Bài giảng công nghệ 3g WCDMA UMTS

LỜI NÓI ðẦU
Ngày này thông tin di ñộng là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh
nhất với con số thuê bao ñã ñạt ñến 3,6 tỷ tính ñến cuối năm 2008. Khởi nguồn từ dịch
vụ thoại ñắt tiền cho một số ít người ñi xe, ñến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi
các thiết bị thông tin di ñộng thể hệ ba, thông tin di ñộng có thể cung cấp nhiều hình
loại dịch vụ ñòi hỏi tốc ñộ số liệu cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera,
MP3 và PDA. Với các dịch vụ ñòi hỏi tốc ñộ cao ngày các trở nên phổ biến này, nhu
cầu 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết.
ITU ñã ñưa ra ñề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di ñộng thế hệ ba với tên
gọi IMT-2000 ñể ñạt ñược các mục tiêu chính sau ñây:
√ Tốc ñộ truy nhập cao ñể ñảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập internet
nhanh hoặc các ứng dụng ña phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về các
dịch vụ này.
√ Linh hoạt ñể ñảm bảo các dịch vụ mới như ñánh số cá nhân toàn cầu và ñiện
thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng ñáng kể tầm phủ của các
hệ thống thông tin di ñộng.
√ Tương thích với các hệ thống thông tin di ñộng hiện có ñể ñảm bảo sự phát
triển liên tục của thông tin di ñộng .
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di ñộng thế hệ ba IMT-2000 ñã ñược
ñề xuất, trong ñó hai hệ thống WCDMA UMTS và cdma-2000 ñã ñược ITU chấp
thuận và ñã ñược ñưa vào hoạt ñộng. Các hệ thống này ñều sử dụng công nghệ CDMA
ñiều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ
thống thông tin ñộng thế hệ ba.
HSDPA (High Speech Downlink Packet Access: truy nhập gói ñường xuống
tốc ñộ cao) là một mở rộng của các hệ thống 3G WCDMA UMTS ñã có thể cung cấp
tốc ñộ lên ñến 10 Mbps trên ñường xuống. HSDPA là một chuẩn tăng cường của
3GPP-3G nhằm tăng dung lượng ñường xuống bằng cách thay thế ñiều chế QPSK
trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. HSDPA hoạt ñộng trên cơ sở kết hợp
ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng thích ứng ñường
truyền. Nó cũng ñưa ra một kênh ñiều khiển riêng ñể ñảm bảo tốc ñộ truyền dẫn số
liệu. Các kỹ thuật tương tự cũng ñược áp dụng cho ñường lên trong chuẩn HSUPA

(High Speech Uplink Packet Access). Hai công nghệ truy nhập HSDPA và HSUPA
ñược gọi chung là HSPA (High Speed Packet Data). ðể làm cho công nghệ 3GPP
UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh hơn nữa (chủ yếu là ñể cạnh tranh với các công
nghệ mới của 3GPP2 và WiMAX), 3GPP quyết ñịnh phát triển E-UTRA và EUTRAN (E: Elvolved ký hiệu cho phát triển) còn ñược gọi là siêu 3G (Super-3G) hay
LTE (Long Term Evolution) mà thực chất là giai ñoạn ñầu 4G. Công việc phát triển sẽ
tiến hành trong 10 năm và sau ñó như là sự phát triển dài hạn (LTE: Long Term
Evolution) của công nghệ truy nhập vô tuyến 3GPP. Trong giai ñoạn này tốc ñộ số liệu
ñạt ñược 30-100Mbps với băng thông 20MHz. Tiếp sau LTE, IMT-Adv (IMT tiên
tiến) sẽ ñược phát triển, ñây sẽ là thời kỳ phát triển của 4G với tốc ñộ từ 100 ñến 1000
Mbps và băng thông 100MHz. Hình L.1 cho thấy viễn cảnh của thông tin di ñộng 4G
về khả năng ñáp ứng tốc ñộ chuyển ñộng và và tốc ñộ truyền số liệu.
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

