giao trinh TTDD full (co muc luc)

HỌC VIỆN CNBCVT

THÔNG TIN DI ĐỘNG
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

- 6/2013 -


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

LỜI NÓI ĐẦU
Từ khi ra đời cho đến nay thông tin di động đã trở thành một ngành công
nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất. Để đáp ứng các nhu cầu về chất lượng và
dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động không ngừng được cải tiến. Đến
nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ thứ nhất là thế hệ thống
thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số
(FDMA). Tiếp theo là thế hệ hai và hiện nay thế hệ ba đã được đưa vào hoạt động.
Thế hệ bốn đã được tích cực nghiên cứu và chuẩn bị đưa vào hoạt động. Thông tin
di động thế hệ hai sử dụng kĩ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia
theo thời gian (TDMA) và mã (CDMA). Đây là các hệ thống thông tin di động
băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13kbit/s. Hai thông số
quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin
của người sử dụng và tính di động. Ở các thế hệ tiếp theo thế hệ hai các thông số
này ngày càng được cải thiện. Thông tin di động thế hệ ba sử dụng công nghệ đa
truy nhập CDMA có tốc độ bit lên tới hàng chục Mbit/s. Thế hệ bốn sử dụng công
nghệ OFDMA có tốc độ lên tới 100Mbit/s và cao hơn nữa.
Các hệ thống thông tin di động thế mới phải đạt được các mục tiêu chính
sau đây:
 Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập
internet nhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng
tăng về các dịch vụ này.

 Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và
điện thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ
của các hệ thống thông tin di động.
 Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát
triển liên tục của thông tin di động .
Các mạng 3G đã được triển khai trên nhiều nước trên thế giới, tuy nhiên
thậm chí trước khi chúng được triển khai, các hoạt động nâng cấp chúng cũng đã
được tiến hành trong 3GPP (the Third Generation Partnership Project: đề án cộng
tác thế hệ ba). Ngoài ra rất nhiều hội thảo và bàn luận về 4G cho những năm của
thập niên 2010 đã được tích cực tiến hành trong các tổ chức quốc tế và diễn đàn
như: ITU và WWRF (Wireless World Research Forum). Các trường đại học, các
viện nghiên cứu và các phòng thí nghiệm trên thế giới cũng đã và đang tích cực
tiến hành các hoạt động nghiên cứu của mình trong lĩnh vực này. Các hoạt động
nghiên cứu sôi động này hoàn toàn phù hợp với sự phát triển mạnh mẽ của thông
tin di động.

1


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

HSDPA (High Speech Downlink Packet Access: truy nhập gói đường
xuống tốc độ cao) là một mở rộng của các hệ thống 3G UMTS đã có thể cung cấp
tốc độ lên đến 10 Mbps trên đường xuống. HSDPA là một chuẩn tăng cường của
3GPP-3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều chế QPSK
trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. HSDPA hoạt động trên cơ sở kết
hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng AMC
(Adaptive Modulation and Coding: mã hóa kênh và điều chế thích ứng). Nó cũng
đưa ra một kênh điều khiển riêng để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu. Các kỹ
thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA (High

Speech Uplink Packet Access). Hai công nghệ truy nhập HSDPA và HSUPA được
gọi chung là HSPA (High Speed Packet Data). Để làm cho công nghệ 3GPP
UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh hơn nữa (chủ yếu là để cạnh tranh với các
công nghệ mới của 3GPP2 và WiMAX), 3GPP quyết định phát triển E-UTRA và
E-UTRAN (E: Elvolved ký hiệu cho phát triển) còn được gọi là siêu 3G (Super3G) hay LTE (Long Term Evolution) mà thực chất là giai đoạn đầu 4G. Công
việc phát triển sẽ tiến hành trong 10 năm và sau đó như là sự phát triển dài hạn
(LTE: Long Term Evolution) của công nghệ truy nhập vô tuyến 3GPP. Trong giai
đoạn này tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz. Tiếp sau
LTE, IMT-Adv (IMT tiên tiến) sẽ được phát triển, đây sẽ là thời kỳ phát triển của
4G với tốc độ từ 100 đến 1000 Mbps và băng thông 100MHz.
Môn học "Thông tin di động" là môn học chính được giảng cho sinh viên
viễn thông năm cuối của Đại học Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Giáo trình
"Thông tin di động" sẽ cung cấp các kiến thức của các hệ thống thông tin di động
từ thế hệ hai cho đến thế hệ bốn. Giáo trình này được giảng sau khi sinh viên đã
học các giáo trình như: "Truyền dẫn vô tuyến số" và "Lý thuyết trải phổ và đa truy
nhập vô tuyến".
Giáo trình bao gồm 12 chương. Chương đầu trình bày khái quát chung về
sự phát triển của các hệ thống thông tin di động, kiến trúc của các hệ thống thông
tin di động và ứng dụng IP cho các hệ thống thông tin di động. Chương 2 nghiên
cứu về các công nghệ tạo nội dung và truyền các nội dung này cho các dịch vụ
thông tin di động như: tiếng, hình ảnh, truyền đa phương tiện. Chương 3 trình bày
hệ thống thông tin di động 2G GSM/GPRS. Chương 4 và 5 trình bày các vấn đề
liên quan đến hệ thống thông tin di động 3G WCDMA UMTS như: giao diện vô
tuyến và miền chuyển mạch gói của mạng lõi. Chương sáu và bảy có nội dung
tương tự như các chương ba và bốn nhưng dành cho cdma2000 1x/1xEVDO.
Chương 8 và chương 9 đề cập đến giao diện vô tuyến của 3G+ HSPA và 4G LTE.
Chương 10 đề cập đến LTE Advanced. Chương 11 trình bày kiến trúc mạng và
các giao thức của 4G LTE. Chương cuối cùng, chương 12, trình bày tổng quan hệ
thống khai thác và bảo dưỡng cho các mạng di động.

