Đề tài Nghiên cứu tiến trình nâng cấp mạng thông tin di động GSM và giao thức

Lời mở đầu Lúc bắt đầu đồ án em vẫn chưa biết chọn đề tài gì, chỉ biết làm về 3G. Sau 1 thời gian thực tập và làm báo cáo thực tập em có điều kiện đọc nhiều hơn về công nghệ GSM. Em đã quyết định làm đề tài “ Nghiên cứu tiến trình nâng cấp mạng thông tin di động GSM và giao thức”, giúp em hiểu mạng thông tin di động GSM tiến lên 4G như thế nào và liên kết với những mạng thông tin khác như thế nào, đây là bước đặt vấn đề. Bước tiếp theo là giải quyết vấn đề, em sẽ tìm hiểu sau khi đi làm hoặc học cao học. Để hoàn thành đề tài đúng thời hạn, người đầu tiên em xin chân thành cám ơn là Thầy – Nguyên Ngọc Văn đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn. Người tiếp là, Thầy Quế - Học viện bưu chính viễn thông; Bác Giao, anh Phương, anh Thắng ở phòng NGN -Viện kỹ thuật bưu điện; anh Hồng Anh – ở đài chuyển mạch của Mobifone đã giúp em tài liệu và hướng dẫn chọn đề tài và anh trai thì luôn động viên để hoàn thiện đồ án sớm nhất có thể Hà Nội, ngày 15 tháng 5 nămg 2008 Sinh viên Lê Thị Thu Trang -2- Tóm tắt đồ án Nội dung đồ án chia làm 2 phần - Phần một: Trình bày theo tiến trình nâng cấp, phát triển của mạng thông tin di động GSM. Nội dung của mỗi Chương tập trung chủ yếu vào core network đó là; sơ đồ cấu trúc mạng (tương ứng với mỗi công nghệ), chức năng của phần tử trong mạng, giao diện và các kỹ thuật được sử dụng. - Phần hai: Khái quát chung một số giao thức sử dụng trong miền gói dữ liệu (từ GPRS đến 4G) như RTP, BICC, H.248/MEGACO, SIP… Giao thức giống như một quy tắc giao thông giúp cho việc lưu thông được thông suốt hơn Vì số lượng trang trong đồ án không cho phép nên em vẫn còn thiếu nhiều mảng vô tuyến trong thông tin di động, và phần giao thức vẫn chưa kỹ. Em sẽ tìm hiểu sau Thesis Summary The thesis content is devided two parts: - Part one: present the upgrade of GSM mobile communication from 2G(GSM) to 4G. The content of each chapter concentrate on the core network, as the network structure, the function of the elements in network, the interface and few used technologies - Part two: Introduce generally some protocols used in data package domain (from GPRS to 4G) such as RTP, BICC, H.248/MEGACO, SIP… The protocol is similar to the traffic rule that help traffic thông suốt hơn Beacause of the page limitation in the thesis. Therefore, I am short of the fields of the radio in the mobile communication, and lack the details of a protocol. I will study later -3- Mục Lục Lời mở đầu ..................................................................................................................1 Tóm tắt đồ án ..............................................................................................................2 Mục Lục ......................................................................................................................3 Danh sách các Hình vẽ ................................................................................................7 Danh sách các bảng.....................................................................................................8 Phần I Các công nghệ mạng thông tin di động GSM .......................................9 Chương 1 Mạng thông tin di động GSM......................................................9 1.1 Lịch sử phát triển ..........................................................................................9 1.2 Hệ thống GSM..............................................................................................9 1.2.1 Các thành phần của hệ thống. ..............................................................11 1.2.1.1 phân hệ vô tuyến ...........................................................................12 1.2.1.2 phân hệ chuyển mạch ....................................................................14 1.2.2 Các giao diện trong mạng GSM...........................................................16 1.2.2.1 Giao diện A giữa BSS – MSC.......................................................16 1.2.2.2 Giao diện Abis giữa BSC – BTS...................................................17 1.2.2.3 Giao diện B giữa MSC server – VLR ...........................................18 1.2.2.4 Giao diện C giữa HLR và MSC server .........................................18 1.2.2.5 Giao diện D giữa HLR và VLR ....................................................18 1.2.2.6 Giao diện E giữa những MSC server ...........................................18 1.2.2.7 Giao diện F giữa MSC server và EIR ...........................................19 1.2.2.8 Giao diện G giữa những VLR .......................................................19 1.2.2.9 Điểm giao diện Nc giữa MSC server và GMSC server ...............19 1.2.2.10 Giao diện H giữa HLR và AuC....................................................19 1.3 Sự phát triển hệ thống không dây ...............................................................19 Chương 2 Công nghệ GPRS ...........................................................................21 2.1 giới thiệu chung về GPRS ..........................................................................21 2.2 Phần tử mới trong GPRS ............................................................................22 2.2.1 Những Node hỗ trợ của GPRS............................................................22 2.2.2 Sự phân biệt Data/Voice trong BSS.....................................................23 2.2.3 Đơn vị điều khiển kênh (Channel Control Unit) ................................23 2.2.4 Mạng tổng đài roaming GPRS.............................................................24 2.3 Giao diện trong mạng GPRS ......................................................................25 2.3.1 Giao diện Gb giữa BSS và SGSN.........................................................25 2.3.2 Giao diện Gr giữa SGSN và HLR........................................................25 2.3.3 Giao diện Gn và Gp giữa SGSN và GGSN .........................................26 2.3.4 Giao diện Gc là đường báo hiệu giữa GGSN và HLR.........................26 2.3.5 Giao diện Gf giữa SGSN và EIR .........................................................26 2.3.6 Giao diện Gs giữa MSC/VLR và SGSN..............................................26 2.4 Giao thức GPRS .........................................................................................27 -4- Chương 3 Công nghệ GSM/EDGE ...............................................................27 3.1 Sự khác nhau về kỹ thuật giữa GPRS và EDGE .......................................27 3.2 Chuẩn hoá ...................................................................................................30 3.3 Tương lai của GSM/EDGE là hướng tới WCDMA ...................................31 3.4 Lợi ích của EGPRS....................................................................................31 Chương 4 Công nghệ UMTS Release ‘99 .....................................................32 4.1 Tổng quan về UMTS (là 3G).......................................................................32 4.2 Những phần tử mới trong R99...................................................................35 4.3 Giao diện mới trong R99 ..........................................................................38 4.3.1 Giao diện Iu giữa UTRAN – CN .........................................................38 4.3.2 Giao diện Iu CS....................................................................................38 4.3.3 Giao diện Iu PS ...................................................................................40 4.3.4 Giao diện Iu BC ...................................................................................40 4.3.5 Giao diện Iur giữa RNC – RNC...........................................................41 4.3.6 Giao diện Iub giữa RNC – Node B......................................................43 Chương 5 Công nghệ UMTS Release 4 ........................................................45 5.1 Giới thiệu ....................................................................................................45 5.2 Kiến trúc chuyển mạch mềm R4 ................................................................46 5.2.1 MSC server .........................................................................................47 5.2.2 Media gateway (MGW) .......................................................................47 5.2.3 Gateway MSC server (GMSC server) .................................................47 5.3 Những giao diện mới trong R4..................................................................48 5.3.1 Giao diện Mc: (G)MSC server tới CS-MGW.......................................48 5.3.2 Giao diện Nc giữa MSC server và MSC server...................................49 5.3.3 Giao diện Nb giữa 2 MGW..................................................................49 Chương 6 Công nghệ UMTS Release 5 .........................................................50 6.1 UMTS Realease 5: Giới thiệu IMS ..........................................................50 6.1.1 Những phần tử mới trong R5 ...............................................................50 6.1.1.1 CSCF – Call Session Control Function..........................................50 6.1.1.2 MGCF và MGW............................................................................52 6.1.1.3 HSS (Home Subscriber Server).....................................................52 6.1.1.4 AS (Application Server)................................................................52 6.1.1.5 BGCF (Breakout Gateway Control Function) ..............................52 6.1.1.6 MRF (Multimedia Resource Function) ........................................53 6.1.1.7 SLF (Subscription Location Function).........................................53 6.1.1.8 Cổng báo hiệu (SGW) ...................................................................53 6.1.1.9 Cổng bảo mật ................................................................................54 6.1.1.10 PDF (Policy Decision Function) ..................................................54 6.1.2 Những giao diện trong kiến trúc IMS.................................................55 6.2 UMTS Realease 5: Truy cập gói downlink tốc độ cao (HSDPA).............57 6.3 UMTS Release 6 và Release 7....................................................................58 6.3.1 UMTS Release 6 ..................................................................................58 6.3.2 UMTS Release 7 và xa hơn .................................................................58 Chương 7 Các công nghệ không dây khác .....................................................59 -5- 7.1 Mạng WLAN ..............................................................................................59 7.1.1 Giới thiệu chung về WLAN.................................................................59 7.1.2 So sánh WLAN và UMTS ...................................................................60 7.2 WiMax (chuẩn 802.16)...............................................................................64 7.2.1 Tổng quan về WiMax (802.16)............................................................64 7.2.2 So sánh 802.16 (WiMax) với UMTS, HSDPA, và WLAN...............68 7.3 UMTS vệ tinh (satellite UMTS).................................................................69 Chương 8 Tổng quan về 4G............................................................................73 8.1 Yêu cầu xây dựng mạng di động không dây thế hệ mới 4G ......................73 8.2. Các quan điểm tiếp cận mạng thế hệ mới 4G.............................................73 8.2.1. Cách tiếp cận theo quan điểm hệ thống ...............................................73 8.2.2. Cách tiếp cận theo quan điểm tích hợp mạng ......................................74 8.3. Định nghĩa mạng di động ALL-IP 4G.......................................................74 8.4. Các thế hệ công nghệ ..................................................................................75 8.5 Các đặc điểm công nghệ 4G .......................................................................78 8.5.1 Hỗ trợ lưu lượng IP..............................................................................79 8.5.2 Hỗ trợ tính di động tốt..........................................................................79 8.5.