The 3G partnership projects (3GPP)

The 3G partnership projects (3GPP) have proposed the integration of packet-
based services within the 2.5G and 3G telecommunication systems. It is in charge
of the standardization of the general packet radio service (GPRS), universal mo-
bile telecommunication system (UMTS), high speed packet access (HSPA) and
the long-term evolution (LTE) system. GPRS is developed to provide a packet-
switched extension to the global system for mobile communications (GSM) in
order to provide the access to IP-based services.
The packet-switched domain
uses packet-mode techniques to transfer high-speed/low-speed data and sig-
nalling. UMTS delivers low-cost, high-capacity mobile communications offering
data rates as high as 10 Mbps with global roaming. Although GPRS and UMTS
are two different systems, we give here a high-level common description of their
functionalities as 3GPP systems.
2.4.1
Air Interface Capabilities
GPRS-Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE)
GPRS and Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) are the evolution of
GSM that adds a packet-switched domain to the network architecture. It marks the
beginning of wireless voice services supported in this domain. The fundamental
enhancement of EDGE resides in the increase of the data rate to 384 kbps by
using a particular modulation format combined with coding and benefiting from
adaptive techniques.
The transmission time interval (TTI) is the inter-arrival time of transport block
sets. Radio blocks are transmitted over four consecutive bursts on one timeslot
using a 20 ms TTI, which results into a 150 ms round trip time to the BS.
EDGE has been designed to coexist with legacy frequency planning.
UMTS and High Speed Packet Access (HSPA)
The UMTS uses wide-band code division multiple access (WCDMA) [4]. The 3G
WCDMA system provides the following data rates:
•
144
kbps for vehicular communications
•
384
kbps for pedestrian communications
•
2
Mbps for indoor office use
High Speed Packet Access (HSPA) is the major addition in UMTS Release 5
in 3GPP. It is designed to enhance the downlink and uplink transmission capac-
ity. High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) aims at increasing user peak
data rates to obtain higher throughput and at reducing delays, and improving the
spectral efficiency of asymmetrical downlink and bursty packet data services. In
HSPA, the theoretical peak data rate for downlink is 14 Mbps while for uplink it
is 5.8 Mbps.
The transmission time interval (TTI) is always set as multiple of a radio frame
duration (i.e. 10 ms). For UMTS/WCDMA air interface, the value of TTI can
either be 10, 20, 40 or 80 ms. For HSPA, the TTI is set to 2 ms which reduces the
round-trip time.
24



Chapter 2. IP-Based Wireless Heterogeneous Networks
HSPA provides up to five times more system capacity in the downlink and up
to twice as much system capacity in the uplink.
Long-Term Evolution: LTE
The 3GPP is currently defining the “long term evolution” (LTE, Release 8) that
will ensure its feasibility and competitiveness over coming 10 years or beyond
[5, 6]. The overall target of LTE is to reduce operator and end-user cost and to
improve service provisioning. The targets include:
•
Increased spectrum flexibility of using between 1.25 to 20 MHz of spectrum
•
Co-existence with legacy standards
•
Instantaneous downlink and uplink peak data rates of up to 100 and 50 Mbps
for every 20 MHz of spectrum
•
5
ms of user-plane latency in unloaded conditions (single user with single
data stream) for small IP packets
•
Capacity of at least 200 users per 5 MHz cell
TheairinterfaceofLTEisbeingreferredtoastheevolvedUMTSterrestrialradio
access, or E-UTRA. The E-UTRA system is currently assumed to use OFDMA
(orthogonal frequency division multiple access) in the downlink and single carrier
FDMA is the uplink. Use of MIMO with up to four antennas is also possible.
2.4.2
3GPP Architecture
The Figure 2.2 shows the 3GPP architecture and its various elements. The 3GPP
architecture illustrated in Figure 2.2 consists of the user equipment (UE), the radio
access network (RAN) and the core network (CN) that is responsible for switch-
ing/routing calls and data connections to external networks.
The user equipment consists of two parts:
•
Mobile equipment (ME) is the radio terminal used in communication
through the Uu interface.
•
UMTS subscriber identity module (USIM) is a smartcard that contains the
subscriber identity necessary for authentication.
The new subsystem controlling the wideband radio access has different names,
depending on the type of radio technology used. In the case of UMTS with wide-
band code division multiple access (WCDMA), the name UMTS terrestrial radio
25