2


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Các chương của tài liệu này đều được kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự
học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài bài
tập. Cuối tài liệu là đáp án cho các bài tập.

3


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

MỤC LỤC
Chương 1. Tổng quan thông tin di động
1.1. Giới thiệu chung
1.2. Quá trình phát triển thông tin di động
1.3. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động
1.4. Chuyển mạch kênh (CS), chuyển mạch gói (PS), Dịch vụ chuyển
mạch kênh và dịch vụ chuyển mạch gói
1.5. Kiến trúc GSM
1.6. Kiến trúc GPRS
1.7. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3
1.8. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4
1.9. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5
1.10. Kiến trúc 3G cdma2000
1.11. Đánh địa chỉ IP
1.12. Truyền tunnel IP trong IP
1.13. IP di động (MIP)

1.14. Kiến trúc mạng 4G LTE/SAE
1.15. IMS
1.16. Cấu hình địa lý của hệ thống thông tin di động
1.17. Tổng kết
1.18. Câu hỏi

9
9
9
12
14

Chương 2. Các sơ đồ xử lý tín hiệu đa phương tiện và dịch vụ
trong các hệ thống thông tin di động
2.1. Giới thiệu chung
2.2. Mở đầu
2.3. Xử lý ảnh
2.4. Xử lý tiếng và âm thanh
2.5. Các CODEC tiếng
2.6. Các hệ thống xử lý tín hiệu đa phương tiện
2.7. Các phương pháp cung cấp dịch vụ đa phương tiện
2.8. Các phương pháp phân bố thông tin đa phương tiện
2.9. Các giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP)
2.10. Các phương pháp truyền bản tin đa phương tiện
2.11. Tổng kết
2.12. Câu hỏi

90

17

19
21
29
31
32
43
56
58
70
75
67
88
89

90
90
91
97
104
112
116
120
123
124
128
129

4

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Chương 3. Hệ thống thông tin di động GSM/GPRS
3.1. Giới thiệu chung
3.2. Mở đầu
3.3. Kiến trúc giao thức của GSM và GPRS
3.4. Các kênh vật lý cuả GSM
3.5. Các kênh logic của GSM
3.6. Giao diện vô tuyến của GPRS
3.7. Điều khiển tài nguyên vô tuyến
3.8. Truyền dẫn trong GSM
3.9. Truy nhập mạng số liệu từ GSM
3.10. Các sơ đồ truyền số liệu qua GSM
3.11. Một số trường hợp định tuyến lưu lượng
3.12. Truyền số liệu trong mạng GRRS
3.13. Mô hình an ninh GSM
3.14. Tổng kết
3.15. Câu hỏi

130
130
130
131
137
151
159
165
176
185
188

196
201
210
211
211

Chương 4. Giao diện vô tuyến của WCDMA UMTS
4.1. Giới thiệu chung
4.2. Mở đầu
4.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến WCDMA/FDD
4.4. Các kênh của WCDMA
4.5. Sơ đồ kênh vật lý WCDMA/FDD
4.6. Sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế
4.7. Sơ đồ xử lý tín hiệu số
4.8. Cấu trúc khung kênh DPCH
4.9. Các trẹng thái 3G UMTS RRC của UE
4.10. Điều khiển tài nguyên vô tuyến và quản lý di động
4.11. Các hủ tục lớp vật lý
4.12. Phân tập phát
4.13. Tổng kết
4.14. Câu hỏi

213
213
213
214
216
225
229
237

241
244
248
260
266
268
269

Chương 5. Miền chuyển mạch gói của UMTS
5.1. Giới thiệu chung
5.2. Các kênh mang (Bearer)
5.3. Kết nối báo hiệu và lưu lượng
5.4. Các bước để UE truy nhập vào các dịch vụ chuyển mạch gói UMTS
5.5. Định tuyến các gói của người sử dụng và truyền tải trong UMTS

271
271
271
272
273
274

5


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

5.6. Các số nhận dạng kênh mang và chuyển đổi giữa các nhận dạng này
5.7. Lập cấu hình địa chỉ trong UE
5.8. Thủ tục đăng nhập GPRS (chế độ Iu)

5.9. Các thủ tục tích cực PDP context
5.10. Các trạng thái PDP context và chuyển đổi trạng thái PPM Context
5.11. Các thủ tục ấn định kênh mang truy nhập vô tuyến
5.12. Kiến trúc ngăn xếp giao thức miền chuyển mạch gói
5.13. Truy nhập các mạng IP thông qua miền PS
5.14. Mô hình an ninh WCDMA UMTS
5.15. Tổng kết
5.16. Câu hỏi

277
278
279
280
286
289
290
300
309
310
311

Chương 6. Giao diện vô tuyến cdma2000 1x và 1xEVDO
6.1. Giới thiệu chung
6.2. Mở đầu
6.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến cdma2000 1x
6.4. Các kênh của cdma2000 1x
6.5. Sơ đồ kênh vật lý
6.6. Mã trải phổ định kênh và mã ngẫu nhiên nhận dạng nguồn phát
6.7. Mã hóa kênh
6.8. Điều khiển tài nguyên vô tuyến

