Thong Tin Di Dong

Häc viÖn CNBCVT

TS. NguyÔn Ph¹m Anh Dòng

THÔNG TIN VỆ TINH

LỜI NÓI ĐẦU Từ khi ra đời cho đến nay thông tin di động đã trở thành một ngành công

nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất. Để đáp ứng các nhu cầu về chất lượng và dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động không ngừng được cải tiến. Đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ thứ nhất là thế hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Tiếp theo là thế hệ hai và hiện nay thế hệ ba đang dược chuẩn bị đưa vào hoạt động. Thế hệ bốn đang được tích cực nghiên cứu. Thông tin di động thế hệ hai sử dụng kĩ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và mã (CDMA). Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13kbit/s. Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động. Ở các thế hệ tiếp theo thế hệ hai các thông số này ngày càng được cải thiện. Thông tin di động thế hệ ba có tốc độ bit lên tới 2Mbit/s. Thế hệ bốn có tốc độ lên tới 50Mbit/s và cao hơn nữa.

Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai được xây dựng trên các tiêu chuẩn : GSM, IS-95, PDC, IS-136 phát triển rất nhanh ở những năm 1990. Các yêu cầu về địch vụ mới của các hệ thống thông tin di động, nhất là các dịch vụ truyền số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đưa ra được các hệ thống thông tin di động mới. Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba với tên gọi IMT-2000 để đạt được các mục tiêu chính sau đây:

√ Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập internet nhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ này.

√ Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ của các hệ thống thông tin di động.

√ Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động . Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã được

đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đã được đưa vào hoạt động. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin động thế hệ ba.

WCDMA UMTS sẽ là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông di động thế hệ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136. cdma-2000 sẽ là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ CDMA như: IS-95.

Thông tin di động thế hệ bốn sẽ là sự hội tụ của các hệ thông truy nhập vô tuyến băng rộng không dây như WLAN, WiMAX vào các hệ thống thông di động. Các mạng

i

ii

thông tin di động thế hệ bốn sẽ là các mạng toàn IP. Mạng truy nhập vô tuyến cho thế hệ bốn cũng sễ hoàn toàn mới để đáp ứng được nhu cầu truy nhập băng rộng. OFDMA là công nghệ đa truy nhập vô tuyến đầy triển vọng cho thế hệ bốn.

Môn học "Thông tin di động" là môn học chính được giảng cho sinh viên viễn thông năm cuối của Đại học Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Giáo trình " Thông tin di động" sẽ cung cấp các kiến thức của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai và ba đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới như: GSM/GPRS, W-CDMA và cdma2000. Giáo trình này được giảng sau khi sinh viên đã học các giáo trình như: "Truyền dẫn vô tuyến số" và "Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến". Giáo trình bao gồm chín chương. Chương đầu trình bày khái quát chung về sự phát triển của các hệ thống thông tin di động, kiến trúc của các hệ thống thông tin di động và ứng dụng IP cho các hệ thống thông tin di động.. Chương 2 nghiên cứu về các công nghệ tạo nội dung và truyền các nội dung này cho các dịch vụ thông tin di động như: tiếng, hình ảnh, truyền đa phương tiện. Chương 3 trình bày hệ thống thông tin di động 2G GSM/GPRS. Chương 4 và 5 trình bày các vấn đề liên quan đến hệ thống thông tin di động 3G WCDMA UMTS/HSPA như: giao diện vô tuyến và miền chuyển mạch gói của mạng lõi. Chương sáu và bảy có nội dung tương tự như các chương ba và bốn nhưng dành cho cdma2000 1x/1xEVDO. Chương 8 đề cập đến các vấn đề quy hoạch và thiết kế mạng thông tin di động. Chương chín bàn về hướng phát triển các hệ thống thông tin di động đến thế hệ bốn.

Các chương của tài liệu này đều được kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài bài tập. Cuối tài liệu là đáp án cho các bài tập.

Hà Nội ngày 13 tháng 7 năm 2007 Tác giả

MỤC LỤC

Chương 1. Tổng quan thông tin di động 1 1.1. Giới thiệu chung 1 1.2. Quá trình phát triển thông tin di động 1 1.3. Kiến trúc GSM 3 1.4. Kiến trúc GPRS 5 1.5. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 6 1.6. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 13 1.7. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 15 1.8. Kiến trúc 3G cdma2000 17 1.9. Đánh địa chỉ IP 27 1.10. Truyền tunnel IP trong IP 38 1.11. IP di động (MIP) 39 1.12. Cấu hình địa lý của hệ thống thông tin di động 46 1.13. Tổng kết 49 1.14. Câu hỏi 50 Chương 2. Các sơ đồ xử lý tín hiệu đa phương tiện và dịch vụ 51 trong các hệ thống thông tin di động 2.1. Giới thiệu chung 51 2.2. Mở đầu 51 2.3. Xử lý ảnh 52 2.4. Xử lý tiếng và âm thanh 58 2.5. Các CODEC tiếng 65 2.6. Các hệ thống xử lý tín hiệu đa phương tiện 72 2.7. Các phương pháp cung cấp dịch vụ đa phương tiện 76 2.8. Các phương pháp phân bố thông tin đa phương tiện 81 2.9. Các giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP) 84 2.10. Các phương pháp truyền bản tin đa phương tiện 85 2.11. Tổng kết 88 2.12. Câu hỏi 89 Chương 3. Hệ thống thông tin di động GSM/GPRS 90 3.1. Giới thiệu chung 90 3.2. Mở đầu 90 3.3. Các kênh vật lý cuả GSM 91 3.4. Các kênh logic của GSM 103 3.5. Giao diện vô tuyến của GPRS 110 3.6. Điều khiển tài nguyên vô tuyến 114 3.7. Truyền dẫn trong GSM 118 3.8. Truy nhập mạng số liệu từ GSM 125 3.9. Các sơ đồ truyền số liệu qua GSM 128 3.10. Các sơ đồ truyền số liệu qua GRRS 135 3.11. Một số trường hợp định tuyến lưu lượng 137 3.12. Mô hình an ninh GSM 141 3.13. Các kiến trúc giao thức của GSM và GPRS 142

iii

3.14. Tổng kết 148 3.15. Câu hỏi 149 Chương 4. Giao diện vô tuyến của WCDMA và HSDA 150 4.1. Giới thiệu chung 150 4.2. Mở đầu 150 4.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến WCDMA/FDD 151 4.4. Các kênh của WCDMA 153 4.5. Sơ đồ kênh vật lý WCDMA/FDD 161 4.6. Sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế 164 4.7. Sơ đồ xử lý tín hiệu số 171 4.8. Cấu trúc khung kênh DPCH 175 4.9. Điều khiển tài nguyên vô tuyến và các thủ tục lớp vật lý 178 4.10. Truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) 189 4.11. Phân tập phát 197 4.12. Tổng kết 198 4.13. Câu hỏi 200 Chương 5. Miền chuyển mạch gói của UMTS 201 5.1. Giới thiệu chung 201 5.2. Các kênh mang (Bearer) 201 5.3. Kết nối báo hiệu và lưu lượng 202 5.4. Các bước để UE truy nhập vào các dịch vụ chuyển mạch gói UMTS 203 5.5. Định tuyến các gói của người sử dụng và truyền tải trong UMTS 205 5.6. Các số nhận dạng kênh mang và chuyển đổi giữa các nhận dạng này 207 5.7. Lập cấu hình địa chỉ trong UE 208 5.8. Thủ tục đăng nhập GPRS (chế độ Iu) 209 5.9. Các thủ tục tích cực PDP context 210 5.10. Các trạng thái PDP context và chuyển đổi trạng thái 215 5.11. Các thủ tục ấn định kênh mang truy nhập vô tuyến 217 5.12. Kiến trúc ngăn xếp giao thức miền chuyển mạch gói 219 5.13. Truy nhập các mạng IP thông qua miền PS 229 5.14. Mô hình an ninh WCDMA UMTS 238 5.15. Tổng kết 239 5.17. Câu hỏi 240 Chương 6. Giao diện vô tuyến cdma2000 1x và 1xEVDO 241 6.1. Giới thiệu chung 241 6.2. Mở đầu 241 6.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến cdma2000 1x 242 6.4. Các kênh của cdma2000 1x 244 6.5. Sơ đồ kênh vật lý 256 6.6. Mã trải phổ định kênh và mã ngẫu nhiên nhận dạng nguồn phát 260 6.7. Mã hóa kênh 263 6.8. Điều khiển tài nguyên vô tuyến 264 6.9. Giao diện vô tuyến 1xEVDO 265 6.10. Phân tập phát 274 6.11. Tổng kết 275

iv

v

6.12. Câu hỏi 276 Chương 7. Miền chuyển mạch gói của cdma2000 1x 277 7.1. Giới thiệu chung 277 7.2. Mô hình chức năng 277 7.3. Thủ tục để MS truy nhập vào các dịch vụ chuyển mạch gói của 278 cdma2000 1x 7.4. Định tuyến gói số liệu và truyền tải 280 7.5. Kiến trúc giao thức cho các dịch vụ số liệu gói 282 7.6. Kiến trúc giao thức giữa MS và PDSN 288 7.7. Mô hình an ninh cdma2000 1x 290 7.8. Tổng kết 291 7.9. Câu hỏi 292 Chương 8. Quy hoạch mạng thông tin di động 293 8.1. Giới thiệu chung 293 8.2. Tổng quan quy hoạch và triển khai mạng thông tin di động 293 8.3. Phân tích vùng phủ vô tuyến 298 8.4. Phân tích dung lượng ô 307 8.5. Tổng kết 311 8.6. Câu hỏi và bài tập 312 Chương 9. Phát triển mạng thông tin di động đên 4G 315 9.1. Mở đầu 315 9.2. Hội tụ mạng WLAN với 3G 315 9.3. Thông tin gói IP trong các mạng thông tin di động 318 9.4. Thông tin di động 4G 319 Hướng dẫn giải bài tập 321 Phụ lục 330 Thuật ngữ 334 Tài liệu tham khảo 345

Chương 1. Tổng quan thông tin di động

Chương 1 TỔNG QUAN THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương

• Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động tử 1G đến 3G • Các kiến trúc cuả các hệ thống thông tin di động 2G và 3G • Các vấn đề nối mạng thông tin di động trên cơ sở IP: đánh địa chỉ, truyền

tunnel và MIP • Phân chia vùng địa lý trong các mạng thông tin di động

1.1.2. Hướng dẫn

• Học kỹ các tư liệu đựơc trình bầy trong chương • Tham khảo thêm [5],[6].

1.1.3. Mục đích chương

• Hiểu tổng quan các hệ thống thông tin di động của các thế hệ khác nhau từ 1G đến 3G

• Hiểu được các kiến trúc mạng 2G và 3G • Hiểu các vấn đề chính trong nối mạng thông tin di động trên cơ sở IP • Hiểu được cách phân chia vùng địa lý trong các mạng thông tin di động.

1.2. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG Các công nghệ TTDĐ được chia thành ba thế hệ: thứ nhất, thứ hai và thứ ba được viết tắt là 1G, 2G và 3G.

Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối mạng lõi dựa trên TDM. Thí dụ về 1G là AMPS (Advanced Mobile Phone System: hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng trên toàn nước Mỹ và NMT (Nordic Mobile Telephone System: hệ thống điện thoại di động Bắc Âu) hiện đang còn được sử dụng tại nhiều nước Tây Âu. Thông thường cac công nghệ 1G được triển khai tại một nước hoặc nhóm các nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế và không có ý định dành cho sử dụng quốc tế. Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế. Thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến. Tính năng cuối cùng chính là yêu cầu đối với

1


2G. Các thí dụ điển hình về các hệ thống 2G là: GSM (Global System for Mobile Communications: thông tin di động toàn cầu) và cdmaOne (dựa trên tiêu chuẩn TIA IS95). Có thể cọi một hệ thống TTDĐ là 3G nếu nó đáp ứng một số các yêu cầu được ITU đề ra: • Hoạt động trong một trong số các tần số được ấn định cho các dịch vụ 3G • Phải cung cấp dẫy các dịch vụ số liệu mới cho người sử dụng bao gồm cả đa phương tiện, độc lập với công nghệ giao diện vô tuyến • Phải hỗ trợ truyền dẫn số liệu di động tại 144 kbps cho các người sử dụng di động tốc độ cao và truyền dẫn số liệu lên đến 2Mbps (ít nhất là lý thuyết) cho các người sử dụng cố định hoặc di động tốc độ thấp • Phải cung cấp các dịch vụ số liệu gói (các dịch vụ không dựa trên kết nối CS đến mạng số liệu mà dựa trên dịch vụ mang dựa trên gói bẩm sinh) • Phải đảm bảo tính độc lập của mạng lõi với giao diện vô tuyến

Một số hệ thống 2G đang tiến hóa đến ít nhất một phần các yêu cầu trên. Điều này dẫn đến một hậu quả không mong muốn: làm sai lệch thuật ngữ "các thế hệ". Chẳng hạn GSM với hỗ trợ số liệu kênh đươc phân loại như hệ thống 2G thuần túy. Khi tăng cường thêm GPRS (General Packet Radio Service), nó trở nên phù hợp với nhiều tiêu chuẩn 3G. Dẫn đến nó không hẳn là 2G cũng như 3G mà là loại "giữa các thế hệ", vì thế hệ thống GSM được tăng cường GPRS hiện nay được gọi là hệ thống 2,5G, trong khi thực tế vẫn thuộc loại 2G, ít nhất là từ phương diện công nghệ truyền dẫn vô tuyến. Hình 1.1 tổng kết các vấn đề trình bầy ở trên bằng cách minh họa các hệ thống TTD Đ chính và quá trình phát triển của chúng theo ba thế hệ.

2


NMT

TACS

AMPS

GSM

TDMA(IS-136)

cdmaOne(IS95-A)

CDPD

PDC/PDC-P

GSM+GPRS

TDMAIS136+GPRS

EDGE/GPRS

CDMA (IS95-B)

WCDMA/HSPA

TD-SCDMA

WCDMA/TDD

WCDMA/FDD

ETSI UMTS/W-CDMA

EDGE tăng cường/GPRS

cdma20003x(5MHz)

cdma20001x(1,25MHz)

cdma20001xEV-DO

cdma20001xEV-DV

ARIB WCDMA (Nhật)

1985 1989 1995 2001 2003 2004+

1G 2G 2,5G

3G

Ký hiệu: AMPS: Advanced Mobile Phone Service , TACS: Total Access Communication System NMT: Nodic Mobile Telephone, PDC: Personal Digital Cellular: hệ thông tổ ong số các nhân. PDC-P: PDC-Packet, GSM: Global System for Mobile Telecommunications CDPD: Cellular Digital Packet Data, GPRS: General Radio Packet Service EDGE: Enhanced Data Rate for GSM Evolution, WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access HSPA: High Speed Paket Access, UMTS: Universal Mobile Telecommunications System cdma20001xEV-DO: cdma20001xEvolution-Data Only, cdma20001xEV-DV: cdma20001xEvolution-Data and Voice FDD: Frequency Division Duplex. TDD: Time Division Duplex H×nh 1.1. Lé tr×nh tiÕn hãa cña c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng 1.3. KIẾN TRÚC GSM GSM là mạng thông tin di động số đầu tiên được xây dựng trên phương pháp đa truy nhập TDMA. Một hệ thống GSM được tổ chức thành ba phần tử chính: MS, hệ thống con trạm gốc (BSS: base station subsystem) và hệ thống con chuyển mạch (SS: switching subsystem ) như trên hình 1.2.

3


SIM

ME

BTS

BTS

BSC

BTS

BTS

BSC

BSS

BSS

VLR HLR AuC EIR

MSC

Mạng báo hiệu số 7

SMS-GMSC

PTSNISDN

CSPDNPSPDN

SS

Trạm di động(MS)

Hệ thống con trạm gốc(BSS)

Hệ thống con chuyển mạch(SS)

Um Abis A

Hình 1.2. Kiến trúc mạng GSM

MS chứa đầu cuối di động với SIM card. SIM là một thiết bị an ninh chứa tất cả các thông tin cần thiết và các giải thuật để nhận thực thuê bao cho mạng. Để nhận thực thuê bao cho mạng, SIM chứa một máy vi tính gồm CPU và ba kiểu nhớ. ROM được lập trình chứa hệ điều hành, chương trình cho ứng dụng GSM và các giải thuật an ninh A3 và A8. RAM được sử dụng để thực hiện các giải thuật và nhớ đệm cho truyền dẫn số liệu. Các số liệu nhậy cảm như Ki (khóa bí mật), IMSI (international mobile station identity: số nhận dạng thuê bao di động), các số để quay, các bản tin ngắn, thông tin về mạng và về thuê bao như TMSI (temporary mobile station identity: số nhận dạng thuê bao tạm thời), LAI (location area identity: nhận dạng vùng định vị) được lưu trong bộ nhớ ROM xóa được bằng điện (EEPROM).

Hệ thống con trạm gốc (BSS) bao gồm một số trạm thu phát gốc (BTS: base transceiver station: trạm thu phát gốc) và một bộ điều khiển trạm gốc (BSC: base station controller). BTS điều khiển lưu lượng vô tuyến giữa MS và chính nó thông qua giao diện vô tuyến Um. Hệ thống con mạng chứa trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC: mobile switching center) thực hiện tất cả các ứng dụng cần thiết để định tuyến cuộc gọi đến hoặc từ các người sử dụng và các mạng điện thọai khác nhau như: ISDN, PSTN. HLR (home location register: bộ ghi định vị thường trú) mang tất cả các thông tin về thuê bao trong vùng của GMSC (gateway MSC: MSC cổng) tương ứng. VLR (visitor location register: bộ ghi định vị tạm trú) chứa các chi tiết tạm thời về MS làm khách tại MSC hiện thời. Nó cũng chứa TMSI. Trung tâm nhận thực (AuC: authentication center) được đặt tại HLR và là một trong những nơi phát đi các thông số an ninh quan trọng nhất vì nó đảm bảo tất cả các thông số cần thiết cho nhận thực và mật mã hóa giữa MS và BTS. TMSI cho phép từ chối một kẻ xấu tìm cách lấy trộm thông tin về các tài nguyên được người sử dụng sử dụng và không cho kẻ xấu theo dõi vị trí người sử dụng. Mục đích của EIR (equipment identity register: bộ ghi nhận dạng

4


thiết bị) là để ghi lại nhận dạng số máy của thiết bị di động để chống mất cắp máy. Nói một cách khác EIR chứa các số seri máy của tất cả các máy di động và đánh dấu dấu số máy bị mất hoặc bị ăn cắp mà hệ thống sẽ không cho phép. Các người sử dụng sẽ được nhận dạng là đen (không hợp lệ) trắng (hợp lệ ) hay xám (bị nghi ngờ).

1.4. KIẾN TRÚC GPRS GPRS sử dụng lại mạng truy nhập vô tuyến của GSM để truyền số liệu gói bằng cách ghép nhiều khe thời gian vào một kênh truyền. Kiến trúc của GPRS được cho trên hình 1.3.

EIR MSC/VLR

SMS-GMSCSMS-IWMSC

HLR/AuC

MT BSS SGSN GGSN Internet

SGSN

Um Gb

Gf Gs Gd Gr Gc

GiGn

Gp

Mạng lõi

TE

Hình 1.3. Kiến trúc GPRS MS gồm thiết bị đầu cuối (TE:Terminal Equipment) (máy tính PC cầm tay chẳng hạn) và đầu cuối di động (MT). MS có thể hoạt động trong ba chế độ phụ thuộc vào khả năng của mạng và máy di động. • Chế độ A, có thể xử lý đồng thời cả khai thác chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch

gói • Chế độ B, cho phép MS hoặc ở chế độ PS hoặc ở chế độ CS nhưng không đồng

thời ở cả hai chế độ. Khi MS phát các gói, nếu kết nối CS được yêu cầu thỡ truyến dẫn PS tự động được đặt vào chế độ treo

• Chế độ C, cho phép MS thực hiện mỗi lần một dịch vụ. Nếu MS chỉ hỗ trợ lưu lượng PS (GPRS) thì nó hoạt động ở chế độ C.

Trong BSS, BTS xử lý cả lưu lượng CS và PS. Nó chuyển số liệu PS đến SGSN và

CS đến MSC. Ngoài các tính năng GSM, HLR cũng được sử dụng để xác định xem thuê bao GPRS có địa chỉ IP tĩnh hay động và điểm truy nhập nào sử dụng để nối đến mạng ngoài. Đối với GPRS, các thông tin về thuê bao được trao đổi giữa HLR với SGSN.

5


SGSN xử lý lưu lượng các gói IP đến và từ MS đó đăng nhập vào vùng phục vụ của nó và nó cũng đảm bảo định tuyến gói nhận được và gửi đi từ nó.

GGSN đảm bảo kết nối với các mạng chuyển mạch gói bên ngoài như Internet hay các mạng riêng khác. Nút kết nối với mạng đường trục GPRS dựa trên IP. Nó cũng chuyển đi tất cả các gói IP và được sử dụng trong quá trình nhận thực và trong các thủ tục mật mã hóa..

AuC hoạt động giống như mạng GSM. Cụ thể là nó chứa thông tin để nhận dạng các người được phép sử dung mạng GPRS và vì thế ngăn chặn việc sự sử dụng trái phép mạng. 3GUMTS đựơc 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 thới gian thực như thoại và hình ảnh. Khi này miền CS sẽ đảm nhiệmcác dịc vụ thọai 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. Mạng truy nhập của UMTS có thể là TDMA hoặc CDMA. Trong chương này ta chỉ xét mạng truy nhập CDMA cho UMTS. Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3GUMTS nói trên. 1.5. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R3 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 Terrestrrial Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.4). UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối, thiết bị di động và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subsscriber Identity Module) . UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller) và các BTS 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).

6


TE

ME

USIM

R

Cu

UE Uu

Nút B

Nút B

Nút B

Nút B

RNC

RNC

UTRAN

Iub

Iu

MSC/VLR GMSC

SGSN GGSN

EIR HLR/AuCIur

E

F D C

HE

Gf Gr Gc

Gn Gi

CN

PSTNISDN

Internet

Miền CS

Miền PS

Hình 1.4. Kiến trúc UMTS 1.5.1. Thiết bị người sử dụng 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. 1.5.1.1. Các đầu cuối 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 cuả 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 cuả 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)

7


• Đăng ký mật khẩu mới • Thay đổi mã PIN • Giải chặn PIN/PIN2 • Trình bầy IMEI • Điều khiển cuộc gọi Các phần còn lại cuả 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. 1.5.1.2. 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. 1.5.1.3. 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. 1.5.2. 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.

8


1.5.2.1. 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 và 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 vãn 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. 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. 1.5.2.2. 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. . 1.5.3. 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 thọai 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. 1.5.3.1. SGSN

9


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

quóc tế) • Các nhận dạng tạm thời (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subsscriber 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 1.5.3.2. 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. 1.5.3.3. BG BG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN với các mạng khác. Chức năng cuả nút này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài. 1.5.3.4. VLR

10


VLR (Visitor Locatoin Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao cuả 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 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. 1.5.3.5. 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. 1.5.3.6. 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 cuả một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS. 1.5.3.7. Môi trường nhà Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao cuả 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. Trong phần này ta sẽ liệt kê các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm.

11


Thanh 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 Subsscribern Identity: số nhận dạng thuê bao di động), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuê bao cso trong danh bạ điện thọai) 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 trong 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 thực 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 cuả 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

12


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. 1.5.4. 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. 1.5.5. Các giao diện Vai trò các các nút khác nhau cuả mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diện khác nhau. Các giao diện này được định nghiã chặt chẽ để các nhà sản xuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ. 1.5.5.1. Uu Giao diện Uu là WCDMA, giao diện vô tuyến được định nghĩa cho UMTS. Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối. 1.5.5.2. Iu Giao diện Iu kết nối CN và UTRAN. Nó gồm ba phần, IuPS cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh và IuBC cho miền quảng bá. 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. 1.6. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4.

Hình 1.5 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

13


chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server.

HSS/HLR

Sniffer Servermoni toring/analysis

Sniffer Servermoni toring/ana lysis

SS7

PSTNSniffer Servermoni to ring/analysis Sniffer Server

moni toring/analysi s

Internet

Iub

PCM

RNC

GGSNSGSN

RNC

Iub

Iur

Gi(IP)

GMSC Server

IP

H248/IP

RTP/IPMGW

Nót B

Nót B

SS7 GW

MSC Server

H248/IP

Gn(GTP/IP)Iu-ps

SS7 GW

Iu-cs (§iÒukhiÓn)

Iu-cs(VËt mang)

MGW

Hình 1.5. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 4

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 đựơc 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 1.5 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 truềyn tai 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.

14


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 1.5 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, ngọai 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.

1.7. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện IP (hình 1.6). 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.

15


SS7

HSS/HLR

Sniffer Servermonitoring/analysis


SS7

PSTN



Internet

Iub

Gr

PCM

RNC

GGSNSGSNRNC

Iub

Iur

Gn Gi

Gi

MRF

T-SGW

Mc

Mg

Mr

Gi

Cx

CSCF R-SGW

Chøc n¨ng ®iÒu khiÓntr¹ng th¸i cuéc gäi

(CSCF)

Chøc n¨ng ®iÒu khiÓncæng m«i tr−êng

(MGCF)

MGW

Node B

Node B

Cx

Iu

Hình 1.6. Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP Từ hình 1.6 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.

Ta cũng thấy có một số phần tử mạng mới như: 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.

16


SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS và UMTS R3 và R4. Điểm 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 nghi 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. Cần lưu ý rằng phát hành cấu trúc toàn IP của R5 là một tăng cường của mạng ở

R3 hoặc R4. Nó đưa thêm vào một vùng mới trong mạng đó là vùng đa phương tiện IP (IM: IP Multimedia). Vùng mới này cho phép mang cả tiếng và số liệu trên IP trên toàn tuyến nối đến máy cầm tay. Vùng này sử dụng vùng chuyển mạch gói PS cho mục đích truyền tải: sử dụng SGSN, GGSN, Gn, Gi ... là các nút và giao diện thuộc vùng PS.

1.8. KIẾN TRÚC CDMA2000 Mạng gói của cdma2000 là mạng kết hợp với mạng chuyển mạch kênh cdma2000 sử dụng báo hiệu IS-41. Mạng IP bao gồm PCF (Packet Control Function: Chức năng điều khiển gói), PDSN (Packet Data Serving Node: Nút phục vụ số liệu gói), HA và các server AAA (Authentication, Authorization and Account: Nhân thực, trao quyền và thanh toán). Đối với dịch vụ IP đơn giản (Simple IP), việc người sử dụng chuyển từ vùng phục vụ của một PDSN này sang vùng phục vụ của một PDSN khác sẽ dẫn đến sự thay đổi phiên số liệu vì địa chỉ IP mới sẽ được ấn định bởi PDSN mới. Đối với dịch vụ MIP (Mobile IP), phiên số liệu có thể kéo dài trên nhiều PDSN chừng nào người sử dụng vẫn duy trì các ràng buộc di động tại HA và chưa hết thời hạn hiêu lực của đăng ký (hoặc tái đăng ký) (địa chỉ IP này vẫn không đổi). Kiến trúc của cdma 2000 được cho ở hình 1.7. Kiến trúc 1.6 được trình bày cho trường hợp MIP. Đối với dịch vụ IP đơn giản, kiến trúc trên hình 1.6 sẽ không có HA và FA..

17


Hình 1.7. Kiến trúc của cdma 2000 1.8.1. MS MS thực hiện cả dịch vụ CS lẫn MIP. Đối với MIP MS phải: • Hỗ trợ PPP • Có thể hoạt động như một MIP MN, hỗ trợ hô lệnh FA và NAI • Tương tác với RAN và mạng lõi để nhận được các tài nguyên mạng cho việc trao

đổi gói • Ghi nhớ trạng thái của các tài nguyên vô tuyến (tích cực, chờ, ngủ) 1.8.2. Mạng truy nhập vô tuyến RAN

Mạng truy nhập vô tuyến RAN gồm các BTS và các BSC. BTS điều khiển lưu lượng vô tuyến giữa MS và chính nó thông qua giao diện vô tuyến. Nhiều BTS và có thể nối đến một BSC. Tổ hợp các BTS cùng vời một BSC mà chúng nối đến được goị là BSS (Base station Subsystem: hệ thống con trạm gốc). Các BSS cho phép truy nhập cả dịch vụ CS và PS. Để hỗ trợ truy nhập dịchvụ PS, BSS có thêm khối chức điều khiển gói: PCF (Packet Control Function: Chức năng điều khiển gói). Khi các gói được gửi đến một MS, nhưng chưa thể nối đến MS, PCF nhớ đệm các gói này và yêu cầu RAN tìm gọi MS. Nó cũng thu thập và gửi thông tin thanh toán đến PDSN. PCF nối BSC với PDSN để thực hiện chuyển giao. Trong tiêu chuẩn tương tác (IOS: Inter-Operability Standards) 3GPP2 A.S00001, PCF nối đến BSC thông qua giao diện mở A8/A9. Thông thường trong các sản phẩm thương mại, PCF đựơc thực hiện như là một bộ phận của BSC với giao diện riêng.

18


Cdma2000 BSC có quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management), quản lý di động (MM: Mobility Management) và các kết nối đến MSC. Nó đảm bảo truyền các gói số liệu không qua codec tiếng.

Ngoài các nhiệm vụ hỗ trợ dịch vụ CS thông thường, RAN còn hỗ trợ các dịch vụ PS sau: • Chuyển đổi tham khảo nhận dạng client di động vào một nhận dạng liên kết duy

nhất để thông tin với PDSN • Nhận thực MS để cho phép truy nhập dịch vụ • Quản lý kết nối lớp vật lý đến client di động • Duy trì trạng thái cho phép kết nối đối với dịch vụ gói giữa mạng truy nhập vô

tuyến và MS • Nhớ đệm các gói đến từ PDSN, khi các tài nguyên vô tuyến chưa có hoặc chưa đủ

để hỗ trợ dòng gói từ PDSN • Chuyển tiếp các gói giữa MS và PDSN 1.8.3. Mạng nhà cung cấp dịch truy nhập khách Mạng nhà cung cấp dịch vụ truy nhập khách bao gồm các phần tử mạng lõi để thực hiện nhiệm vụ chuyển mạch kênh như: MSC/VLR và các phần tử mạng lõi để thực chuyển mạch gói như: PDSN. MSC sử dụng IS-41 MSC và được nối đến BSC thông qua giao diện A1 (cho báo hiệu) và giao diện A2 (cho lưu lượng). MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch thoại và các chức năng di động của hệ thống. PDSN thực hiện các chức năng chuyển mạch gói và các chức năng di động của hệ thống. PDSN nối đến PCF thông qua các giao diện mở A8/A9. Ngoài ra để hỗ trợ dịch vụ PS mạng này có chứa một AAA server địa phương làm nhiệm vụ nhận thực.

VLR chứa các chi tiết tạm thời về MS làm khách tại MSC hiện thời. Nó cũng chứa TMSI. 1.8.3.1. HLR/AuC

HLR mang tất cả các thông tin về thuê bao trong vùng của GMSC tương ứng. Trung tâm nhận thực (AuC) được đặt tại HLR và là một trong những nơi phát đi

thông số an ninh quan trọng nhất vì nó đảm bảo tất cả các thông số cần thiết cho nhận thực và mật mã hóa giữa MS và BTS. • Nhớ đệm các gói khi tài nguyên vô tuyến chưa có hoặc không đủ để hỗ trợ dòng

gói đến mạng 1.8.3.2. Các server AAA nhà, khách và môi giới

19


Các dịch vụ nhận thực, trao quyền và thanh toán (AAA: Authentication, Authorization and Account) có thể được đảm bảo bởi giao thức RADIUS (Remote Authentication Dial-in Uer Service: Dịch vụ người sử dụng quay số nhận thực từ xa) hoặc giao thức DIAMETER. Lúc đầu mạng cdma2000 chọn giao thức RADIUS, nên giao thức này được sử dụng rộng rãi. Trong chương này ta chỉ xét các dịch vụ AAA sử dụng RADIUS. Các AAA Server đảm bảo chuyển vùng. AAA server đặt trong mạng IP nhà được gọi là AAA server nhà. AAA server trong mạng của nhà cung cấp dịch vụ khách đựơc gọi là AAA server khách. AAA server nhà chứa hồ sơ thuê bao cuả người sử dụng, còn AAA server khách chỉ chứa thông tin tạm thời liên quan đến các phiên đang được sử dụng bởi người sử dụng. Hồ sơ có thể chứa thông tin về đăng ký QoS và thông tin này được truyền đến PDSN. PDSN có thể sử dụng thông tin này để trao quyền truy nhập đến một số dịch vụ hoặc cấp phát các tài nguyên dựa trên các yêu cầu về QoS. AAA server môi giới là một server trung gian, nó có các quan hệ an ninh với các AAA server khách và nhà. Nó được sử dụng để chuyển tiếp các bản tin AAA một cách an ninh giữa mạng nhà cung cấp dịch vụ truy nhập trung gian và mạng IP nhà. Một mạng có thể có hoặc không có AAA server môi giới. Có thể tổng kết các yêu cầu đối với AAA như sau: • Nhận thực và trao quyền cho một NAI của người sử dụng trong môi trường

chuyển vùng. NAI nhận được qua CHAP (đối với dịch vụ PPP truyền thống) hay FAC (FA Challenge: hô lệnh FA) (đối với dịch vụ MIP). FAC thường được tính toán phù hợp với CHAP

• Truyền tải các thuộc tính số liệu vô tuyến từ mạng nhà đến mạng phục vụ (thường ở dạng hồ sơ người sử dụng)

• Mật mã hóa hoặc ký một hay nhiều AVP trong các bản tin AAA giữa mạng nhà, mạng khách hay một môi giới qua nhiều chặng AAA server

• Hỗ trợ một cơ chế truyền tải AAA tin cậy: • Cơ chế này có thể chỉ cho một ứng dụng AAA rằng bản tin đã được chuyển đến ứng dụng đồng cấp tiếp theo hay rằng đã xẩy ra một thời gian tạm ngưng

• Phát lại được điều khiển bởi cơ chế truyền tải AAA tin cậy này chứ không phải các giao thức thấp hơn (TCP chẳng hạn)

• Ngay cả khi bản tin cần chuyển hay các tùy chọn hoặc ngữ nghĩa của bản tin không phù hợp với giao thức AAA, cơ chế truyền tải vẫn báo nhận rằng phía đồng cấp đã nhận được bản tin. Tuy nhiên nếu bản tin không qua được nhận thực, nó sẽ không được báo nhận

• Báo nhận có thể được gửi cùng với các bản tin AAA • Cơ chế truyền tải tin cậy phải có khả năng phát hiện các sự cố im lặng của đồng

cấp AAA hay đường truyền đến đồng cấp AAA này để quản lý sự cố

20


• Truyền tải một chứng nhận số trong một bản tin AAA để giảm thiểu số lần truyền vòng liên quan đến các giao dịch AAA. Lưu ý: yêu cầu này chỉ áp dụng cho các ứng dụng AAA chứ không cho các MS

• Hỗ trợ chống phát lại và các khả năng chống từ chối cho tất cả các bản tin trao quyền và thanh toán. Giao thức AAA phải đảm bảo khả năng cho các bản tin thanh toán phù hợp với các bản tin trao quyền trước đó

• Hỗ trợ thanh toán thông qua dàn xếp hai phía và thông qua các server môi giới để đảm bảo cách viết thanh toán khác nhau giữa mạng phục vụ và mạng nhà. Đây là một thỏa thuận rõ ràng rằng nếu mạng riêng hay ISP nhà nhận thực MS yêu cầu dịch vụ, thì mạng riêng hay mạng ISP nhà này cũng chấp nhận các tính cước với nhà cung cấp dịch vụ nhà hay môi giới. Phải đảm bảo thanh toán thời gian thực

• Đảm bảo an ninh giữa các AAA server, giữa AAA server và PDSN hay HA thông qua an ninh IP.

1.8.3.3. Nút phục vụ số liệu gói Nút phục vụ số liệu gói (PDSN: Packet Data Serving Node) là một phần tử mạng neo nằm bên trong mạng khách và thực hiện nhiều chức năng cho vai trò neo này. Đối với dịch vụ MIP, nó đảm bảo chức năng FA theo đặc tả RFC 2002. FA là một router và nó đảm bảo các dịch vụ định tuyến đến một MS trong mạng khách. Đối với cả MIP và IP đơn giản, PDSN đảm bảo kết nối lớp liên kết số liệu đến MS bằng cách sử dụng giao thức điểm đến điểm (PPP: Point-to-Point Protocol). PDSN được nối đến PCF thông qua giao diện A10/A11 (giao diện R-P), A10 sử dụng cho số liệu của người sử dụng còn A11 sử dụng cho các bản tin điều khiển. Nó cung cấp một liên kết giữa địa chỉ lớp liên kết TTDĐ với địa chỉ IP của một MS. Địa chỉ lớp liên kết bao gồm số nhận dạng MS (IMSI chẳng hạn) và nhận dạng kết nối MS (một thông số để phân biệt các phiên trên một MS). PDSN cũng hoạt động như một RADIUS client và nó truyền thông tin nhận thực đến AAA server khách. Nó cũng thu thập số liệu thanh tóan từ PCF, lập tương quan cho số liệu này, tạo ra thông tin thanh toán và chuyển nó đến AAA server khách. Có thể tổng kết các yêu cầu đối với PDSN như sau: • Thiết lập, duy trì và kết cuối lớp liên kết đến client di động • Khởi đầu nhận thực, trao quyền và thanh tóan cho client di động • Truyền tunnel (an ninh tùy chọn) sử dụng an ninh IP đến tác nhận nhà • Nhận các thông số dịch vụ từ AAA cho clien di động • Thu thập số liệu về mức độ sử dụng cho mục đích thanh toán để chuyển các số

liệu nhà đến AAA • Định tuyền các gói đến các mạng số liệu ngoài hay đến HA trong trường hợp

truyền tunnel ngược

21


• Chuyển đổi địa chỉ nhà và địa chỉ HA đến một nhận dạng lớp liên kết duy nhất để thông tin với mạng vô tuyến

1.8.3.4. Tác nhân nhà MIP HA là một router đặt tại mạng IP nhà của MS. Nó đăng ký PDSN /FA cho một MS. Đăng ký PDSN cho MS được thực hiện bằng CoA, đây là một địa chỉ IP cuả PDSN. Khi MS không nằm trong mạng nhà, HA nhận các gói gửi đến MS trên liên kết nhà, đóng bao chúng vào một tiêu đề IP khác và truyền tunnel chúng đến PDSN. Các yêu cầu đối với HA: • Duy trì đăng ký của người sử dụng và chuyển các gói đến PDSN • Thiết lập tunnel (an ninh IP tùy chọn) đến PDSN/FA • Hỗ trợ ấn định địa chỉ HA động • Ấn định địa chỉ nhà động (tùy chọn) cho MS. Ấn định địa chỉ nhà có thể được

thực hiện từ các pun (tổ hợp) địa chỉ được lập cấu hình tại chỗ, thông qua DHCP server hay từ AAA server

1.8.4. Các dịch vụ số liệu gói trong cdma2000 1.8.4.1. IP đơn giản Đặc điểm của IP đơn giản là nó không hỗ trợ di động bên ngoài PDSN phục vụ. Mạng này chỉ đảm bảo dịch vụ định tuyến IP đến điểm nhập mạng hiện thời (PDSN). Điều này giống như dịch vụ của nhà cung cấp dịch vụ Internet quay số. Một MS có thể chuyển vùng từ một RAN này đến một RAN khác sử dụng thủ tục cập nhật vị trí, nhưng khi một phiên đã được thiết lập với một PDSN, MS không thể chuyển giao phiên này đến một PDSN khác. PPP được sử dụng để đảm bảo giao thức liên kết số liệu giữa người sử dụng và PDSN. PDSN ấn định một địa chỉ IP động cho cho MS trong giai đoạn IPCP (IP Coltrol Protocol) của PPP. Giao diện A10/A11 được sử dụng để đảm bảo truyền tunnel lưu lượng và chuyển giao nội PDSN. Người sử dụng duy trì địa chỉ IP của mình và sử dụng kết nối IP chừng nào vẫn còn nằm trong vùng phục vụ của PDSN phục vụ. Mạng cũng có thể hỗ trợ dịch vụ mạng riêng ảo (VPN: Virtual Private Network) khi bổ sung thêm phần mềm cho MS.

Nhận thực người sử dụng được thực hiện bằng giao thức nhận thực mật khẩu (PAP: Password Authentication Protocol) và giao thức nhận thực bắt tay hô lênh (CHAP: Challenge Handshake Authentication Protocol). PDSN họat động như một AAA (RADIUS) client, nó truyền đi thông tin nhận thực người sử dụng CHAP hay PAP. PAP là dạng nhận thực cơ sở nhất, trong đó tên người sử dụng và mật khẩu được người này gửi đi và được mạng so sánh với một bảng chứa cặp tên-mật khẩu. Điểm yếu của PAP là cả tên người sử dụng và mật khẩu đều truyền ở dạng không được mật 22


mã. CHAP loại bỏ được điểm yếu này bằng cách gửi đến MS một khoá để mật mã hóa tên người sử dụng và mật khẩu. Trong CHAP, trước hết mạng gửi đi một bản tin hô lệnh đến MS. MS trả lời bằng một giá trị nhận được bằng cách sử dụng khóa nói trên. Nếu các giá trị này trùng nhau, thì người sử dụng được nhận thực. Nhận thực người sử dụng chỉ là tùy chọn trong IP đơn giản. Một người sử dụng có thể được lập cấu hình cho phép MS nhận được dịch vụ IP đơn giản mà không cần CHAP hoặc PAP. IP đơn giản hỗ trợ nén tiêu đề và tải tin theo tiêu chuẩn TIA/EIA/IS-835. Nén tiêu đề TCP/IP Van Jacobson cũng được hỗ trợ theo tiêu chuẩn RFC 1144. Giao thức điều khiển nén PPP cũng được tùy chọn hỗ trợ. Giao thức này được sử dụng để đàm phán một giải thuật nén tải tin PPP. 1.8.4.2. MIP Dịch vụ MIP đảm bảo di động hoàn toàn cho một người sử dụng. PDSN hoạt động như một FA. Mỗi người sử dụng được ấn định một HA trong mạng nhà của mình. MS được ấn định một địa chỉ IP được gọi là địa chỉ nhà trong cùng một mạng con như HA. MS sử dụng CoA (địa chỉ IP cuả FA) để đăng ký với HA. Đăng ký này buộc HA phải thực hiện ARP (Address Resolution Protocol: Giao thức phân giải địa chỉ) ủy thác trên mạng con nhà và bắt đầu nhận tất cả các gói đựơc chuyển đến theo địa chỉ nhà cuả MS. HA cũng tạo lập một ràng buộc giữa địa chỉ nhà của MS và CoA được quy định trong yêu cầu đăng ký. Khi HA nhận được số liệu giửi đến cho MS, nó hướng số liệu này đến FA theo CoA và FA chuyển số liệu này đến MS. Các gói hướng đến MS đựơc truyền tunnel bằng cách sử dụng truyền tunnel IP trong IP đến địa chỉ CoA. Truyền tunnel IP trong IP được đặc tả trong RFC 2003. MIP cho phép nối đến MS không phụ thuộc vào việc nó đang ở đâu trong mạng công cộng hoặc mạng riêng. Điều duy nhất cần thiết là CoA và HA phải có địa chỉ định tuyến toàn cầu. Trong trường hợp truy nhập mạng riêng, MS sử dụng truyền tunnel ngược qua FA để gửi số liệu đến mạng riêng. Giống như IP đơn giản, giao thức liên kết số liệu giữa MS và PDSN đựơc đảm bảo bởi PPP. Nếu PDSN nhận được một gói cho MS khi phiên PPP không được thiết lập, PDSN loại bỏ gói này và gửi đi một gói thông báo không thể gửi đến nơi nhận ICMP (Internet Control Message Protocol: Giao thức bản tin điều khiển). Một phiên PPP có thể hỗ trợ nhiều địa chỉ nhà IP vì thế chó phép nhiều ứng dụng trên một MS. Báo hiệu MIP được trao đổi trên các kênh lưu lượng trên giao diện vô tuyến vì thế không sử dụng hiệu quả tài nguyên quý giá của vô tuyến. Một số cải thiện đựơc áp dụng so với giao thức MIP cơ sở để truyền báo hiệu hiệu xuất hơn. Một trong các cải thiện này là PDSN sẽ không phát quảng bá các bản tin quảng cáo tác nhân thường xuyên và định kỳ đến tất cả các MS. Thay vào đó chúng chỉ được phát đến một MS sau khi đã thiết lập phiên. Một cải thiện khác là PDSN chỉ lặp lại các quảng cáo theo một số lần đã được lập cấu hình đối với một MS. Ngoài ra PDSN dừng phát đi các

23


quảng cáo đến MS ngay sau khi nó nhận được yêu cầu đăng ký từ MS này. Khi MIP hoạt động trên kết nối PPP, thời hạn hiệu lực đăng ký MIP phải nhỏ hơn đồng hồ thời gian không tích cực PPP. MIP cung cấp tập các thủ tục an ninh giữa client di động (MS) và các tác nhân di động và giữa các tác nhân di động. Điều quan trọng là phải có một kênh giữa MS và HA cho các bản tin đăng ký. Liên kết an ninh này có thể được thiết lập bằng cách trang bị cố định (tại thời điểm đăng ký) các khóa giữa MS và HA. MIP không yêu cầu cơ chế nhận thực giữa FA và HA. Tuy nhiên trong môi trường kinh doanh như các mạng thông tin di động, cần nhận thực tất cả các bản tin giữa FA và HA để chống lại sự xâm hại các dịch vụ và thiết lập cơ chế tính cước tin cậy giữa mạng nhà và mạng khách. Tiêu chuẩn (TIA/EIA/IS-835) hỗ trợ các tùy chọn sau đây để phân phối khóa giữa FA và HA: • IKE và chứng nhận công cộng (X.509) • Khóa bí mật IKE quy định chia sẻ động được phân phối bởi AAA server nhà • Khóa chia sẻ IKE quy định lập cấu hình tĩnh

Thủ tục an ninh MS-FA được đảm bảo bởi cơ chế hô lệnh/trả lời được mô tả trong RFC 3012. PDSN khởi đầu nhận thực người sử dụng trong miền khách khi đăng ký người sử dụng. PDSN đưa phần mở rộng hô lệnh MS-FA trong quảng cáo tác nhân. Vì các quảng cáo được phát không thường xuyên, PDSN đưa hô lệnh tiếp theo vào trả lời đăng ký. MS sử dụng hô lệnh tiếp theo này trong đăng ký tiếp theo với PDSN. PDSN truyền thông tin trả lời hô lệnh FA nhận được từ MS đến AAA server nhà thông qua AAA server khách. 1.8.5. Nhận thực ở cdma2000 MS sử dụng dịch vụ thoại chỉ cần nhận thực một lần trên giao diện vô tuyến.

