Nhóm 17 giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UTMS

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
KHOA VIỄN THƠNG I
--------------

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
ĐỀ TÀI: GIAO THỨC VÀ THỦ TỤC BÁO HIỆU
UTRAN UMTS
Môn: Báo hiệu và điều khiển kết nối
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Hoàng Trọng Minh
Sinh viên thực hiện:

Giáp Quốc Khánh – B18DCVT232
Trương Quang Huy – B17DCVT180
Nguyễn Bá Long – B18DCVT254

Nhóm:

17

Hà Nội, 10/2021


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 1
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ......................................................................................... 2
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. 5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ UMTS VÀ UTRAN .............................................. 6
1.1. Giới thiệu chung .............................................................................................. 6
1.2. Kiến trúc hệ thống UMTS ............................................................................... 6
1.3. Mobile Station - MS (hay User Equipment – UE) .......................................... 7

1.4. UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network) ...................................... 7
1.5. Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC ................................................................. 8
1.6. Node B .............................................................................................................. 9
1.7. Mạng lõi ......................................................................................................... 10
1.8. Kiến trúc giao thức UTRAN ......................................................................... 11
1.8.1. Các giao thức cơ bản ................................................................................ 11
1.8.2. Kiến trúc giao thức mạng UMTS ............................................................. 11
CHƯƠNG II: THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG UTRAN UMTS........................... 13
2.1. Các giao diện vô tuyến của UMTS ................................................................ 13
2.1.1. Giao diện Iub .............................................................................................. 13
2.1.1.1. Iub – Control Plane ............................................................................... 13
2.1.1.2. Iub – User Plane .................................................................................... 15
2.1.2. Giao diện Iur ............................................................................................... 15
2.1.3. Giao diện Iu................................................................................................. 17
2.1.3.1. IuCS – User/Control Plane .................................................................... 18
2.1.3.2. IuPS – User/Control Plane .................................................................... 19
2.1.4. Giao diện Uu ............................................................................................... 19
2.2. Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub ..................................................................... 20
2.2. Thủ tục cuộc gọi UMTS................................................................................. 22
CHƯƠNG III: KẾT LUẬN ..................................................................................... 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 27


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

LỜI NÓI ĐẦU
UMTS là mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) sử dụng kỹ thuật trải phổ WCDMA.
UMTS được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP. UMTS đơi khi cịn được gọi là 3GSM để
chỉ khả năng "interoperability" giữa GSM và UMTS. UMTS được phát triển lên từ các
nước sử dụng GSM. UMTS sử dụng băng tầng khác với GSM.

Mạng UMTS gồm hai phần, phần một là mạng truy nhập vô tuyến (UMTS
UTRAN) và phần mạng lõi. Vấn đề báo hiệu trong mạng UMTS là một phần quan
trọng trong viễn thơng. Vì vậy nhóm chúng em sẽ đi tìm hiểu một số vấn đề liên quan
đến báo hiệu trong mạng truy nhập UMTS.
Nội dung đề tài gồm 3 chương:
 Chương I: Tổng quan về UMTS và UTRAN
 Chương II: Thủ tục báo hiệu trong UMTS UTRAN
 Chương III: Kết luận
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS. Hoàng Trọng Minh đã có
những góp ý, giúp đỡ chúng em hồn thành bài tiểu luận. Do thời gian có hạn và kiến
thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi những sai sót, nhóm rất mong nhận được ý
kiến đóng góp của các thầy cùng toàn thể các bạn!

1


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network
UMTS: Universal Mobile Telecommunications Systems
CDMA: Code Division Multiple Access
WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access
3GPP: The 3rd Generation Partnership Project
GSM: Global System for Mobile Communication
GPRS: General Packet Radio Service
FDD: Frequency - Division Duplexing
TDD: Time – Division Duplexing
TD-CDMA: Time – Division – Code Division Multiple Access
HSPA: High Speed Packet Access

MS: Mobile Station
CN: Core Network
UE: User Equipment
ME: Mobile Equipment
USIM: The Universal Subscriber Identity Module
SIM: Subscriber Identity Module/ Subscriber Identification Module
CS: Control Switched
PS: Packet Switched
ATM: Asynchronous Transfer Mode
RNC: Radio Network Controller
SGSN: Serving GPRS Support Node
BSC: Base Station Controller
BTS: Base Transceiver Station

2


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

O&M: Operations anh Maintenance
RRC: Radio Resource Control
RRM: Radio Resource Managenment
QoS: Quality of Service
CRNC: Controlling RNC
DRNC: Drift RNC
SRNC: Serving RNC
NBAP: Node-B Application Part
FEC: Forward Error Corecction
QPSK: Quadrature phase-shift keying
HLR: Home Location Register

MSC/VLR: Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register
GMSC: Gateway MSC
GGSN: Gateway GPRS Support Node
ALCAP: Access Link Control Application Part
AAL: ATM Adaptation Layer
RL: Radio Link
RACH: Random Access Channel
FACH: Forward Access Channel
PCH: Paging Channel
SDH: Synchronous Digital Hierarchy
UPFP: User Plane Framing Protocol
SSCOP: Service Specific Connection Oriented Protocol Provides
MAC: Medium Access Control Protocol
RLC: Radio Link Control Protocol
SSCF: Service Specific Coordination Function

3


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

STC: Signaling Transport Converter
RCR: Radio Resource Control Protocol
AAL2L3: AAL2 layer 3
MM: Mobility Management
SM: Session Management
CC: Call Control
PDCP: Packet Data Convergence Protocol
BMC: Broadcast/Multicast Protocol
RNSAP: Radio Network Subsystem Application Part

