Miền chuyển mạch gói của UMTS

BAN CƠ YẾU CHÍNH PHÚ
HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ

*****

MÔ HÌNH CHUYỂN MẠCH GÓI CỦA UMTS
Bộ môn: Hệ Thống Thông tin Di Động
GV HD: Trần Ngọc Quý
Nhóm 9:
1.
2.
3.
4.
5.

Nguyễn Hữu Đạt - MSV: CT020405
Huỳnh Thị Hương Giang - MSV: CT020413
Thái Bá Hùng – MSV: CT020419
Cao Đức Tuấn - MSV: CT020439
Trần Việt Tùng - MSV: CT0204111

Nguyen Dat
HÀ NỘI 2020  


MỤC LỤC
I.

CÁC KÊNH MANG (BEARER).....................................................................................................................1

II.

KẾT NỐI BÁO HIỆU VÀ LƯU LƯỢNG.........................................................................................................2

III.

CÁC BƯỚC ĐỂ UE TRUY NHẬP VÀO CÁC DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI UMTS...................................3

IV.

CÁC SỐ NHẬN DẠNG KÊNH MANG VÀ CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC NHẬN DẠNG NÀY............................5

V.

CÁC THỦ TỤC ĐĂNG NHẬP GPRS.............................................................................................................6
V.1.

Bản tin yêu cầu đăng nhập cung cấp các thông tin quan trọng sau đây cho SGSN:......................6

V.2.

Sau khi nhận đựơc bản tin đăng nhập từ UE, SGSN thực hiện hai chức năng chính sau đây:.....7



Nhận thực UE.......................................................................................................................................7

V.3.
VI.

Để hoàn thành đăng nhập GPRS thành công, SGSN phát bản tin tiếp nhận đăng nhập đến UE. 7

CÁC THỦ TỤC TÍCH CỰC PDP CONTEXT...............................................................................................7

VI.1.

Tích cực PDP context khởi xướng từ UE..........................................................................................8

VI.2.

Đàm phán QOS...............................................................................................................................10

VI.3.

Tích cực PDP context theo yêu cầu từ mạng................................................................................12

VII.

CÁC TRẠNG THÁI PDP CONTEXT VÀ CÁC TRẠNG THÁI PMM CONTEXT...........................................13

VII.1.

Các trạng thái PDP context và các chuyển đổi trạng thái.........................................................13

VII.1.1.

Các trạng thái PDP Context....................................................................................................13

VII.1.2.

Các chuyển đổi trạng thái PDP context.................................................................................13

VII.1.3.

Thay đổi PDP context.............................................................................................................15

VII.2.

Các PMM Context và các thay đổi trạng thái PMM Context.....................................................16

VII.2.1.

Các trạng thái PMM Context..................................................................................................16

VII.2.2.

Chuyển đổi trạng thái PMM Context.....................................................................................16

VIII.

CÁC THỦ TỤC ẤN ĐỊNH KÊNH MANG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN (RAN)...............................................17

IX.

KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC MIỀN CHUYỂN MẠCH GÓI.........................................................18

IX.1.

Các giao diện Gn, Gp và giao thức truyền tunnel GPRS................................................................18

IX.2.

Giao diện Iu-PS...............................................................................................................................19

IX.3.

Các giao diện Gi, Gr, Gc và Gs........................................................................................................20

IX.4.

Kiến trúc giao thức từ UE đến GGSN.............................................................................................22

X.

IX.4.1.

Kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng giữa UE và GGSN........................................22

IX.4.2.

Kiến trúc ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển giữa UE và GGSN..............................23

TRUY NHẬP CÁC MẠNG IP THÔNG QUA MIỀN PS.................................................................................24
X.1.

Truy nhập trong suốt......................................................................................................................25

X.2.

Truy nhập không trong suốt...........................................................................................................26

X.3.

Nhận địa chỉ động từ mạng IP ngoài bằng cách sử dụng DHCP...................................................29

X.4.

Truy nhập bằng quay số sử dụng PPP............................................................................................31

XI.

MÔ HÌNH AN NINH WCDMA UMTS...................................................................................................33
1


I. CÁC KÊNH MANG (BEARER)

Hình 1.1 Các loại kênh trong mạng UMTS
Các loại kênh mang trong UMTS được cho trên hình 5.1. UE sử dụng giao thức số
liệu gói (PDP: Packet Data Protocol) để trao đổi số liệu trên miền UMTS PS. Các đơn vị
giao thức số liệu gói (PDU) (các gói của người sử dụng) được truyền bên trong mạng
UMTS trên các kênh mang. Kênh mang lưu lượng là một tập các tài nguyên mạng và các
hàm truyền đạt được sử dụng để truyền lưu lượng giữa các thực thể mạng. Kênh mang
lưu lượng là một đường truyền (đường dẫn), một kết nối logic hay một kết nối vật lý giữa
các nút mạng.
Tồn tại các loại kênh mang sau:
 Kênh mang vô tuyến (RB: Radio Bearer) và kênh mang Iu (Iu Bearer).
Kênh mang vô tuyến là một kết nối logic do lớp giao thức nằm ngay dưới lớp PDP
cung cấp để truyền tải các gói của người sử dụng giữa UE và RNC. Kênh mang Iu
là một kết nối logic nằm ngay dưới lớp PDP cung cấp để truyền tải các gói của
người sử dụng giữa RNC và SGSN.
 Kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB: Radio Access Bearer): là một kết

nối logic từ một kênh mang vô tuyến (Radio Bearer) và một kênh mang Iu (Iu
Bearer)

