Cấu trúc mạng di động 2G, 3G, 4G và 5G

1. Cấu trúc mạng 2G GSM

Mạng GSM gồm có 3 thành phần, đó là trạm di động (ME+Sim) cung cấp khả năng liên lạc, hệ  thống trạm gốc (BSC, BTS) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động và hệ thống chuyển mạch (SS) có chức năng thực hiện chuyển mạch các cuộc gọi giữa các thuê bao di động.

Đọc thêm: Sự khác biệt giữa các loại mạng di động 2G, 3G, 4G, 5G – Lịch sử hình thành và phát triển

Cấu trúc của mạng GSM có thể được chia thành ba phần. Trạm di động (Mobile Station) được người thuê bao mang theo. Hệ thống trạm gốc ( Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động. Hệ thống mạng (Network Subsystem), với bộ phận chính là Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC), thực hiện việc chuyển mạch cuộc gọi giữa các thuê bao di động và giữa các thuê bao di động với thuê bao của mạng cố định. MSC cũng thực hiện các chức năng quản lý di động. Ở đây không vẽ trung tâm vận hành bảo dưỡng (OMC) với chức năng đảm bảo vận hành và thiết lập mạng. Trạm di động và hệ thống trạm gốc giao tiếp thông qua giao diện Um, còn được gọi là giao diện không gian hoặc kết nối vô tuyến. Hệ thống trạm gốc giao tiếp với MSC qua giao diện A.

Trạm di động (MS) bao gồm điện thoại di động và một thẻ thông minh xác thực thuê bao (SIM). SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử dụng có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận  dạng điện thoại di động IMEI (International Mobile Equipment Identity). Card SIM chứa một số nhận  dạng thuê bao di động IMSI (International Subcriber Identity) để hệ  thống nhận  dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác. IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân. Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận  dạng cá nhân (PIN). Hệ  thống trạm gốc gồm có hai phần Trạm thu phát gốc (BTS) và Trạm điều khiển gốc (BSC). Hai phần này giao tiếp với nhau qua giao diện Abis, cho phép các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau có thể "bắt tay" nhau được.

Trạm thu phát gốc có bộ thu phát vô tuyến xác định một ô (cell) và thiết lập giao thức kết nối vô tuyến với trạm di động. Trong một khu đô thị lớn thì số lượng BTS cần lắp đặt sẽ rất lớn. Vì thế, yêu cầu đối với trạm BTS là chắc chắn, ổn đinh, có thể di chuyển được và giá thành tối thiểu.

Trạm điều khiển gốc quản lý tài nguyên vô tuyến cho một hoặc vài trạm BTS. Nó thực hiện thiết lập kênh vô tuyến, phân bổ tần số, và chuyển vùng. BSC là kết nối giữa trạm di động và tổng đài chuyển mạch di động MSC.

Thành phần trung tâm của hệ  thống mạng là tổng đài chuyển mạch di động MSC. Nó hoạt động giống như một tổng đài chuyển mạch PSTN hoặc ISDN thông thường, và cung cấp tất cả các chức năng cần thiết cho một thuê bao di động như: đăng ký, xác thực, cập nhật vị trí, chuyển vùng, định tuyến cuộc gọi tới một thuê bao roaming (chuyển vùng). MSC cung cấp kết nối đến mạng cố định ( PSTN hoặc ISDN). Báo hiệu giữa các thành phần chức năng trong hệ  thống mạng sử dụng Hệ  thống báo hiệu số 7 (SS7).

Bộ ghi địa chỉ thường trú (HLR) và Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) cùng với tổng đài chuyển mạch di động MSC cung cấp khả năng định tuyến cuộc gọi và roaming cho GSM. HLR bao gồm tất cả các thông tin quản trị cho các thuê bao đã được đăng ký của mạng GSM, cùng với vị trí hiện tại của thuê bao. Vị trí của thuê bao thường dưới dạng địa chỉ báo hiệu của VLR tương ứng với trạm di động. Chỉ có một HLR logic cho toàn bộ mạng GSM mặc dù nó có thể được triển khai dưới dạng cơ sở dữ liệu phân bố.

Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) bao gồm các thông tin quản trị được lựa chọn từ HLR, cần thiết cho điều khiển cuộc gọi và cung cấp dịch vụ thuê bao, cho các di động hiện đang ở vị trí mà nó quản lý. Mặc dầu các chức năng này có thể được triển khai ở các thiết bị độc lập nhưng tất cả các nhà sản xuất tổng đài đều kết hợp VLR vào MSC, vì thể việc điều khiển vùng địa lý của MSC tương ứng với của VLR nên đơn giản được báo hiệu. Chú ý rằng MSC không chứa thông tin về trạm di động cụ thể- thông tin này được chứa ở bộ ghi địa chỉ..

Có hai bộ ghi khác được sử dụng cho mục đính xác thực và an ninh. Bộ ghi nhận  dạng thiết bị (EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách của tất cả các máy điện di dộng hợp lệ trên mạng với mỗi máy điện thoại được phân biệt bởi số IMEI. Một IMEI bị đánh dấu là không hợp lệ nếu nó được báo là bị mất cắp hoặc có kiểu không tương thích. Trung tâm xác thực (AuC) là một cơ sở dữ liệu bảo vệ chứa bản sao các khoá bảo mật của mỗi card SIM, được dùng để xác thực và mã hoá trên kênh vô tuyến.

Chức năng xử lý cuộc gọi của MSC

(1): Khi chủ gọi quay số thuê bao di động bị gọi, số mạng dịch vụ số liên kết của thuê bao di động, sẽ có hai trường hợp xảy ra :

·       (1.a) – Nếu cuộc gọi khởi đầu từ mạng cố định PSTN thì tổng đài sau khi phân tích số thoại sẽ biết đây là cuộc gọi cho một thuê bao di động. Cuộc gọi sẽ được định tuyến đến tổng đài cổng GMSC gần nhất.

·       (1.b) – Nếu cuộc gọi khởi đầu từ trạm di động, MSC phụ trách ô mà trạm di động trực thuộc sẽ nhận được bản tin thiết lập cuộc gọi từ MS thông qua BTS có chứa số thoại của thuê bao di động bị gọi.

(2): MSC (hay GMSC) sẽ phân tích số MSISDN (The Mobile Station ISDN) của thuê bao bị gọi để tìm ra HLR nơi MS đăng ký.

(3): MSC (hay GMSC) sẽ hỏi HLR thông tin để có thể định tuyến đến MSC/VLR quản lý MS.

(4): HLR sẽ trả lời, khi đó MSC (hay GMSC) này có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC cần thiết. Khi cuộc gọi đến MSC này, VLR sẽ biết chi tiết hơn về vị trí của MS. Như vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM, đó là chức năng xử lý cuộc gọi của MSC.