6.9. Giao diện vô tuyến 1xEVDO
6.10. Phân tập phát
6.11. Tổng kết
6.12. Câu hỏi

312
312
312
313
315
327
331
335
336
337
346
347
347

Chương 7. Miền chuyển mạch gói của cdma2000 1x
7.1. Giới thiệu chung
7.2. Mô hình chức năng
7.3. Thủ tục để MS truy nhập vào các dịch vụ chuyển mạch gói của
cdma2000 1x
7.4. Định tuyến gói số liệu và truyền tải
7.5. Kiến trúc giao thức cho các dịch vụ số liệu gói
7.6. Kiến trúc giao thức giữa MS và PDSN
7.7. Mô hình an ninh cdma2000 1x
7.8. Tổng kết
7.9. Câu hỏi

349
349
349
351
353
355
362
363
365
366

6


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Chương 8. Giao diện vô tuyến 3G+ HSPA
8.1. Giới thiệu chung
8.2. Tổng quan
8.3. Các giao thức trên giao diện vô tuyến 3G+ HSPA
8.4. Các trạng thái 3G UMTS RRC với HSDPA/HSUPA của UE
8.5. Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA)
8.6. Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA)
8.7. Trải phổ và điều chế cho HSPA
8.8. Cấu trúc MAC-hs, MAC-2 và lớp vật lý
8.9. Quản lý di động trong HSDPA
8.10. Tổng kết
8.11. Câu hỏi

367
367
367
371
373
375
388
397
399
403
410
411

Chương 9. Giao diện vô tuyến LTE
9.1. Giới thiệu chung
9.2. Tổng quan
9.3. Các giao thức trên giao diện vô tuyến LTE
9.4. Các trạng thái LTE UE
9.5. Các kênh trên giao diện vô tuyến LTE
9.6. Quản lý di động trong LTE
9.7. Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn trong LTE
9.8. Các tín hiệu tham chuẩn trong LTE
9.9. Các sơ đồ điều chế và dung lượng truy nhập vô tuyến của LTE
9.10. Truyền dẫn đường xuống
9.11. Truyền dẫn đường lên
9.12. Các thủ tục lớp vật lý
9.13. Tổng kết
9.14. Câu hỏi

413

423
413
416
419
424
438
438
446
456
458
476
489
510

Chương 10. LTE Advanced
10.1. Giới thiệu chung
10.2. Mở đầu
10.3. Các phần tử công nghệ
10.4. Đánh giá hiệu năng
10.5 Tổng kết
10.6. Câu hỏi

512
512
512
516
537
538
538

Chương 11. Kiến trúc mạng và các giao thức của 4G LTE
11.1. Giới thiệu chung
11.2. Mở đầu

539
539
540

7


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

11.3. Kiến trúc mạng cơ sở chỉ có mạng truy nhập E-UTRAN
11.4. Mạng truy nhập E-UTRAN
11.5. Kiến trúc chuyển mạng và tương tác giữa các mạng
11.6. Các trạng thái di động và kết nối LTE
11.7. Kiến trúc giao thức LTE/SAE
11.8. Chất lượng dịch vụ và kênh mang EPS
11,9. Nhập mạng
11.10. Các phiên thông tin
11.11. Quản lý di động
11.12. An ninh trong LTE
11.13. Điều khiển chính sách, tính cước (PCC) và QoS
11.14. Tổng kết
11.16. Câu hỏi

541
553
556

563
567
571
576
582
587
606
616
619
620

Chương 12. Hệ thống khai thác và bảo dưỡng
11.1. Giới thiệu chung
11.2. Tổng quan
11.3. Giám sát mạng
11.4. Điều khiển mạng
11.5. Giám sát NE
11.6. Quản lý phần tử mạng (NE)
11.7. Mạng tự tổ chức (SON)
11.8. Tổng kết
11.9. Câu hỏi

622
622
622
629
633
638
642
647

663
664

Thuật ngữ
Tài liệu tham khảo

665
673

8


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Chương 1
TỔNG QUAN THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương
 Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động tử 1G đến 3G và lộ trình
phát triển lên 4G
 Các kiến trúc cuả các hệ thống thông tin di động 2G, 3G và 4G
 Các vấn đề nối mạng thông tin di động trên cơ sở IP: đánh địa chỉ, truyền
tunnel và MIP
 Phân chia vùng địa lý trong các mạng thông tin di động
1.1.2. Hướng dẫn
 Học kỹ các tư liệu đựơc trình bầy trong chương
 Tham khảo thêm [5],[6].
1.1.3. Mục đích chương
 Hiểu tổng quan các hệ thống thông tin di động của các thế hệ khác nhau từ
1G đến 4G

 Hiểu được các kiến trúc mạng 2G , 3G và 4G
 Hiểu các vấn đề chính trong nối mạng thông tin di động trên cơ sở IP
 Hiểu được cách phân chia vùng địa lý trong các mạng thông tin di động.