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau .......................................79 8.5.4 Không cần liên kết điều khiển .............................................................80 8.5.5 Hỗ trợ bảo mật đầu cuối-đầu cuối........................................................80 8.6 Các mô hình khuyến nghị cho 4G ..............................................................81 8.6.1 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4G của mobile it forum.........81 8.6.2 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobi dick...................82 8.6.3 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của cisco...........................82 8.7 Mạng 4G tổng quát .....................................................................................83 8.8 KẾT LUẬN ................................................................................................84 Phần 2 Giao Thức và hiện trạng mạng di động ở Việt Nam............................84 Chương 9 Giao thức trong Release 4..............................................................84 9.1 Giao thức RTP ............................................................................................84 9.1.1 RTP ở giao diện Nb .............................................................................84 9.1.2 Bộ nhận dạng nguồn ............................................................................85 9.1.3 Bảo mật với RTP..................................................................................86 9.1.4 Sự dư thừa trong RTP ..........................................................................86 9.2 Giao thức SDP (Session Description Protocol) ..........................................86 9.3 MGCP (Media Gateway Control Protocol) ................................................86 9.4 Giao thức H.248..........................................................................................88 9.4.1. Lịch sử phát triển. ................................................................................88 9.4.1.1 MEGACO và MGCP .....................................................................88 9.4.2 Các thuật ngữ và mô hình kết nối ........................................................89 9.4.2.1 Media Gateway .............................................................................89 9.4.2.2 Termination và Context.................................................................90 9.4.2.3 Đặc tính, sự kiện, tín hiệu và thống kê.........................................91 9.4.2.4 Định nghĩa Lệnh...........................................................................92 9.4.2.5 Bản tin, giao dịch, hành động.......................................................93 -6- 9.4.2.6 Gói ................................................................................................94 9.4.2.7 Mô tả.............................................................................................95 9.4.3 Chi tiết về các lệnh...............................................................................96 9.4.3.1 ADD .............................................................................................96 9.4.3.2 MODIFY ......................................................................................97 9.4.3.3 SUBTRACT..................................................................................98 9.4.3.4 MOVE ..........................................................................................99 9.4.3.5 SERVICECHANGE...................................................................100 9.4.3.6 NOTIFY......................................................................................100 9.4.4 Các kịch bản.......................................................................................100 9.4.4.1 Khởi tạo MG (khởi động lạnh)....................................................100 9.4.4.2 Thiết lập cuộc gọi ........................................................................102 9.4.4.3 Giải phóng cuộc gói: kịch bản 1, kịch bản 2, kịch bản 3 ............102 9.4.4.4 Kiểm tra giá trị_AuditValue........................................................102 9.5 BICC (Bearer-Independent Call Control)...............................................103 9.6 Giao thức SIGTRAN ................................................................................104 9.7 Tổng kết ....................................................................................................104 Chương 10 Giao thức trong Release 5..........................................................105 10.1 Giao thức SIP (Session Initiation Protocol) ............................................105 10.1.1 Đánh địa chỉ SIP .............................................................................105 10.1.2 Những thành phần SIP .....................................................................106 10.1.2.1 UA (User Agent) .......................................................................106 10.1.2.2 Proxy Server ..............................................................................107 10.1.2.3 Registrar server .........................................................................107 10.1.2.4 Redirect server..........................................................................107 10.1.2.5 Location service ........................................................................107 10.1.3 SIP messages (Những bản tin SIP) ..................................................107 10.1.4 SIP responses ..................................................................................109 10.1.5 Conferencing with SIP.....................................................................109 Chương 11 Hiện trạng mạng di động ở Việt Nam .......................................110 11.1 Hiện trạng công nghệ CDMA, GSM và WiMax trên thế giới ...............110 11.1.1 CDMA..............................................................................................110 11.1.2 GSM.................................................................................................111 11.1.3 WiMAX ...........................................................................................111 11.2 Tình hình tại Việt Nam...........................................................................111 11.3 Tình hình chuẩn bị lên 3G của các nhà khai thác viễn thông ở Việt Nam .........................................................................................................................113 Chữ viết tắt ..............................................................................................................117 Tài liệu tham khảo...................................................................................................124  -7- Danh sách các Hình vẽ Hình 1.1: Mô hình hệ thống GSM ............................................................................12 Hình 2.1: Tổng quan những thay đổi trong BSS và mạng lõi GSM.........................21 Hình 2.2: Mạng tổng đài Roaming GPRS (GRX) ...................................................24 Hình 2.3: Những lớp của giao diện Gb ....................................................................25 Hình 2.4: Giao thức của GPRS ................................................................................27 Hình 3.1: EGPRS giới thiệu những thay đổi trên BSS trong mạng GPRS...............28 Hình 3.2: Biều đồ I/Q chỉ ra những ích lợi điều chế của EDGE .............................29 Bảng 3.2: Tốc độ và điều chế của MCS-1 tới MCS-9 ..............................................29 Hình 3.3: Giao thức của EDGE.................................................................................31 Hình 3.4: Hội tụ nhiều chuẩn khác nhau về EDGE ..................................................32 Hình 4.1: Vùng phủ sóng của UMTS .......................................................................33 Hình 4.2: Những phần tử mới cho mạng UMTS ......................................................35 Hình 4.3: Kiến trúc phần truy nhập...........................................................................36 Hình 4.4: Cấu trúc giao thức Iu CS...........................................................................39 Hình 4.5: Cấu trúc giao thức Iu PS ..........................................................................40 Hình 4.6: Nhóm giao thức của giao diện Iur. ..........................................................41 Hình 4.7: Giống giao thức giao diện Iur ...................................................................43 Hình 4.8: Mô hình logic của Node B đối với FDD...................................................44 Hình 5.1: Khái niệm mạng đơn đối với R4 UMTS..................................................45 Hình 5.2: Những phần tử mới cho mạng UMTS R4................................................46 Hình 5.3: Kiến trúc mạng BICC với giao diện A và Iu ............................................48 Hình 5.4: User plane cho UMTS R4.........................................................................49 Hình 6.1: Hệ thống phụ đa truy nhậm ( IP multimedia subsystem (IMS) )..............50 Hình 6.2: Chuyển đổi báo hiệu trong SGW..............................................................54 Hình 6.3: Kiến trúc IMS...........................................................................................55 Hình 7.1: Kiến trúc của WLAN ................................................................................59 Hình 7.2: Tốc độ dữ liệu và sự phụ thuộc của chúng vào di động ...........................61 Hình 7.3: Kiến trúc nối liền giữa WLAN IEEE 802.11 và UMTS.........................62 Hình 7.4: Quan hệ nối liền giữa IEEE 802.11 WLAN AP và 3G-SGSN...............63 Hình 7.5: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax ...................................................................65 Hình 7.6: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ ...................................66 Hình 7.7: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP ...........................................................67 Hình 7.8: Kiến trúc mạng UMTS vệ tinh..................................................................69 Hình 7.9: Cấu trúc bên trong của cổng .....................................................................69 Hình 7.10: Viễn cảnh vệ tinh trong suốt – Tích hợp ở Iub ( NodeBBP ) và ở Iu ( RNCBP ) .........................................................................................................71 Hình 8.1: Các công nghệ không dây tích hợp mạng 4G ..........................................75 Hình 8.2: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobile it forum..............81 Hình 8.3: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobi dick.......................82 Hình 8.4: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của cisco...............................82 Hình 8.5: Kết nối liên tục giữa các mạng ................................................................83 -8- Hình 9.1: Điều khiển cổng phương tiện (media) .....................................................87 Hình 9.2: Lịch sử phát triển của H.248....................................................................88 Hình 9.3: Mô tả kết nối H.248 .................................................................................89 Hình 9.4: Vị trí của RTP ..........................................................................................91 Hình 9.5: Mối quan hệ giữa bản tin và giao dịch.....................................................94 Hình 9.6: Mối quan hệ giữa giao dịch, context và lệnh...........................................94 Hình 9.7: Các mô tả .................................................................................................95 Hình 9.8: Kiến trúc của BICC...............................................................................104 Hình 10.1: Kiến trúc thành phần SIP .....................................................................106 Hình 11.1: Xu hướng phát triển các chuẩn viễn thông ...........................................112 Hình 11.2: Mạng GPRS của MobiFone ..................................................................114 Danh sách các bảng Bảng 1.1: Tốc độ từ CS-1 đến CS-4 .........................................................................24 Bảng 3.1: GPRS và EDGE: So sánh thông tin kỹ thuật............................................28 Bảng 3.2: tốc độ và điều chế của MCS-1 tới MCS-9 ..............................................29 Bảng 9.1: Header của RTP......................................................................................85 Bảng 9.2: RTP payload type assignment ................................................................85 Bảng 9.3: So sánh MEGACO và MGCP ................................................................88 Bảng 10.1: Những giải pháp SIP...........................................................................108 Bảng 10.2: Những lớp code trả lời của SIP ..........................................................109 -9- Phần I Các công nghệ mạng thông tin di động GSM Chương 1 Mạng thông tin di động GSM 1.1 Lịch sử phát triển Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, khởi đầu từ những năm 70 với các công nghệ tiêu biểu như AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại North American (1983), NTT tại Nhật (1977) và NMT (Nordic Mobile Telephone) tại Europe (1983). Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT – European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991 Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI – European Telecommunication Standards Institute) được thành lập, có trách nhiệm biến đổi nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European Ngày 01/07/1991 ở Phần Lan (finland) cuộc gọi điện thoại GSM đầu tiên từ công viên Helsinki, đánh dấu GSM900 Phase 1 ở European. Năm 1995, chuẩn GSM đã phát triển lên Phase 2. Tập trung phát triển vào phát đàm thoại và những dịch vụ liên quan đến những cuộc gọi đàm thoại N ăm 1998, 3GPP (the Third Generation Partnership) phát triển chuẩn GSM lên GPRS và EDGE Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA -1G, 2G – là kết hợp FDMA và TDMA, 3G – CDMA 1.2 Hệ thống GSM Hệ thống GSM làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960MHz). Băng tần được chia làm 2 phần: ƒ Uplink band từ (890 – 915) MHz ƒ Downlink ban từ (935 – 960)MHz Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số -10- riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. Tốc độ mã từ (6.5 – 13)Kbps. 125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Ful(n) = 890 MHz + (0,2MHz) * n Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz Với 1 <= n <= 124 Cấu trúc của 2 kênh vật lý và kênh logic: - Các kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA dài 4,62ms gồm có 8 khe thời gian (một khe dài 577μ s) - Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS. Các kênh logic này được đặt vào kênh vật lý nói trên. Có thể chia các kênh logic gồm 2 loại kênh: các kênh lưu lượng (TCH) và các kênh báo hiệu điều khiển Kỹ thuật đa truy cập tại giao diện vô tuyến - Trong hệ thống thông tin vô tuyến/ di động, các kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng đề điều khiển việc cấp phát tài nguyên mạng. - Mục đích của các kỹ thuật đa truy nhập là: Cung cấp cho mỗi người dùng (user-đầu cuối) phương cách truy nhập xác định tới nguồn tài nguyên cần chia sẻ (phổ tần số - spectrum); giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu giữa các thuê bao; sử dụng hiệu quả băng tần sẵn có; hỗ trợ việc cấp phát tài nguyên linh hoạt (cho các dịch vụ khác nhau) Các phương pháp đa truy nhập Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access ) Khái niệm: FDMA là một phương thức đa truy nhập mà mỗi thuê bao được cấp phát một kênh tần số xác định và duy nhất thuê bao đó có quyền sử dụng kênh tần số này trong suốt quá trình liên lạc. (Qualcomm, 1997) Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access) Khái niệm: TDMA là phương thức chia sẻ kênh tần số được cấp phát cho một số thuê bao. Tuy nhiên, mỗi thuê bao chỉ được phép trao đổi thông tin (thu/phát) tại -11- một khe thời gian nhất định trước. khi đó các kênh mang thông tin của các thuê bao sử dụng chung 1 kênh tần số được phân biệt về mặt thời gian. (Qualcomm, 1997) Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access) Khái niệm: CDMA là một phương thức đa truy nhập trong đó các thuê bao có thể sử dụng đồng thời kênh tần số được cấp phát tại mọi thời điểm và được phân kênh thông qua một mã được cấp phát duy nhất. Tín hiệu được phân biệt tại máy thu sử dụng một bộ tương quan cho phép chỉ nhận năng lượng tín hiệu từ kênh mong muốn. Tín hiệu từ các kênh khác được coi như nhiễu đối với máy thu đó. (Qualcomm, 1997) 1.2.1 Các thành phần của hệ thống. PLMN theo chuẩn GSM được chia làm 3 phân hệ: ™ Phân hệ chuyển mạch – NSS (Network Switching Subsytem): MSC, HLR, VLR, AuC, EIR ™ Phân hệ vô tuyến – RSS = BSS + MS RSS – Radio SubSystem -> MS = ME +SIM: Trong SIM chứa các số nhận dạng IMSI, TMSI; số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI - > BSS = TRAU + BSC + BTS: BSS kết nối với NSS qua cổng PCM cơ sở 2Mbps ™ Phân hệ vận hành và bảo dưỡng (khai thác) – OMS (Operation and Maintenance Subsystem) Phân hệ khai thác thực hiện 3 chức năng chính: Khai thác và bảo dưỡng mạng, Quản lý thuê bao và tính cước, Quản lý thiết bị di động -12- Hình 1.1: Mô hình hệ thống GSM 1.2.1.1 phân hệ vô tuyến BSS (Base Station System ) có chức năng cung cấp đường truyền giữa MS với tổng đài MSC. BSS trao đổi thông tin với MS trên giao diện vô tuyến Um và với MSC (SGSN) bằng các truyến truyền dẫn 2Mbps qua giao diện A(Gb): BSS = BSC + BTS + TRAU (TCE) BSC ( Base Station Controller) điều khiển 1 vài Cell (1 vài BTS) vàquản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển xa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (handover). Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có vai trò quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. BSC phải thực hiện 1 vài chức năng: - ước lượng báo hiệu giữa MS và tổng đài (mạng lõi – CN) -13- - performing gaging in a group of cells for every mobile terminating call (MTC) - Quản lý tài nguyên vô tuyến đối với mỗi BTS - Chuyển mạch khe thời gian từ mạng lõi tới đúng BTS - Cung cấp điểm truy cập bảo trì và vận hành chính cho toàn bộ BSS - Lưu dữ cấu hình data đối với tất cả những phần tử trong BSS. Handover là 1 thuê bao từ Cell này đến cell khác, yêu cầu mọi BTS phải: Î Đánh giá thông báo đo lường được phát từ mọi di động trong suốt quá trình gọi, để xác định khi nào thì chuyển giao Î Truy cập tới tài nguyên có sẵn trong mỗi BTS hàng xóm; Î Có thể thông tin với BTS hàng xóm để yêu cầu tài nguyên cho mỗi mobile cần handover, và hợp tác handover Î Hợp tác handover(chuyển giao) với tổng đài điện thoại mục đích để nó biết BTS nào đang xử lý mỗi cuộc gọi BTS (Base Transceiver Station) trong 1 cell. BTS có chức năng trao đổi thông tin với MS. Mỗi BTS bao gồm các thiết bị thu phát, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến để cung cấp giao diện vô tuyến cho một cell. Dung lượng kênh thoại của mạng GSM, trong bất kỳ một vùng, được xác định bởi số lượng tần số mang trên mỗi cell và mật độ cell trên một vùng. nhiệm vụ chính của BTS là: - Mã kênh (sử dụng FR, HR hoặc EFR), mật mã và giải mật mã (chỉ với những kết nối chuyển mạch kênh) - đồng bộ một vài mật mã MS về thời gian và tần số - Khối vô tuyến tương tự để điều chế, khuyếch đại và phối hợp thu phát - Khối băng gốc để phối hợp tốc độ truyền thoại, số liệu và mã hoá kênh - sự ước lượng và optimizatin về chất lượng phát UL và DL (sử dụng nhiều cách đo riêng và những thông báo đo MS) TRAU(TCE): Tín hiệu trên giao diện vô tuyến được mã hoá ở tốc độ 13kbps sử dụng mã tiền định tuyến tính LPC. Để thích ứng tốc độ này với tốc độ mạng thoại cố định PSTN cần có bộ chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi giữa 13kbps LPC và 64kbps PCM giữa MS và MSC. TRAU có thể đặt tại BTS, BSC hoặc tại MSC. Mỗi 20ms chứa 260bit tiếng sẽ được bổ sung 60bit và tốc độ luồng số mỗi kênh đạt 16kbps. Với truyền số liệu, không cần chuyển đổi mã nhưng tốc độ số liệu thay đổi -14- từ 9,6kbps lên 16kbps để truyền trên giao diện kênh mặt đất (trong đó có 3kbps TRAU) ME (Mobile Equiptment) = hardware + software là thiết bị di động. ME tương đương số IMEI = Assigned at the factory SIM: lưu giữ thông tin nhận thực thuê bao và mật mã hoá/ giải mật mã hoá. Các thông tin lưu dữ trong SIM Các sô nhận dạng IMSI, TMSI - Khoá nhận thực Ki - Khoá mật mã Kc - Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI (LAI – Location Area ID) - Danh sách các tần số lân cận Có 3 lớp khác biệt của thiết bị di đ ộng (ME) GPRS với GSM. - Lớp A: thiết bị có khả năng xử lý cuộc gọi thoại và chuyển gói data ở cùng một thời điểm. - Lớp B: Thiết bị có thể xử lý thoại hoặc lưu lượng gói data và có thể đặt việc chuyển gói ở trạng thái trờ để nhận cuộc gọi thoại. - Lớp C: Thiết bị có thể xử lý cả 2 thoại và data 1.2.1.2 phân hệ chuyển mạch MSC ( Mobile service Switching Centre) có nhiệm vụ điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM. Một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài (qua GMSC) MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC. MSC thực hiện các chức năng: Xử lý cuộc gọi, vận hành và bảo dưỡng, chức năng tương tác và tính cước. MSC có thể triển khai ở 2 dạng: MSC server - xử lý báo hiệu; CS-MGW xử lý báo hiệu người dùng MSC server điều khiển cuộc gọi từ lúc bắt đầu đến kết thúc trong miền CS, hoàn thành báo hiệu và biên dịch vào trong mạng báo hiệu. Chứa dữ liệu dịch vụ thuê bao trong VLR và dữ liệu liên quan CAMEL. CS-MGW (Circuit Switch - Media Gateway Function) giúp chuyển đổi phương tiện, điều khiển vật mang và xử lý kích thước gói qua giao diện Iu. H.248 được đề nghị để xác nhận mã phụ thêm và những giao thức đóng khung. -15- IWF (the Interworking Function) nối tới MSC để cung cấp liên kết giữa mạng PLMN và mạng cố định (ISDN, PSTN và PDNs). Việc giao tiếp với mạng ngoài đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác IWF) để thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM và các mạng ngoài. Chức năng của IWF là - phụ thuộc vào dịch vụ và loại mạng cố định. - Chuyển giao thức được dùng trong mạng PLMN sang những giao thức được dùng trong mạng cố định GMSC (the Gateway MSC): Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC mà không cần biết vị trí hiện thời của thuê bao.GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú). Muốn vậy, trước hết các tổng đài phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này: MSC -> HLR tương ứng -> MSC có MS. - GMSC quyết định điều khiển kết nối với mạng bên ngoài, khi truy vấn tới HLR và MSC. - Được triển khai trên 2 thực thể: GMSC server – xử lý báo hiệu và CS-MGW - Nếu cuộc gọi là đàm thoại/quảng bá, thì call được định tuyến trực tiếp tới MSC kết nối với VBS/VGCS HLR (the Home Location Register) là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao - Các số nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN - Các thông tin về thuê bao (từ 1-4 triệu thuê bao ) - Danh sách các dịch vụ MS được/hạn chế sử dụng - Số hiệu VLR đang phục vụ MS AuC (the Authentication Centre) là cơ sở dữ liêu lưu giữ các khoá thuê bao Ki cho tất cả các thuê bao trọng mạng. AuC có chức năng nhận thực và tạo khoá Kc để sử dụng trong cuộc gọi. VLR (the Visition Location Register) là cơ sở dữ liệu trung gian lưu giữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR. -16- - Vị trí hiện thời của MS trong vùng phục vụ MSC nào - Trạng thái thuê bao (bận-busy, rỗi-idle) - Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI - Nhận dạng vùng LAI. - Số lưu động trạm di động MSRN EIR (the Equipment Identity Register) là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết bị ME qua số IMEI. Một số