện của mạng truy nhập UMTS - UTRAN được trình bày ở hình sau:

•

Giao diện Cu: Là giao diện giữa USIM và ME. Giao diện này tuân theo một
khn dạng chung cho các thẻ thơng minh.

•

Giao diện Uu: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ
thống mà vì thế nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.

•

Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà
khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác.

•

Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm từ các RNC của các nhà sản xuất
khác nhau.

•

Giao diện Iub: Giao diện cho phép kết nối một node B tới một RNC.

Hình 2.1: Các giao diện UTRAN
2.1.1.
Giao diện Iub
2.1.1.1.
Iub — Control Plane
Các chồng giao thức của giao diện Uu và Iub trên mặt bằng điều khiển được trình
bày ở hình sau:

Hình 2.2: Iub - control plane
Trong đó:
- NBAP (Node B Application Part): Giao thức sử dụng giữa RNC và nút B cho
phép cấu hình, quản lý và thiết lập các kênh trên các giao thức Iub và Uu.
Báo hiệu giao diện Iub NBAP gồm hai phần tử chính:

1
8


ChươngII: Thủ tục báo hiệu trong UTRAN UMTS

• NBAP chung (C - NBAP):

■ Thiết lập đoạn nối vô tuyến RL (Radio Link) đầu tiên của một UE và chọn
điểm kết cuối lưu lượng.
■ Cấu hình ơ.
■ Xử lý các kênh RACH/FACH và PCH.
■ Khởi xướng và báo cáo đo đạc đặc thù ơ hoặc nút B.

• NBAP riêng (D - NBAP):

■ Bổ sung, giải phóng và lập cấu hình lại các đoạn nối vô tuyến.
■ Xử lý các kênh riêng và dung chung.
■ Xử lý kết hợp chuyển giao.
- ATM (Asynchoronous Transfer Mode)
Chế độ truyền dẫn dị bộ được sử dụng trong UMTS như hình thức truyền
tải trên tất cả các giao diện Iu. Lớp vật lý là SDH qua sợi quang. Đơn vị nhỏ nhất
của ATM là cell. Nó sẽ được truyền trên 1 kênh ảo. Nhiều kênh ảo chạy trên 1
đường truyền ảo.
Một ô ATM chứa hai tham số địa chỉ: Số nhận dạng đường dẫn ảo (VPI) và
Số nhận dạng kênh ảo (VCI); xác định loại trọng tải; ưu tiên mất ô; và một tiêu
đề kiểm tra dự phòng theo chu kỳ (CRC).
- AAL (ATM Adaptation Layer)
Lớp thích ứng ATM: để truyền dẫn cáo giao thức cao hơn qua ATM, nó u
cầu các phân lớp thích ứng. Các lớp này chứa một thích ứng chung và một phần
thích ứng với dịch vụ cụ thể.
AAL được chỉ định bởi bốn lớp khác nhau về tốc độ bit, phương pháp đồng
bộ hóa và kiểu kết nối là:
■ A: Constant Bit Rate Service (CBR)
■ B: Unspecified Bit Rate Service (UBR)
■ C: Available Bit Rate Service (ABR)
■ D: Variable Bit Rate Service (VBR)
Mỗi AAL có một cấu trúc khung khác nhau chứa tất cả các tham số cần
thiết để hỗ trợ nhu cầu. Một phần của mỗi khung AAL là một trường dữ liệu
trong đó thơng điệp AAL-SDU, hoặc phân đoạn của thơng điệp có giao thức cao
hơn, sẽ được đặt và truyền đi.
- UPFP (User Plane Framing Protocol)
Giao thức đóng khung mặt bằng người dùng được sử dụng trên các giao
diện lur và lub để frame hóa các kênh được hỗ trợ giữa các SRNC và các nút B.
- SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol)
Cơ chế thiết lập và giải phóng các kết nối, trao đổi thơng tin báo hiệu tin

cậy giữa các thực thể báo hiệu. SSCOP có:

•
•
•

Tính tồn vẹn của chuỗi.
Sửa lỗi bằng cách truyền lại có chọn lọc.
Kiểm soát lưu lượng.
1
9


ChươngII: Thủ tục báo hiệu trong UTRAN UMTS

•
•
•
•
•
•
•

Báo cáo lỗi cho quản lý lớp.
Giữ kết nối.
Truy xuất dữ liệu cục bộ.
Kiểm soát kết nối.
Chuyển dữ liệu người dùng.
Phát hiện và phục hồi lỗi giao thức.
Báo cáo tình trạng.

