tiểu luận báo hiệu và điều khiển kết nối ĐỀ TÀI GIAO THỨC VÀ THỦ TỤC BÁO HIỆU UTRAN UMTS

tiểu luận báo hiệu và điều khiển kết nối ĐỀ TÀI GIAO THỨC VÀ THỦ TỤC BÁO HIỆU UTRAN UMTS HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: GIAO THỨC VÀ THỦ TỤC BÁO HIỆU UTRAN UMTS Môn: Báo hiệu và điều khiển kết nối

TỔNG QUAN VỀ UMTS VÀ UTRAN

Giới thiệu chung

Thế hệ di động thứ 3 (3G) là công nghệ truyền thông tiên tiến, cho phép truyền tải cả dữ liệu thoại và phi thoại như email, tin nhắn và hình ảnh Mạng 3G nổi bật với tốc độ dữ liệu cao, hiệu quả sử dụng phổ tần tối ưu và nhiều cải tiến khác Các chuẩn công nghệ 3G, bao gồm UMTS (còn gọi là 3GSM), CDMA 2000 và TD-SCDMA, đều dựa trên công nghệ CDMA UMTS sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA và được chuẩn hoá bởi 3GPP, trở thành lựa chọn phổ biến của các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để nâng cấp lên 3G, với tốc độ dữ liệu tối đa lên tới 1920Kbps (gần 2Mbps).

Mạng thương mại toàn cầu đang gia tăng nhanh chóng, yêu cầu các nhà điều hành mạng và nhà cung cấp thiết bị nắm vững quy trình xử lý và phân tích thủ tục báo hiệu trong UMTS để quản lý mạng hiệu quả, phát hiện lỗi và xử lý sự cố Giao diện vô tuyến của UMTS, dựa trên công nghệ W-CDMA, tích hợp các đặc tính kỹ thuật của HSPA, với W-CDMA sử dụng các kênh có độ rộng 5MHz, được xác định rõ trong UMTS rel 99 và rel 4 HSPA đã được giới thiệu trong các phiên bản sau.

5 (đường xuống) và rel 6 (đường lên) mang tới tốc độ bit lớn hơn đáng kể và cải thiện được các ứng dụng chuyển mạch gói.

Kiến trúc hệ thống UMTS

Mạng UMTS bao gồm 3 phần chính:

 Phần trạm di động (Mobile Station-MS) hay Thiết bị người dùng (UE)

 Phần truy nhập vô tuyến (UMTS – UTRAN)

 Phần mạng lõi (Core Network - CN).

Trạm di động (MS) / Thiết bị người dùng (UE)

Thiết bị người dùng (UE) trong UMTS được thiết kế dưới dạng module, đóng vai trò là trạm di động kết nối người sử dụng với hệ thống UE bao gồm hai phần chính.

 Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu

Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là một thẻ thông minh lưu trữ thông tin nhận dạng của thuê bao, thực hiện các thuật toán xác thực và quản lý các khóa bảo mật Điểm khác biệt lớn nhất giữa USIM và SIM trong GSM là USIM có khả năng tải xuống, truy cập qua môi trường vô tuyến và có thể được thay đổi bởi mạng USIM là một mạch điện tích hợp toàn cầu với dung lượng lớn hơn so với SIM.

UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến

- Các đặc tính chính của UTRAN:

Hỗ trợ UTRAN cùng với tất cả các chức năng liên quan là rất quan trọng, đặc biệt là trong việc thiết kế hệ thống Yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm, cho phép một đầu cuối kết nối qua hai hoặc nhiều ô tích cực, và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của WCDMA cũng cần được chú trọng.

Để đảm bảo tính đồng nhất trong việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, cần sử dụng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất Điều này cho phép kết nối UTRAN với cả hai vùng PS và CS của mạng lõi thông qua cùng một giao diện.

 Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết

 Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN

- Các thành phần chính trong mạng UTRAN:

Trong UTRAN, hai thành phần chính là RNC và Node B, với UTRAN được chia thành các miền RNS (Radio Network Subsystem) bao gồm một RNC và các node B mà nó quản lý Mỗi node B có khả năng quản lý một hoặc nhiều cell.

Các phần tử mạng như MSC, SGSN và HLR có khả năng mở rộng theo yêu cầu của UMTS, trong khi RNC và NodeB cần được thiết kế mới RNC đóng vai trò thay thế cho BSC, còn NodeB thay thế cho BTS.

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC

Thành phần biên trong UTRAN là RNC (Radio Network Controler) Một điều khác hơn trong BSS là các RNC có thể kết nối với nhau qua giao diện Iur

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC là phần tử chuyển mạch và điều khiển của UTRAN RNC nằm giữa hai giao diên IuB và Iu.