thiết bị sẽ có số IMEI thuộc 1 trong 3 danh sách. - Sách trắng: IMEI hợp lệ - Sách đen: IMEI của MS bị mất cắp - Sách xám: IMEI của MS bị lỗi không đáp ứng đựơc chuẩn GSM EIR được truy cập từ MSC của mạng hoặc MSC mạng khác. Trong mạng có thể có nhiều EIR SMS – GMSC (SMS Gateway MSC) là một giao diện giữa trung tâm SMS và PLMN, message ngắn được gửi tới MS từ trung tâm dịch vụ (SC – Service Centre) 1.2.2 Các giao diện trong mạng GSM 1.2.2.1 Giao diện A giữa BSS – MSC Là khả năng cung cấp nhiều dịch vụ cho những người dùng GSM và thuê bao. Thêm vào đó, giao diện A cho phép cấp phát tài nguyên phù hợp trong mạng PLMN, vận hành và bảo quản những tài nguyên này. Chỉ tiêu kỹ thuật mà giao diện A cho phép là: - Kết nối của nhiều hãng sản xuất BSS khác nhau tới cùng 1 MSC và ngược lại - Sử dụng cùng một kiểu BSS (MSC) trong nhiều mạng PLMN - Phát triển riêng của MSC và kỹ thuật BSS - Tiến tới giảm tốc độ mã thoại - hỗ trợ tất cả những dịch vụ Tập hợp những đặc tính gồm: Những tham số vật lý và điện từ trường, cấu trúc kênh, tiến trình vận hành mạng, thông tin vận hành và duy trì bảo dưỡng. Định nghĩa giao diện MSC tới BSS giống trong mạng ISDN. Lớp 3 có thêm những thủ tục để điều khiển tài nguyên vô tuyến và nhận dạng nhiều sự kiện sử dụng SCCP. Lớp 2 dựa vào báo hiệu SS7 MTP (Message Transfer Part), hoặc trong trường hợp vận chuyển báo hiệu cơ sở IP – M3UA và SCTP. Trong trường hợp SS7 MTP, lớp 1 là số (ở 2,048Mbps) hoặc tương tự thì data vẫn được cho qua vì sử dụng modem. -17- Cụ thể hoá lớp 3 là 2 giao thức giao diện được nhận dạng trong BSS tới MSC là: BSSOMAP, BSSAP - BSSAP được chia thành BSSMAP và DTAP: DTAP text giúp messages giao diện không khí ở lớp 3 được đi qua BSS và DTAP text cũng được xử lý ở BSS; BSSMAP chịu trách nhiệm nhiều khía cạnh của xử lý tài nguyên vô tuyến trong BSS. Text được cấu trúc như một tập những tiến trình được định nghĩa và có thể tận dụng bởi nhà khai thác/ nhà sản xuất để phù hợp tới những yêu cầu ứng dụng đang dùng. Chính những tiến trình bị điều khiển theo những chế độ khác nhau phụ thuộc vào tham số đầu vào được nhận từ MSC hoặc được gửi từ OMC - BSSOMAP hỗ trợ tất cả những thông tin O và M cho BSS bởi MSC hoặc BSS 1.2.2.2 Giao diện Abis giữa BSC – BTS Giao diện Abis có khả năng hỗ trợ tất cả những dịch vụ tới người dùng GSM và nhiều thuê bao. Thêm vào đó, nó cho phép điều khiển thiết bị và cấp phát tần số trong BTS Những chỉ tiêu kỹ thuật giao diện Abis cho phép: - Kết nối của nhiều nhà sản xuất BTS/TRX khác nhau tới cùng một BSC và ngược lại, tuỳ theo định vị những bộ chuyển mã - sử dụng cùng một loại BTS/TRX (BSC) trong nhiều mạng PLMN, tuỳ theo sự định vị bộ chuyển mã - Phát triển riêng của BSC và kỹ thuật BTS/TRX - Tiến tới đổi mới những tiện nghi O & M - Định vị những bộ chuyển mã trong BSC hay trong BTS - Giải pháp vật lý khác nhau của thiết bị khác nhau trong BTS - Hỗ trợ TRX đơn cấu thành BTS Định nghĩa giao diện Abis tiến tới giống ISDN: Lớp 3 bằng những tiến trình thêm vào để điều khiển tài nguyên vô tuyến; Lớp 2 dựa vào giao thức LAPD; Lớp 1 là số (ở tốc độ 2,048Mbps) hoặc tương tự thì data được đi qua bởi modem Trường hợp transcoder được đặt bên ngoài BTS, trễ truyền toàn bộ trên 1 đường giữa điểm kết nối PSTN/ISDN và MS được giới hạn là 1,5ms ( xấp xỉ 300km). Transcoder đặt trong BTS, giới hạn là 6,5ms (xấp xỉ 1300km). Transcoder là một phần của BSS và có thể được đặt ở bên ngoài BTS (e.g ở MSC-site hoặc ở BSC-site) để có thể ghép kênh thoại và data trên những đường link trong BSS và trên đường link BSC-BTS -18- TRX (Transceiver): trong mạng GSM PLMN là một phần tử chức năng hỗ trợ 8 kênh vô tuyến cơ sở của TDMA-frame BCF (Base Control Function): là phần tử chức năng xử lý những chức năng điều khiển chung trong BTS, e.g frequency hopping sequences. Ở nhiều BTS-site, một trong số những BCF có thể được chọn để thực hiện nhiều chức năng thông thường (e.g external alarms, power supply, time base) 1.2.2.3 Giao diện B giữa MSC server – VLR VLR là cơ sở data định vị và quản lý những thuê bao di động roaming đến khu vực MSC server mà VLR kết hợp. Bất kỳ khi nào MSC server cần data liên quan tới MS trong khu vực MSC này, nó sẽ tham chiếu tới VLR. Khi MS roam đến một vùng định vị khác, nó sẽ updating thông tin location với MSC server ở nơi đó, MSC server lại thông tin tới VLR để chứa thông tin này. Khi một thuê bao kích hoạt dịch phụ hay giảm bớt một vài data gắn với dịch vụ, MSC server thông tin (thông qua VLR) tới HLR là nơi chứa nhiều sửa đổi và updata tới VLR nếu yêu cầu. Giao diện B bên trong MSC server/VLR 1.2.2.4 Giao diện C giữa HLR và MSC server GMSC server phải tham chiếu tới HLR thuê bao yêu cầu để thực hiện định tuyến thông tin cuộc gọi hoặc bản tin ngắn (SMS) tới thuê bao đó 1.2.2.5 Giao diện D giữa HLR và VLR Giao diện D được dùng để trao đổi data định vị MS và quản lý thuê bao. Dịch vụ chính cung cấp cho thuê bao di động là thiết lập hoặc nhận những cuộc gọi. Để hỗ trợ điều đó, những danh sách định vị phải trao đổi data. VLR thông tin cho HLR định vị MS (HLR of location of MS) ( khi updating định vị hay thiết lập cuộc gọi) số roaming của MS đó. HLR gửi tất cả data liệu cần tới VLR để hỗ trợ dịch vụ cho thuê bao di động. Sau đó HLR chỉ đạo VLR trước đó phải xoá đi đăng ký định vị thuê bao này. 1.2.2.6 Giao diện E giữa những MSC server Khi một MS di chuyển từ một MSC này tới một MSC khác trong suốt cuộc gọi, tiến trình handover phải thực hiện để duy trì thông tin. Do đó, những MSC server phải trao đổi data để bắt đầu và thực hiện hoạt động Khi SMS được dịch chuyển giữa MS và trung tâm dịch vụ SMS, giao diện này có chức năng dich chuyển message giữa MSC server phục vụ MS và MSC server làm việc với SC. -19- 1.2.2.7 Giao diện F giữa MSC server và EIR Giao diện F dùng để trao đổi data, mục đích để EIR có thể xác nhận tình trạng IMEI được gửi từ MS. 1.2.2.8 Giao diện G giữa những VLR Tiến trình đăng ký định vị sẽ xảy ra khi thuê bao di động di chuyển từ VLR này tới VLR khác. Tiến trình này gồm việc phục hồi lại IMSI và những tham số xác nhận từ VLR cũ 1.2.2.9 Điểm giao diện Nc giữa MSC server và GMSC server Trên điểm giao diện Nc, việc điều khiển cuộc gọi cơ sở giữa mạng - mạng được thực hiện. Ví dụ là ISUP hoặc sự phát triển của ISUP cho điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC – Bearer Independent Call Control). Lựa chọn khác dành cho vận chuyển báo hiệu trên Nc là IP. Nc sẽ cho phép sử dụng bất kỳ giao thức điều khiển cuộc gọi phù hợp (BICC, SIP-T) mà có thể hỗ trợ yêu cầu lưu lượng. 1.2.2.10 Giao diện H giữa HLR và AuC Khi HLR nhận yêu cầu xác nhận và mật mã hoá dữ liệu cho thuê bao di động và nó cũng không dữ dữ liệu yêu cầu, HLR yêu cầu dữ liệu từ AuC 1.3 Sự phát triển hệ thống không dây Thế hệ 1G: tất cả những hệ thống đều bắt nguồn từ 1G đó là hệ thống tương tự (với thoại là lưu lượng chính). Một vài chuẩn là NMT, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac, TACS và ETACS. -20- Thế hệ 2G: Tất cả những chuẩn thuộc vào 2G là trung tâm thương mại và chúng là dạng số. Vào khoảng 60% thương mại hiện nay bị chi phối bởi chuẩn Châu Âu. Những chuẩn 2G là GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS (2,5G), HSCSD, và WiDEN. Thế hệ 3G: Đáp ứng yêu cầu phát triển dung lượng mạng, tốc độ (tốc độ dịch chuyển dữ liệu) và những ứng dụng đa phương tiện, chuẩn 3G bắt đầu được đưa ra. Những hệ thống trong chuẩn này là sự phát triển tuyến tính của hệ thống 2G. Chúng dựa vào 2 cơ sở hạ tầng chính song song tồn tại đó là những node chuyển mạch kênh, và những node chuyển mạch gói. ITU định nghĩa một bộ những kỹ thuật giao diện không khí cho 3G, như là phần sáng kiến của IMT-2000. Hiện nay, sự chuyển giao xảy ra từ hệ thống 2G tới 3G. Một phần của sự chuyển giao này là một số những kỹ thuật đang được chuẩn hóa. - 2,75G: là EDGE, EGPRS - 3G: là UMTS(W-CDMA), CDMA 2000 & 1xEV-DO/IS-856, FOMA, TD- SCDMA, GAN/UMA - 3.5G: UMTS (HSDPA), UMTS (HSUPA) - Post 3G: UMTS (HSOPA/LTE) Thế hệ 4G: Tùy theo nhóm làm việc 4G, cơ sở hạ tầng và đầu cuối của 4G sẽ có tất cả những chuẩn từ 2G tới 4G đã triển khai. Cơ sở hạ tầng cho 4G sẽ chỉ là gói (all- IP). Một vài đề xuất đó là có một platform mở ở đó những đổi mới và phát triển có thể phù hợp. Những kỹ thuật đang được xem xét như pre-4G là WiMax, WiBro, iBurst, 3GPP Long term Evolution và 3GPP2 Ultra Mobile Broadband. Những kỹ thuật chính là: - kỹ thuật baseband (băng cơ sở) là -> OFDM: để khai thác đặc tính kênh chọn lọc tần số -> MIMO: để đạt được hiệu suất phổ cao nhất -> Turbo principle: để giảm đến mức nhỏ nhất SNR theo yêu cầu ở bên thu - Giao diện vô tuyến thích ứng - Điều chế, xử lý không gian gồm MIMO nhiều anten và nhiều người dùng - Relaying (sự chuyển tiếp), gồm mạng chuyển tiếp cố định(FRN-Fixed Relay Network), và the cooperative relaying concept, được biết như là giao thức nhiều chế độ -21- Chương 2 Công nghệ GPRS 2.1 giới thiệu chung về GPRS Hình 2.1: Tổng quan những thay đổi trong BSS và mạng lõi GSM Những đặc điểm mới trong GPRS là: - Chuẩn hoá dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói - Kết nối IP từ đầu cuối tới đầu cuối - Giải pháp cơ sở cho mobile internet - Mở rộng mạng GSM, với những node thêm vào : SGSN, GGSN Hệ thống phát dữ liệu GPRS trong GSM: - Phát triển GSM: dùng lại toàn bộ cơ sở hạ tậng mạng GSM đang tồn tại (mạng vô tuyến GSM và những phần tử mạng chuyển mạch, như HLR và MSC/VLR), thêm hệ thống chuyển mạch gói - GPRS cho phép thông tin IP giữa MS(Mobile Station) và IH (Internet Service Host) hoặc corporate LAN - Kết nối IP end-to-end từ đầu cuối di động tới những ISP (Internet Service Provider) server. Phát dữ liệu là end-to-end gồm cả giao diện không khí - Không cần kế hoạch tần số, sử dụng tần số GSM. Kênh vô tuyến GPRS được cấp phép tới người dùng chỉ khi phát hoặc nhận dữ liệu. Kênh vô tuyến không được cấp phát trước tới MS, khi MS phát gói dữ liệu, nó được gửi qua -22- kênh vô tuyến tự do đầu tiên. GPRS chia sẻ chung giao diện vô tuyến để cùng tồn tại với GSM chuyển mạch kênh. Kết luận về GPRS - Hệ thống GPRS - bước đầu tiên hướng tới 3G - Mở rộng kiến trúc mạng GSM - Truy cập tốc độ cao và hiệu quả tới những mạng chuyển mạch gói khác (tăng tới 115kbps) - Những dịch vụ mới - Những ứng dụng mới - Volume based charging - Luôn luôn được kết nối, luôn luôn online 2.2 Phần tử mới trong GPRS 2.2.1 Những Node hỗ trợ của GPRS Để tích hợp GPRS vào kiến trúc mạng GSM đang tồn tại, một lớp những node mạng được giới thiệu gọi là node hỗ trợ GPRS (GSNs – GPRS Support Node). GSNs chịu trách nhiệm phát và định tuyến những gói dữ liệu giữa MS và mạng dữ liệu bên ngoài (PDNs). ™ SGSN (Serving GPRS Support Node): Thanh ghi định vị chứa 2 loại dữ liệu thuê bao cần thiết để xử lý bắt đầu và kết thúc việc truyền gói data User profiles: IMSI, nhận dạng tạm thời, địa chỉ PDP Location information: Chế độ hoạt động của MS, Cell hoặc vùng định tuyến nơi mà MS đăng ký; số VLR của VLR được kết hợp (nếu Gs được triển khai); địa chỉ GGSN Chức năng của SGSN: định tuyến, quản lý di động. SGSN phát hiện và đăng ký vị trí cho các trạm di động GPRS mới trong phạm vi phục vụ của nó và truyền phát các gói số liệu giữa các trạm di động và các GGSN. SGSN điều khiển các giao thức giao diện vô tuyến mức cao, cũng như các giao thức mạng GPRS, tính cước data người dùng Chức năng cụ thể SGSN trong GSM/EDGE: ƒ Tiến tới lưu lượng 60kbps (150kbps đối với EDGE) trên mỗi thuê bao ƒ Kết nối qua Frame relay hoặc IP tới PCU sử dụng chức năng giao thức Gb ƒ Chấp nhận data uplink để cấu thành gói IP ƒ Bảo mật data downlink, giải mật mã data uplink ƒ Thực hiện quản lý tới mức cell cho nhiều chế độ di động được kết nối -23- Chức năng cụ thể SGSN trong WCDMA ƒ Lưu lượng tiến tới 300kbps trên mỗi thuê bao (R99) ƒ Tiến tới lưu lượng khoảng 7,2Mbps downlink và 2mbps uplink (HSPA) ƒ Những gói downlink/uplink Tunnel/detunnel hướng tới RNC ƒ Tiến tới quản lý di động tới mức RNC cho những chế độ di động được kết nối ™ GGSN (Gateway GPRS Support Node)chứa dữ liệu thuê bao nhận từ HLR và SGSN. Có 2 loại dữ liệu giống SGSN Subscription information: IMSI, địa chỉ PDP Location information: địa chỉ SGSN cho SGSN nơi