giới thiệu, hướng dẫn sử dụng và nêu tình hình phát triển 3g ở việt nam

1

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ðỘNG 3G WCDMA
1.1. Khái niệm về mạng thông tin di ñộng 3G

3G (third generation technology) là tiêu chuẩn truyền thông di ñộng băng
thông rộng thế hệ thứ 3 tuân thủ theo các chỉ ñịnh trong IMT-2000 của ITU (Tổ chức
viễn thông thế giới). Chuẩn 3G cho phép truyền không dây dữ liệu thoại và phi thoại
(gửi email, hình ảnh, video ).
ðối với người sử dụng thông thường, dịch vụ nổi bật dễ nhận thấy của 3G là
sử dụng ñiện thoại video. Tuy nhiên, trên thực tế tại các nước ñã phát triển thì các
dịch vụ ñược sử dụng nhiều nhất lại là Mobile Internet, Live TV (truyền hình trực
tiếp trên ðTDð), VOD/MOD (xem phim/nghe nhạc theo yêu cầu).
Các chuẩn 3G: Có 2 mạng chính ñược xây dựng trên nền tảng công nghệ 3G:
UMTS (Universal Mobile Telephone Service) - hiện ñang ñược triển khai trên mạng
GSM sẵn có; và CDMA2000 - mang ñến khả năng truyền tải dữ liệu ở mức 3G cho
mạng CDMA. Cả UMTS và CDMA2000 ñã ñược triển khai tại Mỹ từ cách ñây hơn
1 năm. Tốc ñộ của hai mạng này có thể sánh bằng với chất lượng của kết nối DSL.
Trong khi ñó, các công nghệ di ñộng tương lai như 3,5G và 4G (HSDPA và WiMax)
sẽ có khả năng kết nối bằng modem cáp, và tốc ñộ kết nối tương ñương với mạng
Gigabyte Ethernet.
Người dùng máy tính xách tay cũng có thể sử dụng ñược mạng 3G, thay cho
kết nối băng rộng mà không cần tới mạng Wi-Fi. Tất cả những gì bạn cần là một
chiếc PC Card ñược nhà cung cấp dịch vụ hỗ trợ.
Hiện tại, 3G ñược chia ra tới 6 chuẩn về công nghệ bao gồm :
• CDMA Direct Spread (thường ñược biết dưới tên WCDMA).
• CDMA Multi-Carrier (thường ñược biết dưới tên CDMA 2000).
• CDMA TDD.

• OFDMA TDD WMAN (thường ñược biết dưới tên WiMAX di ñộng).
Trong ñó chỉ có 3 công nghệ ñược biết ñến nhiều nhất và phát triển
thành công là WCDMA, CDMA 2000 và WiMAX di ñộng.

1.2. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di ñộng 3G

Mạng thông tin di ñộng (TTDð) 3G lúc ñầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng
chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) ñể truyền số liệu gói và tiếng. Các
trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên
ñường phát triển ñến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần ñược thay thế bằng
chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video)
cuối cùng sẽ ñược truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói.
Hình 1.4 dưới ñây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDð 3G kết hợp
cả CS và PS trong mạng lõi.



2


RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến
BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc
BSC: Base Station Controller: bộ ñiều khiển trạm gốc
RNC: Rado Network Controller: bộ ñiều khiển trạm gốc
CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh
PS: Packet Switch: chuyển mạch gói
SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin
Server: máy chủ
PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng ñiện thoại chuyển mạch công cộng
PLMN: Public Land Mobile Network: mang di ñộng công cộng mặt ñất

Hình 1.1. Kiến trúc tổng quát của một mạng di ñộng kết hợp cả CS và PS

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) ñược thể hiện
bằng một nhóm các ñơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức
năng này ñược ñặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện
chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói
(SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất ñể ñược một hệ thống tích hợp cho phép
chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng ñến
lưu lượng số liệu dung lượng lớn.
3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông
tin di ñộng toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng công
nghệ ña truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: ña truy
nhập phân chia theo mã băng rộng) ñược gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio
Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất của UMTS). Kiểu thứ hai sử dụng công
nghệ ña truy nhập TDMA ñược gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access
Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM). Tài liệu
chỉ xét ñề cập ñến công nghệ duy nhất trong ñó UMTS ñược gọi là 3G WCDMA
UMTS
1.3. Các loại lưu lượng và dịch vụ ñược mạng thông tin di ñộng 3GWCDMA hỗ trợ

Vì TTDð 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu
lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh. Ngoài ra TTDð 3G cũng ñược sử
dụng cho các dịch vụ tiếng. Nói chung TTDð 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông ña
phương tiện. Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần ñảm bảo một mức QoS nhất ñịnh tuỳ
theo ứng dụng của dịch vụ. QoS ở W-CDMA ñược phân loại như sau:


3

Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (thoại
chẳng hạn).
Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều ñòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ
(phân phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming)
Loại tương tác (Interactive, nrt): ðòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất ñịnh và tỷ
lệ lỗi thấp (trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn).
Loại nền (Background, nrt): ðòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất ñược thực hiện trên
nền cơ sở (e-mail, tải xuống file: Video Download)

Môi trường hoạt ñộng của 3WCDMA UMTS ñược chia thành bốn vùng với
các tốc ñộ bit R
b
phục vụ như sau:
• Vùng 1: trong nhà, ô pico, R
b
≤ 2Mbps
• Vùng 2: thành phố, ô micro, R
b
≤ 384 kbps
• Vùng 2: ngoại ô, ô macro, R
b
≤ 144 kbps
• Vùng 4: Toàn cầu, R
b
= 12,2 kbps
Có thể tổng kết các dịch vụ do 3GWCDMA UMTS cung cấp ở bảng 1.1.

Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ thoại Dịch vụ di ñộng
Di ñộng ñầu cuối/di ñộng cá nhân/di ñộng dịch
vụ

Dịch vụ thông tin
ñịnh vị
- Theo dõi di ñộng/ theo dõi di ñộng thông
minh
Dịch vụ âm thanh - Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64
kbps)
- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps)
- Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps)
Dịch vụ
phi thoại
Dịch vụ số liệu - Dịch vụ số liệu tốc ñộ trung bình (64-144
kbps)
- Dịch vụ số liệu tốc ñộ tương ñối cao (144
kbps- 2Mbps)
- Dịch vụ số liệu tốc ñộ cao (≥ 2Mbps)

Dịch vụ ña
phương tiện
- Dịch vụ Video (384 kbps)
- Dịch vụ hình chuyển ñộng (384kbps- 2 Mbps)
- Dịch vụ hình chuyển ñộng thời gian thực
(≥ 2 Mbps)
Dịch vụ Internet
ñơn giản
Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps-2Mbps)

Dịch vụ
Internet
Dịch vụ Internet
thời gian thực
Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)