RNC trong UMTS tương đương với BSC của GSM nhưng có nhiều tính năng vượt trội hơn, bao gồm giao diện Iur để giao tiếp giữa các RNC trong trường hợp chuyển vùng mềm, điều mà BSC không có Quản lý tính năng di động (MM) được chuyển từ mạng lõi sang RNC, tạo ra sự khác biệt so với GSM RNC chịu trách nhiệm điều khiển việc sử dụng và đảm bảo sự tin cậy của tài nguyên vô tuyến Các chức năng cơ bản của RNC bao gồm: điều khiển chấp nhận cuộc gọi, quản trị kênh mang vô tuyến, điều khiển công suất, điều khiển tắc nghẽn và quản lý vận hành (O&M).

Cấu trúc RNC được thể hiện như hình vẽ:

RNC, hay Bộ điều khiển mạng, là thành phần quan trọng trong UTRAN, có nhiệm vụ quản lý và điều khiển các tài nguyên vô tuyến Nó đóng vai trò kết nối với mạng lõi (CN) và thực hiện giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến, đảm bảo hiệu quả trong việc sử dụng và phân phối tài nguyên mạng.

RRC, giao thức này định nghĩ các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN, nó đóng vai trò như BSC

Quản lý tài nguyên vô tuyến UTRAN bao gồm các thuật toán nhằm duy trì sự ổn định của đường truyền vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) kết nối Việc chia sẻ và quản lý tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả là yếu tố then chốt trong quá trình này.

Điều khiển UTRAN bao gồm tất cả các chức năng cần thiết để thiết lập, duy trì và giải phóng các kênh mạng vô tuyến, với sự hỗ trợ từ thuật toán Quản lý Tài nguyên Radio (RRM).

RNC điều khiển nút B, kết nối giao diện Iub với nút B, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tải và tắc nghẽn cho các ô thuộc khu vực của nó.

Khi kết nối MS – UTRAN, nhiều tài nguyên từ các RNC được sử dụng, trong đó các RNC tham gia sẽ đảm nhận hai vai trò khác nhau: RNC phục vụ và RNC trôi.

Controlling RNC (CRNC) là quá trình điều khiển, cấu hình và quản lý RNS, đồng thời trao đổi thông tin với NBAP CRNC cũng đảm nhận việc quản lý tất cả các tài nguyên vật lý của mọi node B kết nối thông qua giao diện Iub.

Drift RNC (DRNC) nhận các UE kết nối qua thủ tục handover từ SRNC của RNS khác, tuy nhiên, RRC (Radio Resource Control protocol) vẫn duy trì kết nối cuối cùng trên SRNC DRNC chỉ thực hiện việc trao đổi thông tin định tuyến giữa SRNC và DRNC.

UE DRNC dùng RNSAP để trao đổi với SRNC qua giao diện Iur, CRNC dùng NBAP trao đổi với các tế bào qua Iub

RNC dịch vụ (Serving RNC – SRNC) đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tính năng di động của người dùng trong miền UTRAN và kết nối với mạng lõi CN Khi RNC thiết lập kết nối RRC với một thiết bị người dùng (UE), nó trở thành SRNC của thiết bị đó SRNC sử dụng giao thức RRC để trao đổi thông tin với UE qua các giao diện Iub và Uu, đồng thời có thể sử dụng cả Iur và Iub ngoại nếu cần thiết, với sự điều khiển của DRNC.

Node B

Mỗi node B có thể quản lý một hoặc nhiều cell

Node B đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp kết nối vô tuyến vật lý giữa thiết bị người dùng (UE) và mạng, hoạt động như một cầu nối chuyển đổi từ môi trường vô tuyến sang hữu tuyến Nó thực hiện việc biến đổi dữ liệu đến và đi từ giao diện vô tuyến Uu, bao gồm các chức năng như sửa lỗi hướng phát (Forward Error Correction - FEC), tương thích tốc độ, trải phổ W-WCDA, và điều chế QPSK trên giao diện vô tuyến.

Node B bao gồm các thành phần chính như bộ khuếch đại thu vô tuyến ngoài trời (OA - RA), thiết bị điều khiển giám sát OA – RA - SC, bộ khuếch đại công suất phát và thiết bị điều chế cùng giải điều chế (MDE).

Nút B có vai trò quan trọng trong việc xử lý L1 của giao diện vô tuyến, bao gồm các chức năng như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ và trải phổ Ngoài ra, nó còn tham gia vào việc khai thác và quản lý tài nguyên vô tuyến, đặc biệt là trong việc điều khiển công suất vòng trong.

