Nghiên cứu kỹ thuật giám sát thuê bao di động 3g

ii
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN&TRUYỀN THÔNG

ĐOÀN THÀNH TRUNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT GIÁM SÁT THUÊ
BAO DI ĐỘNG 3G

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, năm 2015


ii
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ của mình, em xin gửi lời cảm ơn chân thành
tới các thầy cô trường Đại học Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông - Đại học
Thái Nguyên đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt
quá trình học tập và hoàn thành Luận văn Thạc sĩ.
Em xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Ngọc Cương - Người trực tiếp chỉ bảo,
hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn Thạc sĩ.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động
viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015


ii

LỜI CAM ĐOAN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi có tham khảo một số tài liệu từ nhiều
nguồn khác nhau như đã liệt kê trong phần tài liệu tham khảo. Các nghiên cứu
trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu biết thực tế. Các
phần còn lại, tôi xin cam đoan là do tôi tự tìm hiểu để viết ra. Nếu có bất kỳ sự sai
xót nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày

tháng

Đoàn Thành Trung

năm 2015


3

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................i
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VÀ HẠ TẦNG THÔNG DI ĐỘNG 3G ............3
1. Thông tin di động toàn cầu ......................................................................................3
1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động Việt Nam ......................................................4
1.2 Dịch vụ di động 3G................................................................................................5
1.2.1 Thoại kém hình ảnh(Video call) .....................................................................5
1.2.2 Điện thoại internet(Mobile Internet) ..............................................................5
1.2.3 Điện thoại truyền hình (Mobile TV) ...............................................................5
2. Kiến trúc mạng lõi UMTS .......................................................................................5
2.1 Họ công nghệ 3G/WCDMA ..................................................................................8
2.1.1. Công nghệ WCDMA( Wideband Code Division Multiple Access ) ..............8

2.1.2 Công nghệ HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) ..........................9
2.1.3 Công nghệ HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access).............................12
2.1.4 Công nghệ HSPA+ .......................................................................................13
2.2 Mô hình mạng tiến hóa từ 2G/GSM lên 3G/ UMTS HSDPA .............................16
2. 3 Cơ chế bảo mật trong 3G ....................................................................................17
CHƯƠNG 2. CÁC TỔ CHỨC VÀ TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ VỀ GIÁM SÁT HỢP
PHÁP..............................................................................................................................22
2.1. ETSI và mô hình tham chiếu LI .........................................................................22
2.1.1 Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) ................................................22
2.1.2 Mô hình tham chiếu giám sát hợp pháp(LI- Lawful Interception)...............22
2.2.Tiêu chuẩn giám sát mạng 3G .............................................................................23
2.2.1 ATIS/TIA và bộ tiêu chuẩn J-STD-025B ......................................................23
2.2.2 3GPP và bộ tiêu chuẩn 3GPP TS 33.106, 33.107, 22.108...........................24
2.3 Giới thiệu mô hình giám sát thuê bao mạng 3G WCDMA .................................24


4

2.3.1 Mô hình hệ
thống..........................................................................................25
2.3.2 Cơ chế hoạt động..........................................................................................26
2.3.3 Kỹ thuật giám sát tại điểm giám sát IAP ......................................................32
2.4. Giải pháp của một số hãng..................................................................................33
Xcipio của SS8 Network ........................................................................................33
CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH GIÁM SÁT MẠNG 3G VÀ .........................37
TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM.......................................................................................37
3.1 Mô hình hệ thống giám sát ..................................................................................37
3.1.1 Điểm giám sát tại IAP (Internet Acess Provider) .......................................38
3.1.2 Máy chủ Trung tâm giám sát MC: ...............................................................39
3.1.2 Máy chủ hệ thống quản lý các trình khách WSS:.........................................39

3.1.3 Máy chủ quản trị máy khách giám sát từ xa – LI IMS Client: .....................40
3.1.4 Modul nền phần mềm giám sát máy trạm – WSC:
.......................................40
3.1.5 Máy chủ hệ thống truy nhập dữ liệu tệp – FAS: ..........................................41
3.1.6 Máy chủ quản lý truyền dữ liệu – STM: .......................................................41
3.1.7 Máy chủ quản trị cơ sở dữ liệu giám sát – LI Database:.............................42
3.1.8 Máy chủ xử lý trung tâm – IPS: ...................................................................42
3.1.9 Máy chủ chức năng tạo dữ liệu multimedia – FC:.......................................42
3.1.10 Máy chủ giao diện HI- FEIS: .....................................................................43
3.2 Cơ chế hoạt động hệ thống giám sát
....................................................................43
3.3 Phát triển modul giám sát thoại (VoIP) trong hệ thống.......................................45
3.3.1 Thiết kế user case ứng dụng giám sát ..........................................................45
3.3.2. Thiết kế giao diện ........................................................................................47
3.3.3 . Xây dựng modul chương trình giám sát .....................................................47
3.3.4 Kiến trúc hệ thống triển khai thử nghiệm.....................................................63
3.4 Thử nghiệm hệ thống và kết quả .........................................................................63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................65


5

TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................66
PHỤ LỤC .......................................................................................................................67
I. Hướng dẫn sử dụng phần mềm ............................................................................67
II.