Chapter 2. IP-Based Wireless Heterogeneous Networks
USIM
Node B
Node B
Node B
RNC
UIRAN
RNS
MSC/
VLR
GMSC
P
S
I
N
...
I
N
T
E
R
N
E
T
HLR
GGSN
CN
Ext. Network
SGSN
RNC
Cu
Uu
UE
ME
In r
SS7
Iub
Iu
Node B
Figure 2.2: GPRS/UMTS architecture
access network (UTRAN) is used. The UTRAN is divided into radio network
subsystems (RNS). Each RNS consists of:
•
Node B, referred to as base station, converts the data flow between the Iub
and Uu interfaces and participates in the radio resource management.
•
Radio network controller (RNC) controls the radio resources among several
Node Bs.
The CN covers circuit-switched (CS) and packet-switched (PS) domain.
For the CS domain the main elements are described below:
•
MSC/VLR consists of the mobile switching center (MSC) and the database/
visiting location register (VLR) that serves the UE in its current location for
CS services.
•
GMSC (gateway MSC) is the switch at the point where UMTS is connected
to external CS networks.
For the PS domain that provides connections for packet data services, the main
elements are made up with:
•
Serving GPRS support node (SGSN) functionality is similar to that of
MSC/VLR used for PS services. It is also the entity responsible for fulfill-
ing the QoS profile request of the mobile station.
26



Chapter 2. IP-Based Wireless Heterogeneous Networks
•
Gateway GPRS support node (GGSN) functionality is close to that of
GMSC for PS services.
Home location register (HLR) is the common database for both domains, located
in the user’s home system that stores the master copy of the user’s service profile,
which contains information required for the establishment of the communication.
The authentication center (AuC) is also a database generating the authentication
vectors that contain the security parameters used by the VLR and SGSN for secu-
rity purposes and roaming.
2.4.3
Quality of Service
There are four QoS classes defined in 3GPP:
•
Conversational:
this class involves person-to-person communications in
real time such as speech, video conferencing and interactive games. So it
requires low delay, low jitter for speech, and additional synchronization of
different media streams for video-conferencing and interactive games.
•
Streaming: this class consists of real-time applications that do not require
human interaction such as live MP3 listening and video on demand. It re-
quires low jitter and media synchronization, but not low delay.
•
Interactive: this class involves humans and machines that request data from
another device. It requires acceptable delay and data integrity.
•
Background: this class covers all applications that do not demand an imme-
diate reception such as emails. It only requires data integrity.
The basis of QoS control protocols in 3GPP is the selection of bearers/tunnels
with the appropriate characteristics. Each tunnel is characterized by a collection of
quality factors such as traffic class, maximum bit rate, guaranteed bit rate, delivery
order, etc.
2.4.4
User and Control Planes
The protocol layer is split into two planes:
•
User plane, which is used to transfer user data.
•
Control plane, which is used to ensure the correct system functionality by
transferring necessary control information between elements in the system.
27