IP: Internet Protocol
SCTP: Stream Control Transmission Protocol
MTP3-B: Message Transfer part Level 3 – Broadband
SCCP: Signaling Connection Control Part
AMR: Adaptive Multi-Rate code
TAF: Terminal Adaptation Function
RLP: Radio Link Protocol
RAB: Radio Access Bearer
DCH: Dedicated Channel
DCCH: Dedicated Control Channel
NAS: NonAccess Stratum
TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity
IMSI: International Mobile Subscriber Identity
LAI: Location Area Identity

4


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kiến trúc của UMTS đơn giản
Hình 1.2: UMTS UTRAN
Hình 1.3: Cấu trúc RNC
Hình 1.4: Cấu hình chức năng của node B
Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng UMTS
Hình 2.1: Các giao diện UTRAN
Hình 2.2: Iub – Control Plane
Hình 2.3: Iub – User Plane
Hình 2.4: Giao diện Iur

Hình 2.5: Kiến trúc giao diện Iu
Hình 2.6: IuCs – User/Control Plane
Hình 2.7: IuPS – User/Control Plane
Hình 2.8: Cấu trúc phân lớp của giao diện vơ tuyến
Hình 2.9: Thủ tục trao đổi thơng tin báo hiệu qua Iub
Hình 2.10: Thiết lập kết nối RRC
Hình 2.11: Xác thực và mật mã
Hình 2.12: Thành lập RAB và thiết lập cuộc gọi
Hình 2.13: Thực hiện cuộc gọi
Hình 2.14: Iu bearer release

5


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ UMTS VÀ UTRAN
1.1. Giới thiệu chung
Thế hệ di động thứ 3 (3G) là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 cho phép
truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu phi thoại (dữ liệu, mail, tin nhắn, hình ảnh…). Mạng
3G đặc trưng bởi tốc độ dự liệu cao, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến
khác. Có một loạt các chuẩn cơng nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao
gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD), CDMA 2000 VÀ TD – SCDMA.
UMTS (đơi khi cịn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA.
UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết
các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps
(gần 2Mbps).
Mỗi ngày trên thế giới số lượng mạng thương mai tăng lên nhanh chóng nên các
nhà điều hành mạng và cung cấp thiết bị cần phải hiểu được việc xử lý và phân tích
các thủ tục báo hiệu trong UMTS để có thể điều hành mạng, phát hiện lỗi và xử lý.

Giao diện vô tuyến của UMTS dựa trên W-CDMA và chứa đựng các đặc tính kĩ
thuật của HSPA. W-CDMA sử dụng các kênh có độ rộng 5MHz ghép cặp hoặc không
ghép cặp được xác định rõ trong UMTS rel 99 và rel 4. HSPA được giới thiệu trong rel
5 (đường xuống) và rel 6 (đường lên) mang tới tốc độ bit lớn hơn đáng kể và cải thiện
được các ứng dụng chuyển mạch gói.
1.2. Kiến trúc hệ thống UMTS

Mạng UMTS bao gồm 3 phần chính:
 Phần trạm di động (Mobile Station-MS).
 Phần truy nhập vô tuyến (UMTS – UTRAN).
 Phần mạng lõi (Core Network - CN).

6


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

1.3. Mobile Station - MS (hay User Equipment – UE)
UE thiết bị người dùng trong UMTS được thiết kế module, là trạm di động
thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần:
 Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng
cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
 Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): Là một thẻ thơng minh chứa
thơng tin nhận dạng của th bao, nó thực hiện các thuật tốn nhận thực, lưu
giữ các khóa nhận thực và một số thông tin của thuê bao cần thiết. Khác biệt
lớn nhất giữa USIM và SIM trong GSM là USIM có thể download được, có
thể truy nhập được qua mơi trường vơ tuyến và có thể thay đổi được bởi mạng.
USIM là một mạch điện tích hợp tổng thể (tồn cầu) và có dung lượng lớn hơn
SIM.
1.4. UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến
truy nhập vơ tuyến.
- Các đặc tính chính của UTRAN:
 Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan. Đặc biệt là các ảnh hưởng
chính lên việc thiết kế và là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một đầu cuối kết
nối qua 2 hay nhiều ơ tích cực) và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù
của WCDMA.
 Đảm bảo tính chung nhất cho xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch
gói bằng 1 ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử
dụng cùng 1 giao diện để kết nối UTRAN đến cả 2 vùng PS và CS của mạng
lõi.
 Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết
 Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
- Các thành phần chính trong mạng UTRAN:
 2 thành phần mạng trong UTRAN là RNC và Node B. UTRAN được phân
chia thành các miền RNS (Radio Network Subsystem) riêng gồm một RNC và
các node B mà nó điều khiển. Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell.
 Các phần tử mạng đang tồn tại như MSC, SGSN, HLR có thể mở rộng theo
yêu cầu của UMTS nhưng RNC và NodeB thì phải được thiết kế mới. RNC
thay thế cho BSC và Node B thay thế cho BTS.