Tích hợp cơ sở dữ liệu tham chiếu ...................................................................72

6

Viết tắt
ADMF

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt
Tiếng anh
Tiếng việt
ADMinistration Function

Chức năng quản trị

Access Function

Chức năng truy cập

ASP

Application Services Provider

Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

Access Provider

Nhà cung cấp dịch vụ truy nhập

ASP

Application services Provider

Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng

AUC

Authentication Center

Trung tâm xác thực

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

Communication Assistance for

Cơ quan phụ trác các vấn đề về

Law Enforcement Act

truyền thông cho các lực lượng thực

Collection Box

thi pháp luật
Bộ thu thập

CSCF

Call Session Control Function

Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi

CSDF

Circuit Switch Delivery Function

Chức năng phân phối chuyển mạch

Code Division Multiple Access

kênh
Đa truy cập phân chia theo mã

Delivery Function

Chức năng phân phối

DCN

Data Communication Network

Mạng truyền thông dữ liệu

EIF

External Interception Function

Chức năng giám sát ngoại mạng

EIR

Equipment Identity Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

ESP

Enterprise Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ cho doanh

ETSI

nghiệp
European_Telecommunication_St Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu

FCC

andards_Institute
Federal Communication

Âu
Ủy ban Truyền thông liên bang Mỹ

GSN

Committee
GPRS Service Node

Nút dịch vụ GPRS

GUI

Graphical User Interface

Giao diện đồ họa người sử dụng

Handover Interface

Giao diện chuyển giao

Intercept Access Provider

Điểm truy cập giám sát

AF

AP

CALEA

CB

CDMA
DF

HI
IAP


vii

IF

Intercepting Function

Chức năng giám sát

IIF

Internal Interception Function

Chức năng giám sát nội mạng

IP

Internet Protocol

Giao thức IP

IRI

Intercept-Related Information

Thông tin giám sát liên quan

LI

Lawful Interception

Giám sát hợp pháp

ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

MC

Monitoring

Trung tâm giám sát

MF

Mediation Function

Chức năng trung gian

Media Geteway Control Function

Chức năng điều khiển cổng phương

MGW

Media Gateway

tiện
Cổng phương tiện

NAP

Network Access Point

Điểm truy cập mạng

SAS

Surviellance Administration

Hệ thống quản lý giám sát

SIP

System
Session Initialization Protocol

Giao thức khởi tạo phiên

SS7

Common Channel Signaling

Hệ thống báo hiệu kênh chung số 7

TDM

System
Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời gian

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

Voice over Internet Protocol

Thoại qua IP

Wideband Code Division Multiple

Đa truy cập phân chia mã băng thông

Access

rộng

MGCF

TDMA
VoIP

WCDMA

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

viii

Danh mục bảng vẽ
Hình 1.1 Thời điểm ra đời các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông ............................... 5
Hình 2.1: Kiến trúc chung UMTS............................................................................... 6
Hình 2.2: Mô hình phân tập người sử dụng .............................................................. 11
Hình 2.3 Mô hình thu phát MIMO.......................................................................... 15
Hình 2.4 Mô hình tiến hóa từ 2G/GSM lên 3G/UMTS HSDPA .............................. 17
Hình 2.5 Cơ chế sát thực AKA ................................................................................ 19
Hình 3.2 Mô hình tham chiêu LI............................................................................... 23
Hình 4.1Mô hình xây dựng hệ thống giám sát mạng 3G .......................................... 38
Hình 4.2: Thiết kế user case ứng dung...................................................................... 45
Hình 4.3: Sơ đồ khối thiết kế ứng dụng .................................................................... 47
Hình 4.4 Kiến trúc hệ thống triển khai thử nghiệm .................................................. 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

1

MỞ ĐẦU
Đề tài: “ Nghiên cứu kỹ thuật giám sát thuê bao di động 3G”
Thời gian thực hiện: từ tháng 4/2014 đến tháng 4/2015.

1. Đặt vấn đề
Tìm hiểu các kỹ thuật để giám sát hệ thống mạng thuê bao di động là một
vấn đề khoa học nhằm ứng dụng trong lĩnh vực an ninh an toàn thông tin .
Hiện nay, trên thế giới tại các quốc gia tiên tiến như Mỹ, Anh, Tây Âu, Nhật
bản, Trung Quốc, vấn đề nghiên cứu này rất được phát triển nhưng cũng chưa xây
dựng được các bộ tiêu chuẩn thống nhất cho mạng giám sát hợp pháp(LI) và các
quy chuẩn cho các nhà mạng.
Các kỹ thuật giám sát hiện nay được các hãng như Công ty Ericsson[5], Công
ty Nice[6]… đưa ra với các "giải pháp đóng", đòi hỏi phải mua các phần mềm lõi,
các phần cứng nền rất khó phát triển cho các quốc gia có tiềm lực khoa học, công
nghệ chưa đủ mạnh như Việt Nam và một nước đang phát triển khác. Vì vậy, việc
nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ giám sát thuê bao di động của nước ngoài sau đó
cải tiến, phát triển các mô hình, các modul phần mềm nhằm làm chủ và ứng dụng
vào các mạng thông tin di động tại nước ta là một yêu cầu có tnh chất tự
nhiên trong nghiên cứu khoa học. Đây chính là mục tiêu của bản luận văn với
đề tài Nghiên cứu kỹ thuật giám sát thuê bao di động 3G do chúng tôi thực hiện.
2. Mục têu đề tài:
-

Làm chủ về kỹ thuật và các modul phần mềm trong hệ thống giám sát hợp
pháp thuê bao 3G.