1


B3G: Broad Band 3G: 3G băng rộng
WLAN: Wirless Local Area Network: Mạng nội vùng không dây
BWA: Broad Band Wirless Access: truy nhập không dây băng rộng
Hình L.1. Viễn cảnh thông tin di ñộng 4G theo khả năng hỗ trợ tốc ñộ chuyển
ñộng và tốc ñộ truyền số liệu
Hiện nay tai Việt Nam băng tần I dành cho WCDMA ñã ñược chia là bốn khe
và ñược cấp phát cho bốn nhà khai thác: Viettel, VMS, GPC, EVN+HT. Trong các
năm tới 3GWCDMA UMTS sẽ ñược triển khai trên băng tần này.
Bài giảng “Giới thiệu công nghệ 3G WCDMA UMTS” nhằm cung cấp các khái
niệm cơ bản về công nghệ 3G WCDMA UMTS cho các cán bộ Tổng Công ty Viễn
Thông Quân ðội (Viettel).
Bài giảng bao gồm bốn chương. Chương ñầu trình bày khái quát chung về sự
phát triển của các hệ thống thông tin di ñộng lên 4G, kiến trúc chung của một mạng
3G; các kiến trúc R3, R4, R5 và R6 của mạng thông tin di ñộng 3G WCDMA UMTS.

Chương hai trình bầy ña truy nhập CDMA và các kỹ thuật liên quan ñược áp dụng cho
WCDMA. Chương ba giới thiệu giao diện vô tuyến cả WCDMA. Chương bốn giới
thiêu công nghệ ña truy nhập tốc ñộ cao HSPA
Các chương của tài liệu này ñều ñược kết cấu theo modul ñể học viên dễ học
học. Mỗi chương ñều có phần giới thiệu chung, nội dung và tổng kết.

Hà ðông ngày 12 tháng 6 năm 2009
Tác giả

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

2


MỤC LỤC
Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS ................................................ 5
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................................... 5
1.2. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ðỘNG LÊN 4G ........................... 5
1.3. KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ðỘNG 3G .. 7
1.4. CHUYỂN MẠCH KÊNH (CS), CHUYỂN MẠCH GÓI (PS), DỊCH VỤ
CHUYỂN MẠCH KÊNH VÀ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI. .......................... 8
1.5. CÁC LOẠI LƯU LƯỢNG VÀ DỊCH VỤ ðƯỢC 3GWCDMA UMTS HỖ
TRỢ........................................................................................................................... 11
1.6. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R3 .............................................................. 12
1.7. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4 .............................................................. 19
1.8. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 và R6 ................................................... 21
1.9. CHIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS .............................. 23
1.10. CẤU HÌNH ðỊA LÝ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ðỘNG 3G .......... 26
1.11. TỔNG KẾT...................................................................................................... 29
Chương 2 CÔNG NGHỆ ðA TRUY NHẬP CỦA WCDMA ..................................... 30

2.1. GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................... 30
2.2. TRẢI PHỔ VÀ ðA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ .......................... 30
2.3. ðIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ............................................................................. 34
2.4. CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG CDMA............................................... 34
2.5. MÁY THU PHÂN TẬP ðA ðƯỜNG HAY MÁY THU RAKE ..................... 36
2.6. CÁC MÃ TRẢI PHỔ SỬ DỤNG TRONG WCDMA ...................................... 37
2.7. TRẢI PHỔ VÀ ðIỀU CHẾ ðƯỜNG LÊN ...................................................... 39
2.8. TRẢI PHỔ VÀ ðIỀU CHẾ ðƯỜNG XUỐNG................................................ 41
2.9. TỔNG KẾT........................................................................................................ 44
Chương 3 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS ..................................... 45
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................... 45
3.2. MỞ ðẦU ........................................................................................................... 45
3.3. KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC CỦA GIAO DIỆN VÔ TUYẾN
WCDMA/FDD.......................................................................................................... 46
3.4. CÁC THÔNG SỐ LỚP VẬT LÝ VÀ QUY HOẠCH TẦN SỐ ....................... 48
3.5. CÁC KÊNH CỦA WCDMA ............................................................................. 51
3.6. CẤU TRÚC KÊNH VẬT LÝ RIÊNG .............................................................. 59
3.7. SƠ ðỒ TỔNG QUÁT MÁY PHÁT VÀ MÁY THU WCDMA ...................... 60
3.8. PHÂN TẬP PHÁT............................................................................................. 61
3.9. ðIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG WCDMA ............................................. 63
3.10. CÁC KIỂU CHUYỂN GIAO VÀ CÁC SỰ KIỆN BÁO CÁO TRONG
WCDMA ................................................................................................................... 66
3.11. CÁC THÔNG SỐ MÁY THU VÀ PHÁT VÔ TUYẾN CỦA UE ................. 68
3.12. AMR CODEC CHO W-CDMA ...................................................................... 68
3.13. TỔNG KẾT...................................................................................................... 69
Chương 4 TRUY NHẬP GÓI TỐC ðỘ CAO (HSPA) ................................................ 70
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