2


 Kênh mang CN (CN Bearer): là một kết nối logic do lớp giao thức ngay
dưới lớp PDP cung cấp để truyền tải các gói cuả người sử dụng giữa SGSN và
GGSN.
 Kênh mang UMTS (UMTS Bearer): được kết cấu bằng cách lồng ghép
kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) nối giữa đầu vào mạng lõi (SGSN) và kênh
mang mạng lõi (CN Bearer) nối giữa đầu ra SGSN và GGSN. Các kênh mang vô
tuyến, kênh mang Iu, RAB và kênh mang mạng lõi được quản lý bởi các giao thức
và các thủ tục khác nhau.
II. KẾT NỐI BÁO HIỆU VÀ LƯU LƯỢNG

Hình 1.2 Các kết nối báo hiệu và lưu lượng giữa UE và SGSN
Trước khi ấn định các tài nguyên mạng trong RAN hay trong mạng lõi chuyển
mạch gói (viết tắt là PS CN) cho UE, mạng cần phải thiết lập một kết nối logic riêng gữa
UE và SGSN. Chẳng hạn, UE có thể sử dụng kết nối báo hiệu này để: đăng ký với miền
PS CN, yêu cầu SGSN thiết lập các kênh mang CN và thiết lập các RAB.
Hình 5.2 mô tả kết nối báo hiệu giữa UE và SGSN dựa trên việc móc nối kênh
mang báo hiệu vô tuyến (giữa UE và RNC) và kênh mang Iu (giữa RNC và SGSN).
Tập hợp giữa các kênh mang báo hiệu vô tuyến và các kênh mang vô tuyến lưu
lượng được gọi là một kết nối RRC (Radio Resource Control: điều khiển kết nối). Giao
thức RRC được sử dụng để thiết lập, duy trì và giải phóng các kênh mang này. UE sẽ sử
dụng một kết nối RRC chung để mang báo hiệu và lưu lượng cuả người sử dụng cho cả
dịch vụ chuyển mạch gói lẫn chuyển mạch kênh.

3

Tập hợp giữa các kênh mang báo hiệu Iu và các kênh mang lưu lượng Iu cho một
UE được gọi là một kết nối RANAP. Giao thức RANAP (Radio Access Network
Application Part) được sử dụng để: thiết lập, duy trì và giải phóng các kênh mang này.
RNC chịu trách nhiệm để liên kết kết nối RRC cuả người sử dụng với kết nối
RANAP cuả người sử dụng nhằm tạo nên một kết nối báo hiệu hay một RAB báo hiệu
giữa UE và SGSN. Nói một cách khác, RNC hoạt động như một bộ chuyển đổi giao thức
để chuyển đổi các giao thức sử dụng trong RAN và các giao thức sử dụng trong CN.
III. CÁC BƯỚC ĐỂ UE TRUY NHẬP VÀO CÁC DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH
GÓI UMTS
Quá trình truy nhập UE vào các dịch vụ PS cuả UMTS chia làm ba bước sau :
UE đăng ký với mạng lõi thông qua quá trình đăng nhập GPRS (GPRS Attach). Tích cực
một ngữ cảnh PDP (PDP context) và RAB. Đăng ký dịch vụ gói (chẳng hạn đăng ký IMS
khi nó muốn các dịch vụ do IMS cung cấp trong R5).

Bước 1. Đăng nhập GPRS
UE sử dụng các thủ tục đăng nhập GPRS để đăng ký với SGSN. Trong quá trình
đăng nhập SGSN, UE cung cấp nhận dạng của mình và các yêu cầu dịch vụ cho SGSN,
4


UE được nhận thực và đựơc cho trao quyền. Ngoài việc đăng ký, một đăng nhập thành
công còn phải thực hiện:
Thiết lập quản lý di động trong RNC và trong SGSN để hai phần tử này có thể
theo
dõi được vị trí của UE
Thiết lập một kết nối báo hiệu giữa UE và SGSN. UE và SGSN sử dụng kết nối
báo
hiệu này để trao đổi báo hiệu và các bản tin điều khiển cần thiết cho việc thực hiện

thủ tục đăng nhập GPRS. Sau khi hoàn thành đăng nhập GPRS, UE có thể tiếp tục sử
dụng kết nối báo hiệu này để trao đổi các bản tin báo hiệu với SGSN, chẳng hạn để
thực hiện tích cực PDP context
Cho phép UE truy nhập đến một số các dịch vụ do SGSN cung cấp như: các bản
tin
SMS (dịch vụ bản tin ngắn) và được tìm gọi bởi SGSN. Các bản tin SMS được
truyền trên các kết nối báo hiệu bằng cách sử dụng giao thức báo hiệu MAP
Bước 2. Tích cực PDP context và thiết lập RAB
Trước khi một UE có thể sử dụng một địa chỉ PDP để gửi và nhận các gói cuả
người sử dụng trên mạng lõi PS của UMTS, cần thiết lập một PDP context và tích cực nó
trên UE và trong mạng lõi PS cho địa chỉ này. UE chỉ có thể yêu cầu mạng thiết lập và
tích cực một PDP context cho địa chỉ PDP sau khi nó đã thực hiện thành công GPRS
attach. Việc tích cực PDP context thành công cũng khởi động miền mạng lõi PS để thiết
lập kênh mang CN và RAB (gồm kênh mang Iu và kênh mang vô tuyến) cần thiết để
truyền tải các gói của người sử dụng đến và đi từ trạm di động. Vì thế sau khi tích cực
PDP context thành công, UE sẽ có khả năng gửi và nhận các gói của người sử dụng trên
miền PS CN
Bước 3. Đăng ký dịch vụ gói (chẳng hạn IMS)
Khi một UE muốn sử dụng thoại thời gian thực theo IP hay các dịch vụ đa
phương tiện do IMS cung cấp, UE cần thực hiện đăng ký với IMS. Vì SIP là một giao
thức báo hiệu cho các dịch vụ thời gian thực do IMS cung cấp, nên thủ tục đăng ký của
SIP sẽ được sử dụng để đăng ký với IMS.
5