-

Phát triển các mô hình kỹ thuật giám sát hệ thống từ một nhà cung cấp
dịch vụ và có khả năng giám sát dịch vụ qua giao thức IP: thoại VoiIP.

-

Phát triển một số modul phần mềm trong bộ phần mềm của các hãng

phần mềm trên thế giới thành giao diện tiếng Việt trực quan, dễ sử dụng
và phù hợp với các mô hình nhà mạng tại Việt Nam.

- Cài đặt và tích hợp thêm phần mềm CSDL của dữ liệu thuê bao vào hệ thống
3. Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu lịch sử phát triển thông tin di động tại Việt Nam.
- Nghiên cứu hạ tầng và dịch vụ thông tin di đông 3G.
-

Nghiên cứu các tổ chức, tiêu chuẩn và mô hình giám sát hợp pháp thuê
bao di động 3G trên thế giới.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

2

-

Nghiên cứu kỹ thuật giám sát hợp pháp thuê bao di động 3G tại nhà cung
cấp dịch vụ đường truyền- IAP của hãng trên thế giới và phát triển mô
hình giám sát mạng di động 3G.

4. Phạm vi nghiên cứu:
- Khảo sát mô hình, thử nghiệm kỹ thuật giám sát dịch vụ VoiIP của thuê bao
3G.
-

Các modul phần mềm của các hãng và hệ quản trị cơ sở dữ liệu thông dụng

nhằm phát triển và ứng dụng tại Việt Nam.

5. Các kết quả mới của luận văn
-

Phát triển mô hình giám sát phù hợp với điều kiện hạ tầng mạng và công
nghệ của các nhà mạng tại Việt Nam.

-

Phát triển một số modul phần mềm phù hợp với yêu cầu đặc thù sử dụng
của các đơn vị ứng dụng dựa trên phần mềm nền đã được thế giới chuẩn
hóa.

-

Xây dựng và tch hợp dữ liệu thuê bao vào hệ thống phù hợp với yêu cầu sử
dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VÀ HẠ TẦNG THÔNG DI ĐỘNG 3G
1. Thông tn di động toàn cầu
Thông tin liên lạc luôn là nhu cầu cần thiết và đóng vai trò quan trọng trong
đời sống xã hội. Để đáp ứng nhu cầu này, khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực thông
tin đã đưa ra nhiều hình thức liên lạc ngày càng tiện nghi hơn, chất lượng tốt hơn.

Mặc dù các hệ thống thông tin di động thử nghiệm đầu tiên được sử dụng
vào những năm 1930 – 1940 [8] trong các sở cảnh sát Hoa Kỳ nhưng các hệ thống
điện thoại di động thương mại thực sự chỉ ra đời vào khoảng cuối những năm 1970
đầu những năm 1980. Các hệ thống điện thoại thế hệ đầu sử dụng công nghệ
tương tự và được gọi là các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất - 1G. Hệ
thống thông tin di động 1G ra đời đánh dấu sự thành công trong việc giải quyết các
bài toán khó khi đó liên quan đến việc kết hợp truyền dẫn thông tin giữa các vùng
phủ sóng riêng lẻ( ngày nay gọi là các tế bào).
Hệ thống di động 1G sử dụng phương tức đa truy cập phân chia theo tần
số (FDMA) với dung lượng thấp chỉ cung cấp dịch vụ thoại đơn thuần. Thời gian
này có thể kể đến các hệ thống NMT( Bắc Âu), TACS( Anh ) và AMPS( Mỹ ).
Đến những năm 1980, khi số lượng các thuê bao trong mạng tăng lên, hệ
thống trở lên quá tải, các nhà phát triển công nghệ di động nhận thấy cần phải có
biện pháp nâng cao dung lượng truyền dẫn, cải thiện chất lượng các cuộc đàm thoại
cũng như cung cấp thêm một số dịch vụ bổ sung cho mạng đáp ứng yêu cầu truyền
số liệu tốc độ thấp. Để giải quyết vấn đề này, hệ thống thông tin di động thế hệ hai
–
2G ra đời, sự dụng hoàn toàn kỹ thuật xử lý tn hiện số. Cũng tương tự thời gian
trước, giai đoạn này trên thế giới xuất hiện nhiều hệ thống sử dụng các công
nghệ khác nhau không tương thích, bao gồm: GSM (Châu Âu), D-AMPS sử dụng
công nghệ đã truy nhập phân chia theo thời gian TDMA; và IS – 95 (Mỹ và Hàn
Quốc) sử dụng công nghệ đã truy nhập phân chia theo mã CDMA băng hẹp. Sự
phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ thứ hai cùng các tiện ích của nó làm
bùng nổ lượng thuê bao di động trên toàn cầu. Theo số liệu thông kê của Hiệp hội
các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động toàn cầu GSA, tnh đến thời điểm tháng
3/2011 trên toàn thế giới hiện có 5 tỉ thuê bao gi động 2G và con số này vẫn còn
không ngừng tăng lên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