4

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết
Dịch vụ internet
ña phương tiện
Dịch vụ Website ña phương tiện thời gian thực
(≥ 2Mbps)

3G WCDMA UMTS ñược xây dựng theo ba phát hành chính ñược gọi là R3,
R4, R5. Trong ñó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch:
chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói). Việc kết hợp này
phù hợp cho giai ñoạn ñầu khi PS chưa ñáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như
thoại và hình ảnh. Khi này miền CS sẽ ñảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu ñược
truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch
mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch ñều trên IP.
Dưới ñây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên.
1.4. Kiến trúc mạng thông tin di ñộng 3G WCDMA

Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3 UMTS tận dụng kiến trúc ñã có trong hầu
hết các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2, và thậm chí cả thế hệ thứ nhất. ðiều này
ñược chỉ ra trong các ñặc tả kỹ thuật 3GPP
Hệ thống UMTS bao gồm một số các phần tử mạng logic, mỗi phần tử có một
có một chức năng xác ñịnh. Theo tiêu chuẩn, các phần tử mạng ñược ñịnh nghĩa tại

mức logic, nhưng có thể lại liên quan ñến việc thực thi ở mức vật lý. ðặc biệt là khi
có một số các giao diện mở (ñối với một giao diện ñược coi là “mở”, thì yêu cầu giao
diện ñó phải ñược ñịnh nghĩa một cách chi tiết về các thiết bị tại các ñiểm ñầu cuối
mà có thể cung cấp bởi 2 nhà sản xuất khác nhau). Các phần tử mạng có thể ñược
nhóm lại nếu có các chức năng giống nhau, hay dựa vào các mạng con chứa chúng.
Theo chức năng thì các phần tử mạng ñược nhóm thành các nhóm:
+ Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất UMTS là
UTRAN). Mạng này thiết lập tất cả các chức năng liên quan ñến vô tuyến.
+ Mạng lõi (CN): Thực hiện chức năng chuyển mạch và ñịnh tuyến cuộc gọi và kết
nối dữ liệu ñến các mạng ngoài.
+ Thiết bị người sử dụng (UE) giao tiếp với người sử dụng và giao diện vô tuyến.
Kiến trúc hệ thống ở mức cao ñược chỉ ra trong hình 1.2


5


Hình 1- 2 Kiến trúc hệ thống UMTS ở mức cao
Theo các ñặc tả chỉ ra trong quan ñiểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN ñều bao
gồm các giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của công
nghệ vô tuyến WCDMA mới. Ngược lại, việc ñịnh nghĩa mạng lõi (CN) ñược kế
thừa từ GSM. ðiều này ñem lại cho hệ thống có công nghệ truy nhập vô tuyến mới
một nền tảng mang tính toàn cầu là công nghệ mạng lõi ñã có sẵn, như vậy sẽ thúc
ñẩy sự quảng bá của nó, mang lại ưu thế cạnh tranh chẳng hạn như khả năng roaming
toàn cầu.
Hệ thống UMTS có thể chia thành các mạng con có thể hoạt ñộng ñộc lập hoặc
hoạt ñộng liên kết các mạng con khác và nó phân biệt với nhau bởi số nhận dạng duy
nhất. Mạng con như vậy gọi là mạng di ñộng mặt ñất UMTS (PLMN), các thành
phần của PLMN ñược chỉ ra trong hình 1.3.

Hình 1- 3 Các thành phần của mạng trong PLMN
Thiết bị người sử dụng (UE) bao gồm 2 phần:
• Thiết bị di ñộng (ME) là ñầu cuối vô tuyến sử dụng ñể giao tiếp vô tuyến qua
giao diện Uu.
• Modul nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là một thẻ thông minh ñảm nhận
việc xác nhận dạng và nhận thực thuê bao, lưu giữ khoá mã mật, khoá nhận thực
và một số các thông tin về thuê bao cần thiết tại ñầu cuối.
UTRAN cũng bao gồm 2 phần tử:
• Nút B: chuyển ñổi dữ liệu truyền giữa giao diện Iub và Uu. Nó cũng tham gia
vào quản lý tài nguyên vô tuyến.


6

• Bộ ñiều khiển mạng vô tuyến (RNC) sở hữu và ñiều khiển nguồn tài nguyên vô
tuyến trong vùng của nó (gồm các Nút B nối với nó). RNC là ñiểm truy cập dịch
vụ cho tất cả các dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi.
Các phần tử chính của mạng lõi:
• HLR (Bộ ñăng ký thường trú) là một cơ sở dữ liệu trong hệ thống thường trú của
người sử dụng, lưu trữ các bản gốc các thông tin hiện trạng dịch vụ người sử
dụng, hiện trạng về dịch vụ bao gồm: thông tin về dịch vụ ñược phép sử dụng,
các vùng roaming bị cấm, thông tin các dịch vụ bổ sung như: trạng thái các cuộc
gọi ñi, số các cuộc gọi ñi… Nó ñược tạo ra khi người sử dụng mới ñăng ký thuê
bao với hệ thống, và ñược lưu khi thuê bao còn thời hạn. Với mục ñích ñịnh
tuyến các giao dịch tới UE (các cuộc gọi và các dịch vụ nhắn tin ngắn), HLR còn
lưu trữ các thông tin vị trí của UE trong phạm vi MSC/VLR hoặc SGSN.
• MSC/VLR (Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di ñộng/Bộ ñăng ký tạm trú) là một
bộ chuyển mạch(MSC) và cơ sở dữ liệu(VLR) phục vụ cho UE ở vị trí tạm thời
của nó cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. Chức năng MSC ñược sử dụng ñể
chuyển mạch các giao dịch sử dụng chuyển mạch kênh, chức năng VLR là lưu trữ

bản sao về hiện trạng dịch vụ người sử dụng là khách và thông tin chính xác về vị
trí của thuê bao khách trong toàn hệ thống. Phần của hệ thống ñược truy nhập
thông qua MSC/VLR thường là chuyển mạch kênh.
• GMSC – (MSC cổng): là một bộ chuyển mạch tại vị trí mà mạng di ñộng mặt ñất
công cộng UMTS kết nối với mạng ngoài. Tất các kết nối chuyển mạch kênh ñến
và ñi ñều phải qua GMSC.
• SGSN (Nút hỗ trợ GPRS phục vụ) có chức năng tương tự như MSC/VLR nhưng
thường ñược sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
• GGSN (Node cổng hỗ trợ GPRS) có chức năng gần giống GMSC nhưng phục vụ
các dịch vụ chuyển mạch gói.
Mạng ngoài có thể chia thành 2 nhóm:
• Các mạng chuyển mạch kênh: Các mạng này cung cấp các kết nối chuyển mạch
kênh, giống như dịch vụ ñiện thoại ñang tồn tại Ví dụ như ISDN và PSTN.
• Các mạng chuyển mạch gói: Các mạng này cung cấp các kết nối cho các dịch vụ
dữ liệu gói, chẳng hạn như mạng Internet.
Các giao diện mở cơ bản của UMTS:
• Giao diện Cu: ðây là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này
tuân theo tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh.