1.2. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG
Các công nghệ TTDĐ được chia thành ba thế hệ: thứ nhất, thứ hai, thứ ba
và thứ tư được viết tắt là 1G, 2G, 3G và 4G.
Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối
mạng lõi dựa trên TDM. Thí dụ về 1G là AMPS (Advanced Mobile Phone
System: hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng trên toàn nước Mỹ và
NMT (Nordic Mobile Telephone System: hệ thống điện thoại di động Bắc Âu).
Thông thường các công nghệ 1G được triển khai tại một nước hoặc nhóm các

9


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế và không có
ý định dành cho sử dụng quốc tế.
Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế. Thiết
kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử
dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến. Tính năng cuối cùng chính là yêu cầu
đối với 2G. Các thí dụ điển hình về các hệ thống 2G là: GSM (Global System for
Mobile Communications: thông tin di động toàn cầu) và cdmaOne (dựa trên tiêu
chuẩn TIA IS95).
Có thể coi một hệ thống TTDĐ là 3G nếu nó đáp ứng một số các yêu cầu
được ITU đề ra:
 Hoạt động trong một trong số các tần số được ấn định cho các dịch vụ 3G
 Phải cung cấp dẫy các dịch vụ số liệu mới cho người sử dụng bao gồm cả đa

phương tiện, độc lập với công nghệ giao diện vô tuyến
 Phải hỗ trợ truyền dẫn số liệu di động tại 144 kbps cho các người sử dụng di
động tốc độ cao và truyền dẫn số liệu lên đến 2Mbps (ít nhất là lý thuyết) cho các
người sử dụng cố định hoặc di động tốc độ thấp
 Phải cung cấp các dịch vụ số liệu gói (các dịch vụ không dựa trên kết nối CS
đến mạng số liệu mà dựa trên dịch vụ mang dựa trên gói bẩm sinh)
 Phải đảm bảo tính độc lập của mạng lõi với giao diện vô tuyến
Một số hệ thống 2G đang tiến hóa đến ít nhất một phần các yêu cầu trên.
Điều này dẫn đến một hậu quả không mong muốn: làm sai lệch thuật ngữ "các thế
hệ". Chẳng hạn GSM với hỗ trợ số liệu kênh đươc phân loại như hệ thống 2G
thuần túy. Khi tăng cường thêm GPRS (General Packet Radio Service), nó trở nên
phù hợp với nhiều tiêu chuẩn 3G. Dẫn đến nó không hẳn là 2G cũng như 3G mà là
loại "giữa các thế hệ", vì thế hệ thống GSM được tăng cường GPRS hiện nay được
gọi là hệ thống 2,5G, trong khi thực tế vẫn thuộc loại 2G, ít nhất là từ phương diện
công nghệ truyền dẫn vô tuyến.
Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G phát triển và tiến dần đến 4G
là việc đưa ra công nghệ HSPA (High Speed Packet Access: đa truy nhập gói tốc
độ cao) và LTE (Long term Evolution: phát triển dài hạn) cho phần vô tuyến và
SAE (System Architecture Evolution: phát triển kiến trúc hệ thống) cho phần
mạng.
Hình 1.1 tổng kết các vấn đề trình bầy ở trên bằng cách minh họa các hệ
thống TTD Đ chính và quá trình phát triển của chúng từ thế hệ 1 lên thế hệ 3 và
hình 1.2 cho thấy lộ trình phát triển lên thế hệ 4.

10


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

3G

1G

2G

2,5G

NMT

GSM

GSM+
GPRS

TACS

TDMA
(IS-136)

TDMA
IS136+GPRS

cdmaOne
(IS95-A)

EDGE/
GPRS

WCDMA/FDD

CDPD

CDMA
(IS95-B)

EDGE tăng cường/GPRS

AMPS

PDC/
PDC-P

ETSI UMTS/W-CDMA
WCDMA/HSPA
TD-SCDMA
WCDMA/TDD

cdma20003x(5MHz)
cdma20001x(1,25MHz)
cdma20001xEV-DO
cdma20001xEV-DV
ARIB WCDMA (Nhật)

1985

1989

1995

2001

2003

2004+

Ký hiệu:
AMPS: Advanced Mobile Phone Service , TACS: Total Access Communication
System
NMT: Nodic Mobile Telephone, PDC: Personal Digital Cellular: hệ thông tổ ong
số các nhân.
PDC-P: PDC-Packet, GSM: Global System for Mobile Telecommunications
CDPD: Cellular Digital Packet Data, GPRS: General Radio Packet Service
EDGE: Enhanced Data Rate for GSM Evolution, WCDMA: Wideband Code
Division Multiple Access
HSPA: High Speed Paket Access, UMTS: Universal Mobile Telecommunications
System
cdma20001xEV-DO: cdma20001xEvolution-Data Only (Optimized),
cdma20001xEV-DV: cdma20001xEvolution-Data and Voice
FDD: Frequency Division Duplex. TDD: Time Division Duplex
Hình 1.1. Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1 (1G)
lên thế hệ 3 (3G).