Hình 1.4: Cấu hình chức năng của node B Nhiệm vụ của node B tương tự như BTS:

Điều khiển công suất là quá trình điều chỉnh công suất phát của UE thông qua việc đo SIR và so sánh với giá trị mặc định, từ đó đưa ra yêu cầu thay đổi công suất phát phù hợp.

Báo cáo kết quả đo cho RNC cho thấy quá trình phân tập vi mô, trong đó các tín hiệu từ nhiều góc của anten mà một UE kết nối được tập hợp thành một chuỗi dữ liệu Chuỗi dữ liệu này sau đó được phát đi dưới dạng tín hiệu tổng đến RNC Việc UE kết nối với nhiều hơn một góc của anten giúp hỗ trợ chuyển giao mềm (Softer HO).

Mạng lõi

- Mạng lõi gồm các thành phần sau:

HLR (Home Location Register) là cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin quan trọng về lý lịch dịch vụ của người sử dụng di động Nó bao gồm các thông tin về dịch vụ được phép, khu vực không được chuyển mạng, cùng với các dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi và số lần chuyển hướng cuộc gọi.

MSC (Mobile Switching Center) và VLR (Visitor Location Register) là hai thành phần quan trọng trong hệ thống chuyển mạch kênh cho thiết bị di động (UE) MSC chịu trách nhiệm thực hiện các giao dịch chuyển mạch kênh, trong khi VLR lưu trữ thông tin lý lịch người dùng và xác định vị trí chính xác của UE trong mạng.

 GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài

 SGSN (Serving GPRS): Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS)

 GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói

- Các mạng ngoài: Bao gồm mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói

 Mạng CS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh

 Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.

Kiến trúc giao thức UTRAN

1.8.1 Các giao thức cơ bản

 Các giao diện UTRAN gồm tập các lớp theo chiều nằm ngang và chiều thẳng đứng Có 5 khối giao thức cơ bản được thể hiện

 Các kênh mang báo hiệu: truyền tải báo hiệu lớp cao và các thông tin điều khiển Chúng được thiết lập bởi các hoạt động O&M

Các kênh mang dữ liệu là những giao thức khung thiết yếu cho việc truyền tải dữ liệu người dùng, được thiết lập thông qua mặt bằng điều khiển của mạng truyền tải.

 Các giao thức ứng dụng được dùng để thực hiện điều khiển và báo hiệu trong UTRAN như thiết lập kênh mang trong lớp mạng vô tuyến

Chuỗi dữ liệu là thông tin người dùng được truyền tải một cách mượt mà giữa các phần tử trong mạng Dữ liệu này bao gồm thông tin cá nhân của thuê bao và các thông tin quản lý tính năng di động được trao đổi trực tiếp giữa MSC và UE.

Phần ứng dụng điều khiển đường truy nhập (ALCAP - Access Link Control Application Part) là một thành phần quan trọng trong mặt bằng điều khiển mạng truyền tải ALCAP thực hiện việc thiết lập, duy trì và giải phóng kênh mang dữ liệu, đóng vai trò thiết yếu trong các giao diện Iu - CS, Iur và Iub Đối với các giao diện không có báo hiệu ALCAP, kênh mang dữ liệu sẽ được cấu hình từ trước, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình truyền tải thông tin.

1.8.2 Kiến trúc giao thức mạng UMTS

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng UMTS

- Cấu trúc này dựa trên nguyên tắc: Các lớp giao thức và các mặt phẳng (mặt điều khiển và mặt dịch vụ) độc lập với nhau về mặt logic

- Kiến trúc mạng UMTS được chia thành 3 lớp:

Lớp truyền tải (Transport Network Layer) bao gồm các chức năng và giao thức năng, cùng với các giao thức của lớp vật lý và lớp truyền tải Chức năng này cung cấp tài nguyên cho AAL2, giúp thiết lập và duy trì kết nối truyền thông giữa UTRAN và CN.

Lớp mạng vô tuyến (Radio Network Layer) bao gồm các chức năng và giao thức cần thiết để quản lý giao diện vô tuyến, đồng thời đảm bảo truyền thông hiệu quả giữa hai thành phần UTRAN hoặc giữa UTRAN và UE.

 Lớp mạng hệ thống (System Network Layer): Các giao thức NAS cho phép truyền thông giữa CN và UE

- Mỗi lớp lại được chia thành các mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng:

Mặt phẳng điều khiển (Control plane) là phần quan trọng trong hệ thống UMTS, chịu trách nhiệm truyền tải thông tin báo hiệu điều khiển Nó bao gồm các báo hiệu điều khiển đặc thù như giao thức ứng dụng và lớp mạng báo hiệu, cho phép truyền tải các bản tin giao thức ứng dụng Giao thức ứng dụng đóng vai trò thiết lập các kênh mang tới thiết bị người dùng (UE), bao gồm kênh mang truy nhập vô tuyến trên IU và kết nối vô tuyến trên Iur và Iub.