MS yêu cầu dịch vụ số liệu trong các hệ thống cdma2000 sẽ bị nhận thực hai lần: trên lớp giao diện vô tuyến và nhận thực mạng. Nhận thực ở giao diện vô tuyến được thực hiện bởi hạ tầng HLR/AuC và VLR. Quá trình này dựa trên IMSI được định nghĩa trong IS2000. Nhận thực trạm di động lớp liên kết cdma2000 hay truy nhập mạng truyền số liệu gói, được thực hiện bởi các cơ sở hạ tầng của các server AAA và các client, trong đó các client dược đặt trong các PDSN và các HA. Quá trình này dựa trên NAI (Network Access Identifier được định nghĩa bởi IETF trong [RFC2486]. Đây là số nhận dang có dạng user@homedomain (người sử dụng@miền nhà) cho phép mạng khách nhận dạng AAA server mạng nhà bằng cách chuyển nhãn "homedomain" thành địa chỉ AAA IP. Hô lệnh từ PDSN cũng cho phép bảo vệ chống các tấn công theo cách phát lại. Ngoài ra, NAI cho phép phân phát liên kết an ninh MIP đặc thù để hỗ trợ nhận thực PDSN/HA trong thời gian đăng ký di động, ấn định HA và chuyển giao giữa các

24


PDSN. Lưu ý rằng AAA của mạng số liệu nhận thực người sử dụng và không như nhận thực lớp vật lý chỉ nhận thực MS. Vì thế người sử dụng muốn truy nhập đến các mạng số liệu công cộng hay riêng phải thực hiện đăng nhập và mật khẩu giống như các người sử dụng truy nhập số liệu từ xa, ngoài việc nhận thực thiết bị di động xẩy ra trong giai đoạn đăng ký, điều này dẫn đến tạm dừng khi khởi đầu điện thoại như thường thấy đối với hầu hết các người sử dụng máy thoại di động. Hệ thống số liệu cdma2000 đảm bảo hai cơ chế nhận thực khi sử dụng các phương pháp truy nhập IP đơn giản và MIP như định nghĩa trong [IS835] và [RFC3141]. Đối với chế độ truy nhập IP đơn giản, nhận thực dựa trên CHAP, đây là một bô phận của đàm phán PPP. Trong CHAP, PDSN hỏi hô lệnh MS bằng một giá trị ngẫu nhiên. MS phải trả lới bằng một chữ ký dựa trên tóm tắt hô lệnh MD-5, một tên người sử dụng và một mật khẩu. PDSN chuyển cặp hô lệnh/trả lời đến AAA server nhà để nhận thực người sử dụng. Đối với MIP, PDSN gửi đi một hô lệnh tương tự cùng trong bản tin quảng cáo tác nhân. Tương tự, MS phải trả lời hô lệnh này bằng một chữ ký và NAI (được kiểm tra bởi mạng nhà), nhưng lần này trả lời được gửi đi cùng với yêu cầu đăng ký chứ không phải trong khi thiết lập phiên PPP. Cả hai cơ chế này đều dựa trên các bí mật dùng chung liên kết với NAI được lưu tại mạng nhà và cả hai được hỗ trợ bởi cùng một hạ tầng AAA server. Trong cả hai trường hợp, số liệu thanh toán được thu thập trong PDSN và được truyền đến AAA server. PDSN thu thập thống kê mức độ sử dụng số liệu cho từng người sử dụng, kết hợp chúng với các bản ghi thanh toán truy nhập vô tuyến do PCF gửi đến và gửi chúng đến AAA server địa phương. Lưu ý rằng thông tin thanh toán được thu thập bởi cả hai PCF và PDSN. Đối với các người sử dụng chuyển mạng, AAA server có thể được lập cấu hình để chuyển một bản sao của tất cả các bản tin thanh toán RADIUS đến AAA server nhà ngoài việc giữ bản sao này tại AAA server khách. Trong quá trình trao đổi các bản tin báo hiệu giữa AAA nhà và AAA khách, nếu cần có thể sử dụng thêm AAA môi giới. 1.8.6. Các phần tử mới cho cdma20001xEV-DO Qualcomm đã đề xuất tiêu chuẩn cdma20001xEV-DO ( Evolution for Data Optimized: phát triển cho số liệu tối ưu) vào tháng 3 năm 2000 để hỗ trợ các dịch vụ sốliệu cao.. cdma1xEV-DO là một hệ thống lai ghép CDMA/TDM và có hai lợi điểm khi hỗ trợ các dịch vụ tốc độ số liệu cao..Trước hết nó có thể hỗ trợ tốc độ số liệu lên đến 2,4576 Mbps với băng thông 1,25MHz, trong khi đó cdma20001x thuần túy chỉ có thể hỗ trợ tốc độ số liệu 2.0736 với băng thông gấp 3 lần (3,75 MHz). 1.8.6.1. Mạng truy nhập, AN Bao gồm các thiết bị mạng đảm bảo kết nối số liệu giữa mạng chuyển mạch số liệu (thường là internet) và thiết bi đầu cuối (AT). Mạng truy nhập tương đương với BTS trong cdma 2000

25


1.8.6.2. Thiết bị truy nhập (AT) Thiết bị truy nhập (AT) đảm bảo kết nối của người sử dụng. AT có thể được nối đến đến thiết bị tính như máy tín xách tay hay có thể là thiết bị có chưa máy tính như PDA. AT tương đương với MS trong cdma2000 1.8.6.3. AAA cuả mạng truy nhập (AN AAA) Là phần từ thực hiện các chức năng nhận thực và trao quyền cho mạng truy nhập 1.8.6.4. Kết nối Kết nối là một trạng thái của đường vô tuyến trong đó AT được ấn định một kênh lưu lượng đường xuống, một kênh lưu lượng đường lên và các kênh MAC đi kèm. Trong một phiên HRPD (High Rate Packet Data) AT và AN có thể mở và đóng kết nối nhiều lần. 1.8.6.5. MS/AT lai ghép MS/AT lai ghép là một thiết bị có khả năng làm việc cả ở mạng cdma2000 và ở các mạng HRPD AN. 1.8.6.6. Luồng dịch vụ Luồng HRPD (High Rate Packet Data: số liệu gói tốc độ cao) đựơc sử dụng để trao đổi số liệu giữa cdma2000 và PDSN. 1.8.6.7. Phiên HRPD Phiên HRPD (1xEVDO) được coi là một trạng thái chung giữa AT và AN. Trạng thái này lưu giữ các giao thức và các cấu hình giao thức đã được đàm phán và được sử dụng để thông tin giữa AT và AN. Nếu không mở phiên AT không thể thông tin với AN khi AN không mở phiên. 1.8.6.8. PCF PCF có thêm thêm chức năng năng SC/MM và đảm bảo hoạt động đặc thù HRPD. 1.8.6.9. Phiên số liệu gói Là trường hợp sử dụng dịch vụ số liệu gói của người sử dụng. Phiên số liệu gói được bắt đầu khi người sử dụng yêu cầu dịch vụ số liệu gói và kết thúc khi người sử dụng hoặc mạng kết thúc dịch vụ số liệu gói. Trong thời gian phiên, người sử dụng có thể thay đổi vị trí nhưng vẫn duy trì địa chỉ IP không đổi. 1.8.6.10. Chức năng SC/MM

26


SC/MM (Session Control and Mobility Management: điều khiển phiên và quản lý di động) được đặt tại PDF và bao gồm các chức năng sau:

• Lưu giữ các thông tin liên quan đến phiên HRPD: duy trì đồng hồ thời gian tồn tại, MNID, chuyển đổi giữa MNID và UATI cho một AT) đối với các AT ngủ

• Ấn định UATI (Unicast AT Identifier: nhận dạng AT đơn phương) cho AT • Nhận thực đầu cuối. Chức năng này thực hiện thủ tục nhận thực đầu cuối. Nó

quyết định AT có phải nhận thực hay không khi AT truy nhập HRDP RAN. • Quản lý di động. Chức năng này quản lý vị trí của AT. Thông tin về vị trí

của AT nhận được thông qua đăng ký dựa trên khoảng cách. Chức năng này có thể thực hiện thủ tục tìm gọi dựa trên thông tin trên.

1.8.6.11. Nhận thực đầu cuối Là thủ tục trong đó AT được nhận thực bởi AN-AAA. Mạng thông tin di động đang tiến tới một mạng toàn IP, trong các phần dưới đây ta sẽ xét các .một số vấn đề quan trọng liên quan đến kết nối mạng thông tin di động trên cơ sở IP. 1.9. ĐÁNH ĐỊA CHỈ IP 1.9.1. Đánh địa chỉ IP trong IPv4

Kích thước của địa chỉ IPv4 là 32 bit (4 byte). Không gian địa chỉ được chia thành hai phần, một phần nhận dạng mạng và một phần nhận dạng máy trong mạng. Trong khi địa chỉ thực tế để thể hiện máy tính là 32 bit nhị phân, thì địa chỉ IP được viết ở dạng sau:. 32 bit địa chỉ được chia thành bốn đoạn tám bit phân cách với nhau bởi dấu chấm, trong đó mỗi đoạn được thể hiện bằng một số thập phân nằm trong dải từ 0 đến 255, thí dụ:

152.226.86.23 Vì có 4 byte, nên dải địa chỉ trải rộng từ 0.0.0.0 đến 255.255.255.255 với tới

tổng số địa chỉ lên đến hơn 4 tỷ. Tuy nhiên do cách cấp phát địa chỉ trong thực tế, không gian dịa chỉ nhỏ hơn không gian nói trên. Có bốn loại địa chỉ như cho trong bảng 1.1. Mỗi lọai cho phép đánh địa chỉ cho một số lượng mạng và số lượng máy nhất định. Địa chỉ loại A có 8 bit nhận dạng mạng và 24 bit nhận dạng máy. Bit đầu tiên của loại A luôn bằng không để router nhận dạng loại A. Các địa chỉ loại B sử dụng 16 bit cho nhận dạng mạng và 16 bit cho nhận dạng máy. Bit đầu tiên cuả nó luôn luôn bằng 10 để router nhận ra loại địa chỉ này. Địa chỉ loại C có 24 bit dành cho địa chỉ mạng và 8 bit dành cho địa chỉ máy, bit đầu của nó luôn luôn bằng 110 để router có thể nhận dạng được địa chỉ này. Địa chỉ loại D dành cho phát đa phương, địa chỉ này gồm 8 bit đầu là địa chỉ mạng và 24 bit còn lại là địa chỉ cho nhóm đa phương, ba bit đầu tiên cuả điạ chỉ này là 110. Các địa chỉ lọai E để dự phòng và chưa được chuẩn

27


hóa. Các địa chỉ loại A bắt đầu bằng 1-126, các địa chỉ loại B bắt đầu bằng 128-191, các địa chỉ loại C bắt đầu bằng 192-223 và các địa chỉ loại D (truyền đa phương) bắt đầu bằng 224-239. Các địa chỉ loại E bắt đầu từ 240-247. Chẳng hạn, 152.266.0.0 là địa chỉ loại B và vì thế nó hỗ trợ các địa chỉ trong dải từ 152.266.0.0 đến 152.226.255.255.

Mặt nạ địa chỉ mạng được sử dụng như một bộ lọc để lấy ra địa chỉ mạng. Chẳng hạn sử dụng mặt nạ cho trong bảng 2.2 ta có thể tính ra địa chỉ mạng cho một địa chỉ loại B: 152.226.86.23 bằng cách nhân logic từng bit địa chỉ IP với mặt nạ. Trong trường hợp này vì địa chỉ IP là loại B nên mặt nạ cuả nó là 255.255.0.0. Kết quả nhân cho ta địa chỉ mạng: 152.226.0.0. Đây là địa chỉ mà router cần để định tuyến.

Trong không gian địa chỉ máy có hai địa chỉ đựợc sử dụng cho việc khác (mặt nạ và quảng bá) vì thế tổng số địa chỉ dành cho máy sẽ được tính như sau:

2(số bit địa chỉ máy)-2 Chẳng hạn đối với địa chỉ loại C, không gian dành cho địa chỉ máy là 8 bit nên số địa chỉ máy có thể có sẽ là: 28-2=254 địa chỉ Bảng 1.1. Các khuôn dạng địa chỉ IPv4 Loại Ý nghĩa Kích th-

ước trường địa chỉ mạng

Kích thước trường địa

chỉ máy

Tổng số địa chỉ mạng

Tổng số địa chỉ

máy

Phần đầu tiên của các bit địa chỉ IP/dải địa

chỉ

Mặt nạ mặc định

mạng

A 1 byte nhận dạng mạng, 3 byte nhận dạng máy

7 24 126 16.777.2144

0/1.0.0.0-126.255.255.255

255.0.0.0

B 2 byte nhận dạng mạng, 2 byte nhận dạng máy

14 16 16384 65.534 10/128.0.0.0-191.255.255.255

255.255.0.0

C 3 byte nhận dạng mạng, 1 byte nhận dạng máy

21 8 2097152 254 110/192.0.0.0-223.255.255.255

255.255.255.0

D Địa chỉ đa phương

4 bit 24 (nhóm quảng bá)

1110/224 .0.0.0-239.255.255.255

28


E Dự trữ cho tương lai

11110/240.0.0.0-247.255.255.255

Địa chỉ hồi tiếp-máy địa phương

127.x.x.x

Một mạng thường được chia thành các mạng con có số máy ít hơn. Để chia mạng con ta có thể sử dụng một phần 32 bit địa chỉ để chỉ thị mạng con và phần còn lại để chỉ địa chỉ cuả máy trong mạng con. Chẳng hạn sử dụng loại C ta có thể có 6 mạng con mỗi mạng có 30 máy. Hình 1.8 cho thấy cách tăng số mạng con đồng thời với giảm số máy trong mỗi mạng con. Bảng 1.2 cho thấy ta có thể tăng số số 1 trong mặt nạ để tạo ra một mạng con (thí dụ được xét cho loại B). Bảng 1.2. Tăng số mạng con bằng cách tăng số số 1 trong mặt nạ Mặt nạ mạng con Dạng bit Các mạng con Các trạm 255.255.0.0 255.255.192.0 255.255.224.0 255.255.240.0 255.255.248.0 255.255.252.0 255.255.254.0 255.255.255.0

11111111.11111111.00000000. 00000000 11111111.11111111.11000000. 00000000 11111111.11111111.11100000. 00000000 11111111.11111111.11110000. 00000000 11111111.11111111.11111000. 00000000 11111111.11111111.11111100. 00000000 11111111.11111111.11111110. 00000000 11111111.11111111.11111111. 00000000

0 2 6 14 30 62 126 254

65534 16382 8190 4094 2046 1022 510 254

Phương pháp sử dụng các mặt nạ mạng con khác nhau để nhận dạng các mang

con được gọi là tạo mặt nạ mạng có độ dài khả biến (VLSNM: Variable Length Subnet Masking). Hình 2.10 cho thấy phương pháp này.

Hình 1.8. Điều chỉnh số bit 1 trong mặt nạ để điều chỉnh số mạng con con và số máy trong mỗi mạng con.

Vì loại A chỉ có 126 địa chỉ mạng, nên các địa chỉ mạng này lúc đầu được được cấp phát cho các tổ chức có các mạng nội bộ rất lớn. Loại B dành 14 bit để đánh địa chỉ mạng, vì thế nó đảm bảo nhiều mạng hơn với không gian địa chỉ máy nhỏ hơn (chỉ có 65 534 máy trên một mạng). Loại C có không gian địa chỉ máy nhỏ nhất: 254 địa chỉ máy, nhưng lại có số địa chỉ mạng lớn nhất. Vì nhiểu tổ chức có nhiều hơn 254 máy nên nhu cầu lọai B rất cao. Điều này dẫn đến thiếu hụt điạ chỉ. vì thề cần phải tìm

29


ra phương cách ấn định địa chỉ phù hợp cho các tổ chức có kích cỡ trung bình (số máy lớn hơn 254). Các vấn đề này và các vấn đề khác nữa sẽ được giải quyết bằng cách sử dụng NAT (sẽ xét phần sau) hoặc triệt để hơn bằng cách sử dụng IPv6. IPv6 sử dụng 128 bit địa chỉ và vì thế đảm bảo nguồn địa chỉ rất lớn.

Cần lưu ý rằng, có một số địa chỉ đặc biệt không được dùng. Công thức chung dùng để tính toán số địa chị mạng con và số máy khi biết mặt nạ mạng con như sau:

Số mạng con có thể có= 2(số bit mặt nạ)-2 Số máy có thể có = 2(số bit không thuộc măt nạ)-2

Để làm thí dụ ta xét mạng loại B sử dụng mặt nạ mạng con 255.255.240.0. Mặt nạ loại B trong trường hợp này có thêm bốn bit 1 (thể hiện bằng 240) để tạo nên mặt nạ mạng con, vì thế Số mạng con = 24-2 = 14 Số máy trong mỗi mạng con = 212-2 = 4029 Trong thí dụ trên địa chỉ mạng lọai B được mở rộng thêm 4 bít để từ một địa chỉ loại B được cấp phát cho mạng tổ chức khai thác có thể tạo ra từ địa chỉ này 4029 địa chỉ mạng con khác nhau. Để mở rộng một địa chỉ mạng B thêm 10 bit để tạo ra các địa mạng con, ta sử dụng mặt nạ sau: 255.255.255.192 . Trong trường hợp này ta có: Số mạng con = 210-2= 1022 Số máy trong mỗi mạng con = 26-2=62 Trong trường hợp này nếu ta đánh địa chỉ IP cho một máy bằng 172.16.2.160 có byte ở dạng nhị phân là:1010000, thì địa chỉ mạng con tương ứng của nó sẽ là: 172.16.2.128. Bảng 1.3 liệt kê các địa chỉ có ý nghĩa đặc biệt trong giao thức IP và không được sử dụng để ấn định địa chỉ. Bảng 1.3. Các điạ chỉ có ý nghĩa đặc biệt

Địa chỉ Hàm 0.0.0.0 127.0.0.0 Địa chỉ có địa chỉ mạng toàn các bit không

Để nói rằng đây là mạng mặc định Dành cho đấu vòng. Thông thường 127.0.0.1 được sử dụng cho mục đích thử nghiệm Để nói rằng đây chính là mạng, chẳng hạn 135.34.0.0 nói rằng mạng là 135.34. Địa chỉ này được sử dụng trong các bản định tuyến

30


Địa chỉ mạng hay địa chỉ máy có toàn các bit 1 255.255.255.255

Để nói về “tất cả các máy" Địa chỉ quảng bá

Ngoài ra IETF đã định nghĩa các địa chỉ chỉ dành để sự dụng làm địa chỉ riêng nội bộ trong các mạng riêng chứ không được sử dụng trong internet (cho ở bảng 1.4) Bảng 1.4. Các địa chỉ riêng có thể sử dụng lại Loại A 10.0.0.0 Loại B 172.16.0.0-172.31.0.0 Loại C 192.168.0.0-192.168.255.0 Vì các địa chỉ IPv4 chỉ có 32 bit, nên không gian địa chỉ lý thuyết chỉ cho phép đánh địa chỉ cho 4 294 967 296 máy. Cấu trúc phân lọai nói trên giảm không gian này xuống còn 3,7 tỷ. Ngoài ra không gian này bị giảm tiếp do lãng phí không gian địa chỉ không sử dụng trong không gian loại B. Đối với đa phần các tổ chức, không gian loại A với 16 triệu địa chỉ quá lớn, trong khi đó không gian loại C với điạ chỉ 254 lại quá nhỏ. Vì thế hầu hết các tổ chức mong muốn có được không gian loại B . Điều này có nghĩa rằng một tổ chức chỉ có 2000 máy sử dụng không gian loại B với 65 534 địa chỉ, không gian này vẫn quá lớn so với yêu cấu. Trong trường hợp này 97% không gian địa chỉ được cấp phát bị lãng phí. Một vấn đề khác này sinh là chỉ có 16 383 địa chỉ mạng khả dụng cho loại B. Vì thế nếu mỗi tổ chức đều yêu cầu một địa chỉ mạng không gian loại B thì các địa chỉ này sẽ nhanh chóng hết. Để giải quyết vấn đề này ta có thể ấn định tám địa chỉ không gian loại C cho tổ chức có 2000 máy này. Giải pháp này có thể giải quyết được vấn đề cấp phát địa chỉ nhưng lại làm cho các bảng định tuyến quá lớn. Khi này thay vì chỉ cần một mục trong bảng định tuyến cho không gian địa chỉ loại B, tổ chức này cần phải có tám mục trong bảng định tuyến cho tám địa chỉ mạng không gian loại C. 1.9.2. Một số giải pháp thiếu hụt địa chỉ cho thông tin di dộng Cũng với sự ra đời của các hệ thống thông tin di động thế hệ sau cũng sự phát triển mạnh các ứng dụng IP trong thông tin di động và thực tế là số thuê bao di động toàn cầu lên đến trên một tỷ đã tạo ra một áp lực mới đối với không gian địa chỉ có hạn của IPv4. Hiện nay một số lượng lớn các địa chỉ IP đã được cấp phát cho các nhà cung cấp dịch vụ internet chính (ISP) và chỉ còn lại không gian địa chỉ không lớn dành cho tương lai. Tất nhiên khi đưa ra sử dụng IPv6 vấn đề này sẽ được giải quyết triệt để, tuy nhiên cho đến khi đó ta cần tìm ra giải pháp khắc phục thiếu hụt địa chỉ cho IPv4. Hiện nay hai giải pháp được sử dụng cho các tổ chức để thực hiện kết nối cho các người sử dụng mạng intranet đó là: giao thức lập cấu hình máy tự động (DHCP: Dynamic Host

31


Configuration Protocol) và biên dịch địa chỉ mạng (NAT: Network Address Translator). 1. Giao thức lập cấu hình máy tự động (DHCP) Sử dụng DHCP để tiết kiệm không gian địa chỉ dựa trên triết lý là không phải tất cả các UE đều sử dụng các dịch vụ IP tại một thời điểm cho trước. ISP hay nhà khai thác khởi đầu với một tổ hợp các địa chỉ. Khi một người sử dụng yêu cầu kết nối đên dịch vụ IP, người này sẽ được cấp phát tạm thời một địa chỉ IP từ tổ hợp. Quá trình này được gọi là thuê một địa chỉ. Phương pháp này cũng rất giống như cách thức mà PABX hỗ trợ nhiều người sử dụng bằng một số trung kế ngoài hữu hạn. Giao thức hỗ trợ lập cấu hình máy động được gọi là DHCP, nó được các ISP sử dụng toàn cầu để ấn định các địa chỉ IP cho các người sử dụng cuả họ. DHCP cũng ấn định các địa chỉ quan trọng khác cho máy như DNS server mặc định và cổng mặc định. DHCP được sử dụng trong các hệ thống 3G để cấp phát động một địa chỉ IP cho thiết bị di động khi thiết bị này yêu cầu tích cực PDP context. Nó được sử dụng cho các UE khi các UE này không có chuyển đổi tĩnh trong HLR đối với một điểm truy nhập nhất định. Nếu người sử dụng nối đến một mạng ngoài, thì ấn định DHCP được thực hiện trong đường trục GPRS IP. Thông thường DHCP được đặt bên trong GGSN. Phương pháp ấn định này được gói là chế độ trong suốt. Tuy nhiên nếu người sử dụng nối đến mạng intranet hãng, thì địa chỉ IP có thể được ấn định bên trong mạng này. Phương pháp này được gọi là chế độ không trong suốt. 2. Biên dịch địa chỉ mạng (NAT) DHCP chỉ hoạt động tốt khi ấn định một tổ hợp hữu hạn các địa chỉ cho một số người sử dụng nhưng không thể mở rộng toàn bộ không gian địa chỉ khả dụng. Để ấn định địa chỉ PDP cho UE, địa chỉ IP công cộng của IPv4 là không đủ, vì thế người ta phải sử dụng địa chỉ riêng. Để sử dụng địa chỉ riêng cần có NAT để phiên dịch địa chỉ công cộng vào địa chỉ riêng. NAT cho phép một mạng nội bộ intranet có thể sử dụng các điạ chỉ riêng với không gian địa chỉ lớn mà không sợ chồng lấn các địa chỉ này lên các địa chỉ IP định tuyến toàn cầu. Có thể coi NAT là một router nối giữa hai mạng: mạng nội bộ intranet và mạng ngoài internet. Đối với mạng internet NAT phát đi địa chỉ IP định tuyến toàn cầu còn đối với mạng nội bộ intranet NAT phát đi địa chỉ riêng. Vì thế bên trong một mạng di động, nhà quản lý có thể đánh địa chỉ riêng cho các trạm di động (MS: Mobile Station) khác nhau. Nhiều địa chỉ riêng cuả các MS có thể được sắp xếp lên một hay nhiều địa chỉ toàn cầu khi phát ra mạng internet. Để phân biệt các MS, số cửa được sử dụng. Như vậy trên mạng internet mỗi MS được nhận dạng bởi hai số nhận dạng: địa chỉ internet toàn cầu (chung với nhiều MS khác) và số cửa (riêng cho mỗi internet). Một gói từ một MS trứơc khi đưa ra mạng internet ngoài được NAT

32


phiên dịch địa chỉ riêng cuả MS vào một địa chỉ IP định tuyến toàn cầu và một số cửa. Ngược lại một gói được gửi từ mạng internet ngoài vào cho MS được NAT phiên dịch vào địa chỉ riêng dựa trên địa chỉ định tuyến toàn cầu và số cửa. Chức năng NAT cũng thường được kết hợp trong tường lửa mà nhà quản lý mạng sử dụng để bảo vệ an ninh mạng. Thông thường một nhà khai thác hoạt động với địa chỉ mạng loại C chỉ có thể hỗ trợ 254 địa chỉ IP. Mạng UMTS cần phục vụ một số lượng lớn UE nối đến internet mà không cần số lượng lớn các địa chỉ IP công cộng. Dải địa chỉ được dành riêng cho việc sử dụng nội bộ được cho trong bảng 1.5. Bảng 1.5. Các địa chỉ riếng có thể tái sử dụng

Loại Các địa chỉ A B C

10.0.0.0 172.16.0-172.31.0.0 192.168.0.0-192.168.255,0

Các địa chỉ trong bảng 1.5 có thể được chọn để sử dụng nội bộ trong mạng

riêng cuả một nhà khai thác. Để giải quyết vấn đề thiếu hụt địa chỉ, nhà khai thác phải ấn định các địa chỉ IP

nội bộ riêng cho UE khi tích cực PDP context (thường điều này đựơc thực hiện bởi DHCP). Khi người sử dụng nối đến Internet, NAT thực hiện chuyển đổi địa chỉ riêng này thành địa chỉ công cộng để có thể định tuyến được trong mạng Internet. Dạng NAT đơn giản nhất là phiên dịch cố định: tồn tại quy định chuyển đổi cố định giữa địa chỉ IP riêng và địa chỉ IP công cộng. Dạng này thường được sử dụng cho các server truy nhập công cộng (cổng WAP chẳng hạn). Các server này được đặt cố định, tiếp nhận các kết nối đến nó và chuyển đổi địa chỉ nội bộ thành địa chỉ ngoài. Tuy nhiên dạng này không phù hợp với các UE vì các UE này chỉ được ấn định địa chỉ khi nó cần kết nối đến internet. Trong trường hợp này người ta sử dụng phiên dịch động, trong đó các UE chia sẻ chung một địa chỉ ngoài (địa chỉ IP công cộng) bằng cách sử dụng địa chỉ riêng. Trong trường hợp này để đảm bảo phiên dịch địa chỉ đúng, các địa chỉ IP nội bộ khác nhau đựơc chuyển đổi vào các số cửa khác nhau trong router. NAT này thường đựơc đặt bên trong GGSN, nhưng nó cũng có thể đựơc đặt riêng hay có thể kết hợp với tường lửa. Phiên dịch động đôi khi đựơc gọi là NAPT (Network Address and Port Translation), nhưng cách gọi phổ biến hơn vẫn là NAT. Các gói TCP hay UDP có giá trị cửa 16 bit cho phép tạo ra 216=65 536 cửa trên một đại chỉ IP. Các cửa thấp hơn 1024 được gọi là các cửa biết rõ và được sử dụng cho các dịch vụ đặc thù. Các cửa cao hơn dải này được sử dụng cho NAT. Ta xét thí dụ trên hình 1.9. Nhà khai thác sử dụng địa chỉ riêng loại A 10.0.0.0 làm địa chỉ nội bộ và có địa chỉ công cộng loại C là 212.56.65.0 và UE được ấn định địa chỉ IP 10.1.1.102 bởi DHCP. Người sử dụng nối đến web server ngoài có địa chỉ 135.237.78.6:80, trong đó 80 để nhận dạng

33


dịch vụ HTTP. UE gửi đi yêu cầu truy nhập HTTP trên web server theo địa chỉ được cấp phát là 10.1.1.102:1345, trong đó 1345 là số cửa. Tại NAT, địa chỉ trong cuả yêu cầu đựơc dịch thành địa chỉ ngoài loại C 212.56.65.10 với số cửa 16456. Web server sẻ trả lời theo địa chỉ loại C này và NAT phiên dịch nó vào địa chỉ trong 10.1.1.102:1345.

Mỗi khi một kết nối TCP được thiết lập, mục chuyển đổi cửa được tạo ra trong bảng tra cứu và khi kết thúc kết nối TCP mục này sẽ bị xóa. Còn có một dạng NAT nữa là phiên dịch cân bằng tải, trong đó một router co thể mở rộng các kết nối của một server quá bận đến một số server cùng chức năng khác và mỗi server này có địa chỉ duy nhất. Trường hợp này thường xẩy ra khi truy nhập đến một web server bận trên internet. Router sẽ kiểm tra xem server nào ít bận nhất và đặt phiên dịch IP cho server này. Cần lưu ý rằng cân bằng tải thường được xây dựng theo phương pháp riêng và các server cần thông tin về mức độ khả dụng của chúng cho router trong khuôn dạng mà router hiểu được.

Một mạng sử dụng NAT có thể đảm bảo đánh địa chỉ cho trên 16 triệu UE. Hạn chế lớn nhất của dịch vụ NAT là công suất xử lý nhất là khi dịch vụ này được đặt trong thiết bị phải thực hiện các dịch vụ khác chẳng hạn GGSN này tường lửa. Ngoài ra sử dụng NAT cho UDP cũng dẫn đến vấn đề cần xử lý. Vì UDP không theo nối thông, NAT không có một thông tin nào về phiên để thông báo cho nó xóa mục phiên dịch. Trong trường hợp UDP, người ta phải sử dụng cơ chế tạm ngưng để xác định khi nào kết thúc và loại bỏ phiên dịch.

Hình 1.9. Mô tả hoạt động của NAT 1.9.3. Đánh địa chỉ IP trong IPv6 Trường địa chỉ nguồn và nhận trong trong IPv6 là một trường 128 bit để nhận dạng nguồn phát gói và để nhận dạng nơi thu gói.

34


Địa chỉ IPv4 thường được biểu diễn bởi các số thập phân được phân cách bằng dấu chấm. 32 bit địa chỉ được chia thành bốn đoạn tám bit phân cách với nhau bởi dấu chấm, trong đó mỗi đoạn được thể hiện bằng một số thập phân nằm trong dải từ 0 đến 255, chẳng hạn: 152.226.51.126. Cách trình bầy này không thích hợp cho IPv6 vì các địa chỉ IP của nó dài 128 bit, nên IPv6 sử dụng cách trình bày địa chỉ khác (RFC 2373). Phương pháp trình bày thích hợp nhất là: x:x:x:x:x:x:x:x Trong đó x là một đoạn 16 bit được thể hiện ở cơ số 16. Thí dụ địa chỉ IPv6 có dạng sau: DEFC:A9BE:1236:DE89:D7FE:4535:908A:4DEF Ta thấy rằng các đoạn 16 bit được phân cách nhau bởi dấu hai chấm và mỗi đoạn được thể hiện bằng bốn chữ số cơ số 16. Nếu có các đoạn chứa các số đầu bằng không thì các số không này có thể bỏ qua, thí dụ: DEC5:0000:0000:0000:0009:0600:3EDC:AB41 có thể trình bày đơn giản là: DEC5:0:0:0:9:600:3EDC:AB41 Nếu có nhiều đoạn liên tiếp chỉ chứa toàn không thì có thể biểu diễn đơn giản các đoạn bằng bằng dấu hai chấm kép “::”, thí dụ: DEC5::9:600:3EDC:AB41 Chỉ được sử dụng dấu hai chấm kép một lần trong một địa chỉ mặc dù có thể xuất hiện các xâu không trước và sau trong địa chỉ. Thí dụ địa chỉ sau: 0:0:0:0:0:0:0:1 Có thể viết đơn giản là: ::1 Không gain địa chỉ của IPv6 cho phép giải quyết vấn đề thiếu hụt địa chỉ trong IPv4. Tuy nhiên do hiện nay trên thế giới còn có quá nhiều IPv4 router nên việc thay thế IPv4 băng IPv6 đòi hỏi thời gian. Trong giai đoạn quá độ này cần có các giải pháp để chuyển đổi giữa IPv4 và IPv6. Một số giải pháp chuyển đổi được sử dụng như: lớp IP kép (trong đó một trạm hỗ trợ cả IPv4 lẫn IPv6), truyền tunnel (trong đó gói IPv4 khi truyền trong miền IPv6 được đóng bao vào tiêu đề IPv6 và ngược lại) 1.9.4. Hệ thống tên miền (DNS) DNS (Domain Name System) chuyển đổi các tên ở dạng văn bản vào các địa chỉ IP và ngược lại. Nó tránh cho người sử dụng không phải nhớ địa chỉ IP khi truy nhập đến một dịch vụ nhất định bằng cách cung cấp tra cứu chuyển đổi giữa tên văn bản và địa chỉ IP. Phương pháp này giống như phương pháp trong thông tin di động, trong đó các người sử dụng có thể tìm đến đối tác của họ theo tên cuả các đối tác này còn sổ tay thoại lưu trong thiết bị sẽ đảm bảo việc chuyển đổi tên này vào số máy di động của đối tác. Chẳng hạn sử dụng DNS, tên website của một hãng có thể được tìm theo tên nằm giữa “www” và “com”. Người sử dụng chỉ việc đánh www.tên hãng.com

35


vào bộ trình duyệt. Sau đó địa chỉ này được đưa đến DNS server và server này có nhiệm vụ chuyển nó vào địa chỉ IP. Các tên miền được tổ chức và quản lý theo hình cây phân cấp. Hình 1.10 cho thấy một tập nhỏ của không gian đặt tên DNS. Không gian tên đối với DNS được chia nhỏ và được quản lý theo hình cây. Đây là tên miền. Quá trình dịch từ phía phải tên miền sang phía trái tên miền tương ứng với dịch từ phía trên cuả cây xuống các nhánh dưới. Thí dụ trên hình 1.9 ta thấy tên miền cam.ac.uk. Đây là miền của trường đại học Cambrridge và vì thế chịu sự quản trị của hệ thống quản trị mạng của trường đại học Cambridge. Miền này nằm bên trong ac.uk, ac.uk là miền được ấn định cho tất cả các cơ sở đại học trong nước Anh. Đến lượt mình ac.uk lại nằm trong miền uk, miền uk là miền dành cho tất cả các tên miền trong nước Anh. Việc phân đoạn không gian địa chỉ cho phép một nhà khai thác có thể ấn định các tên DNS mới mà không sợ gây ra chồng lấn các tên này (hai tổ chức có cùng một tên web server), vì không gian tên cuả họ được phân biệt bởi phần cuối của các địa chỉ DNS. Chẳng hạn trường đại học Cambrridge có thể tin chắc rằng địa chỉ của họ luôn khác với địa chỉ của trường đại học Oxford.

com

3com

my sg th uk

ox cam

ac

Gốc

Hình 1.10. Phân cấp không gian tên miền của DNS Khi chuyển tên DNS vào địa chỉ IP, client phải tham khảo DNS server. Hầu hết các client đều có địa chỉ DNS server mặc định được ấn định theo cấu hình. Nếu DNS server điạ phương không có quy định chuyển đổi cho địa chỉ DNS, nó sẽ sử dụng tên DNS để tìm ra nơi tra cứu quy định chuyển đổi này. Chẳng hạn khi cần chuyển đổi địa chỉ DNS www.3com.com, trước hết DNS server địa phương phải hỏi server gốc DNS của internet về địa chỉ của server có tên .com xử lý miền .com. Sau khi nhận được địa chỉ này, client hỏi server tên .com về địa chỉ về địa chỉ cuả server có tên .3com. Sau khi tìm được server có tên .3com, client hỏi nó về địa chỉ www.3com.com. Quá trình này được thực hiện từ gốc cây cho tất cả các tên và thực hiện quá trình này có thể là

36


client hoặc là một server khác đại diện cho nó. Khi một server tên ngoài thực hiện tất cả các công việc này đaị diện cho client, quá trình này được gọi là tra cứu DNS đệ quy. Tra cứu DNS đệ quy có lợi cho client bởi vì client không phải thực hiện quá nhiều việc và giảm lưu lượng nối vòng địa phương. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các client sử dụng đường truyền vô tuyến. Lưu ý rằng mọi server tên đều biết địa chỉ của server con (server phía dưới) nhưng không nhất thiết phải biết địa chỉ của server con của con của nó. Ngoài ra server tên phải biết địa chỉ của của server mẹ cuả mình (server phía trên) để nó có thể gửi các yêu cầu chưa hiểu đến cấp bậc DNS cao hơn. Trong GPRS, DNS được sử dụng để phân giải tên điểm truy nhập (APN: Access Point Name). APN xác định giao diện của GGSN với mạng ngoài mà người sử dụng sẽ nối đến. Quá trình tích cực ngữ cảnh giao thức gói số liệu (PDP context) sẽ thông báo cho mạng về APN yêu cầu và APN này được chuyển đổi vào địa chỉ IP của GGSN. 1.9.5. Giao thức phân giải địa chỉ (ARP) Giao thức ARP (Address Resolution Protocol) chịu trách nhiệm chuyển đổi các địa chỉ IP thành các địa chỉ MAC (Media Access Control: điều khiển truy nhập phương tiện). Chuyển đổi này rất quan trọng trong IP vì thực tế các khung được định tuyến đến nơi nhận trong mạng LAN chỉ sử dụng địa chỉ MAC thay vì địa chỉ IP. Địa chỉ MAC là một địa chỉ bao gồm 48 bit (6 byte) cài trong phần cứng của giao diện mạng, vì thế hai card giao diện không thể có chung một địa chỉ. Ba byte đầu của địa chỉ này chỉ thị nhà sản xuất và ba byte còn lại do nhà sản xuất quy đinh khi sản xuất ra card mới. Chẳng hạn, khi gửi đi một gói trên mạng ethernet, ta phải biết được cả địa chỉ MAC lẫn địa chỉ IP của nơi nhận. Hoạt động của giao thức này như sau. Một gói yêu cầu ARP được phát trên LAN trong đó địa chỉ MAC được đặt vào quảng bá (Broadcast). Bản tin quảng bá cũng chứa cả địa chỉ IP ra mạng ngoài cần thiết cho chuyển đổi. Địa chỉ quảng bá MAC bao gồm địa chỉ nơi nhận được đặt tất cả là 1 (FFFFFFFFFFFF). Tất cả các trạm trong LAN sẽ nhận và phân tích khung này nhưng chỉ một trạm nhận ra địa chỉ IP cuả nó trong yêu cầu và trạm này gửi đi trả lời đến phía phát. Trong trả lời, phía thu đặt vào đó địa chỉ MAC của chính mình. Khi đã có bản sao địa chỉ cứng (địa chỉ MAC), phía phát có thể gửi các gói trực tiếp đến địa chỉ IP này. Thực tế, ARP hoạt động cùng với bộ nhớ địa phương lưu các bản sao chuyển đổi ARP mới nhận. Bộ nhớ này cho phép giảm lưu lượng mạng và tăng hiệu năng. Hình 1.11 cho thấy một Ethernet nối đến Internet. Nếu một trạm có địa chỉ IP là 192.10.1.100 cần gửi một gói đến địa chỉ 192.10.1.1, gói sẽ được gửi như chỉ dẫn trong bảng 1.6. Nếu trạm 192.10.1.100 cần gửi một gói đến địa chỉ 166.10.10.1, địa chỉ này không nằm cùng mạng con. Gói này phải gửi qua router tại 192.10.1.254, vì thế yêu

37


cầu ARP sẽ dành cho địa chỉ Ethernet cuả router. Các bản tin được cho trong bảng 1.7. Khi này trạm sẽ gửi gói đến Ethernet theo địa chỉ 00800123ABDF. Lưu ý rằng khi máy có địa chỉ 192.10.1.100 gửi gói đến nơi nhận, mặc dù nó gửi gói theo địa chỉ Ethernet cuả router, địa chỉ IP sẽ được đặt vào 166.10.10.1 (địa chỉ nhận cuối cùng) chứ không phải địa chỉ IP của router.

Hình 1.11. Mô tả thí dụ về ARP và địa chỉ MAC: (1) nối giưã hai trạm bên trong ethernet, (2) nối với một trạm ngoài ethernet Bảng 1.6. Thí dụ ARP (1) Kiểu gói Địa chỉ IP

nhận Điạ chỉ MAC

nhận Địa chỉ IP

nguồn Địa chỉ MAC

nguồn Yêu cầu ARP Trả lời ARP

192.10.1.101 192.10.1.100

FFFFFFFFFFFF008001234567

192.10.1.100 192.10.1.101

008001234567 00AF01234567

Bảng 1.7. Thí dụ ARP (2) Kiểu gói Địa chỉ IP

nhận Điạ chỉ MAC

nhận Địa chỉ IP

nguồn Địa chỉ MAC

nguồn Yêu cầu ARP Trả lời ARP

192.10.1.254 192.10.1.100

FFFFFFFFFFFF008001234567

192.10.1.100 192.10.1.254

008001234567 008001234ABD

1.10. TRUYỀN TUNNEL IP TRONG IP IP in IP còn được ký hiệu là IPIP, là dịch vụ tunnel phổ biến nhất. Nó đóng bao các gói IP và một gói IP khác. Phương pháp đóng bao này được đặc tả trong [RFC2003] được phát triển cùng với [RFC2002] (tiêu chuẩn MIPv4 đầu tiên). Trong IPIP, tiêu đề ngoài của gói IP nhận dạng các địa chỉ của các điểm cuối tunnel, trong đó

38


địa chỉ nguồn là điạ chỉ của nơi đóng bao còn địa chỉ nhận là địa chỉ cuả nơi tháo bao (xem hình 1.12).

Hình 1.12. Đóng bao và tháo bao cho gói IP tròng quá trìn truyền tunnel Vì đôi khi việc đóng bao một gói IP vào một gói IP khác dẫn đến chi phí quá lớn, nhất là khi tải tin của các gói IP cần truyền tunnel quá nhỏ, nên cần định nghĩa thêm cách nén thông tin liên quan đến tiêu đề cuả gói IP bên trong. Cả hai giao thức IP in IP và đóng bao tối thiểu cho IP tunneling đều dựa trên các giao thức khác (chẳng hạn MIP) hay cung cấp phần tử mạng để thiết lập tunnel. IP in IP tự mình không an toàn và đòi hỏi IPsec cho chức năng này. Tổ hợp cả hai chức năng trên được gọi là chế độ tunnel IPsec. Giao thức truyền tunnel GPRS (GTP) Trong GPRS và UMTS để truyền các gói trên IP người ta sử dụng giao thức truỳen tunnel GTP (GPRS Tunneling Protcol). GTP được sử dụng cho các thủ tục báo hiệu trong mặt phẳng điều khiển (GTP-c) và truyền số liệu trong mặt phẳng người sử dụng(GTP-u) giữa các GSN. Nó cung cấp một tiêu đề và tiêu đề này cùng với tiêu đề TCP/UDP và IP cho phép nhận dạng nút hỗ trợ GPRS (GSN: GPRS Support Node) nhận và xử lý gói tại nơi nhận. Còn có một GTP khác được gọi là GTP' sử dụng cho giao thức tính cước. GTP' được sử dụng giữa các GSN và CGF. Trong mặt phẳng báo hiệu, GTP-c là một giao thức quản lý và điều khiển tunnel đươc sử dụng để tạo lập, thay đổi và xoá các tunnel giữa các GSN. Các thủ tục báo hiệu này bao gồm: yêu cầu PDP context, cập nhật PDP Context và xoá PDP Context. Các thủ tục này được sử dụng như là một bộ phận cuả thiết lập phiên hay quản lý di động giữa SGSN và MS. Trong mặt phẳng người sử dụng, GTP-u cung cấp một tiêu đề để để truyền tunnel. Ngoài truyền tunnel, GTP-u cung cấp các tính năng như: truyền theo thứ tự và ghép các luồng. 1.11. IP DI ĐỘNG (MIP) 1.11.1. Nguyên lý MIP

39


MIP (Mobile Internet Protocol) cho phép giả quyết vấn đề người sử dụng trong mạng di động di chuyển ra khỏi mạng nhà nơi người này đăng ký địa chỉ IP. Vì nhiều người sử dụng internet di chuyển từ nơi này đến nơi khác, cần đảm bảo truy nhập các tài nguyên mạng và các dịch vụ thuận tiện cho họ khi di chuyển. Lý tưởng, một người sử dụng có thể nối đến một điểm truy nhập bất kỳ tại nơi mà ngừơi này đến hay sử dụng một kết nối di động một cách trong suốt đến mạng nhà của mình qua internet. Trở ngại ở đây là việc đánh địa chỉ. Ta biết rằng địa chỉ của internet bao gồm 4 byte, chẳng hạn 152.226.23.45. Trong thí dụ này 152.226 nhận dạng mạng nhà của người sử dụng; tất cả các gói được gửi theo địa chỉ này được các router hướng đến mạng này. Nếu người sử dụng đang trực thuộc mạng này thì sẽ không có vấn đề gì. Tuy nhiên nếu người sử dụng di chuyển đến một mạng khác, chẳng hạn 145.67, thì các gói sẽ không bao giờ đến được người này. Sử dụng DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol: giao thức lập cấu hình máy động), một người sử dụng khi đăng nhập vào một mạng mới có thể nhận được một địa chỉ IP mới nhưng cũng không giải quyết được vấn đề này, vì địa chỉ này chỉ cho phép truy nhập đến mạng khách mà không cho phép truy nhập đến mạng nhà (và thực tế đối tác chỉ biết địa chỉ mạng nhà của anh ta). Vậy trong thực tế vấn đề này đã được giải quyết MIP như thế nào?. Hình 1.13 cho thấy cách giải quyết của MIP. Mạng nhà phải có một tác nhân nhà (HA: Home Agent) và mạng khách phải có một tác nhân ngoài (FA: Foreign Agent). Khi máy tính đăng nhập đến mạng khách, nó sẽ tiếp xúc với FA bằng cách phát đi bản tin khẩn nài yêu cầu quảng cáo từ phía FA (hay đợi cho đến khi FA tự phát đi quảng cáo). Trong quảng cáo của mình, FA sẽ cung cấp một danh sách các chăm sóc địa chỉ (CoA: Care of Address), các CoA này sẽ được nút di động sử dụng khi nó nằm trong mạng ngoài.