mà MS đăng ký GGSN hành động như một giao diện tới mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó chuyển đổi những gói GPRS đến từ SGSN thành định dạng PDP (Packet Data Protocol) tương ứng và gửi chúng ra ngoài trên mạng ở ngoài tương ứng. Trong hướng ngược lại, địa chỉ PDP của gói data đến (là địa chỉ IP đích) được chuyển đổi thành địa chỉ GSM của người dùng đích. GGSN chứa địa chỉ SGSN hiện tại và profile của những người dùng đăng ký vào thanh ghi định vị của nó. GGSN có khả năng tập trung thông tin tính cước cho các mục đích thanh toán. Nói chung, có mối quan hệ nhiều - nhiều giữa SGSNs và GGSNs: Một GGSN giao diện với một mạng ngoài cần một vài SGSNs; một SGSN có thể định tuyến nhiều gói tới nhiều GGSNs khác nhau. 2.2.2 Sự phân biệt Data/Voice trong BSS PCU (the Packet Control Unit) có chức năng điều khiển đến MSC nếu là voice , điều khiển đến SGSN nếu là điện thoại GPRS. Chức năng khác của PCU là : ƒ Chia ra từng gói và lắp lại, trên 2 đường tách biệt Downlink và Uplink ƒ Điều khiển truy nhập ƒ Lập danh sách tất cả sự truyền tích cực gồm quản lý kênh vô tuyến ƒ Điều khiển truyền (kiểm soát, đệm, truyền lại ) PCU có thể được đặt trong mạng ở BTS, BSC hoặc ngay trước switch, vị trí thích hợp là ở BSC 2.2.3 Đơn vị điều khiển kênh (Channel Control Unit) Coding scheme Speed (kbit/s) CS-1 8.0 CS-2 12.0 -24- CS-3 14.4 CS-4 20.0 Bảng 1.1: Tốc độ từ CS-1 đến CS-4 Tốc độ truyền phụ thuộc vào mã hóa kênh. The least robust, nhưng nhanh nhất, sự phối hợp mã CS-4 (vùng phủ sóng của Cell chiếm 25%) là MS gần BTS, khi CS-1(phủ sóng của Cell chiếm 98%) robust nhất thì được dùng khi MS đi ra xa hơn tính từ BTS. Thiết bị mạng mới có thể adapt tốc độ truyền tự động phụ thuộc vào vị trí di động. Có rất nhiều địa chỉ, cụ thể là BTS phân biệt người dùng GPRS và không dùng GPRS. Có một vài xác nhận yêu cầu của người dùng như cuộc gọi thông thường, gửi và nhận gói cụm (bursty packet), chia sẻ khe thời gian với nhiều người dùng GPRS khác và tạo ra mã CS(Coding Scheme)từ CS1 tới CS4 nhưng việc lựa chọn mã lại phụ thuộc vào chất lượng không khí. Mỗi một CS lại sử dụng một hiệu chỉnh lỗi riêng để phù hợp với tốc độ dữ liệu trên giao diện không khí. Khi triển khai GPRS trong mạng GSM, mọi BTS cần nâng cấp phần mềm để có khả năng thực hiện những chức năng GPRS cụ thể như sử dụng CS1 tới CS4, hỗ trợ đo lường kênh vô tuyến GPRS. Việc nâng cấp như đơn vị mã hoá kênh (CCU – Channel Codec Unit) và luôn được đặt ở BTS. CCU kế thừa một vài chức năng quản lý vô tuyến PCU nếu latter không được đặt ở BTS 2.2.4 Mạng tổng đài roaming GPRS ( GPRS Roaming eXchange (GRX) Network) Hình 2.2: Mạng tổng đài Roaming GPRS (GRX) BG (the Border Gateway) Kiểm soát truyền gói giữa các mạng GPRS PLMN, Cung cấp mức bảo mật tương ứng để bảo vệ PLMN và nhiều thuê bao của nó -25- 2.3 Giao diện trong mạng GPRS 2.3.1 Giao diện Gb giữa BSS và SGSN Không giống với giao diện A, ở giao diện Gb mỗi người dùng được cấp phát tài nguyên duy nhất trong suốt thời gian tồn tại cuộc gọi, không quan tâm đến luồng thông tin, Giao diện Gb cho phép nhiều người dùng được ghép trên cùng một tài nguyên vật lý Báo hiệu GPRS và dữ liệu người dùng có thể được gửi trên cùng tài nguyên vật lý. Tốc độ truy cập với mỗi user thay đổi từ dữ liệu không tới băng thông lớn nhất có thể (TS 4818 700) Mạng truy cập, kết nối PCU với SGSN được chuẩn hoá ở lớp 2. Nó chạy giao thức frame relay trên lớp 2 và BSSGP, LLC và SNDCP trên những lớp cao. Khi BSSGP header được tạo bởi BSS thì những header lớp trên được tạo bởi MS. Những header này được truyền xuyên qua BSS. Giới hạn của GPRS, header dịch vụ mạng (layer 2) chứa header của giao thức chuyển mạch (FR – Frame Relay: là một dạng phát dữ liệu packet mà giao diện Gb sử dụng giữa PCU và SGSN) cộng thêm thông tin về kết nối ảo dịch vụ mạng so- called. Quyết định chuyển mạch chỉ dựa trên header FR. Khi giao thức lớp 1 ở luồng E1, nó có thể thiết lập nhiều thay đổi của kết nối vật lý giữa PCU và SGSN. Hình 2.3: Những lớp của giao diện Gb 2.3.2 Giao diện Gr giữa SGSN và HLR Giao diện này được dùng để trao đổi dữ liệu liên quan tới định vị MS và tới quản lý thuê bao. Dịch vụ chính là dịch chuyển dữ liệu gói. SGSN cho HLR biết vị trí của MS. HLR gửi tới SGSN tất cả dữ liệu cần để hỗ trợ dịch vụ tới thuê bao di động -26- 2.3.3 Giao diện Gn và Gp giữa SGSN và GGSN Những giao diện này hỗ trợ tính di động giữa SGSN và GGSN. Giao diện Gn được dùng khi GGSN và SGSN cùng trong một PLMN. Giao diện Gp được dùng nếu GGSN và SGSN trong nhũng PLMN khác nhau. Giao diện Gn/Gp có một bộ phận mà cho phép SGSNs thông tin tới thuê bao và dữ liệu người dùng, khi thay đổi SGSN Kết nối trong mạng SGSN và GGSN được định nghĩa cho tới lớp 3. Mạng phát dữ liệu người dùng ở khung GTP ( GPRS Tunnelling Protocol), khung này được gói tiếp thành UDP và IP. IP giúp định tuyến xuyên qua mạng Gn từ đó phát khung GTP giữa một SGSN và một GGSN. DNS cũng sử dụng giao diện này Giao diện Gp là giao diện dựa vào IP giữa SGSN bên trong và GGSNs bên ngoài. Giữa SGSN và GGSN bên ngoài, có Border Gateway (giống như một firewall). Cũng sử dụng giao thức GTP 2.3.4 Giao diện Gc là đường báo hiệu giữa GGSN và HLR GGSN sử dụng đường báo hiệu không bắt buộc này (Gc) để lấy thông tin định vị (vị trí) và hỗ trợ nhiều dịch vụ cho thuê bao di động, để có thể kích hoạt địa chỉ mạng dữ liệu. 2.3.5 Giao diện Gf giữa SGSN và EIR Giữa SGSN và EIR là giao diện Gf chức năng là trao đổi dữ liệu, mục đích là để xác minh trạng thái của IMEI nhận được từ MS. 2.3.6 Giao diện Gs giữa MSC/VLR và SGSN Giao thức này cho phép paging và sự sẵn sàng của trạm khi thực hiện truyền dữ liệu. Khi trạm attach tới mạng GPRS, SGSN theo dõi vùng định tuyến (RA) mà trạm attach. Một RA là một phần LA. Khi trạm (station) được đánh số thì thông tin này là tài nguyên mạng. Khi trạm thực hiện PDP context, SGSN có BTS đang được sử dụng bởi trạm (station) -27- 2.4 Giao thức GPRS Hình 2.4: Giao thức của GPRS Chương 3 Công nghệ GSM/EDGE 3.1 Sự khác nhau về kỹ thuật giữa GPRS và EDGE ™ Kỹ thuật EDGE EDGE – Enchanced Data rates for GSM Evolution hoặc Enhanced GPRS – EGPRS : là kỹ thuật điện thoại số cho phép tăng tốc độ truyền data và truyền data tin cậy hơn. Được phân loại như chuẩn 2,75G không chính thức, vì tốc độ mạng chậm hơn EDGE được giới thiệu cho mạng GSM trên khắp thế giới từ năm 2003, bắt đầu ở Bắc Mỹ. GSM/EDGE Radio Access Network (GERAN) EDGE là giải pháp để tăng tốc độ dữ liệu trên đường vô tuyến GSM. EDGE chỉ giới thiệu một kỹ thuật điều chế mới và mã hoá kênh mới mà có thể phát cả 2 thoại chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh và dịch vụ dữ liệu. Do đó, EDGE là thêm vào GPRS và không thể làm việc một mình. GPRS và EDGE có giao thức khác nhau và cách hoạt động khác nhau trên BSS. Tuy nhiên trên mạng lõi, GPRS và EGPRS cùng chia sẻ những giao thức xử lý gói và cách thức -28- EDGE không yêu cầu những thay đổi phần cứng hoặc phần mềm trong mạng lõi GSM. Những đơn vị thu phát tương thích với EDGE phải được cài đặt (installed) và BSS cần phải được nâng cấp để hỗ trợ EDGE. Phần cứng đầu cuối di động mới và phần mềm yêu cầu phải giải mã/mã hoá (decode/encode) điều chế mới và phối hợp mã và mang tốc dộ data user cao hơn để triển khai dịch vụ mới Hình 3.1: EGPRS giới thiệu những thay đổi trên BSS trong mạng GPRS Bảng 3.1: GPRS và EDGE: So sánh thông tin kỹ thuật (8PSK, 8-phase shift keying; GMSK, Gaussian minimum shift keying; MSC, Modulation coding scheme) EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ. Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn. ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng. 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian. ™ Kỹ thuật điều chế GMSK – Gaussian minimum shift keying là một loại điều chế pha. Kỹ thuật này tương ứng là biều đồ I/Q trong đó I là thực và Q là ảo, mỗi lần phát đi bit 1 hoặc 0 là pha thay đổi với lượng gia số + _ p, mỗi ký tự phát đi tương ứng là một bit, mỗi lần dịch pha miêu tả một bit -29- Để tăng tốc độ bit cao hơn thì phương pháp điều chế phải thay đổi. EDGE tận dụng cấu trúc kênh, bề rộng kênh, mã hoá kênh và những cơ cấu đang tồn tại và tính năng hoạt động của GPRS và HSCSD. Chuẩn điều chế sử dụng trong EDGE là 8PSK (8-Phase Shift Keying) Hình 3.2: Biều đồ I/Q chỉ ra những ích lợi điều chế của EDGE Coding and modulation scheme (MCS) Speed (kbit/s/slot) Modulation MCS-1 8.80 GMSK MCS-2 11.2 GMSK MCS-3 14.8 GMSK MCS-4 17.6 GMSK MCS-5 22.4 8-PSK MCS-6 29.6 8-PSK MCS-7 44.8 8-PSK MCS-8 54.4 8-PSK MCS-9 59.2 8-PSK Bảng 3.2: tốc độ và điều chế của MCS-1 tới MCS-9 Phương pháp điều chế 8PSK là phương pháp tuyến tính, một ký tự ánh xạ tới 3 bit liền nhau trong I/Q plane. Do đó, tốc độ dữ liệu tổng tăng lên gấp 3 lần. -30- Khoảng cách giữa những ký tự khác nhau trong 8PSK ngắn hơn so với GMSK. Khoảng cách ngắn làm tăng rủi ro cho việc phân biệt những ký tự trong máy thu, khi điều kiện thời tiết xấu. Tuy nhiên, những bit thêm vào được dùng để cộng vào mã hiệu chỉnh lỗi, thông tin hiệu chỉnh có thể được lấy lại. Chỉ dưới điệu kiện môi trường xấu GMSK có hiệu quả hơn. Do đó, EDGE coding scheme sử dụng cả GMSK và 8PSK ™ Thích nghi liên kết Thích nghi liên kết sử dụng chất lượng liên kết vô tuyến, đo bởi MS trên đường truyền downlink hoặc bởi BTS trên đường truyền uplink, để chọn MCS phù hợp nhất cho việc phát những gói kế tiếp. 3.2 Chuẩn hoá ™ Hoàn thành chuẩn EDGE: Chuẩn EDGE có thể được chia làm 3 vùng − Chuẩn hoá những thay đổi lớp vật lý (định nghĩa điều chế và CS) − Những thay đổi giao thức cho ECSD − EGPRS ™ chuẩn EDGE và những tham khảo BSS của EDGE cung cấp platform để thực hiện kỹ thuật điều chế mới, trong khi NSS của EDGE định nghĩa những thay đổi mạng để thoả mãn lớp vật lý. EDGE cung cấp 2 phase: − Phase 1: Những dịch vụ chuyển mạch gói đơn khe và đa khe và những dịch vụ chuyển mạch kênh đơn khe và đa khe − Phase 2: Những dịch vụ thời gian thực thực hiện kỹ thuật điều chế mới mà không bị gộp trong phase 1 Phase 1 được hoàn thành ở R99 của 3GPP Phase 2 vẫn đang được tiếp tục bởi chuẩn 3GPP, và phạm vi của nó đã được mở rộng trong WCDMA và cung cấp IMS -31- Hình 3.3: Giao thức của EDGE 3.3 Tương lai của GSM/EDGE là hướng tới WCDMA Bước phát triển tiếp theo cho hệ thống tế bào GSM/EDGE, gồm nhiều cải tiến về dịch vụ trong miền chuyển mạch gói và tăng liên kết cung cấp dịch vụ trong UMTS/UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Dựa vào kỹ thuật phát tốc độ cao GSM/EDGE kết hợp với những nâng cao tới giao diện liên kết vô tuyến GPRS, GERAN sẽ cung cấp nhiều hỗ trợ tiên tiến cho tất cả chất lượng của nhiều lớp dịch vụ cho UMTS: interactive, background, streaming and conversational. Do đó, phạm vi mới của những ứng dụng, những ứng dụng đa phương tiện IP, sẽ được hỗ trợ đầy đủ. 3. 