7

• Giao diện Uu: ðây là giao diện vô tuyến WCDMA. Uu là giao diện nhờ ñó UE
truy cập ñược với phần cố ñịnh của hệ thống, và vì thế có thể là phần giao diện mở
quan trọng nhất trong UMTS.
• Giao diện Iu: Giao diện này kết nối UTRAN tới mạng lõi. Tương tự như các giao
diện tương thích trong GSM, là giao diện A (ñối với chuyển mạch kênh), và Gb
(ñối với chuyển mạch gói), giao diện Iu ñem lại cho các bộ ñiều khiển UMTS khả
năng xây dựng ñược UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.
• Giao diện Iur: Giao diện mở Iur hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC từ các

nhà sản xuất khác nhau, và vì thế bổ sung cho giao diện mở Iu.
•
Giao diện Iub: Iub kết nối một Nút B và một RNC. UMTS là một hệ thống ñiện
thoại di ñộng mang tính thương mại ñầu tiên mà giao diện giữa bộ ñiều khiển và
trạm gốc ñược chuẩn hoá như là một giao diện mở hoàn thiện. Giống như các giao
diện mở khác, Iub thúc ñẩy hơn nữa tính cạnh tranh giữa các nhà sản xuất trong
lĩnh vực này.

1.5. Kiến trúc các phiên bản mạng thông tin di ñộng 3G
1.5.1. Kiến trúc mạng thông tin di ñộng 3G WCDMA UMTS R3

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch
gói: ñến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc ñộ cao
này ñảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di ñộng giống như
trong các mạng ñiện thoại cố ñịnh và Internet. Các dịch vụ này gồm: ñiện thoại có
hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc ñộ truyền cao tại ñầu
cuối. Một tính năng khác cũng ñược ñưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối"
ñến Internet. UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các
dịch vụ dựa trên vị trí.
Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di ñộng (UE: User Equipment),
mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio
Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.4). UE bao gồm ba thiết bị:
thiết bị ñầu cuối (TE), thiết bị di ñộng (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS
(USIM: UMTS Subscriber Identity Module). UTRAN gồm các hệ thống mạng vô
tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network
Controller: bộ ñiều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó. Mạng lõi CN bao
gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi
trường nhà). HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm
nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi ñịnh vị thường trú) và EIR
(Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị).

8


Hình 1.4. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

1.5.1.1. Thiết bị người sử dụng (UE)

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là ñầu cuối mạng UMTS của
người sử dụng. Có thể nói ñây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển
của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng. Giá thành giảm
nhanh chóng sẽ tạo ñiều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS. ðiều này
ñạt ñược nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài ñặt mọi trí tuệ tại các card
thông minh.

1. Các ñầu cuối (TE)

Vì máy ñầu cuối bây giờ không chỉ ñơn thuần dành cho ñiện thoại mà còn cung
cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó ñược chuyển thành ñầu cuối. Các nhà sản
xuất chính ñã ñưa ra rất nhiều ñầu cuối dựa trên các khái niệm mới, nhưng trong thực
tế chỉ một số ít là ñược ñưa vào sản xuất. Mặc dù các ñầu cuối dự kiến khác nhau về
kích thước và thiết kế, tất cả chúng ñều có màn hình lớn và ít phím hơn so với 2G.
Lý do chính là ñể tăng cường sử dụng ñầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn và vì
thế ñầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di ñộng, modem và máy tính bàn tay.

ðầu cuối hỗ trợ hai giao diện. Giao diện Uu ñịnh nghĩa liên kết vô tuyến (giao
diện WCDMA). Nó ñảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS. Giao diện
thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và ñầu cuối. Giao diện này tuân

theo tiêu chuẩn cho các card thông minh.

Mặc dù các nhà sản xuất ñầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân
theo một tập tối thiểu các ñịnh nghĩa tiêu chuẩn ñể các người sử dụng bằng các ñầu
cuối khác nhau có thể truy nhập ñến một số các chức năng cơ sở theo cùng một cách.

Các tiêu chuẩn này gồm:
• Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình)


9

• ðăng ký mật khẩu mới
• Thay ñổi mã PIN
• Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)
• Trình bầy IMEI
• ðiều khiển cuộc gọi

Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng
sẽ chọn cho mình ñầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) là
thiết kế và giao diện. Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cung
cấp (màn hình nút chạm), các phím và menu.

2. UICC

UMTS IC card là một card thông minh. ðiều mà ta quan tâm ñến nó là dung
lượng nhớ và tốc ñộ bộ xử lý do nó cung cấp. Ứng dụng USIM chạy trên UICC.

3. USIM

Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (ñăng ký thuê bao)
cài cứng trên card. ðiều này ñã thay ñổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao
UMTS ñược cài như một ứng dụng trên UICC. ðiều này cho phép lưu nhiều ứng
dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) ñiện tử hơn cùng với USIM cho các mục ñích khác
(các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh). Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên
cùng một UICC ñể hỗ trợ truy nhập ñến nhiều mạng.

USIM chứa các hàm và số liệu cần ñể nhận dạng và nhận thực thuê bao trong
mạng UMTS. Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao.

Người sử dụng phải tự mình nhận thực ñối với USIM bằng cách nhập mã PIN.
ðiểu này ñảm bảo rằng chỉ người sử dụng ñích thực mới ñược truy nhập mạng
UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng ñầu cuối dựa trên
nhận dạng USIM ñược ñăng ký.

1.5.1.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS


UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến
mặt ñất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN. Nó gồm các phần tử ñảm bảo
các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và ñiều khiển chúng.

UTRAN ñược ñịnh nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và
CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch
kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng. Giữa hai giao diện này là
hai nút, RNC và nút B.


10

1. RNC
RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm
gốc và ñiều khiển các tài nguyên của chúng. ðây cũng chính là ñiểm truy nhập dịch
vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nó ñược nối ñến CN bằng hai kết nối, một cho
miền chuyển mạch gói (ñến GPRS) và một ñến miền chuyển mạch kênh (MSC).
Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn. Sau
thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn ñược ñặt vào
RNC. Sau ñó các khóa này ñược sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9.
RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào. Người
sử dụng ñược kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC). Khi người sử
dụng chuyển vùng ñến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi
(DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng
RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng ñến CN. Vai trò logic của
SRNC và DRNC ñược mô tả trên hình 1.5. Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các
RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur. Chỉ một trong số
các RNC này (SRNC) là ñảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC
khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ ñịnh tuyến thông tin giữa các Iub và Iur.
Chức năng cuối cùng của RNC là RNC ñiều khiển (CRNC: Control RNC). Mỗi nút
B có một RNC ñiều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó.