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng GSM với các mạng này. Các thích ứng này gọi là chức năng tương tác IWF (Inter Networking Function). IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn. IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở.

Bộ ghi định vị thường trú (HLR - Home Location Register):

HLR là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao, các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông. HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao.

HLR bao gồm:

·       Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN.

·       Các thông tin về thuê bao.

·       Danh sách các dịch vụ mà MS được sử dụng và bị hạn chế.

·       Số hiệu VLR đang phục vụ MS.

Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register):

VLR là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ của MSC. Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC. Ngay cả khi MS lưu động vào một vùng MSC mới. VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR. Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào. Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR, có thể coi VLR như một HLR phân bố. VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC. Nhưng khi thuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giá trị.

Hay nói cách khác, VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR.

VLR bao gồm:

·       Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI.

·       Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS.

·       Danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế sử dụng.

·       Trạng thái của MS ( bận: busy; rỗi: idle).

Tham khảo: tại đây.

         2. Cấu trúc mạng 3G UMTS

Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. Hình dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi.

Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến

BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc

BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc

RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc

CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh

PS: Packet Switch: chuyển mạch gói

SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin

Server: máy chủ

PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn.

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS). Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM). Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3G WCDMA UMTS

2.1. Chuyển mạch kênh (cs), chuyển mạch gói (ps), dịch vụ chuyển mạch kênh và dịch vụ chuyển mạch gói.

3G cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh như tiếng, video và các dịch vụ

chuyển mạch gói chủ yếu để truy nhập internet.

Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch) là sơ đồ chuyển mạch trong đó thiết bị chuyển mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối chiếm một tài nguyên mạng nhất định trong toàn bộ cuộc truyền tin. Kết nối này là tạm thời, liên tục và dành riêng. Tạm thời vì nó chỉ được duy trì trong thời gian cuộc gọi. Liên tục vì nó được cung cấp liên tục một tài nguyên nhất định (băng thông hay dung lượng và công suất) trong suốt thời gian cuộc gọi. Dành riêng vì kết nối này và tài nguyên chỉ dành riêng cho cuộc gọi này. Thiết bị chuyển mạch sử dụng cho CS trong các tổng đài của TTDĐ 2G thực hiện chuyển mạch kênh trên trên cơ sở ghép kênh theo thời gian trong đó mỗi kênh có tốc độ 64 kbps và vì thế phù hợp cho việc truyền các ứng dụng làm việc tại tốc độ cố định 64 kbps (chẳng hạn tiếng được mã hoá PCM).

Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch) là sơ đồ chuyển mạch thực hiện phân chia số liệu của một kết nối thành các gói có độ dài nhất định và chuyển mạch các gói này theo thông tin về nơi nhận được gắn với từng gói và ở PS tài nguyên mạng chỉ bị chiếm dụng khi có gói cần truyền. Chuyển mạch gói cho phép nhóm tất cả các số liệu của nhiều kết nối khác nhau phụ thuộc vào nội dung, kiểu hay cấu trúc số liệu thành các gói có kích thước phù hợp và truyền chúng trên một kênh chia sẻ. Việc nhóm các số liệu cần truyền được thực hiện bằng ghép kênh thống kê với ấn định tài nguyên động. Các công nghệ sử dụng cho chuyển mạch gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc IP.

Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS).

Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service) là dịch vụ trong đó mỗi đầu cuối được cấp phát một kênh riêng và nó toàn quyển sử dụng tài nguyên của kênh này trong thời gian cuộc gọi tuy nhiên phải trả tiền cho toàn bộ thời gian này dù có truyền tin hay không. Dịch vụ chuyển mạch kênh có thể được thực hiện trên chuyển mạch kênh (CS) hoặc chuyển mạch gói (PS). Thông thường dịch vụ này được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (thoại).

Dịch vụ chuyển mạch gói (PS Service) là dịch vụ trong đó nhiều đầu cuối cùng chia sẻ một kênh và mỗi đầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này khi có thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lượng tin được truyền trên kênh. Dịch vụ chuyển mạch gói chỉ có thể được thực hiện trên chuyển mạch gói (PS). Dịch vụ này rất rất phù hợp cho các dịch vụ phi thời gian thực (truyền số liệu), tuy nhiên nhờ sự phát triển của công nghệ dịch vụ này cũng được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (VoIP).

Chuyển mạch gói có thể thực hiện trên cơ sở ATM hoặc IP.

ATM (Asynchronous Transfer Mode: chế độ truyền dị bộ) là công nghệ thực hiện phân chia thông tin cần phát thành các tế bào 53 byte để truyền dẫn và chuyển mạch. Một tế bào ATM gồm 5 byte tiêu đề (có chứa thông tin định tuyến) và 48 byte tải tin (chứa số liệu của người sử dụng). Thiết bị chuyển mạch ATM cho phép chuyển mạch nhanh trên cơ sở chuyển mạch phần cứng tham chuẩn theo thông tin định tuyến tiêu đề mà không thực hiện phát hiện lỗi trong từng tế bào. Thông tin định tuyến trong tiêu đề gồm: đường dẫn ảo (VP) và kênh ảo (VC). Điều khiển kết nối bằng VC (tương ứng với kênh của người sử dụng) và VP (là một bó các VC) cho phép khai thác và quản lý có khả năng mở rộng và có độ linh hoạt cao. Thông thường VP được thiết lập trên cơ sở số liệu của hệ thống tại thời điểm xây dựng mạng. Việc sử dụng ATM trong mạng lõi cho ta nhiều cái lợi: có thể quản lý lưu lượng kết hợp với RAN, cho phép thực hiện các chức năng CS và PS trong cùng một kiến trúc và thực hiện khai thác cũng như điều khiển chất lượng liên kết.

Chuyển mạch hay Router IP (Internet Protocol) cũng là một công nghệ thực hiện phân chia thông tin phát thành các gói được gọi là tải tin (Payload). Sau đó mỗi gói được gán một tiêu đề chứa các thông tin địa chỉ cần thiết cho chuyển mạch. Trong thông tin di động do vị trí của đầu cuối di động thay đổi nên cần phải có thêm tiêu đề bổ sung để định tuyến theo vị trí hiện thời của máy di động. Quá trình định tuyến này được gọi là truyền đường hầm (Tunnel). Có hai cơ chế để thực hiện điều này: MIP (Mobile IP: IP di động) và GTP (GPRS Tunnel Protocol: giao thức đường hầm GPRS). Tunnel là một đường truyền mà tại đầu vào của nó gói IP được đóng bao vào một tiêu đề mang địa chỉ nơi nhận (trong trường hợp này là địa chỉ hiện thời của máy di động) và tại đầu ra gói IP được tháo bao bằng cách loại bỏ tiêu đề bọc ngoài. 