7


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

1.5. Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC
Thành phần biên trong UTRAN là RNC (Radio Network Controler). Một điều
khác hơn trong BSS là các RNC có thể kết nối với nhau qua giao diện Iur.
Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC là phần tử chuyển mạch và điều khiển của

UTRAN. RNC nằm giữa hai giao diên IuB và Iu.
RNC trong UMTS tương đương với BSC của GSM nhưng có nhiều tính năng
hơn. Nó có thêm giao diện Iur để giao tiếp giữa các RNC trong trường hợp chuyển
vùng mềm. Một chức năng mà BSC khơng có. Việc quản lý tính năng di động (MM)
cũng được chuyển từ mạng lõi sang RNC là một điểm khác với GSM. Điều khiển việc
sử dụng cũng như đảm bảo sự tin cậy của tài nguyên vô tuyến. Chức năng cơ bản là:
điều khiển chấp nhận cuộc gọi, quản trị kênh mang vô tuyến, điều khiển công suất,
điều khiển tắc nghẽn, O&M.
Cấu trúc RNC được thể hiện như hình vẽ:

Hình 1.3: Cấu trúc RNC
RNC là phần tử mạng chịu trách nghiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của
UTRAN. Nó giao diện với CN và kết nối với giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến

8


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

RRC, giao thức này định nghĩ các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN, nó đóng
vai trị như BSC.
- Chức năng của RNC
 Quản lý tài nguyên vô tuyến UTRAN: gồm tập hợp các thuật toán được sử
dụng để đảm bảo sự ổn định của đường truyền vô tuyến và QoS kết nối vô
tuyến bằng cách chia sẻ và quản lý tài ngun vơ tuyến có hiệu quả.
 Điều khiển UTRAN: gồm tất cả các chức năng liên quan đến việc thiết lập,
duy trì và giải phóng các kênh mạng vơ tuyến với sự hỗ trợ của thuật tốn
RRM.
- Vai trò của RNC
 RNC điều khiển nút B (kết nối giao diện Iub về phía nút B) được biểu hiện

như RNC điều khiển của nút B. RNC điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển
tải và tắc nghẽn cho các ô của mình.
 Khi kết nối MS – UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC, các RNC
tham dự vào kết nối này sẽ có 2 vai trị khác nhau là RNC phục vụ và RNC
trơi.
- Có 3 kiểu RNC
 Controlling RNC (CRNC): điều khiển, cấu hình và quản lý RNS và trao đổi
thông tin với NBAP cùng với tất cả các tài nguyên vật lý của mọi node B đấu
nối thông qua giao diện Iub.
 Drift RNC (DRNC): nhận các UE được kết nối đến qua thủ tục handover từ
SRNC của RNS khác. Tuy nhiên RRC (Radio Resource Control protocol) vẫn
kết cuối trên SRNC. DRNC chỉ trao đổi thông tin định tuyến giữa SRNC và
UE. DRNC dùng RNSAP để trao đổi với SRNC qua giao diện Iur, CRNC
dùng NBAP trao đổi với các tế bào qua Iub.
 RNC dịch vụ (Serving RNC – SRNC): điều khiển tính năng di động của người
dùng trong miền UTRAN và cũng là điểm kết nối đến CN. RNC có kết nối
RRC với một UE thì sẽ là SRNC của nó. SRNC dùng RRC để trao đổi với UE
qua Iub, Uu nếu cần thì qua cả Iur và Iub ngoại (được điều khiển bởi DRNC).
1.6. Node B
Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell.
Node B cung cấp kết nối vô tuyến vật lý giữa UE và mạng. Nó là thành phần
trung gian để biến đổi từ môi trường vô tuyến sang hữu tuyến. Nó biến đổi dữ liệu đến
và đi từ giao diện vô tuyến Uu bao gồm cả sửa lỗi hướng phát (Forward Error
Correction - FEC), tương thích tốc độ, trải phổ W-WCDA, điều chế QPSK trên giao
diện vô tuyến…
Node B bao gồm một bộ khuếch đại thu vô tuyến ngoài trời (OA - RA), một thiết
bị điều khiển giám sát bộ khuếch đại thu vơ tuyến ngồi trời (OA – RA - SC), một bộ
khuếch đại công suất phát, một thiết bị điều chế và giải điều chế (MDE).

9

Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

Chức năng chính của nút B là thực hiện xử lý L1 của giao diện vơ tuyến (mã hóa
kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…) nó cũng thực hiện một phần khai thác,
quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển cơng suất vịng trong.

Hình 1.4: Cấu hình chức năng của node B
Nhiệm vụ của node B tương tự như BTS:
 Điều khiển cơng suất (điều khiển cơng suất vịng nội bộ bằng cách đo SIR và
so sánh với giá trị mặc định để có những yêu cầu trong việc thay đổi công suất
phát của UE).
 Báo cáo kết quả đo cho RNC, phân tập vi mô (tập hợp các tín hiệu từ các góc
của anten mà một UE kết nối đến thành một chuỗi dữ liệu trước khi phát đi là
tín hiệu tổng đến RNC. UE kết nối với nhiều hơn một góc của anten để cho
phép chuyển giao mềm Softer HO).
1.7. Mạng lõi
- Mạng lõi gồm các thành phần sau:
 HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ
thơng tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao
gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng
và các thông tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số
lần chuyển hướng cuộc gọi.
 MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register): Là
tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch
kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch
chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử
dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.
10

Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

 GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
 SGSN (Serving GPRS): Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng
cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
 GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng như GMSC nhưng chỉ
phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
- Các mạng ngoài: Bao gồm mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói.
 Mạng CS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
 Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
1.8. Kiến trúc giao thức UTRAN
1.8.1. Các giao thức cơ bản
 Các giao diện UTRAN gồm tập các lớp theo chiều nằm ngang và chiều thẳng
đứng. Có 5 khối giao thức cơ bản được thể hiện.
 Các kênh mang báo hiệu: truyền tải báo hiệu lớp cao và các thông tin điều
khiển. Chúng được thiết lập bởi các hoạt động O&M.
 Các kênh mang dữ liệu: là các giao thức khung được sử dụng để truyền tải dữ
liệu người dùng. Mặt bằng điều khiển của mạng truyền tải thiết lập chúng.
 Các giao thức ứng dụng được dùng để thực hiện điều khiển và báo hiệu trong
UTRAN như thiết lập kênh mang trong lớp mạng vô tuyến.
 Chuỗi dữ liệu: là dữ liệu người dùng được truyền tải một cách trong suốt giữa
các phần tử mạng. Dữ liệu người dùng gồm dữ liệu của cá nhân th bao,
thơng tin quản lý tính năng di động được trao đổi ngang cấp giữa MSC và UE.
 Phần ứng dụng điều khiển đường truy nhập (ALCAP – Access Link Control
Application Part). Thuộc mặt bằng điều khiển mạng truyền tải. Nó thực hiện
việc thiết lập, duy trì, giải phóng kênh mang dữ liệu. Mặt bằng TN - CP có ở
các giao diện Iu - CS, Iur và Iub. Trong các giao diện khơng có báo hiệu
ALCAP thì kênh mang dữ liệu được cấu hình từ trước.

1.8.2. Kiến trúc giao thức mạng UMTS

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng UMTS
11


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

- Cấu trúc này dựa trên nguyên tắc: Các lớp giao thức và các mặt phẳng (mặt điều
khiển và mặt dịch vụ) độc lập với nhau về mặt logic.
- Kiến trúc mạng UMTS được chia thành 3 lớp:
 Lớp truyền tải (Transport Network Layer): Gồm các chức năng các giao thức
năng, các giao thức lớp vật lý và lớp truyền tải sử dụng để cung cấp tái nguyên
cho AAL2 cho phép truyền thông giữa UTRAN và CN.
 Lớp mạng vô tuyến (Radio Network Layer): Gồm các chức năng và các giao
thức cho phép quản lý giao diện vô tuyến và truyền thông giữa hai thành phần
UTRAN hay UTRAN và UE.
 Lớp mạng hệ thống (System Network Layer): Các giao thức NAS cho phép
truyền thông giữa CN và UE.
- Mỗi lớp lại được chia thành các mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng:
 Mặt phẳng điều khiển (Control plane): Truyền tải thông tin báo hiệu điều
khiển. Mặt điều khiển được sử dụng cho tất cả các báo hiệu điều khiển đặc thù
của UMTS, bao gồm: Giao thức ứng dụng và lớp mạng báo hiệu để truyền tải
các bản tin giao thức ứng dụng. Giao thức ứng dụng được dùng để thiết lập
các kênh mang tới UE (ví dụ: Kênh mang truy nhập vơ tuyến trên IU và sau đó
là kết nối vô tuyến trên Iur và Iub).
 Mặt phẳng người dùng (User plane): Truyền tải lưu lượng dữ liệu người
dùng. Tất cả thông tin nhận được và gửi đi bởi người sử dụng nhưu thoại được
mã hóa trong một cuộc gọi thoại hoặc các gói dữ liệu trong 1 kết nối Intrernet
được truyền tải thông qua mặt dịch vụ. Mặt dịch vụ bao gồm các luồng dữ liệu

và các kênh mang dữ liệu cho các luông dữ liệu. Mỗi luồng dữ liệu được mô tả
bởi 1 hoặc nhiều giao thức khung đặc thù cho giao diện đó.

12


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

CHƯƠNG II: THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG UTRAN UMTS
2.1. Các giao diện vô tuyến của UMTS
Các giao diện của mạng truy nhập UMTS - UTRAN được trình bày ở hình sau:
 Giao diện Cu: Là giao diện giữa USIM và ME. Giao diện này tuân theo một
khuôn dạng chung cho các thẻ thông minh.
 Giao diện Uu: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ
thống mà vì thế nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.
 Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà
khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác.
 Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm từ các RNC của các nhà sản xuất
khác nhau.
 Giao diện Iub: Giao diện cho phép kết nối một node B tới một RNC.

Hình 2.1: Các giao diện UTRAN
2.1.1. Giao diện Iub
2.1.1.1. Iub – Control Plane
Các chồng giao thức của giao diện Uu và Iub trên mặt bằng điều khiển được trình
bày ở hình sau:

Hình 2.2: Iub – control plane
Trong đó:
- NBAP (Node B Application Part): Giao thức sử dụng giữa RNC và nút B cho

phép cấu hình, quản lý và thiết lập các kênh trên các giao thức Iub và Uu.
Báo hiệu giao diện Iub NBAP gồm hai phần tử chính:
13