40


Router

165.5.5.2 128.4.5.6 165.5.5.2128.4.5.6

NguồnĐích NguồnĐích

Node đối tác7 4

Router

Mạng khách192.4.5.0

Internet

Mạng nhà128.4.0.0

Tác nhân ngoài

Tác nhân nhàNode di động

128.4.5.6

192.4.5.6

165.5.2.2

128.4.255.254

Gói tin IP Gói tin IP

Quảng cáoCoA= 192.4.5.6

Yêu cầu đăng kýCoA= 192.4.5.6

Địa chỉ nhà= 128.4.5.6Tác nhân nhà= 128.4.255.254

Số liệu nhận thực

Yêu cầu đăng kýCoA= 192.4.5.6

Địa chỉ nhà= 128.4.5.6Tác nhân nhà= 128.4.255.254

Số liệu nhận thực

Gói tin IP

128.4.255.254 128.4.5.6 165.5.2.2192.4.5.6

Đích ĐíchNguồn NguồnTiêu đề đường hầm Tiêu đề trong

Gói tin IP

128.4.5.6 165.5.2.2

Đích Nguồn

1

2

3

5

6

Hình 1.13. Hoạt động của MIP. 1.11.2. Định tuyến MIP Trong MIP, mỗi người sử dụng khi di chuyển vào mạng khách sẽ đăng ký CoA với HA của mình. Liên kết giữa CoA với người sử dụng được gọi là ràng buộc (binding) địa chỉ nhà người sử dụng. Khi các gói được gửi đến máy của người sử dụng, HA sẽ nhận chúng, sau đó chuyển chúng đến FA theo CoA. Mỗi gói sau đó được đóng bao vào một tiêu đề IP ngoài và được truyền tunnel từ HA đến FA. Bằng cách này gói gốc không bị thay đổi và quá trình di động trở nên trong suốt đối với các máy đầu cuối. Khi FA nhận được gói tại đầu cuối tunnel, nó loại bỏ tiêu đề ngoài và chuyển nội dung thẳng đến người sử dụng. Tại phương ngược lại, các gói có thể được gửi thẳng đến máy đối tác và không cần phải truyền qua mạng nhà của người sử dụng. Hình 1.13 mô tả chi tiết các bước nói trên trong MIP như sau:

41


1. Khi di chuyển vào mạng khách, máy di động nhận được quảng cáo chứa địa chỉ CoA 192.4.5.6

2. Máy di động phát yêu cầu đăng ký CoA, địa chỉ HA (128.4.255.254), địa chỉ nhà của máy (128.4.5.6) và số liệu nhận thực đến FA. Bản tin này chứa cả thời hạn hiệu lực của ràng buôc (không chỉ ra trên hình vẽ)

3. FA chuyển yêu cầu đăng ký đến HA. Sau đó HA sử dụng thông tin này để tạo lập ràng buộc giữa địa chỉ nhà của nút di động (128.4.5.6) và CoA (192.4.5.6)

4. Gói được gửi từ nút đối tác đến nút di động theo địa chỉ nhà của nút này (128.4.5.6) và được HA thu nhận

5. HA truyền tunnel gói này đến FA theo CoA đăng ký 6. FA nhận gói, loại bỏ tiêu đề ngoài rồi chuyển nó đến nút di động theo địa chỉ

192.4.5.6) 7. Máy di động gửi gói trả lời trực tiếp đến máy đối tác. Vì các yêu cầu đăng ký MIP được sử dụng để thay đổi định tuyền các gói di động, nên các đăng ký lừa đảo (từ các người sử dụng không được phép) có thể được sử dụng để dẫn đến tấn công từ chối dịch vụ (DoS) trên mạng. Vì thế các bản tin đăng ký MIP đều chứa một trường nhận thực. Trường này được tạo ra bằng cách sử dụng một bí mật chia sẻ giữa ngừơi sử dụng di động và HA của họ. Khi HA nhận được một bản tin đăng ký, nó phải kiểm tra trường nhận thực, nếu nhận thấy trường này sai, yêu cầu bị lọai. 1.11.3. Định tuyến truyền tunnel ngược Từ hình 1.14 ta thấy nút di động gửi thẳng gói của mình đến đối tác theo địa chỉ nguồn không hợp lệ. Tiền tố mạng của gói này là 128.4 vì đây là địa chỉ mạng nhà của máy. Tuy nhiên hiện nay máy đang nằm tại mạng có tiền tố 192.4.5 và vì thế các địa chỉ này không giống nhau. Các thiết bị an ninh thông thường (tường lửa chẳng hạn) sẽ loại bỏ các gói có các địa chỉ nguồn IP không hợp lệ. Biện pháp này nhằm bảo vệ mạng khỏi một nguồn phát tấn công DoS. Để tránh vấn đề này, người ta đưa ra sơ đồ định tuyến truyền tunnel ngược. Trong sơ đồ này, các gói theo chiều ngược từ máy di động đến máy đối tác sẽ được truyền tunnel từ FA đến HA. HA loại bỏ tiêu đề tunnel sau đó chuyển chúng đến nơi nhận cuối cùng. 1.11.4. Định tuyến tối ưu Từ hình 1.12 ta thấy rằng tuyến truyền các gói từ nút đối tác đến nút di động là không tối ưu. Lý do vì nút đối tác không biết được CoA của nút di động. Vì thế sơ đồ định tuyến tối ưu đã được đề xuất. Sơ đồ này cho phép nút di động cập nhật trực tiếp

42


ràng buộc CoA của mình cho nút đối tác. Các bước định tuyến tối ưu được mô tả trên hình 1.13.

Hình 1.14. Định tuyến tối ưu trong MIP Các bước định tuyến tối ưu trên hình 2.45 như sau: 1. Gói đầu tiên được gửi từ máy đối tác đến HA sau đó HA chuyển nó qua FA đến

nút di động 2. Nút di động phát cập nhật ràng buộc đến máy đối tác chứa ràng buộc giữa CoA và

địa chỉ nhà của nó 3. Máy đối tác gửi các gói thẳng đến CoA của người sử dụng Tuy nhiên việc sử dụng định tuyến tối ưu gập trở ngại về các vấn đề nhận thực. Cần nhận thực cập nhật ràng buộc (để chống lại các tấn công DoS). Nếu ta không nhận thực các cập nhật này, kẻ tấn công có thể gửi đến các ràng buộc giả mạo để đánh lừa máy đối tác và máy này sẽ gửi các gói đến địa chỉ sai. Việc nhận thực giưã nút di động và HA là rất đơn giản: hai nút này chỉ cần được lập cấu hình để có chung một bí mật chia sẻ. Nhận thực giữa nút di động mà máy đối tác khó hơn nhiều, vì đối tác có thể là một máy bất kỳ trên mạng. Lập cấu hình để hai nút này cùng có một bí mật chia sẻ là điều không thực tế. Hiện nay IETF đang nghiên cứu để khắc phục được an ninh cho định tuyến tối ưu. 1.11.5. MIP cho IPv6 Trong MIPv6 không cần sử dụng FA và chăm sóc địa chỉ đồng vị trí (CCOA) tại máy di động được sử dụng thay cho COA. MIPv6 sử dụng ba bản tin sau: cập nhật ràng buộc, báo nhận ràng buộc và yêu cầu ràng buộc. Cập nhật ràng buộc có mục đích giống như yêu cầu đăng ký nhưng không chứa trường nhân thực. Lý do vì bản thân IPv6 đã hỗ trợ nhận thực bằng cách sử dụng

43


IPSec trong tiêu đề mở rộng (AH hay ESP). Cập nhật ràng buộc được gửi đến các tác nhân nhà của người sử dụng và chúng cũng có thể được gửi thẳng đến máy đối tác (để đạt được định tuyến tối ưu). Tuy nhiên vẫn còn tồn tại vấn đề nhận thực cho định tuyến tối ưu. Lý do vì một nút di động chỉ có thể gửi các cập nhật ràng buộc đến các máy đối tác khi chúng có thể tạo lập một liên kết an ninh IPSec. Mỗi cập nhật ràng buộc được đáp lại bằng một báo nhận ràng buộc để đảm bảo sự tin cậy. Cuối cùng, yêu cầu ràng buộc được máy đối tác gửi đi để yêu cầu một cập nhật mới, thí dụ, khi máy đối tác có một CCOA cho nút di động sắp hết hạn. Nút di động sẽ đáp lại bằng bằng một cập nhật ràng buộc mới. Tóm lại, MIPv6 đơn giản và rễ mở rộng hơn MIPv4. Nó sử dụng các cơ chế an ninh có sẵn bên trong của IPv6 (IPSec) và chứa tiêu chuẩn định tuyến tối ưu bên trong nó. 1.11.6. Chuyển giao FA và MIP Khi một nút di động trong mạng thông tin di động di chuyển từ một FA này sang một FA khác, nó phải tiếp xúc với FA này và kết nối đến HA phải được thiết lập lại. Tuy nhiên lúc đầu các gói có thể vẫn có thể được chuyển đến FA cũ vì chúng chưa biết được CoA của FA mới. Để đảm bảo chuyển đổi êm ả không mất gói ta cần có hệ thống chuyển giao. Để tránh mất gói cần phải có một thời gian chuyển đổi để HA có thể hỗ trợ các đăng ký đồng thời cho cả hai FA. (xem hình 1.15).

Bảng ràng buộcĐịa chỉ nhà CoA128.0.1.2 192.6.7.8128.0.1.2 192.9.5.4

Tác nhân ngoài

Tác nhân ngoài

Tác nhân nhà

Node di động128.0.1.2

Tác nhân nhà có nhiều ràng buộc và sẽ gửi các gói tới tác nhân ngoài

phục vụ cả 2 ô. Hình 1.15. Chuyển giao MIP Cờ S trong yêu cầu đăng ký cho phép HA hỗ trợ đồng thời nhiều ràng buộc. Cờ S được lập bằng 1 để chỉ thị cho HA bổ sung thêm một ràng buộc mới nhưng vẫn duy trì ràng buộc hiện có. Thủ tục chuyển giao êm ả như sau:

1. Tiếp xúc với FA mới để nhận được địa chỉ CoA mới trước khi chuyển giao xẩy ra

2. Đăng ký COA mới với HA bằng cách đặt bit S bằng 1. Sau đăng ký, HA sẽ chuyển các gói đến cả hai tế bào

44


3. Sau khoảng thời gian quá độ để chuyển giao đến tế bào mới, nút di động đăng ký lại CoA mới với bit S đặt bằng 0 để loại bỏ ràng buộc cũ.

1.11.7. MIP cho cdma2000 MIP được sử dụng trong cdma2000. FA được đặt tại PDSN và hỗ trợ các chức năng chính sau:

Định tuyến đến MS từ HA Định tuyến ngược đến HA Chuyển giao giữa các PDSN không cần sự tham gia của mạng nhà Thiết lập liên kết an ninh IPSec với tác nhân nhà Ấn định địa chỉ nhà động Dịch vụ AAA cho các người sử dụng khách

MIP trong cdma2000 cung cấp chức năng giống như GTP trong UMTS. Cả hai đều hỗ trợ chuyển dịch người sử dụng trong RAN mà không cần thay đổi địa chỉ IP. Điểm khác biệt là ở chỗ MIP cho phép người sử dụng chuyển dịch ra ngoài mạng TTDĐ nhưng vẫn duy trì khả năng kết nối. Trái lại GTP tunnel chỉ tồn tại trong mạng của nhà khai thác và vì thế không thể hỗ trợ định tuyến di động khi người sử dụng đăng nhập mạng bằng phương pháp khác với GPRS. 1.11.8. MIP cho UMTS Nghiên cứu tính khả thi khi sử dụng MIP trong UMTS để hỗ trợ truyền tunnel và quản lý di động được thể hiện trong TS23.923 của 3GPP. Khuyến nghị này mô tả hai kiến trúc. Kiến trúc thứ nhất xếp chồng MIP lên mạng GPRS hiện thời để hỗ trợ di động rộng khắp. Kiến trúc này cho phép luôn luôn nối được đến người sử dụng cho dù người này sử dụng kết nối bằng GPRS hay các phương tiện khác. Đây là một kiến trúc MIP thông thường trong đó chức năng FA được đặt trong GGSN. Trong trường hợp này, GGSN phát đi quảng cáo khi nhận được yêu cầu PDP context. Vì không phải mọi GGSN đều hỗ trợ di động IP nên việc chọn dịch vụ này dựa trên APN của yêu cầu gốc. Kiên trúc thứ hai thay thế toàn bộ GTP bằng MIP. Trong trường hợp này SGSN và GGSN được kết hợp vào một nút hỗ trợ Internet GPRS (IGSN). IGSN sẽ hoạt động như một FA cung cấp tunnel để chuyển gói giữa nó và HA của người sử dụng. TS 23.923 chỉ là một nghiên cứu khả thi chứ chưa phải là một yêu cầu bắt buộc đối với UMTS.

45


1.12. CẤU HÌNH ĐỊA LÝ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải được tổ chức theo một cấu trúc địa lý nhất định để mạng có thể theo dõi được vị trí của thuê bao. 1.12.1. Phân chia theo vùng mạng Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào đó phải được thực hiện thông qua tổng đài cổng. Các vùng mạng di động được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC. Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến đến GMSC. Tổng đài này làm việc như một tổng đài trung kế vào cho mạng GSM/PLMN. Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di động. GMSC cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngoài đến nơi nhận cuối cùng: các tram di động bị gọi. 1.12.2. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR Một mạng thông tin di động được phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 1.16). Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR.

MSC1 VLR1

MSC3 VLR3

MSC2 VLR2

MSC4 VLR4

I II

III IV

Hình 1.16. Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR

Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động cần gọi. Ở mỗi vùng phục vụ MSC/VLR thông tin về thuê bao được ghi lại tạm thời ở VLR. Thông tin này bao gồm hai loại:

• Thông tin về đăng ký và các dịch vụ của thuê bao. • Thông tin về vị trí của thuê bao (thuê bao đang ở vùng định vị nào).

1.12.3. Phân chia theo vùng định vị

46


Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị: LA (Location Area) (hình 1.17).

MSC VLR

LA1 LA2 LA3

LA4 LA5 LA6

Hình 1.17. Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR thành các vùng định vị (LA) Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do và không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR quản lý vị trí này. Có thể nói vùng định vị là vị trí cụ thể nhất của trạm di động mà mạng cần biết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nó. Ở vùng định vị này thông báo tìm sẽ được phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị (LAI: Location Area Identity). Vùng định vị có thể bao gồm một số ô và thuộc một hay nhiều BSC, nhưng chỉ thuộc một MSC. 1.12.4. Phân chia theo ô Vùng định vị được chia thành một số ô (hình 1.18).

MSC VLR

LA1 LA2 LA3

LA4 LA5

LA6

ô1ô2 ô3

ô4 ô5 ô6

Hình 1.18. Phân chia LA thành các ô

47


Ô là một vùng phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI: Cell Global Identity). Trạm di động nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC: Base Station Identity Code). Vùng phủ của các ô thường được mô phỏng bằng hình lục giác để tiện cho việc tính toán thiết kế. 1.12.5. Mẫu ô Mẫu ô có hai kiểu: vô hướng ngang (omnidirectional) và phân đoạn (sectorized). Các mẫu này được cho trên hình 1.19.

a) Ô vô hướng ngang b) Ô phân đoạn

Hình 1.19. Các kiểu mẫu ô Ô vô hướng ngang (hình 1.18a) nhận được từ phát xạ cuả một anten có búp sóng tròn trong mặt ngang (mặt phẳng song song với mặt đất) và búp sóng có hướng chúc xuống mặt đất trong mặt đứng (mặt phẳng vuông góc với mặt đất) Ô phân đoạn (hình 1.18b) là ô nhận được từ phát xạ của ba anten với hướng phát xạ cực đại lệch nhau 1200. Các anten này có búp sóng dạng nửa số 8 trong mặt ngang và trong mặt đứng búp sóng của chúng chúc xuống mặt đất. Trong một số trường hợp ô phân đoạn có thể được tạo ra từ phát xạ của nhiều hơn ba anten. Trong thực tế mẫu ô có thể rất đa dạng tùy vào địa hình cần phủ sóng. Tuy nhiên các mẫu ô như trên hình 1.18 thường được sử dụng để thiết kế cho sơ đồ phủ sóng chuẩn. 1.12.6. Phân chia theo vùng định tuyến (RA) Trong các kiến trúc mạng bao gồm cả miền chuyển mạch kênh và miền chuyển mạch gói, vùng phục mạng không chỉ được phân chia thành các vùng định vị (LA) mà còn được phân chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area). Các vùng định vị (LA: Location Area) là khái niệm quản lý di động cuả miền CS kế thừa từ mạng GSM. Các vùng định tuyến (RA: Routing Area) là các thực thể của miền PS. Mạng lõi PS sử dụng RA để tìm gọi. Nhận dạng thuê bao P-TMSI (Packet- Temporary Mobile

48


Subsscriber Identity: nhận dạng thuê bao di động gói tạm thời) là duy nhất trong một RA. Trong mạng truy nhập vô tuyến, RA lại được chia tiếp thành các vùng đăng ký UTRAN (URA: UTRAN Registration Area). Tìm gọi khởi xướng UTRAN sử dụng URA khi kênh báo hiệu đầu cuối đã được thiết lập. URA không thể nhìn thấy được ở bên ngoài UTRAN.

Quan hệ giữa các vùng được phân cấp như cho ở hình 1.20 (ô không được thể hiện). LA thuộc 3G MSC và RA thuộc 3G SGSN. URA thuộc RNC. Theo dõi vị trí theo URA và ô trong UTRAN được thực hiện khi có kết nối RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) cho kênh báo hiệu đầu cuối. Nếu không có kết nối RRC, 3G SGSN thực hiện tìm gọi và cập nhật thông tin vị trí được thực hiện theo RA.

LA (çc LA) ®−îc xö lý bëi mét MSCRA (çc RA) ®−îc xö lý bëi mét SGSNLA (çc LA) vµ RA (çc RA) ®−îc xö lý bëi mét SGSN

Hình 1.20. Các khái niệm vùng của 3G WCDMA UMTS. 1.13. TỔNG KẾT Chương này trước hết xét quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G. Các hệ thống 1G là các hệ thống tương tự dựa trên đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) được thiết kế để truyền thoại với tốc độ thấp. 1G có dung lượng thấp. Các hệ thống TTD Đ 2G được thiết kế trước hết là để giải quyết vấn đề dung lượng thấp của 1G. Các hệ thống 2G là các hệ thống số dựa trên các phương thức đa truy nhập tiên tiến hơn như TDMA và CDMA. 2G được thiết kế cho thoại tốc độ cao hơn (13 kbps) vào cho phép truyền số liệu với sử dụng modem. Nhu cầu phát triển các dịch vụ IP trong thông tin di động đã dẫn đến sự ra đời cuả các hệ thống TTDĐ 3G. Các hệ thống 3G đều sử dụng công nghệ đa truy nhập CDMA và cho tốc độ truyền số liệu cao lên đến 384kbps. Các cải tiến của các hệ thống này cho tốc độ lên đến trên 10 Mbps. Để đạt được truy nhập băng rộng lên đến 100 Mbps người ta đang nghiên cứu 4G.

49


50

Tiếp theo chương này đề cập đến các kiến trúc của các hệ thống thông tin di động 2G và 3G như: GSM, GPRS, UMTS và cdma20001x. Nếu 2G chỉ dựa trên chuyển mạch kênh (CS), thì để đáp ứng truyền số liệu gói cho các dịch vụ IP, 3G đưa thêm miền chuyển mạch gói (PS) trong giai đoạn đầu và sau đó toàn bộ chuyển mạch sẽ là gói. Các phần sau trình bày đến các vấn đề liên quan đến nối mang di động dựa trên IP. Các vấn đề chính được xét trong các phần này là: đánh địa chỉ IP, truyền tunnel và giao thức internet di động (MIP). Phần cuối của chường này xét phân chia vùng địa lý trong các mạng thông tin di động. Khác với các máy cố định các máy di động thường xuyên thay đổi vị trí vì thế mỗi vị trí cần được đánh số để mạng có thể dễ ràng tìm gọi máy di động. Phân chia vùng địa lý giúp cho việc đánh số các vị trí trong mạng di động đựơc thuận tiện. 1.14. CÂU HỎI 1. Trình bày quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G. 2. Trình bày kiến trúc mạng GSM. 3. Trình bày kiến trúc mạng GPRS. 4. Trình bày kiến trúc mạng 3G UMTS R3 5. Trình bày kiến trúc mạng 3G UMTS R4 6. Trình bày kiến trúc mạng 3G UMTS R5 7. Trình bày kiến trúc mạng 3G cdma20001x 8. Trình bày các điểm mới của kiến trúc mạng cdma2000 1xEVDO 9. Trình bày đánh địa chỉ IP trong IPv4 10. Trình bày đánh địa chỉ IP trong IPv6 và các biện pháp chuyển đổi địa chỉa giữa

IPv4 và IPv6 11. Trình bày kỹ thuật truyền tunnel IP trong IP 12. Trình bày chức năng giao thức GTP trong GPRS và UMTS 13. Trình bày MIP 14. Trình bày ứng dụng MIP trong 3G UMTS 15. Trình bày ứng dụng MIP trong cdma20001x

Chương 2. Các sơ đồ xử lý tín hiệu đa phương tiện và dịch vụ trong các hệ thống TTDĐ

Chương 2

CÁC SƠ ĐỒ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN VÀ DỊCH VỤ

TRONG CÁC HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG


• Xử lý ảnh và tiếng nói, âm thanh cho các HTTTDĐ (hệ thống thông tin di động)

• Các CODEC tiếng được sử dụng trong các HTTTDĐ • Sơ đồ xử lý tín hiệu đa phương tiện trong các HTTTDĐ • Các phương pháp cung cấp dịch vụ thông tin di động • Các phương pháp phân bố dịch vụ IP đa phương tiện, • Truyền bản tin đa phương tiện (MMS) .




• Hiểu được các công nghệ xử lý ảnh, tiếng và âm thanh trong thông tin di động • Hiểu được các công nghệ tạo lập và phân bố nội dung trong các hệ thống thông

tin di động • Hiểu được các sơ đồ cung cấp dịch vụ IP đa phương tiện trong thông tin di động

2.2. MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin di động thế hệ sau cho phép truyền dẫn số liệu tốc độ cao đặt nền tảng cho thông tin đa phương tiện trong các môi trường di động. Để xử lý đa phương tiện phù hợp với thông tin di động cần xét đến các đặc tính và hạn chế của truy nhập vô tuyến. Trong chương này trước hết ta xét công nghệ cơ sở xử lý tín hiệu để thực hiện thông tin đa phương tiện. Phần đầu bao gồm mô tả công nghệ, các đặc tính và khuynh hướng phương pháp mã hoá ảnh của nhóm chuyên gia hình ảnh động (MPEG-4:

51


Moving Picture Experts Group-4), mã hoá tiếng đa tốc độ thích ứng (AMR: Adaptive MultiRate) và 3G-324. MPEG-4 được coi như là công nghệ then chốt đối với các hệ thống thông tin di động thế hệ sau được phát triển để sử dụng trong thông tin di động và được tiêu chuẩn hoá trên cơ sở các phương pháp mã hoá hiện có khác nhau. AMR có chất lượng cao được thiết kế để sử dụng cho các điều kiện khác nhau như trong nhà và di động. 3G-324M được 3GPP tiếp nhận như là một công nghệ của hệ thống đầu cuối để thực hiện các dịch vụ nghe nhìn. 2.3. XỬ LÝ ẢNH Phương pháp mã hoá ảnh MPEG-4 được sử dụng trong các dịch vụ 3G khác nhau như điện thoại có hình và phân phối truyền hình. MPEG-4 được xây dựng trên quan điểm kết hợp các công nghệ mã hoá ảnh hiện có. Phần này sẽ giải thích các công nghệ phần tử và các đặc trưng khác nhau cuả các phương pháp mã hoá ảnh được phát triển trước MPEG-4. 2.3.1. Các công nghệ thành phần của mã hoá ảnh Thông thường tín hiệu ảnh chứa khoảng 100Mbps thông tin. Để xử lý các tín hiệu ảnh, các phương pháp mã hoá ảnh hiệu suất khác nhau đã được nghiên cứu trên cơ sở sử dụng các đặc tính có lợi của hình ảnh. Các công nghệ thành phần của các phương pháp này bao gồm dự đoán chuyển động giữa các khung, biến đổi Cosin rời rạc (DCT: Discrete Cosin Transform) và mã hoá độ dài khả biến. Dự đoán nén chuyển động giữa các khung

Dự đoán nén chuyển động giữa các khung là một kỹ thuật sử dụng để xác định tần suất và phương mà một bộ phận đặc thù của ảnh có thể di chuyển trên cơ sở tham khảo các ảnh trước và sau đó thay cho việc phải mã hoá từng ảnh (hình 2.1). Phương và đại lượng chuyển động (vectơ chuyển động) thay đổi phụ thuộc vào khối của từng khung. Vì thế một khung được chia thành khối có kích thước 16x16 pixel (được gọi là khối vĩ mô) để nhận được vectơ chuyển động cho từng khối. Sự khác nhau giữa các khối vĩ mô của khung xét và khung trước được gọi là sai số dự dáo. DCT được xét dứơi đây áp dụng cho sai số này.

52


Khung hiÖn t¹i Khung tiÕp theo

(Sù chuyÓn ®éng cña m¸y bay kh¸c nhautrong hai khung)

Hình 2.1. Ý tưởng cơ bản của dự đoán nén chuyển động giữa các khung DCT

Mỗi khung trong video được biểu diễn bằng tổng các trọng lượng của tập hợp các phần tử ảnh từ đơn giản (các phần tử tần số thấp) đến các phức tạp (các phần tử tần số cao) (hình 2.2).

×= 1a ×+ 2a ×+ 3a

×+ 4a ×+ 5a ×+ 7a

Hình 2.2. Khái niệm phân chia màn hình thành các phần tử tần số Ta biết rằng thông tin chủ yếu tập trung ở miền tần số thấp và miền này đóng vai trò rất quan trọng. Mục đích của DCT là chỉ lấy ra các phần tử tần số quan trọng để thực hiện nén hình. Phương pháp này được tiếp nhận rộng rãi vì chuyển đổi vào miền tần số không gian cho phép truyền dẫn hiệu quả hơn. Trong thực tế DCT được áp dụng cho từng khối của khung với kích thước của mỗi khối là 8x8 pixel. Trên hình 2.2. "ai" ký hiệu cho hệ số DCT. Hệ số này lại được lượng tử hoá tiếp và làm tròn đến mức lượng tử và sau đó áp dụng mã hoá độ dài khả biến. Mã hoá độ dài khả biến

Mã hoá độ dài khả biến được sử dụng để nén thông tin dựa trên cơ sở tính chất không giống nhau cuả các tín hiệu đầu vào. Phương pháp này gán các mã ngắn cho các giá trị tín hiệu thường xẩy ra và mã dài cho các giá trị tín hiệu ít xẩy ra. 53


Như đã nói ở phần trước, nhiều hệ số của các thành phần tần số cao bằng không trong quá trình làm tròn đến mức lượng tử thể hiện nó. Vì thế có rất nhiều trường hợp trong đó "tất cả các giá trị tiếp theo bằng không (EOB: End of Block= kết thúc khối)" hay " giá trị L đi sau một số các giá trị không". Cũng có thể nén thông tin bằng cách gán mã ngắn cho các tổ hợp thường xẩy ra của các số không (đoạn chay không) và giá trị L (mức). Các phương pháp được giải thích ở trên là các sơ đồ gán một mã cho một tổ hợp hai giá trị. Phương pháp này được gọi là mã hoá độ dài khả biến hai kích thứơc. 2.3.2. Các lĩnh vực áp dụng cho các phương pháp mã hoá video khác nhau Các phương pháp mã hoá video được tiêu chuẩn hoá quốc tế bao gồm H.261, MPEG-1, MPEG-2, H263 và MPEG-4. Hình 2.3 cho thấy các lĩnh vực có thể áp dụng được của từng sơ đồ. Các phần tiếp theo sẽ trình bầy cách thức mà các phương pháp này sử dụng các công nghệ thành phần nói trên để cải thiện hiệu suất nén và sự khác biệt về mặt chức năng cuả các phương pháp này.

ThÊp

Cao

ChÊ

t l−î

ng

10K 100K 1M 10M

MPEG-4

H.263

H.261

MPEG-1M

PEG-2

Tèc ®é truyÒn dÉn

Hình 2.3. Quan hệ giữa mã hoá video MPEG-4 và các tiêu chuẩn khác. Mã hoá video H.261 Phương pháp này là một tiêu chuẩn toàn cầu đầu tiên cho mã hoá video, được thiết kế để sử dụng trong điện thoại có hình và hội nghị video ISDN, được ITU-T tiêu chuẩn hoá vào năm 1990. Nội dung cuả phương pháp này như sau: 1. Dự đoán vectơ chuyển động của khối vĩ mô gồm 16x16 pixel theo đơn vị pixel

để thực hiện dự đoán nén chuyển động giữa các khung.

54


2. Áp dụng DCT cho sai lỗi dự đoán so với khung trước với kích thứơc 8x8pixel. Đối với các vùng chuyển động nhanh vượi quá một đại lượng sai lỗi dự đoán nhất định, không thực hiện dự đoán nén chuyển động giữa các khung. Thay vào đó 8x8 pixel DCT được áp dụng trong khung để tăng hiệu suất mã hoá.

3. Thực hiện mã hoá độ dài khả biến cho vectơ chuyển động nhận được từ nén chuyển động giưã các khung và kết quả xử lý DCT. Mã hoá độ dài khả biến hai kích thước được sử dụng cho kết quả xử lý DCT. H.261 giả thiết rằng sử dụng camera TV và monitor thông thường. Khuôn dạng

tín hiệu TV (số các khung và số các dòng quét) tuy nhiên thay đổi phụ thuộc vào các vùng khác nhau trên thế giới. Để phù hợp với thông tin quốc tế, các khuôn dạng này phải biến đổi vào một khuôn dạng chung trung gian. Khuôn dạng này được gọi là khuôn dạng trung gian chung (CIF: Common Intermediate Format) được xác định như sau: 352 (ngang) nhân 288 (đứng) pixel, cực đại 30 khung trong một giây và không đan xen. CIF một phần tư (QCIF: Quater CIF) có kích thước bằng 1/4 kích thước CIF cũng đã được định nghĩa tại cùng thời điểm và được sử dụng cho các ứng dụng mã hoá video. Mã hoá video MPEG-1/MPEG-2

MPEG-1 được tiêu chuẩn hoá bởi ISO/IEC (International Organization for Standardization/ International Electrotechnical Commission) vào năm 1993 để sử dụng cho các phương tiện lưu giữ như CD-ROM. Phương pháp mã hoá này được thiết kế để xử lý số liệu hình ảnh vào khỏang 1,5Mbps. Vì đây là sơ đồ mã hoá cho các phương tiện lưu giữ, nên các yêu cầu xử lý thời gian thực không được coi trọng như H.261, nên nó tăng thêm khả năng tiếp nhận các công nghệ mới đòi hỏi các khả năng như tìm kiếm ngẫu nhiên. Trong khi căn bản vẫn sử dụng cùng các công nghệ thành phần tử như H.261, MPEG-1 được bổ sung thêm các khả năng sau: 1. Định kỳ chèn thêm ảnh trong cùng một khung để phát lại bằng truy nhập ngẫu

nhiên 2. Nếu H.261 chỉ dự đoán vectơ chuyển động từ ảnh quá khứ để dự đoán nén

chuyển động giữa các khung (được gọi là dự đoán thuận), thì MPEG-1 còn cho phép dự đoán từ hình ảnh tương lai (được gọi là dự đoán ngược) trên cơ sở các đặc tính cuả phương tiện lưu giữ. Ngoài ra MPEG-1 ước tính dự đoán thuận, dự đoán ngược và lấy trung bình dự đoán ngược và dự đoán thuận và sau đó chọn một dự đoán có sai số dự đoán nhỏ nhất trong số ba giá trị này để cải thiện tỷ lệ nén.

3. Trong khi H.261 dự đoán vectơ chuyển động theo đơn vị 1 pixel, thì MPEG-1 đưa ra dự đoán theo dơn vị 0,5 pixel. Để đạt được điều này nó tạo ra một ảnh nội suy bằng cách lấy trung bình các pixel lân cận để tăng cường tỷ lệ nén.

55


Với ba khả năng bổ sung, MPEG-1 được sử dụng rộng rãi như một bộ mã hoá

video và phát lại cho các máy tính cá nhân. MPEG-2 là một phương pháp mã hoá video được phát triển có xét đến các yêu cầu cho viễn thông, quảng bá và lưu giữ. MPEG-2 được ISO/IEC tiêu chuẩn hoá vào năm 1996 và có cùng văn bản với ITUT H.262. MPEG-2 là sơ đồ mã hoá cho video từ 3 đến 20Mbps được sử dụng rộng rãi cho TV quảng bá, truyền hình độ phân giải cao (HDTV) và đĩa số đa năng số (DVD: Digital Versatile Disk). MPEG-2 thừa hưởng các công nghệ thành phần của MPEG-1 và có các tính năng sau: 1. Khả năng mã hoá hiệu qủa các ảnh đan xen trong các tín hiệu TV thông thường. 2. Chức năng điều chỉnh kích thước màn hình và chất lượng (được gọi là khả năng

định cỡ không gian và định cỡ SNR) khi yêu cầu bằng cách chỉ thu nhận phần số liệu được mã hoá.

Vì các khả năng được bổ sung cho các sử dụng khác nhau, nên cần đặc biệt lưu ý

để đảm bảo tính tương thích của số liệu được mã hoá. Để đảm bảo vấn đề này, MPEG-2 đã đưa ra các khái niệm mới như "hồ sơ" và "mức" để phân loại sự khác nhau cuả các khả năng và độ phức tạp xử lý. Các khái niệm này cũng được sử dụng trong MPEG-4. Mã hoá video H.263 Đây là phương pháp mã hoá video tốc độ cực thấp cho điện thoại có hình trên các mạng tương tự do ITU-T tiêu chuẩn váo năm 19912. Phương pháp này sử dụng modem 28,8 kbps và tiếp nhận một phần các công nghệ mới được phát triển cho MPEG-1. Dự đoán nén chuyển động giữa các khung theo đơn vị 0,5pixel là chức năng cơ sở bắt buộc. Một chức năng cơ sở khác là mã hoá ba kích thước gồm cả EOB cho phép mở rộng mã hoá độ dài khả biến hai kích thước thông thường (đoạn chạy và mức).Ngoài ra, dự đoán nén chuyển động giưã các khung theo đơn vị các khối 8x8 pixel và xử lý giảm méo khối trong các ảnh được bổ sung thêm như là các tuỳ chọn. Với các chức năng bổ sung này, H.263 hiện nay được sử dụng trong một số thiết bị cho điện thoại có hình và hội nghị truyền hình ISDN. 2.3.3. Mã hoá video MPEG-4 Mã hoá video MPEG-4 được phát triển trên cở sở rất nhiều cải thiện cho mã hoá H.263 bao gồm cả tăng cường chống lỗi. Phương pháp mã hoá này tương thích ngược với chức năng cơ sở của H263.

Nếu MPEG-2 được thiết kế chủ yếu để xử lý ảnh trên máy tính, phát quảng bá số và thông tin tốc độ cao, thì ngoài các dịch vụ này, MPEG-4 được tiêu chuẩn với tập

56


trung chủ yếu lên các ứng dụng viễn thông, nhất là thông tin di động. Năm 1999, MPEG-4 thiết lập một phương pháp mã hoá video rất tổng quát như là tiêu chuẩn ISO/IEC. Vì thế MPEG-4 được công nhận như là một công nghệ then chốt cho các dịch vụ đa phương tiện trên cơ sở hình ảnh bao gồm thư video, phân phối video và điện thoại có hình trong 3G (hình 2.4).

MPEG-4

M¸y tÝnh Qu¶ng b¸

Th«ng tin

Th«ng tin * §iÖn tho¹i cã h×nh di ®éng * Héi nghÞ video di ®éng

M¸y tÝnh * Th− video * §a ph−¬ng tiÖn theo yªu cÇu * Internet di ®éng

Qu¶ng b¸ * TV di ®éng * Ph©n phèi th«ng tin di ®éng (video vµ ©m thanh)

Hình 2.4. Phạm vi ứng dụng của MPEG-4. Hồ sơ và mức Để đảm báo tính trao đổi và tương tác của số liệu sau mã hoá, các chức năng cuả MPEG-4 được phân loại theo hồ sơ, còn mức độ phức tạp được phân lọai theo mức giống như ở MPEG-2. Các hồ sơ được định nghĩa gồm: đơn giản, lõi, chính và khả định cỡ đơn giản, trong đó hồ sơ đơn giản định nghĩa các chức năng chung. Dự đoán nén di động giữa các khung bằng 8x8pixel (được định nghĩa như là tuỳ chọn trong H.263) được coi như là hồ sơ đơn giản. Với hồ sơ đơn giản, các ảnh QCIF được xử lý theo mức 0 và 1 và CIF được xử lý theo mức 2. Các hồ sơ lõi và chính định nghĩa một vùng bất kỳ trong video như là một 'đối tượng" để cải thiện chất lượng ảnh hoặc kết hợp đối tượng này và số liệu được mã hoá khác. MPEG-4 cũng cung cấp các hồ sơ khác, chẳng hạn các hồ sơ được soạn thảo bằng các ảnh do máy tính tạo ra ( CG: Computer Generated).

2.3.4. Các tiêu chuẩn cho 3G Tiêu chuẩn điện thoại có hình 3GPP 3G-324M đòi hỏi chức năng cơ sở H.263 như là sơ đồ mã hoá video bắt buộc và đặc biệt coi trọng việc sử dụng hồ sơ đơn giản của MPEG-4 mức 0. Hồ sơ đơn giản chứa công cụ chống lỗi sau:

57


1. Đồng bộ lại: định vị các lỗi truyền dẫn bằng cách chèn mã đồng bộ lại vào số liệu được mã hoá độ dài khả biến và đặt nó vào vị trí tương ứng trong khung. Vì thông tin tiêu đề đi sau mã đồng bộ lại để đặc tả các thông số mã hoá, nên nó cho phép khôi phục nhanh trạng thái lỗi giải mã. Đoạn chèn mã đồng bộ lại có thể được tối ưu khi xét đến phần bổ sung của thông tin tiêu đề, cảnh hình ảnh trong kiểu đầu vào và các đặc tính truyền dẫn.

2. Phân cách số liệu: cho phép che đậy lỗi bằng cách chèn mã đồng bộ (SC) tại biên giới các kiểu số liệu được mã hoá khác nhau. Chẳng hạn bằng cách chèn SC giữa vectơ chuyển động và hệ số DCT, có thể truyền vectơ chuyển động đúng ngay cả khi xẩy ra lỗi bit trong hệ số DCT, nhờ vậy che dấu lỗi một cách tự nhiên hơn.

3. Mã hoá độ dài khả biến ngược (RVLC: Reversible Variable Length Code): như thấy ở hình 2.5, đây là một mã độ dài khả biến có thể được giải mã theo chiều ngược lại. Điều này được thực hiện cho hệ số DCT. Với công cụ này, tất cả các khối vĩ mô có thể được giải mã ngoại trừ khối chứa các lỗi bit.

4. Làm tươi lại bên trong thích ứng: công cụ này ngăn cản sự truyền lan lỗi bằng cách thực hiện mã hoá trong khung ở các vùng chuyển động nhanh.

Hình 2.5. Thí dụ mã độ dài khả biến ngược (RVLC). Từ trình bầy ở trên ta thấy, hồ sơ đơn giản MPEG-4 mức 0 tạo nên một CODEC đơn giản phù hợp cho thông tin di động. 2.4. XỬ LÝ TIẾNG VÀ ÂM THANH Có ba phương pháp mã hoá tiếng là: mã hoá dạng sóng, mã hoá phát âm và mã hoá lai ghép. Giống như điều chế PCM hoặc điều chế PCM vi sai thích ứng (APCM), mã hoá dạng sóng thực hiện mã hoá dạng sóng cho các tín hiệu ở mức độ chính xác nhất mà không phụ thuộc và bản chất của tín hiệu. Vì thế nếu tốc độ bit đủ cao, có thể đạt được chất lượng cao. Tuy nhiên nếu tốc độ bit thấp, chất lượng giảm đột ngột. Trái lại bộ mã hoá theo cơ quan phát âm giả định một mô hình tạo tiếng, rồi phân tích và mã hoá các thông số cuả mô hình này. Mặc dù phương pháp này có thể duy trì tốc độ bit thấp, nhưng khó cải thiện chất lượng ngay cả khi tăng tốc độ bit vì chất lượng tiếng

58


chủ yếu phụ thuộc vào mô hình tạo tiếng được giả định. Mã hoá lai ghép là phương pháp kết hợp mã hoá dạng sóng và mã hoá theo cơ quan phát âm. Phương pháp này giả định một mô hình tạo tiếng, phân tích và mã hoá các thông số của nó sau đó thực hiện mã hoá dạng sóng cho thông tin còn lại (các tín hiệu dư) không được biểu diễn bằng các thông số. Một số phương pháp lai ghép điển hình là CELP và RPE-LTP. Các phương pháp này được sử dụng rộng rãi cho mã hoá tiếng của thông tin di động như là các giải thuật chung để thực hiện mã hoá tiếng chất lượng cao và hiệu suất cao. 2.4.1. Nguyên lý công nghệ mã hóa tiếng 1. Mô hình tạo tiếng nói Hình 2.7 cho ta thấy mô hình cơ sở tạo tiếng nói. Trong mô hình này, âm thanh được tạo ra từ một dẫy xung đều tượng trưng cho sự rung động của thanh quản và một nguồn nhiễu ngẫu nhiên tượng trưng cho phụ âm không kêu được tạo ra bởi môi và lưỡi. Các âm này đựơc điều chế bởi bộ lọc tổng hợp thực hiện các chỉnh lý mịn cho âm sắc tùy theo tình trạng cuả cơ quan phát âm (hàm, lưỡi, mồm...). Các nguồn âm thanh và bộ lọc tổng hợp cả hai đều biến đổi theo thời gian nhưng có thể coi như hằng số trong các chu kỳ 20-30ms.

Bé läc tæng hîp

Phæ tiÕng

TÇn sè

C«n

g su

Êt

Ph¸t ©m râ rµng(hèc miÖng vµ c¬

quan ph¸t ©m)

Rung cña thanhqu¶n t¹o ra tiÕng...

D¹ng sãng tiÕng

Th«ng tinvÒ phæ

Nguån ©m kªu(©m h÷u thanh)

Nguån ©m kh«ng kªu(©m v« thanh gièng nh− t¹p ©m)

Th«ng tin kÝch thÝch

Hình 2.6. Mô hình tạo tiếng được sử dụng khi mã hoá CELP. 2.Phân tích dự đoán tuyến tính Vì các tín hiệu tiếng thường ít thay đổi theo thời gian nên có thể sự dụng các tín hiệu hiện thời và quá khứ để dự đoán các tín hiệu trong tương lai với độ chính xác khá cao. Hệ số sử dụng để dự đoán tín hiệu trong tương lai được gọi là "hệ số dự đoán" và mạch tạo ra các hệ số này được gọi là "bộ lọc dự đoán". Sự khác nhau giữa giá trị dự đoán và tín hiệu tiếng nói được gọi là "số dự dự đoán".

59


Như thấy ở hình 2.7, phân tích dự đoán tuyến tính sử dụng tương quan thời gian của các tín hiệu tiếng nói và dự đoán tín hiệu hiện thời (tại thời điểm t) từ các đầu vào quá khứ. Sự khác nhau giữa tín hiệu gốc và tín hiệu dự đoánà được gọi là độ dư dự đoán ( ). tε

44 −α tX.

ptp X. −α

∑=

−α=P

i

ii z.)z(F

1

∑=

−α−= p

i

ii z.)z(A

11

11t t t

ˆX Xε = −α 11 −

tˆ(X )

33 −α tX.

tX.22 −tX.α

Hình 2.7. Phân tích dự đoán tuyến tính

2.4.2. Thuật toán dự đoán dài hạn kích thích xung đều (RPE-LTP) Sơ đồ khối của bộ mã hoá dựa trên thuật toán dự đoán dài hạn kích thích xung đều (RPE-LTP: Regular Pulse Excitation- Long Term Prediction) được cho ở hình 2.8. Tín hiệu mã hoá PCM đồng đều 13bit/8000mẫu/s được nhấn mạnh trước (Pre-emphsis) rồi được phân đoạn thành các đoạn 20ms/160mẫu/13bit đưa vào đầu vào của bộ mã hoá. Nguyên lý chung của bộ mã hoá dựa trên cơ sở là để tiết kiệm băng thông, người ta sẽ chỉ gửi đi các thông số cần thiết nhất để có thể khôi phục lại được tiếng nói ở đầu thu: thông số về cơ quan phát âm và xung kích thích bộ phận này.

PCM

mã

hóa đồ

ng đều

13bi

t/800

0 mẫu

/s

Hình 2.8. Bộ mã hóa dựa trên giải thuật RPE-LTP Để vậy người ta sử dụng hai kiểu mã hoá kết hợp: mã hoá kiểu phát âm (Vocoder) và mã hoá dạng sóng (PCM đồng đều). Để thực hiện mã hoá kiểu phát âm

60


các đoạn tiếng 20 ms nói trên được đưa qua bộ lọc LPC (Linear Prediction Coding: bộ lọc mã hoá dự đoán tuyến) có đặc tính đảo so với cơ quan phát âm của con người để nhận được các xung kích thích . Trong quá trình này các thông số của bộ lọc LPC cũng được phân tích và được giửi đi. Bộ lọc phân tích LPC là bộ lọc tuyến tính bậc n thực hiện tổ hợp tín hiệu hiện thời với tín hiệu được trễ 1,2,3...n mẫu ở tần số 8kHz để mô phỏng cơ quan phát âm. Các thông số của bộ lọc này thay đổi từ khối này đến khối khác và được gửi đi ở khung tiếng. Do các đoạn liên tiếp của tiếng nói khá giống nhau, nên trong thực tế ta chỉ cần gửi đi sự khác nhau (tín hiệu dư) giữa các đoạn liên tiếp này mà thôi. Quá trình lấy ra tín hiệu dư như sau. Sau LPC chuỗi kích thích được chia thành các khối 5ms/40mẫu đưa qua bộ lọc LTP (Long Term Prediction: bộ lọc dự đoán dài hạn). Bộ lọc này thực hiện trừ đoạn tín hiệu hiện thời với đoạn được trễ Nr mẫu và được nhân với hệ số br. Các giá trị của Nr và br được truyền trong khung tiếng cứ 5 ms một lần. Trễ Nr phải vào khoảng 40 đến 120 mẫu (5 đến 15 ms) để có thể tương ứng với tần số cơ bản của tiếng nói (tuỳ thuộc vào người nói). Sau LTP ta được tín hiệu dư giống với xung kích thích hơn. Để lấy ra chuỗi kích thích, tín hiệu dư sau LTP được đưa qua bộ lọc thông thấp và được lấy mẫu đều (RPE: Regular Pulse Excitation) với tần số lấy mẫu là 8/3KHz. Quá trình này giống như mã háo dạng sóng. Theo lý thuyết xử lý tín hiệu thì chỉ có thông tin của chuỗi kích thích có tần số thấp hơn 1,3 kHz là được gửi đi. Tương ứng ta có 13 mẫu trong các khoảng 5ms. Pha của các mẫu 8/3kHz được gửi đi trong khung tiếng 5ms một lần. Các mẫu được mã hoá điều xung mã thích ứng APCM. Ở mã hoá này biên độ cực đại và tỷ số giữa mẫu với biên độ cực đại được mã hoá riêng biệt. Đầu ra của bộ ma hóa ta được luồng số có tốc độ 13 kbps, trong đó: √ Các thông số LPC+ LTP= 3,6kbps √ Các thông số RPE: 9,4 kbps. Giải mã tiếng trong kỹ thuật RPE-LTP bao gồm các giai đoạn sau (xem hình 2.9):

• Tạo lại các mẫu 8kHz bằng cách bổ xung 27 mẫu không vào 13 mẫu tiếng trong các khối 5ms.

• Lọc LTP (đảo so với phía phát) bao gồm các mẫu của khối 5ms hiện thời và ba khối trước đó.

• Lọc LPC (đảo so với phía phát) theo các thông số được truyền. • Khử nhấn mạnh.

Hình 2.9. Sơ đồ khối mô tả quá trình giải mã tiếng theo RPE-LTP.

2.4.3. Thuật toán dự đoán tuyến tính kích thích theo mã (CELP)

61


Bộ mã hoá CELP (Code Excited linear Prediction) tính toán tự tương quan của các tín hiệu tiếng nói và nhận được các hệ số dự đoán tuyến tính bằng cách sử dụng phương pháp Levinson-Dervin-Itakura. Nhóm hệ số dự đoán tuyến tính trong mã hoá băng tần điện thoại thường là mười hệ số. Vì rất khó xác định được độ ổn định cuả bộ lọc, nên các hệ số dự đoán tuyến tính được chuyển đổi vào các hệ số tương đương và ổn định được như: các hệ số phản xạ hay các hệ số cặp phổ vạch (LSP: Line Spectrum Pair) và sau đó được lượng tử hoá. Bộ giải mã gồm bộ lọc tổng hợp có các

thu được và bộ lọc này được kích thích bởi số dư dự đoán (

iα

iα tε ) để nhận được tiếng sau giải mã. Đặc tính tần số cuả bộ lọc tổng hợp tương ứng với hình bao phổ tiếng nói. 1. Mô hình Hình 2.10 cho thấy mô hình tạo tiếng được sử dụng trong mã hoá CELP. Bộ mã hoá CELP có cùng cấu trúc bên trong như bộ giải mã. Bộ giải mã CELP gồm bộ lọc tổng hợp dự đoán tuyến tính và hai bảng mã (Bảng mã thích ứng và bảng mã ngẫu nhiên) để tạo ra tín hiệu kích thích cho bộ lọc. Bộ lọc tổng hợp dự đoán thể hiện đặc tính đường bao phổ của tín hiệu tiếng và các tín hiệu kích thích được tạo ra từ các bảng mã tương ứng với sự rung của thanh quản (âm hữu thanh) và và luồng khí ào qua phần co lại cuả cơ quan phát âm (âm vô thanh).