- MAC (Medium Access Control Protocol)
Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền, điều khiển truy nhậpj vào lớp
vật lý. Các kênh logic và các lớp cao hơn được ánh xạ vào các kênh truyền tải và
các lớp thấp hơn.
- RLC (Radio Link Control Protocol)
Giao thức điều khiển lien kết vô tuyến cung cấp dịch vụ vận chuyển đến các
lớp cao hơn được gọi là dịch vụ tải vơ tuyến. Có 3 chế độ làm việc là transparent,
acknowledged, unacknowledged.
- SSCF (Service Specific Coordination Function)
Chức năng phối hợp các dịch vụ cụ thể, không phải là một giao thức nhưng
là 1 chức năng phối hợp nội bộ thích ứng giữa thơng tin đến và đi tới các lớp cao
hơn.
SSCF cung cấp các chức năng ánh xạ sau:

•
•

Ánh xạ các bản gốc từ Lớp 3 đến các tín hiệu của SSCOP.
Ánh xạ địa chỉ đích (Mã điểm báo hiệu, SPC) tới kết nối SSCOP.
Do khái niệm mơ-đun này, SSCOP có thể hoạt động với nhiều giao thức lớp
cao hơn khác nhau.
- STC (Signaling Transport Converter)
Giao thức chuyển đổi truyền tải báo hiệu khơng có các bản tin riêng mà
chúng chuyển đổi các bản tin từ nút thấp tới lớp cao hơn có các tham số theo yêu
cầu. Các chức năng khác là:

•
•

Cung cấp giá trị OPC, DPC và SIO.

UMTS: Chỉ thị dịch vụ (một phần của SIO) = 12 (AAL2-L3).
- RRC (Radio Resource Control Protocol)
Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến là một phân lớp của lớp 3 trong
giao diện vô tuyến UMTS và chỉ tồn tại trong mặt bằng điều khiển. Nó cung cấp
dịch vụ truyền tải thong tin tói NAS và chịu trách nghiện điều khiển cấu hình
giao diện vơ tuyến UMTS lớp 1 và 2.
- AAL2L3 (AAL2 layer 3)

2
0


ChươngII: Thủ tục báo hiệu trong UTRAN UMTS

Giao thức AAL2 lớp 3 là tên gọi chung cho giao thức báo hiệu lớp truyền
tải để cài đặt và giải phóng các kênh mang. Giao thức báo hiệu AAL2 cung cấp
khả năng báo hiệu để thiết lập, giải phóng và duy trì các kết nối điểm-điểmAAL2
trên một loạt các ATM VCC mang liên kết AAL2. Giao thức báo hiệu
AAL2 cũng cung cấp các chức năng bảo trì liên quan đến báo hiệu AAL2.
- MM (Mobility Management)
Quản lý di động, thuật ngữ chung cho các chức năng di động được cung cấp
bởi một PLMN... theo dõi thiết bị di động khi nó di chuyển quang mạng và đảm
bảo rằng kết nối được duy trì.
Các chức năng của MM:

•
•
•

Thủ tục MM để thiết lập và giải phóng kết nối.

Chuyển thơng báo lớp con CM.
Thủ tục MM chung cho các chức năng bảo mật, ví dụ: quy trình Xác
thực.
• Thủ tục MM riêng cho các chức năng vị trí như: cập nhật vị trí định kỳ
hoặc thủ tục đính kèm IMSI.
• UE được xác định bởi IMSI hoặc TMSI.
- SM (Session Management)
Quản lý phiên - giao thức được sử dụng giữa UE và SGSN để tạo, sửa đổi,
theo dõi, hết thúc các phiên với nhiều thành phần tham dự, bao gồm cả đa
phương tiện và các cuộc gọi internet.
Các chức năng của SM:

•

Đối tác với giao thức CS CC, nghĩa là giao thức SM được sử dụng để
thiết lập và giải phóng các phiên dữ liệu gói.