IV. CÁC SỐ NHẬN DẠNG KÊNH MANG VÀ CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC NHẬN
DẠNG NÀY
Các số nhận dạng kênh mang được mô tả trên hình 2 như sau:
Địa chỉ IP: trong lớp IP
 Số nhận dạng điểm truy nhập dịch vụ mạng (NSAPI: Network

ServiceAccess Point ):NSAPI được cung cấp bởi lớp giao thức nằm ngay
dưới lớp IP để truyển các gói IP của người sử dụng.
 Số nhận dạng điểm cuối tunnel (TEID: Tunnel End Identity): nhận dạng đầu
thu của một tunnel GTP. TEID được tạo ra từ IMSI và NSAPI liên kết với
PDP context liên quan đến GTP tunnel được thiết lập. Các TEID của một
GTP tunnel được trao đổi giữa các đầu thu và đầu phát của tunnel trong quá
trình thiết lập tunnel.
 Số nhận dạng RAB (RAB ID): nhận dạng RAB trong UE, RNC và SGSN.
 Số nhận dạng kênh mang vô tuyến (RB ID): nhận dạng RB trong UE và
RNC.

6


V. CÁC THỦ TỤC ĐĂNG NHẬP GPRS.
Thủ tục đăng nhập GPRS được cho ở hình 5.6.
V.1.
Bản tin yêu cầu đăng nhập cung cấp các thông tin quan trọng sau đây cho
SGSN:
a. Các số nhận dạng UE: UE chỉ đưa vào bản tin yêu cầu đăng nhập GPRS một trong
hai nhận dạng P-TMSI hoặc IMSI. Điều này cho phép ngăn ngừa kẻ phá hoại chặn
bắt bản tin này và biết cách chuyển đổi giữa P-TMSI và IMSI từ bản tin này.
b. Chữ ký P-TMSI: Chữ ký P-TMSI là một số ba byte được SGSN ấn định cho UE
để nhận thực P-TMSI. UE cũng có thể sử dụng chữ ký này để nhận thực nút mạng
ấn định P-TMSI.
c. Kiểu đăng nhập: Kiểu đăng nhập cho thấy yêu cầu đăng nhập chỉ nhằm đăng nhập
GPRS (vì đã đang nhập IMSI rồi) hay kết hợp cả đăng nhập GPRS/IMSI.
d. Thông tin vị trí: Sau khi đăng nhập thành công, SGSN sẽ bắt đầu theo dõi vị trí
cuả UE. Vì thế bản tin yêu cầu đăng nhập phải cung cấp nhận dạng vùng định
tuyến (RAI: Routing Area Identity) của vùng định tuyến hiện thời của UE. Vùng

định tuyến gồm một hay nhiều RNC kết nối đến cùng một SGSN. SGSN sử dụng
vùng định tuyến để theo dõi vị trí của UE.
V.2.
Sau khi nhận đựơc bản tin đăng nhập từ UE, SGSN thực hiện hai chức
năng chính sau đây:
 Nhận thực UE
 Thực hiện cập nhật vị trí nếu cần

7


V.3.
Để hoàn thành đăng nhập GPRS thành công, SGSN phát bản tin tiếp nhận
đăng nhập đến UE

VI. CÁC THỦ TỤC TÍCH CỰC PDP CONTEXT
Tích cực PDP context bao gồm các chức năng chính sau đây:
 Cấp phát địa chỉ PDP: Mạng cấp phát địa chỉ IP cho UE nếu cần
 Thiết lập kênh mang CN: Mạng tạo lập và tích cực PDP context trong GGSN và
SGSN; mạng thiết lập tất cả các kênh mang cần thiết giữa SGSN và GGSN
 Ấn định RAB: Mạng thiết lập các kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) để truyền
tải lưu lương người sử dụng và báo hiệu cho PDP con text được tích cực
VI.1.

Tích cực PDP context khởi xướng từ UE

Thủ tục tích cực PDP context cho phiên khởi xướng từ UE được cho trên hình 5.7
gồm các bước sau:

8

Yêu cầu tích cực PDP context: UE khởi xướng tích cực PDP context bằng cách gửi đi
yêu cầu này đến SGSN với các thông tin sau:
 Địa chỉ PDP: Trường địa chỉ PDP có thể hoặc là địa chỉ PDP do UE đặc tả hoặc
0.0.0.0 để chỉ thị cho mạng rằng UE muốn nhận địa chỉ từ mạng IP ngoài.
 Số nhận dạng điểm truy nhập dịch vụ lớp mạng (NSAPI): UE sử dụng NSAPI để
gửi đi các gói khởi xướng từ địa chỉ PDP và nhận các gói gửi cho điạ chỉ PDP này.
 Kiểu PDP: Chỉ thị kiểu PDP được UE sử dụng là: giao thức điểm đến điểm (PPP)
hay X.25.
 Tên điểm truy nhập (APN): Chứa APN mà UE yêu cầu
 QoS yêu cầu: Chứa hồ sơ QoS được UE yêu cầu
 Các tuỳ chọn cấu hình PDP: UE sử dụng để thông tin trực tiếp các thông số tùy
chọn với GGSN (SGSN không thể diễn giải được các thông số này).
UE sử dụng một APN để chọn một dịch vụ (hay một GGSN) trong miền PS hay
một điểm giao tiếp trong một mạng gói ngoài.
Một APN có hai phần chính :
 Số nhận dạng mạng APN: đây là phần bắt buộc. Phần này nhận xác định GGSN
sẽ nối đến mạng ngoài nào hay UE yêu cầu dịch vụ miền PS nào.