Mặt phẳng người dùng (User plane) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải lưu lượng dữ liệu của người dùng Tất cả thông tin được gửi và nhận, bao gồm thoại trong cuộc gọi và các gói dữ liệu trong kết nối Internet, đều được mã hóa và truyền qua mặt dịch vụ Mặt dịch vụ bao gồm các luồng dữ liệu và các kênh mang dữ liệu, với mỗi luồng dữ liệu được mô tả bởi một hoặc nhiều giao thức khung đặc thù cho giao diện tương ứng.

Bảo mật UMTS

Sau khi trải nghiệm GSM, những người sáng tạo 3GPP muốn cải thiện các khía cạnh bảo mật cho UMTS

Ví dụ: UMTS giải quyết vấn đề BTS giả “Man-in-the-Middle” bằng cách giới thiệu một chức năng bảo toàn tín hiệu

Các tính năng bảo mật quan trọng nhất trong bảo mật truy cập của UMTS là:

 Sử dụng danh tính tạm thời (TMSI, P-TMSI)

 Xác thực lẫn nhau của người dùng và mạng

 Mã hóa mạng truy cập vô tuyến

 Bảo vệ tính bảo toàn của tín hiệu bên trong UTRAN

1.9.1 Kiến trúc bảo mật UMTS

Dựa trên Hình 1.6, bài viết sẽ trình bày thứ tự các giao dịch trong một kết nối Phần tiếp theo sẽ tập trung vào Xác thực và Kiểm soát Bảo mật, đồng thời giải thích các chức năng bảo mật tổng thể cho kết nối này.

Kiến trúc bảo mật 3G, được mô tả chi tiết trong tài liệu 3GPP 33.102, bao gồm một loạt các tính năng và cải tiến bảo mật Nó được xây dựng dựa trên ba nguyên tắc bảo mật cơ bản, nhằm đảm bảo an toàn và bảo vệ thông tin trong mạng di động 3G.

Hình 1.7 Kiến trúc bảo mật UMTS

1.9.2 Xác thực và Thỏa thuận khóa (AKA)

Xác thực được cung cấp để đảm bảo danh tính được xác nhận giữa người dùng và mạng Nó được chia thành hai phần:

 Xác thực người dùng đối với mạng

Xác thực mạng đối với người dùng là một tính năng mới trong UMTS, được thực hiện thông qua xác thực một lần nhằm giảm thiểu số lượng tin nhắn trao đổi Sau quy trình này, người dùng có thể yên tâm rằng mình đang kết nối với mạng đáng tin cậy, trong khi mạng cũng xác nhận thông tin của người dùng là chính xác Xác thực đóng vai trò quan trọng trong các cơ chế bảo mật khác như bảo mật và tính toàn vẹn dữ liệu.

Hình 1.8 Tổng quan về giao diện UMTS và kiến trúc miền

Khả năng bảo toàn đảm bảo rằng nội dung thông điệp giữa người dùng và mạng không bị thao túng, ngay cả khi không được bảo mật Điều này được thực hiện thông qua việc tạo ra các “tem” riêng lẻ từ người dùng và mạng, được thêm vào các thông điệp báo hiệu Các tem này dựa trên khóa bí mật K, được lưu trữ trong USIM và AuC Ở cấp độ truyền tải, tính toàn vẹn được kiểm tra bằng tổng kiểm tra CRC, tuy nhiên, các biện pháp này chỉ nhằm đạt được giao tiếp không có lỗi bit và không tương đương với tính toàn vẹn ở cấp độ truyền tải.

Bảo mật thông tin là rất quan trọng để bảo vệ dữ liệu người dùng khỏi các bên không mong muốn Để đạt được điều này, mạng sử dụng danh tính tạm thời (TMSI/P-TMSI) thay vì danh tính toàn cầu (IMSI) trong quá trình kết nối giữa thiết bị đầu cuối (USIM) và RNC Tính bảo mật được duy trì giữa người đăng ký và VLR/SGSN Nếu nhà mạng không đảm bảo an toàn cho dữ liệu người dùng, thuê bao sẽ được thông báo và có quyền từ chối kết nối.

Các phần được bảo mật là:

 Thông tin người đăng kí

 Vị trí hiện tại của người đăng ký

 Dữ liệu người dùng (thoại và dữ liệu)

THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG UTRAN UMTS

Các giao diện vô tuyến của UMTS

Các giao diện của mạng truy nhập UMTS - UTRAN được trình bày ở hình sau:

 Giao diện Cu: Là giao diện giữa USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chung cho các thẻ thông minh

Giao diện Uu là giao diện quan trọng nhất trong hệ thống UMTS, cho phép người dùng truy cập các phần tử cố định của hệ thống.