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

 NBAP chung (C – NBAP):
 Thiết lập đoạn nối vô tuyến RL (Radio Link) đầu tiên của một UE và chọn
điểm kết cuối lưu lượng.
 Cấu hình ơ.
 Xử lý các kênh RACH/FACH và PCH.
 Khởi xướng và báo cáo đo đạc đặc thù ô hoặc nút B.
 NBAP riêng (D – NBAP):
 Bổ sung, giải phóng và lập cấu hình lại các đoạn nối vô tuyến.
 Xử lý các kênh riêng và dung chung.
 Xử lý kết hợp chuyển giao.
- ATM (Asynchoronous Transfer Mode)
Chế độ truyền dẫn dị bộ được sử dụng trong UMTS như hình thức truyền tải trên
tất cả các giao diện Iu. Lớp vật lý là SDH qua sợi quang. Đơn vị nhỏ nhất của
ATM là cell. Nó sẽ được truyền trên 1 kênh ảo. Nhiều kênh ảo chạy trên 1 đường
truyền ảo.
- AAL (ATM Adaptation Layer)
Lớp thích ứng ATM: để truyền dẫn cáo giao thức cao hơn qua ATM, nó u cầu
các phân lớp thích ứng. Các lớp này chứa một thích ứng chung và một phần thích
ứng với dịch vụ cụ thể.
- UPFP (User Plane Framing Protocol)
Giao thức đóng khung mặt bằng người dùng được sử dụng trên các giao diện Iur
và Iub để frame hóa các kênh được hỗ trợ giữa các SRNC và các nút B.
- SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol Provides)

Cơ chế thiết lập và giải phóng các kết nối, trao đổi thông tin báo hiệu tin cậy giữa
các thực thể báo hiệu.
- MAC (Medium Access Control Protocol)
Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền, điều khiển truy nhậpj vào lớp vật
lý. Các kênh logic và các lớp cao hơn được ánh xạ vào các kênh truyền tải và các
lớp thấp hơn.
- RLC (Radio Link Control Protocol)
Giao thức điều khiển lien kết vô tuyến cung cấp dịch vụ vận chuyển đến các lớp
cao hơn được gọi là dịch vụ tải vô tuyến. Có 3 chế độ làm việc là transparent,
acknowledged, unacknowledged.
- SSCF (Service Specific Coordination Function)
Chức năng phối hợp các dịch vụ cụ thể, không phải là một giao thức nhưng là 1
chức năng phơi hợp nội bộ thích ứng giữa thông tin đến và đi tới các lớp cao hơn.
- STC (Signaling Transport Converter)
Giao thức chuyển đổi truyền tải báo hiệu khơng có các bản tin riêng mà chúng
chuyển đổi các bản tin từ nút thấp tới lớp cao hơn có các tham số theo yêu cầu.
- RRC (Radio Resource Control Protocol)
14


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến là một phân lớp của lớp 3 trong giao
diện vô tuyến UMTS và chỉ tồn tại trong mặt bằng điều khiển. Nó cung cấp dịch
vụ truyền tải thong tin tói NAS và chịu trách nghiện điều khiển cấu hình giao
diện vơ tuyến UMTS lớp 1 và 2
- AAL2L3 (AAL2 layer 3)
Giao thức AAL2 lớp 3 là tên gọi chung cho giao thức báo hiệu lớp truyền tải để
cài đặt và giải phóng các kênh mang.
- MM (Mobility Management)

Quản lý di động, thuật ngữ chung cho các chức năng di động được cung cấp bởi
một PLMN… theo dõi thiết bị di động khi nó di chuyển quang mạng và đảm bảo
rằng kết nối được duy trì.
- SM (Session Management)
Quản lý phiên – giao thức được sử dụng giữa UE và SGSN để tạo, sửa đổi, theo
dõi, hết thúc các phiên với nhiều thành phần tham dự, bao gồm cả đa phương tiện
và các cuộc gọi internet.
- CC (Call Control)
Điều khiển cuộc gọi bao gồm một số thủ tục cơ bản cho điều khiển di động.
2.1.1.2. Iub – User Plane
- PDCP (Packet Data Convergence Protocol)
Giao thức hội tụ dữ liệu gói được dử dụng để định dạng dữ liệu thành dạng cấu
trúc phù hợp trước khi truyền qua giao diện vô tuyến và cung cấp dịch vụ của nó
cho NAS hoăc các trạm chuyển tiếp RNC.
- BMC (Broadcast/Multicast Protocol)
Điều chỉnh các dịch vụ broadcast và multicast trên giao diện vô tuyến và là một
phân lớp của lớp 2, chỉ tồn tại ở mặt bằng người dùng.
- Application Data
Các giao thức gói dựa trên IP.

Hình 2.3: Iub - User Plane
2.1.2. Giao diện Iur
Giao diện Iur giữa các RNC cho thấy 2 giải pháp trên mạng truyền tải:
 SSCP và các bản tin RNSAP chạy trên nền của SSCOP.
 SSCP trên nền của M3UA nếu lớp truyền tải là lớp IP.

15


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

Chức năng giao diện Iur:
 Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC.
 Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng.
 Hỗ trợ kênh lưu lượng chung.
 Hỗ trợ quản lý tài nguyên toàn cục.
Các giao thức sử dụng trong Iur - User/Control Plane đảm nhiệm các chức năng
sau:
- RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part)
Phần ứng dụng phân hệ mạng vô tuyến gồm các giao thức truyền thông, sử dụng
trên giao diện Iur và luật mã hóa gói PER. Giao thức báo hiệu RNSAP nói chung
có thể thực hiện một phần của 4 chức năng Iur giữa hai bộ điều khiển mạng vô
tuyến tùy theo yêu cầu của nhà khai thác
 Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC:
 Hỗ tợ việc đặt lại SRNC.
 Hỗ trợ vùng cập nhật đăng kí UTRAN và ơ giữa các RNC.
 Hỗ trợ tìm gọi giữa các RNC.
 Báo các lỗi giao thức.
 Hỗ trợ lưu lượng kênh chung:
 Thiết lập, thay đổi và giải phóng kênh riêng ở DRNC do chuyển giao cứng
và chuyển giao mềm ở trạng thái kênh riêng.
 Thiết lập và giải phóng các kết nối truyền tải qua giao diện Iur.
 Truyền các khối truyền tải giữa DRNC và SRNC.
 Quản lý các đoạn nối vô tuyến ở DRNC thông qua các thủ tục báo cáo đo
và thiết lập công suất.
 Hỗ trợ lưu lượng kênh chung:
 Thiết lập và giải phóng kết nối truyền tải qua Iur cho các luồng số liệu kênh
chung.
 Phân chia lớp MAC giữa SRNC.
 Hỗ trợ quản lý tài nguyên toàn cục:

 Truyền các kết quả đo ở ô giữa hai RN.
 Truyền thong tin định thời nút B giữa hai RN.
 Tổng kết các chức năng của Iur.
- IP (Internet Protocol)
Giao thức internet cũng cấp các dịch vụ phi kết nối giữa các mạng gồm các tính
năng đánh địa chỉ, xác lập kiểu dịch vụ, phân mảnh ghép gói tin và hỗ trợ bảo mật.
- SCTP (Stream Control Transmission Protocol)
Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng cung cấp chức năng xác nhận lỗi cho
luồng dữ liệu. Các vấn đề ngắt dữ liệu, tổn hao dữ liệu hay trùng lặp được xác
nhận bởi số thứ tự và trường kiểm tra tổng. SCTP cho phép truyền lại nếu phát
hiện ra lỗi gây ngắt nguồn dữ liệu.
16


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

- MTP3 - B (Message Transfer Part Level 3- Broadband)
Phần chuyển bản tin mức 3 dàng cho mạng băng rộng, cung cấp nhận dạng và
truyền các bản tin mức cao, đồng thời cung cấp chức năng định tuyến và chia tải.
- M3UA (MTP3 User Adaptation layer)
Lớp tương thích người dùng MTP mức 3 tuong đương các chức năng của MTP3.
M3UA được mở rộng để truy cập tới các dịch vụ MTP3 cho các ứng dụng điều
khiển từ xa dựa trên IP.
- SCCP (Signaling Connection Control Part)
Phần điều khiển kết nối báo hiệu cung cấp dịch vụ truyền bản tin giữa hai điểm
báo hiệu bất kỳ trong cùng một mạng.

Hình 2.4: Giao diện Iur
2.1.3. Giao diện Iu
Iu là giao diện giữa UTRAN và mạng lõi. Là giao diện mở và được quy ước để

hỗ trợ hoạt động đa nhà cung cấp dịch vụ. Có kiểu giao diện thực sự trong giao diện
Iu. Giao diện Iu hướng tới chuyển mạch lõi của mạng lõi, được gọi là Iu - PS, giao
diện Iu hướng tới miền chuyển mạch kênh được gọi là Iu - CS và hướng tới miền
chuyển mạch quảng bá gọi là Iu – BS.

17


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

Hình 2.5: Kiến trúc giao diện Iu
Giao diện Iu có kiến trúc phân cấp nơi mà một lớp thực thể cao hơn sẽ điều khiển
vài lớp thực thể thấp hơn. Sự phân cấp cho báo hiệu kết nối điểm cuối CN - UTRAN
như sau:
 Mỗi điểm truy nhập CN có thể kết nối tơi một hoặc nhiều điểm truy nhập của
UTRAN.
 Với miền CS và PS, mỗi điểm truy nhập UTRAN sẽ không được kết nối tới
nhiều hơn một điểm truy nhập CN trên một miền CN.
 Với miền BC, mỗi điểm truy nhập UTRAN có thể được kết nối với một hoặc
nhiều hơn một điểm truy nhập CN.
Giao thức Iu hỗ trợ:
 Thủ tục thiết lập, duy trì, giải phóng vật mang truy nhập vô tuyến.
 Thủ tục thực hiện bàn giao trong hệ thống và tái định vị trong SRNS.
2.1.3.1. IuCS – User/Control Plane

Hình 2.6: IuCS – User/Control Plane
Chồng giao thức điều khiển/người dùng Iu – CS bao gồm một số giao thức:
 AMR (Adaptive Multirate Codec)
Mã hóa đa tố độ thích ứng cung cấp một miền tóc độ rộng cho dữ liệu và sử dụng
cho mã hóa tốc độ thấp cho giao diện vô tuyến.

 TAF (Terminal Adaptation Function)
18


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

Chức năng tương thích đầu cuối là giao thức hỗ trợ biến đổi nhiều kiểu thiết bị
đầu cuối khác nhau vào mạng.
 RLP (Radio Link Protocol)
Giao thức liên kết vô tuyến điều khiển truyền dẫn dữ liệu giữa mạng GSM và
UMTS.
Vùng chuyển mạch kênh liên quan tới một tập các thực thể xử lý lưu lượng người
dùng cũng như các báo hiệu liên quan. Tại đây gồm các thành phần MSC, GMSC,
VRL và chức năng liên kết liên mạng IWF tơi mạng PSTN.
2.1.3.2. IuPS – User/Control Plane

Hình 2.7: IuPS – User/Control Plane
Vùng chuyển mạch gói gồm các thực thể liên quan tói truyền dẫn gói SGSN,
GGSN và cổng biên BG.
Lưu lượng IP được truyền tải trên AAL5 của ATM. Vì vậy khơng tồn tại các lớp
ALCAP trong mặt bằng điều khiển để thiết lập và xóa bỏ các kết nối ảo chuyển mạch
của lớp AAL2.
2.1.4. Giao diện Uu
- Cấu trúc giao diện vô tuyến Uu được phân thành 3 lớp giao thức:
 Lớp đoạn nối số liệu L1.
 Lớp đoạn nối số liệu L2.
 Lớp mạng L3.