11


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Khả năng di động
1985

2000

2005

1G

2G

2010

HSPA
1xEVDO

GSM
cdmaOne

Cao

Trung bình

1995

3G

LTE/UMB
Triển khai
LTE

3G +

WCDMA
cdma20001x

AMPS
TACS

Thấp

2015

E3G

Thời gian

IMT-Advanced
4G

WiMAX/ IEEE
802.16e

WIFI/
IEEE802.11

Tốc độ số liệu
<10kbps

<200kbps

300kbps- 10Mbps

<100Mbps

100Mbps-1Gbps

Ký hiệu:
E3G: Enhanced 3G: 3G tăng cường; LTE: Long Term Evolution: Phát triển dài
hạn
UMB: Ultrra Mobile Band: Băng siêu rộng, WiFi: Wireless Fidelity: Hệ thống
không dây tin cậy; WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access:
Khả năng tương hợp toàn cầu đối với truy nhập vi ba; IEEE: Institute of Electrical
and Electronics Engineers: Học viện kỹ thuật điện và điện tử.
Hình 1.2. Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G

1.3. KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Mạng thông tin di động (TTDĐ) lúc đầu sẽ là mạng chỉ có chuyển mạch
kênh, sau đó là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển
mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ
là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đường phát triển đến mạng
toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch
vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền
trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. Hình 1.3 dưới đây cho
thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ kết hợp cả CS và PS trong mạng
lõi.

12


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Điều khiển dịch
vụ tiên tiến

Interrnet

RAN
BTS/
nút B

Mạng báo hiệu

Thiết bị
SMS

BSC/
RNC
Chức năng
dịch vụ CS
Chức năng
dịch vụ PS

Đầu cuối tiếng

Thông tin
vị trí

Chức năng
dịch vụ CS
Chức năng
Dịch vụ PS

Thiết bị chuyển
Thiết bị chuyển

mạch cổng
mạch nội hạt
Nút kết hợp dịch vụ CS và dịch vụ
PS

Thiết bị cổng

Đầu cuối số
liệu

Server
Intranet

PSTN/PLMN

RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến
BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc
BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc
RNC: Rado Network Controller: bộ điều 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 điện thoại chuyển mạch công
cộng
PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất
Hình 1.3. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS
Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện
bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức
năng này được đặt 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 để được một hệ thống tích hợp cho phép
chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng
đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn.
3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông
tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng công
nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy
nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial
Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS). Kiểu thứ hai sử
dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio
Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM).

13


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS đựơc gọi là 3G
WCDMA UMTS.
1.4. CHUYỂN MẠCH KÊNH (CS), CHUYỂN MẠCH GÓI (PS), DỊCH VỤ
CHUYỂN MẠCH KÊNH VÀ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI.
Hệ thông thông tin di động có thể cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh
như tiếng, video và các dịch vụ chuyển mạch gói chủ yếu để truy nhập internet.
Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch) là sơ đồ chuyển mạch trong đó
thiết bị chuyển mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối
chiếm một tài nguyên mạng nhất định trong toàn bộ cuộc truyền tin. Kết nối này là
tạm thời, liên tục và dành riêng. Tạm thời vì nó chỉ đựơc duy trì trong thời gian
cuộc gọi. Liên tục vì nó đựơc cung cấp liên tục một tài nguyên nhất định (băng
thông hay dung lượng và công suất) trong suốt thời gian cuộc gọi. Dành riêng vì
kết nối này và tài nguyên chỉ dành riêng cho cuộc gọi này. Thiết bị chuyển mạch

sử dụng cho CS trong các tổng đài của TTDĐ 2G thực hiện chuyển mạch kênh
trên trên cơ sở ghép kênh theo thời gian trong đó mỗi kênh có tốc độ 64 kbps và vì
thế phù hợp cho việc truyền các ứng dụng làm việc tại tốc độ cố định 64 kbps
(chẳng hạn tiếng được mã hoá PCM).
Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch) là sơ đồ chuyển mạch thực hiện
phân chia số liệu của một kết nối thành các gói có độ dài nhất định và chuyển
mạch các gói này theo thông tin về nơi nhận được gắn với từng gói và ở PS tài
nguyên mạng chỉ bị chiếm dụng khi có gói cần truyền. Chuyển mạch gói cho phép
nhóm tất cả các số liệu của nhiều kết nối khác nhau phụ thuộc vào nội dung, kiểu
hay cấu trúc số liệu thành các gói có kích thước phù hợp và truyền chúng trên một
kênh chia sẻ. Việc nhóm các số liệu cần truyền được thực hiện bằng ghép kênh
thống kê với ấn định tài nguyên động. Các công nghệ sử dụng cho chuyển mach
gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc IP.
Hình 1.4. cho thấy cấu trúc của CS và PS.