Bộ lọc tổng hợp

Bộ lọc đánh trong số theo độ thụ cảm

#1

#2

#N

Bảng mã ngẫu nhiên

Bảng mã thích ứng(Thàng phần cao độ) Khuyếch đại

Chuyển mạch bảng mã

Khuyếch đại

Tiếng đầu vào

Hình 2.10. Mô hình bộ mã hóa CELP Các phần dưới đây sẽ giải thích các công nghệ cơ sở được sử dụng để mã hoá CELP. 2. Bộ lọc đánh trọng lượng theo độ thụ cảm

62


Bộ mã hoá CELP có cùng cấu trúc như bộ giải mã. Nó mã hoá tín hiệu bằng cách: tìm các mẫu trong bảng mã và khuyếch đại chúng để đạt được sai lỗi giữa tín hiệu tiếng sau tổ hợp và tín hiệu tiếng đầu vào nhỏ nhất. Các kỹ thuât nàỳ được gọi là phân tích bằng cách tổng hợp (A-b-S: Analysis by Synthesis), đây là một trong các đặc tính cuả CELP. A-b-S tính toán sai số bằng cách sử dụng sai lỗi được đánh trọng số trên cơ sở đặc tính thụ cảm của con người. Bộ lọc đánh trọng số thụ cảm được biểu diễn như là một bộ lọc kiểu ARMA (Auto Regressive Moving Average: lấy trung bình dịch lùi tự động) sử dụng hệ số nhận được từ phân tích dự đoán tuyến tính. Bộ lọc này giảm thiểu sai số lượng tử của các vùng phổ trũng dễ bị nghe thấy bằng cách sử dụng đặc tính tần số có với đường bao phổ tiếng nói đảo theo chiều đứng. Mặc dù sử dụng hệ số dự đoán tuyến tính không lượng tử cho phép cải thiện các đặc tính, nhưng mức độ phức tạp tính toán tăng. Vì lý do này trong một số trường hợp trước đây để giảm độ phức tạp tính toán người ta dịch hệ số dự đoán tuyến tính sau lượng tử so với bộ lọc tổng hợp với trả giá bằng chất lượng. Hiện nay, việc tính toán chủ yếu được thực hiện bằng cách sử dụng đáp ứng xung kim cuả bộ lọc tổng hợp và bộ lọc tổng hợp đánh trọng số thụ cảm. 3. Bảng mã thích ứng Bảng mã thích ứng lưu giữ các tín hiệu kích thích quá khứ và thay đổi động. Nếu tín hiêụ kích thích có chu trình, giống như âm thanh, thì có thể biểu diễn nó một cách hiệu quả bằng cách sử dụng bảng mã thích ứng, vì tín hiệu kích thích lặp lại tại chu kỳ cao độ tương ứng với cao dộ của tiếng nói. Chu kỳ cao độ được chọn là một chu kỳ mà trong đó sự khác nhau giữa giọng nói nguồn và đầu ra của vectơ bảng mã nhận được từ bộ lọc tổng hợp là nhỏ nhất trong vùng đánh trọng số thụ cảm. Đối với đầu vào lấy mẫu 8kHz chu kỳ cao độ tiếng nói khoảng từ 16 đến 144 mẫu. Vì độ phức tạp tính toán sai số khá lớn, nên thông thường tự tương quan tiếng được tính toán trước để nhận được chu kỳ cao độ tương đối, sau đó mới tính toán sai số. 4. Bảng mã ngẫu nhiên Bảng mã ngẫu nhiên biểu diễn các tín hiệu dư còn lại không thể biểu diễn được bằng bảng mã thích ứng và vì thê nó có các mẫu không tuần hoàn. Thông thường bảng mã này chứa các tín hiệu tạp âm và tạp âm Gauss. Nhưng hiện nay người ta thường sử dụng bảng mã đại số biểu diễn các tín hiệu dư này bằng các xung phân tán, vì thế có thể giảm đáng kể: bộ nhớ cần thiết để lưu giữ các vectơ tạp âm, thuật toán trực giao với bảng mã thích ứng và khối lượng tính toán sai số.

63


5. Bộ lọc sau Bộ lọc sau dược sử dụng ở tầng cuối cùng của bộ giải mã để cải thiện chất lượng chủ quan của tiếng sau giải mã bằng cách tạo lại dạng tiếng. Bộ lọc này thường là bộ lọc nhấn mạnh Formant có dạng ARMA và có đặc tính đảo so với bộ lọc đánh trọng lượng theo thụ cảm. Bộ lọc này có khả năng triệt các vùng phổ thấp để giảm bớt ảnh hưởng của sai số lượng tử. Thông thường bộ lọc này được bổ sung thêm một bộ lọc để hiệu chỉnh độ nghiêng phổ của tín hiệu ra. 2.4.4. Các công nghệ ngoại vi cho mã hóa tiếng trong thông tin di động Để đảm bảo các điều kiện đặc thù của thông tin di động ở các đường truyền vô tuyến, các công nghệ ngoại vi cho mã hóa tiếng khác nhau được sử dụng cho môi trường ngoài nhà và di động. Phần này sẽ tổng quan các công nghệ ngoại vi này. Công nghệ hiệu chỉnh lỗi Mã hiệu chỉnh lỗi được sử dụng để hiệu chỉnh lỗi truyền dẫn xẩy ra trong các kênh vô tuyến. Hiểu chỉnh lỗi trước chọn lựa bit (BS-FEC) hay bảo vệ chống lỗi không cân bằng (UEP) được sử dụng để hiệu chỉnh lỗi hiệu quả vì chúng sử dụng các mã hiệu chỉnh với các khả năng khác nhau phụ thuộc vào mức độ nhạy cảm lỗi của thông tin mã hoá tiếng (kích cỡ méo gây ra đối với tiếng sau giải mã khi bit bị lỗi). Công nghệ che dấu lỗi Nếu không sửa được lỗi bằng mã hiệu chỉnh lỗi nói trên hay thông tin bị mất, giải mã thông tin thu sẽ bị sai. Trong trường hợp này các tín hiệu tiếng của phần mắc lỗi sẽ được tạo ra bằng cách nội suy thông số trên cơ sở sử dụng thông tin tiếng nói quá khứ để giảm thiểu sự giảm cấp chất lượng tiếng. Quá trình này được gọi là công nghệ che dấu lỗi. Các thông số được nội suy bao gồm hệ số dự đoán tuyến tính, chu kỳ cao độ và khuyếch đại vì chúng có tương quan thời gian cao.

Phát không liên tục Phát không liên tục (DTX: Discontinous Transmission) là quá trình trong đó MS không phát hoặc phát rất ít khi không có tiếng. Quá trình này cho phép tiết kiệm dung lượng acqui của MS và giảm nhiễu. Bộ phát hiện tích cực tiếng (VAD: Voice Activity Detector) sử dụng các thông số tiếng để xác định xem có tiếng hay không. Trong các khoảng thời gian im lặng, tạp âm nền được tạo ra trên cơ sở thông tin tạp

64


âm nền chứa một lượng tin tin nhỏ hơn nhiều so với tiếng để giảm sự khó chịu đối với người nghe do DTX gây ra. Triệt tiếng ồn Như đã nói trong phần 2.3.1, vì giải thuật CELP sử dụng mô hình phát âm của con người, các đặc trưng của các âm thanh khác như tiếng ồn ngòai phố sẽ gây ra giảm chất lượng. Vì thế việc triệt bỏ tiếng ồn khác với tiếng nói con người trong khi hội thoại sẽ cải thiện chất lượng tiếng. 2.5. CÁC CODEC TIẾNG 2.4.1. Quá trình mã hóa và giải mã tiếng trong thông tin di động Quá trình mã hóa và giải mã tiếng trong thông tin di động được cho trên hình 2.11. Tín hiệu tiếng ở MS được đưa qua bộ lọc thông thấp, qua bộ biến đổi ADC để được mã hoá PCM đồng đều sau đó tín hiệu này được đưa lên bộ mã hóa. Ở đầu ra của bộ ADC ta được luồng số phân đoạn thành các khối 20ms. Nếu tín hiệu đầu vào mạng thông tin di động lấy từ mạng PSTN thì trước hết tín hiệu 8 bit PCM luật A đựơc biến đổi thành luồng bit được mã hóa đồng đều như trên sau đó đưa các đoạn 20 ms llên bộ mã hoá. Ở phía thu quá trình được thực hiện theo hướng ngược lại .

Hình 2.11. Quá trình mã hóa và giải mã tiếng trong thông tin di động 2.5. 1. CODEC tiếng trong GSM 1. Bộ mã hóa toán tốc (FRC) Mã hoá tiếng ở GSM có thể thực hiện ở tốc độ 13kbit/s (toàn tốc) hoặc ở 6,5kbit/s (bán tốc). Trong phần này ta xét mã hoá toàn tốc (FRC: Full Rate Codec). Sơ đồ mã hoá tiếng GSM FRC ở tốc độ 13kbit/s dựa trên giải thuật RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction: kích thích xung đều - dự đoán dài hạn) (hình

65


2.8). Mã hoá này cho phép nhận được chất lượng như mạng cố định nhưng đòi hỏi độ rộng phổ tần vô tuyến hẹp hơn. Tín hiệu tiếng ở MS được đưa qua bộ lọc thông thấp, qua bộ biến đổi ADC để được mã hoá PCM đồng đều với tần số lấy mẫu 8kHz và 13bit mã hoá cho một mẫu sau đó tín hiệu này được đưa lên bộ mã hóa. Ở đầu ra của bộ phân đoạn ta được các khối 20ms mã hoá 260 bit tương ứng với tốc độ của luồng ra là 13kbps. Nếu tín hiệu đấu vào mạng GSM lấy từ mạng PSTN thì trước hết tín hiệu 8 bit PCM luật A đựơc biến đổi thành 13 bit PCM đồng đều và được phân đoạn 260bit/20ms để biến đổi thành 13kbps sau đó đưa lên bộ mã hoá. Ở phía thu quá trình được thực hiện theo hướng ngược lại . Các thông số được phát đi trong khung tiếng 20 ms được cho ở bảng 2.1 dưới đây. Bảng 2.1. Các thông số được phát đi ở khung tiếng

Số bit trong 5ms

Số bit trong 20ms

Bộ lọc LPC 8 thông số 36 Bộ lọc LTP Nr (thông số trễ) 7 28 br (thông số khuyếch đại) 2 8 Tín hiệu kích thích pha lấy mẫu (8/3kHz) 2 8 Biên độ cực đại 6 24 13 mẫu 39 156 Tổng 260

2. CODEC toàn tốc tăng cường (EFRC) Codec GSM EFRC (Enhanced Full Rate Codec) được xây dựng trên cơ sở thuật toán ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction: Dự đoán tuyến tính kích thích theo mã đại số). Vì tốc độ mã hoá của codec này là 12,2kbps nên có thể dành thêm 0,8 kbps để mã hoá chống lỗi so với codec 13 kbps trước đây. EFR codec hoạt động với các khung 20 ms được chia thành bốn khung con 5 ms. Ở bộ mã hoá tín hiệu tiếng được phân tích và các thông số của mô hình tổng hợp tiếng CELP được rút ra. Hai tập các hệ số của các bộ lọc dự đoán tuyến tính được tính toán cho từng khung. Các chỉ số bảng mã thích ứng (ACB: Adaptive Code Book) và cố định (FCB: Fixed Code Book) được tìm cho từng khung con.. Các thông số phát trong khung tiếng được cho ở bảng 2.2. Bảng 2.2. Các thông số được phát đi ở khung tiếng của codec EFR

Thông số Khung 1 và 3 Khung 2 và 4 Số bit trong khung 20 ms

2 bộ LSP 38

66


Chỉ số ACB 9 6 30 Khuyếch đại ACB 4 4 16 Các xung FCB 35 35 140 Khuyếch đại FCB 5 5 20 Tổng 244 Tốc độ, kbps 12,2

2.5.2. CODEC tiếng cuả cdma 2000 1. CODEC tốc độ bit khả biến (VRC)

cdma 2000 sử dụng bộ mã hóa tiếng VRC (Variable Bit Rate) tiếng dựa trên dự đoán tuyến tính kích thích theo mã (CELP: Code Excited Linear Prediction). Trong kỹ thụât này bộ giải mã CELP sử dụng bảng để tạo ra đầu vào cho bộ tổng hợp tần số. Bảng mã được đặc trưng bởi chỉ số bảng mã I và khuyếch đại G. Bộ lọc phổ được đặc trưng bởi tập ba thông số: các vạch phổ cao độ cao (pitch) i, trễ độ cao L và khuyếch đại độ cao b. Đầu ra của bộ lọc được xử lý bởi bộ lọc sau và điều chỉnh khuyếch đại. Bộ mã hóa CELP đòi hỏi ba bước thực hiện (hình 2.12). Trước hết cần xác định mã LSP: giá trị i của các cặp phổ vạch (LSP: Line Spectral Pair). Sau đó giá trị i của LSP được sử dụng để phân tích bởi tổng hợp (AbS) để xác định các giá trị trễ cao độ (L) và khuyếch đại cao độ (b). Cuối cùng các giá trị i, b và L được sử dụng ở bước AbS thứ hai để xác định chỉ số bảng mã (I) và khuyếch đại bảng mã (G). Sau đó các thông số này được đưa lên các hàm tính toán lỗi để thực hiện dự đoán tuyến tính. Kết quả đầu ra được các thông số: L (trễ cao độ), b (khuyếch đại cao độ), chỉ số bảng mã (I), khuyếch đại bảng mã (G)

Xác

địn

h hệ

số

LPC

Chu

yển đổ

i hệ

số

LPC

vào

LSP

Chu

yển đổ

i các

tần

số

LSP

vào

các

mã

LSP

Hình 2.12. Bộ mã hóa tiếng CELP cdma 2000 sử dụng bộ mã tốc độ khả biến cho phép thay đổi tốc độ tùy theo tần suất nói (nói nhiều thì tốc độ mã hóa cao còn nói ít thì tốc độ mã hóa thấp). Bộ mã

67


hóa này hỗ trợ bốn tốc độ sau: 8,55 kbps (tỷ lệ 1 ), 4,2 kbps (tỷ lệ 1/2), 2,4 kbps (tỷ lệ 1/4) và 0,8kbps (tỷ lệ 1/8). Mỗi tỷ lệ sử dụng ít bit hơn để mã hoá I,G,L,b. Khung cơ sở của cdma 2000 là 20 ms. Ở tỷ lệ 1, 160 bit được phát để mã hoá số liệu cộng với trường chẵn lẻ 11 bit. Ở các tốc độ bit thấp hơn số bit được sử dụng ít hơn (xem bảng 2.3). Bảng 2.3. Các thông số CELP đối với các tỷ lệ mã hoá khác nhau

Các thông số CELP Tỷ lệ 1 Tỷ lệ 1/2

Tỷ lệ1/4 Tỷ lệ 1/8

Các bit i của cặp phổ vạch Sô lần cập nhật bit i trên một khung Tổng số bit i trên khung

40 1 40

20 1 20

10 1 10

10 1 10

Các bit trễ độ cao L Số lần cập nhật L trên một khung Tổng số bit L trên khung

7 4 28

7 2 14

7 1 7

0 0 0

Các bit khuyếch đại độ cao b Số lần cập nhật b trên một khung Tổng số bit b trên khung

3 4 12

3 2 6

3 1 3

0 0 0

Các bit chỉ số bảng mã I Số lần cập nhật I trên một khung Tổng số các bit I trên khung

7 8 56

7 4 28

7 2 14

0 _ 0

Các bit khuyếch đại bảng mã G Số lần cập nhật G trên một khung Tổng số các bit G trên một khung

3 8 24

3 4 12

3 2 6

2 1 2

Các bit hạt giống bảng mã CBSEED Số lần cập nhật CBSEED trên khung Tổng số các bit CBSEED

0 _ _

0 _ _

0 _ _

4 1 4

Các bit chẵn lẻ trên khung Tổng số các bit trên khung

11 171+1*

0 80

0 40

0 16

Tốc độ bit (kbps) 8,6 4 2 0,8 * bit dự trữ Sơ đồ giải mã CELP trong cdma 2000 được cho trên hình 2.13. Ở tỷ lệ 1/8 các bit chỉ số I không có và một bộ tạo mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đưa vào các bit CBSEED (Codebook Seed: hạt giống của bảng mã).

68


Hinh 2.13. Bộ giải mã CELP. 2. CODEC tốc độ khả biến chất lượng tuyệt hảo (EVRC) EVRC (Excellent Voice Quality Variable Bit Rate) cho phép giảm số bit cần thiết cho các hệ số dự đoán tuyến tính và tổng hợp độ cao cho phép bảng mã đại số tạo ra kích thích. Nhờ vậy EVRC cho chất lượng tiếng cao hơn. Khác với các codec CELP, EVRC không có ý định thích ứng tín hiệu tiếng một cách chính xác. Nó sử dụng thuật toán dự đoán tuyến tính kích thích theo mã nới lỏng (RCELP). Phương pháp này cho phép giảm tốc độ số bit trên khung cần để thể hiện độ cao và cho phép bổ sung các bit cho kích thích ngẫu nhiên và bảo vệ kênh. Thuật toán EVRC phân loại tiếng thành các khung 20 ms: toàn tốc (8,6 kbps), tốc độ 1/2 (4 kbps) và tốc độ 1/8 (0,8 kbps). Thuật toán EVRC cho phép cải thiện đáng kể chất lượng tiếng. Bảng 2.4 cho thấy phân bổ vị trí các bit theo gói ở EVRC. Bảng 2.4. Phân bổ vị trí bit theo kiểu gói ở EVRC

Trường Kiểu gói Tốc độ 1 Tốc độ 1/2 Tốc độ1/8 Để trống Chỉ thị chuyển đổi phổ 1 LSP 28 22 8 Trễ độ cao 7 7 Trễ Delta 5 Khuyếch đại ACB 9 9 Dạng FCB 105 30 Khuyếch đại FCB 15 12 Năng lượng khung 8 Tổng số các bit được mã hoá 171+1 80 16 Tốc độ (kbps) 8,6 4 1,2

69


2.5.3. CODEC tiếng của W-CDMA UMTS Vì có rất nhiều sơ đồ mã hoá tiếng được đề xuất, các tổ chức quốc tế như TIA, TTC, ETSI , ARIB... đã tiến hành lựa chọn công nghệ mã hoá tiêng phù hợp nhất cho TTDĐ 3G. Mã hoá tiếng đa tốc độ thích ứng (AMR: Adaptive Multirate) được coi là công nghệ vượt trội các công nghệ mã hoá tiếng khác. Vì thế nó được chọn là sơ đồ mã hoá tiếng cho 3GW-CDMA UMTS. 1. CODEC đa tốc độ khả biến (AMR) AMR là phương pháp mã hoá tiếng được phát triển trên cơ sở CELP đại số (ACELP: Algebrraic CELP) đã được tiếp nhậncho phương pháp mã hoá tiếng của GSM vào năm 1998. Nó cung cấp 8 chế độ mã hoá từ 12,2 bps đến 4,75kbps. Trong số các chế độ này, 12,2kbps, 7,4 kbps và 6,7 kbps có chung một giải thuật với các sơ đồ mã hoá tiếng được tiêu chuẩn hoá ở các tiêu chuẩn của các vùng khác trên thế giới. Giải thuật mã hoá tiếng này cơ bản giống như G.729 với một số cải tiến cho đa tốc độ. Độ dài khung cố định bằng 20 ms trong tất cả các chế độ. Khả năng đa tốc độ đạt được bằng cách thay đổi số số bit lượng tử cho các thông số trong các khung con (xem bảng 2.5). Ở tốc độ 12,2kbps các hệ số dự đoán tuyến tính được phân tích hai lần trên một khung trong vùng LSP trên cơ sở các nhóm hai phần tử và sau đó sai số (số dư) được lượng tử hoá vectơ. Ở tốc độ thấp hơn dự đoán được thực hiện một lần trong một khung cho một phần tửcủa LSP. Bảng mã đại số gồm từ 2 đến 10 xung khác không và có kích thước bằng 1. Ngoài ra còn sử dụng bộ tiền lọc cao độ để khám phá cao độ và một bộ lọc có cùng hiệu quả như PSI (Pitch Synchrronous Innovation: Phương pháp đồng bộ cao độ mới). Ở các chế độ 12,2 kbps và 7,95 kbps, khuyếch đại bảng mã được lượng tử hoá riêng cho bản mã thích ứng và bản mã cố định. Ở các chế độ khác chúng được lượng tử vectơ. Bộ giải mã áp dụng bộ lọc sau Formant và bộ lọc bù trừ độ nghiêng tần số cho tiếng sau tổng hợp để nhận được tiếng cuối cùng. AMR cũng quy định các công nghệ ngoại vi cần thiết cho thông tin di động. Hai tuỳ chọn được cung cấp là giải thuật VAD và DTX. Thông tin tạp âm nền (SID: mô tả chèn im lặng) được phát tại một khoảng thời gian nhất định cùng với hệ số dự đoán ngắn hạn và công suất khung được lượng tử hoá 35 bit. Ngoài ra cũng định nghĩa các yêu cầu cho che dấu lỗi khi xẩy ra lỗi. Chẳng hạn nội suy các thông số mã hoá như khuếch đại bảng mã, hệ số dự đoán ngắn hạn cũng được định nghĩa theo sự chuyển đổi trạng thái do lỗi gây ra. Bảng 2.5. Phân bổ bit AMR

70


Chế độ

Thông số Khung con thứ

nhất

Khung con thứ

hai

Khung con thứ

ba

Khung con thứ

tư

Tổng khung

12,2

kbps

LSPx2 Trễ cao độ Khuyếch đại cao độ Mã hoá đại số Khuyếch đại bảng mã Tổng

9 4 35 5

6 4 35 5

9 4 35 5

6 4 35 5

38 30 16 140 20 244

10,2

kbp

s

LSP Trễ cao độ Mã hoá đại số Khuyếch đại Tổng

8 31 7

5 31 7

8 31 7

5 31 7

26 26 124 28 204

7,95

kbp

s

LSP Trễ cao độ Khuyếch đại cao độ Mã hoá đại số Khuyếch đại bảng mã Tổng

8 4 17 5

6 4 17 5

8 4 17 5

6 4 17 5

27 28 16 68 20 159

7,40

kbp

s


8 17 7

5 17 7

8 17 7

5 17 7

26 26 68 28 148

6,70

kbp

s


8 14 7

4 14 7

8 14 7

4 14 7

26 24 56 28 134

5,90

kbp

s


8 11 6

4 11 6

8 11 6

4 11 6

26 24 44 24 118

5,15

kbp

s


8 9 6

4 9 6

4 9 6

4 9 6

23 20 36 24 103

71


4,75

kbp

s


8 9 8

4 9

4 9 8

4 9

23 20 36 16 95

2. CODEC đa tốc độ thíh ứng băng rộng (AMR-BR)

Tháng 3 năm 2000 3GPP đã tiếp nhận bộ mã hoá băng rộng đa tốc độ thích ứng (AMR-WB: ẢM-Broadband) với các thông số được cho ở bảng 2.6.

Bảng 2.6. Các tốc độ bit codec nguồn cho AMR-WB codec.

Chế độ Codec Tốc độ bit codec nguồn

AMR-WB_23.85 23,85 kbit/s AMR-WB 23.05 23,05 kbit/sAMR-WB 19.85 19,85 kbit/sAMR-WB 18.25 18,25 kbit/sAMR-WB 15.85 15,85 kbit/sAMR-WB 14.25 14,25 kbit/sAMR-WB 12.65 12,65 kbit/sAMR-WB 8.85 8,85 kbit/sAMR-WB 12.60 6,60 kbit/sAMR-WB_SID 1,75 kbit/s *

(*) Coi rằng các khung SID được phát liên tục Hiện nay ITU-T đang tiêu chuẩn hoá giải thuật mã hoá tiếng 4kbps có chất lượng tương đương với các đường thoại chuyển mạch công cộng. Ngoài ra VoIP hay mã hoá tiếng cho các dịch vụ luồng cũng được áp dụng để đảm bảo các dịch vụ điện thoại ở các mạng IP tương đương như ở các mạng chuyển mạch kênh để đáp ứng được xu thế hướng đến IP của mạng viễn thông. 2.6. CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 2.6.1. Quá trình tiêu chuẩn hoá Hình 2.14 cho thấy quá trình tiêu chuẩn hoá các đầu cuối nghe nhìn. H.320 được ITU-T khuyến nghị cho các đầu cuối nghe nhìn đối với N-ISDN vào năm 1990. Khuyến nghị này đã rất thành công vì nó đảm bảo tính kết nối giưã các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau và nó đã đóng góp cho việc phát triển các dịch vụ video hội nghị cũng như điện thoại có hình. Sau đó người ta đã tiến hành nghiên cứu các đầu cuối cho B-ISDN, cho mạng điện thọai cố định (PSTN) và cho mạng IP để đưa ra các khuyến nghị H.310, H324 và H323 vào năm 1996.

72


IMT-20003G-324M

(1999)

3GPP

1G 2G 3G?

ISDNH.320(1990)

ATMH.310(1996)

PSTN

H.324(1996)

LAN, IPH.323(1996

M¹ng TTD§

H.324 phô lôc C(1998)

§Çu cuèi chung

H.32L(§ang quyÕt)

Hình 2.14. Quá trình tiêu chuẩn hoá đầu cuối nghe nhìn. Cùng với sự bùng phát của thông tin di động và tiến bộ cuả hoạt động tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba, ITU-T bắt đầu nghiên cứu các đầu cuối nghe nhìn cho các mạng thông tin di động vào năm 1995. Các nghiên cứu thực hiện mở rộng khuyến nghị H.324 cho PSTN đã dẫn đến sự phát triển H.234 phụ lục C vào tháng hai năm 1998. H.324 phụ lục C tăng cường khả năng chống lỗi trên đường truyền vô tuyến. Vì H.234 phụ lục C được thiết kế cho mục địch chung chứ không đặc thù cho phương pháp thông tin di động và được địch nghĩa như là mở rộng cuả H.234 nên nó không thích hợp cho 3G. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu 3GPP CODEC đã chọn mã hoá tiếng, mã hoá video và chế độ hoạt động tối ưu cho 3G dẫn đến sự ra đời của khuyến nghị 3G-324M vào tháng 12 năm 1999. Các CODEC tối ưu cho 3G được lựa chọn trong quá trình này không chỉ giới hạn ở tiêu chuẩn ITU-T. Các điện thoại có hình được sử dụng cho W-CDMA tuân theo 3G-324M. 2.6.2. Cấu hình đầu cuối 3G-324M 3G-324M định nghĩa các đặc tả cho đầu cuối thiết bị thông tin nghe nhìn của W-CDMA UMTS trên cơ sở kết hợp tối ưu các khuyến nghị của ITU-T và các tiêu chuẩn quốc tế khác. Nó quy định các phần tử chức năng để đảm bảo thông tin nghe nhìn cũng như các giao thức thông tin cho toàn bộ luồng thông tin. H.223 và H.245 được sử dụng để ghép tiếng và video vào kênh thông tin di động để truyền dẫn. 3G-324M cũng quy định các phương pháp hiệu suất để truyền các bản tin điều khiển khi xẩy ra lỗi truyền dẫn. Hình 2.15 cho thấy cấu hình của đầu cuối 3G-324M. Tiêu chuẩn 3G-324M được áp dụng cho CODEC tiếng/video, khối điều khiển thông tin và khối ghép kênh đa

73


phương tiện. CODEC tiếng đòi hỏi sự hỗ trợ AMR như là một chức năng bắt buộc và CODEC video đòi hỏi chức năng cơ sở của H.263 với khả năng hỗ trợ MPEG-4 bắt buộc. Khối ghép kênh đa phương tiện đòi hỏi sư hỗ trợ cuả H223 phụ lục B để đảm bảo cải thiện chống lỗi.

§Çu vµo/ra video

§Çu vµo/ra tiÕng

øng dông/sè liÖu

§iÒu khiÓnhÖ thèng

§iÒu khiÓncuéc gäi

VideoCODECH.263, MPEG-4

CODEC tiÕngAMR

TruyÒn sè liÖu V.14, LAPM

§iÒu khiÓn ®Çucuèi, H.245

TrÔ ®−êngthu

Ph©n ®o¹n/ l¾p r¸p l¹i

CCSRL

§iÒu khiÓn ph¸tl¹i

NSRP/LAPM

GhÐp kªnh®a ph−¬ng

tiÖnH.223 phô

lôc B

M¹ng IMT-2000

Ph¹m vi cã thÓ ¸p dông cho 3G-324

Hình 2.15. Cấu hình đầu cuối 3G-234M. 2.6.3. Mã hoá các phương tiện Mặc dù có thể sử dụng các sơ đồ mã hoá các phương tiện khác nhau trong 3G-324M trên cơ sở trao đổi khả năng đầu cuối thông qua việc sử dụng các thủ tục điều khiển (sẽ được trình bầy dưới đây) và thay đổi thiết lập CODEC trên cơ sở thiết lập các kênh logic, nhưng 3G-324M cũng định nghĩa một tập các CODEC tối thiểu bắt buộc để đảm bảo khả năng tương hợp giưã các đầu cuối khác nhau. Đối với CODEC tiếng, 3G-324M đặc tả đa tốc độ thích ứng (AMR) cho CODEC dịch vụ tiếng cơ sở có xét đến một yêu cầu bắt buộc để ràng thực hiện đầu cuối và khuyến nghị G.723 như là CODEC tuỳ chọn (được định nghiã như là CODEC bắt buộc trong H.234). Đối với video CODEC, 3G-324M đặc tả chức năng cơ sở H.263 (loại bỏ các khả năng tuỳ chọn) như là CODEC bắt buộc giống như trường hợp H.324. Nó cũng đặc tả chi tiết và khuyến nghi việc sử dụng MPEG-4 để đảm bảo lỗi truyền dẫn phù hợp cho thông tin di động. 2.6.4. Ghép kênh đa phương tiện Tiếng, video, số liệu của người sử dụng và các bản tin điều khiển được sắp xếp chung lên một luồng bit nhờ bộ ghép kênh đa phương tiện (sau đây sẽ gọi là MUX) trước khi phát. Phía thu cần phân luồng phương tiện chính xác thông tin từ chuỗi bit

74


thu. MUX cũng có vai trò cung cấp các dịch vụ truyền dẫn theo kiểu thông tin (chẳng hạn chất lượng dịch vụ, QoS và lập khung). H.223, sơ đồ ghép các phương tiện cho H.234, phù hợp cho các yêu cầu nói trên khi sử dụng cấu trúc hai lớp gồm: lớp thích ứng và lớp ghép kênh. Trong thông tin di động ngòai các yêu cầu kể trên, yêu cầu chống lỗi là yêu cầu quan trọng đối với ghép đa phương tiện. Vì thế H.234 phụ lục C bao gồm các mở rộng của H.223 để hỗ trợ thông tin di động. Mở rộng này cho phép chọn các mức chống lỗi tuỳ theo các đặc tính truyền dẫn bằng cách bổ sung thêm các công cụ chống lỗi cho H.232. Hiện nay bốn mức từ 0 đến 3 đã được định nghiã trong H.232 phụ lục A, B và C. Để đảm bảo tính tương hợp, đầu cuối hỗ trợ một mức nào đó cũng phải hỗ trợ mức thấp nhất. Trong 3G-324M, hỗ trợ lớp 2 là yêu cầu bắt buộc. Phần dưới đây trình bầy các đặc tính cuả các lớp từ 0 đến 2. Mức 0 H.232 Ba lớp thích ứng được định nghiã tương ứng với kiểu cuả các lớp cao hơn: 1. AL1: Cho thông tin cuả người sử dung và thông tin điều khiển. Kiểm soát lỗi

được thực hiện ở lớp cao hơn. 2. AL2: Cho video. Có thể bổ sung thêm phát hiện lỗi và số trình tự. 3. AL3: Cho video. Có thể bổ sung thêm phát hiện lỗi và số trình tự. Có khả năng áp

dụng phát lại tự động (ARQ). Lớp ghép kênh kết hợp ghép theo thời gian và ghép theo gói để đại được hiệu suất và trễ nhỏ. Ghép kênh gói được sử dụng cho các phương tiện có tốc độ bit thay đổi như video. Ghép kênh thời gian được sử dụng cho các phương tiện đòi hỏi trễ thấp như tiếng. Một cờ 8 bit HDLC (High Level Data Link Control) đượcớử dụng làm cờ đồng bộ trong khung ghép kênh. Các bit "0" được chèn vào số liệu thông tin để tránh xẩy ra mẫu cờ này trong luồng thông tin. Vì không thể đảm bảo sự chính xác của byte, tìm động bộ được thực hiện theo so sánh bit. Mức 1 Để cải thiện các đặc tính đồng bộ trong lớp ghép, cờ đồng bộ của khung được thay đổi từ cớ 8 bit HDLC thành chuỗi 16 bit PN (Pseudo Noise: giả ngẫu nhiên). Vì chuỗi PN chỉ có độ dài 15 bit, nên bit "0" được chèn để đảm bảo khung có độ dài theo bute và cho phép tìm dồng bộ theo đơn vị byte. Mức 2

75


Là cải tiến của mức 1 để cải thiện các đặc tính đồng bộ và chống lỗi của thông tin tiêu đề bằng cách bổ sung trường độ dài trường tải tin và áp dụng mã sửa lỗi trong tiêu đề khung. Ngoài ra có thể bổ sung các trường tuỳ chọn để cải thiện chống lỗi cụm đối với thông tin tiêu đề. 2.6.5. Điều khiển đầu cuối 3G-324M sử dụng H.245 làm giao thức điều khiển đầu cuối giống như ở H,324. H.245 được sử dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn đầu cuối đa phương tiện cuả ITU-T cho các mạng khác nhau như trong 3G-H.324M và H.324. Việc khá dễ ràng thực hiện các cổng giưã các kiểu mạng khác nhau cũng là một lợi điểm của H.245. Các chức năng do H.245 cung cấp bao hàm: 1. Quyết định chủ và tớ: Chủ và tớ được quyết định tại khởi đầu của thông tin 2. Đàm phán khả năng: Đàm phán các khả năng của đầu cuối để thu nhận thông tin

trong chế độ truyền dẫn và chế độ mã hoá mà đầu đối tác có thể thu và giải mã. 3. Báo hiệu kênh logic: Mở, đóng các kênh logic và thiết lập các thông số cần sử

dụng. Cũng có thể thiết lập quan hệ giưã các kênh logic. 4. Khởi đầu và thay đổi bảng ghép kênh: Bổ sung và xoá các mục trong bảng ghép

kênh. 5. Yêu cầu thiết lập chế độ cho tiếng, video và số liệu người sử dụng: Điều khiển

chế độ truyền dẫn cho đầu cuối phía xa. 6. Quyết định trễ toàn trình: Cho phép đo trễ toàn trình. Có thể sử dụng để khẳng

định hoạt động của đầu cuối phía kia. 7. Kiểm tra đấu vòng 8. Lệnh và thông báo: Các yêu cầu về chế độ thông tin và điều khiển luồng và các

báo cáo về trạng thái cuả giao thức. Để đảm bảo các chức năng trên, H.245 định nghiã các bản tin cần phát và đặc tả giao thức điều khiển sử dụng cho các bản tin này. Các bản tin được định nghiã bằng cách sử dụng ASN 1(Abstract Syntax Notation 1) (ASN.1, ITU-T X.680) (ISSO/IEC IS 8824-1) là một phương pháp trình bầy rất dễ đọc và mở rộng. Để truyền hiệu quả, các bản tin được biến đổi vào khuôn dạng nhị phân sử dụng quy tắc mã hoá gói (PER: Packeted Encoding Rules), PER, ITU-T X.69) (ISO/IEC IS 8825-2). Ngôn ngữ đặc tả và mô tả (SDL: Specfication and Description Language) được sử dụng cho giao thức điều khiển để quy định sự chuyển đổi trạng thái. 2.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP DỊCH VỤ THÔNG TIN DI ĐỘNG

76


2.7.1. Các dịch vụ ISP 2.7.1.1. Mở đầu Khi truy nhập Internet từ các mạng điện thoại cố định như PSTN hoặc ISDN, thông thường truy nhập được thực hiện bằng cách thiết lập kết nối đến ISP (Internet Service Provider: Nhà cung cấp dịch vụ internet) từ mạng điện thọai cố định. Tương tự, khi truy nhập Internet từ một mạng di động, cơ chế truy nhập căn bản cũng giống như trường hợp thiết lập kết nối qua ISP. Trong cả hai trường hợp, các ISP cung cấp các dịch vụ thông tin khác nhau cho người sử dụng để trao đổi thư điện tử hoặc thông tin do các ứng dụng Internet cung cấp như: các Web site giưã các máy di động hay các máy tính PC và Internet. Các phần dưới đây sẽ trình bầy chi tiết các kiểu dịch vụ do các ISP cung cấp (gọi tắt là các dịch vụ ISP) để kết nối đến Internet thông qua mạng di động cũng như cấu hình và các chức năng được sử dụng để cung cấp các dịch vụ này. 2.7.1.2. Các dịch vụ do các ISP di động cung cấp Dịch vụ cửa chính (Portal) là một phần các dịch vụ do các ISP di động cung cấp, nó đóng vai trò như môt cổng để truy nhập Internet và tìm các Web Site. Nói chung, một số ISP tự mình cung cấp dịch vụ cửa chính còn một số ISP sử dụng các site độc lập như Yahoo. Tuy nhiên hiện nay có rất ít các site cửa chính độc lập được thiết kế riêng cho các đầu cuối di động. Vì thế việc cung cấp các dịch vụ cửa chính như là bộ phận của ISP có tầm quan trọng tăng mức tiện lợi cho các người sử dụng điện thọai di động. Một dịch vụ thông tin khác được các ISP di động cung cấp là thư điện tử. Dịch vụ thư điện tử do các ISP cung cấp cho phép trao đổi thư điện tử giưã các đầu cuối di động hay giưã một đầu cuối di động với máy tính PC có trang bị kỹ thuật gói ở mạng cố định. Dịch vụ thư kiểu này bao hàm cả các chức năng đựơc thiết kế để tăng thêm tiện lợi. Chẳng hạn khi một ISP di động nhận được một thư điện tử từ người gửi, nó tìm gọi máy di động. Nếu máy di động sẵn sàng nhận thư, nó sẽ tự động chuyển thư đến máy di động. Dịch vụ thứ ba là kết nối với Internet. Dịch vụ này cho phép người sử dụng truy nhập đến các Web site chung được xác đinh bởi URL (Universal Resource Locator: Số định vị tài nguyên vạn năng) mà không cần truy nhập đến cửa chính nói trên.

Dịch vụ thứ tư là dịch vụ thu thập thông tin tính cước cho nội dung đặc biệt. Dịch vụ này quản lý các thuê bao nối vào hoặc rời bỏ các Web site đặc biệt và thu thập cước sử dụng thay mặt các nhà cung cấp các Web site đặc biệt. 2.7.1.3. Cấu hình ISP di động Hình 2.16 cho thấy cấu hình của ISP di động bao gồm các phần tử sau:

77


Tường lửa • Tường lưả cho các đường thuê riêng: thực hiện kiểm soát truy nhập từ Web site

nếu kết nối đến nhà cung cấp qua đường thuê riêng. Nó có chức năng tàng trữ truy nhập đến các Web site từ ISP di động.

• Tường lửa cho Internet: Thực hiện kiểm soát từ Internet. Tường lửa này cũng có chức năng cho qua thư điện tử đến từ Internet.

WWW Server Hiển thị thực đơn để truy nhập các Web site khác nhau. WWW Server cũng cung cấp tính năng cửa chính của tôi (My portal) cho phép người sử dụng khách hàng hoá các Web site để hiện thị thực đơn. Mail Server Quản lý các account thư. Gán giá trị mặc định cho các account thư và tiếp nhận các yêu cầu thay đổi accout thư. Message Server (Server bản tin). Hộp bản tin cho thư và bản tin push (sẽ nói sau). Gửi một thông báo thư đến cho đầu cuối di động khi server thu được một thư, xoá các bản tin tích luỹ sau một khỏang thời gian nhất định hoặc sau khi phát thư đã được báo nhận. Server phân phối thông tin push Khi thông tin từ nhà cung cấp Web site được phân phối đồng thời đến nhiều người sử dụng như bản tin push (sẽ xét sau), mỗi bản tin thu được từ nhà cung cấp Web site được viết vào các hộp bản tin của các người sử dụng vì thế giảm khối lượng xử lý. Đầu cuối bảo dưỡng Gửi và nhận thông tin cần thiết để giám sát và bảo dưỡng từng server trong ISP di động. Server quản lý thuê bao Quản lý thông tin thuê bao của ISP di động. Server này cũng quản lý hợp đồng và huỷ thông tin của các Web site đặc biệt. Server quản lý nhật ký Quản lý nhật ký hệ thống của từng server để quản lý khai thác.

78


Internet

Gia

o di

Ön k

ªnh

M¹ng TTD§3G

WWWServer

Serverth−

Serverb¶n tin

Serverth«ng tin

pushT−êng

löa

T−ênglöa

Nhµ cungcÊp Web site

Trung t©m th«ng tin ISP di ®éng

§Çu cuèi b¶o d−ìng

Serverqu¶n lýthuª bao

Serverqu¶n lýnhËt ký

Server sèliÖu

marketing

§iÓm truynhËp

§−êng thuªriªng hay LAN

§−êngthuª riªng

Hình 2.16. Cấu hình ISP di động 2.7.1.4. Các chức năng cuả ISP di động (1) Chức năng thiết lập pliên kết giưã dịch vụ cửa chính và các Web site. Chức năng này cho phép thiết lập các liên kết đến các Web site khác nhau từ màn hình cửa chính do ISP di động cung cấp. Chức năng này ghi lại tên của Web site và các URL cần kết nối trong menu của cửa chính được lưu giữ ở WWW server của ISP. (2) Chức năng kết nối đến Web site Chức năng này hiển thị các trang cuả site cửa chính do ISP cung cấp và cho phép người sử dụng truy nhập đến các Web site khác nhau nối đến site cửa chính. Yêu cầu Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP: Hyper Text Transfer Protocol) được gửi đi từ đầu cuối di động và được WWW server thu qua giao diện kênh, WWW Server gửi trả lời HTTP đến đầu cuối di động để hiển thị trang của site cửa chính. Nếu đường nối đến Web site được chọn trên trang của site cửa chính, thì Web site được truy nhập qua một đường thuê riêng hay Internet dựa trên URL. (3) Chức năng đăng ký cửa chính của tôi (My Portal) Chức năng này cho phép người sử dụng khách hàng hoá các Web site dược hiện thị trên trang cửa chính. Trong trường hợp các Web site đặc biệt, nó cũng hỗ trợ dăng ký Cưả chính cuả tôi cùng với hợp đồng thuê bao và quản lý các site cần thu thập cước thay cho nhà cung cấp. Ngòai ra nó cũng đăng ký các điều kiện để phân bổ bản tin push (sẽ đề cập muộn hơn). Sau khi truy nhập đến các Web site được thiết lập thông qua các thủ tục kết nối như đã xét ở phần trên, Web site đảm bảo hướng dẫn cách đăng ký site trong trường hợp Cửa chính cuả tôi (My Portal). (trong trường hợp các site đặc biệt, các điều kiện hợp đồng được trình bày tai khâu này). Sau đó tại cùng một thời điểm. một mặt yêu cầu mật khẩu để nhận thực người người sử dụng, mặt khác truy nhập lại được thực

79


hiện một lần nữa đến WWW server của ISP di động. Sau khi nhập, mật khẩu được chuyển đến server quản lý thuê bao thông quan WWW server. Server quản lý thuê bao thực hiện nhận thực người sử dụng và các kiểm tra khác. Nếu số liệu xác thực, thông báo hoàn thành nhận thực được gửi đến đầu cuối di động qua WWW server và giao tiếp kênh và đồng thời tại thời điểm này nhận thực được báo cáo đến Web site. 2.7.1.5. Các chức năng thư điện tử (1) Chuyển thư giữa các đầu cuối di động

Đầu cuối di động gửi yêu cầu phát thư đến ISP di động. Server quản lý thuê bao thực hiện nhận thực yêu cầu này. Sau khi Server thư khẳng định accout thư của nơi nhận, bản tin được lưu giữ ở server bản tin. Server bản tin thông báo cho đầu cuối di động nhận về việc thu được bản tin và nếu đầu cuối di động này sẵn sàng, bản tin sẽ được truyền. Khi phiá thu gửi thông báo khẳng định nhận, bản tin này được xoá khỏi server bản tin. Nếu đầu cuối chưa sẵn sàng nhận bản tin, server bản tin lưu giữ tạm thời bản tin và lần sau nó gửi bản tin này cùng với các bản tin khác đến đầu cuối di dộng yêu cầu nhận. (2) Phát thư đến Internet từ các đầu cuối di động. Chức năng này chuyển các bản tin thư đến các đầu cuối di động đến Internet thông qua giao diện kênh và tường lửa (tường lửa cho Internet). (3) Nhận thư từ Internet bởi các đầu cuối di động. Chức năng này cho phép server thư kiểm tra thông tin về account thư của các bản tin thư gửi đến từ Internet qua tường lửa (tưởng lửa cho Internet) và lưu chúng trong server thư. Xử lý tiếp theo giống như trường hợp "Chuyển thư giữa các đầu cuối di động". (4) Phân phối bản tin push (phân phối bản tin theo điều kiện đặt trước) Chức năng này chỉ phân phối các bản tin đáp ứng các điều kiện đã được người sử dụng đăng ký trước đó. Server quản lý thuê bao kiểm tra nơi nhận các bản tin đến từ Internet, sau đó các bản tin này được server phân phối thông tin push phân phối đến hộp bản tin tương ứng. 2.7.1.6. Các vấn đề đặt ra đối với các ISP di động

Trong phần này ta sẽ xét đến các vấn đề đăt ra khi thực hiện dịch vụ cửa chính (Portal), đây là một trong các vấn đề mà ISP di động phải giải quyết trong tương lai.

80


Một trong các vấn đề cần xem xét khi sử dụng các dịch vụ cửa chính do ISP di động cung cấp là đảm bảo các người sử dung truy nhập đến các Web site khác nhau một cách thuận lơi, ngay cả khi màn hình của máy di động có kích thước nhỏ. Trong khi các dịch vụ cửa chính đối với Internet trên cơ sở PC cung cấp các chức năng để hiện thị danh sách các Web site thông qua việc tìm kiếm từ khoá, thì màn hình của đầu cuối di động quả nhỏ để hiển thị tất cả các kết quả được tìm. Vì thế, i-mode chẳng hạn, hiển thị thực đơn theo cấu trúc phân cấp thay cho việc tìm kiếm từ khoá để truy nhập các Web site.