Hình 2.8: Cấu trúc phân lớp của giao diện vô tuyến
- Lớp 2 được chia thành các lớp con:

 MAC (Medium Access Control): Điều khiển truy nhập môi trường.
19


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

 RLC (Radio Link Control): Điều khiển đoạn nối.
 PDCP (Packet Data Convergenca Protocol): Giao thức hội tụ số liệu gói.
 BMC (Boardcast/Multicast Control): Điều khiển quảng bá/ đa phương.
2.2. Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub
Giao diện Iub nằm giữa RNC và một node B. RNC điều khiển node B thông qua
Iub một số tác vụ như: thỏa thuận tài nguyên vô tuyến, bổ sung hoặc loại bỏ các tế bào
khỏi node B, hỗ trợ các kiểu truyền thông khác nhau và các liên kết điều khiển.
Giao diện Iub cho phép truyền dẫn liên tục chia sẻ giữa giao diện Abis/GMS và
giao diện Iub, tối thiểu số lượng tùy chọn có sẵn trong phần chức năng giữa RNC và
node B. Bên cạnh chức năng điều khiển các ô, thêm hoặc loại bỏ các liên kết vô tuyến
trong các ô thuộc quản lý của các node B, Iub hỗ trợ các chức năng O&M của node B.
Iub cho phép chuyển mạch giữa các kiểu kênh khác nhau nhằm duy trì kết nối. Các
chức năng chi tiết của Iub như sau:
 Tái định vị bộ điều khiển mạng dịch vụ vô tuyến SRNC (Serving Radio
Network Controller): Chuyển chức năng SRNC cũng như các nguồn tài
nguyên liên quan tới Iu từ một RNC này tới một RNC khác.
 Quản lý kênh mang truy nhập vô tuyến RAB (Radio Access Bearer): Bao
gồm thiết lập, quản lý và giải phóng kênh mang truy nhập vơ tuyến.
 Yêu cầu giải phóng RAB: gửi yêu cầu giải pháp kênh mang truy nhập vô
tuyến tới mạng lõi CN.
 Giải phóng các tài nguyên kêt nối Iu: Giải phóng toàn bộ tài nguyên liên
quan tới một kết nối Iu. Gửi u cầu giải phóng tồn bộ kết nối Iu tới mạng lõi
CN.
 Quản lý các tài nguyên truyền tải Iub: Quản lý liên kết Iub, quản lý cấu

hình ơ, đo hiệu năng mạng vô tuyến, quản lý sự kiện tài nguyên, quản lý kênh
truyền tải chung, quản lý tài ngun vơ tuyến, sắp xếp cấu hình mạng vơ
tuyến.
 Quản lý thông tin hệ thống và lưu lượng các kênh chung: Điều khiển chấp
nhận, quản lý công suất, truyền dữ liệu.
 Quản lý lưu lượng của các kênh cố định: Quản lý và giám sát liên kết vô
tuyến, chỉ định và giải tỏa kênh, báo cáo thông tin đo kiểm, quản lý kênh
truyền tải dành riêng, truyền dữ liệu.
 Quản lý lưu lượng các kênh chia sẻ: Chỉ định và giải tỏa kênh, quản lý công
suất, quản lý kênh truyền tải, truyền dữ liệu.
 Quản lý đồng bộ và định thời: Đồng bộ kênh truyền tải, đồng bộ khung,
đồng bộ giữa node B và RNC, đồng bộ giữa các node B.
Để hiểu rõ chức năng xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub, ta xem xét một tiến trình
thực hiện cuộc gọi như sau:

20


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

Hình 2.9: Thủ tục trao đổi thông tin báo hiệu qua Iub

- Bước 1: Một yêu cầu kết nối điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio
Resource Controller) được gửi từ UE tới RNC.
- Bước 2: Nguồn tài nguyên vô tuyến cần cung cấp cho quá trình thiết lập một
kênh truyền tải cố định DCH (Dedicated Channel) để mang các kênh điều khiển
logic dành riêng DCCH (Dedicated Control Channel), các DCCH được sử dụng
để truyền các bản tin của RRC và NAS (Non - Access Stratum).
- Bước 3: Khi DCH và DCCH không khả dụng, các bản tin báo hiệu để thiết lập
kết nối cho RRC được truyền nhờ RACH (Random Access Channel) hướng đi và

FACH (Forward Access Channel) hướng về.
- Bước 4: Thủ tục mã hóa/nhận thực được yêu cầu từ mạng được sử dụng để kiểm
tra lần hai nhận dạng UE và chuyển mã giữa RNC và UE nếu cần.
- Bước 5: Thiết lập cuộc gọi thoại bắt đầu bởi bản tin SETUP trong lớp
MM/SM/CC. Bản tin Setup gồm con số thiết bị bị gọi và chuyển tới RNC tới
miền mạng chuyển mạch kênh.
- Bước 6: Vùng mạng chuyển mạch kênh định nghĩa QoS cho cuộc gọi thoại.
 Các giá trị QoS là các tham số trong kênh mang truy nhập vơ tuyến RAB.
 RAB gán thủ tục tương thích với thiết lập kênh mang trong mạng SS7.
 RAB cung cấp một kênh cho thoại gói giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị
chuyển mạch trong vùng mạng chuyển mạch kênh.
- Bước 7: Tái cấu hình liên kết vơ tuyến cung cấp nguồn tài nguyên để thiết lập
kênh mang vô tuyến trong bước tiếp theo.
- Bước 8: Bên cạnh việc thỏa thuận tham số trong thủ tục gán RAB, một kênh vô
tuyến mới được thiết lập để mang các kênh lưu lượng dành riêng DTCH. Nếu sử
dụng mã AMR để mã hóa thoại, ba kênh DTCH được thiết lập gồm: Lớp A, lớp
B, lớp C.