14


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

a) ChuyÓn m¹ch kªnh (CS)
ChuyÓn m¹ch

b) ChuyÓn m¹ch gãi (PS)
R outer

Bé nhí

ChuyÓn m¹ch

R outer

Bé nhí

Hình 1.4. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS).
Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service) là dịch vụ trong đó mỗi đầu cuối
được cấp phát một kênh riêng và nó toàn quyển sử dụng tài nguyên của kênh này
trong thời gian cuộc gọi tuy nhiên phải trả tiền cho toàn bộ thời gian này dù có
truyền tin hay không. Dịch vụ chuyển mạch kênh có thể đựơc thực hiện trên
chuyển mạch kênh (CS) hoặc chuyển mạch gói (PS). Thông thường dịch vụ này
được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (thoại).
Dịch vụ chuyển mạch gói (PS Service) là dịch vụ trong đó nhiều đầu cuối
cùng chia sẻ một kênh và mỗi đầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này
khi có thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lượng tin đựơc truyền trên
kênh. Dịch vụ chuyển mạch gói chỉ có thể đựơc thực hiện trên chuyển mạch gói
(PS). Dịch vụ này rất rất phù hợp cho các dịch vụ phi thời gian thực (truyền số
liệu), tuy nhiên nhờ sự phát triển của công nghệ dịch vụ này cũng được áp dụng
cho các dịch vụ thời gian thực (VoIP).
Chuyển mạch gói có thể thực hiện trên cơ sở ATM hoặc IP.
ATM (Asynchronous Transfer Mode: chế độ truyền dị bộ) là công nghệ
thực hiện phân chia thông tin cần phát thành các tế bào 53 byte để truyền dẫn và
chuyển mạch. Một tế bào ATM gồm 5 byte tiêu đề (có chứa thông tin định tuyến)
và 48 byte tải tin (chứa số liệu của người sử dụng). Thiết bị chuyển mạch ATM
cho phép chuyển mạch nhanh trên cơ sở chuyển mạch phần cứng tham chuẩn theo
thông tin định tuyến tiêu đề mà không thực hiện phát hiện lỗi trong từng tế bào.
Thông tin định tuyến trong tiêu đề gồm: đường dẫn ảo (VP) và kênh ảo (VC).

15

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Điều khiển kết nối bằng VC (tương ứng với kênh của người sử dụng) và VP (là
một bó các VC) cho phép khai thác và quản lý có khả năng mở rộng và có độ linh
hoạt cao. Thông thường VP được thiết lập trên cơ sở số liệu của hệ thống tại thời
điểm xây dựng mạng.Việc sử dụng ATM trong mạng lõi cho ta nhiều cái lợi: có
thể quản lý lưu lượng kết hợp với RAN, cho phép thực hiện các chức năng CS và
PS trong cùng một kiến trúc và thực hiện khai thác cũng như điều khiển chất
lượng liên kết.
Chuyển mạch hay Router IP (Internet Protocol) cũng là một công nghệ
thực hiện phân chia thông tin phát thành các gói đựơc gọi là tải tin (Payload). Sau
đó mỗi gói đựơc gán một tiêu đề chứa các thông tin địa chỉ cần thiết cho chuyển
mạch. Trong thông tin di động do vị trí của đầu cuối di động thay đổi nên cần phải
có thêm tiêu đề bổ sung để định tuyến theo vị trí hiện thời của máy di động. Quá
trình định tuyến này đựơc gọi là truyền đường hầm (Tunnel). Có hai cơ chế để
thực hiện điều này: MIP (Mobile IP: IP di động) và GTP (GPRS Tunnel Protocol:
giao thức đường hầm GPRS). Tunnel là một đường truyền mà tại đầu vào của nó
gói IP được đóng bao vào một tiêu đề mang địa chỉ nơi nhận (trong trường hợp
này là địa chỉ hiện thời của máy di động) và tại đầu ra gói IP được tháo bao bằng
cách loại bỏ tiêu đề bọc ngoài (hình 1.5).
Gói IP
Header1

Header2

Payload

Đóng bao
Header2

Header1

Header1

Payload

Tháo bao
Payload

Header1

Tunnel
Đầu tunnel
Header1: Tiêu đề gói IP
Header2: Tiêu đề đóng bao mang địa chỉ hiện thời của máy di động
Payload: Tải tin

Payload

Gói IP
Cuối tunnel

Hình 1.5. Đóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền tunnel
Hình 1.6 cho thấy quá trình định tuyến tunnel (chuyển mạch tunnel) trong
hệ thống 3G UMTS từ tổng đài gói cổng (GGSN) cho một máy di động (UE) khi
nó chuyển từ vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt (SGSN1) này sang một
vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt khác (SGSN2) thông qua giao thức
GTP.

16

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Số liệu của người
sử dụng (các gói IP)
Kết nối logic
(truyền tunnel)

Mạng thông tin di
động (CN)

Số liệu của người
sử dụng (các gói IP)
Mạng thông tin di
động (CN)

Kết nối logic
(truyền tunnel)

GGSN

GGSN

Số liệu của
người sử dụng
(các gói IP)

Số liệu của
người sử dụng

(các gói IP)

Thay đổi vị trí

Tiêu đề truyền
tunnel

ThiÕt lËp l¹i kÕt
nèi logic

SGSN1

SGSN2

Tiêu đề truyền
tunnel

SGSN2

SGSN1

Vùng UE chuyển đến

Hình 1.6. Thiết lập kết nối tunnel trong chuyển mạch tunnel
Vì 3G WCDMA UMTS đựơc phát triển từ những năm 1999 khi mà ATM
là công nghệ chuyển mạch gói còn ngự trị nên các tiêu chuẩn cũng được xây dựng
trên công nghệ này. Tuy nhiên hiện nay và tương lai mạng viễn thông sẽ đựơc xây
dựng trên cơ sở internet vì thế các chuyển mạch gói sẽ là chuyển mạch hoặc router
IP.

1.5. KIẾN TRÚC GSM
GSM là mạng thông tin di động số đầu tiên được xây dựng trên phương
pháp đa truy nhập TDMA. Một hệ thống GSM được tổ chức thành ba phần tử
chính: MS, hệ thống con trạm gốc (BSS: base station subsystem) và hệ thống con
chuyển mạch (SS: switching subsystem ) như trên hình 1.7.