Tuy nhiên nếu số lượng các Web site liên kết với thực đơn quá lớn, cấu trúc phân cấp cuả thực đơn trở nên quá phức tạp để người sử dụng có thể tìm được Web site mong muốn. Vì thế cần nghiên cứu các chức năng thích hợp cho các máy đầu cuối để người sử dụng có thể tìm thấy Web site mong muốn một cách dễ ràng và nhanh chóng. 2.8. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ THÔNG TIN ĐA PHƯƠNG TIỆN 2.8.1. Tổng quan Server phân bố thông tin đa phương tiện

Khác với tiếng và văn bản trong thông tin thông thường chỉ có lượng tin khá nhỏ, thông tin đa phương tiện như hình ảnh và âm thanh có lượng tin số rất lớn. Khi thông tin đa phương tiện bao gồm văn bản, hình ảnh và âm thanh được tổ chức lại và được cung cấp ở dạng một đơn vị kết hợp, nó được gọi là nội dung. Nội dung được tạo lập và được cung cấp như cho ở hình 2.17. Phần dứơi đây sẽ xét chi tiết vấn đề này. Bước đầu tiên là sử dụng hệ thống sản xuất nội dung để tạo lập và cung cấp nội dung. Hệ thống này bao gồm bộ mã hoá để số hoá và mã hoá hình ảnh, âm thanh. Hệ thống này cũng có công cụ trao quyền có khả năng tạo lập các nội dung bằng cách kết hợp hình ảnh và âm thanh. Các phương pháp mã hoá cho hình ảnh và âm thanh đã được ta xét trong phần 2.2 và 2.3. Ngôn ngữ đánh dấu (ML: Mark Language) chỉ thị cách tổ chức thông tin đa phương tiện và biểu diễn chúng như là các nội dung. Bước tiếp theo là lưu giữ các file đầu ra của bộ mã hoá và công cụ trao quyền trong server của phân phối thông tin đa phương tiện và phân phối chúng đến các đầu cuối theo các yêu cầu từ các đầu cuối này. Khi nhận được nội dung, đầu cuối thực hiện giải mã để phát lại hình ảnh và âm thanh theo khuôn dạng trước khi mã hoá. Sau đó các nội dung được cấu trúc lại và phát lại.

81


camera¶nh

¢m thanh

TraoquyÒn

Bé m·ho¸

Ng«n ng÷ ®¸nh d¸u ...

HTML ...

CÊu tróc l¹inéi dung vµ

ph¸t l¹i

Gi¶i m·

Xö lýtruyÒn tin

Xö lýtruyÒn tin

HÖ thèng s¶nxuÊt néi dung

Server ph©n phèi®a ph−¬ng tiÖn ...

Giao thøc

* HTTP/TCP/IP* RTSP/RTP/UDP/IP M¸y di ®éng,

PhÇn mÒm ®Çu cuèi

¶nh

¢mthanh

Néi dung

Khu«n d¹ng file

File MP4ch¼ng h¹n

Hình 2.17. Cấu hình Server phân phối thông tin đa phương tiện. 2.8.2. Phương pháp phân phối thông tin đa phượng tiện Có hai phương pháp phân phối giữa server phân phối thông tin đa phương tiện và máy di động là: phương pháp tải xuống và phương pháp tạo luồng. Phương pháp tạo luồng phát lại nội dung ngay khi nó được gửi đến máy di động. Từ hình 2.18 ta thấy phương pháp tải xuống mất nhiều thời gian đợi hơn, vì nó phải tải tất cả nội dung xuống trước khi phát lại chúng. Ngoài ra, vì sự hạn chế của kích thước bộ nhớ, độ dài nội dung có thể được phân bố cũng sẽ bị giới hạn. Vì toàn bộ nội dung được lưu lại, nên có thể tái tạo lại nó nếu không áp dụng bảo vệ bản quyền. Trái lại, phương pháp tạo luồng mất ít thời gian thời gian để phát lại hơn vì nội dung được chia nhỏ, được gửi đi ở các đơn vị nhỏ và được phát lại ngay. Thời gian đợi là tổng của thời gian truyền dẫn và thời gian nhớ đệm cho từng đơn vị. Tuy vậy phương pháp này không phù hợp cho việc lưu gữ và tái tạo lại các nội dung được phân bố.

1 32

1 32

1 32

1 32

B¾t ®Çu ph¸t l¹i t¹i ®Çu cuèi

Néi dung ®−îcph©n phèi

Thu t¹i ®Çu cuèi

Göi ®Õn Server

KÕt thóc thu

Thêi gian

1 32

1 32Ph¸t ngay

Nhí ®Öm

Thu t¹i ®Çu cuèi

Göi ®Õn Server

Néi dung ®−îcph©n phèi

Thêi gian

(1) T¶i xuèng (2) T¹o luång

Hình 2.18. Tải xuống và tạo luồng. Phương pháp tải xuống đòi hỏi giao thức thông tin tin cậy giữa server phân phối thông tin và đầu cuối tuy nhiên cho phép trễ lớn hơn. Các thủ tục thông tin đáp ứng yêu cầu này bao gồm HTTP trên TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Iinternet Protocol) và giao thức truyền file (FTP: File Transfer Protocol) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong Internet. Hình 2.19 cho thấy giao thức HTTP có cấu trúc thực hiện trên TCP/IP. Sau khi TCP/IP sửa chữa tổn thất số liệu gây ra do truyền dẫn, tải xuống được thực hiện bởi

82


chức năng HTTP. File tải xuống cho đầu cuối từ server theo thủ tục giưã đầu cuối và server như sau: đầu cuối gửi yêu cầu bằng lệnh HTTP GET và server trả lời bằng lệnh HTTP RES.

HTTP

TCP

IP

Líp 2

Líp 1

§Çu cuèi ng−êi sö dôngServer ph©n phèi th«ng

tin ®a ph−¬ng tiÖn

HTTP GET(yªu cÇu t¶i xuèng)

HTTP RES(T¶i xuèng)

(1) CÊu tróc giao thøc (2) ThÝ dô thñ tôc

Hình 2.19. Cấu trúc giao thức HTTP và thí dụ thủ tục Đối với phương pháp tạo luổng, các nhà sản xuất khác nhau đưa ra các giải pháp cạnh tranh khác nhau như: công nghệ các phương tiện Windows và hệ thống thời gian thực cuả Realnetwork. IETF đưa ra RFC (Request for Comment: yêu cầu bình luận) cho giao thức tạo luồng thời gian thực (RTSP: Real-Time Streaming Protocol) cho phương pháp tạo luồng. RTSP được sử dụng cùng với cấu trúc giao thức được cho trong hình 2.20. Tạo luồng đòi hỏi trễ truyền dẫn thấp, nhưng cho phép dung sai mất gói cao hơn. Để thoả mãn điều này, RTSP được thực hiện trên giao thức UDP (User Data Protocol) cho phép truyền nhanh hơn các gói mà không cần đảm bảo độ tin cậy cao và RTP cho phép truyền thời gian thực cho hình ảnh, âm thanh ... Giao thức điều khiển RTP (RTCP: Real Time Control Protocol) được đặc tả bổ sung cho RTP để kiểm sóat chất lượng trên cơ sở báo cáo cho phía giửi về trạng thái thu hình ảnh và âm thanh được phát bởi RTP. RTSP là một thủ tục thông tin để điều khiển các phiên đa phương tiện. Bằng RTSP, ta có thể thực hiện các yêu cầu khác nhau như tạm dừng phát lại luồng hình ảnh Và âm thanh, hay phát nhanh về phái trứơc hoặc phát với chuyển động chậm. Truyền luồng trên cơ sở RTSP sử dụng chuỗi các lệnh như sau: đầu cuối phát SET UP để Server chuẩn bị phát, khởi đầu phát luồng bằng lệnh PLAY và kết thúc phát luồng bằng lệnh TEARDOWN.

83


RTSP

RTP/RTCP

UDP TCP

IP

Líp 2

Líp 1

§Çu cuèi cñang−êi sö dông

Server ph©n bè th«ng tin®a ph−¬ng tiÖn

SETUP(ChuÈn bÞ ph¸t luång)

PLAY(Khëi ®Çu ph¸t luång)

RTCP

TEARDOWN(KÕt thóc ph¸t luång

(1) C¸u tróc giao thøc (2) Chuçi lÖnh

Hình 2.20. Cấu trúc RTSP/RTP và thí dụ về chuỗi lệnh. 2.9. GIAO THỨC ỨNG DỤNG VÔ TUYẾN (WAP) 2.9.1. Mở đầu WAP Forum (WAP: Wireless Aplication Protcol) được thiết lập vào tháng riêng năm 1998 bởi bốn hãng: Phone.com (nay là Openwave), Nokia, Mototola và Ericssion. Đến tháng riêng năm 2001 số thành viên đã tăng lên 641 (trong đó 251 thành viên chính thức và 390 thành viên cộng tác). Mục đích đầu tiên cuả diễn đàn này là tạo ra một tập đặc tả tiêu chuẩn hoá toàn cầu và mở để sử dụng các dịch vụ Internet từ mạng vô tuyến. WAP Forum cộng tác cùng với các cơ quan tiêu chuẩn cho Internet và điện thoại khác như: W3C, IETF, ECMA (European Computer Mannufacturers Association), 3GPP1/2, ETSI và MITF (Mobile Internet Access Forum) để phát triển các đặc tả. Việc đưa ra GPRS và các dịch vụ của W-CDMA UMTS dẫn đến cần thiết phải phát triển một phiên bản các đặc tả WAP mới tương thích với các mạng di động thế hệ tiếp theo. Để đáp ứng yêu cầu này, WAP Forum bắt đầu phát triển các đặc tả mới cho WAP thế hệ sau tương thích với các mạng di động thế hệ sau (WAP-NG: WAP next generation) với mục đính chính là đạt được sự hội tụ với Internet.

Phần này sẽ giới thiệu các đặc tả của WAP hiện thời (WAP 1.X) và các khả năng mới dự kiến cho WAP tương lai. Sau đó sẽ tổng kết các yêu cầu cho mạng thế hệ sau và tiếp theo là tiến bộ của việc phát triển các đặc tả WAP thế hệ sau. 2.9.2. Tổng quan WAP hiện có

84


WAP 1.0 được phát hành vào tháng 6 năm1998. Với công bố WAP 1.1 cấu trúc cơ sở của WAP đã được xác định. Từ đó cho đến nay các tiêu chuẩn này đã được cập nhật hai lần. Để phân biệt các đặc tả WAP hiện có này với WAP thế hệ sau, ta gọi WAP hiện nay là WAP 1.X. Hình 2 .21 mô tả cấu trúc của mô hình WAP 1.X. WAP 1.0 gồm các phần tử cơ sở như các giao thức, ngôn ngữ đánh dấu và script (kịch bản). WAP 1.1 đưa thêm một số cải thiện so với phiên bản cũ như tính tương tác và sửa lỗi. Phiên bản được nhiều MS sử dụng hiện nay là WAP1.1. WAP1.2 được phát hành tháng riêng năm 2000 đă đưa thêm vào các khả năng mới như push (bản tin theo điều kiện đặt trước) và module nhận dạng vô tuyến (WIM: Wireless Identity Module). Sau phiên bản này là hai phiên bản được phát hành trong năm (tháng sáu và tháng mười hai) và biên bản mới nhất hiện nay là WAP 2.0. Các đặc tả này được công bố trên Web site của WAP Forum. Kiến trúc WAP 1.X có hai đặc tính: (1) tối ưu các giao thức vô tuyến và (2) sử dụng WML (Wireless Mark Language: Ngôn ngữ đánh dâu không dây).

Bé tr×nh duyÖtWML

Kh¸ch hµngWAP

Yªu cÇu ®−îc m· ho¸

Tr¶ lêi ®−îc m· ho¸

BiÕn ®æi giao thøcvµo c¬ sè hai

Cæng WAP

Yªu cÇu

Tr¶ lêi

Giao th−cInternet

Server Gèc

CGIscript ...

C¸c néidung

WAP

CGI: Common Gateway Interface= Giao diÖn cæng chungWAP: Wireless Application Protocol= Giao thøc øng dông v« tuyÕnWML: Wireless Marup Language= Ng«n ng÷ ®¸nh dÊu v« tuyÕn

Hình 2.21. Mô hình kiến trúc WAP 1.X 2.10. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN BẢN TIN ĐA PHƯƠNG TIỆN (MM) 2.10.1. Tổng quan Truyền bản tin đa phương tiện (MM: Multimedia Messaging) là một công nghệ để truyền thông tin đa phương tiện sử dụng công nghệ truyển dẫn kiểu lưu và chuyển được gọi là Messaging. Công nghệ này khác với các công nghệ thông tin thời gian thực như điện thọai có hình và hội nghị từ xa về tính tức thời cuả thông tin. Thông tin đa phương tiện tích hợp thông tin cuả nhiều phương tiện khác nhau như: văn bản, video, hình ảnh và tiếng trong một đơn vị tuỳ theo khuôn dạng đặc thù. Khuôn dạng MIME là khuôn dạng điển hình.Tiêu chuẩn hoá dịch vụ truyền bản tin đa phương tiện

85


(MMS: Multimedia Messaging Service) ở mạng thông tin di động hế hệ sau đang được 3GPP và WAP Forum nghiên cứu. 2.10.2. Mô hình khái niệm Kiến trúc mô hình khái niệm MMS được cho ở hình 2.22. Toàn bộ các phần tử chức năng cần thiết để cung cấp dịch vụ MMS được gọi là môi trường MMS (MMSE: MMS Environment). Các phần tử chính của MMSE gồm: MMS Server để lưu giữ và xử lý các bản tin đa phương tiện, MMS Relay để chuyển tiếp các bản tin giưã các hệ thống truyền bản tin và cơ sở dữ liệu của người sử dụng để nhận được các thông tin liên quan đến người sử dụng như: hồ sơ của từng người sử dụng và vùng hiện người này đang có mặt. Một ứng dụng có tên là tác nhân người sử dụng MMS (MMS User Agent) được cài vào từng máy di động hay thiết bị nối với máy di động để cung cấp cho ngừơi sử dụng các khả năng liên quan đến gửi, nhận và xoá các bản tin đa phương tiện.

T¸c nh©n ng−êisö dông MMS

T¸c nh©n ng−êisö dông MMS

M¹ng di®éng A 2G

M¹ng di®éng A 3G

L−u gi÷b¶n tin

ServerMMS MMSRelay

C¬ së d÷ liÖu ng−êisö dông, l−u lý lÞch

thuª bao, HLR

M¹ng Internet

M¹ng di®éng B

Hép th−

Kh¸c hµng th−®iÖn tö h÷u tuyÕn

T¸c nh©n ng−êisö dông MMSchuyÓn m¹ng

MMSE

MMSE: Nhãm phÇn tö chøc n¨ng ®Ó cung cÊp c¸c dÞch vô MMSMMS Server: Xö lý vµ l−u gi÷ b¶n tin ®a ph−¬ng tiÖnMMS Relay: ChuyÓn tiÕp b¶n tin gi÷a c¸c hÖ thèngT¸c nh©n ng−êi sö dông MMS: øng dông ë m¸y di ®éng

Hình 2.22. Mô hình khái niệm của kiến trúc MMS 2.10. 3. Mô hình thực hiện dựa trên công nghệ IP

86


Mô hình dựa trên công nghệ IP được xây dựng trên cơ sở các giao thức tiêu chuẩn Internet do IETF đặc tả. Mô hình này đòi hỏi cửa trên cơ sở IP để thực hiện chuyển đổi giao thức vô tuyến và giao thức mạng hữu tuyến như cho ở hình 2.23. Các giao thức như giao thức truyền thư đơn giản (SMTP: Simple Mail Transfer Protocol), POP3 (Post Office Protocol 3), IMAP4 (Internet Messsage Protocol 4) và HTTP được đặc tả để sử dụng cho việc truyền giưã tác nhân người sử dụng MMS và MMS Relay tuỳ theo từng dịch vụ. 2.10.4. Mô hình thực hiện dựa trên WAP Giao thức bản tin cho mô hình thực hiện dựa trên WAP được cho ở hình 2.24 là giao thức được xây dựng trên các tiêu chuẩn do WAP Forum và IETF đặc tả. Giao thức phiên vô tuyến (WSP: Wireless Session Protocol) được sử dụng làm giao thức truyền giữa tác nhân người sử dụng MMS và cổng WAP. HTTP được sử dụng làm giao thức giữa cổng WAP và MMS Relay.

IDC

Internet§Çu cuèi

SMTP, POP3,IMAP4, HTTP ...

Cæng d−¹ trªn IP MMS Relay

MMS Server

SMTP, POP3,IMAP4,HTTP ...



Intranet (xÝ nghiÖp)

Server th− ®iÖn tö

MMSUIMMS

app. svcsMMScomm.

Giao thøctruyÒn

TCP ®−îctèi −u

IP(v« tuyÕn)

T¸c nh©nng−êi sö

dông MMS

TCP ®−îctèi −u

IP(v« tuyÕn)

TCP

IP

SMTPPOP

IMAPHTTP

...

TCP

IP

STMP, POP,IMAP, HTTP

Giao thøctruyÒn MM B

TCP

IP

MMSapp. model

Çc b¶n tin


TCP

IP

Cæng dùa trªn IP MMS RelayMMSServer

Khung øng dông truyÒn b¶n tin

app. svcs: Çc dÞch vô, çc øng dôngcomm.: truyÒn tinapp.model: M« h×nh øng dôngGTMMB: Giao thøc truyÒn b¶n tin B

T¶i tin giao thøc truyÒn b¶n tin A

SMTPPOP

IMAPHTTP

...

Sè liÖuMMGT

MM B

Hình 2.23. Mô hình thực hiện dựa trên IP.

87


IDC

§Çu cuèi Cæng d−¹ trªnWAP

MMS Relay

MMS ServerMMS

UIMMS

app. svcsMMScomm.

Giao thøctruyÒnÇc líp

trung gianÇc dÞch vô

v« tuyÕn

T¸c nh©nng−êi sö

dông MMS

TCP

IP

WAPWSP TCP

IP

HTTP Giao thøctruyÒn MM B

TCP

IP

MMSapp. model

Çc b¶n tin


TCP

IP

Cæng dùa trªn WAP MMS RelayMMSServer

Khung øng dông truyÒn b¶n tin

T¶i tin giao thøc truyÒn b¶n tin ASè liÖuMMGT

MM B

WSPHTTP

HTTPÇc líp

trung gianÇc dÞch vô

v« tuyÕn

WSP: Wireless Session Protocol= Giao thøc phiªn v« tuyÕn Hình 2.24. Mô hình MMS dựa trên WAP

2.11. TỔNG KẾT Chương này trước hết xét tổng các công nghệ xử lý ảnh và trình bày công nghệ xử lý ảnh được sử dụng cho thông tin di động (MPEG4). Sau đó các công nghệ xử lý tiếng và âm thanh được trình bày. Hai kỹ thuật xử lý tiếng chủ yếu xử dụng cho thông tin di động đựơc xét: RPE-LTP và CELP. Sau đó các CODEC tiếng sử dụng trong GSM, các hệ thống 3 G đựơc trình bày. Các CODEC GSM cho tốc độ cố định còn các CODEC 3G cho tốc độ thay đổi. Điểm khác nhau giữa các CODEC 3G ở chỗ: CODEC AMR trong UMTS là tập hợp cuả nhiều CODEC có tốc độ khác nhau và các tốc độ này được lựa chọn tùy theo trạng thái tôt xấu của kênh truyền, còn CODEC EVRC của cdma20001x có tốc độ thay đổi tùy theo tần suất nói để giảm công suất nhiễu khi người dùng nói ít. Tiếp theo các hệ thống xử lý tín hiệu đa phương tiện được trình bày với xem xét cụ thể sơ đồ 3G-324M . Cuối chương các vấn đề liên quan đến cung cấp dịch vụ IP đa phượng tiện trong thông tin di động như: các phương pháp cung cấp dịch vụ thông tin di động, phân bố dịch vụ IP đa phương tiên, truyền bản tin đa phương tiên (MMS) được trình bày.

88


89

2.12. CÂU HỎI 1. Trình bầy các kỹ thuật xử lý ảnh 2. Trình bày các kỹ thuật xử lý tiếng và âm thanh 3. Trình bày phương pháp truyền tiếng trong các HTTTDĐ 4. Trình bày CODEC tiếng của GSM 5. Trình bày CODEC tiếng AMR của 3G UMTS 6. Trình bày CODEC tiếng VRC của cdma2000 1x 7. Trình bày các dịch vụ do ISP cung cấp 8. Trình bày cấu hình ISP di động 9. Trình bày các chức năng cuả ISP di động 10. Trình bày các chức năng thư điện tử 11. Trình bày server phân bố thông tin đa phương tiện 12. Trình bày phương pháp phân bố thông tin đa phương tiện 13. Trình bày WAP 14. Trình bày phương pháp truyền bản tin đa phương tiện (MM)

Chương 3. Hệ thống thông tin di động GSM /GPRS__________________

90

Chương 3 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM/GPRS


• Giao diện vô tuyến của GSM • Giao diện vô tuyến của GPRS • Điều khiển tài nguyên vô tuyến • Truyền dẫn trong GSM • Các sơ đồ truyền dẫn số liệu qua GSM • Các sơ đồ truyền số liệu qua GPRS • Một số trường hợp định tuyến lưu lượng • An ninh GSM




• Hiểu các giao diện vô tuyến của GSM và GPRS • Hiểu được điều khiển tài nguyên vô tuyến và truyền dẫn trong các mạng GSM

và GPRS • Hiểu các sơ đồ truyền dẫn số liệu qua các mạng GSM và GPRS • Hiểu được các cách định tuyến lưu lượng • Hiểu được mô hình an ninh cho giao diện vô tuyến.

3.2. MỞ ĐẦU GSM là hệ thống thông tin di động 2G được thiết kế chủ yếu cho truyền dẫn thoại. GSM ((Global System For Mobile Telecommunications) ) sử dụng kết hợp phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo tần số (FDMA), trong đó mỗi trạm di động để truy nhập vào mạng được cấp phát một cặp tần số và một khe thời gian. GSM là hệ thống thông tin di động 2G được thiết kế chủ yếu cho truyền dẫn thoại. GSM chỉ cho phép truyền liệu qua modem với tốc độ 12 kbp.

GPRS được thiết kế để cung cấp các dịch vụ gói tốc độ cao hơn so với tốc độ truyền số liệu được cung cấp bởi các dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh của GSM. Về


91

mặt lý thuyết GPRS có thể cung cấp tốc độ số liệu lên đến 171 kbps ở giao diện vô tuyến, mặc dù ở các mạng thực tế không bao giờ có thể đạt được tốc độ này (do cần phải dành một phần dung lượng cho việc hiệu chỉnh lỗi trên đường truyền vô tuyến). Trong thực tế giá trị cực đại của tốc độ thực tế chỉ cao hơn 100 kbps một chút với tốc độ khả thi thường vào khoảng 40 kbps hoặc 50 kbps. Tuy nhiên các tốc độ nói trên cũng lớn hơn nhiều so với tốc độ cực đại ở GSM. Tất nhiên ưu điểm lớn nhất của GPRS không chỉ đơn giản là ở chỗ nó cho phép tốc độ số liệu cao hơn. Ưu điểm lớn nhất của GPRS là nó sử dụng công nghệ chuyển mạch gói. Điều này có nghĩa là một người sử dụng chỉ tiêu phí tài nguyên khi người này cần phát hoặc thu số liệu. Nếu một người sử dụng không phát số liệu ở một thời điểm, thì các khe thời gian ở giao diện vô tuyến tại thời điểm này sẽ được dành cho các người sử dụng khác. Giao diện vô tuyến của GSM được xây dựng trên hai kiểu kênh: kênh logic và kênh vật lý. Kênh logic được hình thành trên cơ sở đóng gói các thông tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh vật lý. Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập TDMA kết hợp với FDMA/FDD. Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và một khe thời gian. Trong phần dưới đây ta sẽ xét các kênh này. 3.3. CÁC KÊNH VẬT LÝ CỦA GSM Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập TDMA kết hợp với FDMA/FDD và được đặc trưng bởi một cặp tần số và một khe thời gian. 3.3.1. Các kênh tần số được sử dụng ở GSM Phân bố tần số ở GSM được quy định nằm trong dải tần 890-960 MHz với bố tri các kênh tần số như sau: fn = 890MHz + (0,2MHz)×n, n=0,1,2,....124 f'n = fn+45 MHz (3.1) bao gồm 125 kênh đánh số từ 0 đến 124, kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ nên không được sử dụng, trong đó: fn là tần số ở bán băng tần thấp dành cho đường lên (từ trạm di động đến trạm BTS), f'n là tần số ở bán băng tần cao dành cho đường xuống (từ BTS đến trạm di động). Hệ thống GSM mở rộng (E-GSM) có băng tần rộng thêm 10 MHz ở cả hai phía nhờ vậy số kênh sẽ tăng thêm 50 kênh. Phân bố tần số trong trường hợp này như sau: fn = 890MHz + (0,2MHz)×n, 0≤n≤124 và f'n = 890MHz + (0,2MHz).(i-1024) , 974≤n≤1023


92

f'n = fn+45MHz (3.2) các kênh bổ sung được đánh số từ 974 đến 1023 và kênh thấp nhất 974 để làm khoảng bảo vệ nên không sử dụng. Đối với hệ thống DCS-1800 băng tần công tác 1710-1880 MHz, phân bổ tần số cho các kênh như sau: fn = 1.710MHz + (0,2MHz)×(n-511) 512≤n≤885 f'n = fn +95 MHz (3.3) gồm 374 kênh đánh số từ 512 đến 885 Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một tế bào của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô sử dụng các tần số giống nhau hoặc gần nhau cũng phải xa nhau. 3.3.2.Tổ chức đa truy nhập kết hợp FDMA và TDMA Truyền dẫn vô truyến ở GSM được chia thành các cụm (BURST) chứa hàng trăm bit đã được điều chế. Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian có độ rộng là 15/26 ms (577 ms ) ở một trong kênh tần số có độ rộng 200 KHz nói trên. Sơ đồ mô tả cách kết hợp FDMA và TDMA được cho ở hình 3.1. Mỗi một kênh tần số với băng thông 200 KHz cho phép tổ chức các khung truy nhập theo thời gian, trong đó mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0 đến 7 (TS0,TS1....,TS7). Như ở phần trên ta đã nói GSM sử dụng băng tần sau: 890-915 MHz cho đường lên (MS phát) 935-960 MHz cho đường xuống (BTS phát) khoảng cách giữa các sóng mang là 200kHz. Trong tương lai khi mở rộng đến hệ thống DCS1800 băng tần được sử dụng sẽ là: 1710-1785 MHz đường lên 1805-1880 đường xuống Để đảm bảo các quy định về tần số bên ngoài băng phải có một khoảng bảo vệ giữa các biên của băng (200kHz). Vì thế ở GSM900 ta có 124 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ 890,2 và ở DCS1800 ta có 374 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ 1710,2MHz. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA có 8 khe thời gian. Một khe thời gian có độ dài 15/26ms ≅ 577μs. 8 khe thời gian của một khung TDMA có độ dài gần băng 4,62ms.


93

Hình 3.1. Đa truy nhập TDMA kết hợp FDMA trong GSM Tại BTS các khung TDMA ở tất cả các kênh tần số trên đường xuống được đồng bộ. Đồng bộ cũng được áp dụng như vậy với đường lên. Tuy nhiên khởi đầu của khung TDMA đường lên trễ một khoảng thời gian cố định 3 khe. Lý do trễ để cho phép MS sử dụng cùng một khe thời gian ở cả đường lên lẫn đường xuống mà không phải thu phát đồng thời.

3.3.3. Tổ chức đa khung, siêu khung, siêu siêu khung Về mặt thời gian các kênh vật lý ở một kênh tần số được tổ chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu khung, siêu siêu khung (hình 3.2). Một siêu siêu khung có độ dài là 3 giờ 28 phút 53 giây 760 ms. Các khung TDMA được đánh số FN (Frame Number: số khung) trong siêu siêu khung từ 0 đến 2 715 647. Một siêu siêu khung được chia thành 2048 siêu khung, mỗi siêu khung có độ dài là 5,12 giây. Mỗi siêu khung được chia thành các đa khung. Có hai loại đa khung:

• Đa khung 26 khung (51siêu khung trên một siêu siêu khung) có độ dài 120 ms và chứa 26 khung. Các đa khung này được sử dụng cho các kênh TCH, SACCH và FACCH.

• Đa khung 51 khung (26 siêu khung trên một siêu siêu khung) có độ dài 235,4ms và chứa 51 khung TDMA. Đa khung naỳ sử dụng cho các kênh BCCH, CCCH và SACCH.


94

1 Siªu siªu khung = 2048 siªu khung = 2715648 khung TDMA (3 h 28 m 53 s 760ms)

1 2 3 40

00

0 0

0

11

1 1

1

2

2

2

2

3

3 3

3 4 5 6 7

204204204204

47 48 49 50

22 23 24 25 47 48 49 50

1 siªu khung = 1326 khung TDMA (6,12 s)

1 ®a khung (51 khung) = 51 khung TDMA (3060/13ms)

1 khung TDMA = 8 khe thêi gian (120/26≅4.615ms)

1 khe thêi gian = 156,25 bit (15/26 ≈ 0,577ms)

Côm b×nh th−êng (cê F chØ t−¬ng øng víi TCH)

TB3

TB

3TB

TB

3

3

TB

TB

TB

TB

3

3

3

3

GP8,25

GP8,25

GP8,25

3TB

3TB

GP8,25

GP68,25

F1

F1

57 bit ®−îc mËt m∙ ho¸

57 bit ®−îc mËt m∙ ho¸

142 bit cè ®Þnh

39 bit 39 bit ®−îc mËt m∙ ho¸ ®−îc mËt m∙ ho¸

Chuçi h−íng

26 bit

Chuçi ®ång bé64 bit

Çc bit hçn hîp58

Çc bit hçn hîpChuçi h−íng

26 bit 58

Chuçi ®ång bé41

Çc bit ®−îc mËt

36

Côm hiÖu chØnh tÇn sè (FC)

Côm ®ång bé (SB)

Côm th©m nhËp (AB)

Côm gi¶ (DB)Ký hiÖu:

TB: Bit ®u«i; F: cê lÊy trém; GP: §o¹n b¶o vÖ.

Hinh 4.4. Tæ chøc khung vµ côm.

24 25

Hình 3.2. Tổ chức đa khung, siêu khung và siêu siêu khung

3.3.4. Cấu trúc cụm Khe thời gian 577μs tương ứng với độ dài của 156,25 bit là nội dung vật lý của một cụm. Tồn tại bốn dạng cụm khác nhau trong hệ thống. Sơ đồ tổ chức các cụm này được cho ở hình 3.2. Ý nghĩa của các cụm này như sau:


95

• Cụm bình thường (NB: Normal Burst) : cụm này được sử dụng để mang các thông tin về các kênh lưu lượng và các kênh kiểm tra. đối với kênh lưu lượng TCH cụm này chứa 114 bit được mật mã, ba bit đuôi (0,0,0) đầu và cuối, 2 bit cờ lấy cắp (chỉ cho TCH), 26 bit hướng dẫn và khoảng thời gian bảo vệ có độ rộng bằng 8,25 bit. NB được sử dụng cho TCH và các kênh điều khiển trừ RACH, SCH và FCCH.

• Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequency Correction Burst): cụm này được sử dụng để đồng bộ tần số cho trạm di động. Cụm chứa 142 bit cố định bằng 0 để tạo ra dịch tần số +67,7 kHz trên tần số danh định, ba bit đuôi (0,0,0) đầu và cuối) và khoảng bảo vệ 8,25 bit. FB được sử dụng cho FCCH

• Cụm đồng bộ (SB: Synchronization Burst): cụm này được sử dụng để đồng bộ thời gian cho trạm di động. Cụm chứa 78 bit được mật mã hoá để mang thông tin về FN của TDMA và BSIC (Base Station Identity Code: mã nhận dạng trạm gốc), ba bit đuôi đầu và cuối, chuỗi hướng dẫn kéo dài 64 bit và khoảng bảo vệ 8,25 bit. SB được sử dụng cho SCH.

• Cụm truy nhập (AB: Access Burst): cụm này được sử dụng để truy nhập ngẫu nhiên và truy nhập chuyển giao (Handover). Cụm chứa 36 bit thông tin, 41 bit đồng bộ (bit hướng dẫn, 8 bit đuôi đầu, 3 bit đuôi cuối và khoảng bảo vệ 68,25 bit (252μs). Sở dĩ cần khoảng bảo vệ dài vì khi MS truy nhập lần đầu (hay sau chuyển giao) nó không biết đinh trước thời gian, khoảng này dành cho khoảng cách 35km. AB được sử dụng cho RACH và TCH.

• Cụm giả (DB: Dummy Burst) Cụm giả được phát đi từ BTS trong một số trường hợp. Cụm không mang thông tin. Cụm có cấu trúc giống như NB nhưng các bit mật mã được thay thế bằng các bit hỗn hợp.

3.3.5. Sơ đồ kênh vật lý của GSM Tiếng trong GSM đựơc truyền theo hai tốc độ: 13 kbps và 6,5kbps. Trường hợp thứ nhất được gọi là toàn tốc (FR: Full Rate) còn trường hợp thứ hai được gọi là bán tốc (HR: Half Rate). Hiện nay chỉ có trường hợp thứ nhất được sử dụng trong GSM. nên ta sẽ xét kênh vật lý cho trường hợp này. Sơ đồ kênh vật lý truyền tiếng tòa tốc trong GSM được cho trên hình 3.3.


96

Hình 3.3. Sơ đồ kênh vật lý của GSM I. Quá trình xử lý tín hiệu tại đầu phát 1. Mã hóa tiếng, mã hóa kênh và đan xen Mã hóa tiếng Trước hết tiếng được mã hóa. Quá trình mã hóa và giải mã tiếng đựơc thực hiện trên nguyên lý RPE-LTP như đã xét trong chương 2. Mã hóa kênh Sau mã hóa tiếng các khung tiếng 260bit/20ms được đưa đến bộ mã hoá kênh. Mã hoá kênh được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong luồng bit thu để giảm tỷ số bit lỗi BER. ở các hệ thống thông tin di động người ta sử dụng hai dạng mã kênh khác nhau: mã khối tuyến tính (Linear Block Code) và mã xoắn (Convolutional Code). Các mã khối được sử dụng để phát hiện lỗi còn các mã hoá xoắn được sử dụng để sửa lỗi. Quá trình mã hoá kênh tiếng được cho ở hình 3.4. Tại bộ mã hóa kênh khung tiếng 260bit/20ms được chia thành ba loại theo tầm quan trong nhận được từ các thí nghiệm chủ quan: lọai quan trọng nhất Ia với 50 bit, loại quan trọng vừa Ib với 132 bit và loại không quan trọng II với 78 bit. Chỉ có hai loại đầu là được mã hóa kênh kiểm soát lỗi. Trước hết 50 bit của loại Ia được mã hóa phát hiện lỗi bằng mã khối tuyến tính với đa thức tạo mã g(x) = x3 + x +1. Kết quả cho ta 53 bit bao gồm 50 bit thông tin cộng với 3 bit kiểm tra chẵn lẻ CRC. Sau đó 50 bit thông tin được chia đôi thành hai đoạn 25 bit kết hợp với 3 bit CRC được đan xen với hai đoạn 66 bit cuả loại Ib để đựơc đoạn 185 bit trước khi đưa lên mã hóa xoắn. Trong quá trình mã hóa xoắn 4 bit đuôi dược chèn vào 185 bit này để được 189 bit. Vì mã hóa xoắn có tỷ lệ mã r=1/2 nên đầu ra ta đựơc 2x189=378 bit. Cuối cùng 378 bit này đựơc ghép với 78 bit còn lại không được mã hóa để được đầu ra 456 bit. Tốc độ bit đầu ra bộ mã hóa là 22,8 kbps.


97

Hình 3.4. Quá trình mã hóa kênh cho kênh tiếng toàn tốc

Đan xen Các bit sau mã hoá được tổ chức lại và được đan xen. Đan xen được thực hiện theo hai mức. Tai mức thứ nhất chuỗi 456 bit đầu ra mã hóa kênh được viết vào mảng nhớ 8x57 theo hàng và được đọc ra theo cột (xem hình 3.5). Chuỗi xáo trộn đầu ra đựơc phân thành 8 đoạn 57 bit đựơc gọi là bán cụm (các bán cụm này sẽ đựa đặt vào các cụm như trên hình 3.2).

Hình 3.3. Sơ đồ kênh vật lý của GSM

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16

17 18 19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30 31 32

| | | | | | | |

| | | | | | | |

| | | | | | I |

| | | | | | I |

| | | | | | I |

| | | | | | I |

449 450 451 452 453 454 455 456

8 khung

57 bit

H×nh 4.22. §an xen tiÕng toµn tèc (møc 1)Hình 3.5. Đan xen mức 1 cho tiếng toàn tốc

Sau đó các bán cụm nói trên lại được đan xen ở mức thứ hai (hình 3.6). Trước hết luồng bit đầu ra bộ đan xen mức 1 được nhóm thành các khối bốn khung tiễng với ký hiệu tương ứng là A, B, C, D . Mỗi khung tiếng bao gồm 8 bán cụm được đánh chỉ


98

số từ 1 đến 8. Các bán cụm được đan xen với nhau. Sau đó các bit trong từng cặp bán cụm lại được đan xen một làn nữa như trên hình 3.6. Sau đan xen tốc độ bit kHông đổi và bằng 22,8 kbps.

Hình 3.6. Đan xen mức 2 cho tiếng toàn tốc 2. Mật mã và lập khuôn cụm Mật mã Một trong các ưu điểm lớn của hệ thống truyền dẫn số là dễ dàng bảo vệ tín hiệu này khỏi sự can thiệp của người thứ ba không được phép bằng cách mật mã hoá tín hiệu số. Ở GSM phương pháp mật mã hoá không phụ thuộc vào dạng số liệu được phát, nhưng chỉ áp dụng cho các cụm bình thường. Sau đan xen cặp bán cụm được đan xen bit sẽ được đưa lên mật mã hóa. Mật mã hoá tín hiệu đạt được bằng thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa một chuỗi ngẫu nhiên với 114 bitcủa hai bán cụm (bảng 3.1). Để giải mật mã người ta thực hiện thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa tín hiệu thu với chuỗi ngẫu nhiên. Bảng 3.1. Nguyên lý mật mã và giải mật mã tín hiệu số

Tín hiệu số Chuỗi mật mã Tín hiệu đã mật mã hoá

0 0 0

1 0 1

0 1 1

0 0 0

1 1 0

0 1 1

1 0 1

1 0 1

1 1 0

0 1 1

0 1 1

1 0 1

.

.

.

.

. ,

Chuỗi ngẫu nhiên được tạo ra từ số khung và khoá mật mã Kc theo thuật toán A5 (xem hình 3.7). Khoá mật mã Kc giống nhau giữa thu và phát, số khung thay đổi từ


99

cụm này đến cụm khác, vậy mỗi cụm của một cuộc thông tin trong một hướng (đường lên hoặc đường xuống) sẽ sử dụng chuỗi mật mã khác nhau. Thuật toán A5 như nhau cho mạng GSM toàn cầu vì phải đảm bảo khả năng chuyển vùng (Roaming) của MS. 22 bit số khung kết hợp với 64 bit Kc theo thuật toán A5 để tạo ra chuỗi ngẫu nhiên 144 bit.

Sè khung

(22 bit)Kc (64bit)

Sè khung

(22 bit)Kc (64 bit)

S1

(114 bit)

S2

(114 bit)

S2

(114 bit) S1

(114 bit)

A5 A5

MS BTSGi¶i mËt m∙

MËt m∙

MËt m∙

Gi¶i mËt m∙

H×nh 4.24. Nguyªn lý mËt m· vµ gi¶i mËt m·.

Lập khuôn cụm Sau mật mã hóa, hai nửa bán cụm được đặt vào cụm như trên hình 3.8. Giữa hai nửa bán cụm là 26 bit hướng dẫn và 2 bit cờ. Hai đầu bán cụm đựơc giới hạn mỗi đầu là 3 bit đuôi. Như vậy toàn bộ cụm sẽ có 148 bit. 26 bit hướng dẫn để hướng dẫn cho bộ cân bằng Viterbi tại máy thu làm việc (sẽ xét sau). Hai bit cờ để báo hiệu cụm là kênh lưu lượng TCH (Traffic Channel) hay kênh báo hiệu lấy cắp từ kênh lưu lượng FACCH (Fast Associated Control Channel: kênh điều khiển liên kết nhanh). Nếu hai bit này bằng không thì cụm dành cho kênh TCH, ngược lại cụm được dành cho kênh FACCH.

Hình 3.8. Khuôn dạng cụm bình thường dành cho kênh TCH.


100

Sau lập khuôn cụm, các cụm đựơc đặt vào khe thời gian TS với khoảng bảo vệ có độ dài 8,25 bit vì thế độ rộng của TS là 156,25 bit/0,577ms (xem hình 3.9). Kết quả ta được tốc độ bit phát vào không trung là 270,8kbps.

Hình 3.9. Khe thời gian TS của cụm bình thường dành cho TCH. 3. Điều chế GSM sử dụng phương pháp điều chế khoá chuyển pha cực tiểu Gauss GMSK (Gausian Minimum Shift Keying). Đây là phương pháp điều chế băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha. Để giải thích GMSK, trước hết ta xét MSK. Ta có thể trình bầy sóng mang đã được điều chế đối MSK như sau: S(t) = A cos (ωct + θ(t) +θ0) (3.4) trong đó: A là biên độ không thay đổi ωc = 2π fc [rad/s] là tần số góc của sóng mang θ(t)t là góc pha phụ thuộc vào luồng số đưa lên điều chế θ0 là góc pha ban đầu

θ(t)= (3.5) i ii

k (t iTΦ −∑ )

trong đó: nếu chuỗi bit đưa lên điều chế là {.... di-1 , di , di+1 } ki = 1 nếu di = di-1 ki = -1 nếu di ≠ di-1

Φi (t) = π2T

t , T là khoảng thời gian của bit .

Ta thấy ở MSK nếu bit điều chế ở thời điểm xét giống như bit ở thời điểm trước đó θ(t) sẽ thay đổi tuyến tính từ 0 đến π/2 , ngược lại nếu bit điều chế ở thời điểm xét khác với bit trước đó thì θ(t) sẽ thay đổi tuyến tính từ 0 đến - π/2 . Sự thay đổi góc pha ở điều chế MSK cũng dẫn đến thay đổi tần số theo quan hệ sau: ω = dϕ(t)/dt (3.6)


101

trong đó: ϕ(t) = ωct +θ(t) +θ0

Nếu chuỗi bit đưa lên điều chế không đổi (toàn số 1 hoặc toàn số 0 ) ta có tần số sau:

ω1 = 2π f1 = ωc + T2π

hay f1 = fc+ T41

(3.7)

Nếu chuỗi bit đưa lên điều chế thay đổi luân phiên (1,0,1,0..) thì ta có tần số:

ω2 = 2π f2 = ωc - T2π

hay f2=fc+ T41

(3.8)

Để thu hẹp phổ tần của tín hiệu điều chế luồng bit đưa lên điều chế được đưa qua bộ lọc Gauss. Ở GSM bộ lọc Gausơ được sử dụng BT=0,3 , trong đó B là độ rộng băng tần. Vậy độ rộng băng tần ở 3dB có ở thể tính như sau: B.T = 0,3 hay B = 0,3/T = 0,3/ (1/271*103) = 81kHz Ở tần số 200 kHz so với tần số danh định mức công suất phổ vào khoảng -32dBm đối với GMSK có bộ lọc BT=0,3. Tần số chuẩn là 200/271 = 0,75. Để giảm nhiễu ở các kênh lân cận cần lưu ý khi quy hoạch tần số. Sơ đồ khối của bộ điều chế GMSK được cho ở hình 3.10. Quan hệ giữa các bit số liệu vào di, di-1 với các bit X ở đầu ra bộ XOR và các bit Y đầu ra bộ biến đổi đơn cực vào lưỡng cực được cho ở bảng 3.2. Bảng 3.2. Quan hệ giữa các bit di và X, Y

di di-1 X Y 0 0 0 +1 0 1 1 -1 1 0 1 -1 1 1 0 +1


102

Ph©n kªnh

cos(ωc t

- sin(ωct )

S(t)

VCO

COS

SIN

π/2

GFXOR Y=1-2X

X YTrÔ Tb

di

di-1

Sè liÖu vµo

Ký hiÖu:* Y=1-2X: m¹ch biÕn ®æi ®¬n cùc vµo l−ìng cùc* GF: Bé läc Gaus¬ th«ng thÊp* VCO: Bé dao ®éng ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p* COS: Bé t¹o d¹ng COS* SIN: Bé t¹o d¹ng SIN

H×nh 4.25. S¬ ®å khèi bé ®iÒu chÕ GMSK

II. Quá trình xử lý tín hiệu tại đầu thu Quá trình xử lý tín hiệu tại đầu thu là quá trình xử lý tín hiệu ngược lại với phía phát để truy hoàn lại tín hiệu tiếng trước khi cho ra loa. Duy nhất chỉ có cân bằng Viterbi là không có xử lý tín hiệu tương ứng tại đầu phát, vì thế dưới đây ta sẽ xét bộ cân bằng này. Bộ cân bằng Viterbi Ở đường truyền dẫn vô tuyến do ảnh hường phản xạ từ nhiều vật khác nhau (phađinh nhiều tia) dẫn đến giao thoa giữa các ký hiệu ISI (Inter Symbol Interference) gây ra lỗi bit. Để giải quyết vấn đề này người ta áp dụng nguyên lý của máy thu tối ưu: đây là một máy thu thông minh có khả năng xây dựng được mô hình kênh truyền sóng ở mọi thời điểm. Trong GSM máy thu này được thực hiện ở bộ cân bằng Viterbi (hình 3.11). Để bộ cân bằng có thể xây dựng được mô hình kênh ở các thời điểm khác nhau, chuỗi bit hướng dẫn (S=26) được phát đi ở giữa cụm, chuỗi này sẽ phản ảnh tương đối đúng tình trạng truyền sóng cho máy thu. Do chuỗi này được máy thu biết trước nên dựa trên sự sai lệch của chuỗi này máy thu có thể xây dựng được mô hình kênh ở thời điểm đang xét. Sau đó máy thu sẽ cho các tổ hợp bit khác nhau có thể có qua mô hình kênh và chọn tổ hợp nào cho đầu ra mô hình kênh giống tổ hợp thu được nhất. Để việc lựa chọn tổ hợp nhanh nhất người ta sử dụng thuật toán Viterbi. Nguyên lý của thuật toán này là trong khi tính toán ta loại bỏ các tổ hợp vào có xác suất thấp nhờ vậy giảm được số lượng tính tóan cần thiết. Bộ cân bằng Viterbi ở GSM cho phép xử lý các tín hiệu phản xạ trễ tới 15μs. Bộ cân bằng cũng đưa ra thông tin mềm (SOFT INFO) đến bộ giải mã kênh để tạo điều kiện cho bộ này hiệu chỉnh lỗi được tốt hơn.


103

Sè liÖu S Sè liÖu

S

Bé t−¬ng

quan

M« h×nh

kªnh

Kh¸c ?

VITERBI

Chän sao cho

Kh¸c nhau

Ýt nhÊt

? ?

Côm lý t−ëng

Côm thu

Th«ng tinmÒm

H×nh 4.26 . Bé c©n b»ng Viterbi.

3.4. CÁC KÊNH LOGIC CỦA GSM 3.4.1. Tổng kết các kênh logic Tổng kết các kênh lôgic ở giao diện vô tuyến được cho ở hình 3.12.

Hình 3.12. Tổng kết các kênh logic của GSM


104

Các kênh lôgic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS. Các kênh lôgic này được đặt vào các kênh vật lý được xét ở trên. Có thể chia các kênh lôgic thành hai loại tổng quát: các kênh lưu lượng (TCH: Traffic Channel) và các kênh báo hiệu điều khiển (CCH: Control Channel). Dưới đây ta trình bày tóm tắt vai trò của các kê7654ưqanh logic. 3.4.2. Kênh lưu lượng (TCH) Các kênh lưu lượng gồm hai loại được định nghĩa như sau: √ Tiếng thoại: TCH toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở

tốc độ 13 kbit/s; TCH bán tốc (TCH/H), kênh này mang thông tin ở tốc độ vào khoảng 6,5 kbit/s.