Hình dưới cho thấy quá trình định tuyến tunnel (chuyển mạch tunnel) trong hệ thống 3G UMTS từ tổng đài gói cổng (GGSN) cho một máy di động (UE) khi nó chuyển từ vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt (SGSN1) này sang một vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt khác (SGSN2) thông qua giao thức GTP.

Thiết lập kết nối tunnel trong chuyển mạch tunnel

Vì 3G WCDMA UMTS được phát triển từ những năm 1999 khi mà ATM là công nghệ chuyển mạch gói còn ngự trị nên các tiêu chuẩn cũng được xây dựng trên công nghệ này. Tuy nhiên hiện nay và tương lai mạng viễn thông sẽ được xây dựng trên cơ sở internet vì thế các chuyển mạch gói sẽ là chuyển mạch hoặc router IP.

2.2. Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3GWCDMA UMTS hỗ trợ

Vì TTDĐ 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh. Ngoài ra TTDĐ 3G cũng được sử dụng cho các dịch vụ tiếng. Nói chung TTDĐ 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông đa phương tiện. Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ. QoS ở W-CDMA được phân loại như sau:

Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (thoại chẳng hạn).

Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ (phân phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming)

Loại tương tác (Interactive, nrt): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỷ lệ lỗi thấp (trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn).

Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được thực hiện trên nền cơ sở (e-mail, tải xuống file: Video Download)

Môi trường hoạt động của 3WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng với

các tốc độ bit Rb phục vụ như sau:

·        Vùng 1: trong nhà, ô pico, R_b <= 2Mbps

·        Vùng 2: thành phố, ô micro, R_b <= 384 kbps

·        Vùng 2: ngoại ô, ô macro, R_b <= 144 kbps

·        Vùng 4: Toàn cầu, R_b = 12,2 kbps

Có thể tổng kết các dịch vụ do 3GWCDMA UMTS cung cấp ở bản sau:

Kiểu	Phân loại	Dịch vụ chi tiết
Dịch vụ di động	Dịch vụ di động	Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động dịch vụ
	Dịch vụ thông tin định vị	Theo dõi di động/ theo dõi di động thông minh
Dịch vụ viễn thông	Dịch vụ âm thanh	- Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64 kbps) - Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps) - Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps)
	Dịch vụ số liệu	- Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144 kbps) - Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao (144 kbps- 2Mbps) - Dịch vụ số liệu tốc độ cao (>= 2Mbps)
	Dịch vụ đa phương tiện	- Dịch vụ Video (384 kbps) - Dịch vụ hình chuyển động (384kbps- 2 Mbps) - Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực (>= 2 Mbps)
Dịch vụ Internet	Dịch vụ Internet đơn giản	Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps-2Mbps)
	Dịch vụ Internet thời gian thực	Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)
	Dịch vụ internet đa phương tiện	Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực (>= 2Mbps)

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5. Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói). Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh. Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP. Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên.

2.3. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet. UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí.

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.8). UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module). UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó. Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi trường nhà). HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị).

2.3.1. Thiết bị người sử dụng (UE)

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng. Có thể nói đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng. Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS. Điều này đạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các card thông minh.

Các đầu cuối (TE)

Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó được chuyển thành đầu cuối. Các nhà sản xuất chính đã đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trên các khái niệm mới, nhưng trong thực tế chỉ một số ít là được đưa vào sản xuất. Mặc dù các đầu cuối dự kiến khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ít phím hơn so với 2G. Lý do chính là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di động, modem và máy tính bàn tay.

Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện. Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến (giao diện WCDMA). Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS. Giao diện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối. Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh.

Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng các đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theo cùng một cách.

Các tiêu chuẩn này gồm:

·        Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình)

·        Đăng ký mật khẩu mới

·        Thay đổi mã PIN

·        Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)

·        Trình bầy IMEI

·        Điều khiển cuộc gọi

Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng sẽ chọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) là thiết kế và giao diện. Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cung cấp (màn hình nút chạm), các phím và menu.

UICC

UMTS IC card là một card thông minh. Điều mà ta quan tâm đến nó là dung

lượng nhớ và tốc độ bộ xử lý do nó cung cấp. Ứng dụng USIM chạy trên UICC.

USIM

Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng trên card. Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC. Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh). Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng.

USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS. Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao.

Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký.

2.3.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN. Nó gồm các phần tử đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng.

UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng. Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B.

RNC

RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC).

Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn. Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC. Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9. RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào. Người sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC). Khi người sử dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN. Vai trò logic của SRNC và DRNC được mô tả trên hình dưới. Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur. Chỉ một trong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur.

Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC). Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó.

Vai trò logic của SRNC và DRNC

Nút B

Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết

nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòng trong". Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối.

2.3.3. Mạng lõi

Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE. Miền PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM. Các nút B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP. Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP.

SGSN

SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao. Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao.

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

·        IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế);

·        Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói);

·        Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói).

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

·        Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area);

·        Số VLR;

·        Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực;

GGSN

GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng) là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí.

Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:

·        IMSI

·        Các địa chỉ PDP

Số liệu vị trí lưu trong GGSN:

·        Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến

·        GGSN nối đến Internet thông qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp.

BG

BG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN vớicác mạng khác. Chức năng của nút này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài.

VLR

VLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao của HLR cho mạng phục vụ (SN: Serving Network). Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây. Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng.

Số liệu sau đây được lưu trong VLR:

·        IMSI

·        MSISDN

·        TMSI (nếu có)

·        LA hiện thời của thuê bao

·         MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến

Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp. Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế được gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC.

MSC

MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình. Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khả năng hơn. Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và MSC. Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC.

GMSC

GMSC có thể là một trong số các MSC. GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS. Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS.

Môi trường nhà

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác. Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp. Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm đều được liệt kê ở đây.

Bộ ghi định vị thường trú (HLR)

HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động. Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng.

Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuê bao có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói). Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy nhập đến các thông tin được lưu khác. Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê bao. Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng.

HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùng một nút vật lý. HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao. Như: thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi. Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện VLR và SGSN nào đang phụ trách người sử dụng.

Trung tâm nhận thực (AuC)

AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý. Tuy nhiên cần đảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV: Authetication Vector) cho HLR.

AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạo khóa từ f0 đến f5. Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ.

Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR)

EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity). Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối. Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: danh mục trắng, xám và đen. Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập mạng. Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng. Khi một đầu cuối được thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen vì thế nó bị cấm truy nhập mạng. Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấm các seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn.