Chapter 2. IP-Based Wireless Heterogeneous Networks
UE
Node B
RNC
SGSN
GGSN
Server
HIIP
ICP
IP
IP
IP
IP
IP
IP
FP
MAC
MDC
RLC
FP
L3
L3
GIP
UDP
UDP
GIP
GIPU
GIPU
PDCP
UDP
UDP
AAL3
AAL3
AAL3
AAL3
AIM
AIM
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
AIM
AIM
PHY
Iub
Iu
Gn
Gi
IP
L3
L3
HIIP
ICP
IP
PDCP
RLC
MAC
Uu
WCDMA
L1
WCDMA
L1
Figure 2.3: GPRS/UMTS user plane for PS domain
User Plane:
The various protocols and interfaces, used in the part of the
UMTS network that deals with PS traffic, are shown in Figure 2.3. Figure 2.3
also shows how the parts of the network entities from Figure 2.2 relate to the
different protocols and interfaces. From the terminal to the RNC, IP packets are
carried out in packet data convergence protocol (PDCP) packets. PDCP provides
acknowledged, unacknowledged, or transparent transfer services (i.e. there is no
error correction applied). PDCP also performs compression/decompression such
as compressing UDP/IP headers.
IP packets are tunnelled from the RNC to the SGSN using a tunnelling proto-
col called GPRS tunnelling protocol (GTP). Another GTP tunnel then runs from
the SGSN to the GGSN allowing a hierarchical mobility and lawful intercep-
tion at the SGSN. The packets are wrapped with an outer header GTP/UDP/IP
of 48 bytes.
Control Plane:
The control plane consists of protocols for control and support
of the user plane functions. It controls the access connection (e.g. GPRS attach
and detach) to the core network and the establishment of the connection (e.g. ac-
tivation of packet data protocol (PDP) context). The control plane includes the
application protocol that is used for setting up bearers.
The signalling between the MS and the SGSN is made up of GPRS mobility
management (GMM) protocols to support GPRS attach/detach and session man-
agement to support functionalities such as PDP context activation.
28



Chapter 2. IP-Based Wireless Heterogeneous Netwo

Kết quả (Việt) 1:

Dự án hợp tác 3G (3GPP) đã đề xuất sự tích hợp của gói-
dựa trên dịch vụ trong các hệ thống viễn thông 2.5G và 3G. Đó là phụ trách
của các tiêu chuẩn của tổng đài phát thanh dịch vụ trọn gói (GPRS), universal mo-
mật hệ thống liên lạc (UMTS), truy cập gói tốc độ cao (HSPA) và
hệ tiến hóa (LTE) dài hạn. GPRS được phát triển để cung cấp một gói-
chuyển Tiện ích mở rộng hệ thống toàn cầu cho mobile communications (GSM) ở
để cung cấp truy cập để IP dựa trên dịch vụ.
gói chuyển sang miền
sử dụng gói-chế độ kỹ thuật để chuyển dữ liệu cao-speed/tốc độ thấp và sig-
nalling. UMTS cung cấp cung cấp chi phí thấp, cao năng lực liên lạc điện thoại di động
dữ liệu tỷ giá cao như 10 Mbps với toàn cầu chuyển vùng. Mặc dù GPRS và UMTS
hai hệ thống khác nhau, chúng tôi ở đây cho một mô tả phổ biến cao cấp của của
chức năng như hệ thống 3GPP.
2.4.1
máy giao diện khả năng
tốc độ dữ liệu GPRS-nâng cao cho GSM Evolution (EDGE)
GPRS và tăng cường dữ liệu giá cho GSM Evolution (EDGE) là sự tiến triển của
GSM cho biết thêm một gói chuyển tên miền để kiến trúc mạng. Nó đánh dấu các
bắt đầu của dịch vụ thoại không dây được hỗ trợ trong lĩnh vực này. Cơ bản
nâng cao của EDGE nằm trong sự gia tăng của tốc độ dữ liệu để 384 kbps bởi
bằng cách sử dụng một định dạng cụ thể điều chế kết hợp với mã hóa và benefiting từ
thích ứng kỹ thuật.
khoảng thời gian truyền (TTI) là thời điểm xuất hiện liên vận chuyển khối
bộ. Đài phát thanh khối được truyền qua bốn bursts liên tiếp trên một thấp
bằng cách sử dụng một 20 ms TTI, mà kết quả vào một 150 ms chuyến đi vòng thời gian cho BS.
EDGE đã được thiết kế để cùng tồn tại với tần số di sản kế hoạch.
UMTS và cao tốc độ gói truy cập (HSPA)
The UMTS sử dụng bộ phận trên toàn-ban nhạc mã đa truy cập (WCDMA) [4]. 3G
WCDMA hệ thống cung cấp các tốc độ dữ liệu sau:
•
144
kbps cho truyền thông xe cộ
•
384
kbps cho người đi bộ truyền thông
•
2
Mbps để sử dụng hồ office
cao tốc độ gói truy cập (HSPA) là sự bổ sung lớn trong UMTS phát hành 5
trong 3GPP. Nó được thiết kế để tăng cường các downlink và uplink truyền capac-
Anh. Cao tốc độ tải gói truy cập (HSDPA) nhằm mục tiêu dùng ngày càng tăng cao điểm
tốc độ dữ liệu để có được thông lượng cao hơn và việc giảm sự chậm trễ, và cải thiện các
efficiency quang phổ của tải bất đối xứng và bursty gói dữ liệu dịch vụ. Ở
HSPA, các lý thuyết peak nhịp dữ liệu cho tải là 14 Mbps trong khi cho tải lên nó
là 5,8 Mbps.
khoảng thời gian truyền (TTI) luôn luôn được thiết lập như nhiều của một đài phát thanh khung
thời gian (tức là 10 ms). Đối với các giao diện máy UMTS/WCDMA, giá trị của TTI có thể
hoặc là 10, 20, 40 hoặc 80 bà cho HSPA, TTI được thiết lập để 2 ms làm giảm các
chuyến đi vòng thời gian.
24