4 Lợi ích của EGPRS EGPRS giới thiệu kỹ thuật điều chế mới, cùng với những cải tiến về giao thức vô tuyến, mà cho phép các nhà khai thác sử dụng phổ tần đang tồn tại (800, 900, 1800 và 1900MHz) hiệu quả hơn. Những cải tiến đơn giản về giao thức đang tồn tại của GSM/GPRS làm cho EDGE chi phí hiệu quả, dễ để triển khai add-on, nâng cấp phần mềm mới trong BSS để cho phép sử dụng những giao thức mới; những đơn vị thu phát mới trong BTS cho phép sử dụng kỹ thuật điều chế mới. EDGE gấp 3 lần dung lượng của GPRS. Sự tăng dung lượng này cải thiện việc thực thi những ứng dụng đang tồn tại và cho phép những dịch vụ mới như dịch vụ đa phương tiện -32- Với EDGE, nhà khai thác có thể triển khai những ứng dụng data không dây, gồm đa phương tiện không dây, e-mail, thông tin web và dịch vụ định vị, cho những người tiêu dùng và thương mại. Những thuê bao có thể duyệt internet trên điện thoại di động của họ, trợ giúp kỹ thuật số cá nhân hoặc laptop ở tốc độ giống với máy tính để bàn. Hình 3.4: Hội tụ nhiều chuẩn khác nhau về EDGE ECSD : Dịch vụ HSCSD (high-speed circuit – switched data) để truyền data ở chế độ chuyển mạch kênh trên vài khe thời gian được gọi là ECSD (Enhanced circuit- switched data). Hỗ trợ tốc độ GSM hiện tại (2,4kbps, 4,8kbps, 9,6kbps và 14,4kbps) , CSs mới kết hợp với điều chế mới, cho phép tốc độ data :28,8kbps, 32kbps và 43,2kbps trên mỗi khe thời gian. Vì vậy, ECSD hỗ trợ di động đa khe trên 4 khe thời gian có thể đạt tới tốc độ 172,8kbps, ECSD sử dụng sự thích ứng liên kết động để adapt hết khả năng tới những điều kiện vô tuyến EDGE classic là sự phát triển từ GPRS lên EDGE còn được gọi là EGPRS. EGPRS dựa vào kiến trúc mạng GPRS, tốc độ lên tới 475kbps cho máy thu hỗ trợ Rx trên 8 khe thời gian. EDGE compact là sự phát triển IS-136 U.S, băng tần số giống như D-AMPS 800MHz Chương 4 Công nghệ UMTS Release ‘99 4.1 Tổng quan về UMTS (là 3G) CDMA được dùng trong mạng IMT-2000 3G là WCDMA (Wideband CDMA) và cdma2000. - WCDMA là đối thủ của cdma2000 và là một trong 2 chuẩn 3G, trải phổ rộng hơn đối với CDMA do đó có thể phát và nhận thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn. - Ở Châu Âu, mạng 3G WCDMA được biết như là UMTS (Universal Mobile Telephony System) là một cái tên khác cho W-CDMA/dịch vụ 3G. -33- UMTS sử dụng WCDMA, WCDMA như chuẩn phát vô tuyến. Nó có băng thông kênh là 5 MHz, có thể mang 100 cuộc gọi cùng một lúc, hoặc nó có thể mang dữ liệu tới 2 Mbps. Tuy nhiên, với sự tăng cường HSDPA và HSUPA chính là trong những release sau này (R99/R4/R5/R6) của chuẩn, tốc độ phát dữ liệu tăng tới 14,4 Mbps Hình 4.1: Vùng phủ sóng của UMTS UMTS cho phép cả 2 chế độ FDD và TDD. Chế độ đầu tiên là FDD là uplink và downlink trên các tần số khác nhau. Không gian giữa chúng là 190MHz cho mạng band 1. Ở TDD uplink và downlink được chia theo thời gian với những trạm cơ sở (base station) và sau đó di động phát lần lượt trên cùng tần số, đặc biệt phù hợp tới nhiều loại ứng dụng khác nhau. Nó cũng thực hiện ở những cell nhỏ. Thời gian bảo vệ được yêu cầu giữa phát và thu. Hệ thống TDD có thể hiệu quả khi sử dụng trong picocell để mang dữ liệu internet. Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS tần số cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 – 2025)MHz và Downlink (2110 – 2200) MHz. Bên trong những băng này nhiều sự phân chia đã được dữ trữ cho những ứng dụng khác. - (1920 – 1980) và (2110 – 2170)MHz FDD (FDD, WCDMA) ghép thành cặp uplink và downlink, băng thông là 5MHz và vạch quét là 200kHz, một nhà khai thác cần 3-4 kênh (2 x 15MHz hoặc 2 x 20MHz) có thể xây dựng mạng tốc độ cao, dung lượng cao -34- - (1900-1920) và (2010 – 2025) MHz TDD (TDD, TD/CDMA) không được ghép thành cặp, băng thông là 5MHz và vạch quét(raster) là 200kHz. Việc phát và thu không bị tách biệt trong tần số - (1980-2010) và (2170-2200) MHz Satellite uplink và downlink. Tần số được thiết kế bởi UARFCN, UARFCN = 5 x (frequency in MHz) UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến. Điều chế trên đường uplink và downlink là khác nhau. Downlink sử dụng dịch khóa pha cầu phương (QPSK) cho tất cả những kênh vận chuyển. Tuy nhiên, Uplink sử dụng 2 kênh riêng biệt để thực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng thái on và off để không gây ra nhiễu trên đường audio, những kênh đôi ( dual channel phase chifl keying) dùng để mã hóa dữ liệu người dùng tới I hoặc đầu vào In-phase tới bộ điều chế DQPSK, và điều khiển dữ liệu đã được mã hóa bằng việc sử dụng mã khác nhau tới đầu vào Q hoặc quadrature tới bộ điều chế. - cdma2000, chuẩn 3G khác. Nó là một sự nâng cấp cdmaOne. Nó sử dụng trải phổ rộng do đó có thể phát và thu thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn, phát dữ liệu internet nhanh, video, và phát nhạc chất lượng CD. Tuy nhiên, có nhiều phần tử cdma2000 được gọi là cdma20001X, 1X-EV-DV, 1X EV-DO, và cdma2000 3X. Chúng phát dịch vụ 3G khi chiếm dữ một phổ tần nhỏ (1,25 MHz mỗi sóng mang) Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM: - Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến. - Có khả năng truyền tải đa phương tiện. - Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là 2Mbps. - Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn. - Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN. - Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần so với GSM. - CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin. - Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so với GSM. Các phương thức truyền tin song công giữa MS và BS Truyền sóng phân chia theo thời gian (TDD – Frequency Division Duplex) -35- Phương thức TDD sử dụng cùng một kênh tần số để mang thông tin theo hai hướng tại các khe thời gian luân phiên. Truyền song công phân chia theo tần số (FDD – Frequency Division Duplex) Hướng xuống: Downlink – Hướng thuận: Forward channel Hướng lên: Uplink – Hướng lên: Reverse Channel Phương thức FDD sử dụng kênh tần số ở hai băng tần khác nhau để mang thông tin theo hai hướng 4.2 Những phần tử mới trong R99 Hình 4.2: Những phần tử mới cho mạng UMTS Cơ sở hạ tầng GPRS được dùng để phát dịch vụ SMS và WAP tới cả 2 người dùng GSM và UMTS, GPRS là cái cầu giữa 2G và 3G -36- Một phần của mạng GSM/GPRS vẫn được sử dụng, nhưng một số thành phần mới phải được triển khai cho UMST.s Thiết bị user (UE): có thể hỗ trợ một hoặc nhiều chuẩn vô tuyến và chứa USIM. Nó đồng thời là bản sao tới Node B, RNC và CN Giống như Node B, UE xử lý tín hiệu vô tuyến. Nhiệm vụ tính toán chuyên sâu gồm sửa lỗi, trải phổ và điều chế tín hiệu tiếp tục là khuyếch đại năng lượng. Giống với RNC, MS tham gia vào báo hiệu cho việc thiết lập kết nối và giải phóng còn thêm thực hiện chuyển giao. Để thực hiện được mục đích này, nó đo cương độ môi trường nhận được từ những cell hàng xóm và phát giá trị đo được tới RNC. Việc mật mã và giải mật mã thông tin cũng xảy ra với RNC trong UE. RNC ( Radio Network Controller) là một thiết bị mạng trong PLMN với chức năng điều khiển một vài Node B. RNC giống như BSC và đảm đương chức năng quản lý tài nguyên trong tất cả cell gắn tới nó( cấp phát kênh, handover, điều khiển năng lượng). Một số lượng lớn giao thức giữa UE và RAN được triển khai trong RNC. Hình 4.3: Kiến trúc phần truy nhập Chức năng chính của RNC là quản lý kênh vô tuyến (trên Uu-, hoặc air-, interface) và kênh terrestrial ( hướng về MGW và SGSN). Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến gồm. - Điều khiển thừa nhận cuộc gọi: Kỹ thuật phát CDMA cung cấp một số lượng lớn kênh ở giao diện vô tuyến. RNC phải tính toán tải lưu lượng hiện tại trong mỗi cell riêng biệt. Thông tin cơ bản, CAC (Call Admission Control) xác định -37- mức nhiễu sau khi kênh yêu cầu đang sử dụng là chấp nhận, nếu cần thiết, loại bỏ kênh - Quản lý tài nguyên vô tuyến. RNC quả lý tài nguyên vô tuyến trong tất cả những cell được gắn trong nó. Thêm vào đó là lập kế hoạch sử dụng kênh, công việc gồm tính toán nhiễu và mức tận dụng và điều khiển ưu tiên - Thiết lập và giải phóng radio bearer: Radio bearer là kênh dữ liệu người dùng trong tầng truy cập trên phân lớp RLC. RNC chịu trách nhiệp thiết lập, duy trì và giải phóng bearer theo yêu cầu - Cấp phát mã: Mã CDMA trong UMTS được quản lý bởi cây mã. RNC cấp phát một phần mã trong cây mã tới MS và có thể thay đổi cấp phát trong xuốt tiến trình kết nối - Điều khiển năng lượng: Hoạt động hiệu quả của mạng CDMA đó là năng lượng phát của tất cả user bị điều khiển. Quy trình điều khiển nhanh thực tế được đặt trong Node B nhưng giá trị điều khiển đích được ấn định ở RNC. Dựa vào giá trị nhiễu đo được, thông tin từ các cell khác và trong một vài trường hợp thì dựa vào RNC boundaries - Lịch trình gói: Bằng cách phát dữ liệu chuyển mạch gói, nhiều MS cùng chia sẻ tài nguyên ở giao diện vô tuyến. RNC có chức năng cấp phát dung lượng phát tới nhiều trạm riêng biệt. - Handover: Dựa vào giá trị đo lường từ Node B và UE, RNC phát hiện cell khác tốt hơn phù hợp cho kết nối hiện tại. RNC quyết định đến handover, chịu trách nhiệm báo hiệu với cell mới và thông tin cho MS kênh mới. - Xây dựng lại SRNS: Có thể MS sẽ di chuyển ra ngoài vùng quản lý bởi RNC. Trong trường hợp này, RNC khác phải thừa nhận điều khiển kết nối - Viết lại mật mã: Dữ liệu tới từ mạng cố định để phát trên giao diện vô tuyến phải được viết lại mật mã trong RNC. - Chuyển đổi giao thức: RNC phải xử lý thông tin giữa CN, RNC hàng xóm và Node B được kết nối. - Chuyển mạch ATM: Đường thông tin giữa những Node B và RNC, giữa những RNC và giữa RNC và CN là dựa vào định tuyến ATM. RNC có thể phải chuyển mạch và kết nối tới kết nối ATM để cho phép thông tin giữa những node khác nhau. -38- - O & M: Tóm tắt này chứa đựng những chức năng hành chính phức tạp trong quản lý mạng. Dữ liệu có sẵn phải được phát trên giao diện được định nghĩa tới OMC (Operation and Maintenance Centre) Node B: Tương đương với BTS. Nhiệm vụ kết nối trực tiếp giao diện vô tuyến được xử lý ở BTS. Đầu vào đến từ RNC. Node B có thể quản lý một hoặc một vài cell, Node B gồm một bộ thu CDMA để chuyển đổi tín hiệu vô tuyến thành dòng dữ liệu và sau đó hướng nó tới RNC trên giao diện Iub. Trong hướng ngược lại, bộ phát CDMA chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho vận chuyển trên giao diện vô tuyến và định tuyến nó tới bộ khuyếch đại năng lượng. Có 3 loại Node B tương đương với 2 chế độ UTRA: UTRA-FDD Node B, UTRA-TDD Node B và Dual-mode Node B Hiện nay, Node B liên kết tới RNC là qua liên kết ATM. Khoảng cách lớn có thể giữa Node B và RNC và khoảng thời gian xử lý, nhiệm vụ thời gian then chốt không được chứa trong RNC: điều này bao gồm điều điều khiển năng lượng vòng lặp trong (ILPC – Inner Loop Power Control) trong mạng CDMA để tất cả người dùng cùng nhận một cường độ tín hiệu. RNC phải có một bức tranh chính xác tình huống hiện tại có thể trong cell để đưa ra quyết đinh handover, điều khiển năng lượng và điều khiển thừa nhận cuộc gọi. Vì vậy, MS và Node B thực hiện đo chất lượng kết nối và mức nhiễu và phát kết quả tới RNC. Trong trường hợp đặc biệt của chuyển giao mềm, tách hoặc kết hợp những chuỗi dữ liệu của nhiều sector khác nhau cũng được xử lý trong Node B 4.3 Giao diện mới trong R99 4.3.1 Giao diện Iu giữa UTRAN – CN Iu là giao diện mở chia hệ thống thành UTRAN và CN, xử lý chuyển mạch, định tuyến và điều khiển dịch vụ. Iu có 3 trường hợp khác nhau: Iu CS là để kết nối UTRAN tới CS CN; Iu PS là để kết nối UTRAN tới PS CN; Iu Broadcast (Iu BC) được dùng để hỗ trợ dịch vụ quảng bá cell 4.3.2 Giao diện Iu CS -39- Hình 4.4: Cấu trúc giao thức Iu CS Lớp vật lý là giao diện với môi trường vật lý: Cáp quang, liên kết vô tuyến hoặc cáp đồng. Triển khai lớp vật lý có thể được chọn từ nhiều kỹ thuật phát chuẩn như SONET, STM1, hoặc E1 Cụm giao thức Control Plane gồm RANAP, đỉnh của giao thức SS7 băng rộng. Lớp phù hợp là:SCCP, MTP3-B và lớp thích hợp báo hiệu ATM (SAAL) cho giao diện mạng - mạng (SAAL-NNI gồm SSCF, SSCOP, AAL5). Lớp SSCF và SSCOP được thiết kế để vận chuyển báo hiệu trong mạng ATM, quản lý kết nối báo hiệu. AAL5 giúp phân đoạn dữ liệu tới những cell ATM Cụm giao thức Transport Network Control Plane bao gồm giao thức báo hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630.1 và lớp thích hợp Q.2150.1), trên cùng là giao thức SS7 băng rộng Cụm User Plane: Kết nối AAL2 được dành cho mỗi dịch vụ CS riêng. -40- 4.3.3 Giao diện Iu PS Hình 4.5: Cấu trúc giao thức Iu PS Cụm Control Plane gồm RANAP, và vật mang báo hiệu SS7, vật mang báo hiệu IP (gồm M3UA (có SS7), SCTP, IP, và AAL5). SCTP có chức năng vận chuyển báo hiệu trong internet. Transport Network Control Plane không hiệu quả với Iu PS, việc đưa ra tunnel GTP chỉ cần một bộ nhận dạng tunnel và địa chỉ IP cho cả 2 hướng, và chúng được gộp vào bản tin phân định RANAP RAB. Iu CS cũng sử dụng những thành phần tin tức này để đánh địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 được dùng cho dữ liệu user plane. User Plane, nhiều dòng dữ liệu gói được ghép trên một hoặc một vài kết nối ảo AAL5. Phần User Plane của giao thức tunnelling GPRS là cung cấp nhiều nhận dạng cho luồng dữ liệu gói riêng. Mỗi luồng sử dụng vận chuyển không kết nối UDP và địa chỉ IP 4.3.4 Giao diện Iu BC Giao diện này kết nối RNC với miền quảng bá của CN, có tên là trung tâm quảng bá cell. Được dùng để định nghĩa thông tin quảng bá cell được phát tới người dùng di động qua dịch vụ quảng bá cell -41- Service Area Broadcast Protocol (SABP) cung cấp sức chứa cho trung tâm quảng bá cell trong CN để định nghĩa, sửa đổi