4

Thế giới di động 2.5 G có vai trò là bước đệm chuyển tiếp từ 2G lên 3G. Bằng
việc bổ sung hạ tầng phục vụ truyền dẫn dữ liệu gói và tăng dung lượng trên các
kênh tần số vô tuyến có thể lên tới 384kbps, kếp hợp với thực hiện tối ưu hóa cho
dữ liệu gói truy nhập Internet từ các thiết bị đầu cuối. Thế hệ này có thể kể đến
các công nghệ GPRS/EDGE (phát triển từ hệ thống 2G TDMA), 1XRTT (phát triển từ
hệ thống 2G CMDA). Trên cùng một mạng lưới 2G, 2.5G đã đưa Internet vào thế
giới thông tin di đông. Đây thực sự là một bước tiến quan trọng mở ra kiến trúc
mạng lai ghép trong hệ thống viễn thông di động.
Theo số liệu thống kê của GSA và CDG (Nhóm các nhà phát triển CDMA), tnh
đến hết Q4/2012, trên thế giới hiện có tổng số khoảng 1.77 tỉ thuê bao 3G,
trong đó khoảng 1.14 tỉ thuê bao họ WCDMA được cung cấp dịch vụ bởi 410 nhà
khai thác trên 162 nước và 626 triệu thuê bao họ CDMA2000 được cung cấp dịch
vụ bởi 338 nhà khai thác trên 124 nước.
1.1 Lịch sử phát triển thông tn di động Việt Nam
Việt Nam là một nước đi sau về thông tin di động, ngay từ thời gian đầu đã coi
đây là một lĩnh vực quan trọng thúc đẩy sự phát triển của đất nước. Năm 1993,
công ty thông tin di động (VMS), doanh nghiệp Nhà nước trực thuộc Tập đoàn
Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) đã trở thành doanh nghiệp đầu tiên khai
thác dịch vụ thông tin di động GSM 900/1800 với thương hiệu MobiFone, đánh dấu
cho sự khởi đầu của ngành thông tin di động Việt Nam. Đến năm 1997, công ty
Dịch vụ viễn thông Vinaphone (doanh nghiệp Nhà nước trực thuộc VNPT) được
thành lập, là doanh nghiệp thứ hai hoạt động trong lĩnh vực này. Độc quyền cung
cấp dịch vụ trong 10 năm đầu, MobiFone và Vinaphone không hề có đối thủ cạnh
tranh.
Năm 2003, công ty cổ phần Dịch vụ Bưu chính Viễn thông Sài Gòn (SPT) ra mắt
mạng thông tin di động thứ 3 tại Việt Nam, đã chấm dứt hình ảnh độc quyền trong

lĩnh vực cung cấp dịch vụ thông tin di động tại Việt Nam mà từ lâu đã do VNPT
thống trị. Không những thế, S-fone táo bạo lựa chọn sử dụng công nghệ mới CDMA
cho hệ thống mạng lưới của mình, công nghệ CDMA lần đầu tiên có mặt tại Việt
Nam. Với mục đích đầy tham vọng của SPT: thay máu cho thị trường thông tin di
động Việt Nam cả về công nghệ lẫn dịch vụ. Tuy nhiên, thực tế đã không được như
SPT mong đợi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

5

Năm 2004, sự xuất hiện của Viettel Mobile, đơn vị chủ quản là Công ty Viễn
thông Quân đội (tiền thân của Tập đoàn Viễn thông Quân đội - Viettel) đã thực sự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

6

mang đến một luồng gió mới cho thị trường thông tin di động Việt Nam. Tuy theo
bước các đàn anh VNPT lựa chọn công nghệ GSM, nhưng Viettel đã làm được cái mà
SPT không làm được, chiếm lĩnh vị trí số 1 tại thị trường Việt Nam. Viettel ra đời
đã mang sự phổ cập của dịch vụ di động đến đông đảo các tầng lớp nhân dân trong
xã hội. Sự phát triển thần tốc và các chính sách dịch vụ, giá cước mới mẻ, táo bạo
ngay từ khi tham gia thị trường đã mang đến sự thành công không tưởng cho
Viettel.

Hình 1.1 Thời điểm ra đời các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông

1.2 Dịch vụ di động 3G
1.2.1 Thoại kém hình ảnh(Video call)
Video call là dịch vụ thoại có hình cho phép các thuê bao di động khi đang
đàm thoại có thế thấy hình ảnh trực tiếp của nhau thông qua camera của máy điện
thoại di động.
1.2.2 Điện thoại internet(Mobile Internet)
Mobile Internet là dịch vụ truy nhập Internet trực tiếp từ máy điện thoại
di động thông qua các công nghệ truyền dữ liệu GPRS/EDGE/3G của nhà cung cấp
dịch vụ.
1.2.3 Điện thoại truyền hình (Mobile TV)
Mobile TV là dịch vụ giúp khách hàng xem truyền hình trong nước, quốc tế
trực tiếp, xem các nội dung theo yêu cầu (ca nhạc chọn lọc, phim truyện đặc sắc,
video clip,...) ngay trên màn hình máy điện thoại di động.
Ngoài ra còn nhiều dịch vụ khác như : Game online, Mobile Music, Mobile
Clip, Mobile Email, Mobile Map…
2. Kiến trúc mạng lõi UMTS
Họ công nghệ 3G/WCDMA được quản lý và tiêu chuẩn hóa bới tổ chức quốc
tế 3GPP. Trong toàn bộ tài liệu này,[13] xem như họ công nghệ 3G/WCDMA bao
gồm WCDMA của giai đoạn đầu và HSPA của các phiên bản về sau. Để có cái nhìn rõ
ràng hơn, phần này cũng trình bầy về mối quan hệ giữa họ công nghệ
3G/WCDMA và kiến trúc UMTS.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