chương 2. Dựa trên IP không dây không đồng nhất mạng
HSPA cung cấp lên đến five thời gian thêm dung lượng hệ thống trong downlink và lên
nhiều gấp đôi năng lực hệ thống trong uplink.
tin dự báo thủy văn hạn dài tiến hóa: LTE
3GPP hiện nay là defining "tiến hóa dài hạn" (LTE, phát hành 8) mà
sẽ đảm bảo tính khả thi và khả năng cạnh tranh của nó lên đến 10 năm hoặc hơn thế nữa
[5, 6]. Mục tiêu tổng thể của LTE là để giảm chi phí điều hành và người dùng cuối và đến
cải thiện dịch vụ cung cấp. Các mục tiêu bao gồm:
•
tăng phổ flexibility của việc sử dụng giữa 1,25 đến 20 MHz của quang phổ
•
Co-sự tồn tại với di sản tiêu chuẩn
•
Ngay lập tức downlink và uplink đỉnh cao tốc độ dữ liệu của lên đến 100 và 50 Mbps
cho mỗi 20 MHz của quang phổ
•
5
ms của người dùng-máy bay trễ trong điều kiện bỏ nạp (người sử dụng duy nhất với đĩa đơn
dòng dữ liệu) cho gói tin IP nhỏ
•
năng lực của các người dùng ít nhất 200 mỗi tế bào 5 MHz
TheairinterfaceofLTEisbeingreferredtoastheevolvedUMTSterrestrialradio
truy cập, hoặc E-tiên. Hệ thống E-tiên giả định hiện đang sử dụng OFDMA
(tần số trực giao bộ phận nhiều truy cập) trong tải và tàu sân bay duy nhất
FDMA là tải lên. Sử dụng MIMO với tối đa bốn ăng ten cũng là tốt.
2.4.2
3GPP kiến trúc
The hình 2.2 cho thấy kiến trúc 3GPP và các yếu tố khác nhau. 3GPP
minh họa trong hình 2.2 kiến trúc bao gồm các thiết bị người dùng (UE), các đài phát thanh
truy cập vào mạng (RAN) và mạng lõi (CN) mà là chịu trách nhiệm về chuyển đổi-
ing/định tuyến cuộc gọi và dữ liệu kết nối đến bên ngoài mạng.
người dùng thiết bị bao gồm hai phần:
•
thiết bị di động (tôi) là đài phát thanh nhà ga được sử dụng trong giao tiếp
thông qua giao diện Uu.
•
mô-đun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là một thẻ khôn có chứa các
thuê bao nhận dạng cần thiết cho xác thực.
các hệ thống phụ mới kiểm soát truy cập wideband đài phát thanh có tên gọi khác nhau,
tùy thuộc vào loại công nghệ vô tuyến được sử dụng. Trong trường hợp của UMTS với phạm vi-
ban nhạc phân chia mã truy cập nhiều (WCDMA), tên UMTS đài phát thanh trên đất liền
25