và xoá bản tin quảng bá cell từ RNC. SABP có những chức năng sau: ƒ Xử lý bản tin: quảng bá bản tin mới, cải tạo những bản tin quảng bá đang tồn tại và dừng quảng bá bản tin cụ thể ƒ Xử lý tải: Xác định tải của kênh quảng bá ở bất kỳ một điểm cụ thể trong thời gian cuối cùng ƒ Reset: Cho phép trung tâm quảng bá cell kết thúc quảng bá trong mộ hoặc nhiều vùng dịch vụ hơn 4.3.5 Giao diện Iur giữa RNC – RNC Hình 4.6: Nhóm giao thức của giao diện Iur. Có 2 sự chọn lựa cho vận chuyển báo hiệu RNSAP: Nhóm SS7 (SCCP và MTP3-B) và vận chuyển SCTP/IP. 2 giao thức User plane (DCH: dedicatedd channel; CCH: Common channel) Giao diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm trong inter-RNC, nhiều đặc điểm được thêm vào trong xuốt quá trình phát chuẩn, hiện tại, giao diện Iur cung cấp những chức năng riêng biệt là: 1. Hỗ trợ sự di động inter-RNC cơ sở 2. Hỗ trợ lưu lượng kênh chuyên dụng (dedicated) 3. Hỗ trợ lưu lượng kênh chung (common) 4. Hỗ trợ quản lý toàn bộ tài nguyên. -42- Vì lý do trên, giao thức báo hiệu Iur (RNSAP) được chia thành 4 module. Nói chung, nó chỉ có thể triển khai một trong 4 module giữa 2 RNC, tuỳ theo sự cần thiết của nhà vận hành. ™ Iur1: Hỗ trợ tính lưu động inter-RNC cơ sở. Chức năng này yêu cầu module cơ bản của báo hiệu RNSAP. Viên gạch đầu tiên này dành cho việc xây dựng giao diện Iur chức năng cần thiết cho sự di động của user giữa 2 RNC, nhưng không hỗ trợ việc trao đổi lưu lượng dữ liệu user. Những chức năng đưa ra bởi module cơ sở gồm: ƒ Hỗ trợ xây dựng lại SRNC ƒ Hỗ trợ cell bên trong RNC và update vùng đăng ký UTRAN ƒ Hỗ trợ đánh số gói trong RNC ƒ Thông báo lỗi giao thưc ™ Iur2: Hỗ trợ lưu lượng kênh chuyên dụng Chức năng này yêu cầu module kênh chuyên dụng của báo hiệu RNSAP và cho phép lưu lượng kênh chuyên dụng và kênh chia sẻ giữa 2 RNCs. Đầu tiên là hỗ trợ trạng thái chuyển giao mềm inter-RNC, cho phép việc móc nối của SRNC. Giao thức khung cho kênh chuyên dụng, trong DCH FP ngắn, định nghĩa cấu trúc khung dữ liệu là mang dữ liệu người dùng và khung điều khiển dùng để trao đổi thông tin đo lường và điều khiển. Vì thế, giao thức này cũng định rõ những bản tin đơn và những thủ tục. Khung dữ liệu người dùng được định tuyến xuyên qua DRNC. Những chức năng được đưa ra bởi module Iur DCH là: ƒ Thiết lập, sửa đổi và giải phóng kênh chuyên dụng và chia sẻ trong DRNC vì những chuyển giao trong trạng thái kênh chuyên dụng ƒ Thiết lập và giải phóng những kết nối vận chuyển chuyên dụng ngang qua giao diện Iur ƒ Dịch chuyển những khổi vận chuyển DCH giữa SRNC và DRNC ƒ Quản lý liên kết vô tuyến trong DRNS, qua thủ tục thông báo đo lường chuyên dụng, thủ tục điều chỉnh năng lượng và thủ tục điều khiển chế độ nén ™ Iur 3: Hỗ trợ lưu lượng kênh chung. Chức năng này cho phép xử lý chuỗi dữ liệu kênh chung (ví dụ. RACH, FACH và CPCH) ngang qua giao diện Iur. Nó yêu cầu module kênh vận chuyển chung của giao thức RNSAP và giao thức khung kênh vận chuyển chung (CCH FP). -43- Chức năng của module kênh vận chuyển chung là: ƒ Thiết lập và giải phóng kết nối vận chuyển ngang qua Iur đối với dòng data kênh chung ƒ Sự phân chia lớp MAC giữa SRNC (MAC-d) và DRNC (MAC-c). Việc lập chương trình đối với phát data hướng downlink được thực hiện ở DRNC ƒ Điều khiển luồng giữa MAC-d và MAC-c ™ Iur 4: Hỗ trợ quản lý toàn bộ tài nguyên. Chức năng này cung cấp báo hiệu để hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến được tăng lên và đặc điểm O&M ngang qua giao diện Iur. Chức năng của module quản lý toàn bộ tài nguyên Iur là: ƒ Dịch chuyển thông tin cell và đo lường giữa 2 RNC ƒ Dịch chuyển những tham số định vị giữa bộ điều khiển ƒ Dịch chuyển thông tin đồng bộ hoá giữa 2 RNC 4.3.6 Giao diện Iub giữa RNC – Node B Hình 4.7: Giống giao thức giao diện Iur, khác biệt chính là trong mạng vô tuyến và Plane điều khiển mạng vận chuyển, báo hiệu SS7 được đặt ở SAAL-UNI. Sự chọn lựa SCTP/IP không được trình bày ở đây. Cấu trúc của giao diện, cần thiết phải giới thiệu mô hình logic của Node B. Nó bao gồm cổng điều khiển chung (liên kết báo hiệu chung) và những điểm cuối lưu lượng, mỗi cái bị điểu khiển bởi cổng điều khiển chuyên dụng (liên kết báo hiệu -44- chuyên dụng). Một điểm cuối lưu lượng điều khiển một số máy di động có những tài nguyên chuyên dụng trong Node B, và lưu lượng tương ứng được chở xuyên qua cổng dữ liệu chuyên dụng. Những cổng dữ liệu chung ở bên ngoài những điểm cuối lưu lượng, được sử dụng để chở RACH, FACH và lưu lượng PCH. Hình 4.8: Mô hình logic của Node B đối với FDD Chú ý: một điểm cuối lưu lượng có thể điều khiển nhiều hơn một cell, và một cell có thể bị điều khiển nhiều hơn một điểm cuối lưu lượng. Báo hiệu giao diện Iub (NBAP) được chia thành 2 thành phần: NBAP chung (C- NBAP), cái này định nghĩa thủ tục báo hiệu ngang qua liên kết báo hiệu chung, và NBAP chuyên dụng (D-NBAP), được dùng trong liên kết báo hiệu chuyên dụng Nhóm giao thức User Plane định nghĩa cấu trúc những khung và thủ tục điều khiển trong băng cho mọi loại kênh vận chuyển. Báo hiệu Q.2630.1 được dùng cho quản lý động kết nối AAL2 trong User Plane. -45- Chương 5 Công nghệ UMTS Release 4 5.1 Giới thiệu Trong Release ’99 UMTS,như với GPRS/GSM, mạng lõi chia làm 2 phần: ƒ Mạng chuyển mạch kênh ( tất cả MSC/VLR và GMSC) ƒ Mạng chuyển mạch gói (tất cả SGSN/SLR và GGSN) Do đó, nhà khai thác mạng phải install, cấu hình và bảo trì 2 mạng này. Ý tưởng của R4 UMTS là hoà hợp 2 mạng thành một phần tử đơn. Để thành công ta cần có 3 sự chọn lựa 1) vận chuyển trên mạng chuyển mạch kênh. Trong mạng GSM, việc phân cấp tài nguyên cứng nhắc dẫn đến mạng này không phù hợp cho những ứng dụng vận chuyển data 2) vận chuyển trên mạng ATM. Về mặt lý thuyết thì nó là giải pháp dễ nhất, vì ATM phù hợp cho vận chuyện những ứng dụng thời gian thực và không, 3) vận chuyển trên mạng chuyển mạch gói, mạng IP. Đó là giải pháp được đề nghị bởi R4. Vì thế, VoIP phải được triển khai để cho phép vận chuyển lưu lượng thoại đã được đóng gói (packetized) Hình 5.1: Khái niệm mạng đơn đối với R4 UMTS -46- Hình 5.2: Những phần tử mới cho mạng UMTS R4 Để chuyển đổi báo hiệu SS7 giữa các mạng cần thêm 2 gateway ƒ Cổng báo hiệu vận chuyển T-SGW: Cổng này thường chuyển đổi báo hiệu liên quan tới call ( như thiết lập và huỷ call) giữa PSTN (SS7) hoặc PLMN pre-R4 và mạng R4 ƒ Cổng báo hiệu roaming R-SGW: Cổng này thực hiện việc chuyển đổi báo hiệu (cho roaming, quản lý di động) giữa báo hiệu cơ bản SS7 của mạng pre- 4 và báo hiệu cơ bản IP của mạng R4 5.2 Kiến trúc chuyển mạch mềm R4 Kiến trúc chuyển mạch mềm là sự phân biệt chức năng chuyển mạch và điều khiển cuộc gọi. Thành phần điều khiển cuộc gọi là MSC server, trong trường hợp này là chuyển mạch mềm. Việc phân biệt những chức năng này khiến cho MSC server chia tỷ lệ mạng dễ dàng hơn, ví dụ như yêu cầu lưu lượng tăng lên. Nếu nhà triển khai mạng yêu cầu dung lượng chuyển mạch nhiều hơn, chỉ cần thêm MGW; nếu họ yêu cầu dung lượng điều khiển cuộc gọi nhiều hơn, chỉ cần thêm MSC server. Đối với R4, chức năng MSC của GSM được chia ra thành 2 thành phần; MSC server và MGW -47- 5.2.1 MSC server MSC server thực hiện những chức năng như điều khiển cuộc gọi (thiết lập và huỷ cuộc gọi), và quản lý di động về mặt duy trì nơi đăng ký trong vùng điều khiển của nó. MSC server tích hợp với VLR, vì nó lắm dữ thông tin vị trí cũng như dữ liệu CAMEL đối với thuê bao. Những chức năng của MSC server gồm: ƒ Điều chỉnh việc đăng ký nhiều di động để cung ứng cho việc quản lý di động ƒ Cung cấp những chức năng xác nhận ƒ Định tuyến cuộc gọi gốc tới đích ƒ Định tuyến cuộc gọi đích bằng việc dùng kỹ thuật đánh số tới những di động riêng biệt MSC server hoàn thành việc báo hiệu từ mạng di động trên giao diện Iu tới bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC). Nó cũng điều khiển việc thiết lập những vật mang qua mạng lõi của nó bằng việc dùng MGW Việc chọn lựa triển khai kết nối cần có mối quan hệ nhiều - nhiều (m:n) giữa MSC server và MGW, chính điều này cho phép cấp phát hiệu quả tài nguyên người dùng và MSC server có thể cân bằng tải giữa nhiều MGW. Ngoài ra, những giao thức chuẩn hoá cũng được sử dụng: Q.BICC hoặc SIP-T ( cho báo hiệu trong MSC); H.248/MeGaCo ( cho báo hiệu MSC server tới MGW) 5.2.2 Media gateway (MGW) MGW biên dịch lưu lượng phương tiện giữa những loại mạng khác nhau. Chức năng của MGW gồm: ƒ Chấm dứt những kênh mang từ mạng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói ƒ Xoá echo cho mạch chuyển mạch kênh ƒ Biên dịch phương tiện từ một dạng CODEC tới một dạng khác, ví dụ như từ G.711 tới G.729 ƒ Hỗ trợ chọn lựa chức năng cầu truyền hình Mỗi MGW được điều khiển bởi một hoặc một vài MSC server 5.2.3 Gateway MSC server (GMSC server) GMSC server giống với GMSC trong GSM về chức năng điều khiển cuộc gọi. Nó làm việc trong sự kết hợp với HLR để cho phép: ƒ Những cuộc gọi từ bên ngoài mạng của nhà khai thác được định tuyến tới MSC server tương ứng -48- ƒ Những cuộc gọi bên trong mạng của nhà khai thác được định hướng vào mạng PSTN GMSC server sử dụng những dịch vụ của MGW để điều khiển việc thiết lập những kênh mang truyền qua mạng lõi CS và kết thúc kênh mang chuyển mạch kênh. PSTN BSC A MSC-S B MSC-S A TRAU Trans- Coder A BSC B TRAU Trans- Coder B Ater Ater Nc A A PSTN PoI B PoI A Call Control Signalling A and TDM Interface: 64kb/s Ater Interface PoI: Point of Interconnect A A ISUP ISUP TDM TDM RNC A MGW A Trans- Coder A’ MGW B Trans- Coder B’ RNC B Iu Iu Iu Iu Nb Mc Mc Iu and Nb Interface Hình 5.3: Kiến trúc mạng BICC với giao diện A và Iu 5.3 Những giao diện mới trong R4 Có thể triển khai giao diện Nb trên mạng ATM.Giao diện Mc dựa vào MEGACO. Giao thức này đánh địa chỉ mối quan hệ giữa MGW( chuyển đổi voice chuyển mạch kênh tới lưu lượng gói cơ bản) và MSC server (ra lệnh logic dịch vụ của lưu lượng đó) 5.3.1 Giao diện Mc: (G)MSC server tới CS-MGW Nó hỗ trợ việc phân ly những phần tử điều khiển cuộc gọi khỏi những phần tử điều khiển vật mang, và phân ly những phần tử điều khiển vật mang khỏi những phần tử vận chuyển. Nó sử dụng giao thức Megaco H.248/IETF Nó có những đặc tính sau: -49- ƒ Việc xử lý kết nối mềm dẻo cho phép hỗ trợ nhiều chế độ gọi khác nhau và ý đích xử lý nhiều phương tiện khác nhau mà không bị giới hạn khi sử dụng H.323 ƒ Kiến trúc mở là nơi mà việc định nghĩa sự mở rộng/đóng gói tiếp tục làm việc, giao diện này có thể thực thi ƒ Phân bổ linh động tài nguyên vật lý MGW. MGW vật lý có thể được chia thành nhiều MGW riêng ảo, gồm một tập những điểm kết thúc được cấp phát tĩnh ƒ Sự phân bổ linh động tài nguyên phát giữa những miền (domains), như MGW điều khiển nhiều vật mang và quản lý tài nguyên tuỳ theo giao thức H.248 5.3.2 Giao diện Nc giữa MSC server và MSC server Giao diện này mang báo hiệu giữa 2 MSC server. Chính điều này cho phép MSC server xử lý cuộc gọi đến từ MGW, để báo hiệu những yêu cầu của cuộc tới MSC server khác mà điều khiển cuộc gọi đi ra MGW. Giao thức mà xử lý chức năng báo hiệu này là BICC. BICC cung cấp nhiều dịch vụ tương đương tới giao thức điều khiển cuộc gọi ISDN (ISUP) 5.3.3 Giao diện Nb giữa 2 MGW Hình 5.4: user plane cho UMTS R4 Nb giữa những MGW thì mang dữ liệu người dùng. Giao thức được dùng để vận chuyển dữ liệu là giao thức user plane (UP). Trong chế độ hỗ trợ, nó cho phép điều khiển chính xác thời gian luồng phương tiện giữa những MGW và từ MGW tới UTRAN (RNC). Có 2 sự chọn lựa giao thức transport sẵn có trên Nb, là IP và ATM. Trường hợp chọn IP, lưu lượng người dùng sẽ được mang ở dạng gói RTP, cái này được phát trên UDP/IP. Chọn ATM, lưu lượng transport là AAL2 khi nó ở trong UTRAN. -50- Chương 6 Công nghệ UMTS Release 5 6.1 UMTS Realease 5: Giới thiệu IMS UMTS R5 đưa mạng lõi tiến 1 bước xa hơn và định nghĩa một kiết trúc cho mạng toàn IP từ đầu cuối - đầu cuối. MSC và giao diện IuCS không được yêu cầu trong mạng R5. Thiết bị user thông tin với IMS là qua SGSN và GGSN. Lõi của IMS gồm có một số node là CSCF. CSCF về cơ bản là kiến trúc SIP, SIP là một trong những giao thức lõi cho dịch vụ kỹ thu VoIP IMS (IP Multimedia Subsystem ) được thiết kế bởi chuẩn không dây, việc mở rộng này được cập nhật bởi 3GPP, 3GPP2 và TISPAN nhằm