2.3.4. Các mạng ngoài

Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cần thiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác. Các mạng ngoài có thể là các mạng điện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di động mặt đất công cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet. Miền PS kết nối đến các mạng số liệu còn miền CS nối đến các mạng điện thoại.

2.3.5. Các giao diện

Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diện khác nhau. Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản xuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ.

+ Giao diện Cu: Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE

+ Giao diện Uu: Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong UMTS. Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối.

+ Giao diện Iu: Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nó gồm hai phần, IuPS cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN có thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập CN.

+ Giao diện Iur:  Đây là giao diện RNC-RNC. Ban đầu được thiết kế để đảm bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới được bổ sung. Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:

·        Di động giữa các RNC

·        Lưu thông kênh riêng

·        Lưu thông kênh chung

·         Quản lý tài nguyên toàn cục

+ Giao diện Iub: Giao diện Iub nối nút B và RNC. Khác với GSM đây là giao diện mở.

2.4. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình dưới đây cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4. Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào.

Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server.

Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MSC Server. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW. Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói. Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP). Từ hình 1.10 ta thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP. Cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP.

Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server). MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này. Để thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc độ 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN. Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau.

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248. Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển. Nó có tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control). Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ. 3GPP đề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức Điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) được xây dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU.

Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server. Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu tư.

Để làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B. Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt. Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố A. Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSC Server ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng.

Từ hình trên ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: Home Subscriber Server). HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Ngoài ra còn có các giao diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS.

Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM. Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện. Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này được thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW). Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn). Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP. Bộ giao thức này được gọi là Sigtran.

2.5. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện IP(hình 1.11). Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi. Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng. Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu.

Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6

          Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP. Từ hình trên ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MGW riêng.

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway).

Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được tăng cường rất nhiều. Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác nhân của người sử dụng SIP. Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều.

CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến và từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và định tuyến. CSCF hoạt động như một đại diện Server /hộ tịch viên.

SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS và UMTS R3 và R4. Ðiểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn). Vì thế cần hỗ  trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng.

Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghị được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị.

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN. T-SGW hỗ trợ các giao thức Sigtran.

Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút đảm bảo tương tác báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn. Trong nhiều trường hợp T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng.

MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương tiện. MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ở R4. MGW được điều khiển bởi Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF). Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248.

MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP. Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miền chuyển mạch kênh trong R3 và R4. Ðiều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các phiên bản R3 và R4 sang R5. Một số các cuộc gọi thoại có thể vẫn sử dụng miền CS một số các dịch vụ khác chẳng hạn video có thể được thực hiện qua R5 IMS. Cấu hình lai ghép được thể hiện trên hình sau.

Chuyển đổi dần từ R4 sang R5

3. Cấu trúc của mạng 4G LTE

Với mục tiêu thiết kế hệ thống toàn IP kiến trúc phẳng hơn nhằm nâng cao tốc độ dữ liệu, giảm trễ, LTE được thiết kế chỉ hỗ trợ chuyển mạch gói (PS) mà không hỗ trợ chuyển mạch kênh (CS) như trong các hệ thống thế hệ trước. Nó cung cấp kết nối IP giữa thiết bị người dùng (UE) và mạng dữ liệu gói (PDN: Packet Data Network). Thuật ngữ LTE bao hàm mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN, nó được kết hợp với mạng lõi Evolved Packet Core EPC. LTE và EPC kết hợp tạo thành hệ thống gói Evolved Packet System – EPS.

Mạng truy cập vô tuyến E-UTRAN

Chỉ có duy nhất một phần tử trong mạng truy nhập vô tuyến cải tiến E-UTRAN là eNodeB. Đây là trạm gốc vô tuyến, điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến.

Mạng lõi chuyển mạch gói LTE (EPC)

Thực thể quản lý di động (MME): Thực thể quản lý di động (MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC. Nó chỉ hoạn động trong miền điều khiển (CP) mà không tham gia vào miền dữ liệu người dùng (UP).

Các chức năng chính của MME trong kiến trúc hệ thống LTE/SAE như sau: chức năng xác thực bảo mật, chức năng quản lý di động, chức năng quản lý lịch sử thuê bao và kế nối dịch vụ.

Gateway phục vụ (S-GW): Trong cấu hình kiến trục hệ thống cơ bản, chức năng của S-GW là quản lý và chuyển mạch đường hầm dữ liệu người dùng.

Gateway mạng dữ liệu gói (P-GW): P-GW hay còn gọi là PDN-GW là bộ định tuyến biên giữa mạng EPC và các mạng dữ liệu gói bên ngoài.

Chức năng quy định chính sách và tính cước (PCRF): PCRF là một thành phần mạng chịu trách nhiệm điều khiển tính cước và chính sách (PCC).

Máy chủ thuê bao thường trú (HSS): HSS là nơi chứa dữ liệu cho tất cả thuê bao. Nó cũng ghi lại vị trí thuê bao như ở mức MME.

Miền dịch vụ ( Services domain)

Miền dịch vụ có thể bao gồm nhiều hệ thống con và do đó có thể chứa nhiều nút logic. Dưới đây là các loại dịch vụ có thể cung cấp và loại cơ sở hạ tầng cần để cung cấp các dịch vụ :

- Các dịch vụ mạng dựa trên IMS;

- Các dịch vụ mạng không dựa trên IMS;

- Những dịch vụ khác không được cung cấp bởi nhà mạng.

3.1. Các kỹ thuật then chốt và đặc điểm chính của LTE

Kỹ thuật OFDMA hướng xuống

Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N lường dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi lường dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau. OFDM có khả năng thiết lập các kênh bị tán xạ lớn. Sử dung dải tần rất hiệu quả cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng đường do chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau.

SC-FDMA hướng lên

Lý do quan trọng nhất để lựa chọn kỹ thuật SC-FDMA cho hướng lên là giảm công suất tiêu thụ của các thiết bị đầu cuối. Về mặt kỹ thuật, SCFDMA cho tỷ lệ giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR) thấp hơn OFDMA giúp mang lại hiệu quả cao cho việc thiết kế các bộ khuếch đại của thiết bị đầu cuối theo đó giảm công suất tiêu thụ của máy đầu cuối.

Kỹ thuật MIMO

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu. Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE.

3.2. Cấu trúc khung dữ liệu LTE (Radio frame)

Cấu trúc khung dữ liệu trong LTE là giống nhau cho cả hướng xuống và hướng lên. Mỗi khung dữ liệu có độ dài 10ms (307200xTs, Ts là đơn vị thời gian quy ước) bao gồm 10 khung con (subframe). Mỗi khung con bao gồm 2 khe với 7 symbol OFDM ( trường hợp sử dụng tiền tố lặp (CPCylic Prefix) ngắn) hoặc 6 symbol OFDM( trường hợp sử dụng tiền tố lặp dài).