9


 Số nhận dạng nhà khai thác APN: đây là phần tùy chọn. Phần này xác định GGSN
nằm trong mạng PLMN nào. SGSN sử dụng APN nhận được từ UE và thông tin
cấu hình lưu trong SGSN để chọn một GGSN phục vụ UE.
Bản tin yêu cầu tạo lập PDP context: Sau khi đã đã chọn đựơc GGSN, SGSN gửi
đi bản tin này để yêu cầu GGSN thiết lập PDP context cho UE và GTP tunnel để truyền
tải các gói của người sử dụng cho PDP context này. Bản tin chứa các phần tử thông tin
chính sau:

 NSAPI: được copy từ trường tương tự trong bản tin yêu cầu PDP context nhận
được từ UE.
 Kiểu PDP: được copy từ trường tương tự trong bản tin yêu cầu tích cực PDP
context nhận được từ UE.
 Địa chỉ PDP: địa chỉ PDP nhận được từ bản tin yêu cầu tích cực PDP context nhận
được từ UE.
 APN: chứa nhận dạng mạng APN của APN được SGSN lựa chọn cho UE.
 QoS đàm phán: Hồ sơ QoS mà SGSN đồng ý hỗ trợ UE.
 Điểm cuối tunnel (TEID): TEID được tạo lập bởi SGSN dựa trên IMSI của UE và
trên NSAPI trong bản tin yêu cầu tích cực PDP context nhận được từ UE. TEID
xác định đầu SGSN của GTP tunnel giữa SGSN và GGSN đối với UE. GGSN sẽ
sử dụng TEID này để truyền các gói PDP trên tunnel GTP đến SGSN.
 Chế độ chọn: Chỉ thị APN được mang trong yêu cầu tích cực PDP context là APN
do thuê bao đăng ký hay do SGSN lựa chọn.
 Các đặc trưng tính cước: Chỉ thị kiểu tính cước PDP context nào có khả năng thực
hiện.
 Các tùy chọn cấu hình PDP: được copy lại từ bản tin yêu cầu tích cực PDP context
nhận được từ UE.
GGSN tạo lập một PDP context mới và đặt nó vào bảng PDP context của mình.
GGSN cũng sẽ thiết lập một kênh mang CN (tunnel GTP) giữa GGSN và SGSN cho PDP
context. Bản tin trả lời tạo lập PDP context mang các thông tin sau:
10


 TEID: TEID được GGSN tạo ra để nhận dạng đầu GGSN của GTP tunnel được
tạo ra cho một PDP context. SGSN sử dụng TEID để truyền tunnel các gói của
người sử dụng trên GTP tunnel đến GGSN
 Địa chỉ PDP: trường địa chỉ PDP chứa địa chỉ PDP do GGSN ấn định cho UE hay
0.0.0.0 nếu UE yêu cầu nhận địa chỉ từ một mạng ngoài.
 QoS đàm phán: chứa hồ sơ QoS được GGSN chấp thuận

 Các cấu hình tùy chọn PDP: phần tử thông tin này được truyền trong suốt đến UE
qua các nút trung gian như: SGSN, RAN. Các nút trung gian không thể diễn giải
đựơc thông tin này.
Sau khi nhận được trả lời tạo lập PDP context, SGSN sẽ khởi đầu quá trình thiết
lập RAB cho UE. Invoke Trace: yêu cầu RAN thu thập thông tin thống kê và tài nguyên
mạng được sử dụng cho PDP Context. SGSN gửi bản tin truy nguyên (Trace) đến
RNC(Invoke Trace) để yêu cầu RAN bắt đầu thu thập thông kê các tài nguyên mạng
được sử dụng cho PDP context. Bản tin yêu cầu cập nhật PDP context: Nếu các thuộc
tính QoS của một RAB bất kỳ được thiết lập tồi hơn hồ sơ QoS trong PDP context được
lưu tại GGSN, SGSN sẽ giửi bản này để thông báo cho GGSN. Trả lời cập nhật PDP
context (bản tin đồng ý): Khi nhận đựơc bản tin yêu cầu cập nhật, GGSN sẽ gửi bản tin
này cho SGSN để thông báo đồng ý cập nhật .Tiếp nhận tích cực PDP context : SGSN sẽ
gửi bản tin này để thông báo cho UE về việc tích cực thành công PDP context.
VI.2.

Đàm phán QOS

Quá trình đàm phán QoS cho dịch dịch vụ trong UMTS được mô tả trên hình 5.8.
Trước hết UE gửi yêu cầu về QoS cho một dịch vụ GPRS (yêu cầu PDP context ) đến
SGSN. Trong thí dụ này yêu cầu là loại dịch vụ luồng có tốc độ số liệu 192 kbps. Yêu cầu
này đựơc chuyển trong suốt đến SGSN bằng cách sử dụng các bản tin truyền trực tiếp của
RRC (điều khiển tài nguyên vô tuyến) và RANAP (phần ứng dụng truy nhập vô tuyến).
Tiếp theo SGSN quyết định xem nó có đảm bảo yêu cầu QoS hay không và sau đó nó gửi
yêu cầu tạo lập PDP context đến GGSN. Khi này GGSN giảm tốc độ của yêu cầu QoS từ
192 kbps xuống còn 128 kbps do thiếu băng thông và trả lời SGSN bằng trả lời tạo lập
PDP context chứa QoS đã bị điều chỉnh.