3

4.1. GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................... 70
4.2. TỔNG QUAN TRUY NHẬP GÓI TỐC ðỘ CAO (HSPA)............................. 70
4.3. KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN HSPA
CHO SỐ LIỆU NGƯỜI SỬ DỤNG ......................................................................... 71
4.4. TRUY NHẬP GÓI TỐC ðỘ CAO ðƯỜNG XUỐNG (HSDPA) ................... 73
4.5. TRUY NHẬP GÓI TỐC ðỘ CAO ðƯỜNG LÊN (HSUPA) .......................... 84
4.6. CHUYỂN GIAO TRONG HSDPA ................................................................... 90
4.7. TỔNG KẾT........................................................................................................ 93
Thuật ngữ và viết tắt...................................................................................................... 95
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………..100

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

4


Chương 1
TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.1. Mục ñích chương
• Hiểu lộ trình phát triển thông tin di ñộng lên 4G
• Hiểu ñược kiến trúc tổng quát của một mạng thông tin di ñộng 3G.
• Hiểu các kiến trúc mạng 3G WCDMA UMTS: R3, R4 và R5 và chiến lược
chuyển dịch GSM lên 3G UMTS

1.1.2. Các chủ ñề ñược trình bầy trong chương
• Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di ñộng lên 4G
• Kiến trúc chung của một mạng thông tin di ñộng 3G
• Các khái niệm về các dịch vụ chuyển mạch kênh và các dịch vụ chuyển mạch

gói
• Các loại lưu lượng và các loại dịch vù mà 3G WCDMA UMTS có thể hỗ trợ
• Kiến trúc 3G WCDMA UMTS qua các phát hành khác nhau: R3, R4, R5 và R6
• Chiến lược chuyển dịch GSM lên 3G UMTS

1.1.3. Hướng dẫn
• Học kỹ các tư liệu ñược trình bầy trong chương
• Tham khảo thêm các tái liệu tham khảo cuối tài liệu

1.2. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ðỘNG LÊN 4G

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di ñộng lên 4G ñược cho trên hình
1.1 và lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP ñược cho trên hình 1.2..

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

5


AMPS: Advanced Mobile Phone System
TACS: Total Access Communication System
GSM: Global System for Mobile Telecommucations
WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access
EVDO: Evolution Data Only
IMT: International Mobile Telecommnications
IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers
WiFi: Wireless Fidelitity
WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access
LTE: Long Term Evolution
UMB: Untra Mobile Broadband

Hình 1.1. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di ñộng lên 4G

Hình 1.2. Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP
Hình 1.3. cho thấy lộ trình tăng tốc ñộ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

hx
Hình 1.3. Lộ trình tăng tốc ñộ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

6


1.3. KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ðỘNG 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.

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 1.4. 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
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

7


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

1.4. CHUYỂN MẠCH KÊNH (CS), CHUYỂN MẠCH GÓI (PS), DỊCH VỤ
CHUYỂN MẠCH KÊNH VÀ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI.

3G cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh như tiếng, video và các dịch vụ
chuyển mạch gói chủ yếu ñể truy nhập internet.
Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch) là sơ ñồ chuyển mạch trong ñó thiết
bị chuyển mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối chiếm một tài
nguyên mạng nhất ñịnh trong toàn bộ cuộc truyền tin. Kết nối này là tạm thời, liên tục
và dành riêng. Tạm thời vì nó chỉ ñược duy trì trong thời gian cuộc gọi. Liên tục vì nó
ñược cung cấp liên tục một tài nguyên nhất ñịnh (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 ñài của
TTDð 2G thực hiện chuyển mạch kênh trên trên cơ sở ghép kênh theo thời gian trong
ñó mỗi kênh có tốc ñộ 64 kbps và vì thế phù hợp cho việc truyền các ứng dụng làm
việc tại tốc ñộ cố ñịnh 64 kbps (chẳng hạn tiếng ñược mã hoá PCM).
Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch) là sơ ñồ chuyển mạch thực hiện phân
chia số liệu của một kết nối thành các gói có ñộ dài nhất ñịnh và chuyển mạch các gói
này theo thông tin về nơi nhận ñược 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 ñược thực hiện bằng ghép kênh thống kê với ấn ñịnh tài nguyên
ñộng. Các công nghệ sử dụng cho chuyển mạch gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc
IP.
Hình 1.5. cho thấy cấu trúc của CS và PS.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