Cấu trúc khung dữ liệu LTE

3.3. Băng tần LTE

LTE hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau một cách linh hoạt cho phép các nhà mạng có thể lựa chọn một cách mềm dẻo, tối ưu quỹ tần số và có khả năng tái sử dụng băng tần của công nghệ cũ khi lưu lượng di chuyển (ví dụ 2G sang 3G) và tối ưu chi phí đầu tư mạng. Hiện nay các nhà cung cấp viễn thông di động tại Việt Nam thống nhất chọn băng tần 1800 MHz cho mạng 4G. Tương lai có thể có nhiều băng tần khác nữa.

3.4. Lưới tài nguyên LTE

Mỗi khe dữ liệu được tổ chức thành các lưới tài nguyên (Resource grid). Như đã mô tả ở cấu trúc khung dữ liệu, miền thời igan của một lưới tài nguyên kéo dài đến 6 hoặc 7 symbol OFDM. Miền tần số là tổng số song mang con trong toàn bộ băng tần hoạt động. Thành phần nhỏ nhất của lưới tài nguyên được gọi là phần tử tài nguyên ( Resource element). Phần tài nguyên nhỏ nhất có thể được cáp phát gọi là một khối tài nguyên ( Resource Block).

1Resource Block = 7 (hoặc 6) symbol OFDM x 12 sóng mang con

Như vậy nếu sử dụng CP ngắn thì 1 khối tài nguyên chiếm một dải tần là 180kHz (12x15kHz – với 15kHz là băng tần cho một sóng mang con).

Hầu hết những giải pháp, thuật toán nhằm nâng cao hiệu năng mạng LTE và chất lượng dịch vụ xoay quanh việc làm thế nào sử dụng một cách hiệu quả, linh hoạt lưới tài nguyên.

3.5. Chuyển giao đối với LTE

Hệ thống WCDMA sử dụng chuyển giao mềm cho cả đường lên và đường xuống. Hệ thống HSPA sử dụng chuyển giao mềm cho đường lên nhưng không sử dụng cho đường xuống. Ở hệ thống LTE, không sử dụng chuyển giao mềm, chỉ có chuyển giao cứng, do đó hệ thống trở nên đơn giản hơn.

Trong hệ thống trước, mạng lõi quản lý RNC, RNC quản lý các trạm BS và BS lại quản lý các UE. Vì thế khi UE chuyển qua vùng RNC khác phục vụ, thì mạng lõi chỉ biết đến RNC đang phục vụ UE. Mọi chuyển giao được điều khiển bởi RNC Nhưng đối với E-UTRAN, mạng lõi có thể thấy mọi chuyển giao.

Các loại chuyển giao

4. Cấu trúc mạng 5G SBA

Có một điều chắc chắn: Thế giới kết nối của chúng ta đang thay đổi. 5G, với kiến trúc mạng thế hệ tiếp theo, có tiềm năng hỗ trợ hàng nghìn ứng dụng mới trong cả phân khúc tiêu dùng và công nghiệp. Khả năng của 5G dường như gần như vô hạn khi tốc độ và thông lượng cao hơn theo cấp số nhân so với các mạng hiện tại.

Những khả năng tiên tiến này sẽ cho phép các ứng dụng trên khắp các thị trường dọc như sản xuất, chăm sóc sức khỏe và giao thông vận tải, nơi 5G sẽ đóng một vai trò quan trọng trong mọi thứ, từ tự động hóa sản xuất tiên tiến đến các phương tiện tự hành hoàn toàn. Để phát triển các trường hợp sử dụng và ứng dụng kinh doanh có lợi cho 5G, ít nhất cần có hiểu biết chung về kiến trúc mạng 5G nằm ở trung tâm của tất cả các ứng dụng mới này.

5G đã nhận được một lượng lớn sự chú ý và nhiều hơn một chút cường điệu. Mặc dù tiềm năng là rất lớn, nhưng điều quan trọng cần biết là ngành công nghiệp này vẫn đang trong giai đoạn đầu áp dụng. Quá trình triển khai mạng 5G đã bắt đầu từ nhiều năm trước và liên quan đến việc xây dựng cơ sở hạ tầng mới, hầu hết được tài trợ bởi các nhà cung cấp dịch vụ không dây lớn.

Việc triển khai 5G đầy đủ sẽ mất thời gian, triển khai ở các thành phố lớn trước khi nó có thể tiếp cận các khu vực ít dân cư hơn. Digi hỗ trợ khách hàng của chúng tôi trong việc chuẩn bị cho 5G, với thông tin liên lạc về lập kế hoạch di chuyển và các sản phẩm thế hệ tiếp theo. Mặc dù Digi không tham gia trực tiếp vào việc phát triển lõi vô tuyến (NR) 5G mới và mạng truy cập vô tuyến 5G (RAN), các thiết bị của Digi sẽ là một phần không thể thiếu của tầm nhìn 5G và việc sử dụng chúng trong vô số ứng dụng 5G.

Cấu trúc mạng 5G SBA

Các tiêu chuẩn 3GPP đằng sau kiến trúc mạng 5G đã được đưa ra bởi Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP), tổ chức phát triển các tiêu chuẩn quốc tế cho tất cả các thông tin di động. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) và các đối tác của nó xác định các yêu cầu và dòng thời gian cho các hệ thống thông tin di động, xác định một thế hệ mới khoảng mỗi thập kỷ. 3GPP phát triển các thông số kỹ thuật cho các yêu cầu đó trong một loạt các bản phát hành.

“G” trong 5G là viết tắt của “thế hệ”. Kiến trúc công nghệ 5G thể hiện những tiến bộ đáng kể ngoài công nghệ 4G LTE (sự phát triển lâu dài), ra đời sau 3G và 2G. Như chúng tôi mô tả trong tài nguyên liên quan của mình, Hành trình đến 5G, luôn có một khoảng thời gian mà trong đó nhiều thế hệ mạng tồn tại cùng một lúc. Giống như những người tiền nhiệm của nó, 5G phải cùng tồn tại với các mạng trước đó vì hai lý do quan trọng:

Một là, việc phát triển và triển khai các công nghệ mạng mới cần rất nhiều thời gian, sự đầu tư và hợp tác của các đơn vị và nhà mạng lớn.

Hai là, những người áp dụng sớm sẽ luôn muốn có được các công nghệ mới càng nhanh càng tốt, trong khi những người đã đầu tư lớn vào việc triển khai lớn với các công nghệ mạng hiện có, chẳng hạn như 2G, 3G và 4G LTE, muốn tận dụng những khoản đầu tư đó cho càng lâu càng tốt, và chắc chắn cho đến khi mạng mới hoàn toàn khả thi.