Hình 1.5. kết nối logic của SRNC và DRNC

2. Nút B

Trong UMTS trạm gốc ñược gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết
nối vô tuyến vật lý giữa ñầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC
và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao
tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "ñiều khiển công suất vòng trong". Tính

năng này ñể phòng ngừa vấn ñề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các ñầu cuối ñều phát
cùng một công suất, thì các ñầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các ñầu
cuối ở xa. Nút B kiểm tra công suất thu từ các ñầu cuối khác nhau và thông báo cho
chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu ñược công suất
như nhau từ tất cả các ñầu cuối.
1.5.1.3. Mạng lõi
Mạng lõi (CN) ñược chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE. Miền PS
ñảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối ñến Internet và các


11

mạng số liệu khác và miền CS ñảm bảo các dịch vụ ñiện thoại ñến các mạng khác
bằng các kết nối TDM. Các nút B trong CN ñược kết nối với nhau bằng ñường trục
của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc ñộ cao như ATM và IP.
Mạng ñường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP.
1. SGS
SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là nút
chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối ñến UTRAN thông qua giao diện IuPS và
ñến GGSN thông quan giao diện Gn. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS
của tất cả các thuê bao. Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin ñăng ký thuê bao
và thông tin vị trí thuê bao.
Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:
• IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di
ñộng quốc tế)
• Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subscriber
Identity: số nhận dạng thuê bao di ñộng tạm thời gói)
• Các ñịa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)
Số liệu vị trí lưu trên SGSN:
• Vùng ñịnh tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

• Số VLR
• Các ñịa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực
2. GGSN
GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng) là một SGSN
kết nối với các mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao
ñến các mạng ngoài ñều qua GGSN. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu:
thông tin thuê bao và thông tin vị trí.
Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:
• IMSI
• Các ñịa chỉ PDP
Số liệu vị trí lưu trong GGSN:
• ðịa chỉ SGSN hiện thuê bao ñang nối ñến
GGSN nối ñến Internet thông qua giao diện Gi và ñến BG thông qua Gp.
3. BG
BG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN
với các mạng khác. Chức năng của nút này giống như tường lửa của Internet: ñể ñảm
bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài.
4. VLR

VLR (Visitor Location Register: bộ ghi ñịnh vị tạm trú) là bản sao của HLR
cho mạng phục vụ (SN: Serving Network). Dữ liệu thuê bao cần thiết ñể cung cấp
các dịch vụ thuê bao ñược copy từ HLR và lưu ở ñây. Cả MSC và SGSN ñều có
VLR nối với chúng.


12


Số liệu sau ñây ñược lưu trong VLR:
• IMSI

• MSISDN
• TMSI (nếu có)
• LA hiện thời của thuê bao
• MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối ñến
Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao ñược cung cấp.
Cả SGSN và MSC ñều ñược thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế
ñược gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC.
5. MSC

MSC thực hiện các kết nối CS giữa ñầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức
năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình. Chức
năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều
khả năng hơn. Các kết nối CS ñược thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và
MSC. Các MSC ñược nối ñến các mạng ngoài qua GMSC.
6. GMSC

GMSC có thể là một trong số các MSC. GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các
chức năng ñịnh tuyến ñến vùng có MS. Khi mạng ngoài tìm cách kết nối ñến PLMN
của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC
hiện thời quản lý MS.
7. Môi trường nhà

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng
khai thác. Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các
thông tin về thuê bao và về cước cần thiết ñể nhận thực người sử dụng và tính cước
cho các dịch vụ cung cấp. Tất cả các dịch vụ ñược cung cấp và các dịch vụ bị cấm
ñều ñược liệt kê ở ñây.
Bộ ghi ñịnh vị thường trú (HLR)
HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di ñộng. Một
mạng di ñộng có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng

của từng HLR và tổ chức bên trong mạng.
Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số
nhận dạng thuê bao di ñộng quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số
thuê bao có trong danh bạ ñiện thoại) và ít nhất một ñịa chỉ PDP (Packet Data
Protocol: Giao thức số liệu gói). Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá ñể
truy nhập ñến các thông tin ñược lưu khác. ðể ñịnh tuyến và tính cước các cuộc gọi,
HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện ñang chịu trách nhiệm thuê
bao. Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc ñộ số liệu và thư thoại cũng
có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng.
HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường ñược thực hiện trong cùng
một nút vật lý. HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và ñăng ký thuê bao.


13

Như: thông tin tính cước, các dịch vụ nào ñược cung cấp và các dịch vụ nào bị từ
chối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi. Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện
VLR và SGSN nào ñang phụ trách người sử dụng.
Trung tâm nhận thực (AuC)
AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết ñể nhận thực,
mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR
và ñược thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý. Tuy nhiên cần ñảm bảo
rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV: Authetication Vector)
cho HLR.
AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm
tạo khóa từ f0 ñến f5. Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu
cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ.
Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR)
EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng
thiết bị di ñộng quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity). ðây là số

nhận dạng duy nhất cho thiết bị ñầu cuối. Cơ sở dữ liệu này ñược chia thành ba danh
mục: danh mục trắng, xám và ñen. Danh mục trắng chứa các số IMEI ñược phép truy
nhập mạng. Danh mục xám chứa IMEI của các ñầu cuối ñang bị theo dõi còn danh
mục ñen chứa các số IMEI của các ñầu cuối bị cấm truy nhập mạng. Khi một ñầu cuối
ñược thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị ñặt vào danh mục ñen vì thế nó bị cấm
truy nhập mạng. Danh mục này cũng có thể ñược sử dụng ñể cấm các seri máy ñặc biệt
không ñược truy nhập mạng khi chúng không hoạt ñộng theo tiêu chuẩn.
1.5.1.4. Các mạng ngoài

Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng
cần thiết ñể ñảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác. Các mạng ngoài có thể là
các mạng ñiện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di ñộng mặt
ñất công cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng ñiện thoại
chuyển mạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet. Miền PS kết nối
ñến các mạng số liệu còn miền CS nối ñến các mạng ñiện thoại.
1.5.1.5. Các giao diện

Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ ñược ñịnh nghĩa thông qua các
giao diện khác nhau. Các giao diện này ñược ñịnh nghĩa chặt chẽ ñể các nhà sản xuất
có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ.
√ Giao diện Cu. Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh.
Trong UE ñây là nơi kết nối giữa USIM và UE
√ Giao diện Uu. Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong
UMTS. ðây là giao diện mà qua ñó UE truy nhập vào phần cố ñịnh của mạng.
Giao diện này nằm giữa nút B và ñầu cuối.
√ Giao diện Iu. Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nó gồm hai phần, IuPS
cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN có thể kết