√ Số liệu: 12 kbit/s (cho tốc độ luồng cơ sở 9600 bit/s); 6kbit/s (cho tốc độ luồng cơ sở 4800 bit/s); 3,6 kbit/s (cho tốc độ luồng cơ sở ≤2400 bit/s).

3.4.3. Kênh điều khiển (CCH) Các kênh điều khiển được chia thành ba loại: các kênh quảng bá (BCH), kênh điều khiển chung (CCCH) và kênh điều khiển riêng (DCCH). Chức năng của các kênh điều khiển được mô tả dưới đây. 1. Kênh quảng bá (BCH) √ Các kênh hiệu chỉnh tần số (FCCH: Frequency Correction Channel): các kênh này

mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho các trạm MS. FCCH chỉ được sử dụng ở đường xuống.

√ Kênh đồng bộ (SCH: Synchronization Channel): kênh này mang thông tin để đồng bộ khung cho trạm di động MS và nhận dạng BTS. SCH chỉ sử dụng cho đường xuống.

√ Kênh điều khiển quảng bá (BCCH: Broadcasting Control Channel): kênh này phát quảng bá các thông tin chung về ô, thông tin về vùng định vị (LA: Lôcatin Area). Các bản tin này được gọi là thông tin hệ thống. BCCH chỉ sử dụng cho đường xuống.

2. Các kênh điều khiển chung (CCCH: Common Control Channel)


105

√ Kênh tìm gọi (PCH: Paging Channel): kênh này được sử dụng cho đường xuống để tìm gọi thuê bao động.

√ Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH: Random Access Channel): kênh này được MS sử dụng để yêu cầu được dành một kênh SDCCH. Kênh này thường đựơc dùng để trả lời kênh PCH.

√ Kênh cho phép truy nhập (AGCH: Access Grant Channel): kênh này chỉ được sử dụng ở đường xuống để chỉ định một kênh SDCCH cho MS. Kênh này được dùng để trả lời kênh RACH.

3. Các kênh điều khiển riêng (DCCH: Dedicated Control Channel) √ Kênh điều khiển riêng đứng một mình (SDCCH): kênh này chỉ được sử dụng

dành riêng cho báo hiệu với một MS. SDCCH được sử dụng cho các thủ tục cập nhật và trong quá trình thiết lập cuộc gọi trước khi ấn định kênh TCH. SDCCH được sử dụng cho cả đường xuống lẫn đường lên.

√ Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH: Slow Associated Control Channel): kênh này liên kết với một TCH hay một SDCCH. Đây là một kênh số liệu liên tục để mang các thông tin liên tục như: các bản báo cáo đo lường, định trước thời gian và điều khiển công suất. SACCH được sử dụng cho cả đường lên lẫn đường xuống.

√ Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH: Fast Associated Control Channel): kênh này liên kết với một TCH. FACCH làm việc ở chế đô lấy cắp bằng cách thay đổi lưu lượng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu.

4. Kênh quảng bá ô (CBCH: Cell Broadcasting Channel) Kênh CBCH (không có trên hình 3.12) chỉ được sử dụng ở đường xuống để phát quảng bá ô cho các bản tin ngắn (SMSCB: Short Message Service Cell Broadcast). CBCH sử dụng cùng kênh vật lý như kênh SDCCH. 5. Thí dụ về thiết lập kết nối cho cuộc gọi vào Hình cho thấy thí dụ thiết lập kết nối cho cuộc gọi vào với việc sử dụng các kênh logic khác nhau. MS được gọi trên kênh PCH và nó tra lời bằng các phát đi kênh RACH để yêu cầu một kênh báo hiệu. Nó nhận được kênh SDCCH qua lệnh "Ấn định tức thì". Sau khi được nhận thực, bắt đầu quá trình mật mã hóa và thiết lập trên kênh SDCCH. Bản tin "Lệnh ấn định" được phát trên kênh FACCH ấn định một kênh TCH cho MS. MS phát kênh FACCH để công nhận đã nhận được lệnh này. FACCH cũng đơực sử dụng để tiếp tục quá trình thiết lập cuộc gọi.


106

MS BSS MSC

Pha 1:ThiÕt lËp kÕt nèi RR

Pha 2: Yªu cÇu dÞch vô

Pha 3: NhËn thùc

Pha 5:B¾t ®Çu mËt m·

Pha 5: B¾t ®Çu gäi

Pha 5: C«ng nhËncuéc gäi

Pha 5: TiÕp nhËn cuécgäi, chuyÓn m¹ch

RACH

AGCH

SDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCH

Yªu cÇu kªnh

Ên ®Þnh kªnh lËp tøc

Yªu cÇu dÞch vô CMYªu cÇu nhËn thùc

Tr¶ lêi nhËn thùc

LÖnh chÕ ®é m.m·Hoµn thµnh chÕ ®é mËt m·

ThiÕt lËp§ang gäi

B¸o chu«ngSDCCH

SDCCHPha 5: Ên ®Þnh kªnh

LÖnh Ên ®Þnh

FACCHFACCH

FACCH

TCH

Hoµn thµnh Ên ®Þnh

KÕt nèiC«ng nhËn kÕt nèi

Sè liÖuSè liÖu

RR: Radio Resource: tài nguyên vô tuyến; CM: Call Management: quản lý cuộc gọi Hình 3.13. Thí dụ về sử dụng các kênh logic cho báo hiệu thiết lập cuộc gọi vào. 3.4.4. Các tổ hợp kênh Theo khuyến nghị GSM chỉ được phép tổ hợp một số kênh nhất định. Tổ hợp các kênh vật lý cơ sở như sau (các chữ số trong ngoặc biểu thị số của các kênh con): a) TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF b) TCH/H(0,1) + FACCH/H(0,1) + SACCH/H(0,1) c) TCH/H(0) + FACCH/H(0) + SACCH/H(0) + TCH/H(1) d) FCCH + SCH + BCCH + CCCH e) FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4(0...3) + SACCH/C4(0..3) f/) BCCH + CCCH l) SDCCH/8(0..7) + SACCH/C8(0..7) trong đó: CCCH = PCH + AGCH + RACH. SACCH/T nghĩa là kênh liên kết với kênh lưu lượng TCH, còn SACCH/C nghĩa là kênh liên kết với kênh điều khiển. Khi SMSCB được cung cấp, CBCH sẽ thay thế kênh con 2 của SDCCH trong các trường hợp (e) và (l). Chỉ có thể sử dụng tổ hợp CCCH/ SDCCH (trường hợp e) khi không có kênh CCCH nào khác được sử dụng. Sự khác nhau giữa các tổ hợp kênh (b) và (c) liên quan đến hai loại MS khác nhau. Trong tổ hợp (b) MS chỉ sử dụng một kênh lưu lượng, còn trong tổ hợp (c) một MS sử dụng cả hai kênh lưu lượng.


107

3.4. 5. Sắp xếp các kênh logic lên các kênh vật lý Trong phần này ta sẽ xét một số trường hợp sắp xếp điển hình. 3.4.5.1. Sắp xếp tổ hợp (d) (FCCH+SCH+BCCH+CCCH) Để hiểu được cách sắp xếp tổ hợp (d), ta xét kịch bản sau. Giả sử trong một ô ta sử dụng ba kênh tần số với các ký hiệu C0, C1 và C2. Vì mỗi kênh tần số cho phép truyền 8 khe thời gian khác nhau, nên tổng số kênh GSM sẽ là: 8x3=24. Trong số 24 kênh này ta sẽ sử dụng TS0 trên kênh C0 để truyền tổ hợp (d). Sắp xếp tổ hợp (d) lên kênh vật lý trong trường hợp này được cho trên hình 3.14. Chu kỳ lặp của ghép kênh là 51 khung TDMA , trong đó ở mỗi khung chỉ có khe TS0 được sử dụng MS sẽ tìm kênh hiệu chỉnh tần số FCCH. Khi tìm được kênh này nó biết được đây là khe thời gian 0. Lưu ý rằng C0 mang BCCH của một ô không nhất thiết phải bằng tần số C0 ở ô khác, C0 chỉ để ký hiệu kênh tần số mang BCCH ở một ô. C0 cũng không nhất thiết có tần số nhỏ nhất được sử dụng ở ô.

F S F S F S F S F S IB C C C C C C C C C

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7Các khung TDMA đường xuống

F: FCCH, B: BCCH; C: CCCH (PCH hay AGCH; I: IDLE (để trống)

Hình 3.14. Sắp xếp tổ hợp (d) lên khe TS0 của kênh vô tuyến C0

Ở đường xuống BTS phải phát ở tất cả các khe thời gian của tất cả các khung

TDMA của C0 để MS có thể đo được cường độ trường từ BTS và quyết định nhập mạng ở BTS nào hoặc chuyển sang BTS nào. Để đạt được điều này khuyến nghi GSM cho phép sử dụng các cụm tìm gọi giả và các cụm giả. CCCH được thay thế bằng các cụm tìm gọi giả khi không phát tìm gọi và các cụm giả với các bit định trước được đặt vào tất cả các khe thời gian rỗng. FCCH, SCH, BCCH luôn luôn được phát đi ở các khung tương ứng. TS0 ở đường lên của C0 không chứa các kênh trên. MS sử dụng khe này để truy nhập. Vậy chỉ có RACCH được sử dụng khe thời gian này của C0. Do các khe C dùng chung cho cả PCH hà AGCH vì thế phải có cơ chế để phân giải xung đột cho các các kênh này. Chẳng hạn ta có thể dành riêng một C cho kênh AGCH, còn các C còn lại dùng chung cho PCH và AGCH nhưng ưu tiên cho PCH. Các kênh PCH được chia thành các nhóm tìm gọi. Nỗi MS trực thuộc một nhóm tìm gọi. BCCH phát số các đa khung (51 khung) giữa các nhóm tìm gọi. Dựa trên


108

thông tin này MS sẽ tính toán khe thời gian CCCH mà nó đợi tìm gọi và chỉ chờ khe thời gian này mà thội Trong các khoảng thời gian còn lại MS nghỉ. 3.4.5.2. Sắp xếp tổ hợp (l) ( SDCCH+ SACCH) Để hiểu được cách sắp xếp tổ hợp (l) ta sử dụng kịch bản giống như đã xét trong phấn trên nhưng trong trường hợp này ta dành khe TS1 của C0 để truyền tổ hợp (l). Sắp xếp tổ hợp (l) lên kênh vật lý được cho trên hình 3.15.

Hình 3.15. Sắp xếp tổ hợp (l) lên khe TS1 của kênh tần số C0 Trong trường hợp mặc định tổ hợp này được đặt ở TS1 của C0. Vì tốc độ bit trong khi đăng ký và thiết lập cuộc gọi khá chậm, nên có thể cho phép 8 MS chia sẻ một khe thời gian cho báo hiệu, nghĩa là sắp xếp 8 SDCCH trên một khe thời gian để sử dụng kênh vật lý hiệu quả hơn. 8 kênh này được gọi là các kênh con. Bốn TS1 đầu ở cấu trúc đa khung 51 được sử dụng để báo hiệu cho MS thứ nhất, 4 TS1 tiếp theo cho báo hiệu MS thứ hai ... . Cấu trúc này được lặp lại định kỳ trên 102 khung TDMA. Lưu ý rằng đường lên và đường xuống dịch nhau về thời gian, để kênh con SDCCH số 0 ở đường xuống được phát ở các khung 0-3 còn ở đường lên ở các khung 15-18. Nhờ vậy MS có đủ thời gian để tính toán trả lời cho SDCCH đường xuống. 3.4.5.3. Sắp xếp tổ hợp (a) (TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF)


109

Để hiểu được cách sắp xếp tổ hợp (a) ta tiếp tục sử dụng kịch bản đã xét trong các phần trên, trong đó các khe thời gian TS0, TS1 của C0 được dành cho các kênh lôgic điều khiển, chỉ còn lại các khe TS2 đến TS7 được dành cho các kênh lưu lượng C0 và các tất cả các khe TS trên C1, C2 (tổng số 22 khe) được sử dụng để truyền tổ hợp (a). Sắp xếp tổ hợp (a) lên TS2 của C0 được cho trên hình 3.16. Trên hình này ta thấy chu kỳ lặp là 26 khung/120ms.

Hình 3.16. Sắp xếp tổ hợp (a) lên khe TS2 của kênh tần số C0

FACCH cũng được sử dụng cùng với kênh lưu lượng nhưng nó làm việc ở chế độ lấy cắp và khi này tiếng được thay thế bằng báo hiệu. 3.4.5.4. Một số cấu hình BTS Dướ đây ta sẽ xét một số cấu hình BTS sử dụng các tổ hợp kênh logic khác nhau, trong đó TRX ký hiệu cho tổ hợp phát thu.

• BTS dung lượng nhỏ (3xTRX): -TS0 : tổ hơp (e): FCCH+SCH+BCCH+CCCH+SDCCH/4(0..3)

+SACCH/C4(0..3) - TS1 đến TS7: tổ hợp (a): TCH/F+FACCH/F+SACCH/TF. • BTS dung lượng trung bình ( 4xTRX chẳng hạn) - TS0/C0 : tổ hợp (d): FCCH+SCH+BCCH+CCCH - TS1/Co : tổ hợp (l): SDCCH/8(0..7)+SACCH/C8(0..7). - 6xTS/C0 + 8xTSx3/C1,C2,C3 : 32 tổ hợp (a): TCH/F+FACCH/F+SACCH/TF • BTS dung lượng cao ( chẳng hạn 12xTRX) - TS0/C0: tổ hợp(a): FCCH+SCH+BCCH+CCCH - TS1,TS3/C0 : tổ hợp (l): SDCCH/8(0..7)+SACCH/C8(0..7) - TS2,TS4/C0 : tổ hợp (f): BCCH+CCCH

- 3xTS/C0 + 8xTSx11/C1-11 : 91 tổ hợp (a): TCH/F+FACCH/F+SACCH/TF.


110

3.5. GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA GPRS

GPRS đảm bảo tốc độ số liệu cao hơn nhưng vẫn sử dụng giao diện vô tuyến giống như GSM (cùng kênh tần số 200 kHz được chia thành 8 khe thời gian). Tuy nhiên bằng GPRS, MS có thể truy nhập đến nhiều khe thời gian hơn. Ngoài ra mã hoá kênh ở GPRS cũng hơi khác với mã hoá kênh của GSM. GPRS định nghĩa một số sơ đồ mã hoá kênh khác nhau. Sơ đồ mã hoá kênh thường được sử dụng nhất cho truyền số liệu gói là Sơ đồ mã hoá 2 (CS-2). Sơ đồ mã hoá này cho phép một khe thời gian có thể mang số liệu ở tốc độ 13,4 kbps. Nếu một ngừơi sử dụng truy nhập đến nhiều khe thời gian, thì tốc độ 40,2 hay 53,6 là khả dụng đối với người này. Bảng 3.3 liệt kê các sơ đồ mã hoá khác nhau và các tốc độ số liệu tương ứng đối với một khe thời gian. Bảng 3.3. Các sơ đồ mã hoá và tốc độ số liệu cho một khe thời gian của GPRS

Sơ đồ mã hoá Tốc độ số liệu giao diện vô tuyến (kbps)

Tốc độ số liệu gần đúng của người sử dụng (kbps)

CS-1 9,05 6,8 CS-2 13,4 10,4 CS-3 15,6 11,7 CS-4 21,4 16,0

Các tốc độ giao diên vô tuyến ở bảng 3.3 đảm bảo các tốc độ số liệu khác nhau của người sử dụng ở giao diện này. Tuy nhiên nhiều lớp cao hơn giao diện vô tuyến cũng tham dự vào việc truyền dẫn số liệu ở GPRS. Mỗi lớp bổ sung thêm thông tin vào số liệu nhận được từ lớp trên. Lượng thông tin bổ sung do từng lớp tạo ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố dễ nhận thấy nhất là kích cỡ của gói ứng dụng cần truyền. Đối với một lượng số liệu cần truyền cho trước, các kích cỡ của gói số liệu ứng dụng nhỏ hơn sẽ dẫn đến thông tin bổ sung lớn hơn các kích cỡ của gói số liệu lớn hơn. Kết quả là tốc độ số liệu có thể sử dụng được thấp hơn tốc độ số liệu giao diện vô tuyến từ 20 đến 30 phần trăm. Như đã nói ở trên sơ đồ mã hoá thường được sử dụng nhiều nhất cho truyền số liệu của người sử dụng là CS-2. Sơ đồ này đảm bảo hiệu chỉnh lỗi khá tốt ở giao diện vô tuyến. Mặc dù CS-3 và CS-4 cung cấp thông lượng cao hơn, nhưng chúng nhậy cảm cao với lỗi ở giao diện vô tuyến. Thực ra CS-4 hoàn toàn không đảm bảo hiệu chỉnh lỗi ở giao diện vô tuyến. CS-3 và đặc biệt CS-4 đòi hỏi phát lại nhiều hơn ở giao diện vô tuyến, vì thế thông lượng thực sự hầu như không tốt hơn CS-2. Mặc dù GPRS sử dụng cùng cơ sở hạ tầng như GSM, việc đưa vào GPRS cũng có nghĩa rằng phải đưa thêm một số kiểu kênh logic mới và các sơ đồ mã hoá kênh mới áp dụng cho các kênh logic này (hình 3.17a). Khe thời gian dùng để mang lưu lượng số liệu hay báo hiệu liên quan đến GPRS được gọi là kênh số liệu gói (PDCH:


111

Packet Data Channel). Hình 3.17b cho thấy các kênh này sử dụng cấu trúc đa khung 52 khung đối lập với cấu trúc đa khung 26 khung của GSM. Như vậy đối với một khe cho trước, tại một thời điểm nhất định thông tin được mang trong khe phụ thuộc vào vị trí của khung trong cấu trúc đa khung 52 khung. Trong số 52 khung ở cấu trúc đa khung, có 12 khối vô tuyến mang số liệu của người sử dụng, hai khe để trống và hai khe dành cho hai kênh điều khiển định thời gói (PTCCH: Packet Timing Control Channel). Mỗi khối vô tuyến chiếm bốn khung TDMA, như vậy mỗi khối vô tuyến tương ứng với bốn trường hợp liên tiếp của một khe thời gian. MS có thể sử dụng các khung để trống ở cấu trúc đa khung để đo tín hiệu.

Khèiv«

tuyÕn0

Khèiv«

tuyÕn1

Khèiv«

tuyÕn2

T

Khèiv«

tuyÕn3

Khèiv«

tuyÕn4

Khèiv«

tuyÕn5

X

Khèiv«

tuyÕn6

Khèiv«

tuyÕn7

Khèiv«

tuyÕn8

T

Khèiv«

tuyÕn9

Khèiv«

tuyÕn10

Khèiv«

tuyÕn11

X

52 Khung TDMA

X= Khung ®Ó trèng

T=Khung sö dông cho PTCCH

PDCH

PDTCH PCCCH PDCCHPBCCH

PPCH PNCHPAGCH PRACH PACCH PTCCH/D PTCCH/U

a) C¸c kªnh logic

b) CÊu tróc ®a khung

Ký hiÖu cho ®−êng xuèng

Ký hiÖu cho ®−êng lªn

Hình 3.17. Cấu trúc kênh logic và đa khung của giao diện vô tuyến GPRS Cũng như GSM, GPRS đòi hỏi một số kênh điều khiển. 1. Kênh điều khiển quảng bá gói (PBCCH: Packet Broadcast Control Channel): PBCCH phát quảng bá ở đường xuống để thông báo cho các MS về thông tin đặc thù cuả số liệu gói. Nếu kênh PBCCH không được ấn định, thông tin này có thể được truyền ở kênh BCCH. 2. Kênh điều khiển chung gói (PCCCH: Packet Common Control Channel). Giống như kênh CCCH ở GSM, kênh này bao gồm nhiều kênh logic. Các kênh logic của PCCCH gồm:


112

Kênh tìm gọi gói (PPCH: Packet Paging Channel): Chỉ sử dụng ở đường xuống, mạng sử dụng kênh này để tìm gọi MS trước khi tải gói xuống

Kênh cho phép truy nhập gói (PAGCH: Packet Access Grant Channel): Kênh đường xuống, được sử dụng để ấn định các tài nguyên cho MS trước khi truyền gói

Kênh thông báo gói (PNCH: Packet Notification Channel): Kênh này đựơc sử dụng để thông báo điểm-đa phương đa điểm (PTM-M: Point-Multiple Multicast) cho một nhóm các MS rằng sắp xẩy ra một cuộc truyền gói PTM-M.

Kênh truy nhập ngẫu nhiên gói (PRACH: Packet Random Access Channel): Chỉ sử dụng ở đường lên, MS sử dụng kênh này để khởi xướng truyền số liệu hoặc báo hiệu gói

3. Các kênh lưu lượng số liệu gói (PDTCH: Packet Data Traffic Channel) PDTCH là kênh được sử dụng để truyền số liệu thực sự của người sử dụng trên giao diện vô tuyến. Nó được ấn định tạm thời cho một MS (hay một nhóm MS trong trường hợp PTM-M). Tất cả các kênh PDTCH là kênh đơn hướng: hoặc đường lên hoặc đừơng xuống. Điều này đảm bảo khả năng không đối xứng của GPRS. Một PDTCH chiếm một khe thời gian và một MS với khả năng sử dụng đa khe có thể sử dụng nhiều kênh PDTCH tại một thời điểm. Ngoài ra một MS có thể sử dụng số lượng các kênh PDTCH khác nhau ở đừơng xuống và đừơng lên. Một MS có thể được ấn định nhiều kênh PDTCH ở một hướng truyền còn ở hướng kia số kênh này có thể bằng không.

4. Các kênh điều khiển dành riêng gói (PDCCH: Packet Dedicated Control Channel) Giống như GSM, GPRS hỗ trợ một số kênh điều khiển riêng (PDCCH: Packet Dedicated Control Channel). Trong GPRS, các kênh PDCCH là: Kênh điều khiển liên kết nhanh gói (PACCH: Packet Associated Control

Channel). PACCH là một kênh hai chiều dùng để chuyển báo hiệu và các thông tin giữa MS và mạng trong khi truyền gói. Kiểu thông tin được truyền bởi kênh này là: các công nhận, điều khiển công suất, ấn định và ấn dịnh lại tài nguyên. Kênh này được liên kết với một kênh lưu lượng số liệu gói (PDTCH: Packet Data Traffic Channel). PACCH không được ấn định cố định một tài nguyên. Khi cần gửi thông tin ở kênh PACCH, một phần số liệu gói của người sử dụng sẽ bị ngừng truyền, rất giống như trường hợp xẩy ra ở kênh FACCH của GSM. Nếu một MS được ấn định một PDTCH ở đừơng lên, nó vẫn phải nghe ở khe thời gian


113

tương ứng trên đừơng xuống (kênh PDTCH đừơng xuống), thậm chí cả khi khe này không được ấn định cho MS. Đặc hiệt nó phải nghe mọi cuộc truyền PACCH ở đường xuống. Lý do là ở chỗ PACCH có tính song phương: ở đừơng xuống kênh này được sử dụng để mang báo hiệu cũng như các công nhận từ mạng.

Kênh điều khiển định thời gói (PTCCH: Packet Timing Control Channel).

Kênh PTCCH được sử dụng để định thời trước cho các MS. Kênh PTCCH/U đường lên mang thông tin trong các cụm truy nhập ngẫu nhiên để cho phép mang rút ra định thời trước cho việc truyền dẫn gói từ MS. Kênh PTCCH/D để cập nhật thông tin định thời trước cho MS.

PCCCH có thể được đặt vào các tài nguyên vô tuyến khác nhau (các khe thời gian khác nhau) của kênh CCCH. Tuy nhiên việc sử dụng kênh PCCCH là tuỳ chọn. Nếu kênh này không được sử dụng thì các chức năng liên quan đến GPRS được thực hiện ở kênh CCCH.

Khi một khe nào đó được sử dụng để mang các kênh điều khiển (PBCCH hay PCCCH), thì khối vô tuyến 0 được sử dụng để mang các kênh điều khiển PBCCH (Packet Broadcast Control Channel: Kênh điều khiển quảng bá gói) cùng với tối đa ba khối vô tuyến bổ sung dành cho kênh này. Các khối còn lại được ấn định cho các kênh logic khác như: PPCH hay PAGCH. Trên dường lên các khối này có thể mang PRACH. Việc sắp xếp các kênh lên các đa khung được điều khiển bởi phát quang bá các thông số trên kênh PBCCH. 5. Thí dụ về truyền gói khởi xướng từ MS MS khởi xướng truy nhập bằng cách phát đi một bản tin yêu cầu kênh gói trên PRACH. PRACH được sử dụng khi PCCH được cung cấp trong một ô. Nếu chỉ có CCH, MS có thể phát bản tin yêu cầu kênh GSM định kỳ trên RACH để khởi xướng truy nhập gói. GPRS đảm bảo hai phương pháp truy nhập mạng (hình 3.18):

1. Truy nhập một pha 2. Truy nhập hai pha


114

Yªu cÇu kªnh gãi(Packet Channel Request)

Ên ®Þnh kªnh gãi(Packet Upplink Assignment), (TFI_UL)


Ên ®Þnh kªnh gãi(Packet Upplink Assignment), (Khèi ®¬n)


Ên ®Þnh kªnh gãi(Packet Upplink Assignment), (TFI_UL)

PCU

PRACH

PAGCH

PACCH

PACCH

PCU

PACCH

Truy nhËp hai phaTruy nhËp mét pha TFI-UL: Temporary Flow Identity-Up Link: nhận dạng số liệu tạm thời đường lên. Hình 3.18. Truy nhập và ấn định kênh gói để truyền gói từ MS 3.6. ĐIỀU KHIỂN TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 3.6.1. Đo Trong quá trình của một cuộc gọi trạm di động liên tục báo cáo cường độ tín hiệu (qua kênh SDCCH) của các BTS lân cận cho hệ thống. Đo cường độ tín hiệu của các BTS lân cận được trạm di động thực hiện khi nó không bận làm các công việc khác, nghĩa là trong khoảng thời gian giữa phát và thu ở khe thời gian dành cho nó (hình 3.19). Cường độ tín hiệu của BTS phục vụ trạm di động được đo khi thu ở khe thời gian dành cho MS. MS được thông báo phải đo các sóng mang BCCH nào thông qua thông tin hệ thống ở SACCH. Để đảm báo đo đúng BTS cần thiết MS phải xác định được nhận dạng của BTS này. Nhận dạng của BTS được cho bởi giá trị BSIC đặt trong kênh logic SCH.

2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 70 1 0 1 2

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

1

2

31

2

3

2

1

§−êngxuèng

§−ênglªn

45 M

Hz

24 25

2524

§Ó trèng

§Ó trèng

C¸c khung TDMA

C¸c khung TDMA Hình 3.19. Nguyên lý đo trong GSM được phát trên SCH ở TS0/C0. Vì thế trong thời gian khung rỗi ở đa khung cho TCH (26 khung TDMA), MS phải kiểm tra BSIC (Base Station Identity Code: mã nhận


115

dạng trạm gốc) của các BTS lân cận. MS chỉ đo cường độ tín hiệu tương ứng với 6 BSIC của các BTS lân cận. Các hoạt động khác nhau của MS được ký hiệu ở hình 4.12 như sau: 1) MS thu và đo tín hiệu ở BTS đang phục vụ nó (TS2); 2) MS phát; 3) MS đo cường độ tín hiệu ở một trong số các ô lân cận; 4) MS đọc BSIC trên SCH (TS0) cho một trong số các ô mạnh nhất. Nếu MS không đồng bộ với ô mà nó muốn nhận dạng, thì nó không tìm được TS0 mang BCCH. Vì thế nó phải đo ở khoảng thời gian ít nhất là 8 khe thời gian để đảm bảo xác định chắc chắn TS0 mang BCCH. MS chỉ đọc TS0 chưa đủ, nó phải tìm được SCH ở khe này. Nhắc lại rằng đa khung chứa SCH được tổ chức sao cho cứ 10 khung thì có một SCH, vì vậy xác suất MS thu được khung đúng chứa BSIC chỉ là 10%. Để giải quyết vấn đề này các đa khung TCH trượt so với các đa khung mang thông tin điều khiển. Để vậy các đa khung TCH chứa 26 khung cần đa khung điều khiển chứa 51 khung. Điều này có nghĩa là khung IDLE sẽ trượt trên tất cả các kênh điều khiẻn ở TS0 và cuối cùng nó sẽ gập được SCH. Các MS phải báo các kết quả đo BTS phục vụ và các BTS lân cận (tới 6 tế bào) ít nhất là một lần trong một giây. Báo cáo được thực hiện ở tốc độ ít nhất 130bit/s ở các kênh SACCH có tốc độ gấp hai lần, 3.6.2. Chuyển giao Chuyển giao là quá trình xẩy ra khi MS đang có cuộc gọi hoặc đang tiến hành cuộc gọi ở một kênh lưu lượng hoặc kênh riêng trong dó lưu lượng cần chuyển sang một kênh khác. 1. Nguyên nhân chuyển giao Tồn tại các nguyên nhân chuyển giao sau đây:

1. Chất lượng thu giảm đáng kể do MS dời xa vùng phủ sóng của ô phục vụ, chuyển giao này được gọi là chuyển giao cứu hộ (Rescue Handover).

2. Mặc dù ô đang phục vụ vẫn đảm bảo thông tin nhưng chuyển giao sang ô tốt hơn để tối ưu mức nhiễu, chuyển giao này được gọi là chuyển giao giới hạn (Confinement Handover).

3. Chuyển giao được thực hiện khi lưu lượng ở ô đang phục vụ đã ứ nghẽn tuy nhiên các ô lân cận còn cho phép lưu lượng, chuyển giao này được gọi là chuyển giao lưu lượng (Traffic Handover).

2. Các tiêu chuẩn chuyển giao


116

Các tiêu chuẩn chuyển giao phụ thuộc vào các nguyên nhân chuyển giao nói trên, ngoài ra các tiêu chuẩn này cũng chứa một số thông tin để dự đoán điều gì sẽ xẩy ra khi có hoặc không có chuyển giao tới ô đích. Chuyển giao cứu hộ được thực hiện dựa trên ba tiêu chuẩn: tỷ số lỗi truyền dẫn, tổn hao đường truyền và trễ đường truyền (xuất hiện ở vùng nông thôn khi sử dụng ô kích thước lớn). Cả trạm di động lẫn BTS thường xuyên đo chất lượng truyền dẫn và mức thu. Trạm di động phát các kết quả đo đến BTS với tốc độ một hoặc hai lần trong một giây. Tiêu chuẩn cơ bản cho chuyển giao giới hạn là chất lượng truyền dẫn so với các ô lân cận. Do rất khó nhận được thông tin này nên thường thì chuyển giao dựa trên tổn hao đường truyền so vơí các ô lân cận. Trong thực tế chỉ có tổn hao đường xuống là được đo và nó được coi như là tương đương với tổn hao đường lên. Tiêu chuẩn cho chuyển giao lưu lượng là thông tin về tải của các BTS, (thông tin này được MSC và BSC biết). Chuyển giao lưu lượng chỉ nói lên số lượng MS cần chuyển giao còn MS nào phải chuyển giao thì lại phụ thuộc vào các tiêu chuẩn nói trên dựa trên các kết quả đo. Dưới đây là các thông số được xét đến trong quá trình quyết định chuyển giao:

• Công suất cực đại của: - trạm di động, - trạm BTS phục vụ - các trạm BTS của các ô lân cận. • Các số liệu đo ở thời gian thực do MS thực hiện: - chất lượng truyền dẫn đường xuống (tỷ số bit lỗi ), - mức thu đường xuống ở kênh hiện thời, - các mức thu đường xuống từ các ô lân cận. • Các số liệu đo ở thời gian thực do BTS thực hiện: - chất lượng truyền dẫn đường lên (tỷ số bit lỗi) - mức thu đường lên ở kênh hiện thời, - định trước thời gian. • Lưu lượng: dung lượng ô và tải.

3.6.3. Nhẩy tần Khả năng nhẩy tần được người khai thác mạng sử dụng hoặc trên toàn bộ mạng hoặc một phần mạng. Mục đích chính của tính năng này là đảm bảo sự phân tập ở đường truyền dẫn (đặc biệt tăng hiệu qủa của mã hoá kênh và ghép xen đói với MS chuyển động chậm) và trung bình hoá tỷ số tín hiệu trên nhiễu (C/I) để dảm bảo tỷ số này lớn hơn mức ngưỡng. Nguyên lý nhẩy tần như sau, ở một khe thời gian trạm di động phát ở một tần số, sau đó nó chuyển sang phát ở tần số khác ở khe thời gian sau


117

... Nhẩy tần số xẩy ra giữa các khe thời gian với tốc độ 217 lần trong một giây. Các tần số phát và thu luôn luôn song công (chẳng hạn cách nhau 45 MHz cho dải tần 900 MHz) nghĩa là các đường lên và đường xuống sử dụng cùng một chuỗi nhẩy tần. Chuỗi nhẩy tần trong một ô hoàn toàn trực giao nghĩa là không xẩy ra va chạm giữa các thông tin. Các chuỗi này cũng độc lập đối với các ô đồng kênh (sử dụng cùng tập tần số). Lưu ý rằng kênh vật lý chứa BCCH không nhẩy và các khe khác nhau nhẩy khác nhau. Kịch bản nhẩy tần được minh hoạ ở hình 3.20 như sau. Giả sử ô sử dụng ba kênh tần số trong băng tần 900 MHz: 1) C0 với cặp tần số đường xuống và đường lên là f1 và f'1=f1+45MHz; 2) C1 với cặp tần số đường xuống và đường lên là f4 và f'4=f4+45MHz; 3) C2 với cặp tần số đường xuống lên là là f7 và f'7=f7+45MHz. Đầu tiên BTS thu khe TS3 trên tần số đường lên của C0: f1=f1. Sau đó BTS phát tại tần số đường xuống của C0: f'= f1+45MHz. MS sau khi thu tại khe TS3 trên tần số f'1 nó thực hiện đo công suất tại các ô lân cận (điều chỉnh lên kênh tần số D0 chứa BCCH và SCH của kênh lên cận). Sau đó MS phát trên khe TS3 nhưng của kênh tần số C2 tại tần số f7. BTS thu tại TS3 của tần số này rồi phát xuống trên khe TS3 của kênh tần số tại tần số f'7=f7+45 MHz. Sau khi thu tại khe TS3 của tần số này, MS chuyển sang đo công suất kênh lân cận tại kênh E0 chứa BCCH và SCH. Sau đó nó phát tại TS3 của kênh tần số C2 trên tần số f7 .....

0 1C (f )

,

0 4C (f )

0 7C (f )

,

0 1C (f )

0 4C (f )

,

0 7C (f )

Hình 3.20. Nhẩy tần (nhìn từ MS)


118

3.7. TRUYỀN DẪN TRONG GSM Có thể coi truyền dẫn bên trong GSM được giới hạn giữa nơi mà tiếng là một tín hiệu âm thanh và mạng ngoài hay giữa TAF (Terminal Adaptation Function: chức năng thích ứng đầu cuối và IWF (Interworking Function: chức năng tương tác) đối với truyền số liệu hay. IWF là tập hợp các chức năng thực hiện các thích ứng cần thiết giữa GSM và các mạng bên ngoài. Chức năng IWF rất hạn chế đối với đấu nối tiếng với PSTN hoặc các số liệu cơ bản với ISDN. Tuy nhiên ở các trường hợp khác, chẳng hạn FAX chức năng này rất phát triển. IWF là một chức năng nằm ở một nơi nào đó giữa MSC và mạng bên ngoài. IWF có thể là một bộ phận nằm trong MSC hoặc nằm riêng 3.7.1. Các dịch vụ kênh mang và các dịch vị xa trong GSM Mạng thông tin di động phải có khả năng cung cấp các dịch vụ giống như mạng cố địh. Có thể chia các dịc vụ này thành 3 loại: các dịch vụ xa (Teleservice), các dịch vụ kênh mang (Bearer Service) và các dịch vụ bổ sung (Supplementary Service). Dịch vụ xa đam bảo truyền daqnx đầu cuối đầu cuối bao gồm cả thiết bị đầu cuối còn dịch vụ kênh mang đảm bảo truyền dẫn tín hiệu giữa hai giao diện mạng (xem hình 3.21). Trong phần này ta xét các dịch vụ kênh mang và các dịch vụ xa.

Hình 3.21. Các dịch vụ kênh mang và dịch vụ xa trong GSM 3.7.1. Cấu trúc các trạm di động Cấu hình tham khảo của MS được cho ở hình 3.22. MS được chia thành MT (đầu cuối di động) và các tổ hợp khác nhau của bộ thích ứng tốc độ (TA) và thiết bị đầu cuối (TE) phụ thuộc vào hình loại dịch vụ được cung cấp. MT0 là thiết bị di động kết hợp cả đầu cuối số liệu và tiếng. MT1 cho phép thiết bị đầu cuối hoặc đầu trực tiếp (TE1) hoặc qua TA (TE2: không phải là thiết bị ISDN) thông qua giao diện ISDN S.


119

MT2 kết hợp chung TA và MT vào một khối. Các dịch vụ mang được cung cấp tại điểm tham khảo S hay R (qua điểm 1 và 2 trên hình 3.22), còn các dịch vụ xa được cung cấp tại các giao diện của TE (qua điểm 3 trên hình 3.22).

MT0

MT1

MT1

MT2

TE1

TATE2

TE2

Tr¹m di ®éng (MS)

R Um

KÕt hîp ®Çu cuèisè liÖu vµ tiÕng

§Çu cuèi sè liÖuvµ di ®éng tiÕng

DTE seri ITU-TV. hay X. víi béthÝch øng ®Çucuèi di ®éng

DTE seri ITUV. hay X.

Ký hiÖu: MT: Mobile Terminal = §Çu cuèi di ®éng TE1: Terminal Equipment 1 = ThiÕt bÞ ®Çu cuèi giao diÖn ISDN TE2: Terminal Equipment 2 = ThiÕt bÞ ®Çu cuèi kh«ng cã giao diÖn ISDN (V., X.) TA: Terminal Adapter = Bé thÝch øng ®Çu cuèi Um: Giao diÖn v« tuyÕn, ®iÓm tham kh¶o R/S: §iÓm tham kh¶o ISDN/ kh«ng ISDN

S

3

3

3

3

1

2

Hình 3.22. Cấu hình tham khảo của MS 3.7.2 Truyền dẫn bên trong GSM Có thể chia đường truyền dẫn bên trong GSM thành các đoạn sau đây ((hình 3.23): • Trạm di động • Từ trạm di động đến trạm gốc. • Từ trạm gốc BTS đến bộ chuyển đổi mã (TRAU: Transcoder Rate Adaptation

Unit) • Từ TRAU đến MSC (hay IWF).

Trong đó TRAU có thể được đặt ở các vị trí khác nhau (hình 3.24).


120

M¹ng GSM

Hình 3.23. Mô hình truyền dẫn trong GSM 3.7.2.1. Truyền dẫn tiếng trên đoạn từ BTS đến TRAU Trên đoạn này nếu TRAU đặt xa (đặt ở BSC chẳng hạn) sẽ có thêm báo hiệu bổ sung vào tiếng (báo hiệu trong băng) để truyền các thông tin điều khiển TRAU từ bộ điều khiền chuyển đổi mã từ xa RTH (Remote Transcoder Handler) đặt ở BTS đến TRAU ở BSC. Sẽ có 60 bit bổ sung vào 260 bit tiếng trong 20ms, nâng tổng số bit trong 20ms lên 320bit và tốc độ của luồng số cho mỗi kênh sẽ đạt 16 Kbit/s. Trong số 60 bit bổ sung sẽ có 4 bit để trống để phân cách giữa các khung 20ms, như vậy trong một khung 20ms chỉ có 316 bit mang thông tin.


121

Giao diÖnAbis

MSC VLR

BTS

BTS TRAU BSC

BSC TRAUMSCLLR

BTS BSC TRAUMSCVLR

Giao diÖnA

TruyÒn dÉn 16 kbit/s

TruyÒn dÉn 64 kbit/s

PhÝa c¬ sëh¹ tÇng

Hình 3.24. Các vị trí đặt TRAU

Nội dung của một khối 20ms/316bit trong trường hợp được cho ở bảng 3.4. Bảng 3.4. Nội dung của mỗi khối 20ms ở luồng 16 Kbit/s

Số lượng bit ở khung của đường lên

Số lượng bit ở khung của đường xuống

Đồng bộ khung 35 35 Phân biệt giữa tiếng số liệu, toàn tốc và bán tốc

5 5

Đồng bộ thời gian 6 6 Chỉ thị khung xấu 1 Chế độ DTX 1 (ở pha 1

không có)

Các thông tin khác 3 (SID+TAF) 1 (SP) Khối tiếng 260 260 Dự trữ 5 (6 ở pha 1) 9

Lưu ý đường lên là đường theo chiều truyền dẫn xuất phát từ trạm di động MS, còn đường xuống là đường theo chiều truyền dẫn đến MS. Vậy ở bảng trên đường lên là


122

đường từ BTS đến BSC, còn đường xuống theo chiều ngược lại. Ta xét một số các thông tin bổ sung ở bảng trên. Đồng bộ Đồng bộ khung để xác định khởi đầu của mỗi khung 20ms. Đồng bộ thời gian Để đồng bộ pha giữa BTS và TRAU. Chất lượng thu Khi một khung được thu xấu hay bị lấy cắp bởi FACCH, TRAU thay khung này bằng khung trước đó, chỉ thị khung xấu BFI (Bad Frame Indicator) được sử dụng cho mục đích này. Nếu bộ giải mã kênh phát hiện lỗi trong khung quá lớn (khung tồi) BTS sẽ gửi chỉ thị khung xấu BFI= 1 đến TRAU và thay cho khung xấu này TRAU sẽ phát lại khung trước đó. Trường hợp mất nhiều khung liên tiếp phải dừng phát để báo cho người sử dụng truyền dẫn bị gián đoạn. Các bit thông tin SID (Silence Description: chỉ thị im lặng) và SP (Speech Flag: cờ tiếng) liên quan đến chế độ phát không liên tục DTX (Discontinuos Transmission), dưới đây ta xét chế độ này. Phát không liên tục DTX Trong một cuộc hội thoại bình thường hai người sử dụng nói luân phiên nhau, vì vậy mỗi phía truyền dẫn chỉ chiếm 50 % thời gian. DTX cho phép chỉ bật máy phát cho các khung chứa thông tin hữu ích, nhờ vậy: • Có thể kéo dài thời hạn sử dụng acqui hoặc sử dụng acqui nhỏ hơn ở MS. • Giảm được mức nhiễu gây ra ở cả đường lên lẫn đường xuống.

Hoạt động DTX được thực hiện ở các bộ điều khiển DTX và bao gồm các chức năng sau: • Bộ phát hiện tích cực tiếng VAD (Voice Activity Detector) ở phía phát. • Đánh giá tạp âm nền ở phía phát để gửi các thông số đặc trưng đến phía thu. • Tạo ra tạp âm dễ chịu ở phía thu khi ngừng phát.

3.7.2.2. Truyền dẫn số liệu Đối với truyền dẫn số liệu bên trong mạng GSM có thể coi mạng này như là một DTE phân bố, còn mạng bên ngoài như là DCE (hình 3.25) . Các giao tiếp DTE/DCE được thực hiện ở các TAF và TRAU và IWF.


123

PLMN kh¸c

PLMN: Public Land Mobile Network= M¹ng di déng c«ng céng mÆt ®ÊtPSTN: Public Switched Telephone Network= M¹ng ®iÖn tho¹i chuyÓn m¹ch c«ng céngPSPDN: Packet switched Public Data Network= M¹ng sè liÖu c«ng céng chuyÓn m¹ch gãi

Hình 3.25. Mô hình truyền số liệu trong GSM Trong GSM PLMN, lưu lượng số liệu đi qua các giao diện khác nhau có các tốc độ bit cho qua khác nhau. Chẳng hạn giao diện không gian hỗ trợ tốc độ đến 12,0 kbps, giao diện A hỗ trợ đến 64 kbps. Thích ứng tốc độ (RA) đảm bảo thích ứng tốc độ cho các giao diện khác nhau. Để xây dựng các giao diện này GSM đã cải tiến khuyến nghị ITU-T V.110 thành các đặc tả trong GSM TS 04-21. Phần dưới đây ta sẽ trình bầy các chức năng RA. 1. Chức năng thích ứng tốc độ (RA) Sơ đồ thích ứng tốc độ cho đấu nối số liệu trong suốt (T: Transparent) và không trong suốt (NT: Nontransparent) được cho ở các hình 3.26 và 3.27. Trong trường hợp thứ hai, thông tin được phát lại mỗi khi đầu cuối phía kia thu được số liệu sai.


124

FEC: Forward Error Code= M· söa lçi tr−íc Hình 3.26. RA cho kết nối số liệu trong suốt

Hình 3.27. RA cho kết nối số liệu không trong suốt (NT: Non Trasparent) RA0 RA0 được sử dụng để biến đổi só liệu dị bộ từ TE và số liệu đồng bộ và ngược lại. Truyền dẫn đồng bộ cần thiết vì bản chất của chuyển mạch kênh ở giao diện không gian và PLMN. RA1 RA1 là chức năng thích ứng tốc độ trung gian để chuyển đổi vào tốc độ đầu ra của RA0 hoặc luồng số đồng bộ của người sử dụng vào 8 hoặc 16 kbps bằng cách lặp bit và bổ sung khung và ngược lại. RA2


125

RA2 biến dổi các tốc độ trung gian 8 hoặc 16 kbps vào 64 kbps và ngược lại. Đây là tốc độ biến đổi cuối cùng. Số liệu sau biến đổi được đưa đến thiết bị đầu cuối hoặc giao diện A. RA2 thường được thực hiện bằng cách ghép vài luồng 8 hay 16 kbps. RA1' RA1' chuyển đổi các tốc độ luồng số liệu người sử dụng đồng bộ hay đầu ra của RA0 vào các tốc độ cho giao diện không gian đồng thời bổ sung thêm một số bit điều khiển và chuyển đổi ngược lại. Các tốc độ số liệu đồng bộ gồm ≤2,4; 4,8 và 9,6 kbps trở thành 3,6; 6 và 12 kbps. 2. Giao thức chuyển tiếp lớp 2 (L2R) L2R (Layer 2 Relay) đóng vai trò chuyển tiếp giữa giao thức không trong suốt của người sử dụng (NTP: Nontransparent Protocol) và giao thức liên kết vô tuyến (RLP: Radio Link Protcocol) của GSM (hình 3.28). L2R sử dụng các dịch vụ do RLP cung cấp để truyền thông tin về giao thức này giữa MS và IWF. L2P được đặt trong TAF và IWF.