Kiến trúc mạng của công nghệ di động 5G cải thiện rất nhiều so với các kiến trúc trước đây. Các mạng lớn có mật độ tế bào lớn cho phép những bước nhảy vọt về hiệu suất. Ngoài ra, kiến trúc của mạng 5G mang lại khả năng bảo mật tốt hơn so với mạng 4G LTE hiện nay.

Tóm lại, công nghệ 5G mang lại ba lợi thế chính:

+ Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, lên đến tốc độ nhiều Gigabit/s.

+ Công suất lớn hơn, cung cấp năng lượng cho một lượng lớn thiết bị IoT trên mỗi km vuông.

+ Độ trễ thấp hơn, xuống đến mili giây một chữ số, điều này cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng như xe được kết nối trong các ứng dụng ITS và xe tự hành, nơi cần phản hồi gần như tức thời.

Điều này có nghĩa là 5G đã hoàn toàn sẵn sàng vào ngày hôm nay? Và nó có nghĩa là kiến trúc 5G phù hợp với tất cả các ứng dụng? Đọc tiếp để xem công nghệ mới hỗ trợ các ứng dụng chính như thế nào và ứng dụng nào phù hợp hơn với 4G LTE.

Cân nhắc về Thiết kế và Lập kế hoạch 5G

Việc cân nhắc thiết kế cho kiến trúc mạng 5G hỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi cao rất phức tạp. Ví dụ, không có phương pháp tiếp cận một kích thước phù hợp với tất cả; phạm vi ứng dụng yêu cầu dữ liệu để di chuyển khoảng cách, khối lượng dữ liệu lớn hoặc một số kết hợp. Vì vậy, kiến trúc 5G phải hỗ trợ phổ băng tần thấp, trung bình và cao - từ các nguồn được cấp phép, chia sẻ và riêng tư - để mang lại tầm nhìn 5G đầy đủ.

Vì lý do này, 5G được cấu trúc để chạy trên các tần số vô tuyến khác nhau, từ tần số dưới 1 GHz đến tần số cực cao, được gọi là “sóng milimet” (hoặc mmWave). Tần số càng thấp, tín hiệu có thể truyền đi xa hơn. Tần số càng cao, nó có thể mang nhiều dữ liệu hơn.

Có ba dải tần số ở cốt lõi của mạng 5G:

+ Băng tần cao 5G (mmWave) mang lại tần số cao nhất của 5G. Chúng nằm trong khoảng từ 24 GHz đến khoảng 100 GHz. Bởi vì tần số cao không thể dễ dàng di chuyển qua chướng ngại vật, 5G băng tần cao về bản chất là phạm vi ngắn. Hơn nữa, phạm vi phủ sóng của mmWave bị hạn chế và yêu cầu nhiều cơ sở hạ tầng di động hơn.

+ Băng tần trung 5G hoạt động ở dải tần 2-6 GHz và cung cấp lớp dung lượng cho các khu vực thành thị và ngoại thành. Dải tần này có tốc độ cao nhất hàng trăm Mbps.

+ Băng tần thấp của 5G hoạt động dưới 2 GHz và cung cấp phạm vi phủ sóng rộng. Băng tần này sử dụng phổ tần hiện có và đang được sử dụng cho 4G LTE, về cơ bản cung cấp kiến trúc LTE 5g cho các thiết bị 5G hiện đã sẵn sàng. Do đó, hiệu suất của 5G băng tần thấp tương tự như 4G LTE và hỗ trợ sử dụng cho các thiết bị 5G trên thị trường hiện nay.

Ngoài tính khả dụng của phổ tần và các yêu cầu về ứng dụng đối với các cân nhắc về khoảng cách so với băng thông, các nhà khai thác phải xem xét các yêu cầu về nguồn điện của 5G, vì thiết kế trạm gốc 5G điển hình đòi hỏi gấp đôi lượng điện năng của một trạm gốc 4G.

Cân nhắc khi lập kế hoạch và triển khai ứng dụng 5G

Các nhà tích hợp hệ thống, và những người đang phát triển và triển khai các ứng dụng 5G cho các ngành dọc mà chúng ta đã thảo luận, sẽ thấy rằng điều quan trọng là phải xem xét sự đánh đổi.

Ví dụ: đây là ví dụ về một số cân nhắc chính:

+ Ứng dụng của bạn sẽ được triển khai ở đâu? Các ứng dụng được tối ưu hóa cho mmWave sẽ không hoạt động như mong đợi trong các tòa nhà và khi cần mở rộng phạm vi. Các trường hợp sử dụng tối ưu bao gồm viễn thông di động 5G ở băng tần 24 đến 39 GHz, radar cảnh sát ở băng tần Ka (33.4 - 36.0 GHz), máy quét trong an ninh sân bay, radar tầm ngắn trong xe quân sự và vũ khí tự động trong hải quân tàu phát hiện và hạ tên lửa.

+ Loại thông lượng nào sẽ được yêu cầu? Đối với các phương tiện tự hành và các ứng dụng hệ thống giao thông thông minh (ITS), các thiết bị và kết nối phải được tối ưu hóa về tốc độ. Giao tiếp gần thời gian thực - được đo bằng phần triệu giây - rất quan trọng để các phương tiện và thiết bị “đưa ra quyết định” về việc rẽ, tăng tốc và phanh, và độ trễ thấp nhất có thể là nhiệm vụ quan trọng đối với các ứng dụng này.

+ Ngược lại, các ứng dụng Video và VR phải được tối ưu hóa cho thông lượng. Các ứng dụng video như hình ảnh y tế cuối cùng có thể tận dụng tối đa lượng dữ liệu khổng lồ mà mạng 5G có thể hỗ trợ.

Để 5G mang lại tầm nhìn đầy đủ, cơ sở hạ tầng mạng cũng cần phải phát triển. Sơ đồ sau minh họa sự di chuyển theo thời gian, cũng như các kế hoạch sản phẩm 5G của Digi.

Các ứng dụng sớm nhất của công nghệ 5G sẽ không chỉ dành riêng cho 5G mà sẽ xuất hiện trong các ứng dụng nơi kết nối được chia sẻ với 4G LTE hiện có ở chế độ được gọi là không độc lập (NSA). Khi hoạt động ở chế độ này, trước tiên một thiết bị sẽ kết nối với mạng 4G LTE và nếu có 5G, thiết bị sẽ có thể sử dụng nó để có thêm băng thông. Ví dụ: một thiết bị kết nối ở chế độ 5G NSA có thể nhận được 200 Mbps tốc độ đường xuống qua 4G LTE và 600 Mbps khác trên 5G cùng một lúc, với tốc độ tổng hợp là 800 Mbps.