14

nối ñến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN
chỉ có thể kết nối ñến một ñiểm truy nhập CN.
√ Giao diện Iur. ðây là giao diện RNC-RNC. Ban ñầu ñược thiết kế ñể ñảm bảo
chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính
năng mới ñược bổ sung. Giao diện này ñảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:
1. Di ñộng giữa các RNC
2. Lưu thông kênh riêng
3. Lưu thông kênh chung
4. Quản lý tài nguyên toàn cục
√ Giao diện Iub. Giao diện Iub nối nút B và RNC. Khác với GSM ñây là giao
diện mở.
1.5.2. Kiến trúc
mạng thông tin di ñộng
3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.6 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4. Sự khác nhau cơ bản giữa
R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. Thay
cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến
trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm ñược ñưa vào.
Về căn bản, MSC ñược chia thành MSC server và cổng các phương tiện
(MGW: Media Gateway). MSC chứa tất cả các phần mềm ñiều khiển cuộc gọi, quản
lý di ñộng có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển
mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW ñược MSC Server ñiều khiển và có
thể ñặt xa MSC Server.

Hình 1.6. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Báo hiệu ñiều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh ñược thực hiện giữa RNC
và MSC Server. ðường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh ñược thực hiện

giữa RNC và MGW. Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và ñịnh tuyến


15

các cuộc gọi này ñến nơi nhận trên các ñường trục gói. Trong nhiều trường hợp
ñường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time
Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP). Từ hình 1.6 ta thấy lưu lượng số
liệu gói từ RNC ñi qua SGSN và từ SGSN ñến GGSN trên mạng ñường trục IP. Cả
số liệu và tiếng ñều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. ðây là mạng
truyền tải hoàn toàn IP.
Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển ñến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ
có một cổng các phương tiện khác (MGW) ñược ñiều khiển bởi MSC Server cổng
(GMSC server). MGW này sẽ chuyển tiếng thoại ñược ñóng gói thành PCM tiêu
chuẩn ñể ñưa ñến PSTN. Như vậy chuyển ñổi mã chỉ cần thực hiện tại ñiểm này. ðể
thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến ñược truyền tại tốc ñộ 12,2
kbps, thì tốc ñộ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN.
Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm ñáng kể ñộ rộng băng tần nhất là khi các
MGW cách xa nhau.
Giao thức ñiều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao
thức ITU H.248. Giao thức này ñược ITU và IETF cộng tác phát triển. Nó có tên là
ñiều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control). Giao thức
ñiều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức ñiều
khiển cuộc gọi bất kỳ. 3GPP ñề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức ðiều khiển
cuộc gọi ñộc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) ñược xây dựng
trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU.
Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC
Server. Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi
ñến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm ñáng kể ñầu tư.
ðể làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC ñược ñặt tại thành phố A và ñược

ñiều khiển bởi một MSC ñặt tại thành phố B. Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện
cuộc gọi nội hạt. Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố
A ñến thành phố B (nơi có MSC) ñể ñấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố
A. Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể ñược ñiều khiển tại MSC Server ở thành
phố B nhưng ñường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố A, nhờ
vậy giảm ñáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng.
Từ hình 1.6 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể ñược gọi là Server thuê bao tại
nhà (HSS: Home Subscriber Server). HSS và HLR có chức năng tương ñương, ngoại
trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi
HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Ngoài ra còn có các giao diện
(không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS.
Rất nhiều giao thức ñược sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ
sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM. Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng
truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện. Ngoài ra mạng cũng phải
giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này ñược thực hiện thông qua
cổng SS7 (SS7 GW). ðây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên
ñường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7
trên mạng gói (IP chẳng hạn). Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS


16

liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải ñược thiết kế ñặc
biệt ñể mang các bản tin SS7 ở mạng IP. Bộ giao thức này ñược gọi là Sigtran.

1.5.3. Kiến trúc mạng thông tin di ñộng

3G WCDMA UMTS R5 và R6
Bước phát triển tiếp theo của UMTS là ñưa ra kiến trúc mạng ña phương tiện
IP (hình 1.7). Bước phát triển này thể hiện sự thay ñổi toàn bộ mô hình cuộc gọi. Ở

ñây cả tiếng và số liệu ñược xử lý giống nhau trên toàn bộ ñường truyền từ ñầu cuối
của người sử dụng ñến nơi nhận cuối cùng. Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn
diện của tiếng và số liệu.


Hình 1.7. Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6

ðiểm mới của R5 và R6 là nó ñưa ra một miền mới ñược gọi là phân hệ ña
phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). ðây là một miền mạng IP ñược
thiết kế ñể hỗ trợ các dịch vụ ña phương tiện thời gian thực IP. Từ hình 1.7 ta thấy
tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất
mang tất cả phương tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không
có MGW riêng.
Phân hệ ña phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng ñiều khiển
trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài
nguyên ña phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng ñiều
khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo
hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển
mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway).
Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng ñược
tăng cường rất nhiều. Nhiều phần mềm ñược cài ñặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ
giao thức khởi ñầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác


17

nhân của người sử dụng SIP. Như vậy, UE có khả năng ñiều khiển các dịch vụ lớn
hơn trước rất nhiều.
CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên ña phương tiện
ñến và từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và ñịnh tuyến.

CSCF hoạt ñộng như một ñại diện Server /hộ tịch viên.
SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút ñược sử dụng ở
GPRS và UMTS R3 và R4. ðiểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ
hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn). Vì thế
cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN
hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng.
Chức năng tài nguyên ña phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi ñược
sử dụng ñể hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị .
Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 ñể ñảm bảo tương
tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN. T-SGW hỗ trợ các giao thức
Sigtran. Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút ñảm bảo tương tác báo
hiệu với các mạng di ñộng hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn. Trong nhiều trường hợp
T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng.
MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức ñường truyền ña phương
tiện. MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ở R4. MGW
ñược ñiều khiển bởi Chức năng cổng ñiều khiển các phương tiện (MGCF). Giao thức
ñiều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248.
MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức ñược chọn cho giao diện này là SIP.
Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miền
chuyển mạch kênh trong R3 và R4. ðiều này cho phép chuyển ñồi dần dần từ các
phiên bản R3 và R4 sang R5. Một số các cuộc gọi thoại có thể vẫn sử dụng miền CS
một số các dịch vụ khác chẳng hạn video có thể ñược thực hiện qua R5 IMS. Cấu
hình lai ghép ñược thể hiện trên hình 1.8.


Hình 1.8. Chuyển ñổi dần từ R4 sang R5

18

1.6. Cấu hình ñịa lý của hệ thống thông tin di ñộng 3G

Do tính chất di ñộng của thuê bao di ñộng nên mạng di ñộng phải ñược tổ chức
theo một cấu trúc ñịa lý nhất ñịnh ñể mạng có thể theo dõi ñược vị trí của thuê bao.