hỗ trợ những mạng khác biệt hơn với GPRS, như WLAN, CDMA2000 và mạng cố định. IMS không mong đợi tự chuẩn hoá những ứng dụng, nhưng giúp đỡ truy cập những ứng dung đa phương tiện và voice bằng đầu cuối không dây và có dây, tức là giúp đỡ kiểu hội tụ di động cố định (FMC). Điều này được thực hiện bởi lớp điều khiển ngang cách li mạng truy cập khỏi lớp dịch vụ. Nội dung trong Release 5 chia làm 4 phần: IMS; Ipv6, IP transport in UTRAN; Improvements in GERAN, MExE…; HSDPA 6.1.1 Những phần tử mới trong R5 Hình 6.1: Hệ thống phụ đa truy nhậm ( IP multimedia subsystem (IMS) ) 6.1.1.1 CSCF – Call Session Control Function CSCF chịu trách nhiệm điều khiển phiên và là điểm điều khỉen cho những chức năng sau: ƒ Nhận thực người dùng -51- ƒ Định tuyến cuộc gọi ƒ Thiết lập QoS trên mạng IP ƒ Kiểm tra sự phát sinh của hồ sơ chi tiết cuộc gọi (CDR) cho mục đính tính chi phí Tất cả những báo hiệu điều khiển call/session trong IMS được thực hiện bởi giao thức SIP. Có 3 loại CSCF được định nghĩa là: P-CSCF, S-CSCF và I-CSCF. Mỗi mạng sẽ cung cấp nhiều CSCF đối với mỗi loại. Chính điều này cho phép chia sẻ tải và hỗ trợ tăng độ tin cây xuyên suốt việc sử dụng nhiều server dự phòng. Proxy CSCF (P-CSCF) Đây là điểm liên lạc đầu tiên cho bao hiệu cuộc gọi đến từ UE. P-CSCF hướng báo hiệu cuộc gọi tới S-CSCF. Đối với thuê bao roaming, P-CSCF sẽ được đặt trong mạng lân cận, hoặc cụ thể hơn đối với người dùng đến (given user) thì P- CSCF sẽ được đặt trong cùng mạng. P-CSCF cũng chịu trách nhiệm kiểm tra sự phát sinh của CDR đối với những cuộc gọi di động gốc Serving CSCF (S-CSCF) S-CSCF thực thi điều khiển call/session và tính chi phí cho thuê bao đến (given subscriber). S-CSCF luôn luôn được đặt trong mạng nội bộ của thuê bao. Điều này có nghĩa là tất cả những báo hiệu cuộc gọi di động gốc đều được định tuyến qua mạng nội bộ của người dùng. Interrogating CSCF (I-CSCF) I-CSCF được đặt ở đường biên giới của IMS, và hoạt động như một điểm đi vào cho báo hiệu SIP đến từ mạng bên ngoài của nhà khai thác. Báo hiệu này có thể là: ƒ Yêu cầu thiết lập cuộc gọi SIP dự định tới thuê bao thuộc mạng của nhà khai thác ƒ Yêu cầu thiết lập cuộc gọi SIP dự định tới thuê bao roaming trong mạng của nhà khai thác ƒ Yêu cầu đăng ký, thì I-CSCF chịu trách nhiệm chỉ định S-CSCF cho thuê bao. Sự chọn lựa S-CSCF có thể được thực hiện là phụ thuộc vào nhận dạng của thuê bao (địa chỉ SIP hoặc IMSI), xử lý những nền tảng chia sẻ tải hoặc sử dụng việc xắp sếp server chính/ server dự phòng. -52- 6.1.1.2 MGCF và MGW MGCF là một cổng cho phép thông tin giữa những người dùng IMS và CS. Tất cả báo hiệu điều khiển cuộc gọi đến từ người dùng CS được dự định tới MGCF, nơi thực hiện chuyển đổi giao thức giữa ISUP (ISDN User Part), hoặc BICC, và giao thức SIP và hướng phiên tới IMS. Trong cùng kiểu cách đó, tất cả những phiên IMS gốc hướng người dùng CS đi ngang qua MGCF. MGCF cũng điều khiển những kênh phương tiện vào trong thực thể user-plane được kết hợp, CIMS-MGW (IMS Media Gateway). Thêm vào đó, MGCF có thể thông báo thông tin thanh toán tới CCF. 6.1.1.3 HSS (Home Subscriber Server) HSS chứa cơ sở dữ liệu chính của tất cả thuê bao trên mạng và chứa những thông tin sau: ƒ Thông tin nhận dạng (số điện thoại của người dùng, địa chỉ SIP, IMSI) ƒ Thông tin bảo mật ( Khoá nhận thực bảo mật) ƒ Thông tin vị trí ( hiện tại phục vụ cho GGSN, SRNC, địa chỉ IP) ƒ Thông tin tiểu sử người dùng Nó cũng có chịu trách nhiệm tạo ra thông tin bao mật như yêu cầu cao hơn về nhận thực và tính toàn vẹn và những khoá mật mã. HSS sát nhập với HLR/AuC, được định nghĩa trong những Release trước và cung cấp những dịch cho 3 miền, như sau: ƒ Nhận thực, mô tả sơ lược dịch vụ và thông tin vị trí cho IMS ( dịch vụ cho CSCF) ƒ Dịch vụ HLR/AuC cho miền chuyển mạch gói ( dịch vụ cho SGSN và GGSN) ƒ Dịch vụ HLR/AuC cho miền CS (dịch vụ cho MSC server R4) 6.1.1.4 AS (Application Server) AS cung cấp những dịch vụ gia tăng tới thuê bao. Nó có thể là bất kỳ thứ gì từ khi nhận dịch vụ phim ảnh (truyền hình theo yêu cầu) để cung cấp những dịch vụ thoại và hòm thư truyền hình 6.1.1.5 BGCF (Breakout Gateway Control Function) BGCF chịu trách nhiệm chọn nơi mà sự gỡ (tháo) tới miền CS xảy ra. Kết quả của tiến trình chọn lựa có thể là trong cùng một mạng (nơi mà BGCF ở đó) hoặc mạng khác. nếu sự gỡ xảy ra trong cùng mạng, sau đó BGCF chọn lựa MGCF để xử lý một phiên. Nếu sự gỡ đặt ở mạng khác, sau đó BGCF hướng phiên tới BGCF khác trong mạng được chọn. Quy tắc chọn lựa thực tế không rõ ràng. Thêm -53- vào đó, BGCF có thể thông báo thông tin tính toán tới CCF và tập hợp thông tin thông kế. 6.1.1.6 MRF (Multimedia Resource Function) MRF được tạo thành từ 2 thành phần, bộ điều khiển MRF và bộ xử lý MRF, và chịu trách nhiệm cung cấp những chức năng như: ƒ Hoà nhập nhiều phương tiện để thực hiện hội nghị hình ảnh/thoại (cầu truyền hình) ƒ Cung cấp những thông báo đa phương tiện ƒ xử lý dòng phương tiện ví dụ như chuyển mã audio Chức năng của MRF được chia thành MRFC và MRFP, Giao diện giữa 2 thành phần bị điều khiển bởi giao thức H.248/MEGACO. MRFC nhận báo hiệu điều khiển cuộc gọi qua giao thức SIP (ví dụ như để thiết lập cầu truyền hình giữa một số đồng nghiệp) MRFC cần thiết cho việc hỗ trợ những dịch vụ kênh mang liên quan, như hội nghị, những thông báo tới người dùng hoặc chuyển mã kênh mang. MRFC giải thích báo hiệu SIP nhận được qua S-CSCF và sử dụng những chỉ dẫn MEGACO (Media Gateway Control protocol) để điều khiển MRFP. MRFC có thể gửi thông tin thanh toán tới CCF và OCS. MRFP cung cấp những tài nguyên user-plane mà được yêu cầu và chỉ dẫn bởi MRFC. MRFP thực hiện những chức năng sau: ƒ Trộn những luồng phương tiện đến ƒ Nguồn luồng phương tiện (đối với những thông báo đa phương tiện) ƒ Xử lý luồng phương tiện (ví dụ, chuyển mã audio, phân tích phương tiện) 6.1.1.7 SLF (Subscription Location Function) SLF được dùng như là một cơ cấu quyết định cho phép I-CSCF, S-CSCF và AS tìm địa chỉ HSS, nơi chứa dữ liệu thuê bao để nhận dạng người dùng đến khi nhà khai thác mạng triển khai nhiều địa chỉ HSS 6.1.1.8 Cổng báo hiệu (SGW) SGW được dùng để nối liền những mạng báo hiệu khác nhau, như mạng báo hiệu SCTP/IP và mạng báo hiệu SS7. SGW thực hiện chuyển đổi báo hiệu (bằng 2 cách) ở mức vận chuyển giữa SS7 và IP (giữa Sigtran SCTP/IP và SS7 MTP). SGW không phiên dịch những bản tin lớp ứng dụng (ví dụ, BICC, ISUP) -54- 6.1.1.9 Cổng bảo mật Hình 6.2: Chuyển đổi báo hiệu trong SGW để bảo vệ lưu lượng control-plane giữa những miền bảo mật, lưu lượng sẽ đi xuyên qua SEG trước khi vào hoặc rời khỏi miền bảo mật. Miền bảo mật tham chiếu tới mạng bị quản lý bởi quyền lực hành chính đơn. Đặc trưng, điều này xảy ra đồng thời với những đường biên nhà khai thác. SEG được đặt ở đường biên của miền bảo mật và nó khiến cho điều khoản bảo mật của miền bảo mật hiệu quả khi hướng tới SEG khác trong miền bảo mật đích. Nhà khai thác mạng có thể có nhiều hơn một SEG trong mạng để tránh xa một lỗi đơn hoặc vì những lý do thực hiện. 6.1.1.10 PDF (Policy Decision Function) PDF chịu trách nhiệm tạo ra những quyết định đường lối là dựa vào phiên và thông tin phương tiện liên quan thu được từ P-CSCF. Nó hành động như một điểm quyết định đường lối đối với sự điều chỉnh SBLP. Sau đây là chức năng của nó đối với SBLP là: ƒ Chứa phiên và thông tin phương tiện liên quan (địa chỉ IP, số cổng, băng thông…) ƒ Phát thẻ cho phép để nhận ra PDF và phiên ƒ Cung cấp quyết định cho phép tuy theo phiên được tích trữ và thông tin phương tiện liên quan dựa vào việc nhận yêu cầu nhận thực vật mang từ GGSN ƒ Cập nhật quyết định nhận thực tại những sửa đổi phiên mà làm thay đổi phiên và thông tin phương tiện liên quan ƒ Khả năng để thu hồi quyết định nhận thực ở bất kỳ thời điểm nào ƒ Khả năng để cho phép sử dụng vận mạng nhận thực (ví dụ, giao thức gói, hoặc PDP, context) -55- ƒ Khả năng để ngăn việc sử dụng vật mang nhận thực (ví dụ, PDP context trong khi duy trì nhận thực) ƒ Để báo cho P-CSCF khi vật mang bị mất hoặc giảm bớt. Dấu hiệu sửa đổi chỉ được đưa ra khi vật mang được nâng cấp hoặc giảm cấp từ hoặc tới 0kbps ƒ Để cho qua bộ nhận dạng IMS-charging tới GGSN và để qua bộ nhận dạng GPRS-charging tới P-CSCF Hình 6.3: Kiến trúc IMS 6.1.2 Những giao diện trong kiến trúc IMS Cx là kết nối giữa HSS và CSCF (I-CSCF và S-CSCF). Giáo thức cho giao diện Cx dựa vào DIAMETER. Giao thức sử dụng phương pháp query/response, từ đây những yêu cầu được gửi tới cơ sở dữ liệu HSS, HSS phản ứng lại bằng thông tin về thuê bao. Giao thức cũng có thể được dùng bởi I-CSCF hoặc S-CSCF để cập nhật giá trị vào cơ sở dữ liệu HSS. Những kiểu truyền được hỗ trợ là: 1. Giấy phép đăng ký cho thuê bao (I-CSCF - HSS) 2. Câu hỏi về những hướng nhận thực cho thuê bao (S-CSCF - HSS) 3. Khai báo tình trạng đang ký ( S-CSCF - HSS) 4. Xoá tên đăng ký của mang khởi đầu (HSS - S-CSCF) 5. Câu hỏi vị trí đối với thuê bao (I-CSCF - HSS) là để quyết định định tuyến cuộc gọi đi vào dự trù dành riêng cho thuê bao thuộc vào mạng này 6. Cập nhật sơ lược tiểu sử của người dùng (HSS - S-CSCF) -56- Miêu tả những giao diện Interface Name IMS entities Description Protocol Cr MRFC, AS Được dùng bởi MRFC để rút ra documents (scripts and những tài nguyên khác) từ AS HTTP over dedicated TCP/SCTP channels Cx I-CSCF, S-CSCF, HSS Dùng để thông tin giữa I-CSCF/S- CSCF và HSS Diameter Dh SIP AS, OSA, SCF, IM-SSF, HSS Dùng bởi AS để tim ra đúng HSS trong môi trường nhiều HSS Diameter Dx I-CSCF, S-CSCF, SLF Dùng bởi I-CSCF/S-CSCF để tìm đúng HSS trong môi trường nhiều HSS Diameter Gm UE, P-CSCF Dùng để trao đổi những bản tin giữa UE và CSCFs SIP Go PDF, GGSN Cho phép nhà khai thác điều chỉnh QoS trong user plane và trao đổi thông tin tích cước tương đương giữa mạng IMS và GPRS COPS (Rel5), Diameter (Rel6+) Gq P-CSCF, PDF Dùng để trao đổi thông tin decision- related một cách khéo léo giữa P- CSCF và PDF Diameter ISC S-CSCF, I-CSCF, AS Dùng để trao đổi ban tin giữa CSCF và AS SIP Ma I-CSCF -> AS Dùng để hướng những yêu cầu SIP trực tiếp tới nhận dạng dịch vụ công cộng được quản lý bởi AS SIP Mg MGCF -> I-CSCF MGCF biến đổi báo hiệu ISUP thành báo hiệu SIP và hướng báo hiệu SIP tới I-CSCF SIP Mi S-CSCF -> BGCF Dùng để trao đổi những bản tin giữa S-CSCF và BGCF SIP Mj BGCF -> MGCF Dùng để trao đổi bản tin giữa BGCF và MGCF trong cùng mạng IMS SIP Mk BGCF -> BGCF Dùng để trao đổi bản tin giữa những BGCF trong những mạng IMS khác nhau SIP -57- Mm I-CSCF, S-CSCF, external IP network Dùng cho việc trao đổi những bản tin giữa mạng IMS và mạng IP bên ngoài Not specified Mn MGCF, IM-MGW Cho phép việc điều khiển tài nguyên user-plane H.248 Mp MRFC, MRFP Dùng để trao đổi những bản tin giữa MRFC và H.248 Mr S-CSCF, MRFC Dùng để trao đổi những bản tin giữa S-CSCF và MRFC SIP Mw P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF Dùng để trao đổi những bản tin giữa những CSCF SIP Rf P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF, BGCF, MRFC, MGCF, AS Dùng để trao đổi thông tin tính cước offline với Diameter Ro AS, MRFC Dùng để trao đổi thông tin tính cước online với ECF Diameter Sh SIP AS, OSA SCS, HSS Dùng để trao đổi thông tin giữa SIP AS/OSA và HSS Diameter Si IM-SSF, HSS Dùng để trao đổi thông tin giữa IM-SSF và HSS MAP Sr MRFC, AS Dùng bởi MRFC để gọi ra documents (scripts và những tài nguyên khác) từ AS HTTP Ut UE, AS (SIP AS, OSA SCS, IM- SSF) Cho phép UE quản lý thông tin liên quan tới những dịch vụ của nó HTTP(s) 6.2 UMTS Realease 5: Truy cập gói downlink tốc độ cao (HSDPA) Điều quan trọng trong UMTS R5 là giới thiệu kế hoạch phát dữ liệu mới được gọi là HSDPA, HSDPA làm tăng tốc độ phát dữ liệu từ mạng tới user. Khi 384kbps là tốc độ lớn nhất trong R99 UTRAN, HSDPA cho phép tốc độ từ 1,4 tới 3.6Mbps mỗi user, phụ thuộc vào khả năng của thiết bị user và tăng tới 14,4Mbps bằng những thiết bị đầu cuối tiên tiến. Thậm chí dưới điệu kiện vô tuyến ít lý tưởng và tải của cell nặng, tốc độ 800kbps vẫn có thể đối với user. Chi phí chính cho HSDPA là phải tăng dung lượng của kết nối backhaul(hướng trở lại) thuộc cell tới mạng, chi phí phát mỗi bit sẽ tăng lên khá xa vì thực tế cùng số những BTS có thể hỗ trợ băng