11

Khi này QoS đã được đàm phán cho đường trục và cho kết nối GGSN đến nơi
nhận cuối cùng. Tuy nhiên như ta thấy trên hình 5.9, chính SGSN chịu trách nhiệm cho
QoS của mạng lõi chuyển mạch gói và dựa trên tài nguyên khả dụng của nó, nó lại quyết
định hạ thấp băng thông xuống còn 64 kbps. Để chuyển số liệu giữa SGSN và UE cần
cung cấp RAB. SGSN gửi yêu cầu ấn định RAB đến RNC. RNC sẽ xác định xem có đủ
tài nguyên trên giao diện Uu và trong UTRAN cho yêu cầu hay không. Nó thực hiện
điều này thông qua các thủ tục điều khiển tải và lập biểu cuả quản lý tài nguyên vô tuyến.
Nếu đủ, nó lệnh cho node B sử dụng NBAP (phần ứng dụng node B) để lập lại cấu hình
cho liên kết vô tuyến để hỗ trợ kênh mang mới và sau đó gửi bản tin thiết lập kênh mang
vô tuyến đến UE thông qua kết nối báo hiệu hiện có. UE khẳng định với RNC rằng nó
đã ấn định kênh mang thu mới (hoàn thành ấn định kênh mang vô tuyến) và sau đó RNC
kẳng định ấn định RAB với SGSN (trả lời ấn định RAB). Lúc này SGSN trả lời cho UE
rằng PDP context đã được tích cực với tốc độ số liệu mới 64 kbps. Trong toàn bộ quá
trình trên, từng phần tử chịu trách nhiệm điều khiển các bộ phận khác nhau của tài
nguyên mạng có thể tái đàm phán các thông số QoS. Chẳng hạn nếu RNC không có đủ

12


tài nguyên vô tuyến trong ô đích để đảm bảo tốc độ số liệu yêu cầu, thì nó có thể tự do
đàm phán lại với phía dưới.
VI.3.

Tích cực PDP context theo yêu cầu từ mạng

Khi GGSN cần gửi các gói của người sử dụng đến một địa chỉ PDP nhưng chưa có
PDP context được tích cực cho đạ chỉ này, nó thể sử dụng thủ tục tích cực PDP context
theo yêu cầu mạng để tích cực PDP context cho việc truyền các gói này. Để hỗ trợ tích
cực PDP context theo yêu cầu từ phía mạng, GGSN phải có thông tin cố định về địa chỉ
PDP. Chẳng hạn GGSN phải biết được IMSI của UE hỏi HLR về SGSN nào đang phục

vụ UE kết cuối, thông tin cố định gì được lưu cho địa chỉ PDP, nơi lưu nó. Thủ tục tích
cực PDP context từ phía mạng được cho trên hình 5.9.

Quá trình tích cực PDP context khởi xướng từ phía mạng mang được khởi xứơng
bởi một yêu cầu hãy gửi thông tin định tuyến cho GPRS chứa thông tin định tuyến IMSI
đến HLR. HLR sử dụng thông tin này để quyết định có cho phép yêu cầu này hay không
và tìm thông tin được yêu cầu liên quan đến UE trong cơ sở dữ liệu của HLR.
Nếu HLR đồng ý cho phép, nó gửi bản tin công nhận yêu cầu hãy gửi thông tin
định tuyến cho GPRS chứa địa chỉ của SGSN phục vụ UE cho SGSN, trái lại bản tin này
chứa nguyên nhân lỗi.
GGSN gửi bản tin yêu cầu thông báo PDP đến SGSN phục vụ UE, ra lệnh SGSN
này yêu cầu UE khởi xướng PDP context. Bản tin này chứa IMSI cuả UE, kiểu PDP, địa
13


chỉ PDP (PDP context cần tích cực cho địa chỉ này), APN (SGSN cần xác định GGSN mà
nó sẽ nối tới theo APN này).
SGSN gửi ngược bản tin trả lời thông báo PDP đến GGSN rằng nó tiếp nhận yêu
cầu của GGSN.
SGSN gửi bản tin yêu cầu tích cực PDP context đến UE, ra lệnh UE khởi đầu thủ
tục tích cực PDP context theo địa chỉ PDP được đặc tả trong bản tin này. Bản tin này
cũng chứa APN mà SGSN nhận được từ GGSN. APN này sau đó sẽ được UE sử dụng
trong thủ tục tích cực PDP context.
VII. CÁC TRẠNG THÁI PDP CONTEXT VÀ CÁC TRẠNG THÁI PMM
CONTEXT
VII.1.

Các trạng thái PDP context và các chuyển đổi trạng thái

VII.1.1.

Các trạng thái PDP Context

PDP context có thể nằm trong trạng thái tích cực (Active) hoặc không tích cực
(Inactive):
Trạng thái tích cực: Trong trạng thái tích cực, PDP context chứa thông tin cập
nhật để chuyển gói giữa UE và GGSN. Tuy nhiên việc PDP context nằm ở trạng thái tích
cực không có nghĩa là các RAB cần để truyền tải các gói cuả người sử dụng trên RAN đã
được thiết lập. Các RAB chỉ có thể được thiết lập khi UE có các gói để gửi đến mạng hay
mạng có các gói để gửi đến UE.
Trạng thái không tích cực: PDP context trong trạng thái không tích cực có thể
chứa một địa chỉ PDP hợp lệ, nhưng nó không chứa định tuyến hợp lệ và thông tin
chuyển đổi cần thiết để xác định các xử lý gói. Không thể truyền số liệu giữa UE và
mạng. Sự thay đổi vị trí của UE không gây ra cập nhật PDP context.
VII.1.2.