7

Hình 1.2: Kiến trúc chung UMTS
Phiên bản đầu tiên đánh dấu sự ra đời của họ 3G/WCDMA được tổ chức
3GPP phát hành vào Q1/2000. Giai đoạn này, kiến trúc mạng hộ trợ cả kết nối

chuyển mạch kênh và kết nối chuyển mạch gói: trong miền CS, tốc độ tối đa có thể
lên đến 384 Kbps và 2Mbps trong miền PS. Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn
đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh. Miền
CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được truyền trên miền PS.
Phiên bản tiếp theo Rel.4 được 3GPP phát hành vào Q2/2001. Sự khác nhau
cơ bản giữa Rel.99 và Rel.4 là ở chỗ trong phiên bản Rel.4 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
được đưa vào. Phiên bản này tập trung vào việc cải tiến môi trường truyền dẫn
trong miền mạng lõi của hệ thống.
Về căn bản, MSC được chia thành các MSC server và cổng các phương tiện
MGW. MSC server chứa tất cả các điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một
MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển
mạch nằm trong MGW được MSC server điểu khiển và có thể cài đặt xa MSC
server.
Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC
và MSC server. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện
giữa RNC và MGW. Thông thường, MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định
tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói. Trong nhiều trường
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />ĐHTN


8

hợp trục gói sử dụng giao thức RTP/IP. Các số liệu và tiếng đều có thể sử dụng
truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng chuyển tải hoàn toàn IP.
Tại biên, nơi mà các cuộc gọi cần định tuyến đến một mạng khác, ví dụ như
PSTN, MGW sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa
đến mạng PSTN. Việc chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này. Phương pháp
truyền tải này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần, nhất là khi các MGW

cách xa nhau.
Giao thức được sử dụng điều khiển giữa MSC server và MGW là ITU H.248
(MEGACO). 3GPP khuyến nghị sủ dụng giao thức BICC trong điều khiển cuộc gọi
giữa MSC server và GMSC server trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU.
Cổng báo hiểu SS7 có chức năng truyền tải bản tin báo hiệu SS7 thông suốt
giữa một bên là đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn và một bên là đường truyền tải SS7
trên miền chuyển mạch gói IP. MSC server, HSS liên lạc với cổng báo hiệu SS7 bằng
cách sử dụng giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7
trên mạng IP. Bộ giao thức này được gọi là SIGTRAN.
Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện
IP trong phiên bản Rel.5. Bước phát triển này thể hiện sựa thay đổi toàn bộ mô
hình cuộc gọi. Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường
truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng. Có thể coi kiến trúc
này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu.
Điểm mới nhất của Rel.5 là nó đưa ra một miền mới gọi là phân hệ đa phương
tiện IP (IMS). Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa
phương tiện thời gian thực IP. Đường truyền tiếng và dữ liệu không cần các giao
diện tách biệt, chỉ có một giao diện Iu duy nhất. Trong mạng lỗi, giao diện này kết
cuối tại SGSN và không có MGW riêng.
IMS chứa các phần tử sau: Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSFC),
chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF), Cổng chuyển mạch kênh (CS-GW).
CSCF quản lý việc thiết lập, duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện và
từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như phiên dịch và định tuyến.
SGSN, GGSN là các phiên bản tăng cường được sử dụng ở các phiên bản
trước đó. Điểm 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 (chẳng hản thông tin thoại). Vì thế cần hỗ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

9

trợ các khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS ở bên trong SGSN, GGSN hoặc it
nhất ở các bộ định tuyến kết nối với chúng.
-

MRF là chức năng thiết lập cầu hội nghị được sử dụng để hỗ trợ các tnh
năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị.

-

SGW là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tương tác SS7 với mạng tiêu
chuẩn ngoài như PSTN. SGW hỗ trợ các giao thức SIGTRAN.

-

MGW thực hiên tương tác với mạng ngoài ở mức đường truyền đa
phương tiện. MGW được thực hiện bởi chức năng điều khiển cổng các
phương tiện (MGCF).

- MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức được chọn cho giao diện này là
SIP.
Kiến trúc UMTS rel.6 mở rộng các vấn đề liên quan đến khả năng kết nối giữa
UMTS và WLAN, nâng cấp IMS lên pha 2, bổ sung các dịch vụ mới như dịch vụ bộ
đàm qua mạng di động (PoC), dịch vụ đa phương tiên treaming trên nền chuyển
mạch gói, dịch vụ multicast và broadcast đa phương tiện (MBMS)…
2.1 Họ công nghệ 3G/WCDMA
2.1.1. Công nghệ WCDMA( Wideband Code Division Multple Access )
WCDMA ra đời trong phiên bản đầu tiên được 3GPP phát hành, Rel.99. Về lý
thuyết Rel.99 có thể cho tốc độ đường xuống lên đến trên 2Mbps. Tuy nhiên, thực

tế băng thông thực còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh mà nhà cung
cấp dịch vụ sử dụng, năng lực thiết bị đầu cuối và số lượng người sử dụng đồng thời
tại một khu vực phủ sóng của cell. Do đó, tốc độ thực tế người sử dụng có thể nhận
được tối đa là khoảng 350Kbps.
WCDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS. Do đó, băng thông
kênh phụ thuộc vào mức độ trải phổ của kênh. Khi hệ số trải phổ càng lớn, ví dụ với
các kênh thoại, luồng dữ liệu có độ dư dự phòng cao, nhờ vậy có thể phân chia
thành nhiều kênh hơn. Ngược lại, với các kênh truyền dữ liệu yêu cầu tốc độ cao, hệ
số trải phổ kênh sẽ nhỏ hơn nên số lượng kênh sẽ ít hơn. Thông thường, các kênh
thoại sử dụng hệ số trải phổ đường xuống 128 hay 256 và các kênh dữ liệu tốc độ
384 Kbps sử dụng hệ số trải phổ là 8. Từ đó có thể thấy để đạt được tốc độ lý
thuyết trên 2 Mbps cần kết hợp 3 kênh dữ liệu tốc độ 768Kbps, mỗi kênh sử
dụng hệ số trải phổ là 4.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

10

Tốc độ truy nhập mạng tối đa thực tế của người sử dụng tại mỗi thời điểm phụ
thuộc vào giá trị RAB của kênh mạng dữ liệu mà hệ thống cấp phát cho từng phiên
phục vụ của người sử dụng. Trong mạng WCDMA, giá trị RAB khả dụng bao gồm
768, 384, 128, 64, 32 và 16 Kbps tương ứng với các mức trải phổ khác nhau. Nếu
hệ số trải phổ thấp đồng nghĩa với việc không gian mã ngẫu nhiên được gán cho
RAB lớn hơn do đó băng thông cũng lớn hơn. Mặc dù vậy, trên thực tế không bao
giờ người sử dụng có thể đạt được tốc độ truy cập mạng bằng với giá trị của RAB
được cấp phát vì còn chịu tác động của các yêu tố như điều kiện môi trường truyền
sóng, khối lượng dữ liệu cần trao đổi. Các yêu tố này sẽ được miên mạng truy cập
RAN tnh toán để liên tục điều chỉnh tốc độ trao đổi dữ liệu tức thời nhằm tối ưu
với điều kiện vận hành hiện tại của mạng cũng như QoS được gán cho kênh dữ liệu.

Việc cấp phát giá trị RAB phụ thuộc vào tài nguyên khả dụng của mạng tại thời
điểm đó theo chính sách cấp phát riêng của từng nhà cung cấp dịch vụ.
WCDMA có độ trễ truyền dẫn thấp hơn EDGE, vào khoảng 100 đến 200 ms
trong thực tế. Mặc dù đã có những cải tiến vượt bậc, song WCDMA vẫn được nâng
cấp và bổ sung thêm công nghệ mới để đạt hiệu quả cao hơn.
2.1.2 Công nghệ HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access)
Bước phát triển tiếp theo của họ 3G/WCDMA là phiên bản Rel.5 được 3GPP
phát hành vào Q1/2002, được biết đến với tên gọi HSDPA. HSDPA đánh dấu một
bước ngoặt về công nghệ truy nhập băng thông trong di đông.
Theo lý thuyết, HSDPA có thể đạt tốc độ truyển tải dữ liệu lên tới 14Mbps.
HSDPA tương thích hoàn toàn với các kiến trúc tiền nhiệm Rel.99 và Rel.4. Cùng
một sóng mạng vô tuyến có thể đồng thời phục vụ dịch vụ thoại và dữ liệu cho
người sử dụng công nghệ WCDMA và HSDPA. HSDPA cũng có tốc độ truyền tải
thấp hơp đáng kể so với phiên bản trước. Theo số liêu đo đạc thực tế, trên
kênh truyền tải dữ liệu của môt số mạng đang hoạt động, độ trễ truyền tải dao
động trong khoảng 70 ms.
Để đạt được bước tiến về hiệu suất băng thông ấn tượng như vậy, HSDPA đã
sử dụng một loạt các kỹ thuật tiên tiến như: Điều chế mức cao (high order
modulation), mã hóa biến đổi (variable coding ), kết hợp phần mềm (soft
combination) và kỹ thuật lập trình nhanh (fast scheduling). Việc sử dụng hiệu quả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

11

phổ tần số và nâng cao tốc độ truyền tải dữ liệu không chỉ cho phép các nhà
cung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