•
•
•

SM thủ tục để thiết lập và phát hành một hoặc nhiều PDP Contexts.
Các khung cảnh PDP được xử lý trong UE và GGSN.
SGSN đại diện cho IWF.
CC (Call Control)
Điều khiển cuộc gọi bao gồm một số thủ tục cơ bản cho điều khiển di động.
Các chức năng của CC:

-

•
•

CC thiết lập và giải phóng các kết nối CC giữa UE và CN.
Kích hoạt giải mã thoại / đa phương tiện.
2.1.1.2.
lub — User Plane
- PDCP (Packet Data Convergence Protocol)
Giao thức hội tụ dữ liệu gói được dử dụng để định dạng dữ liệu thành dạng
cấu trúc phù hợp trước khi truyền qua giao diện vô tuyến và cung cấp dịch vụ của
nó cho NAS hoăc các trạm chuyển tiếp RNC.
PDCP thực hiện các chức năng sau:

•

Nén tiêu đề và giải nén các luồng giữ liệu IP (ví dụ, tiêu đề TCP / IP và
RTP / UDP / IP) tại thực thể truyền và nhận tương ứng. Phương pháp
nén tiêu đề dành riêng cho lớp mạng cụ thể, lớp truyền tải hoặc kết hợp

2
1


ChươngII: Thủ tục báo hiệu trong UTRAN UMTS

giao thức lớp cao hơn (ví dụ: TCP / IP và RTP / UDP / IP).

2
2

ChươngII: Thủ tục báo hiệu trong UTRAN UMTS

•

Chuyển dữ liệu người dùng (truyền dữ liệu người dùng có nghĩa là PDCP
nhận PDCP SDU từ NAS và chuyển tiếp nó đến lớp RLC và ngược lại).

•

Duy trì số thứ tự PDCP cho bộ mang sóng vơ tuyến được cấu hình để hỗ
trợ định vị SRNS khơng mất dữ liệu.

•

Ghép các RB khác nhau vào cùng một thực thể RLC.
- BMC (Broadcast/Multicast Protocol)
Điều chỉnh các dịch vụ broadcast và multicast trên giao diện vô tuyến và là
một phân lớp của lớp 2, chỉ tồn tại ở mặt bằng người dùng.
Chức năng của BMC:

•
•
•
•
•
•

Lưu trữ tin nhắn phát sóng di động (CBM).
Giám sát lưu lượng truy cập và yêu cầu tài nguyên vô tuyến cho CBS.

Lập lịch các bản tin BMC.
Truyền các bản tin BMC tới UE.
Phân phối CBM đến lớp cao hơn (NAS).
Chỉ một thủ tục: Truyền tin BMC.
- Application Data
Các giao thức gói dựa trên IP.

Hình 2.3: lub - User Plane
2.1.2.
Giao diện Iur
Giao diện Iur giữa các RNC cho thấy 2 giải pháp trên mạng truyền tải:

•
•

SSCP và các bản tin RNSAP chạy trên nền của SSCOP.
SSCP trên nền của M3UA nếu lớp truyền tải là lớp IP.
Chức năng giao diện Iur:

•
•
•
•

Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC.
Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng.
Hỗ trợ kênh lưu lượng chung.
Hỗ trợ quản lý tài nguyên toàn cục.
Các giao thức sử dụng trong Iur - User/Control Plane đảm nhiệm các chức năng
như sau:

- RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part)
Phần ứng dụng phân hệ mạng vô tuyến gồm các giao thức truyền thông, sử

2
3


ChươngII: Thủ tục báo hiệu trong UTRAN UMTS

dụng trên giao diện Iur và luật mã hóa gói PER. Giao thức báo hiệu RNSAP
nóichung có thể thực hiện một phần của 4 chức năng lur giữa hai bộ điều khiển
mạng vô tuyến tùy theo yêu cầu của nhà khai thác

•

■
■
■
■

Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC:
Hỗ tợ việc đặt lại SRNC.
Hỗ trợ vùng cập nhật đăng kí UTRAN và ơ giữa các RNC.
Hỗ trợ tìm gọi giữa các RNC.
Báo các lỗi giao thức.

•

Hỗ trợ lưu lượng kênh chung:

■ Thiết lập, thay đổi và giải phóng kênh riêng ở DRNC do chuyển giao
cứng và chuyển giao mềm ở trạng thái kênh riêng.
■ Thiết lập và giải phóng các kết nối truyền tải qua giao diện Iur.
■ Truyền các khối truyền tải giữa DRNC và SRNC.
■ Quản lý các đoạn nối vô tuyến ở DRNC thông qua các thủ tục báo cáo đo
và thiết lập cơng suất.

•

Hỗ trợ lưu lượng kênh chung:

■ Thiết lập và giải phóng kết nối truyền tải qua Iur cho các luồng số liệu
kênh chung.
■ Phân chia lớp MAC giữa SRNC.