Các chuyển đổi trạng thái PDP context

Hình 5.10 cho thấy các chuyển đổi trạng thái PDP context

14


Hình 5.10 mô tả các hành động có thể thực hiện trong một PDP context và các
hành động này dẫn đến chuyển đổi giữa các trạng thái tích cực và không tích cực như thế
nào.
Tích cực PDP context: Tích cực PDP context sẽ tạo lập và tích cực một PDP
context PDP Context. Tích cực PDP context thành công sẽ chuyển PDP context từ trạng
thái không tích cực vào trạng thái tích cực. UE hay GGSN có thể khởi xứơng thủ tục tích
cực PDP context. Tuy nhiên GGSN chỉ có thể khởi xứơng tích cực PDP context trong

một số điều kiện hạn chế.
Thay đổi PDP context: hành động này dẫn đến thay đổi các đặc tính của một PDP
context tích cực. Chẳng hạn nó có thể được sử dụng để thay đổi điạ chỉ PDP hay các
thuộc tính của hồ sơ QoS đựơc mạng hỗ trợ. UE, UTRAN, SGSN hay GGSN đều có thể
khởi xướng thủ tục thay đổi PDP context. Tuy nhiên Các quy định của phát hành UMTS
R5 chỉ cho phép GGSN được khởi xướng thay thủ tục đổi này để thay đổi địa chỉ PDP.
Thôi tích cực PDP context: Hành động này loại bỏ một PDP context hiện có. Thủ
tục này chuyển một PDP context từ trạng thái tích cực vào trạng thái không tích cực.
Trạng thái của một PDP context cũng có thể chuyển đổi từ tích cực vào không tích cực
khi trạng thái quản lý di động gói (PMM: Packet Mobility Management) của UE chuyển
vào PMM-IDLE (PMM rỗi) hay PMM-DETACHED (Hủy đăng nhập PMM).
15


VII.1.3.

Thay đổi PDP context

Phát hành R5 chỉ cho phép GGSN khởi xướng quá trình thay đổi địa chỉ PDP
trong một PDP contex tích cực. Tuy nhiên UE, GGSN, SGSN và RAN đều có thể khởi
xướng thay đổi hồ sơ QoS. Hình 5.11 cho thấy thủ tục thay đổi PDP context được khởi
xướng bởi GGSN.

GGSN khởi xướng thủ tục thay đổi PDP context bằng cách phát đi bản tin yêu cầu
cập nhật PDP context đến SGSN. Bản tin này mang các phần tử thông tin sau:
 TEID: Chứa TEID để nhận dạng đầu SGSN của GTP tunnel liên quan đến PDP
context cần thay đổi.
 NSAPI: Chứa NSAPI để nhận dạng PDP context cần thay đổi.
 Địa chỉ PDP: Chứa địa chỉ PDP mới nếu GGSN muốn thay đổi địa chỉ này. Đây là
trường tùy chọn.

 QoS yêu cầu: Chứa hồ sơ QoS mới do GGSN đề xuất.QoS Requested: Contains
the new QoS profile suggested by the GGSN.
SGSN gửi bản tin yêu cầu sử đổi PDP context: Sửa đổi địa chỉ PDP và QoS theo
yêu cầu cuả GGSN. MS gửi bản tin chấp nhận sửa đổi. SGSN khởi xướng thít lập RAB
mới nếu cần thay đổi QoS. Bản tin trả lời cập nhật PDP context mang các phần tử thông
tin sau:
 TEID: Chứa TEID để nhận dạng đầu GGSN của GTP tunnel liên quan đến PDP
context cần thay.
 QoS đàm phán: Chứa hồ sơ QoS mới đã được SGSN và UE đồng ý.
16


VII.2.

Các PMM Context và các thay đổi trạng thái PMM Context

VII.2.1.

Các trạng thái PMM Context

PMM-Context (Packet Mobility Management Context: ngữ cảnh quản lý di động
gói) là tập các thông tin được mạng sử dụng để theo dõi vị trí máy di động. Trạng thái
PMM-Context của máy di động xác định cần duy trì các kết nối (các kênh mang nào
giữa UE và SGSN cho UE. Nó cũng xác định cách thức mà mạng theo dõi vị trí UE.
PMM-Context tại UE và SGSN có một trong các trạng thái sau:
 PMM-Detach. Trong trạng thái này không có liên lạc giữa UE và SGSN. SGSN
không có thông tin vị trí cũng như định tuyến đối với UE
 PMM-Connected. Trong trạng thái này PMM-Context kết nối báo hiệu được thiết
lập giữa UE và SGSN. Kết nối báo hiệu bao gồm: kết nối RRC giữa UE với RAN,
trên giao diện Iu giữa RAN và SGSN. Trong trạng thái này RNC có thể theo dõi vị

trí của UE tai mức ô và SGSN có thể theo dõi UE tại mức RNC.
 PMM-Idle. Trong trạng thái này PMM-Context đã được thiết lập giữa UE và
SGSN. SGSN theo dõi vị trí của UE tại mức vùng định tuyến. Chỉ có thể nối đến
UE qua thông tin tìm gọi.
Trong cả hai trạng thái PMM-Connected và PMM-Idle quản lý phiên có thể có
hoặc không có PDP Context tích cực.
VII.2.2.

Chuyển đổi trạng thái PMM Context

Chuyển đổi trạng thái PMM-Context tại UE và SGSN được thể hiện trên hình
5.12 như sau:
 Từ PMM-Detached đến PMM-Connected. Khi UE thực hiện GPRS Attach. Để
thực hiện thủ tục GPRS Attach cần có kết nối báo hiệu giữa UE và SGSN  Từ
PMM-Connected đến PMM-Idle. Khi giải phóng kết nối báo hiệu (chẳng han khi
kết thúc quá trình GPRS Attach).
 Từ PMM-Connected đến PMM-Detached. Khi yêu cầu GPRS Attach hay RAU
(Routing Area Update: cập nhật định tuyến) bị SGSN từ chối.
 Từ PMM-Idle đến PMM-Detached. Khi: USIM hay pin bị tháo ra khỏi máy hay
 thời hạn trạng thái PMM tại SGSN đã hết.
17


Hình 5.12. Chuyển đổi trạng thái PMM-Context: a) tại UE, b) tại SGSN.
VIII. CÁC THỦ TỤC ẤN ĐỊNH KÊNH MANG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN (RAN)

Hình 5.13. Mô tả thủ tục ấn định RAB
SGSN khởi đầu thủ tục ấn định RAB bằng cách gửi đi bản tin yêu cầu ấn định
RAB giao diện Iu đến RNC để yêu cầu thiết lập, thay đổi hay giải phóng một hay nhiều
RAB. Khi nhận được yêu cầu ấn định RAB, RNC khởi đầu quá trình thiết lập thay đổi

hay giải phóng các kênh mang vô tuyến (RB) cho các RAB được chỉ ra trong bản tin yêu
cầu định RAB.
RB được thiết lập bằng cách sử dụng các thủ tục đặc thù từng hệ thống vô tuyến.
Chẳng hạn, trong GERAN hay trong UTRAN, giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến
trên (RRC) sẽ được sử dụng để thiết lập, duy trì và giải phóng các RB.