12

cấp dịch vụ triển khai thêm nhiều loại hình dịch vụ mà còn giúp tăng thêm đáng kể
khả năng phục vụ đồng thời nhiều người sử dụng hơn cùng một lúc.
HSDPA áp dụng các kỹ thuật tiên tiên sau:
- Chia sẻ các kênh tốc độ cao trong cả hai miền thời gian và mã.
- Sử dụng khoảng thời gian truyền dẫn (TTI) ngắn.
- Phân tập người dùng và lập lịch nhanh.
- Điều chế mức cao.
- Thích ứng đường truyền nhanh.
- Cơ chế yêu cầu phát lặp lại tự động lai phép (HARQ) nhanh.
Kỹ thuật chia sẻ kênh tốc độ cao và áp dụng giá trị TTI ngắn:
HSDPA sử dụng kết hợp lên tới 15 kênh dữ liệu tốc độ cao HS-PDSCH hoạt
động trong dải tần 5 MHz, mỗi kênh sử dụng hệ số trải phổ cố định là 16, để truyền
tải dữ liệu của nhiều người sử dụng cùng một lúc. Dữ liệu của người sử dụng được
cấp phát truyền tải trên một hoặc nhiều kênh này trong khoảng thời gian ngắn TTI
bằng 2 ms, ngắn hon rất nhiều so với khoảng thời gian từ 10 đến 20 ms được
sử dụng trong các phiên bản trước đó. Hệ thống có thể dễ dàng tùy chỉnh số
lượng kênh cấp phát cho mỗi người sử dụng sau chu kì 2 ms. Kết quả là các tài
nguyên vô tuyến được sử dụng một cách tối đa trong cả miền thời gian (giá trị
TTI) và miền mã (các kênh HS-PDSCH).
Kỹ thuật phân tập người sử dụng và lập lịch nhanh:
Kỹthuật lập lịch nhanh là phương pháp lợi dụng tham số giá trị TTI ngắn, hệ
thống sẽ cấp phát cho người sử dụng các kênh dữ liệu có chất lượng tốt nhất tại
thời điểm đó mà không tuân theo chu kì cấp phát quay vòng. Bởi vì các điều kiện
tác động đến chất lượng kênh tn hiệu vô tuyến thay đổi không tuân theo quy

luật, do đó phương pháp này có thể giúp hầu hết người sử dụng được cấp phát
kênh dữ liệu tốt nhất, đồng nghĩa với nhận được băng thông truyền tải cao nhất
có thể đạt được tại thời điểm đó. Với khoảng 30 người sử dụng dịch vụ đồng thời
trong vùng phủ của một cell, hệ thống đạt được hiệu quả phân tập người sử
dụng tốt nhất, đồng nghĩa với việc tận dụng tối đa hiệu quả tài nguyên vô tuyến.
Bằng kỹ thuật này, hệ thống cũng có thể đảm bảo cung cấp mức băng thông tối
thiểu cho người sử dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

13

Hình 1.3: Mô hình phân tập người sử dụng
Kỹ thuật điều chế mức cao:
HSDPA sử dụng đồng thời cả hai phương pháp điều chế: QPSK - như được sử
dụng trong WCDMA và 16QAM - trong điều kiện môi trường tốt. Lợi ích của việc sử
dụng phương pháp điều chế 16QAM là có thể truyền được 4 bit dữ liệu trong
mỗi kí hiệu vô tuyến, trong khi với QPSK chỉ là 2 bit.
Kỹ thuật thích ứng đường truyền nhanh:
Kỹ thuật thích ứng đường truyền nhanh là phương pháp phụ thuộc vào
điều kiện môi trường mà lựa chọn áp dụng mức độ hiệu chỉnh lỗi khác nhau
trong mã hóa kênh. Ví dụ, với tỉ lệ mã hóa kênh 3/4 thì 3/4 số lượng bit được
truyền tải là bit dữ liệu người sử dụng và 1/4 số lượng bit còn lại là dành cho hiệu
chỉnh lỗi. Việc tự động lựa chọn và nhanh chóng áp dụng mức độ hiệu chỉnh lỗi phù
họp trong từng thời điểm ứng với môi trường khác nhau được gọi là khả năng
thích ứne đường truyền nhanh. Kỹ thuật này được sử dụng kết họp với kỹ thuật
lập lịch nhanh trong HSDPA.
Cơ chế yêu cầu phát lặp lại tự đông lai ghép (HARQ) nhanh:

Cơ chế HARQ nhanh được sử dụng trong HSDPA thể hiện ở việc khả năng
điều khiển nhanh việc cấp phát và quản lý tài nguyên vô tuyến tại nút B (cùng với
các kỹ thuật lập lịch và thích ứng đường truyền). Cơ chế HARQ kết họp phương
pháp phát lặp dữ liệu theo chu kì và thích ứng khả năng giải mã đường truyền
thành công. Chu kì phát lặp được điều chỉnh phụ thuộc vào khả năng giải mã kênh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

14

thành công trong quá trình truyền dẫn. Khả năng quản lý và phản ứng nhanh với
sự thay