17


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Trạm di động
(MS)

Hệ thống con trạm gốc
(BSS)

Um

Hệ thống con chuyển mạch
(SS)

A

Abis

VLR
SIM

AuC

EIR

BTS
Mạng báo
hiệu số 7

BSC
BTS

ME

HLR

BSS

BTS
BSC
BTS

BSS

GMSC

MSC

PTSN
ISDN
INTERNET

SMS-GMSC

SMS-IWMSC

SS

Hình 1.7. Kiến trúc mạng GSM
MS chứa đầu cuối di động với SIM card. SIM là một thiết bị an ninh chứa
tất cả các thông tin cần thiết và các giải thuật để nhận thực thuê bao cho mạng. Để
nhận thực thuê bao cho mạng, SIM chứa một máy vi tính gồm CPU và ba kiểu
nhớ. ROM được lập trình chứa hệ điều hành, chương trình cho ứng dụng GSM và
các giải thuật an ninh A3 và A8. RAM được sử dụng để thực hiện các giải thuật và
nhớ đệm cho truyền dẫn số liệu. Các số liệu nhậy cảm như Ki (khóa bí mật), IMSI
(international mobile station identity: số nhận dạng thuê bao di động), các số để
quay, các bản tin ngắn, thông tin về mạng và về thuê bao như TMSI (temporary
mobile station identity: số nhận dạng thuê bao tạm thời), LAI (location area
identity: nhận dạng vùng định vị) được lưu trong bộ nhớ ROM xóa được bằng
điện và khả lập trình (EEPROM).
SMS-GMSC là cổng vào GSM PLMN để truyền SM. SMS-GMSC hỏi
HLR để xác định vị trí thuê bao. SMS-IWMSC là MSC nối đến SM-SC. Nó
chuyển SM từ MS khởi xướng trong GSM PLMN đến SM-SC. Chức năng SMSIWMSC có thể được đặt cùng với SMS-GMSC trong cùng một MSC. Các tín
nhắn (SM: Short Message) từ MS được gửi đến SMS-IWMSC, sau đó được MSC
định tuyến đến SMS-C.
Hệ thống con trạm gốc (BSS) bao gồm một số trạm thu phát gốc (BTS:
base transceiver station: trạm thu phát gốc) và một bộ điều khiển trạm gốc (BSC:
base station controller). BTS điều khiển lưu lượng vô tuyến giữa MS và chính nó
thông qua giao diện vô tuyến Um.
Hệ thống con mạng chứa trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động
(MSC: mobile switching center) thực hiện tất cả các ứng dụng cần thiết để định
tuyến cuộc gọi đến hoặc từ các người sử dụng và các mạng điện thọai khác nhau
18

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

như: ISDN, PSTN hoặc mạng Internet. HLR (home location register: bộ ghi định
vị thường trú) mang tất cả các thông tin về thuê bao trong vùng của GMSC
(gateway MSC: MSC cổng) tương ứng. VLR (visitor location register: bộ ghi định
vị tạm trú) chứa các chi tiết tạm thời về MS làm khách tại MSC hiện thời. Nó
cũng chứa TMSI. Trung tâm nhận thực (AuC: authentication center) được đặt tại
HLR và là một trong những nơi phát đi các thông số an ninh quan trọng nhất vì nó
đảm bảo tất cả các thông số cần thiết cho nhận thực và mật mã hóa giữa MS và
BTS. TMSI cho phép từ chối một kẻ xấu tìm cách lấy trộm thông tin về các tài
nguyên được người sử dụng sử dụng và không cho kẻ xấu theo dõi vị trí người sử
dụng. Mục đích của EIR (equipment identity register: bộ ghi nhận dạng thiết bị) là
để ghi lại nhận dạng số máy của thiết bị di động để chống mất cắp máy. Nói một
cách khác EIR chứa các số seri máy của tất cả các máy di động và đánh dấu dấu số
máy bị mất hoặc bị ăn cắp mà hệ thống sẽ không cho phép. Các người sử dụng sẽ
được nhận dạng là đen (không hợp lệ) trắng (hợp lệ ) hay xám (bị nghi ngờ).

1.6. KIẾN TRÚC GPRS
GPRS sử dụng lại mạng truy nhập vô tuyến của GSM để truyền số liệu gói
bằng cách ghép nhiều khe thời gian vào một kênh truyền. Kiến trúc của GPRS
được cho trên hình 1.8.
MSC/
VLR

EIR

Gs

Gf

MT

Gd

Gb

Um

TE

SMS-GMSC
SMS-IWMSC

BSS

SGSN

Gn

HLR/
AuC
Gr

GGSN

Gc
Gi

Internet

Gp

Mạng lõi

SGSN

Hình 1.8. Kiến trúc GPRS
MS gồm thiết bị đầu cuối (TE:Terminal Equipment) (máy tính PC cầm tay
chẳng hạn) và đầu cuối di động (MT). MS có thể hoạt động trong ba chế độ phụ
thuộc vào khả năng của mạng và máy di động.

19


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng





Chế độ A, có thể xử lý đồng thời cả khai thác chuyển mạch kênh lẫn chuyển
mạch gói
Chế độ B, cho phép MS hoặc ở chế độ PS hoặc ở chế độ CS nhưng không
đồng thời ở cả hai chế độ. Khi MS phát các gói, nếu kết nối CS được yêu cầu
thỡ truyến dẫn PS tự động được đặt vào chế độ treo
Chế độ C, cho phép MS thực hiện mỗi lần một dịch vụ. Nếu MS chỉ hỗ trợ lưu
lượng PS (GPRS) thì nó hoạt động ở chế độ C.