•

Hỗ trợ quản lý tài nguyên tồn cục:

■ Truyền các kết quả đo ở ơ giữa hai RN.
■ Truyền thong tin định thời nút B giữa hai RN.
■ Tổng kết các chức năng của Iur.
- IP (Internet Protocol)
Giao thức Internet cũng cấp các dịch vụ phi kết nối giữa các mạng gồm các tính
năng đánh địa chỉ, xác lập kiểu dịch vụ, phân mảnh ghép gói tin và hỗ trợ bảo mật.
Trong đó có 2 phiên bản là:

•

>

>
>
>

IPv4:
Khơng kiểm sốt hoặc sửa lỗi.
Khơng có trình tự hoặc kiểm soát luồng.
Phân đoạn và tập hợp lại dữ liệu; phần đầu tối thiểu 20 byte.
Kích thước địa chỉ: 32 bit, bao gồm nguồn và đích.

•

Thế hệ tiếp theo là IPv6:
Bao gồm và sử dụng tham số Qos.
Cấu hình từ xa của người dùng IP.
Cơ chế xác thực và mã hóa bao gồm:
ký số của địa chỉ và nội dung.
phân đoạn và tập hợp lại dữ liệu; phần đầu tối thiểu 40 byte.
kích thước địa chỉ: 128 bit, bao gồm nguồn và đích.
- SCTP (Stream Control Transmission Protocol)

>
>
>
■
■
■

2
4

ChươngII: Thủ tục báo hiệu trong UTRAN UMTS

Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng cung cấp chức năng xác nhận lỗi cho
luồng dữ liệu. Các vấn đề ngắt dữ liệu, tổn hao dữ liệu hay trùng lặp được xácnhận
bởi số thứ tự và trường kiểm tra tổng. SCTP cho phép truyền lại nếu phát
hiện ra lỗi gây ngắt nguồn dữ liệu.
- MTP3 - B (Message Transfer Part Level 3- Broadband)
Phần chuyển bản tin mức 3 dàng cho mạng băng rộng, cung cấp nhận dạng
và truyền các bản tin mức cao, đồng thời cung cấp chức năng định tuyến và chia
tải.
Các tham số địa chỉ chính là mã điểm gốc và điểm đích (ODC và DPC). Về
chỉ báo mạng: được sử dụng trên điểm kết nối (POI) để xây dựng mạng kết nối
ảo trên hoặc giữa cấp độ mạng quốc gia và quốc tế. Về chỉ báo dịch vụ: Xác định
nội dung của trường dữ liệu người dùng (ví dụ: giao thức lớp cao hơn).
- M3UA (MTP3 User Adaptation layer)
Lớp tương thích người dùng MTP mức 3 tuong đương các chức năng của
MTP3. M3UA được mở rộng để truy cập tới các dịch vụ MTP3 cho các ứng
dụng điều khiển từ xa dựa trên IP.
- SCCP (Signaling Connection Control Part)
Phần điều khiển kết nối báo hiệu cung cấp dịch vụ truyền bản tin giữa hai
điểm báo hiệu bất kỳ trong cùng một mạng. Nó có thể hoạt động như một giao
thức truyền tải phi kết nối hoặc hướng kết nối và cung cấp các kiểu kết nối sau:

•
•
•

Phi kết nối (Lớp 0 & l) và định hướng kết nối (Lớp 2 & 3).

Lớp 0 & 1: mục đích giải quyết, DPC hoặc Tiêu đề toàn cầu (GT).
Lớp 2:
■ Được sử dụng trên các giao diện IuCS, IuPS và Iur để tổ chức kết nối.
■ Được một số nhà sản xuất thiết bị chuyển mạch lên kế hoạch sử dụng
trên giao diện Iur.
■ Người dùng SCCP được gọi là hệ thống con và được xác định bằng số
hệ thống con (SSN), một hệ thống con có thể là cả một giao thức lớp
cao hơn hoặc một phần tử, chức năng mạng.

•
-

Lớp 3:
Lớp định hướng kết nối điều khiển luồng.
(có thể) Khơng được sử dụng trên Iur.
Phi kết nối
SCCP chịu trách nhiệm về việc
định địa chỉ đầu cuối. SCCP tạo địa
chỉ bằng cách cung cấp DPC hoặc
GT của điểm cuối. GT phải được
dịch (GTT - Bản dịch tiêu đề toàn
cầu) trên đường đến đích. Trên liên
kết cuối cùng đến điểm đích, GT sẽ
được thay thế bằng DPC.

Hướng kết nối
SCCP chịu trách nhiệm về kết nối
người dùng chạy trên một giao
diện. Nó khơng kiểm soát một kết
nối end-to-end. Kết nối được xác

định bởi Nguồn và Số tham chiếu
cục bộ đích (SLR, DLR).
Để xác định giao thức cao hơn
được vận chuyển, SCCP sử dụng
SSN.

2
5