Giao diện Iu kết nối UTRAN với CN, cho phép các nhà khai thác trang bị UTRAN và CN từ nhiều nhà sản xuất khác nhau.

 Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm từ các RNC của các nhà sản xuất khác nhau

 Giao diện Iub: Giao diện cho phép kết nối một node B tới một RNC

Hình 2.1: Các giao diện UTRAN

Các chồng giao thức của giao diện Uu và Iub trên mặt bằng điều khiển được trình bày ở hình sau:

Hình 2.2: Iub – control plane Trong đó:

NBAP (Node B Application Part) là giao thức giữa RNC và nút B, cho phép cấu hình, quản lý và thiết lập các kênh trên các giao thức Iub và Uu.

Báo hiệu giao diện Iub NBAP gồm hai phần tử chính:

 Thiết lập đoạn nối vô tuyến RL (Radio Link) đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng

 Xử lý các kênh RACH/FACH và PCH

 Khởi xướng và báo cáo đo đạc đặc thù ô hoặc nút B

 Bổ sung, giải phóng và lập cấu hình lại các đoạn nối vô tuyến

 Xử lý các kênh riêng và dung chung

 Xử lý kết hợp chuyển giao

Chế độ truyền dẫn dị bộ trong UMTS được áp dụng cho tất cả các giao diện Iu, sử dụng lớp vật lý SDH qua sợi quang Đơn vị nhỏ nhất của ATM là cell, được truyền qua một kênh ảo Nhiều kênh ảo có thể hoạt động trên cùng một đường truyền ảo.

Một ô ATM chứa hai tham số địa chỉ: Số nhận dạng đường dẫn ảo (VPI) và

Số nhận dạng kênh ảo (VCI); xác định loại trọng tải; ưu tiên mất ô; và một tiêu đề kiểm tra dự phòng theo chu kỳ (CRC)

Lớp thích ứng ATM là cần thiết để truyền dẫn các giao thức cao hơn qua ATM, bao gồm các phân lớp thích ứng Các lớp này bao gồm một phần thích ứng chung và một phần thích ứng dành riêng cho dịch vụ cụ thể.

AAL được chỉ định bởi bốn lớp khác nhau về tốc độ bit, phương pháp đồng bộ hóa và kiểu kết nối là:

 A: Constant Bit Rate Service (CBR)

 B: Unspecified Bit Rate Service (UBR)

 C: Available Bit Rate Service (ABR)

 D: Variable Bit Rate Service (VBR)

Mỗi AAL (Adaptive Application Layer) sở hữu một cấu trúc khung riêng biệt, chứa tất cả các tham số cần thiết để đáp ứng nhu cầu Trong mỗi khung AAL, có một trường dữ liệu dành cho thông điệp AAL-SDU, hoặc phân đoạn của thông điệp từ giao thức cao hơn, được đặt và truyền đi.

- UPFP (User Plane Framing Protocol)

Giao thức đóng khung mặt bằng người dùng đóng vai trò quan trọng trong việc frame hóa các kênh hỗ trợ giữa các SRNC và nút B trên các giao diện Iur và Iub.

- SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol)

Cơ chế thiết lập và giải phóng các kết nối, trao đổi thông tin báo hiệu tin cậy giữa các thực thể báo hiệu SSCOP có:

 Tính toàn vẹn của chuỗi

 Sửa lỗi bằng cách truyền lại có chọn lọc

 Báo cáo lỗi cho quản lý lớp

 Truy xuất dữ liệu cục bộ

 Chuyển dữ liệu người dùng

 Phát hiện và phục hồi lỗi giao thức

- MAC (Medium Access Control Protocol)

Giao thức điều khiển truy cập đường truyền đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý truy cập vào lớp vật lý Nó cho phép ánh xạ các kênh logic và các lớp cao hơn vào các kênh truyền tải cùng với các lớp thấp hơn, đảm bảo sự tương tác hiệu quả giữa các thành phần trong hệ thống mạng.

- RLC (Radio Link Control Protocol)

Giao thức điều khiển liên kết vô tuyến cung cấp dịch vụ vận chuyển cho các lớp cao hơn, được gọi là dịch vụ tải vô tuyến Nó hoạt động theo ba chế độ chính: chế độ truyền thông minh (transparent), chế độ có xác nhận (acknowledged) và chế độ không có xác nhận (unacknowledged).

- SSCF (Service Specific Coordination Function)

Chức năng phối hợp các dịch vụ cụ thể không phải là một giao thức, mà là một chức năng nội bộ thích ứng, giúp điều phối thông tin đến và đi giữa các lớp cao hơn.