1.6.1. Phân chia theo vùng mạng

Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một
vùng mạng nào ñó phải ñược thực hiện thông qua tổng ñài cổng. Các vùng mạng di
ñộng 3G ñược ñại diện bằng tổng ñài cổng GMSC hoặc GGSN. Tất cả các cuộc gọi
ñến một mạng di ñộng từ một mạng khác ñều ñược ñịnh tuyến ñến GMSC hoặc
GGSN. Tổng ñài này làm việc như một tổng ñài trung kế vào cho mạng 3G. ðây là
nơi thực hiện chức năng hỏi ñể ñịnh tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di ñộng.
GMSC/GGSN cho phép hệ thống ñịnh tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngoài ñến nơi
nhận cuối cùng: các trạm di ñộng bị gọi.

1.6.2. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN

Một mạng thông tin di ñộng ñược phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi
vùng nhỏ này ñược phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 1.9a). hay SGSN (1.9b) Ta gọi
ñây là vùng phục vụ của MSC/VLR hay SGSN.
Hình 1.9. Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN

ðể ñịnh tuyến một cuộc gọi ñến một thuê bao di ñộng, ñường truyền qua mạng
sẽ ñược nối ñến MSC ñang phục vụ thuê bao di ñộng cần gọi. Ở mỗi vùng phục vụ
MSC/VLR thông tin về thuê bao ñược ghi lại tạm thời ở VLR. Thông tin này bao
gồm hai loại:
• Thông tin về ñăng ký và các dịch vụ của thuê bao.

• Thông tin về vị trí của thuê bao (thuê bao ñang ở vùng ñịnh vị hoặc vùng
ñịnh tuyến nào).

1.6.3. Phân chia theo vùng ñịnh vị và vùng ñịnh tuyến

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR ñược chia thành một số vùng ñịnh vị: LA
(Location Area) (hình 1.10a). Mỗi vùng phục vụ của SGSN ñược chia thành các
vùng ñịnh tuyến (RA: Routing Area) (1.10b).



19


Hình 1.10. Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng ñịnh vị
(LA: Location Area) và ñịnh tuyến (RA: Routing Area)

Vùng ñịnh vị (hay vùng ñịnh tuyến là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR
(hay SGSN) mà ở ñó một trạm di ñộng có thể chuyển ñộng tự do và không cần cập
nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR (hay SGSN) quản lý vị trí này. Có thể nói
vùng ñịnh vị (hay vùng ñịnh tuyến) là vị trí cụ thể nhất của trạm di ñộng mà mạng
cần biết ñể ñịnh tuyến cho một cuộc gọi ñến nó. Ở vùng ñịnh vị này thông báo tìm sẽ
ñược phát quảng bá ñể tìm thuê bao di ñộng bị gọi. Hệ thống có thể nhận dạng vùng
ñịnh vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng ñịnh vị (LAI: Location Area Identity) hay
nhận dạng vùng ñịnh tuyến (RAI Routing Area Identity). Vùng ñịnh vị (hay vùng
ñịnh tuyến) có thể bao gồm một số ô và thuộc một hay nhiều RNC, nhưng chỉ thuộc
một MSC (hay một SGSN).

1.6.4. Phân chia theo ô
Vùng ñịnh vị hay vùng ñịnh tuyến ñược chia thành một số ô (hình 1.11).

Hình 1.11. Phân chia LA và RA

Ô là một vùng phủ vô tuyến ñược mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu
(CGI: Cell Global Identity). Trạm di ñộng nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc
(BSIC: Base Station Identity Code). Vùng phủ của các ô thường ñược mô phỏng
bằng hình lục giác ñể tiện cho việc tính toán thiết kế.



20

1.6.5. Mẫu ô (Cell)
Mẫu ô có hai kiểu: vô hướng ngang (omnidirectional) và phân ñoạn
(sectorized). Các mẫu này ñược cho trên hình 1.12.

Hình 1.12. Các kiểu Cell

Ô vô hướng ngang (hình 1.12a) nhận ñược từ phát xạ của một anten có búp
sóng tròn trong mặt ngang (mặt phẳng song song với mặt ñất) và búp sóng có hướng
chúc xuống mặt ñất trong mặt ñứng (mặt phẳng vuông góc với mặt ñất). Ô phân ñoạn
(hình 1.12b) là ô nhận ñược từ phát xạ của ba anten với hướng phát xạ cực ñại lệch
nhau 120
0
. Các anten này có búp sóng dạng nửa số 8 trong mặt ngang và trong mặt
ñứng búp sóng của chúng chúc xuống mặt ñất. Trong một số trường hợp ô phân ñoạn
có thể ñược tạo ra từ phát xạ của nhiều hơn ba anten. Trong thực tế mẫu ô có thể rất
ña dạng tùy vào ñịa hình cần phủ sóng. Tuy nhiên các mẫu ô như trên hình 1.12
thường ñược sử dụng ñể thiết kế cho sơ ñồ phủ sóng chuẩn.

1.6.6. Tổng kết chương
Chương này trước hết xét tổng quan về mạng 3G WCDMA UMTS, các khái
niệm về 3G và các kiến trúc của hệ thống thông tin di ñộng 3G. Các phát hành ñánh
dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS ñược xét: R3, R4, R5
và R6. R3 bao gồm hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong ñó kết nối
giữa các nút chuyển mạch gọi là TDM (ghép kênh theo thời gian). R4 là sự phát triển
của R3 trong ñó miền chuyển mạch kênh chuyển thành chuyển mạch mềm và kết nối
giữa các nút mạng bằng IP. R5 và R6 hỗ trợ các dịch vụ ña phương tiện IP hoàn toàn
dựa trên chuyển mạch gói. Hiện nay mạng 3GWCDMA UMTS ñang ở giai doạn
chuyển dần từ R4 sang R5.











21


CHƯƠNG II
KỸ THUẬT CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ðỘNG 3G-
WCDMA

2.1. Trải phổ và ña truy nhập phân chia theo mã
2.1.1. Khái niệm hệ thống thông tin trải phổ

Hệ thống thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin ñể truyền các tín hiệu
nhờ trải phổ của các tín hiệu số liệu thông tin thông qua ñiều chế tín hiệu gốc với mã
trải phổ, trong ñó mã trải phổ (mã PN) có ñộ rộng băng lớn hơn nhiều lần các tín
hiệu số liệu thông tin gốc. Mã trải phổ trong trường hợp này ñộc lập với tín hiệu số
liệu thông tin.
ε
ε
ε