chương 2. Dựa trên IP không dây không đồng nhất mạng
USIM
Node B
Node B
Node B
RNC
UIRAN
RNS
MSC /
VLR
GMSC
P
S
tôi
N
...
tôi
N
T
E
R
N
E
T
HLR
GGSN
CN
Ext. mạng
SGSN
RNC
Cu
Uu
UE
tôi
trong r
SS7
Iub
Iu
Node B
hình 2.2: kiến trúc GPRS/UMTS
truy cập mạng (UTRAN) được sử dụng. UTRAN được chia thành mạng vô tuyến
Hệ thống con (RNS). Mỗi RNS bao gồm:
•
Node B, được gọi là trạm cơ sở, chuyển đổi dữ liệu giữa Iub flow
và Uu giao diện và tham gia trong quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến.
•
Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) kiểm soát các nguồn tài nguyên vô tuyến trong số nhiều
nút Bs.
The CN bao gồm chuyển mạch (CS) và chuyển sang gói (PS) tên miền.
cho CS miền các yếu tố chính được mô tả dưới đây:
•
MSC/VLR bao gồm Trung tâm tự động bật điện thoại di động (MSC) và cơ sở dữ liệu /
ghé thăm địa điểm đăng ký (VLR) phục vụ UE ở vị trí hiện tại của nó cho
dịch vụ CS.
•
GMSC (cổng MSC) là chuyển đổi tại điểm nơi kết nối UMTS
để bên ngoài các CS mạng.
tên miền cho the PS cung cấp kết nối cho gói dịch vụ dữ liệu, chính
yếu tố được tạo ra với:
•
phục vụ GPRS hỗ trợ nút (SGSN) chức năng là tương tự như của
MSC/VLR sử dụng cho các dịch vụ PS. Nó cũng là các tổ chức chịu trách nhiệm về fulfill-
ing QoS profile yêu cầu của các trạm điện thoại di động.
26



chương 2. Dựa trên IP không dây không đồng nhất mạng
•
Gateway GPRS hỗ trợ chức năng nút (GGSN) là gần với
GMSC cho dịch vụ PS.
Trang chủ địa điểm đăng ký (HLR) là cơ sở dữ liệu phổ biến cho cả hai tên miền, có vị trí cách
trong hệ thống nhà của người dùng mà các cửa hàng các bản sao tổng thể của người sử dụng dịch vụ profile,
mà có chứa thông tin cần thiết cho việc thành lập của truyền thông.
Trung tâm xác thực (AuC) cũng là một cơ sở dữ liệu tạo ra việc xác thực
vectơ có chứa các tham số an ninh được sử dụng bởi VLR và SGSN secu-
rity mục đích và chuyển vùng.
2.4.3
chất lượng dịch vụ
có bốn QoS lớp defined trong 3GPP:
•
Conversational:
lớp này liên quan đến các thông tin cá nhân ở
thời gian thực như bài phát biểu, hội nghị truyền hình video và trò chơi tương tác. Vì vậy nó
đòi hỏi sự chậm trễ thấp, thấp jitter cho bài phát biểu, và đồng bộ hoá bổ sung của
dòng phương tiện truyền thông khác nhau cho hội nghị truyền hình video và tương tác trò chơi.
•
Streaming: lớp này bao gồm các ứng dụng thời gian thực không yêu cầu
con người tương tác như sống cho nghe nhạc MP3 và video theo yêu cầu. Nó tái-
quires thấp jitter và phương tiện truyền thông đồng bộ hóa, nhưng không thấp sự chậm trễ.
•
tương tác: lớp này liên quan đến con người và máy móc yêu cầu dữ liệu từ
moät thieát bò khaùc. Nó đòi hỏi phải chấp nhận được chậm trễ và dữ liệu toàn vẹn.
•
nền: lớp này bao gồm tất cả các ứng dụng không đòi hỏi một imme-
diate tiếp nhận như email. Nó chỉ đòi hỏi dữ liệu toàn vẹn.
cơ sở giao thức kiểm soát QoS trong 3GPP là lựa chọn của tượng/đường hầm
với các đặc tính thích hợp. Mỗi đường hầm được đặc trưng bởi một tập hợp các
chất lượng các yếu tố như traffic lớp, tốc độ bit tối đa, tốc độ bit được đảm bảo, giao hàng
đặt hàng, vv
2.4.4
người sử dụng và kiểm soát máy bay
lớp giao thức được chia thành hai máy bay:
•
người sử dụng máy bay, được sử dụng để chuyển người dùng dữ liệu.
•
kiểm soát bay, được dùng để đảm bảo các chức năng hệ thống chính xác bởi
chuyển giao thông tin điều khiển cần thiết giữa các yếu tố trong hệ thống.
27