Hình 3.28. Giao thức L2R. GSM đặc tả giao thức L2R cho hai giao thức sau. L2RBOP cho LAPB (LAPB. Link Access Procedure Balanced: thủ tục truy nhập liên kết cân bằng sử dụng cho X.25 DTE) và fax không trong suốt và L2RCOP (L2R Character Oriented Protocol) cho giao thức khởi/dừng. 3.8. TRUY NHẬP MẠNG SỐ LIỆU TỪ GSM Trong hầu hết các trường hợp, đầu cuối số liệu GSM cần có một phiên số liệu với mạng khác. Để đạt được kết nối này, GSM PLMN đảm bảo truy nhập đến các mạng gói như: CSPDN (Circuit Switched Public Data Network: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh), PSPDN (Packet Switched Public Data Network: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói) và ISDN. GSM PLMN là một mạng khác với các mạng


126

chuyển mạch gói này và để kết nối với nó cũng cần có IWF. GSM đã đặc tả các trường hợp truy nhập sau: • GSM PLMN đến/từ PSPDN • GSM PLMN đến/từ ISDN • GSM PLMN đến/từ CSPDN

Trong phần này ta sẽ chỉ xét trường hợp đầu (GSM PLMN đến PSPDN) được sử dụng phổ biến hiện nay. PSPDN là một mạng gói như: mạng Internet công cộng hoặc X.25. Đặc tả GSM định nghĩa truy nhập đến PSPDN trong GSM TS 09.05. Truy nhập có thể thực hiện qua PAD (Packet Assembler Disassembler: Bộ đóng tháo gói) hoặc PH (Packet Handler: Bộ xử lý gói). PAD được sử dụng cho các đầu cuối không hỗ trợ giao thức gói hoặc chỉ được hỗ trợ ở phương khởi xướng di dộng. PAD nhận các luồng ASCII từ các đầu cuối và chuyển đổi chúng và các giao thức PSPDN (chẳng hạn IP hay X.25). ITI-X.28 định nghĩa các thủ tục điều khiển để thiết lập các kết nối đến PAD và có thể sử dụng để thiết lâp kết nối dị bộ. Mặt khác PH được truy nhập bởi đầu cuối có giao thức gói như ITU-T X.32. Ưu điểm của truy nhập PH là cuộc gọi có thể khởi xưởng cả bởi di động lẫn kết cuối ở di động. GSM định nghĩa hai kiểu truy nhập cho cả PAD lẫn PH để làm truy nhập cơ sở để nhà khai thác lựa chọn. 1. Truy nhập cơ sở Truy nhập cơ sở là truy nhập vào cửa quay số (Dial-in) trong PSPDN. Cửa Dial-in có địa chỉ E.164, thuê bao phải quay số cửa này để truy nhập. Vì thế một thuê bao GSM phải là thuê bao của mạng PSPDN để truy nhập nó. Thuê bao phải quay số cửa truy nhập PSPDN tiếp sau số của phía bị gọi. PAD/PH sử dụng số phiá bị gọi để khởi xướng cuộc gọi cho đầu cuối bị gọi. Như vậy, người sử dụng phải quay hai số cho một cuộc gọi cơ sở. Việc quay số kép có nghĩa là cả hai mạng sẽ thu thập thông tin tính cước. Sự khác nhau giữa truy nhập cơ sở PAD và truy nhập cơ sở PH là giao thức giữa cửa quay số và đầu cuối. trong trường hợp PAD là giao thức ITU-T X28 và trong trường hợp PH là giao thức ITU-T X,32 (Hình 3.29).


127

Cöa víi ®ÞachØ E.164



M¸y tÝnh

M¸y tÝnh Hình 3.29. Truy nhập cơ sở PAD và PH đến PSPDN. 2. Truy nhập cơ sở qua các mạng quá giang Trong trường hợp này, truy nhập đến cửa dial-in trong PSPDN qua mạng quá giang (hình 3.30). Mạng quá giang có thể là PSTN hoặc ISDN. Ta có thể coi đây là trường hợp đặc biệt của truy nhập cơ sở. Trong trường hợp PSTN, truyền thông tin được thực hiện qua modem và thuộc ngữ kênht mạng (Bearer) là đường tiếng 3,4 kHz. Truyền thông tin trong trường hợp ISDN được thực hiện bằng các đường số 64 kbps.

§−êng tiÕng

§−êng tiÕng

ModemtiÕng

ModemtiÕng

ModemtiÕng

ModemtiÕng

M¸y tÝnh

M¸y tÝnh Hình 3.30. Truy nhập cơ sở PAD hoặc PH qua mạng quá giang PSTN đến PSPDN.


128

3. Truy nhập đường riêng Truy nhập PAD đường riêng đảm bảo đường truyền riêng trực tiếp từ GSM PLMN (hình 3.31).

M¸y tÝnh

M¸y tÝnh Hình 3.31. Truy nhập PAD hay PH đường riêng đến PSPDN Truy nhập này không cần có cửa dial-in ở PSPDN. Ưu điểm chính so với truy nhập cơ sở là không cần đánh số kép. Máy di động chỉ sử dụng số phía bị gọi, nó không cần bất cứ địa chỉ E.164 nào để truy nhập PAD. Thuê bao di động chỉ cần đăng ký dịch vụ kênh mang truy nhập PAD riêng. Ưu điểm khác là thuê bao nhận được thông tin tính cước từ một nhà khai thác, nhà khai thác GSM PLMN nhà. 3.9. CÁC SƠ ĐỒ TRUYỀN SỐ LIỆU QUA GSM Trong phần này ta sẽ xét chi tiết hơn về các chức năng mang số liệu trên các kênh lưu lượng. Ta xét một số ứng dung số liệu trong GSM PLMN. 3.9.1. Truyền dẫn FAX Công nghệ GSM cung cấp hai kiểu dịch vụ xa cho FAX: tiếng/ fax nhóm ba luân phiên (TS 61) và fax nhóm ba tự động (TS 62). TS 61 được sử dụng khi người sử dụng muốn chuyển mạch giữa cuộc gọi tiếng và fax. Nó sử dụng thủ tục thay đổi trong cuộc gọi qua giao diện người sử dụng. Có thể cung cấp dịch vụ fax cả ở kết nối trong suốt lẫn không trong suốt. Có thể hỗ trợ cả fax khởi xướng di dộng lẫn kết cuối


129

di động. Chế dộ truyền tin của dịch vụ kênh mang cho fax là: kênh đồng bộ và đối xứng. Đối với GSM, dịch vụ fax nhóm 3 được sửa đổi thích ứng từ đặc tả của mạng cố định được định nghĩa trong ITU-T F.160. Đặc tả dịch vụ gồm hai phần: giao thức điều khiển trong ITU-T T.30 và mã hoá truyền dẫn tư liệu trong ITU-T T.4. Thiết bị đầu cuối GSM có thể nối đến máy fax cơ sở hai dây bằng việc sử dụng chức năng thích ứng fax. Chức năng thích ứng fax chuyển đổi tín hiệu tương tự đến từ máy fax hai dây và một kuồng số có giao diện R đặc thù cho ISDN ở đầu ra. Đầu ra giao diện R này cần một TAF (GSM 07.03) để nối đến GSM MS. Máy tính cá nhân PC mô phỏng fax có thể nối trực tiếp đến GSM MS bằng một card PCMCIA fax có bán trên thị trường cho máy di động GSM. Trong card này TAF và chức năng thích ứng fax đã được kết hợp. Hình 3.32 cho thấy fax hoặc khởi xướng từ máy PC hoặc từ máy fax hai dây được phát qua BSS đến MSC.

Bé thÝchøng fax TAF

GD v« tuyÕn

Hình 3.32. Truyền dẫn fax sử dụng GSM PLMN Hình 3.33 cho thấy các giao thức và thích ứng tốc độ được sử dụng để truyền fax không trong suốt qua PLMN. Cần lưu ý rằng tuỳ thuộc vào thực hiện, có thể không có điểm tham khảo R tường minh. Trong trường hợp này, giao thức LAPB và các phần tử LAPB ở giao diện này có thể bỏ qua. Các ngăn xếp giao thức L2RBOP và RLP được sử dụng tại giao diện vô tuyến. Vì số liệu fax là đồng bộ, RA1' được sử dụng đển chuyển đổi các tốc độ số liệu đồng bộ của fax vào các tốc độ số liệu ở giao diện không gian. Tốc độ số liệu giao diện không gian có thể là: 3,6; 6 hoặc 12 kbps. Số liệu được phát vào không gian với FEC. Tại BSS, số liệu fax được chuyển đổi vào tốc độ trung gian 8 hoặc 16 kbps bằng chức năng RA1. Tốc độ số liệu trung gian này được chuyển đổi vào 64 kbps tại giao diện A bằng chức năng RA2. Kết nối fax trong suốt có sơ đồ truyền dẫn tương tự ngoại trừ hai phần tử L2R và RLP.


130

GiaodiÖn R

Giao diÖnv« tuyÕn

GiaodiÖn A

Líp ®o¹n nèi

Líp vËt lý

Hình 3.33. Các giao thức và thích ứng tốc độ để truyền fax qua GSM. 3.9.2. Kết nối Internet GSM PLMN có thể cung cấp kết nối chuyển mạch kênh đến mạng IP hay Internet (hình 3.34).

GiaodiÖn R

Giao diÖnv« tuyÕn

GiaodiÖn A

Hình 3.34. Kết nối Internet. Giao diện chuyển tiếp lớp (L2R: Layer 2 Relay) ) được sử dụng trong trường hợp này là giao thức chuyển tiếp lớp 2 định hướng theo ký tự (L2RCOP: L2R Character Oriented Protocol). Giao thức không trong suốt (NTP: Non Transparent Protcol) dưới L2R được sử dụng trong trường hợp này là giao thức không trong suốt định hướng theo ký tự (CONT: Character Oriented on Transparent). Giao thức liên kết vô tuyến (RLP: Radio link Protcol) đmả bảo kiểm soát lỗi và cơ chế phát lại để tăng độ tin cậy trên đường truyền vô tuyến. RLP được đặt trong TAF và IWF. Các đặc tả GSM không định nghĩa dịch vụ xa hay dịch vụ mang cho kết nối Internet. Nhưng MS có thể truy nhập dến Internet bằng cách đăng ký đến một dịch vụ


131

mang số liệu bất kỳ (chẳng hạn truy nhập PAD dị bô tại 9,6 kbps). Có thể sử dụng cả kết nối trong suốt lẫn không trong suốt. Kết nối không trong suốt đảm bảo bảo vệ tốt hơn tại giao diện không gian so với kết nối trong suốt. Trong mô tả ở đây, ta sẽ xét kết nối không trong suốt dị bộ đến PAD trong mạng IP. Ta sẽ xét cả truy nhập PAD cơ sở và dành riêng đến mạng IP. Trong cả hai trường hợp, GSM PLMN đảm bảo kênh mang chuyển mạch kênh đến PAD và giao thức IP thực hiện trong suốt trên vật mang này. Cũng như các đầu cuối số liệu khác của GSM PLMN, máy IP (máy xách tay chẳng hạn) cần nối đến chức năng TAF của MS. Chức năng TAF có trong card PCMCIA cho phép kết nối trực tiếp một máy IP đến MS. Trong trường hợp truy nhập PAD cơ sở, IWF gồm một tập các modem cho phép trông tin theo modem qua mạng. Tập các modem này cho phép người sử dụng thực hiện các cuộc gọi đến nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP). Người sử dụng trước hết phải quay số theo địa chỉ E.164 của cửa thuê bao. Có thể lập cấu hình địa chỉ này trong chương trình quay số để người sử dụng không phải nhập nó mỗi lần truy nhập. Người sử dụng gửi PAD đến thực thể cần trao đổi trong mạng IP (địa chỉ server thư điện tử chẳng hạn). PAD sẽ thay mặt người sử dụng nối đến thực thể này của mạng IP. Trường hợp này trình được bày trên hình 3.30 với một modem. Một số nhà cung cấp dịch vụ dành riêng các đường trung kế để nối GSM PLMN đến mạng IP. Đây là trường hợp truy nhập PAD dành riêng. Trong thí dụ truy nhập thư điện tử cuả chúng ta, người sử dụng chỉ cần gửi các địa chỉ của server thư điện tử để kết nối đến server này. Người sử dụng không cần quay số địa chỉ cửa trong mạng IP. Trường hợp này cũng đã được trình bầy ở hình 3.31, modem trong trường hợp này là modem số được sử dụng để truy nhập đường số. Để hiểu tổng quan giao thức và chức năng, ta xét trường hợp phổ biến nhất với truyền số liệu không trong suốt như cho trên hình 3.34 . GSM PLMN đảm bảo các chức năng L2R và RLP để mang các bó số liệu IP trên giao diện vô tuyến. Đối với truyền số liệu không trong suốt không cần các chức năng này. 3.9.3. Các sơ đồ dịch vụ số liệu trên các kênh báo hiệu/quảng bá: SMS Công nghệ GSM là công nghệ đầu tiên cung cấp các dịch vụ trên các kênh báo hiệu và quảng bá. Các dịch vụ này thường được hiểu chung là SMS (Short Message Service: dịch vụ bản tin ngắn). Có hai kiểu MS: SMS điểm đến điểm và SMS quảng bá. Trong phần này ta sẽ xét cả hai dịch vụ này. Các dịch vụ SMS cũng được cung cấp ở công nghệ 2G khác. SMS điểm đến điểm là dịch vụ số liệu sử dụng kênh báo hiệu (SDCCH) để truyền tải số liệu trên giao diện vô tuyến. Trong SMS, một xâu ngắn ký tự của văn bản (cực


132

đại 126 ký tự) được truyền từ thuê bao này đến thuê bao khác. Một kiểu dịch vụ SMS khác được gọi là SMS quảng bá. Đây là dịch vụ số liệu sử dụng kênh quảng bá CBCH (Cell Broadcast Channel). Với dịch vụ này người sử dụng chỉ có thể nhận được số liệu phát quảng bá từ mạng. Dịch vụ này cũng chỉ hạn chế ở xâu văn bản ngắn phụ thuộc vào dung lượng của CBCH. Dịch vụ này có thể được dành trước cho các ứng dụng số liệu quảng bá như các báo cáo về lưu lượng giao thông và cảnh báo về thời tiết. Các nhà cung cấp dịch vụ ít quan tâm đến dịch vụ này bởi vì nó không cung cấp mô hình mạng lại doanh thu tốt. 3.9.3.1. SMS điểm đến điểm SMS điểm đến điểm (SMS p-p) là dịch vụ riêng giữa hai người sử dụng. GSM đã định nghĩa các dịch vụ xa cho SMS như: SMS-MO (khởi xướng từ máy di động) và SMS-MT (kết cuối ở máy di động). Bằng dịch vụ này người sử dụng phát đi một xâu các ký tự chữ và số đến người sử dụng khác. Các nhà khai thác cũng có thể sử dụng SMS để thông báo cho người sử dụng về một trạng thái nào đó (số lượng các bản tin đang đợi trong hộp thư tiếng). SMS dưa trên khái niệm là có thể sử dụng dung lượng của kênh báo hiệu để mang một số byte số liệu của người sử dụng. SMS cũng mở ra khả năng GSM PLMN đảm bảo viễn tin. Chẳng hạn bằng một thiết bị của người sử dụng thu nhỏ, máy bán hàng có thể trở thành một thực thể gửi bản tin ngắn để gửi bản tin đến người bán hàng khi cần cung cấp hàng. SMS được định nghĩa với cơ chế lưu-gửi. Với cơ chế này, bản tin đựơc lưu trong trừơng hợp không thể nối đến người nhận và sau đó được chuyển đến người này khi người này đã sẵn sàng. Thuê bao phải đăng ký dịch vụ này để có được nó và thông tin đăng ký được lưu trong hồ sơ thuê bao ở HLR. 1. Sơ đồ mạng Để hiểu được hoạt động cuả SMS, ta xét các phần tử mạng tham gia vào SMS P-P (hình 3.35). Thực thể phát/thu bản tin SMS được gọi là SME (Short Message Entity). SME có thể là một GSM MS hay một máy tính. SMS đưa vào một phần tử mạng mới là SM-SC (Short Message Service Center: Trung tâm dịch vụ bản tin ngắn). SM-SC xử lý tất cả các chức năng liên quan đến SMS p-p. Nó nhận bản tin và gửi nó đến người nhận. SME được nối đến SM-SC qua giao thức truyền tải bản tin ngắn (SM-TP). SM-SC cho phép kết nối đến một máy tính để có thể thực hiện SMS từ thư điện tử hoặc các trang Web. Khi SME là một GSM-MS, nó sử dụng giao thức chuyển tiếp bản tin ngắn


133

(SM-RP) và giao thức điều khiển bản tin (SM-CP) để chuyển các bản tin ngắn đến MSC/VLR. SMS-GMSC là cổng vào GSM PLMN để truyền SM. SMS-GMSC hỏi HLR để xác địnhvị trí thuê bao. Giao thức hỏi là một giao thức chung cũng được sử dụng cho các thủ tục điều khiển cuộc gọi để định vị phía bị gọi. HLR thông báo về vi trí hiện thời của MSC/VLR được SMS-GMSC sử dụng để chuyển SM đến MS. Trường hợp không thể nối đến MS, HLR trả lời SMS-GMSC. SMS-GMSC có thể nối đến các server ngoài để cung cấp các dịch vụ ứng dụng SMS như: thư điện tử, giá cổ phiểu, lộ phí cao tốc. Có thể quản lý các dịch vụ này bằng hệ thống quản lý dữ liệu (DBMS). Rất nhiều nhà khai thác cung cấp giao diện Web để gửi các SMS đến các thuê bao di động.

Internet/Intranetm¹ng h÷u tuyÕn

KÕt nèi vËt lý

KÕt nèi logic

Ng−êi khai th cQu¶n lý c c chøc n ng nh−:T×m gäi TAP

Qu¶n lý c¸c chøc n¨ng nh−:Th− ®iÖn töGi¸ c¶ cæ phiÕuLÖ phÝ xa léLÞch bayTh«ng tin thêi tiÕt

Hình 3.35. Kiến trúc mạng cho SMS P-P SMS-IWMSC là MSC nối đến SM-SC. Nó chuyển SM từ MS trong GSM PLMN đến SM-SC. Chức năng SMS-IWMSC có thể được đặt cùng với SMS-GMSC trong cùng một MSC. 2. Mô tả hoạt động mạng


134

Giao dịch SMS gồm hai phần. Một SME khởi đầu một SM để chuyển nó đến SC. SC khởi đầu một phiên để chuyển SM đế nơi nhận. Trong thủ tục được trình bầy dưới đây, ta sẽ xét trường hợp tổng quát để chuyển bản tin ngắn từ MS đến MS. Trường hơp này gồm hai phần: SMS-MO và SMS-MT như sau:

1. MS khởi đầu bản tin ngắn với số danh bạ của SM-SC và sử dung các giao thức SM-CP và SM-RP để chuyển bản tin này đến MSC/VLR

2. MSC/VLR xem xét số danh bạ của SM-SC và chuyển bản tin này đến SM-IWMSC, và phần tử này giao tiếp với SM-SC và chuyển SM

3. SM-SC trên cơ sở địa chỉ phía kết cuối giao tiếp với SMS-GMSC. Nó thông báo cho SMS-GMSC rằng có một bản tin ngắn đang đợi cho một MS trong mạng của người nhận.

4. SMS-GSMC hỏi HLR về vị trí hiện thời của người nhận (vị trí của MSC/VLR khách)

5. Nếu có thể nối đến MS nhận, HLR gửi thông tin về MSC/VLR của MS nhận đến SMS-GMSC. SMS-GMSC chuyển SM đến MSC này

6. Nếu chưa thể nối đến MS nhận, HLR gửi trạng thái này đến SM-SC. Nó cũng lập một cờ để lưu thông tin rằng ý định chuyển không thành công. Khi đã có thể nối đến MS nhận, HLR thông báo MS này về ý định chuyển. MS có thể giao tiếp với SM-SC để nhận các bản tin đang đợi.

7. MSC/VLR tìm gọi MS qua các BTS trong vùng định vị được đăng ký của nó. BTS này thiết lập một kênh vô tuyến và chuyển bản tin đến MS nhận.

3.9.3.2. SMS quảng bá ô SMS quảng bá ô (SMSCB: SMS Cell Broadcast) cung cấp cơ chế để phát quảng bá bản tinh ngắn từ một mạng vô tuyến đến các MS trong một vùng phủ của ô (hình 3.36).

Hình 3.36. Kiến trúc mạng SMS quảng bá ô


135

Nguồn của SMSCB có thể là: các báo cáo về lưu lượng giao thông và thời tiết. Bản tin bị giới hạn bởi dung lượng của kênh quảng bá mang nó. Một bản tin CB đơn có thể mang đến 88 byte. Dịch vụ này chỉ quảng bá trong ô vì SMS-CB sử dung một kênh được định nghĩa đặc biệt gọi là CBCH. Sự có mặt cuả kênh CBCH được chỉ thị bởi thông tin hệ thống phát quảng bá trên kênh BCCH cho từng ô. Thông tin hệ thống này sẽ thông báo cho các MS trong ô về tần số và kênh CB. Bản tin CB có một tiêu đề và tải tin. Tiêu đề bản tin CB có một nhận dạng để nhận dạng nguồn và đề tài của bản tin SMSCB. Nó cũng có số trình tự để MS có thể xác định bản tin mới trong số các bản tin khả dụng. Các bản tin SMS-CB không được MS công nhận. MS chỉ có thể thu các bản tin SMS-CB trong trạng thái rỗi. Dịch vụ SMS-CB được thiết kế để tiết kiệm tối đa công suất acqui cho MS. MS có thể đọc phần đầu của bản tin CB và sau đó quyết định có nên đọc phần còn lại cảu bản tin này hay không. Ngoài ra mạng có thể phát quảng bá danh sách bản tin để cung cấp thông tin trước về các bản tin CB sẽ được phát. MS có thể sử dụng thông tin này để chỉ thu các bản tin mà khách hàng muốn. Các bản tin CB được tạo ra trong phần tử CBE (Cell Broadcast Entity: thực thể quảng bá ô). Các tiêu chuẩn GSM không đặc tả chức năng cuả CBE. Có thể hiểu CBE như là nguồn của SMS-CB (như trung tâm thông tin thời tiết chẳng hạn). Nó gồm tất cả các tính năng lập khuôn dạng các bản tin CB đến, phân chia chúng thành các đoạn rồi lần lượt truyền chúng trên một kênh. CBC xử lý các chức năng của SMS-CB liên quan đến GSM. Nó có thể nhận đầu vào từ nhiều CBE và có thể nối đến một hay nhiều BSC. CBC điều phối việc tạo khuôn và tổ chức các bản tin mà nó nhận được từ CBE vào dạng GSM. Nó thực hiện các chức năng như xác định tốc độ cần truyền một bản tin cụ thể, đặt ngôn ngữ và xác định vùng cần phát bản tin. BSS đảm nhiệm phần vô tuyến để phát các bản tin CB. BSC thực hiện các chức năng như lưu các bản tin trong thời gian phát chúng, định tuyến các bản tin đến các BTS tương ứng và lập biểu các bản tin theo tốc độ lặp. BTS đặt các bản tin này lên CBCH theo thời gian do BSC quy định. 3.10. CÁC SƠ ĐỒ TRUYỀN SỐ LIỆU QUA GPRS GPRS cho phép truy nhập trực tiếp đếm các mạng số liệu như internet mã không cần qua modem. Các mạng số liệu coi GPRS như một mạng con, trong đó GGSN đóng vai trò như một router (hình 3.37).


136

Mạng con

Mạng con

Mạng con

Máy

internet

Máy

Hãng 1Hãng 2

Mạng con

Máy

Hình 3.37. GPRS như một mạng con cuả internet Thuê bao di động có thể có địa chỉ mạng số liệu cố định (địa chỉ tĩnh) hay địa chỉ mạng liệu động và lưu lượng số liệu luôn luôn sử dụng cổng được chỉ thị bởi địa chỉ này (hình 3.38). Tuy nhiên nhà khai thác GPRS có thể buộc lưu lượng sử dụng GGSN nhà vì lý do an ninh. Vì địa chỉ tính được ấn định vĩnh viễn cho một thuê bao và nó sẽ chỉ đến cổng của mạng nhà, nên các gói số liệu sẽ luôn luôn định tuyến qua mạng nhà. Hình 3.38 minh họa trường hợp trong đó người sử dụng đang ở mạng nhà (trường hợp 1) và đang ở mạng khách (trường hợp 2). Mỗi mạng cũng có thể có một tổ hợp các địa chỉ khả dụng và nó sẽ ấn định động địa chỉ này cho một người sử dụng trong một khoảng thời kết nối. Để tráng phải định tuyến gói qua mạng nhà, địa chỉ động có thể được ấn định bởi GGSN khách (trường hợp 3 trên hình 3.38). Lưu lượng vào, ra có thể được tính cước trên cơ sở khối lượng số liệu đựơc truyền hoặc thời gian kết nối.


137

Trường hợp 1

Trường hợp 3

Trường hợp 2

Mạng đường trục liên kết

các hãngMạng đường trục

GPRS (IP)Mạng GPRS

nhà

Mạng đường trục

GPRS (IP)Mạng GPRS khách

Hình 3.38. Truyền số liệu. 3.11. MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP ĐỊNH TUYẾN LƯU LƯỢNG 3.11.1. Cập nhật vị trí Cập nhật vị trí xẩy ra khi trạm di động đang ở trạng thái rỗi nhưng nó di chuyển từ một vùng định vị này sang vùng định vị khác. Khi này trạm di động phải thông báo cho mạng về vị trí mới của nó để mạng ghi lại vị trí mới này vào VLR hoặc nếu cần thiết vào HLR (nếu chuyển vùng định vị xẩy ra đồng thời với chuyển sang MSC mới) (hình 3.39). Thông tin để thực hiện cập nhật vị trí dựa trên LAI được thông báo thường xuyên từ BCCH của mỗi ô.


138

Hình 3.39. Các trường hợp cập nhật vị trí khác nhau Tồn tại hai dạng cập nhật vị trí:

1. MS chuyển từ ô 3 thuộc LA2 sang ô 4 thuộc LA1. Cả hai ô này đều trực thuộc cùng một MSC/VLR. trong trường hợp này cập nhật vị trí không cần thông báo dến HLR vì HLR chỉ quản lý vị trí MS đến tổng đài MSC đang phục vụ nó

2. MS chuyển từ ô 3 sang ô 5 có LA3. Hai ô này trực thuộc hai tổng đài MSC khác nhau, vì thế cập nhật vị trí phải được thông boá cho HLR để nó ghi lại vị trí của MSC/VLR mới. Ngoài ra thông tin về thuê bao cũng được ghi lại ở VLR mới và xoá đi ở VLR cũ.

3.11.2. Định tuyến cuộc gọi đến MS Quá trình định tuyến cuộc gọi đến MS được cho trên hình 3.40 như sau. Giả sử một thuê bao nào đó từ mạng ngoài cần gọi đến MS, trứơc hết nó quay số MSISDN. Tổng đài phụ trách thuê bao này phân tích số MSISDN và nhận thấy rằng thuê bao bị gọi là một thuê bao di động và vì thế nó hướng cuộc gọi này đến GMSC của mạng PLMN của thuê bao (1). Bây giờ GMSC có thể yêu cầu MSRN cho thuê bao di động từ HLR (2,3). Dựa trên MSRN, cuộc gọi được định tuyến đến MSC (4). MSC quyết định TMSI (số nhận dạng thuê bao di động tạm thời) cho MS (5,6) và thực tiện thủ tục tìm gọi trong vùng định vị liên quan (7). Sau khi MS trả lời tìm gọi (8), kết nối được hoàn tất.


139

ISDN

7

8

7

7

4

1

BTS

BTS

BTS

BSC

BSC

MS

MS

TMSI

TMSI

TMSI

LA1

LA2

MSC

EIR

AUCHLR

VLR56

2GMSC

MSRN

MSRN

MSISDN

3 MSRN

TMSI

TMSI

MSISDN

Hình 3.40. Nguyên lý định tuyến đến MS 3.11.3. Chuyển mạng quốc tế Chuyển mạng (Roaming) là quá trình trong đó một thuê bao di động có thể sử dụng SIM-Card của mình ở mạng khác. Hình 3.41 mô tả quá trình chuyển mạng quốc tế liên quan đến ba mạng thuộc ba nước: nước nơi thuê ba di động khởi xướng cuộc gọi, nước có mạng nhà của thuê bao (H-PLMN) và nước nơi thuê bao được gọi đang làm khách trong mạng V-PLMN. Lưu lượng giữa các nước được định tuyến qua các chuyển mạch quốc tế IS. Phụ thuộc vào khả năng của IS, có nhiều cách định tuyến các cuộc gọi quốc tế đến các thuê bao di động. Điểm khác biệt giữa các cách này là thực thể nào thực hiện hỏi HLR. Nếu IS thực hiện hỏi HLR, định tuyến đến MSC được thực hiện hoặc bởi IS nơi khởi xướng cuộc gọi hoặc IS của nước có mạng di dộng nhà (H-PLMN) (hình 3.41). Nếu không IS nào có khả năng xử lý định tuyến, thì GMSC phải tham gia và quá trình này: hoặc một GMSC tại nước nơi cuộc gọi khởi xướng hoặc GMSC của mạng nhà H-PLMN (hình 3.42). Đối với các thủ tục định tuyến nói trên, không quan trọng là loại thuê bao nào là thuê bao chủ gọi, nghĩa là thuê bao chủ gọi có thể là cố định hoặc di động. Tuy nhiên nếu cuộc gọi từ thuê bao di động, hỏi HLR thường được thực hiện từ MSC.


140

V-PLMN

MSC ISDN

LS IS IS

IS

HLR

ISDN

H-PLMN

LS: ChuyÓn m¹ch néi h¹tIS: ChuyÓn m¹ch quèc tÕV-PLMN: M¹ng di ®éng kh¸chH-PLMN: M¹ng di ®éng nhµ

1

Hình 3.41. Định tuyến cho MSISDN quốc tế (IS hỏi HLR)

V-PLMN

MSC ISDN

LS IS IS

ISHLR

ISDN

H-PLMN

LS: ChuyÓn m¹ch néi h¹tIS: ChuyÓn m¹ch quèc tÕV-PLMN: M¹ng di ®éng kh¸chH-PLMN: M¹ng di ®éng nhµ

1

GMSC

GMSCIS

GMSC

Hình 3.42. Định tuyến qua GMSC cho MSISDN quốc tế (GMSC hỏi HLR) 3.11.4. Chuyển giao Chuyển giao là quá trình xẩy ra khi lưu lượng của MS được chuyển từ một kênh TCH này sang một kênh TCH khác. Chuyển giao có thể xẩy ra trong cùng một ô hoặc giữa các ô khác nhau. Định tuyến khi xẩy ra chuyển giao giữa các ô được phân loại như sau (xem hình 3.43):

1. Chuyển giao trong trong BSC 2. Chuyển giao giữa hai BSC thuộc cùng một MSC 3. Chuyển giao giữa hai BSC thuộc hai MSC lần thứ nhất 4. Chuyển giao giữa hai BSC thuộc hai MSC lần thứ hai.


141

Trong trường hợp 1, chuyển mạch chỉ cần thực hiện trong BSC. Trong trường hợp thứ 2 chuyển mạch cần thực hiện trong MSC1 mà các BSC trực thuộc. Trong trường hợp thứ 3 chuyển mạch cần thực hiên giữa MSC1 và MSC2. Trương hợp thứ tư giống như trường hợp thứ 3 nhưng MSC 1 sẽ nối với MSC 3 qua đường trục;

BSC1

BSC1

BSC1

BSC1

BSC1

BSC1

MSC1

VLR1

MSC2

VLR2

MSC3

VLR3

Đường trục

1a1b

2a2b

3a3b

4a4b

5a5b

1

2

3

4

5

6a6b 6

1

2

3

4

(1)

(2)

(3)

Hình 3.43. Các kiểu chuyển giao trong GSM 3.12. MÔ HÌNH AN NINH GSM

Môi trường an ninh trên giao diện vô tuyến GSM được đảm bảo bởi hai quá trình: nhận thực và bảo mật (xem hình 3.44). Ở GSM chỉ có mạng nhận thực MS. Để nhận thực MS, mạng gửi đến nó hô lệnh RAND. SIM nhận RAND và sử dụng nó cùng với khóa nhận thực thuê bao Ki được lưu làm đầu vào cho giải thuật A3 để tạo ra SRES (trả lời được ký). Sau đó MS gửi SRES gửi trở lại mạng để mạng kiểm tra bằng cách so sánh nó với SRES tương ứng được tạo ra ở AuC, nếu trùng nhau thì nhận thực thành công và MS hợp lệ. Sau khi nhận thực người sử dụng thành công, giải thuật A8 sử dụng khóa nhận thực Ki cùng với số ngẫu nhiên RAND để tạo ra khóa mật mã Kc. Giải thuật A5 sử dụng khoá này để mật mã tín hiệu thoại phát trên đường vô tuyến và giải mật mã tín hiệu thoại thu được. Ở phía mạng ba thông số (dược gọi là triplet) an ninh (RAND, SRES và Kc) đựơc tạo ra tại AUC dựa trên giải huật A3 và A8. Sau đó


142

thông qua HLR các thông số này đựơc phân phối xuống VLR. Còn ở phía MS hai thông số an ninh SRES và Kc được tạo ra bởi các giải thuật tương ứng trong SIM.

Hình 3.44. Mô hình an ninh GSM 3.13. CÁC KIẾN TRÚC GIAO THỨC CỦA GSM VÀ GPRS Trong phần này ta sẽ xét tóm tắt các kiến trúc giao thức của GSM và GPRS. 3.13.1. Kiến trúc giao thức báo hiệu của GSM Kiến trúc giao thức báo hiệu cuả GSM được được xây dựng trên cơ sơ báo hiệu kênh chung số 7 cho mạng lõi và báo hiệu thuê bao số DSS1 cho truy nhập chô tuyến (hình 3.45). Báo hiệu trong mạng lõi ngoài ISUP còn có thể MAP để truyền báo hiệu đặc thù di động không liên quan đến kết nối. Ngăn xếp giao thức trong MS bao gồm ba lớp trong đó lớp 3 lại được chia thành ba lớp con (CM, MM và RR) trong đó hai lớp con trên cùng (CM và MM) đựơc liên kết logic trực tiếp với MSC. Vai trò ba lớp con này như sau: • Quản lý tài nguyên vô tuyến (RR): Lớp con quản lý tài nguyên vô tuyến bao

gồm các chức năng cần thiết để thiết lập duy trì và giải phóng đấu nối các tài nguyên trên các kênh điều khiển riêng. Các chức năng được lcon ớp này thực hiện bao gồm: a) Thiết lập chế độ mật mã. b) Thay đổi kênh dành riêng khi vẫn ở ô cũ như: từ SDCCH đến kênh lưu lượng. c) Chuyển giao từ một ô này đến ô khác. d) Định nghĩa lại tần số (sử dụng cho nhẩy tần)

• Quản lý di động (MM): Lớp con này chứa các chức năng liên quan đến di động của thuê bao như:


143

a) Nhận thực. b) Ấn định lại TMSI.

c) Nhận dạng trạm di động bằng cách yêu cầu IMSI hay IMEI • Quản lý nối thông: Lớp con CM bao gồm ba phần tử:

a) Điều khiển cuộc gọi (CC: Call Control): cung cấp các chức năng và các thủ tục để điều khiển cuộc gọi ISDN, các chức năng và các thủ tục này đã được cải tiến để phù hợp với môi trường truyền dẫn vô tuyến. Việc thiết lập lại cuộc gọi hay thay đổi trong quá trình gọi các dịch vụ mang chẳng hạn thay đổi từ tiếng sang số liệu là hai thủ tục đặc biệt mới trong CC. CC cũng chứa các chức năng cho các dịch vụ bổ sung đặc biệt như: báo hiệu giữa các người sử dụng. b) Các dich vụ bổ sung (SS: Supplemetary Services) xử lý các dịch vụ bổ sung không liên quan đến cuộc gọi như: chuyển hướng cuộc gọi khi không có trả lời, đợi gọi, .. c) Dịch vụ bản tin ngắn (SMS: Short Message Service): cung cấp các giao thức để truyền các bản tin ngắn giữa mạng và một trạm di động.


144

MT

SCCP

MAP

TCAP

MM

RR

LAPDm

MS BTS

A-bis A

MTP líp 2

SCCP

MTP líp 1

SCCP

LAPD LAPD LAPD

RR

BTSM

BSSAPBSSAP

MSC

RR' BTSMMTP líp 3

MTP líp 2

MTP líp 3

MTP líp MTP líp 1

MTP líp 3

B¸o hiÖulíp 1

B¸o hiÖu B¸o hiÖu B¸o hiÖulíp 1 líp 1líp 1

MTP líp 2

Radio

líp 1

líp 2

líp 3

MM

ISUP/TUP

líp 1

líp 2

líp 3

líp 7

BSC

VLR, HLR, GMSCPSTN OSI OSI

MSC /

Ký hiÖu:*CM: Connection management = qu¶n lý nèi th«ng; MM: Mobility management = qu¶n lý di ®éng*RR: Radio resource management = qu¶n lý tµi nguyªn v« tuyÕn;*LAPDm: Link access procedures on Dm-channel = çc thñ tôc th©m nhËp ®−êng truyÒn ë kªnh Dm;*LAPD: Link access procedures on D-channel = çc thñ tôc th©m nhËp ®−êng truyÒn ë kªnh D;*BSTM: BTS management = qu¶n lý tr¹m gèc;*BSSAP: Base station system application part : phÇn øng dông hÖ thèng tr¹m gèc;*SCCP: Signalling connection control part: phÇn ®iÒu khiÓn nèi th«ng b¸o hiÖu;*MTP: Message transfer part = phÇn truyÒn b¶n tin;*MAP:: Mobile application part = phÇn øng dông di ®éng;*TCAP: Transaction capabilities application part = phÇn øng dông çc kh¶ n¨ng trao ®æi;*ISUP: ISDN user part = phÇn ng−êi sö dông ISDN;*TUP: Telephone user part = phÇn ng−êi sö dông ®iÖn tho¹i.

líp 4-6

H×nh 4.43. M« h×nh b¸o hiÖu ë GSM ®−îc s¾p xÕp theo OSI 7 líp

CM CM

3.13.2. Kiến trúc giao thức của GPRS Kiến trúc giao thức của GPRS đựơc chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng người sử dụng (viết tắt là U) để truyền lưu lượng của người sử dụng và mặt phẳng điều khiển (viết tắt là C) để truyền báo hiệu. 1. Kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng Kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng được cho trên hình 3.46.


145

A pp

IP/X.25

SNDCP

LLC

RLC

M AC

GSMRF

G SMRF

Líp 1bis

M A C N S

BSSGPRLCRelay

Líp 1bis

Líp 1

N S Líp 2

LLC

BSSGP IP

UDP/TCP

GTP-uSNDCPRelay

IP/X.25

G TP-u

UDP/TCP

IP

Líp 2

Líp 1

M S BSS SG SN G G SNU m G b G n G lRelay: ChuyÓn tiÕp NS: D Þch vô m ¹ng

GSMRF

Hình 3.46. Kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng Đây là một cấu trúc giao thức phân lớp để truyền thông tin của người sử dụng và thực hiện các thủ tục liên quan đến điều khiển như: điều khiển luồng, phát hiện lỗi, sửa lỗi và phục hồi gói bị lỗi. Các gói được truyền từ GGSN đến SGSN bằng giao thức truyền tunnel GPRS (GTP-u). Các gói GTP hoặc được truyền bởi TCP có công nhận hoặc bởi UDP không công nhận. Như vậy các các nút mạng IP (các bộ định tuyến) giữa GGSN và SGSN sẽ coi các gói GTP này là ứng dụng và vì thế các bộ định tuyến này không kiểm tra nội dung của lớp GTP. Tại SGSN, bao gói được loại bỏ và gói được chuyển đến MS bằng cách sử dụng SNDCP, LLC và các lớp thấp hơn. Đối với các gói từ MS đến mạng ngoài (Internet chẳng hạn), GGSN loại bỏ bao gói và chuyển đi các gói IP. Giao thức điều khiển truyền tải (TCP) mang các GTP PDU trong mạng đường trục của GPRS cho các giao thức cần liên kết số liệu tin cậy như X.25. Giao thức bó số liệu của người sử dụng (UDP) mang các GTP PDU cho các giao thức không cần liên kết tin cậy như IP chẳng hạn. TCP đảm bảo điều khiển luồng và bảo vệ chống mất cũng như hỏng các GTP PDU. Giao thức mạng đường trục của GPRS là IP được sử dụng để định tuyến số liệu và báo hiệu của người sử dụng. Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng con (SNDCP: Subnetwork Dependent Convergence Protocol) chuyển đổi các đặc tính lớp mạng khác nhau vào mạng lớp dưới. Tại MS giao thức này nằm giữa LLC và lớp mạng (IP hoặc X-25). Nhiệm vụ của SNDCP là đảm bảo sự hỗ trợ cho nhiều giao thức mạng mà không cần thay đổi các lớp dưới, chẳng hạn LLC (Logical Link Control: điều khiển liên kết logic). SNDCP không chỉ cung cấp một bộ đệm giữa lớp trên và lớp dưới nó mà còn đảm bảo việc ghép một số luồng gói vào một


146

đoạn nối logic giữa MS và SGSN. Một cách tuỳ chọn, nó cũng thực hiện nén (chẳng hạn nén đầu đề TCP/IP và (hoặc) nén số liệu. Việc nén nàycó thể làm thay đổi đáng kể thông lượng. Các gói sau phân doạn và nén được xử lý bởi LLC (Logical Link Control). LLC đảm bảo liên kết có dộ tin cậy cao và được mật mã hoá. Chức năng này đảm bảo một liên kết logic và đóng khung cấu trúc để thông tin giữa SGSN và MS. Số liệu giữa SGSN và MS được gửi đi ở các khối số liệu giao thức liên kết vô tuyến (LLC PDU). LLC hỗ trợ việc quản lý quá trình truyền này bao gồm: cơ chế phát hiện và phục hồi các LLC-PDU bị mất hoặc bị hỏng, mật mã hoá và điều khiển dòng. Cũng cần lưu ý rằng mật mã ở SGSN mạnh hơn mật mã ở GSM. Trong GSM tiêu chuẩn mật mã chỉ được thực hiện ở liên kết vô tuyến giữa MS và BTS. Trong GPRS mật mã được áp dụng giữa MS và SGSN, như vậy thông tin được bảo mật ở giao diện vô tuyến, giao diện Abis và giao diện Gb. LLC không phụ thuộc vào các giao thức của giao diện vô tuyến. Tại BSS, chức năng chuyển tiếp (Relay) thực hiện chuyển tiếp các LLC-PDU từ giao diện Gb đến giao diện vô tuyến (giao diện Um). Tương tự tại SGSN, chức năng chuyển tiếp thực hiện chuyển tiếp PDP PDU giữa giao diện Gb và Gn. Các gói GSSGP PDU được truyền bằng kết nối dựa trên chuyển tiếp khung được gọi là giao thức BSS GRPS (BSSGP: Base Station System GPRS Protocol)). BSSGP chuyển thông tin định tuyến và chất lượng dịch vụ (QoS) giữa BSS và SGSN. Nó không thông báo lỗi. Lớp dịch vụ mạng (NS: Network Service) đảm bảo kết nối trên cơ sở chuyển tiếp khung để truyền tải các BSSGP PDU. Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC: Radio Link Control) đảm bảo phân đoạn và lắp ráp các khối vô tuyến vào các khung LLC. Ngoài ra nó cũng đảm bảo liên kết tin cậy. Còn lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) thực hiện chuyển đổi (sắp xếp) các khung LLC vào các kênh vật lý của GSM thông qua các kênh logic được tạo lập. RF là lớp vật lý của GSM. 2. Kiến trúc giao thức mặt phẳng điều khiển Kiến trúc giao thức mặt phẳng điều khiển đựơc cho trên hình 3.47.


147

Hình 3.47. Kiến trúc giao thức mặt phẳng điều khiển Mặt phẳng điều khiển bao gồm các giao thức điều khiển và hỗ trợ các chức năng của mặt phẳng người sử dụng. GGSN và SGSN trao đổi các thông tin điều khiển để quản lý GTP bằng cách sử dụng GTP-c truyền trên UDP/IP. Để thiết lập và quản lý một phiên số liệu gói, SGSN và MS sử dụng giao thức quản lý phiên (SM: Session Management). Để quản lý di động cho MS, SGSN và MS sử dụng giao thức quản lý di động GPRS (GMM: GPRS Mobility Management). GMM định nghĩa các thủ tục để đăng ký và nhận thực MS trong mạng GPRS khách. Như vậy các lớp cao có giao thức quản lý phiên và quản lý tính di động GPRS (GMM/SM: GPRS Mobility Management/ Session Management) thay cho SNDCP. Đây là giao thức được sử dụng cho cập nhật vùng định tuyến, các chức năng an ninh (nhận thực chẳng hạn), thiết lập, thay đổi và thôi tích cực phiên (PDP Context). LLC đảm bảo liên kết logic được mật mã hoá tin cậy trên đường vô tuyến cho mặt phẳng báo hiệu. SGSN và BSS sử dụng BSSGP để quản lý kết nối báo hiệu giữa chúng. BSSGP được sử dụng để chuyển thông tin định tuyến và QoS (Quality of Service) giữa BSS và SGSN. RLC được sử dụng trên giao diện vô tuyến để đảm bảo đường truyền tin cập tuỳ theo môi trường vô tuyến. Lớp MAC điều khiển các thủ tục báo hiệu truy


148

3.14. TỔNG KẾT

Chương này trước xét các giao diện vô tuyến của GSM. Các kênh logic và các kênh vật lý đựơc trình bày. Sau đó giao diện vô tuyến của GPRS được xét. Nếu kênh vật lý trong giao diện vô tuyến của GSM chỉ sử dụng một khe thời gian và dựa trên cơ chế chuyển mạch kênh, thì kênh vật lý trong giao diện vô tuyến của GPRS sử dụng nhiều khe thời gian kết hợp và dựa trên cơ chế chuyển mạch gói vì thế nó cho dung lượng truyền dẫn cao hơn. Tiếp theo điều khiển tài nguyên vô tuyến được xem xét. Các vấn đề như đo, chuyển giao và nhẩy tần được trình bày. Sau các phần này các vấn đề truyền dẫn trong GSM và trong GPRS được nghiên cứu. Trong các phần này vấn đề truyền tiếng và số liệu được trình bày. GSM sử dụng truyền tiếng theo modem vì thế cần các biến đổi để thích ứng tốc độ (RA: Rate Adptation). Sau đó các sơ đồ truyền dẫn số liệu qua mạng GSM/GPRS được trình bày. Nhiều sơ đồ đảm bảo các dịch vụ số liệu quan trọng như SMS, kết nối internet được xem xét trong các phần này. Tiếp theo các trường hợp định tuyến lưu lượng quan trọng như: cập nhật vị trí, chuyển mạng và chuyển giao được nghiên cứu. Tiếp sau một vấn đề rất quan trong trong các mạng thông tin di động: vấn đề an ninh trong mạng di động đựơc trình bày. Cuối cùng các kiến trúc giao thức của GSM và GPRS được trình bày tóm tắt. 3.15. CÂU HỎI


149

1. Trình bày các kênh logic của GSM 2. Trình bày các kênh vật lý của GSM 3. Trình bày sử dụng các kênh logic của GSM cho báo hiệu thiết lập cuộc gọi vào 4. Trình bày giao diện vô tuyến của GPRS 5. Trình bày sử dụng các kênh logic của GPRS để thiết lập kênh gói cho truyền gói từ MS 6. Trình bày đo và chuyển giao trên giao diện vô tuyến 7. Trình bày phương pháp nhảy tần trong GSM 8. Trình bày khái niệm dịch vụ kênh mang và dịch vụ xa 9. Trình bày cấu trúc trạm di động 10. Trình bày mô hình truyền dẫn trong GSM 11. Vai trò của TRAU và các vị trí đặt TRAU 12. Trình bày truyền dẫn tiếng từ BTS đến TRAU 13. Trình bày mô hình truyền dẫn số liệu trong GSM 14. Trình bày quá trình thích ứng tốc độ (RA) 15. Trình bày giao thức chuyển tiếp lớp 2 (L2R) 16. Trình bày truy nhập cơ sở từ GSM đến mạng số liệu 17. Trình bày truy nhập cơ sở từ GSM đến mạng số liệu qua mạng quá giang 18. Trình bày truy nhập từ GSM đến mạng số liệu bằng mạng riêng 19. Trình bày truyền dẫn FAX qua mạng GSM 20. Trình bày kết nối internet qua mạng GSM 21. Trình bày SMS điểm đến điểm 22. Trình bày SMS quảng bá ô 23. Trình bày sơ đồ truyền số liệu qua GPRS 24. Trình bày cập nhật vị trí 25. Trình bày chuyển mạng quốc tế 26. Trình bày quá trình định tuyến cho cuộc gọi đến MS 27. Trình bày các sơ đồ định tuyến cho chuyển giao 28. Trình bày mô hình an ninh của GSM. 29. Trình bày kiến trúc giao thức báo hiệu của GSM 30. Trình bày kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng của GPRS 31. Trình bày kiến trúc giao thức mặt phẳng điều khiển của GPRS

Chương 4. Giao diện vô tuyến của WCDMA UMTS và HSDA

Chương 4

GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS VÀ HSDA 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG 4.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương

• Kiến trúc giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD • Các kênh của WCDMA/FDD • Sơ đồ kênh vật lý WCDMA/FDD • Sơ đồ trải phổ định kênh, ngẫu nhiên hóa và điều chế • Cấu trúc khung DPCH • Điều khiển tài nguyên vô tuyến và các thủ tục lớp vật lý • Truy nhập gói tốc độ cao (HSDA) • Các kỹ thuật phân tập phát




• Hiểu giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD • Hiểu được sơ đồ kênh vật lý • Hiểu được cấu trúc khung kênh DPCH • Hiểu được điều khiển tài nguyên vô tuyến và các thủ tục lớp vật lý • Hiểu được giao diện vô tuyến HSDA • Hiểu được các kỹ thuât phân tập phát

4.2. MỞ ĐẦU WCDMA UMTS là một trong các tiêu chuẩn của IMT-2000 nhằm phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ ba. WCDMA UMTS sử dụng mạng đa truy nhập vô tuyến trên cơ sở W-CDMA và mạng lõi được phát triển từ GSM/GPRS. W-CDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex). Cả hai giao diện này đều sử dụng trải phổ chuỗi

150


trực tiếp (DS-CDMA). Giải pháp thứ nhất sẽ được triển khai rộng rãi còn giải pháp thứ hai chủ yếu sẽ được triển khai cho các ô nhỏ (Micro và Pico). Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190 MHz: đường lên có băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz, đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 Mhz. Mặc dù 5 MHz là độ rộng băng danh định, ta cũng có thể chọn độ rộng băng từ 4,4 MHz đến 5 MHz với nấc tăng là 200 KHz. Việc chọn độ rộng băng đúng đắn cho phép ta tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác. Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và từ 2010 MHz đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần. Giao diện vô tuyến của W-CDMA hoàn toàn khác với GSM và GPRS, W-CDMA sử dung phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps. Trong WCDMA mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vô tuyến của GSM. Vì thế khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế. Một số nhà sản xuất cũng đã có kế hoạch nâng cấp các GSM BTS cho WCDMA. Đối với các nhà sản suất này có thể chỉ tháo ra một số bộ thu phát GSM từ BTS và thay vào đó các bộ thu phát mới cho WCDMA. Một số rất ít nhà sản suất còn lập kế hoạch xa hơn. Họ chế tạo các BSC đồng thời cho cả GSM và WCDMA. Tuy nhiên đa phần các nhà sản suất phải thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA. W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM, GPRS hiện có cho mạng của mình. Các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng cấp từ mạng hiện có để hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM. Giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD được xây dựng trên ba kiểu kênh: kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý. Kênh logic được hình thành trên cơ sở đóng gói các thông tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh truyền tải. Nhiều kênh truyền tải được ghép chúng vào kênh vật lý.. Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập CDMA kết hợp với FDMA/FDD. Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và một mã trải phổ. Ngoài ra kênh vật lý đường lên còn được đặc trưng bởi góc pha. Trong phần dưới đây ta trước hết ta xét kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến sau đó ta sẽ xét giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD, sau đó sẽ xét các kênh này. 4.3. KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN WCDMA/FDD Kiến trúc giao diện vô tuyến của WCDMA được cho trên hình 4.1.