SSCF cung cấp các chức năng ánh xạ sau:

 Ánh xạ các bản gốc từ Lớp 3 đến các tín hiệu của SSCOP

 Ánh xạ địa chỉ đích (Mã điểm báo hiệu, SPC) tới kết nối SSCOP

Do khái niệm mô-đun này, SSCOP có thể hoạt động với nhiều giao thức lớp cao hơn khác nhau

Giao thức chuyển đổi truyền tải báo hiệu không sử dụng các bản tin riêng biệt, mà thay vào đó, nó chuyển đổi các bản tin từ các nút thấp lên lớp cao hơn với các tham số theo yêu cầu Các chức năng khác của giao thức này bao gồm việc tối ưu hóa quy trình truyền tải và cải thiện hiệu suất truyền thông.

 Cung cấp giá trị OPC, DPC và SIO

 UMTS: Chỉ thị dịch vụ (một phần của SIO) = 12 (AAL2-L3)

- RRC (Radio Resource Control Protocol)

Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến là một phân lớp thuộc lớp 3 trong giao diện vô tuyến UMTS, hoạt động chủ yếu trong mặt bằng điều khiển Nó đảm nhận việc cung cấp dịch vụ truyền tải thông tin tới NAS và chịu trách nhiệm điều khiển cấu hình của giao diện vô tuyến UMTS ở lớp 1 và 2.

Giao thức AAL2 lớp 3 là một giao thức báo hiệu quan trọng trong lớp truyền tải, có chức năng cài đặt và giải phóng các kênh mang Nó cung cấp khả năng thiết lập, duy trì và giải phóng các kết nối điểm-điểm, đảm bảo hiệu quả trong việc quản lý kết nối mạng.

AAL2 được triển khai trên nhiều máy ATM VCC thông qua liên kết AAL2, cho phép giao thức này cung cấp các chức năng báo hiệu hiệu quả Bên cạnh đó, AAL2 cũng hỗ trợ các chức năng bảo trì cần thiết liên quan đến quá trình báo hiệu, đảm bảo hoạt động ổn định và tin cậy cho hệ thống.

Quản lý di động là thuật ngữ chỉ các chức năng di động do PLMN cung cấp, giúp theo dõi thiết bị di động khi di chuyển trong mạng và đảm bảo kết nối luôn được duy trì.

Các chức năng của MM:

 Thủ tục MM để thiết lập và giải phóng kết nối

 Chuyển thông báo lớp con CM

 Thủ tục MM chung cho các chức năng bảo mật, ví dụ: quy trình Xác thực

 Thủ tục MM riêng cho các chức năng vị trí như: cập nhật vị trí định kỳ hoặc thủ tục đính kèm IMSI

 UE được xác định bởi IMSI hoặc TMSI

Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub

Giao diện Iub đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối RNC và node B, cho phép RNC điều khiển node B thông qua các tác vụ như quản lý tài nguyên vô tuyến, thêm hoặc xóa các tế bào khỏi node B, và hỗ trợ nhiều kiểu truyền thông khác nhau cùng các liên kết điều khiển.

Giao diện Iub cho phép truyền dẫn liên tục giữa giao diện Abis/GMS và Iub, tối thiểu hóa số lượng tùy chọn chức năng giữa RNC và node B Ngoài việc điều khiển các ô và quản lý liên kết vô tuyến trong các ô của node B, Iub còn hỗ trợ các chức năng O&M Hơn nữa, Iub cho phép chuyển mạch giữa các kiểu kênh khác nhau để duy trì kết nối ổn định.

Tái định vị bộ điều khiển mạng dịch vụ vô tuyến SRNC (Serving Radio Network Controller) là quá trình chuyển giao chức năng SRNC cùng với các nguồn tài nguyên liên quan từ một RNC này sang một RNC khác thông qua Iu.

 Quản lý kênh mang truy nhập vô tuyến RAB (Radio Access Bearer): Bao gồm thiết lập, quản lý và giải phóng kênh mang truy nhập vô tuyến

 Yêu cầu giải phóng RAB: gửi yêu cầu giải pháp kênh mang truy nhập vô tuyến tới mạng lõi CN

Giải phóng các tài nguyên kết nối Iu là quá trình giải phóng toàn bộ tài nguyên liên quan đến một kết nối Iu Điều này bao gồm việc gửi yêu cầu giải phóng kết nối Iu tới mạng lõi CN để đảm bảo tài nguyên được quản lý hiệu quả.

Quản lý tài nguyên truyền tải Iub bao gồm các hoạt động như quản lý liên kết Iub, cấu hình ô, đo hiệu năng mạng vô tuyến, quản lý sự kiện tài nguyên, quản lý kênh truyền tải chung và tài nguyên vô tuyến, cũng như sắp xếp cấu hình mạng vô tuyến.