chương 2. Dựa trên IP không dây không đồng nhất mạng
UE
Node B
RNC
SGSN
GGSN
Server
HIIP
ICP
IP
IP
IP
IP
IP
IP
FP
MAC
MDC
RLC
FP
L3
L3
GIP
UDP
UDP
GIP
GIPU
GIPU
PDCP
UDP
UDP
AAL3
AAL3
AAL3
AAL3
AIM
Mục đích
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
AIM
AIM
PHY
Iub
Iu
Gn
Gi
IP
L3
L3
HIIP
ICP
IP
PDCP
RLC
MAC
Uu
WCDMA
L1
WCDMA
L1
con số 2,3: GPRS/UMTS người sử dụng máy bay cho PS miền
người sử dụng máy bay:
các giao thức khác nhau và giao diện, được sử dụng trong một phần của các
mạng UMTS thoả thuận với PS traffic, được thể hiện trong hình 2.3. Con số 2,3
cũng cho thấy làm thế nào các bộ phận của các thực thể mạng từ con số 2.2 liên quan đến các
giao thức khác nhau và giao diện. Từ nhà ga để RNC, gói tin IP
mang ra trong gói giao thức (PDCP) gói dữ liệu hội tụ. PDCP cung cấp
ghi nhận, unacknowledged, hoặc trong suốt chuyển dịch vụ (tức là có là không có
sửa lỗi áp dụng). PDCP cũng thực hiện nén/giải nén
như nén tiêu đề UDP/IP.
Gói tin IP tunnelled từ RNC đến SGSN bằng cách sử dụng một hầm proto-
col gọi là GPRS đào hầm giao thức (GTP). Đường hầm GTP khác sau đó chạy từ
SGSN đến GGSN cho phép phân cấp tính di động và hợp pháp intercep-
tion tại SGSN. Các gói dữ liệu được gói với một tiêu đề bên ngoài GTP/UDP/IP
của 48 byte.
kiểm soát máy bay:
máy bay điều khiển bao gồm các giao thức kiểm soát và hỗ trợ
Các chức năng máy bay người dùng. Nó kiểm soát kết nối truy cập (ví dụ như GPRS đính kèm
và tách) để mạng lõi và thiết lập kết nối (ví dụ như ac-
tivation của gói dữ liệu giao thức (PDP) bối cảnh). Máy bay điều khiển bao gồm các
giao thức ứng dụng được sử dụng để thiết lập tượng.
báo hiệu giữa các MS và SGSN được tạo thành từ di động GPRS
quản lý (GMM) giao thức để hỗ trợ GPRS đính kèm/tách và phiên người đàn ông-
agement để hỗ trợ các chức năng như PDP context kích hoạt.
28



chương 2. Dựa trên IP không dây không đồng nhất Netwo