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

15

đổi liên tục của các tham số đường truyền tại trạm gốc sẽ làm giảm trễ truyền
dẫn và do đó giúp nâng cao băng thông cũng như chất lượng dịch vụ.
Các thiết bị đầu cuối hỗ trợ HSUPA loại 6 có thể cho băng thông lên đến trên
5 Mbps bằng việc kết họp sử dụng thêm các phương pháp triệt nhiễu nhằm gia
tăng tỉ số SNR.
Bên cạnh việc tăng băng thông đường lên, HSUPA cũng làm giảm đáng kể trễ
truyền dẫn. Trong điều kiện tối ưu, độ trễ có thể giảm xuống dưới 30 ms, tương ứng
với HSDPA là 70 ms.
2.1.3 Công nghệ HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access)

Phiên bản Rel.6 của 3GPP được phát hành kế tiếp vào Q4/2004 với tên gọi
HSUPA. HSUPA ra đời để bù đắp yếu điểm của HSDPA là cải thiện tốc độ đường lên
trong mạng truy cập vô tuyến. HSUPA giúp nâng cao băng thông, giảm trễ và cải
thiện hiệu suất sử dụng phổ tần số. Trong điều kiện lý tưởng, HSUPA có thể giúp
tăng thêm lên tới 85% tổng băng thông đường lên toàn cell và trên 50% tổng băng
thông cho người sử dụng.
Trong HSDPA, kênh lưu lượng đường xuống chính là kênh chia sẻ và được
thiết kế đáp ứng các dịch vụ truyền tải trong miền PS, với HSUPA, kênh lưu lượng
đường lên chính lại là kênh dành riêng, được sử dụng để đáp ứng cho các dịch vụ
truyền tải trong cả miền CS lẫn PS.
Việc cải tiện tốc độ đường lên sẽ mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng.
Hiện nay, một số ứng dụng đòi hỏi nhu cầu truyền tải một lưu lượng lớn dữ liệu từ
thiết bị đầu cuối lên mạng như dịch vụ chia sẻ video clip, ảnh,… Trong đó, đặc biệt
là dịch vụ VoIP đòi hỏi sự cân bằng về băng thông cả hai chiều đường lên và đường
xuống.
HSUPA áp dụng các kỹ thuật tiên tiến sau:
- Kênh vật lý dành riêng mở rộng.
- Sử dụng khoảng thời gian truyền dẫn (TTI) ngắn.
- Lập lịch nhanh.
- Cơ chế yêu cầu phát lặp lại tự động lai phép (HARQ) nhanh.
Việc kết hợp sử dụng kỹ thuật lập lịch nhanh, thời gian TTI ngắn, cơ chế HARQ
nhanh giúp làm giảm độ trễ và cải thiện băng thông, như đã phân tch trong công
nghệ HSDPA. Trong thực tế, HSUPA có thể được triển khai kết hợp với HSDPA
để đạt hiệu quả nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>

16

HSUPA có thể đạt đến băng thông khác nhau dựa trên một số tham số như số
lượng mã được sử dụng, hệ số trải phổ, giá trị TTI và kích thước khối dữ liệu truyền
tải
Loại

Số mã x hệ số trải
phổ

TTI

Kích thước khối dữ

Tốc độ dữ
liệu (Mbps)
0.73

HSUPA
1

1 x SF4

10

liệu truyền tải (bytes)
7296

2

2 x SF4

10

14529

1.46

2

2 x SF4

2

2919

1.46

3

2 x SF4

10

14529

1.46

4

2 x SF2

10

20000

2

4

2 x SF2

2

5837

2.9

5

2 x SF2

10

20000

2

6

2 x SF2 x 2 x SF4

10

20000

2

6

2 x SF2 x2 x SF4

2

11520

5.76

Bảng 1.1: Các băng thông tối đa mà HSUPA có thể đạt
Các thiết bị đầu cuối hỗ trợ HSUPA loại 6 có thể cho băng thông lên
đến trên 5 Mbps bằng việc kết hợp sử dụng thêm các phương pháp triệt
nhiễu nhằm gia tăng tỉ

số SNR. Bên cạnh việc gia tăng băng thông

đường lên, HSUPA cũng làm giảm đáng kể trễ truyền dẫn. Trong điều kiện tối
ưu, độ trễ có thể giảm xuống dưới 30 ms, tương ứng với HSDPA là 70 ms.
2.1.4 Công nghệ HSPA+
Hai công nghệ trước đó: HSDPA và HSUPA được kết hợp với nhau gọi là
HSPA. Mục đích nâng cấp HSPA lên HSPA+ là nhằm tận dụng các công nghệ vô
tuyến tiên tiến mới ra đời để cải thiện tối đa khả năng xử lý tín hiệu số CDMA.

Điều này không chỉ giúp HSPA cạnh tranh với các công nghệ mới mà còn hỗ trợ
các nhà cung cấp dịch vụ mở rộng mạng lưới một cách dễ dàng. Các công nghệ về
mạng và truy nhập vô tuyến đã mang đến một loạt các cải tiến cho HSPA, được mô
tả trong hai phiên bản Rel.7 và Rel.8.
3GPP đã mô tả một số những thiết kế mới cho phía máy thu, một phần
rất quan trong để nâng cao băng thông dữ liệu. Các thiết kế này được phân chia
thành các loại khác nhau, bao gồm:
- Loại 1: Sử dụng kỹ thuật phân tập thu.
- Loại 2: Sử dụng kỹ thuật cân bằng kênh truyền dẫn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN

/>