Trong BSS, BTS xử lý cả lưu lượng CS và PS. Nó chuyển số liệu PS đến

SGSN và CS đến MSC. Ngoài các tính năng GSM, HLR cũng được sử dụng để
xác định xem thuê bao GPRS có địa chỉ IP tĩnh hay động và điểm truy nhập nào sử
dụng để nối đến mạng ngoài.
Đối với GPRS, các thông tin về thuê bao được trao đổi giữa HLR với SGSN.
Ngoài ra một thực thể logic được đưa vào để quản lý các chức năng RLC/MAC
(Radio Link Contrrol/MAC: Medium Access Control: điều khiển liên kết vô
tuyến/ điều khiển truy nhập môi trường) được gọi là PCU (Packet Contrrol Unit:
khối điều khiển gói). Phần tử này trong BSC.
SGSN xử lý lưu lượng các gói IP đến và từ MS đó đăng nhập vào vùng
phục vụ của nó và nó cũng đảm bảo định tuyến gói nhận được và gửi đi từ nó.
GGSN đảm bảo kết nối với các mạng chuyển mạch gói bên ngoài như
Internet hay các mạng riêng khác. Nút kết nối với mạng đường trục GPRS dựa
trên IP. Nó cũng chuyển đi tất cả các gói IP và được sử dụng trong quá trình nhận
thực và trong các thủ tục mật mã hóa..
AuC hoạt động giống như mạng GSM. Cụ thể là nó chứa thông tin để nhận
dạng các người được phép sử dung mạng GPRS và vì thế ngăn chặn việc sự sử
dụng trái phép mạng.
3GUMTS đựơc xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5.
Trong đó 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 đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thới gian thực như
thoại và hình ảnh. Khi này miền CS sẽ đảm nhiệmcác dịc vụ thọai còn số liệu
được 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 đều
trên IP. Mạng truy nhập của UMTS có thể là TDMA hoặc CDMA. Trong chương
này ta chỉ xét mạng truy nhập CDMA cho UMTS.
Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3GUMTS nói trên.

20

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

1.7. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R3
UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến
384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này
đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như
trong các mạng điện thoại cố định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có
hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu
cuối. Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối"
đến 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 động (UE: User
Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS
Terrestrrial Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.9). UE
bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối, thiết bị di động và module nhận dạng thuê
bao UMTS (USIM: UMTS Subsscriber Identity Module). UTRAN gồm các hệ
thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC
(Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các BTS 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 định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng
thiết bị).
UE

Uu

UTRAN

CN

Iu

Iub
E
TE

Nút B
Nút B

R

RNC
Iur

EIR

ME
Nút B

Cu
USIM

Nút B

Gf
RNC

PSTN

ISDN

GMSC

MSC/VLR
F

Miền CS
C

D
HE
Gr

SGSN

HLR/AuC
Gc
Internet

GGSN
Gn

Miền PS

Gi

Hình 1.9. Kiến trúc UMTS

21

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

1.7.1. Thiết bị người sử dụng
UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của
người sử dụng. Có thể nói đây 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 điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của
UMTS. Điều này đạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí
tuệ tại các card thông minh.
1.7.1.1. Các đầu cuối
Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn
cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên cuả nó được chuyển thành đầu cuối. Các
nhà sản xuất chính đã đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trên các khái niệm mới, nhưng
trong thực tế chỉ một số ít là được đưa vào sản xuất. Mặc dù các đầu cuối dự kiến
khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ít phím
hơn so với 2G. Lý do chính là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ
số liệu hơn và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp cuả máy thoại di động, modem và
máy tính bàn tay.
Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện. Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến
(giao diện WCDMA). Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS. Giao
diện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối. Giao diện
này tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh.
Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải
tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng
các đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến 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)

 Đăng ký mật khẩu mới
 Thay đổi mã PIN
 Giải chặn PIN/PIN2
 Trình bầy IMEI
 Điều khiển cuộc gọi
Các phần còn lại cuả giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng
sẽ chọn cho mình đầu 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.

22


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

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

1.7.1.3. USIM
Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê
bao) cài cứng trên card. Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê
bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC. Điều này cho phép lưu nhiều
ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục
đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh). Ngoài ra có thể có
nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng.
USIM chứa các hàm và số liệu cần để 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 đối với USIM bằng cách nhập mã

PIN. Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập
mạng UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối
dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký.
1.7.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô
tuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN. Nó gồm các phần tử
đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng.
UTRAN được định 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.
1.7.2.1. RNC
RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm
gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập
dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một
cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh
(MSC).

23


TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

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 được đặt
vào RNC. Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9.
RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc và việc nó phục vụ nút nào. Người
sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC). Khi người sử
dụng chuyển vùng đến 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 đến CN. Chức năng
cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC). Mỗi nút B có một
RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó.
1.7.2.2. Nút B
Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện
kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu 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 "điều khiển công suất vòng
trong". Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu
cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín
hiệu từ các đầu cuối ở xa. Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác
nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B
luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối.
1.7.3. Mạng lõi
Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE. Miền
PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và
các mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thọai đến các mạng
khác bằng các kết nối TDM. Các nút B trong CN được kết nối với nhau bằng
đường trục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như
ATM và IP. Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử
dụng IP.
1.7.3.1. SGSN
SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là
nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện
IuPS và đến 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
đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao.

24