Hình 2.1: Mô hình hệ thống thông tin trải phổ

Nguyên lý:
Máy phát:
Bước 1: ñiều chế sơ cấp tín hiệu băng hẹp Sn.
Bước 2: ñiều chế cấp 2, sử dụng kỹ thuật trải phổ ký hiệu ε(). Kết quả là máy
thu mở rộng tín hiệu ñến băng tần rộng Sw.
Máy thu:
Bước 1: quá trình nén phổ ñược thực hiện ký hiệu ε-1(), thực chất của quá
trình nén phổ là sự tương quan tín hiệu thu ñược Sw với bản sao mã trải phổ ñược
ñồng bộ, do vậy ε-1() = ε().
Bước 2: tín hiệu trải phổ băng rộng ñược khôi phục về dạng gốc Sn của tín
hiệu băng hẹp, ñến ñây tín hiệu băng hẹp ñược giải ñiều chế về tín hiệu ban ñầu.
Tín hiệu trải phổ có nhiều thuộc tính khác biệt so với các tín hiệu băng
hẹp thông thường, cụ thể:
1) Khả năng ña truy nhập
Nếu nhiều người truyền tín hiệu trải phổ cùng một thời ñiểm, máy thu vẫn có
khả năng phân biệt tín hiệu ñối với mỗi người sử dụng do mỗi người có một dãy mã
duy nhất và các dãy mã này có mức tương quan chéo ñủ nhỏ. Việc tương quan giữa
tín hiệu thu ñược với một dãy mã trải phổ ứng với một người sử dụng nào ñó sẽ chỉ

làm cho phổ của tín hiệu người sử dụng ñó co hẹp trong khi các tín hiệu của người sử
dụng khác vẫn trải rộng trên băng tần truyền dẫn. Do ñó, trong băng tần thông tin chỉ
có công suất tín hiệu của người sử dụng ñang quan tâm là lớn.


22

2) Khả năng chống nhiễu ña ñường

Tín hiệu tới máy thu qua nhiều ñường khác nhau ngoài ñường trực tiếp còn do
nguyên nhân phản xạ. Các tín hiệu ña ñường này có biên ñộ và pha khác nhau làm
tăng tín hiệu tổng ở một vài tần số và làm giảm tín hiệu tổng ở các tần số khác.
Trong miền tần số, hiện tượng này làm cho tín hiệu bị giãn rộng.
ðối với tín hiệu băng rộng, chính hiện tượng này tạo nên sự phân tập tần số
một cách tự nhiên, có tác dụng chống fading chọn lọc.

3) Khả năng bảo mật
Tín hiệu ñược truyền ñi chỉ có thể ñược nén phổ và dữ liệu ban ñầu ñược khôi
phục khi máy thu biết mã trải phổ ñã sử dụng cho thông tin ñó.


4) Khả năng loại trừ nhiễu
Việc tương quan chéo giữa mã trải phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải
rộng công suất của tín hiệu băng hẹp. Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong
băng tần thông tin.
Tín hiệu trải phổ (s) chịu ảnh hưởng của nhiễu băng hẹp (i). Tại máy thu, tín
hiệu trải phổ ñược nén trong khi tín hiệu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện
như một tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn.

Hình 2.2. Khả năng loại trừ nhiễu

5) Xác xuất phát hiện thấp

Vì mật ñộ công suất của tín hiệu thấp nên tín hiệu trải phổ khó có thể bị phát hiện.



2.1.2. Các hệ thống thông tin trải phổ

Trong các hệ thống thông tin thông thường ñộ rộng băng tần là vấn ñề quan
tâm chính và các hệ thống này ñược thiết kế ñể sử dụng càng ít ñộ rộng băng tần
càng tốt. Trong các hệ thống ñiều chế biên ñộ song biên, ñộ rộng băng tần cần thiết
ñể phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần ñộ rộng băng tần của nguồn này.
Trong các hệ thống ñiều tần ñộ rộng băng tần này có thể bằng vài lần ñộ rộng băng
tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số ñiều chế. ðối với một tín hiệu số, ñộ rộng băng tần
cần thiết có cùng giá trị với tốc ñộ bit của nguồn. ðộ rộng băng tần chính xác cần
thiết trong trường hợp này phụ thuộc và kiểu ñiều chế (BPSK, QPSK v.v ).
Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) ñộ
rộng băng tần của tín hiệu ñược mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi ñược
phát. Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy


23

không có hiệu quả. Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng
này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng
tần có hiệu suất mà vẫn duy trì ñược các ưu ñiểm của trải phổ.
Một hệ thống thông tin số ñược coi là SS nếu:
* Tín hiệu ñược phát chiếm ñộ rộng băng tần lớn hơn ñộ rộng băng tần tối thiểu
cần thiết ñể phát thông tin.

* Trải phổ ñược thực hiện bằng một mã ñộc lập với số liệu.
Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence
Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và
nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum). Cũng có thể nhận ñược
các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên. WCDMA sử dụng DSSS. DSSS ñạt
ñược trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có tốc ñộ chip
(R
c
=1/T
c
, T
c
là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc ñộ bit (R
b
=1/T
b
, T
b
là thời gian
một bit) của luồng số cần phát. Hình 2.3 minh họa quá trình trải phổ trong ñó
T
b
=15T
c
hay R
c
=15R
b
. Hình 2.3a cho thấy sơ ñồ ñơn giản của bộ trải phổ DSSS
trong ñó luồng số cần truyền x có tốc ñộ R

b
ñược nhân với một mã trải phổ c tốc ñộ
R
c
ñể ñược luồng ñầu ra y có tốc ñộ R
c
lớn hơn nhiều so với tốc ñộ R
b
của luồng vào.
Các hình 2.3b và 2.3c biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số.
Tại phía thu luồng y ñược thực hiện giải trải phổ ñể khôi phục lại luồng x
bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=y×c

x, y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ; x(t), y(t) và c(t) ký hiệu cho
các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian; X(f), Y(f) và C(f) ký hiệu cho các
tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền tần số; T
b
là thời gian một bit của luồng số cần
phát, R
b
=1/T
b
là tốc ñộ bit của luồng số cần truyền; T
c
là thời gian một chip của mã trải
phổ, R
c
=1/T
c
là tốc ñộ chip của mã trải phổ. R

c
=15R
b
và T
b
=15T
c
.

Hình 2.3. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)


24

2.1.3. Kỹ thuật trải phổ trong công nghệ CDMA

Các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 sử dụng kỹ thuật truyền dẫn thông
thường và công nghệ ña truy nhập băng hẹp ñã dẫn tới nhiều hạn chế trong việc nâng
cao tốc ñộ dữ liệu cũng như dung lượng hệ thống. Những nhược ñiểm này sẽ ñược
khắc phục trong hệ thống 3G thông qua việc áp dụng kỹ thuật trải phổ trong công
nghệ CDMA.