 Quản lý thông tin hệ thống và lưu lượng các kênh chung: Điều khiển chấp nhận, quản lý công suất, truyền dữ liệu

Quản lý lưu lượng của các kênh cố định bao gồm việc giám sát và quản lý liên kết vô tuyến, thực hiện chỉ định và giải tỏa kênh, cung cấp báo cáo thông tin đo kiểm, cùng với việc quản lý kênh truyền tải dành riêng để đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả.

 Quản lý lưu lượng các kênh chia sẻ: Chỉ định và giải tỏa kênh, quản lý công suất, quản lý kênh truyền tải, truyền dữ liệu

Quản lý đồng bộ và định thời là rất quan trọng trong việc đồng bộ hóa kênh truyền tải, khung, cũng như giữa các node B và RNC Để hiểu rõ hơn về chức năng xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub, chúng ta cần xem xét một tiến trình thực hiện cuộc gọi cụ thể.

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

- Bước 1: Một yêu cầu kết nối điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio Resource Controller) được gửi từ UE tới RNC

Để thiết lập một kênh truyền tải cố định DCH (Dedicated Channel), cần cung cấp nguồn tài nguyên vô tuyến phù hợp Kênh DCH này sẽ mang các kênh điều khiển logic DCCH (Dedicated Control Channel), được sử dụng để truyền tải các bản tin của RRC và NAS (Non-Access Stratum).

Khi DCH và DCCH không khả dụng, các bản tin báo hiệu thiết lập kết nối cho RRC được truyền qua RACH (Random Access Channel) theo hướng đi và FACH (Forward Access Channel) theo hướng về.

Bước 4 trong quy trình này liên quan đến thủ tục mã hóa và nhận thực, được yêu cầu từ mạng để xác minh lại danh tính của UE Nếu cần thiết, quá trình này cũng sẽ chuyển mã giữa RNC và UE.

Bước 5 trong quy trình thiết lập cuộc gọi thoại là gửi bản tin SETUP trong lớp MM/SM/CC Bản tin này chứa thông tin về số thiết bị được gọi và được chuyển tới RNC để đến miền mạng chuyển mạch kênh.

- Bước 6: Vùng mạng chuyển mạch kênh định nghĩa QoS cho cuộc gọi thoại

 Các giá trị QoS là các tham số trong kênh mang truy nhập vô tuyến RAB

 RAB gán thủ tục tương thích với thiết lập kênh mang trong mạng SS7

 RAB cung cấp một kênh cho thoại gói giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị chuyển mạch trong vùng mạng chuyển mạch kênh

- Bước 7: Tái cấu hình liên kết vô tuyến cung cấp nguồn tài nguyên để thiết lập kênh mang vô tuyến trong bước tiếp theo

Bước 8: Ngoài việc thiết lập các tham số trong thủ tục gán RAB, một kênh vô tuyến mới được tạo ra để hỗ trợ các kênh lưu lượng DTCH Khi sử dụng mã AMR để mã hóa thoại, ba kênh DTCH được thiết lập bao gồm: Lớp A, lớp

Sau khi RRC được giải phóng và nếu không còn dịch vụ nào đang hoạt động, cuộc gọi thoại sẽ được giải phóng ngay lập tức Đồng thời, cả hai kênh điều khiển và lưu lượng được giải phóng Cuối cùng, RNC sẽ giải phóng tài nguyên vô tuyến đã bị khóa cho cả hai kênh, nhằm tạo điều kiện cho các cuộc gọi khác.

Thủ tục cuộc gọi UMTS

- Chuyển mạch kênh cuộc gọi di động có nguồn gốc

 Bước 1: Thiết lập kết nối RRC giữa UE và SRNC

 Bước 2: Xác thực và mật mã

 Bước 3: Thành lập truy nhập vô tuyến và thiết lập cuộc gọi

 Bước 4: Gọi điện và Iu release

- Chi tiết các bước thực hiện như sau:

 Bước 1: Thiết lập kết nối RRC giữa UE và SRNC

Hình 2.1 minh họa quá trình tương tác trong UTRAN để thiết lập kết nối RRC giữa UE và RNC Thông báo này bao gồm các thông tin quan trọng như IMSI hoặc TMSI, LAI, RAI và lý do cho việc thiết lập kết nối RRC.