8


Hình 1.5. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS).
Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service) là dịch vụ trong ñó mỗi ñầu cuối

ñược 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 ñược thực hiện trên chuyển mạch kênh
(CS) hoặc chuyển mạch gói (PS). Thông thường dịch vụ này ñược áp dụng cho các
dịch vụ thời gian thực (thoại).
Dịch vụ chuyển mạch gói (PS Service) là dịch vụ trong ñó nhiều ñầu cuối cùng
chia sẻ một kênh và mỗi ñầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này khi có
thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lượng tin ñược truyền trên kênh. Dịch
vụ chuyển mạch gói chỉ có thể ñược 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 ñược 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 ñộ truyền dị bộ) là công nghệ thực
hiện phân chia thông tin cần phát thành các tế bào 53 byte ñể truyền dẫn và chuyển
mạch. Một tế bào ATM gồm 5 byte tiêu ñề (có chứa thông tin ñịnh 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 ñịnh tuyến
tiêu ñề mà không thực hiện phát hiện lỗi trong từng tế bào. Thông tin ñịnh tuyến trong
tiêu ñề gồm: ñường dẫn ảo (VP) và kênh ảo (VC). ðiều 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 ñộ linh hoạt cao. Thông thường VP ñược thiết lập
trên cơ sở số liệu của hệ thống tại thời ñiểm 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 ñiều khiển chất lượng liên kết.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

9

Chuyển mạch hay Router IP (Internet Protocol) cũng là một công nghệ thực
hiện phân chia thông tin phát thành các gói ñược gọi là tải tin (Payload). Sau ñó mỗi
gói ñược gán một tiêu ñề chứa các thông tin ñịa chỉ cần thiết cho chuyển mạch. Trong
thông tin di ñộng do vị trí của ñầu cuối di ñộng thay ñổi nên cần phải có thêm tiêu ñề
bổ sung ñể ñịnh tuyến theo vị trí hiện thời của máy di ñộng. Quá trình ñịnh tuyến này
ñược gọi là truyền ñường hầm (Tunnel). Có hai cơ chế ñể thực hiện ñiều này: MIP
(Mobile IP: IP di ñộng) và GTP (GPRS Tunnel Protocol: giao thức ñường hầm
GPRS). Tunnel là một ñường truyền mà tại ñầu vào của nó gói IP ñược ñóng bao vào
một tiêu ñề mang ñịa chỉ nơi nhận (trong trường hợp này là ñịa chỉ hiện thời của máy
di ñộng) và tại ñầu ra gói IP ñược tháo bao bằng cách loại bỏ tiêu ñề bọc ngoài (hình
1.6).

Hình 1.6. ðóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền tunnel
Hình 1.7 cho thấy quá trình ñịnh tuyến tunnel (chuyển mạch tunnel) trong hệ
thống 3G UMTS từ tổng ñài gói cổng (GGSN) cho một máy di ñộng (UE) khi nó
chuyển từ vùng phục vụ của một tổng ñài gói nội hạt (SGSN1) này sang một vùng
phục vụ của một tổng ñài gói nội hạt khác (SGSN2) thông qua giao thức GTP.

Hình 1.7. Thiết lập kết nối tunnel trong chuyển mạch tunnel
Vì 3G WCDMA UMTS ñược phát triển từ những năm 1999 khi mà ATM là
công nghệ chuyển mạch gói còn ngự trị nên các tiêu chuẩn cũng ñược xây dựng trên
công nghệ này. Tuy nhiên hiện nay và tương lai mạng viễn thông sẽ ñược xây dựng
trên cơ sở internet vì thế các chuyển mạch gói sẽ là chuyển mạch hoặc router IP.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

10

1.5. CÁC LOẠI LƯU LƯỢNG VÀ DỊCH VỤ ðƯỢC 3GWCDMA UMTS
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:
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 Rb phục vụ như sau:
• Vùng 1: trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2Mbps
• Vùng 2: thành phố, ô micro, Rb ≤ 384 kbps
• Vùng 2: ngoại ô, ô macro, Rb ≤ 144 kbps
• Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 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 di Dịch vụ di ñộng
ñộng