Tần số vô tuyến ñược coi là tài nguyên thiên nhiên quan trọng của quốc gia,
việc bảo vệ và sử dụng hiệu quả tài nguyên này ngày càng trở nên quan trọng hơn.
Bởi vì, phổ tần vô tuyến là hữu hạn, ñối với mỗi dịch vụ ta chỉ có thể sử dụng một
dải tần số nhất ñịnh. Tuy vậy, ngày càng có nhiều công nghệ và dịch vụ thông tin
tranh nhau chiếm ñoạt từng phần phổ tần vô tuyến quý giá này, ñặc biệt nhu cầu về
phổ tần vô tuyến càng tăng khi ra ñời các dịch vụ mới. Do ñó, việc quản lý và sử
dụng tần số là rất quan trọng và không kém phần phức tạp vì tính ña dạng của các
dịch vụ và các công nghệ liên quan. Trước ñây, vấn ñề này ñược giải quyết bằng

cách cấp phát các băng tần khác nhau cho các dịch vụ khác nhau như thông tin quảng
bá, di ñộng…Nhưng ñây không phải là giải pháp tối ưu, và phương pháp trải phổ ra
ñời cho phép các loại dịch vụ khác nhau (sử dụng các phương pháp ñiều chế khác
nhau, mục ñích là phân bố năng lượng trên một băng tần rộng) sử dụng chung băng
tần mà không gây nhiễu ñáng kể. Phương pháp này ñặc biệt phát huy tác dụng khi
kết hợp với kỹ thuật ña thâm nhập phân chia theo mã CDMA.
2.1.3.1. Trải phổ nhảy tần

Trong giao thức này, tần số sóng mang (ñược ñiều chế bởi tín hiệu thông tin)
thay ñổi theo chu kỳ. Cứ sau mỗi khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhảy tới
một giá trị khác. Quy luật nhảy tần do mã trải phổ quyết ñịnh.


Hình 2.4. Sơ ñồ khối phát và thu FH-CDMA
Dữ liệu ñược ñiều chế bởi băng gốc bởi một sóng mang. Tần số sóng mang biến
ñổi lên tần số truyền dẫn nhờ bộ tổng hợp tần số, ñược ñiều khiển bởi mã trải phổ.
Tại phía thu, tín hiệu nhận ñược ñược ñổi tần xuống tần số sóng mang băng
gốc nhờ bộ tổng hợp tần số ñiều khiển bởi mã trải phổ, tạo ra bởi nội bộ máy.Sau
khi giải ñiều chế sóng mang băng gốc thu ñược dữ liệu ban ñầu. Bộ bám ñồng bộ
ñảm bảo rằng việc nhảy tần của sóng mang nội ñồng bộ với sóng mang nhận ñược.


25

Có hai loại nhảy tần ñược phân biệt dựa vào tốc ñộ nhảy tần của sóng mang là
nhảy tần nhanh F-FH và nhảy tần chậm S-FH.
Với F-FH, tốc ñộ nhảy tần của sóng mang lớn hơn (nhiều) so với tốc ñộ dữ
liệu. Do ñó, nhiều tần số ñược truyền ñi trong thời gian một bit.
Với S-FH, tốc ñộ nhảy tần của sóng mang nhỏ hơn (nhiều) so với tốc ñộ dữ
liệu. Do ñó, nhiều bit ñược truyền ñi ở một tần số.

Các thuộc tính cơ bản của FH-CDMA:
ða truy nhập: trong giao thức F-FH, một bit ñược truyền ñi trên các băng tần
số khác nhau. Mỗi người sử dụng sẽ truyền thông tin trong hầu hết các băng tần
nhưng tại mỗi thời ñiểm lại sử dụng một băng tần khác nhau. Do ñó, công suất của
tín hiệu mong muốn lớn hơn nhiều công suất nhiễu, giúp cho tín hiệu thu ñược một
cách chính xác. Trong S-FH, nhiều bit ñược truyền ñi tại một băng tần số. Nếu xác
suất truyền thông tin của những người sử dụng khác tại cùng một băng tần ñủ thấp
thì tín hiệu mong muốn sẽ thu ñược một cách chính xác trong hầu hết thời gian. Nếu
như có người sử dụng khác truyền dẫn cùng một băng tần số, các mã sửa lỗi ñược sử
dụng ñể phát hiện dữ liệu ñược truyền trong thời gian ñó.
Nhiễu ña ñường: Trong giao thức F-FH, trong khoảng thời gian một bit, tần số
truyền dẫn thay ñổi nhiều lần. Như vậy, một tần số sóng mang ñược ñiều chế và
truyền ñi trên nhiều tần số truyền dẫn. Vì hiệu ứng ña ñường với các tần số truyền
dẫn khác nhau là khác nhau nên một tần số sóng mang ñược khuếch ñại ở tần số này
sẽ bị suy giảm ở tần số truyền dẫn khác. Tại máy thu, ñáp ứng tại các tần số truyền
dẫn khác nhau sẽ ñược trung bình hoá. Nhờ ñó giảm ñược nhiễu ña ñường, mặc dù
không hiệu quả như hệ thống DS-CDMA nhưng nó vẫn cung cấp sự cải thiện nhiễu
ñáng kể.
Nhiễu băng hẹp: giả sử tín hiệu băng hẹp gây nhiễu lên một trong các tần số
truyền dẫn. Nếu có Gp tần số truyền dẫn (Gp gọi là ñộ tăng ích do xử lý) thì trung
bình một người sử dụng sẽ sử dụng tần số truyền dẫn bị gây nhiễu chỉ trong 1/Gp(%)
thời gian. Vì vậy nhiễu băng hẹp ñược giảm nhỏ bởi hệ số Gp.
Xác suất phát hiện thấp: xác suất thấp cho phát hiện tín hiệu FH không phải là
vì công suất truyền dẫn thấp. Ngược lại, mật ñộ công suất truyền dẫn của FH-CDMA
rất lớn. Nhưng tần số truyền dẫn tín hiệu không biết (thứ tự nhảy tần chỉ có bên phát
và bên thu biết trước), hơn nữa thời gian truyền dẫn tại một tần số truyền dẫn lại khá
nhỏ. Do vậy, mặc dù tín hiệu FH dễ phát hiện hơn so với tín hiệu DS, nhưng việc
phát hiện cũng rất khó khăn.

*
Ưu ñiểm của FH-CDMA
:
1) ðồng bộ của FH-CDMA dễ dàng hơn nhiều so với DS-CDMA.Với FH-
CDMA việc ñồng bộ thực hiện trong từng khoảng thời gian bước nhảy tần. Việc trải
phổ dành ñược không phải do sử dụng tần số nhảy tần cao mà do sử dụng một tổ hợp
rất lớn các tần số nên thời gian bước nhảy tần số lớn hơn nhiều so với thời gian chip
của hệ thống DS-CDMA.
2) Các băng tần khác nhau của tín hiệu FH không phải là các băng tần lân cận
nhau. Kết hợp với ưu ñiểm dễ ñộng bộ nên FH-CDMA cho phép làm việc với các
băng tần trải phổ lớn hơn nhiều so với DS-CDMA.