Trong quá trình thiết lập kết nối RRC, RRC phân tích lý do của các yêu cầu để quyết định phương thức phù hợp, như dành riêng hay chung RNC khởi đầu việc thiết lập mạng Iub bằng cách gửi thông báo NBAP tới node B, chứa thông tin như ID giao dịch, mã xáo trộn và cài đặt định dạng vận chuyển Node B phản hồi bằng cách gửi thông báo thiết lập NBAP RL, cung cấp thông tin địa chỉ lớp giao vận Các SRNC sử dụng ALCAP để thiết lập mang Iub dựa trên thông tin từ node B Các mang Iub được kết nối qua quy định DCH cho giao dịch, và SRNC đồng bộ hóa kết nối giao thức khung (FP) bằng thông điệp đồng bộ FP Cuối cùng, RNC xác nhận kết nối RRC thành công bằng cách gửi thông báo thiết lập kết nối RRC, trong đó chứa thông tin về định dạng giao vận và kiểm soát năng lượng, và UE phản hồi để xác nhận kết nối.

 Bước 2: Xác thực và mật mã

Sau khi xác thực và thiết lập kết nối thành công với RRC, UE gửi tin nhắn chuyển giao ban đầu RRC tới mạng lõi Khi nhận được yêu cầu dịch vụ từ UE, MSC khởi động quy trình an ninh, bao gồm chứng thực và trao đổi mã hóa MSC gửi yêu cầu xác thực qua thông điệp chuyển giao trực tiếp RANAP, trong khi RNC chuyển tiếp tin nhắn yêu cầu xác thực tới UE UE thực hiện các thuật toán xác thực và gửi kết quả trở lại MSC Thông báo này diễn ra trong quá trình chuyển giao trực tiếp RRC và RANAP RNC chỉ hoạt động như một bộ chuyển mạch, và nếu các UE được chuyển mạch thành công, MSC gửi chế độ bảo mật tin nhắn lệnh cho RNC để mã hóa giao dịch giữa UE và UTRAN RNC sau đó gửi chế độ bảo mật tin nhắn lệnh tới UE, truyền đạt các thuật toán mã hóa và khóa mã hóa, đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.

Hình 2.11: Xác thực và mật mã

UE bắt đầu mã hóa mọi giao dịch hướng tới UTRAN và thông báo cho RNC thông qua chế độ bảo mật RRC hoàn chỉnh RRC tiếp tục thông báo cho MSC Cần lưu ý rằng mã hóa chỉ được áp dụng cho các giao dịch giữa UTRAN và UE.

 Bước 3: Truy nhập vô tuyến vô danh thành lập và thiết lập cuộc gọi

Sau khi hoàn tất thủ tục xác thực và bảo mật, UE gửi thông điệp thiết lập điều khiển cuộc gọi đến MSC, nơi xác nhận quyền truy cập của UE vào các dịch vụ yêu cầu Nếu được ủy quyền, MSC tiến hành thiết lập đường truyền dữ liệu người dùng bằng cách gửi yêu cầu chuyển nhượng RAB đến RNC, kèm theo ID RAB và các tham số QoS RNC kiểm tra nguồn lực và thiết lập đường truyền tại Iu, sau đó thiết lập các đường truyền vô tuyến giữa RNC và UE bằng cách gửi đài phát thanh chứa thông điệp thiết lập UE phản hồi bằng cách hoàn tất thông điệp thiết lập, và RNC gửi phản ứng phân RAB về MSC Khi thủ tục này thành công, đường truyền dữ liệu được thiết lập để vận chuyển thông tin.

Hình 2.12: Thành lập RAB và thiết lập cuộc gọi

Từ thời điểm này, số tiền thu được sẽ được gọi một cách thông thường, sử dụng tin nhắn để điều khiển cuộc gọi giống như trong thiết lập cuộc gọi GSM.

 Bước 4: Thực hiện cuộc gọi và phát hành RAB

Sau khi cuộc gọi được phát hành, các nguồn lực cần được giải phóng Khi nhận được tin nhắn ngắt kết nối từ UE, bên mời phát hành cuộc gọi sẽ chuyển giao các thông điệp kêu gọi thanh toán bù trừ tiếp theo MSC sẽ phát hành Iu đến RNC, và khi RNC nhận được thông báo này, nó sẽ phát hành kênh mang vô tuyến trên giao diện Iub và thông báo cho MSC bằng cách gửi một thông điệp hoàn chỉnh Iu Tiếp theo, RNC sẽ xóa các kết nối RRC bằng cách gửi tin nhắn RRC phát hành kết nối đến UE, và UE sẽ thừa nhận bằng một thông điệp hoàn toàn giải phóng kết nối.

Hình 2.13: Thực hiện cuộc gọi

Hành động cuối cùng của RNC là xóa các nguồn tài nguyên giao diện Iub Để thực hiện điều này, MSC gửi một thông điệp NBAP kết nối vô tuyến nhằm xóa node B Node B sau đó phản hồi bằng một thông điệp trả lời xóa kết nối vô tuyến, xác nhận việc phát hành các tài nguyên giao diện Iub.