18


RNC sử dụng các trả lời ấn định RAB để thông báo cho SGSN về kết quả yêu cầu
ấn định RAB.
Nhiều trả lời ấn định RAB có thể được gửi đến SGSN cho từng yêu cầu ấn định
RAB để báo cáo tiến trình và trạng thái cuả các hành đọng được thực hiện bởi RNC để
thỏa mãn yêu cầu ấn định RAB. Chẳng hạn yêu cấu thiết lập RAB có thể được RNC đặt
và hàng đợi vì nó đang xử lý các RAB khác. Trong trường hợp này, RNC có thể gửi trả
lời ấn định RAB thứ nhất để thông báo rằng yêu cầu này nằm trong hàng đợi và sau đó
gửi đi trả lời ấn định RAB thứ hai khi RB được thiết lập thành công cho RAB yêu cầu.
Trong quá trình ấn định RAB, SGSN đàm phán với RAN về hồ sơ QoS cho UE.
Chẳng hạn nếu các trả lời ấn định RAB chỉ thị rằng không thể thiết lập RAB vì mạng vô
tuyến không thể hỗ trợ hồ sơ QOS yêu cầu, SGSN có thể gửi đi yêu cầu ấn định RAB
mới với một hồ sơ QoS khác để thử thiết lập lại RAB này. Nhà khai thác mạng có thể
điều khiển số lần SGSN thử thiết lập lại một RAB và cách thức thay đổi hồ sơ QoS cho
mỗi thử lại (việc thực hiện quá trình này là độc lập và có thể lập lại cấu hình thông số).
IX. KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC MIỀN CHUYỂN MẠCH GÓI
IX.1.

Các giao diện Gn, Gp và giao thức truyền tunnel GPRS.

Giao diện Gn được sử dụng giữa SGSN và GGSN cũng như giữa các SGSN trong
cùng một mạng. Giao diện Gp được sử dụng giữa SGSN và GGSN trong các mạng khác

nhau. GTP cũng được sử dụng để truyền tunnel giữa RAN và SGSN.

Hình 5.14. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của giao diện Gn và Gp
19


GTP được sử dụng cho quản lý di động bên trong miền PS CN (giữa SGSN và
GGSN để duy trì các tuyến CN đặc thù máy cho UE khi nó di động).
GTP bao gồm hai tập bản tin và thủ tục.
Một tập bản tin và thủ tục tạo nên mặt phẳng điều khiển: GTP-C. GTP-C được sử
dụng để quản lý (tạo lập, thay đổi và giải phóng) các tunnel GTP-U (GTP cho mặt phẳng
người sử dụng để truyền tunnel các gói của người sử dụng), để quản lý các PDP context,
để quản lý vị trí và để quản lý di động.
Tập bản tin và thủ tục thứ hai của GTP tạo nên GTP mặt phẳng người sử dụng
(GTP-U). GTP-U được sử dụng để thiết lập và quản lý các tunnel GTP cho việc truyền
tunnel các gói của người sử dụng. Đối với mỗi PDP context tích cực cần thiết lập một
tunnel GTP-U giữa SGSN và GGSN. Tuy nhiên nhiều PDP context với cùng một địa chỉ
PDP sẽ chia sẻ chung một tunnel GTP-C.
IX.2.

Giao diện Iu-PS

Giao diện Iu-PS nối RAN với miền PS CN. Ngăn xếp giao thức của Iu-PS cho mặt
phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển được cho trên hình 5.16.

Hình 5.16. Ngăn xếp giao thức của giao diện Iu-PS
Giao diện Iu-PS cho phép:
Quản lý tunnel: Giao diện Iu-PS cung cấp các thủ tục để: thiết lập, duy trì và giải phóng
các GTP tunnel giữa RNC và SGSN (các GTP tunnel này dùng để truyền tải các gói giữa
RNC và SGSN)

 Quản lý RAB:Giao diện Iu-PS cung cấp các thủ tục: thiết lập, duy trì và giải phóng
các RAB. Nhắclại rằng RAB là một kết nối giữa các UE và CN sử dụng các tài
20