21


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

- Bước 9: Giải phóng cuộc gọi thoại được thực hiện ngay sau khi RRC được giải
phóng nếu khơng cịn dịch vụ nào được kích hoạt. Cả hai kênh điều khiển và lưu
lượng dành riêng được giải phóng. Cuối cùng, RNC giải phóng tài ngun vơ
tuyến bị khóa cho cả hai kênh để dành cho các cuộc gọi khác.
2.3. Thủ tục cuộc gọi UMTS
- Chuyển mạch kênh cuộc gọi di động có nguồn gốc.
 Bước 1: Thiết lập kết nối RRC giữa UE và SRNC.

 Bước 2: Xác thực và mật mã.
 Bước 3: Thành lập truy nhập vô tuyến và thiết lập cuộc gọi.
 Bước 4; Gọi điện và Iu release.
- Chi tiết các bước thực hiện như sau:
 Bước 1: Thiết lập kết nối RRC giữa UE và SRNC
Trên hình 2.1 minh họa sự tương tác trong UTRAN để thiết lập một kết nối RRC
giữa UE và RNC. Thông báo này gồm thông tin về IMSI hoặc TMSI, LAI, RAI và lý
do kết nối RRC.

Hình 2.10: Thiết lập kết nối RRC

RRC phân tích những lý do cho các yêu cầu để quyết định các phương thức thích
hợp ví dụ như dành riêng hay chung. RNC sau đó khởi đầu quá trình thiết lập một
mạng Iub bằng cách gửi NBAP thiết lập một đường thông báo kết nối vô tuyến tới
node B. Thông báo này chứa các yếu tố thông tin như ID giao dịch, ID truyền thông,
mã xáo trộn, cài đặt định dạng vận chuyển và số mã kênh FDDDL. Node B chấp nhận
tin này bằng cách gửi một phản ứng thiết lập NBAP RL. Thông báo này chứa các
thông tin liên quan đến địa chỉ lớp giao vận, ví dụ địa chỉ AAL2. Các SRNC sử dụng
ALCAP trong lớp mạng giao vận thành lập mang Iub, sử dụng thông tin nhận được từ
node B, tức là đường AAL và kênh ID. Các Iub mang được liên kết với nhau bằng quy
định DCH cho giao dịch. Các SRNC sau đó đồng bộ hóa kết nối giao thức khung (FP)
bằng cách gửi một thông điệp đường xuống đồng bộ FP. RNC đáp ứng các UE và cho
thấy kết nối RRC thành công bằng cách gửi một thông báo thiết lập kết nối RRC.
22


Giao thức và thủ tục báo hiệu UTRAN UMTS

Thông báo này chứa các yếu tố thông tin như định dạng giao vận, kiểm soát năng
lượng, mã xáo trộn. UE đáp ứng với các thiết lập kết nối RRC đầy đủ để xác nhận kết

nối RRC.
 Bước 2: Xác thực và mật mã
Xác thực và mật mã trên thiết lập kết nối thành công với RRC, UE gửi tin nhắn
trực tiếp chuyển giao ban đầu RRC. Thông điệp này được mang tới mạng lõi. Khi
nhận được một yêu cầu dịch vụ từ UE, MSC khởi đầu các thủ tục an ninh. Bao gồm
việc chứng thực và trao đổi mã hóa. MSC gửi một yêu cầu xác thực trong thông điệp
chuyển giao trực tiếp RANAP. Các bản đồ RNC và chuyển tiếp các tin nhắn yêu cầu
xác thực bằng cách sử dụng RRC chuyển trực tiếp tới UE. UE thực hiện các thuật toán
xác thực và gửi kết quả trở lại trong một tin nhắn trả lời xác thực tới MSC. Thông báo
này được thực hiện trong khi tải trọng trong việc chuyển giao trực tiếp RRC và
RANAP. RNC chỉ đơn thuần hoạt động như một bộ chuyển mạch. Giả sử rằng các UE
được chuyển mạch thành cơng, MSC sau đó gửi một chế độ bảo mật tin nhắn lệnh ở
chế độ bảo mật cho RNC chỉ ra rằng các giao dịch giữa UE và UTRAN cần được mã
hóa. RNC sẽ gửi một chế độ bảo mật tin nhắn lệnh tới UE. Các lệnh và thông điệp ở
chế độ bảo mật truyền đạt các thuật tốn mã hóa và các khóa mã hóa và tồn vẹn.

Hình 2.11: Xác thực và mật mã

UE bắt đầu mã hóa bất kì giao dịch nào hướng tới UTRAN và thông báo cho
RNC, sử dụng một chế độ bảo mật thơng báo hồn chình RRC. RRC lần lượt thơng
báo cho MSC. Lưu ý mã hóa chỉ được áp dụng cho các giao dịch giữa UTRAN và UE.
 Bước 3: Truy nhập vô tuyến vô danh thành lập và thiết lập cuộc gọi
Sau khi thủ tục xác thực và bảo mật thành công, UE gửi một thông điệp thiết lập
điều khiển cuộc gọi đến MSC. MSC xác nhận rằng UE được ủy quyền cho các dịch vụ
23