Khi ngày càng có nhiều cơ sở hạ tầng mạng 5G trực tuyến trong vài năm tới, nó sẽ phát triển để kích hoạt chế độ độc lập chỉ dành cho 5G (SA). Điều này sẽ mang lại độ trễ thấp và khả năng kết nối với số lượng lớn các thiết bị IoT là một trong những lợi thế chính của 5G.

Mạng lõi

Mạng lõi 5G, cho phép chức năng nâng cao của mạng 5G, là một trong ba thành phần chính của Hệ thống 5G, còn được gọi là 5GS. Hai thành phần còn lại là mạng Truy cập 5G (5G-AN) và Thiết bị người dùng (UE). Lõi 5G sử dụng kiến trúc dựa trên dịch vụ phù hợp với đám mây (SBA) để hỗ trợ xác thực, bảo mật, quản lý phiên và tổng hợp lưu lượng từ các thiết bị được kết nối, tất cả đều yêu cầu sự kết nối phức tạp của các chức năng mạng, như được thể hiện trong sơ đồ lõi 5G.

Các thành phần của kiến trúc lõi 5G bao gồm:

+ Chức năng mặt phẳng người dùng (UPF)

+ Mạng dữ liệu (DN), ví dụ: dịch vụ của nhà điều hành, truy cập Internet hoặc dịch vụ của bên thứ 3

+ Chức năng quản lý di động và truy cập cốt lõi (AMF)

+ Chức năng máy chủ xác thực (AUSF)

+ Chức năng quản lý phiên (SMF)

+ Chức năng lựa chọn lát cắt mạng (NSSF)

+ Chức năng phơi sáng mạng (NEF)

+ Chức năng kho lưu trữ NF (NRF)

+ Chức năng Kiểm soát Chính sách (PCF)

+ Quản lý dữ liệu hợp nhất (UDM)

+ Chức năng ứng dụng (AF)

Sơ đồ kiến trúc mạng 5G dưới đây minh họa cách các thành phần này được liên kết với nhau.

Sơ đồ kiến trúc 4G

Khi 4G phát triển từ người tiền nhiệm 3G, chỉ có những thay đổi gia tăng nhỏ đối với kiến trúc mạng. Sơ đồ kiến trúc mạng 4G sau đây cho thấy các thành phần chính của mạng lõi 4G:

Trong kiến trúc mạng 4G, Thiết bị Người dùng (UE) như điện thoại thông minh hoặc thiết bị di động, kết nối qua Mạng truy cập vô tuyến LTE (E-UTRAN) với Lõi gói phát triển (EPC) và sau đó xa hơn với Mạng bên ngoài, như Internet. NodeB đã phát triển (eNodeB) tách lưu lượng dữ liệu người dùng (mặt phẳng người dùng) khỏi lưu lượng dữ liệu quản lý của mạng (mặt phẳng điều khiển) và cung cấp cả hai nguồn cấp dữ liệu riêng biệt vào EPC.

Sơ đồ kiến trúc 5G

5G được thiết kế từ đầu và các chức năng mạng được phân chia theo dịch vụ. Đó là lý do tại sao kiến trúc này còn được gọi là Kiến trúc dựa trên dịch vụ cốt lõi 5G (SBA). Sơ đồ cấu trúc liên kết mạng 5G sau đây cho thấy các thành phần chính của mạng lõi 5G:

Dưới đây là cách hoạt động:

+ Thiết bị Người dùng (UE) như điện thoại thông minh 5G hoặc thiết bị di động 5G kết nối qua Mạng truy cập vô tuyến mới 5G với lõi 5G và xa hơn nữa với Mạng dữ liệu (DN), như Internet.

+ Chức năng Quản lý Truy cập và Di động (AMF) hoạt động như một điểm vào duy nhất cho kết nối UE.

+ Dựa trên dịch vụ do UE yêu cầu, AMF chọn Chức năng quản lý phiên tương ứng (SMF) để quản lý phiên người dùng.

+ Chức năng Mặt phẳng Người dùng (UPF) vận chuyển lưu lượng dữ liệu IP (mặt phẳng người dùng) giữa Thiết bị Người dùng (UE) và các mạng bên ngoài.

+ Chức năng Máy chủ Xác thực (AUSF) cho phép AMF xác thực UE và truy cập các dịch vụ của lõi 5G.

+ Các chức năng khác như Chức năng quản lý phiên (SMF), Chức năng kiểm soát chính sách (PCF), Chức năng ứng dụng (AF) và chức năng Quản lý dữ liệu thống nhất (UDM) cung cấp khung kiểm soát chính sách, áp dụng các quyết định chính sách và truy cập thông tin đăng ký, để quản lý hành vi mạng.

Như bạn có thể thấy, kiến trúc mạng 5G phức tạp hơn ở hậu trường, nhưng sự phức tạp này là cần thiết để cung cấp dịch vụ tốt hơn có thể được điều chỉnh cho phù hợp với nhiều trường hợp sử dụng 5G.

Sự khác biệt giữa kiến trúc mạng 4G và 5G

Trong phần này, chúng ta sẽ thảo luận về kiến trúc 4G và 5G khác nhau như thế nào. Trong kiến trúc mạng 4G LTE, LTE RAN và eNodeB thường gần nhau, thường ở gốc hoặc gần tháp di động chạy trên phần cứng chuyên dụng. Mặt khác, EPC nguyên khối thường tập trung và xa eNodeB hơn. Kiến trúc này làm cho việc giao tiếp từ đầu đến cuối tốc độ cao, độ trễ thấp trở nên khó khăn đến không thể.

Khi các cơ quan tiêu chuẩn như 3GPP và các nhà cung cấp cơ sở hạ tầng như Nokia và Ericsson đã cấu trúc lõi 5G New Radio (5G-NR), họ đã tách rời EPC nguyên khối và triển khai từng chức năng để nó có thể chạy độc lập với nhau trên các điểm chung, riêng lẻ phần cứng máy chủ kệ. Điều này cho phép lõi 5G trở thành các nút 5G phi tập trung và rất linh hoạt. Ví dụ, các chức năng cốt lõi của 5G giờ đây có thể được đặt cùng vị trí với các ứng dụng trong một trung tâm dữ liệu cạnh, giúp đường truyền thông tin ngắn và do đó cải thiện độ trễ và tốc độ đầu cuối.