nguyên vô tuyến được ấn định để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu giữa
UE và SGSN. SGSN điều khiển RAN để thiết lập thay đổi và giải phóng các RAB
 Quản lý tài nguyên vô tuyến: Khi RNC thông qua giao diện Iu-PS nhận được một
yêu cầu từ CN về thiết lập hay thay đổi một RAB, RNC sẽ phân tích các tài
nguyên vô tuyến hiện khả dụng trong RAN để quyết định có nên tiếp nhận yêu cầu
hay từ chối nó. Quá trình này được gọi là điều khiển tiếp nhận tài nguyên vô
tuyếntrong UMTS
 Quản lý di động: Giao diện Iu-PS đảm bảo các thủ tục hỗ trợ chuyển giao giữa
các RNC. Chẳng hạn giao diện Iu-PS cung cấp các thủ tục để đặt lại RNS phục vụ.
Thủ tục này sẽ chuyển phía RNS của một kết nối RANAP từ RNS này đến RNS
khác. Thủ tục này cần thiết để hỗ trợ chuyển giao giữa các RNS. Iu-PS cũng đảm
bảo các chức năng tìm gọi. Ngoài ra giao diện này cũng đảm bảo các chức năng
báo cáo vị trí địa lý của UE cho CN để mạng hỗ trợ các dịch vụ định vị.
Phần ứng dung mạng truy nhập vô tuyến (RANAP) được sử dụng làm giao thức
báo hiệu để hỗ trợ các chức năng trên giao diện Iu-CS. Ngoài các chức năng được trình
bầy ở trên, giao thức RANAP còn đóng bao các bản tin báo hiệu lớp cao để truyền chúng
trong suốt qua giao diện Iu-CS. RANAP sử dụng SCCP (Signaling Connection Control
Part) của SS7. SCCP là giao thức lớp truyền tải, nó cung cấp các khả năng giống như
UDP và TCP của mạng IP. Nhưng SCCP sử dụng AAL5 của ATM. Mỗi UE sử dụng một
kết nối SCCP riêng để truyền tải các bản tin RANAP liên quan đến UE.
Trên mặt phẳng người sử dụng, các tunnel GTP-U được sử dụng để truyền tải các
gói cuả người sử dụng. Các tunnel GTP này được thực hiện trên UDP/IP. UDP/IP trong
trường hợp này có thể sử dụng các công nghệ lớp dưới bất kỳ. Điều cần lưu ý là mặc dù
GTP-C có thể đảm bảo các khả năng báo hiệu để thiết lập và quản lý các GTP-U tunnel,
R5 vẫn sử dụng giao thức RANAP thay vì GTP-C để điều khiển các GTP-U trên giao

diện Iu-PS.
IX.3.

Các giao diện Gi, Gr, Gc và Gs

GGSN sử dụng giao diện Gi để kết nối đến mạng IP bên ngoài trong cùng một
miền quản trị hoặc trong miền quản trị khác. Giao thức định tuyến IP tiêu chẩn tại giao
diện Gi được mô tả trên hình 5.17.
21


Hình 5.17. Ngăn xếp giao thức Gi tiêu chuẩn
Vì giao thức IP tiêu chuẩn được sử dụng nên các mặt phẳng người sử dụng và mặt
phẳng điều khiển giống nhau.
Giao diện Gr là giao diện giữa SGSN và HLR, con giao diện Gc là giao diện giữa
GGSN và HLR. Ngăn xếp giao thức tại các giao diện này giống nhau và nằm trong mặt

phẳng điều khiển (xem hình 5.18).
Hình 5.18. Ngăn xếp giao thức tại giao diện Gr và Gc
Gs là giao diện giữa SGSN và MSC/VLR. Giao diện này cũng sử dụng các giao
thức báo hiệu SS7.

Hình 5.19. Ngăn xếp giao thức tại giao diện Gs giữa SGSN và MSC
22


IX.4.
Kiến trúc giao thức từ UE đến GGSN
IX.4.1.Kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng giữa UE và GGSN
Tại giao diện vô tuyến (giao diện Uu), giao thức hội tụ số liệu gói (PDCP: Packet

Data Convergence Protocol) được sử dụng để truyền tải các gói của các lớp cao hơn.
Phiên bản hiện thời của PDCP hỗ trợ giao thức PPP (giao thức điểm đến điểm),
IPv4, IPv6 ở lớp cao hơn.

Hình 5.21. Kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng giữa UE và GGSN
PDCP thực hiện các chức năng chính sau đây:
 Nén tiêu đề cho các luồng số liệu lớp cao hơn
 Sắp xếp số liệu lớp cao hơn vào các giao thức của giao diện vô tuyến phía dưới
 Duy trì thứ tự truyền dẫn số liệu cho các giao thức lớp cao hơn có nhu cầu này
Trong số ba chức năng trên, nén tiêu đề là chức năng đầu tiên của PDCP vì các
giao thức IP có thể đưa ra các tiêu đề lớn dẫn đến lãng phí băng tần vô tuyến khan hiếm.
Chẳng hạn số liệu thoại cho điện thoại IP thường được truyền bởi giao thức truyền tải
thời gian thực (RTP) chạy trên UDP/IP. Vì thế một gói có tiêu đề IP (20 byte cho IPv4 và
40 byte cho IPv6), một tiêu đề UDP (8 byte) và một tiêu đề RTP (12 byte). Kết quả là tiêu
đề của một gói trong IPv4 và IPv6 chiếm từ 40 đến 60 byte, trong khi tải trọng của của
gói này thông thường chỉ chiếm từ 15 đến 20 byte tùy thuộc và quá trình mã hóa tiếng và
các kích thước khung được sử dụng tại các lớp thấp hơn. PDCP dựa trên các cơ chế và
các giao thức do IETF định nghĩa cho nén tiêu đề . Chẳng hạn IPHC ( nén tiêu đề IP) có
23


thể sử dụng để nén các tiêu đề IP, UDP và TCP. Giao thức ROHC (Robust Header
Compression: nén tiêu đề bền chắc) mới được đưa ra có thể sử dụng để nén tiêu đề
RTP/UDP/IP, UDP/IP và ESP/IP (ESP: Encapsulation Security Payload) .
Giao thức điều khiển liên kết vô tuyến (RLC: Radio Link Control) đảm bảo điều
khiển liên kết logic trên các giao diện vô tuyến. Một UE có thể có nhiều kết nối RLC.
Giao thức truy nhập môi trường (MAC: Medium Access Control) điều khiển truy nhập
các kênh vô tuyến.
IX.4.2. Kiến trúc ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển giữa UE và GGSN

Hình 5.22. Kiến trúc giao thức mặt phẳng điều khiển giữa UE và GGSN
24