Dịch vụ chi tiết
Di ñộng ñầu cuối/di ñộng cá nhân/di ñộng dịch
vụ

Dịch vụ thông tin - Theo dõi di ñộng/ theo dõi di ñộng thông
ñịnh vị
minh
Dịch vụ âm thanh

Dịch vụ Dịch vụ số liệu
viễn thông

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

- 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 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)
11


Kiểu

Phân loại

Dịch
vụ
phương tiện

Dịch vụ chi tiết
ña - 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 Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps-2Mbps)
ñơn giản
Dịch vụ Dịch vụ Internet Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)
Internet
thời gian thực
Dịch vụ internet Dịch vụ Website ña phương tiện thời gian thực
ña phương tiện
(≥ 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.

1.6. KIẾN TRÚC 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 1.8). 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).

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

12


Hình 1.8. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

1.6.1. 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.

1.6.1.1. 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)
• ðăng ký mật khẩu mới
• Thay ñổi mã PIN
• Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

13


•
•

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.

1.6.1.2. 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.

1.6.1.3. 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.

1.6.2. 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.

1.6.2.1. 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).
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

14


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 1.9. 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 1.9. Vai trò logic của SRNC và DRNC

1.6.2.2. 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.

1.6.3. 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
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.
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

15


1.6.3.1. SGSN
SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là nút
chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối 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

1.6.3.2. 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.

1.6.3.3. 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.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

16


1.6.3.4. 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.
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.

1.6.3.5. 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.

1.6.3.6. 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.

1.6.3.7. 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.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

17


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.
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.

1.6.4. 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
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

18

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.

1.6.5. 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 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.

1.7. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4
Hình 1.10 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.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

19


Hình 1.10. 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
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 1.10 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.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

20


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 1.10 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 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.

1.8. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 và R6
Bước phát triển tiếp theo của UMTS là ñưa ra kiến trúc mạng ña phương tiện IP
(hình 1.11). 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.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

21


Hình 1.11. 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 1.11 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 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.
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

22


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 TSGW 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 1.12.

Hình 1.12. Chuyển ñổi dần từ R4 sang R5

1.9. CHIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS
Trong phần này ta sẽ xét chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS của hãng
Alcatel. Alcatel dự kiến phát triển RAN từ GSM lên 3G UMTS theo ba phát hành:
3GR1, 3GR2 và 3GR3. Với mỗi phát hành, các sản phẩm mới và các tính năng mới
ñược ñưa ra.

1.9.1. 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn
Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các ñặc tả kỹ
thuật vào tháng 6 năm 2000. Phát hành ñầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA-FDD và sẽ
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

23


ñược triển khai chồng lấn lên GSM. Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS phát
hành 3GR1 ñược chia thành ba giai ñoạn ñược ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3 (R:
Release: phát hành). Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năng mới
ñược ñưa ra. Các nút B ñược gọi là MBS (Multistandard Base Station: trạm gốc ña tiêu

chuẩn). Tuy nhiên MBS V1 chỉ ñơn thuần là nút B, chỉ MBS V2 mới thực sự ña tiêu
chuẩn và chứa các chức năng của cả nút B và BTS trong cùng một hộp máy. Tương tự
RNC V2 và OMC-R V2 ñược ñưa ra ñể phục vụ cho cả UMTS và GSM.
Hình 1.13 cho thấy kiến trúc ñồng tồn tại GSM và UMTS ñược phát triển trong
giai ñoạn triển khai UMTS ban ñầu (3GR1.1).

Hình 1.13. Kiến trúc ñồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1)

1.9.2. 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM
Trong giai ñoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp ñầu tiên giữa hai mạng sẽ
ñược thực hiện bằng cách ñưa ra các thiết bị ña tiêu chuẩn như: Nút B kết hợp BTS
(MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2). Các chức năng khai thác và bảo dưỡng
mạng vô tuyến cũng có thể ñược thực hiện chung bởi cùng một OMC-R (V2). Hình
1.14 mô tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai ñoạn hai.

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

24


Hình 1.14. Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1).

1.9.3. 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất
Trong kiến trúc RAN của phát hành này ñược xây dựng trên cơ sở phát hành R5
vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP. Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống
UMTS và GSM. Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD ñều ñược hỗ trợ. Giao thức truyền
tải ñược thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP.
GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ ñược hỗ trợ bởi phát hành này của mạng. Kiến
trúc RAN của 3GR1.3 ñược thể hiện trên hình 1.15.

Hình 1.15. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

25