Một lợi ích khác của các thành phần lõi 5G nhỏ hơn, chuyên biệt hơn này chạy trên phần cứng thông thường là các mạng hiện có thể được tùy chỉnh thông qua việc phân chia mạng. Cắt mạng cho phép bạn có nhiều “lát” chức năng hợp lý được tối ưu hóa cho các trường hợp sử dụng cụ thể, tất cả đều hoạt động trên một lõi vật lý duy nhất trong cơ sở hạ tầng mạng 5G.

Nhà khai thác mạng 5G có thể cung cấp một phần được tối ưu hóa cho các ứng dụng băng thông cao, một phần khác được tối ưu hóa hơn cho độ trễ thấp và phần thứ ba được tối ưu hóa cho một số lượng lớn các thiết bị IoT. Tùy thuộc vào sự tối ưu hóa này, một số chức năng cốt lõi của 5G có thể không khả dụng. Ví dụ: nếu bạn chỉ bảo dưỡng các thiết bị IoT, bạn sẽ không cần chức năng thoại cần thiết cho điện thoại di động. Và bởi vì không phải mọi lát cắt đều phải có các khả năng chính xác như nhau, sức mạnh tính toán có sẵn được sử dụng hiệu quả hơn.

Sự phát triển của 5G

Mỗi thế hệ hoặc “G” của giao tiếp không dây mất khoảng một thập kỷ để trưởng thành. Việc chuyển đổi từ thế hệ này sang thế hệ tiếp theo chủ yếu do các nhà khai thác cần tái sử dụng hoặc tái sử dụng số lượng phổ tần hạn chế có sẵn. Mỗi thế hệ mới có hiệu suất quang phổ cao hơn, giúp truyền dữ liệu nhanh hơn và hiệu quả hơn qua mạng.

Thế hệ đầu tiên của giao tiếp không dây, hay 1G, bắt đầu từ những năm 1980 với công nghệ tương tự. Sau đó nhanh chóng là 2G, thế hệ mạng đầu tiên sử dụng công nghệ kỹ thuật số. Sự tăng trưởng của 1G và 2G ban đầu được thúc đẩy bởi thị trường điện thoại di động. 2G cũng cung cấp giao tiếp dữ liệu, nhưng ở tốc độ rất thấp.

Thế hệ tiếp theo, 3G, bắt đầu phát triển mạnh vào đầu những năm 2000. Sự phát triển của 3G một lần nữa được thúc đẩy bởi thiết bị cầm tay, nhưng là công nghệ đầu tiên cung cấp tốc độ dữ liệu trong phạm vi 1 Megabit/giây (Mbps), phù hợp với nhiều ứng dụng mới cả trên điện thoại thông minh và Internet of Things (IoT) mới nổi. hệ sinh thái. Thế hệ công nghệ không dây hiện tại của chúng tôi là 4G LTE, bắt đầu phát triển vào năm 2010.

Điều quan trọng cần lưu ý là 4G LTE (Long Term Evolution) còn cả một cuộc đời dài phía trước; nó là một công nghệ rất thành công và trưởng thành và dự kiến sẽ được sử dụng rộng rãi trong ít nhất một thập kỷ nữa.

Kiến trúc 5G và Đám mây và Cạnh

Hãy nói về điện toán biên trong kiến trúc mạng 5G.

Một khái niệm nữa giúp phân biệt kiến trúc mạng 5G với người tiền nhiệm 4G là điện toán biên hoặc tính toán cạnh di động. Trong trường hợp này, bạn có thể đặt các trung tâm dữ liệu nhỏ ở rìa mạng, gần với vị trí của các tháp di động. Điều đó rất quan trọng đối với độ trễ rất thấp và đối với các ứng dụng băng thông cao đang mang cùng một nội dung.

Đối với một ví dụ về băng thông cao, hãy nghĩ đến các dịch vụ phát trực tuyến video. Nội dung bắt nguồn từ một máy chủ đặt ở đâu đó trên đám mây. Nếu mọi người được kết nối với một tháp di động và giả sử, 100 người đang phát trực tuyến một chương trình truyền hình phổ biến, thì sẽ hiệu quả hơn nếu nội dung đó càng gần với người tiêu dùng càng tốt, ngay bên cạnh, lý tưởng hơn là trên tháp di động.

Người dùng truyền trực tuyến nội dung này từ một phương tiện lưu trữ đã sẵn sàng thay vì phải phát trực tuyến và chuyển thông tin này và xử lý lại nó cho 100 người từ vị trí trung tâm trên đám mây. Thay vào đó, sử dụng cấu trúc 5G, bạn có thể đưa nội dung lên tháp chỉ một lần và sau đó phân phối nội dung đó cho 100 người đăng ký của bạn.

Nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng trong các ứng dụng yêu cầu giao tiếp hai chiều, nơi cần độ trễ thấp. Nếu người dùng có một ứng dụng đang chạy ở rìa, thì thời gian quay vòng nhanh hơn nhiều vì dữ liệu không phải truyền qua mạng.

Trong cấu trúc mạng 5G, các mạng biên này cũng có thể được sử dụng cho các dịch vụ được cung cấp ở biên. Vì có thể ảo hóa các chức năng cốt lõi 5G này, bạn có thể để chúng chạy trên phần cứng máy chủ hoặc trung tâm dữ liệu tiêu chuẩn và có cáp quang chạy tới đài phát tín hiệu. Vì vậy, radio là chuyên biệt, nhưng mọi thứ khác đều khá chuẩn.

Ngày nay, 4G LTE vẫn đang phát triển. Nó cung cấp tốc độ tuyệt vời và đủ băng thông để hỗ trợ hầu hết các ứng dụng IoT hiện nay. Mạng 4G LTE và 5G sẽ cùng tồn tại trong thập kỷ tới, khi các ứng dụng bắt đầu di chuyển và sau đó mạng 5G và các ứng dụng cuối cùng sẽ thay thế 4G LTE.

Thiết bị sử dụng 5G

5G sẽ phát triển theo thời gian và các thiết bị 5G sẽ làm theo. Các sản phẩm ban đầu sẽ "sẵn sàng 5G", có nghĩa là các sản phẩm này có sức mạnh xử lý và Cổng Gigabit Ethernet cần thiết để hỗ trợ modem 5G băng thông cao hơn và bộ mở rộng 5G hiện đang có mặt trên thị trường.

Các sản phẩm 5G sau này sẽ được tích hợp trực tiếp modem 5G và có bộ xử lý đa lõi nhanh hơn, giao diện Ethernet 2.5 hoặc thậm chí 10 Gigabit và radio Wi-Fi 6 / 6E. Những thay đổi về sản phẩm này sẽ làm tăng giá thành của các sản phẩm 5G nhưng bắt buộc phải xử lý tốc độ bổ sung và độ trễ thấp hơn mà mạng 5G sẽ cung cấp.