151


/

§/k

hiÓn

§iÒu khiÓn

L2/BMC (§iÒu khiÓn qu¶ngb¸/®a ph−¬ng)

§/k

hiÓn

§/k

hiÓn

C¸c kªnh logic

C¸c kªnh truyÒn t¶i

MÆt ®iÒu khiÓn C MÆt ng−êi sö dông U ¼

PHY

L2/MAC

L1

RLC L2/RLC ((§iÒu khiÓn ®o¹n VT)

MAC

RLC RLC

RLC RLC

RLC RLC

RLC

BMC

Líp 3-RRC (§iÒu khiÓn tµi nguyªn VT)

PDCPPDCP

L2/PDCP (Giao thøc héi tô sè liÖu gãi)

Hình 4.1. Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến WCDMA Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức: • Lớp vật lý (L1) • Lớp đoạn nối số liệu (L2) • Lớp mạng (L3)

Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) và RLC (Radio link Control: điều khiển liên kết), PDCP (Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC (Broadcast/Multicast Control: Điều khiển quảng bá/đa phương ). Lớp 3 và RLC đựơc chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C) và mặt phẳng người sử dụng (U). PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U. Trong mặt phẳng C lớp 3 được chia thành các lớp con: “tránh lặp" (TBD) nằm ở tầng truy nhập nhưng kết cuối ở mạng lõi (CN: Core Network) và lớp RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến). Báo hiệu ở các lớp cao hơn: MM (Mobility Management) và CC (Connection Management) được coi là ở tầng không truy nhập. Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến. Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. Mỗi kênh vật lý ở lớp này được xác định bằng một tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên hoá (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên). Các kênh

152


được sử dụng vật lý để truyền thông tin cuả các lớp cao trên giao diện vô tuyến, tuy nhiên cũng có một số kênh vật lý chỉ được dành cho hoạt động của lớp vật lý. Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải chuyển các thông tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic. MAC sắp xếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý. 4.4. CÁC KÊNH CỦA WCDMA 4.4.1. Các kênh logic

Nói chung các kênh logic được chia thành hai nhóm: các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thông tin điều khiển và các kênh lưu lượng (Traffic Channel) để truyền thông tin của người sử dụng. Các kênh logic và ứng dụng của chúng được tổng kết trong bảng 4.1.

Bảng 4.1. Danh sách các kênh logic

Nhóm kênh Kênh logic ứng dụng BCCH (Broadcast Control Channel: Kênh điều khiển quảng bá)

Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin hệ thống

PCCH (Paging Control Channel: Kênh điều khiển tìm gọi)

Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin tìm gọi

CCCH (Common Control Channel: Kênh điều khiển chung)

Kênh hai chiều để phát thông tin điều khiển giữa mạng và các UE. Được sử dụng khi không có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ô mới

CCH (Control Channel: Kênh điều khiển)

DCCH (Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển riêng).

Kênh hai chiều điểm đến điểm để phát thông tin điều khiển riêng giữa UE và mạng. Được thiết lập bởi tiết lập kết nối của RRC

TCH (Traffic Channel: Kênh lưu lượng)

DTCH (Dedicated Traffic Channel: Kênh lưu lượng riêng)

Kênh hai chiều điểm đến điểm riêng cho một UE để truyền thông tin của người sử dụng. DTCH có thể tồn tại cả ở đường lên lẫn đường xuống

CTCH (Common Traffic Channel: Kênh lưu lượng chung)

Kênh một chiều điểm đa điểm để truyền thông tin của một người sử dụng cho tất cả hay một nhóm người

153


sử dụng quy định hoặc chỉ cho một người sử dụng. Kênh này chỉ có ở đường xuống.

4.4.2. Các kênh truyền tải

Các kênh lôgic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải. Tồn tại hai kiểu kênh truyền tải: các kênh riêng và các kênh chung. Điểm khác nhau giữa chúng là: kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm các người sử dụng trong ô, còn kênh kênh riêng được ấn định riêng cho một ngừơi sử dụng duy nhất. Các kênh truyền tải chung bao gồm: BCH (Broadcast channel: Kênh quảng bá), FACH (Fast Access Channel: Kênh truy nhập nhanh), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), DSCH (Down Link Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống), CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung). Kênh riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng). Kênh truyền tải chung có thể được áp dụng cho tất cả các người sử dụng trong ô hoặc cho một người hoặc nhiều người đặc thù. Khi kênh truyền tải chung được sử dụng để phát thông tin cho tất cả các ngừơi sử dụng thì kênh này không cần có địa chỉ. Chẳng hạn kênh BCH để phát thông tin quảng bá cho tất cả các người sử dụng trong ô. Khi kênh truyền tải chung áp dụng cho một người sử dụng đặc thù, thì cần phát nhận dạng người sử dụng trong băng (trong bản tin sẽ được phát). Kênh PCH là kênh truyền tải chung được sử dụng để tìm gọi một UE đặc thù sẽ chứa thông tin nhận dạng người sử dụng bên trong bản tin phát. Mỗi kênh truyền tải đều đi kèm với một chỉ thị khuôn dạng truyền tải (TFI: Transport Format Indicator) tại mọi thời điểm mà các kênh truyền tải sẽ nhận được số liệu từ các mức cao hơn. Lớp vật lý kết hợp thông tin TFI từ các kênh truyền tải khác nhau vào chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI= Transport Format Combination Indicator). TFCI được phát trên kênh điều khiển để thông báo cho máy thu rằng kênh nào đang tích cực ở khung hiện thời. Thông báo này không cần thiết khi sử dụng cơ chế phát hiện khuôn dạng kênh truyền tải mù (DTFD= Blind Transport Format Detection) được thực hiện bằng kết nối với các kênh riêng đường xuống. Máy thu giải mã TFCI để nhận được các TFI. Sau đó các TFI này đựơc chuyển đến các lớp cao hơn cho các kênh truyền tải tích cực ở kết nối. Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng dược cho ở bảng 4.2. Bảng 4.2. Danh sách các kênh truyền tải

Kênh vật lý ứng dụng DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng)

Kênh hai chiều được sử dụng để phát số liệu của người sử dụng. Được ấn định riêng cho người sử dụng. Có khả năng thay đổi tốc độ và điều khiển công suất nhanh

154


BCH (Broadcast Channel: Kênh quảng bá)

Kênh chung đường xuống để phát thông tin quảng bá (chẳng hạn thông tin hệ thống, thông tin ô)

FACH (Forward Access Channel: Kênh truy nhập đường xuống)

Kênh chung đường xuống để phát thông tin điều khiển và số liệu của người sử dụng. Kênh chia sẻ chung cho nhiều UE. Được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn

PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi)

Kênh chung dường xuống để phát các tín hiệu tìm gọi

RACH (Random Access Channel)

Kênh chung đường lên để phát thông tun điều khiển và số liệu người sử dụng. áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng để truyền số liệu thấp cuả người sử dụng

CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung)

Kênh chung đường lên để phát số liệu người sử dụng. áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng trước hết để truyền số liệu cụm.

DSCH (Dowlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống)

Kênh chung đường xuống để phát số liệu gói. Chia sẻ cho nhiều UE. Sử dụng trước hết cho truyền dẫn số liệu tốc độ cao.

Các kênh logic được sắp xếp lên các kênh truyền tải như cho trên hình 4.2.

Hình 4.2. Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 4.4.3. Các kênh vật lý

Một kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cả pha tương đối (đối với đường lên). Kênh vật lý (Physical Channel) bao gồm các kênh vật lý riêng (DPCH: Dedicated Physical channel) và kênh vật lý chung (CPCH: Common Physical Channel). Các kênh vật lý được tổng kết ở hình 4.3 và bảng 4.3. . 155


Hình 4.3. Tổng kết các kiểu kênh vật lý Bảng 4.3. Danh sách các kênh vật lý

Tên kênh ứng dụng DPCH (Dedicated Physical Channel: Kênh vật lý riêng)

Kênh hai chiều đường xuống/đường lên được ấn định riêng cho UE. Gồm DPDCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng). Trên đường xuống DPDCH và DPCCH được ghép theo thời gian còn trên đường lên được ghép theo pha kênh I và pha kênh Q sau điều chế BPSK

DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: Kênh vật lý số liệu riêng

Khi sử dụng DPCH, mỗi UE được ấn định ít nhất một DPDCH. Kênh được sử dụng để phát số liệu người sử dụng từ lớp cao hơn

DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng)

Khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ được ấn định một DPCCH. Kênh được sử dụng để điều khiển lớp vật lý của DPCH. DPCCH là kênh đi kèm với DPDCH chứa: các ký hiệu hoa tiêu, các ký hiệu điều khiển công suất(TPC: Transmission Power Control), chỉ thị kết hợp khuân dạng truyền tải. Các ký hiệu hoa tiêu cho phép máy thu đánh giá hưởng ứng xung kim cảu kênh vô tuyến và thực hiện tách sóng nhất quán. Các ký hiệu này cũng cần cho hoạt động của anten thích ứng (hay anten thông minh) có búp sóng hẹp. TPC để điều khiển công suất vòng kín nhanh cho cả đường lên và đường xuống. TFCI thông tin cho máy thu về các thông số tức thời của các kênh truyền tải: các tốc độ số liệu hiện thời trên các kênh số liệu khi nhiều

156


dịch vụ được sử dụng đồng thời. Ngoài ra TFCI có thể bị bỏ qua nếu tốc dộ số liệu cố định. Kênh cũng chứa thông tin hồi tiếp hồi tiếp (FBI: Feeback Information) ở đường lên để đảm bảo vòng hồi tiếp cho phân tập phát và phân tập chọn lựa.

PRACH (Physical Random Access Channel: Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên)``

Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải RACH

PCPCH (Physical Common Packet Channel: Kênh vật lý gói chung)

Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải CPCH

CPICH (Common Pilot Channel: Kênh hoa tiêu chung)

Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh CPICH: P-CPICH (Primary CPICH: CPICH sơ cấp) và S-CPICH (Secondary CPICH: CPICH thứ cấp). P-CPICH đảm bảo tham chuẩn nhất quán cho toàn bộ ô để UE thu được SCH, P-CCPCH, AICH và PICHvì các kênh nay không có hoa tiêu riêng như ở các trường hợp kênh DPCH. Kênh S-CPICH đảm bảo tham khảo nhất quán chung trong một phần ô hoặc đoạn ô cho trường hợp sử dụng anten thông minh có búp sóng hẹp. Chẳng hạn có thể sử dụng S-CPICH làm tham chuẩn cho S-CCPCH (kênh mang các bản tin tìm gọi) và các kênh DPCH đường xuống.

P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp)

Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có một kênh để truyền BCH

S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp)

Kênh chung đường xuống. Một ô có thể có một hay nhiệu S-CCPCH. Được sử dụng để truyền PCH và FACH

SCH (Synchrronization Channel: Kênh đồng bộ)

Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh SCH: SCH sơ cấp và SCH thứ cấp. Mỗi ô chỉ có một SCH sơ cấp và thứ cấp. Được sử dụng để tìm ô

PDSCH (Physical Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có nhiều PDSCH (hoặc

157


Downlink Shared Channel: Kênh vật lý chia sẻ đường xuống)

không có) . Được sử dụng để mang kênh truyền tải DSCH

AICH (Acquisition Indication Channel: Kênh chỉ thị bắt)

Kênh chung đường xuống đi cặp với PRACH. Được sử dụng để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên của PRACH.

PICH (Page Indi cation Channel: Kênh chỉ thị tìm gọi)

Kênh chung đường xuống đi cặp với S-CCPCH (khi kênh này mang PCH) để phát thông tin kết cuối cuộc gọi cho từng nhóm cuộc gọi kết cuối. Khi nhận được thông báo này, UE thuộc nhóm kết cuối cuộc gọi thứ n sẽ thu khung vô tuyến trên S-CCPCH

AP-AICH (Access Preamble Acquisition Indicator Channel: Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập)

Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên cho PCPCH

CD/CA-ICH (CPCH Collision Detection/ Channel Assignment Indicator Channel: Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh)

Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH. Được sử dụng để điều khiển va chạm PCPCH

CSICH (CPCH Status Indicator Channel: Kênh chỉ thị trạng thái CPCH)

Kênh chung đường xuống liên kết với AP-AICH để phát thông tin về trạng thái kết nối của PCPCH

Các các kênh truyền tải đựơc sắp xếp lên các kênh vật lý như trên hình 4.4.

158


Hình 4.4. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý Hình 4.5 cho thấy việc ghép hai kênh truyền tải lên một kênh vật lý và cung cấp chỉ thị lỗi cho từng khối truyền tải tại phía thu.

KhèitruyÒn t¶i

KhèitruyÒn t¶iTFI

KhèitruyÒn t¶i

KhèitruyÒn t¶iTFI

Kªnh truyÒn t¶i 1 Kªnh truyÒn t¶i 2

Khèi truyÒn t¶ivµ chØ thÞ lçi

Khèi truyÒn t¶ivµ chØ thÞ lçiTFI

Khèi truyÒn t¶ivµ chØ thÞ lçi

Khèi truyÒn t¶ivµ chØ thÞ lçiTFI

TFCIM· ho¸ vµ ghÐp

kªnh Gi¶i TFCIGi¶i m· vµ gi¶i

ghÐp kªnh

Kªnh ®iÒu khiÓn vËt lý

Kªnh sè liÖuvËt lý

Kªnh ®iÒu khiÓn vËt lý

Kªnh sè liÖuvËt lý

M¸y ph¸t M¸y thu

Líp cao

Líp vËt lý

Ký hiệu:

• TFI= Transport Format Indicator: Chỉ thị khuôn dạng truyền tải • TFCI= Transport Format Combination Indicator: Chỉ thị kết hợp khuôn dạng

truyền tả Hình 4.5. Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý

159


4.4.4. Báo hiệu thiết lập cuộc gọi sử dụng các kênh logic và truyền tải Hình 4.6 cho thấy báo hiệu thiết lập lập cuộc gọi sử dụng kênh logic và kênh truyền tải. Đầu tiên UE sử dụng kênh logic CCCH truyền trên kênh truyền tải RACH để yêu cầu đường truyền báo hiệu (RRC). RNC trả lời bằng kênh logic CCCH trên kênh truyền tải FACH. SAu khi có kết nối RRC, UE sẽ trao đổi báo hiệu với RNC qua kênh logic DCCH trên kênh truyền tải DCH. Sau khi nhận đựơc lệnh "truyền trực tiếp" từ UE, RNC phát lệnh yêu cầu dịch vụ CM (Conection Management: quản lý kết nối) trên giao thức RANAP (Radio Access Application Part: phần ứng dụng truy nhập mạng vô tuyến) để khởi đầu báo hiệu thiết lập kênh mang lưu lượng Tùy thuộc vào yêu cầu của UE lệnh báo hiệu này có thể được chuyển đến MSC hoặc SGSN (trong trường hợp xét là MSC). Sau khi thực hiện các thủ tục an ninh, các thủ tục thiết lập kênh mang được thực hiện.

160


MSC/VLRCCCH(RACH): RRC Connection

Request(Yªu cÇu kÕt nèi RRC)CCCH(FACH): RRC Connection

Setup(ThiÕt lËp kÕt nèi RRC)

UE RNC

DCCH(DCH): RRC Connection Complete

(KÕt nèi RRC ®· hoµn thµnh)DCCH (DCH):Initial Direct Transfer

(TruyÒn trùc tiÕp khëi ®Çu)

DCCH (DCH): Direct Transfer (Authentication Request)

(TruyÒn trùc tiÕp (Yªu cÇu nhËn thùc))DCCH(DCH): Direct Transfer (Authentication Response)

(TruyÒn trùc tiÕp (tr¶ lêi nhËn thùc)

DCCH(DCH): Security Mode Command(LÖnh chÕ ®é an ninh)

DCCH(DCH): Security Mode Commplete

(ChÕ ®é an ninh ®· hoµn thµnh)

DCCH(DCH): Direct Transfer (Call Proceeding)

(TruyÒn trùc tiÕp (TiÕp tôc cuéc gäi))

DCCH(DCH): Direct Transfer (Setup)

(TruyÒn trùc tiÕp (thiÕt lËp))

DCCH(DCH): Radio Bearer Setup or Reconfiguration

(ThiÕt lËp vËt mang hay lËp l¹i cÊu h×nh)DCCH: Radio Bearer Setup or Reconfiguration Complete

( VËt mang v« tuyÕn ®· ®îc thiÕt lËp hay lËp l¹i cÊu h×nh ®· hoµn thµnh )

DCCH(DCH): Direct Transfer (Alerting)

(TruyÒn trùc tiÕp (b¸o chu«ng))DCCH(DCH) : Direct Transfer (Connect)

(TruyÒn trùc trùc tiÕp (KÕt nèi))DCCH(DCH): Direct Transfer (Connect

Acknowledge)(TruyÒn trùc tiÕp (C«ng nhËn kÕt nèi)

RANAP: Initial UE Message (CM Service Request)

(B¶n tin UE khëi ®Çu (Yªu cÇu dÞch vô CM))RANAP: Direct Transfer (Authentication Request)

(TruyÒn trùc tiÕp (Yªu cÇu nhËn thùc))

RANAP: Direct Transfer (Authentication Response)

(TruyÒn trùc tiÕp (Tr¶ lêi nhËn thùc))RANAP: Security Mode Command

(LÖnh chÕ ®é an ninh)

RANAP: Security Mode Commplete

(Hoµn thµnh chÕ ®é an ninh)

RANAP: Direct Transfer (Setup)

(TruyÒn trùc tiÕp (ThiÕt lËp))

RANAP: Direct Transfer (Call Proceeding)

(TruyÒn trùc tiÕp (TiÕp tôc cuéc gäi))RANAP: RAB Assignment Request

(Yªu cÇu Ên ®Þnh RAB)

RANAP: RAB Assignment Complete

(Hoµn thµnhÊn ®Þnh RAB)RANAP: Direct Transfer (Alerting)

(TruyÒn trùc tiÕp (b¸o chu«ng))RANAP: Direct Transfer (Connect)

(TruyÒn trùc tiÕp (KÕt nèi))

RANAP: Direct Transfer (Connect Acknowledge)

(TruyÒn trùc tiÕp (C«ng nhËn kÕt nèi))Hình 4.6. Báo hiệu thiết lập cuộc gọi. 4.5. SƠ ĐỒ KÊNH VẬT LÝ WCDMA/FDD 4.5.1. Các thông số kênh vật lý Bảng 4.4 tổng kết các thông số kênh vật lý của giao diện vô tuyến WCDMA/FDD.

161


Bảng 4.4. Các thông số kênh vật lý của giao diện vô tuyến WCDMA. Sơ đồ đa truy nhập DS-CDMA băng rộng Băng thông (MHz) 5/10/15/20 Tốc độ chip (Mcps) (1,28)/3,84/7,68/11,52/15,36 Độ dài khung 10 ms Mã hóa sửa lỗi Mã turbo, mã xoắn Đồng bộ giữa các BTS Dị bộ/đồng bộ Điều chế ĐX/ĐL QPSK/BPSK Trải phổ ĐX/ĐL QPSK/OCQPSK (HPSK) Vocoder CS-ACELP/(AMR) OCQPSK (HPSK): Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying (Hybrid PSK) : khoá chuyển pha vuông góc phức trực giao CS-ACELP: Conjugate Structure-Algebraic Code Excited Linear Prediction : Dự báo tuyến tính kích thích theo mã đại số- cấu trúc phức hợp AMR: Adaptive Multirate: đa tốc độ thích ứng 4.5.2. Phân bố tần số Các băng tần sử dụng cho WCDMA trên toàn cầu được cho trên hình 7.7a. WCDMA sử dụng phân bố tần số quy định cho IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) (hình 4.7b) như sau. Ở châu Âu và hầu hết các nước châu Á băng tần IMT-2000 là 2×60 MHz (1920-1980 MHz cộng với 2110-2170 MHz) có thể sử dụng cho WCDMA FDD. Băng tần sử dụng cho TDD ở châu Âu thay đổi, băng tần được cấp theo giấy phép có thể là 25 MHz cho sử dụng TDD ở 1900-1920 và 2020-2025 MHz. Băng tần cho các ứng dụng TDD không cần xin phép (SPA= Self Provided Application: ứng dụng tự cấp) có thể là 2010-2020 MHz. Các hệ thống FDD sử dụng các băng tần khác nhau cho đường lên và đường xuống với phân cách là khoảng cách song công, còn các hệ thống TDD sử dụng cùng tần số cho cả đường lên và đường xuống.

162


Băng VII

Băng I

Băng II

Băng IV

Băng III

Băng IX

Băng VIII

Băng V

Băng VI

Băng công tác Tên Tổng phổ

Đường lên[MHx]

Đường xuống[MHz]

Băng 3G mới

Băng IMT2000 (Băng WCDMA chủ đạo)

Băng PCS tại Mỹ và châu Mỹ La tinh

Băng 3G mới tại Mỹ và châu Mỹ Latinh

Châu Âu, châu Á và Brazil

Nhật

Châu Âu và châu Á

USA, châu Mỹ và châu Á

Nhật

IMT-2000 MSS IMT-2000 MSS

1885 1980 2010 2025 2110 2170 2200f, MHz

IMT-2000: International Mobile Telecommunications-2000; MSS: Mobile Sattelite Service: dịch vụ thông tin di động vệ tinh

Tần phổ cho IMT-2000 Tần phổ cho MSS

a) Các băng tần có thể sử dụng cho WCDMA toàn cầu

b) Băng IMT-2000

Hình 4.7. Phân bố tần số cho WCDMA. a) Các băng có thể dùng cho WCDMA toan cầu; b) Băng tần IMT-2000. 4.5.3. Sơ đồ tổng quát máy phát và máy thu Hình 4.8 cho thấy sơ đồ khối của máy phát vô tuyến (4.5a) và máy thu vô tuyến (4.5b) trong W-CDMA. Lớp 1 (lớp vật lý) bổ sung CRC cho từng khối truyền tải (TB: Transport Block) là đơn vị số liệu gốc cần xử lý nhận được từ lớp MAC để phát hiện lỗi ở phía thu. Sau đó số liệu được mã hoá kênh và đan xen. Số liệu sau đan xen được bổ sung thêm các bit hoa tiêu và các bit điều khiển công suất phát (TPC: Transmit Power Control)), được sắp xếp lên các nhánh I và Q của QPSK và được trải phổ hai lớp (trải phổ và ngẫu nhiên hoá). Chuỗi chip sau ngẫu nhiên hoá được giới hạn trong băng tần 5 MHz bằng bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai (hệ số dốc bằng 0,22) và được biến đổi vào tương tự bằng bộ biến đổi số vào tương tự (D/A) để đưa lên điều chế vuông góc cho sóng mang. Tín hiệu trung tần (IF) sau điều chế được biến đổi nâng tần vào sóng vô tuyến (RF) trong băng tần 2 GHz, sau đó được đưa lên khuyếch đại trước khi chuyển đến anten để phát vào không gian. Tại phía thu, tín hiệu thu được bộ khuyếch đại đại tạp âm thấp (LNA) khuyếch đại, được biến đổi vào trung tần (IF) thu rồi được khuyếch đại tuyến tính bởi bộ khuyếch đại AGC (tự điều khuyếch). Sau khuyếch dại AGC tín hiệu được giải điều chế để được các thành phần I và Q. Các tín hiệu tương tự cuả các thành phần này được biến đổi vào số tại bộ biến đổi A/D, được lọc bởi bộ lọc Nyquist cosine tăng căn hai và

163


được phân chia theo thời gian vào một số thành phần đừơng truyền có các thời gian trễ truyền sóng khác nhau. Máy thu RAKE chọnh các thành phần lớn hơn một ngưỡng cho trước). Sau giải trải phổ cho các thành phần này, chúng được kết hợp bởi bộ kết hợp máy thu RAKE, tín hiệu tổng được giải đan xen, giải mã kênh (giải mã sưả lỗi), được phân kênh thành các khối truyền tải TB và được phát hiện lỗi. Cuối cùng chúng được đưa đến lớp cao hơn.

Céng CRC

Ph©n ®o¹n khèi m·

M· ho¸ kªnh

Phèi hîp tèc ®é

§an xen

Kªnh truyÒn t¶i AKªnh truyÒn t¶i B

GhÐp

C¸c bit hoa tiªu

TCP

S¾p xÕp sè liÖu (QPSK) Tr¶i phæ Bé läc Niquist

cosin t¨ng c¨n hai D/A §iÒu chÕ vu«ng gãc

BiÕn ®æi n©ng tÇn

Bé khuyÕch ®¹i ph¸t

Anten

Bé khuyÕch ®¹i t¹p ©m

thÊp

BiÕn ®æi h¹

tÇnKhuyÕch ®¹i AGC A/D

Bé läc Niquist cosin t¨ng c¨n hai

Ng©n hµng gi¶i ®iÒu

chÕ

Bé kÕt hîp RAKE nhÊt

qu¸n

§o SIRBé t¹o lÖnh TPC

Anten

Bé t×m ®-êng truyÒn

Gi¶i ®an xen Gi¶i m· kªnh

GhÐp khèi m·

Ph¸t hiÖn lçi khèi

Sè liÖu ®· kh«i phôc

Kªnh truyÒn t¶i A

Kªnh truyÒn t¶i B

Sè liÖu ph¸t

a) M¸y ph¸t

b) M¸y thu

Hình 4.8. Sơ đồ khối máy phát tuyến (a) và máy thu vô tuyến (b) 4.6. SƠ ĐỐ TRẢI PHỔ NGẪU NHIÊN HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ 4.6. 1. Sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế kênh vật lý đường xuống DPCH Sơ đồ mô tả qua trình trải phổ, ngẫu nhiên hóatổng quát kênh vật lý đường xuống DPCH ở WCDMA được cho ở hình 4.9.

164


i cC (t);R

ccos( t)ω

csin( t)− ω

D,n cS (t);R

i bb (t),R

(I)i sd (t),R

(Q)i sd (t),R

Hình 4.9. Sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế kênh vật lý đường xuống DPCH. Trước hết luồng số cần truyền bi(t) với tốc độ bit Rb được đưa qua bộ xử lý tín hiệu số để mã hoá khối tuyến tính, mã hoá xoắn hoặc turbo, đan xen và phối hợp tốc độ. Đầu ra cuả bộ xử lý tín hiệu số ta được luồng số có tốc độ bit kênh R. Thông thường tốc độ R lớn hơn Rb khoảng hai lần. Sau đó luồng số này được đưa lên bộ biến

đổi nối tiếp vào song song (S/P) để chuyển thành hai luồng độc lập và

cho nhánh I và nhánh Q với tốc độ ký hiệu Rs cho mỗi luồng. Tiếp theo hai luồng này được trải phổ bằng cùng một mã định kênh Ci(t) có tốc độ chip Rc=3,84 Mcps. Sau mã hoá định kênh và trải phổ hai luồng nhánh I và Q được đưa lên ngẫu nhiên hoá (để đơn giản ta gọi là trải phổ mức hai) bằng cách nhân phức với mã nhận dạng BTS (hay nút B theo thật ngữ của WCDMA) phức SD,n(t). Sau trải phổ mức hai, luồng phức được chia thành hai luồng: thành phần thực vào nhánh I và thành phần ảo vào nhánh Q. Hai luồng này được qua bộ tạo dạng xung và nhân với hai sóng mang trực giao: cos(ωct) ở nhánh I và -sin(ωct) ở nhánh Q rồi cộng với nhau để được tín hiệu sau điều chế QPSK: S(t).

(I)id (t) (Q)

id (t)

Tổng quát ta có thể biểu diễn tín hiệu S(t) dạng phức sau điều chế QPSK như sau: S(t)= di(t).Ci(t).SD,n(t)ejωct (4.1) trong đó di(t) và SD,n(t) là các tín hiệu phức được biểu diễn như sau:

(4.2) (I) (Q)i i id (t) d (t) jd (t)= +

và

(4.3) (I) (Q)D,n D,n D,nS (t) S (t) jS (t)= +

Để tăng dung lượng kênh ta có thể sử dụng sơ đồ ghép kênh đa mã như cho ở hình 4.10.

165


S/P

S/P

S/P

∑

∑j

I

Q

I+jQ

D,nS

1,chC

2,chC

N,chC

Ch1

Ch2

ChN

Đến điều chế QPSK

Hình 4.10. Truyền dẫn đa mã cho đường xuống 4.6.2. Sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế kênh vật lý DPCH đường lên

Sơ đồ kênh mô tả trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế kênh vật lý đường lên DPCH ở WCDMA được cho ở hình 4.11.

M· ®Þnh

M· ®Þnh

M· ®Þnh

I

j

I+jQ

Q

M· ®Þnh

Ngãu nhiên hóa bằng mã nhận dạng UE

T¹o d¹ ng xung

S(t)

Phâ

n ch

ia p

hần

thự

c v

à phần

ảo

Tạo dạng xung

Tạo dạng xung

ccos tω

csin t− ω

∑

∑ {

Điều chế BPSK

I

Q

U,nS (t)

Luồng 1

Luồng 2

Luồng k

Luồng k+1

Luồng k+2

Luồng m

Trải phổ bằng mã định kênh

Hình 4.11. Sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế kênh vật lý đường lên

Trước hết luồng số i cần truyền bi(t) với tốc độ bit Rb được đưa qua bộ xử lý tín hiệu số (không có trên hình vẽ) để mã hoá khối tuyến tính, mã hoá xoắn hoặc turbo, đan xen và phối hợp tốc độ. Đầu ra cuả bộ xử lý tín hiệu số ta được luồng số có tốc độ bit kênh R. Thông thường tốc độ R lớn hơn Rb khoảng hai lần. Vì sơ đồ sử dụng điều chế BPSK nên tốc độ bit kênh cũng bằng tốc độ ký hiệu: Rs=R. Tiếp theo luồng này

166


được trải phổ bằng cùng một mã định kênh Ci(t) có tốc độ chip Rc=3,84 Mcps. Sau đó các luồng được cộng tuyến tính với nhau ở nhánh I và nhánh Q. Sau đó hai luồng nhánh I và Q được đưa lên ngẫu nhiên hoá (để đơn giản ta gọi là trải phổ mức hai) bằng cách nhân phức với mã nhận dạng BTS (hay nút B theo thuật ngữ của WCDMA) phức bởi mã dài đường lên SU,n(t). Sau trải phổ mức hai, luồng phức được chia thành hai luồng: thành phần thực vào nhánh I và thành phần ảo vào nhánh Q. Hai luồng này được qua bộ tạo dạng xung và nhân với hai sóng mang trực giao: cos(ωct) ở nhánh I và -sin(ωct) ở nhánh Q để điều chế BPSK rồi cộng với nhau để được tín hiệu : S(t). Tổng quát ta có thể biểu diễn tín hiệu S(t) ở dạng phức như sau:

(4.4) cj tS(t) (I jQ)e ω= +Trong đó

k mi i i i U,n

i i kI Re d (t)C (t) j d (t)C (t) S (t)

= = +

⎡ ⎤⎛ ⎞= + ×⎢ ⎥⎜

⎝ ⎠⎣ ⎦∑ ∑

1 1⎟

⎟

(4.5)

k mi i i i U,n

i i kQ Im d (t)C (t) j d (t)C (t) S (t)

= = +

⎡ ⎤⎛ ⎞= + ×⎢ ⎥⎜

⎝ ⎠⎣ ⎦∑ ∑

1 1 (4.6)

(I) (Q)U,n U,n U,nS (t) S (t) jS= + (4.7)

k<m, trên hình vẽ k, m được chọn tùy theo tốc độ các luồng số kênh vật lý và

kênh m luôn là kênh DPCCH. m-1 kênh còn lại được dành cho kênh DPDCH Quá trình ghép chung kênh I và Q ở bộ cộng phức được gọi là ghép mã I/Q. Về

mặt lý thuyết ta có thể đưa riêng hai nhánh I và Q lên ngẫu nhiên hóa rổi điều chế BPSK bằng hai sóng mang trực giao cosωct và sinωct. Tuy nhiên việc ghép mã I/Q cho phép tránh được âm thanh gây ra do gián đoạn kênh DPDCH (như trường hợp nhiễu tần số 217Hz=1/4,615ms thường gập ở GSM).

Các mã trải phổ phức được tạo ra sao cho góc quay giữa hai chip liên tiếp trong một ký hiệu giới hạn ở ±900 . Góc quay 1800 chỉ xẩy ra giữa hai ký hiệu liên tiếp. Phương pháp này giảm tỷ số giữa giá trị đỉnh và trung bình của tín hiệu truyền và cho phép giá trị đường bao của tín hiệu giống như truyền dẫn QPSK thông thường đối với mọi tỷ số G giữa tín hiệu kênh DPDCH và DPCCH (xem hình vẽ 4.12). Nhờ vậy đạt được độ lùi đầu ra bộ khuyếch đại giống như trường hợp đối với một tín hiệu QPSK.

167


Hình 4.12. Các chùm tín hiệu trước và sau ngẫu nhiên hóa phức

4.6.3. Sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống

Sơ đồ trải phổ và ngẫu nhiên hóa chung cho tất cả các kênh vật lý đường xuống được cho trên hình 4.13. Sau khi ngẫu nhiên hóa các kênh vật lý đường xuống trừ các kênh SCH được đánh trong số bằng các hệ số khuyếch đai Gi. Các kênh P-SCH và S-SCH giá trị phức được đánh trong số riêng bằng các hệ số GP và GS. Tất cả các kênh vật lý đường xuống được kết hợp bằng cộng phức rồi sau đó được đưa lên bộ phân tách phần thực và phần ảo để điều chế QPSK.

S/P i cC (t);R

Phân chia phần thực

và ảo

j

T¹o d¹ng xung

ccos( t)ω

csin( t)− ω

D,n cS (t);RS(t)

S/P: Bộ biến đổi nối tiếp vào song song

( I)i sd (t),R

(Q)i sd (t),R

Tạo dạng xung

Tạo dạng xung

Tất cả các kênh vật lý trừ

SCH

P-SCH

S-SCHPG

SG

G1

G2

Hình 4.13. Sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế chung cho các kênh vật lý đường xuống. 4.6.4. Mã trải phổ định kênh Các mã trải phổ định kênh là các mã OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor: Hệ số trải phổ khả biến trực giao). Về căn bản đây là các mã Walsh có độ dài khác nhau để đảm bảo tính trực giao giữa các kênh thậm chí cả khi chúng hoạt động ở các tốc độ số liệu khác nhau. OVSF đựơc tính theo phương trình (4.8) và được tổ chức theo dạng hình cây như cho ở hình 4.14. Trên hình 4.14 và phương trình (4.8),

168


Cch,SF,i ký hiệu cho mã trải phổ định kên (ch: Channel)), có hệ số trải phổ SF (Spreading Factor), thứ i, trong đó SF bằng tỷ số giữa tốc độ chip (Rc) với tốc độ ký hiệu (Rs) đưa lên trải phổ: SF=Rc/Rs. Từ (4.8) đối với hệ số trải phổ SF=1, sẽ chỉ có một mã định kênh Cch,1,0=(1), nghĩa là một từ với một bit ở mức logic 1. Đối với SF=2, sẽ có hai mã Cch,2,0=(1,1) và Cch,2,1=(1,-1). Đối với SF=4 ta có bốn mã Cch,4,0=(1,1,1,1), Cch,4,1(1,1,-1,-1), Cch,4,2=(1,-1,1,-1) và Cch,4,3(1,-1,-1,1). ...

1=ch,1,0C ,

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡11

11

01

01

01

01

12

02

,,ch

,,ch

,,ch

,,ch

,,ch

,,ch

CC

CC

CC

(4.8)

( )

( )

( )

( )

( ) ( )

( ) ( )⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−

−

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

−−

−++

−++

+

+

+

+

122122

122122

1212

1212

0202

0202

11212

21212

312

212

112

012

n,n,chn,n,ch

n,n,chn,n,ch

,n,ch,n,ch

,n,ch,n,ch

,n,ch,n,ch

,n,ch,n,ch

n,n,ch

n,n,ch

,n,ch

,n,ch

,n,ch

,n,ch

CCCC

::CC

CCCC

CC

CC

:CCCC

)(C ,,ch 101 =

),(C ,,ch 1102 =

),(C ,,ch 1112 −=

),,,(C ,,ch 111104 =

),,,(C ,,ch 111114 −−=

),,,(C ,,ch 111114 −−=

),,,(C ,,ch 111114 −−=

SF=1 SF=2 SF=4 Hình 4.14. Cây mã OVSF Để sử dụng thêm một mã định kênh trong một ô ta phải tuân theo quy định sau: chưa sử dụng mã nào trên đường nối từ mã định chọn đến gốc cây và chưa có mã nào được sử dụng trong các nhánh cây ở phía trên mã định chọn.

169


4.6.5. Mã ngẫu nhiên hóa nhận dạng nguồn phát

Mã ngẫu nhiên hoá ở W-CDMA/FDD là một đoạn 38400 chip/10 ms của mã Gold có độ dài 218-1 cho đường xuống và 224 cho đường lên khi mã dài được sử dụng. Mã ngẫu nhiên hóa phổ đường lên đựơc xác định thao hai đa thức tạo mã sau: g1(x)=x25+x3+1 và g2(x)=x25+x3+x2+1, còn mã ngẫu nhiên hóa đường xuống được xác định theo hai đa thức tạo mã sau: g1(x)=x18+x7+1 và g2(x)=x18+x10+x7+ x5+1. Vì tổng số mã ngẫu nhiên khả dụng để nhận dạng nút B là 8192, nên để dễ ràng tìm ô người ta chia các mã này thành 512 tập, mỗi tập có 16 mã. 16 mã trong một tập lại gồm một mã sơ cấp và 15 mã thứ cấp. 8 tập (với 8×16 mã) họp thành một nhóm tạo nên tổng số 64 nhóm. Mỗi ô được ấn định một mã ngẫu nhiên duy nhất để nhận dạng ô (mã sơ cấp). Phân cấp mã ngẫu nhiên được cho ở hình 4.15. Tìm ô Việc tìm ô ở chế độ dị bộ khá phức tạp so với ở chế độ đồng bộ. Hệ thống W-CDMA sử dụng tìm tốc độ cao theo ba bước, nên đã giảm được thời gian UE tìm ô như sau:

1. Tìm SCH sơ cấp để thiết lập đồng bộ khe và đồng bộ ký hiệu 2. Tìm SCH thứ cấp để thiết lập đồng bộ khung và nhận dạng nhóm mã ngẫu

nhiên 3. Nhận dạng mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp để nhận dạng ô.

170


Nhãm 1

Nhãm2

Nhãm3

Nhãm62

Nhãm63

Nhãm64

TËp1

TËp2

TËp3

TËp4

TËp5

TËp6

TËp7

TËp8

M· ngÉu nhiªnho¸ thø cÊp 1

M· ngÉu nhiªnho¸ 6

M· ngÉu nhiªn ho¸s¬ cÊp














Hình 4.15. Phân cấp mã ngẫu nhiên hoá 4.7. SƠ ĐỒ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ 4.7.1. Sơ đồ ghép kênh truyền tải và xử lý tín hiệu số

Yêu cầu đối với thế hệ 3 là phải cung cấp các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao. Mã hoá kênh FEC (Forward Error Correction: Sửa lỗi trước) là một công nghệ quan trọng để đảm bảo truyền dẫn chất lượng cao. Mã hoá kênh thường được kết hợp với đan xen (Interleaving) để tăng thêm hiệu quả chống lỗi trong môi trường phađing. Ngoài ra đối với các dịch vụ đa phương tiện cần ghép các kênh truyền tải có các QoS (Quality of Service: Chất lượng dịch vụ) khác nhau lên cùng một kênh vật lý. Bộ đan xen đa tầng (MIL: Multistage Interleaver) được sử dụng để tăng hiệu suất đan xen và thích ứng với ghép kênh truyền tải. Số liệu được đưa đến khối mã hóa và ghép kênh ở dạng các tập khối truyền tải trong các khoảng TTI (10ms, 20 ms, 40 ms, 80 ms) Hình 4.16 cho thấy sơ đồ xử lý tín hiệu số ở lớp vật lý của W-CDMA.

171


G¾n CRC

Mãc nèi TrBk/ph©n ®o¹n khèim·

M· ho¸ kªnh

C©n b»ng khung v« tuyÕn

§an xen lÇn thø nhÊt(20, 40 hay 80 ms)

Ph©n ®o¹n khung v« tuyÕn

Phèi hîp tèc ®é Phèi hîptèc ®é

GhÐp TrCH

Ph©n do¹n kªnh vËt lý

§an xen lÇn hai (10 ms)

ChuyÓn ®æi vµo kªnh vËt lý

G¾n CRC

Mãc nèi TrBk/ph©n ®o¹n khèim·

M· ho¸ kªnh

Phèi hîp tèc ®é

ChÌn chØ thÞ DTX lÇn thø nhÊt

§an xen lÇn thø nhÊt(20, 40 hay 80 ms)

Ph©n ®o¹n khung v« tuyÕn

Phèi hîptèc ®é

GhÐp TrCH

ChÌn chØ thÞ DTX lÇn hai

Ph©n ®o¹n kªnh vËt lý

§an xen lÇn hai (10 ms)

ChuyÓn ®æi vµo kªnh vËt lý

PhC

H #1

PhC

H #2 P

hCH

#1

PhC

H #2

a) Kªnh ®−êng lªn b) Kªnh ®−êng xuèng

CCTrrCH

TrBk: Khèi truyÒn t¶iTrCH: Kªnh truyÒn t¶iCCTrCH: Kªnh truyÒn t¶i ®a hîpDTX: Ph¸t kh«ng liªn tôc

Hình 4.16. Sơ đồ xử lý tín hiệu số ở lớp vật lý Một UE chỉ có thể phát mỗi lần một CTrCH, nhưng có thể thu đồng thời nhiều CCTrCH trên đường xuống. Trên đường lên một TFCI thể hiện các TF hiện thời của tất cả các DCH của CCTrCH. Các RACH được sắp xếp một một lên các kênh kênh lý (các PRACH), nghĩa là không có ghép kênh lớp vật lý cho các RACH. Ngoài ra chỉ có một kênh CPCH của một tập CPCH là được sắp xếp lên một PCPCH và PCPCH này sử dụng một tập con cuả các TFC được rút ra từ TFC của tập CPCH. Một tập CPCH được đặc trưng bởi một mã ngẫu nhiên hóa đặc thù tập cho tiền tố truy nhập và phát

172


hiện xung đột và tập này được ấn định cho đầu cuối khi lập cấu hình cho truyền dẫn CPCH. Trên đường xuống quá trình sắp xếp các DCH lên các luồng số liệu số liệu kênh vật lý được thưc hiện tương tự như đường lên. Cấu hình hiện thời cuả khối mã hóa và ghép kênh được thông báo hoặc bằng TFCI cho đầu cuối hoặc không thông báo nếu sử dụng phát hiện mù (BTFD). Mỗi CCtrCH hoặc không có hoặc có một TFCI (10 ms một lần) được đặt trên cùng một kênh DPCCH trong một kết nối. Một PCH và một hoặc nhiều FACH có thể được mã hóa và ghép chung để tạo thành môt CCtrCH với một TFCI để chỉ thị các TF được sử dụng trên từng FACH và PCH được mang trên cùng một kênh S-CCPCH. PCH luôn luôn liên kết với PICH (Paging Indicator Channel: kênh chỉ thị tìm gọi), kênh này có nhiệm vụ phát động UE thu S-CCPCH chứa PCH. FACH và PCH cũng có thể được sắp xếp riêng rẽ trên kênh vật lý. BCH luôn được sắp xếp lên kênh P-CCPCH mà không ghép chung với các kênh truyền tải khác.

Các bước mã hoá và ghép kênh bao gồm: • Gắn CRC cho từng khối truyền tải • Móc nối các khối truyền tải và phân đoạn khối mã • Mã hoá kênh • Cân bằng kích cỡ khung vô tuyến • Đan xen (Hai bước) • Phân đoạn khung vô tuyến • Phối hợp tốc độ • Ghép các kênh truyền tải • Phân đoạn kênh vật lý Luồng số từ các lớp cao hơn được đưa đến khối mã hoá và ghép kênh ở dạng

các tập khối kênh truyền tải. Khoảng thời gian truyền dẫn phụ thuộc vào kênh truyền tải và nằm trong tập sau: {10 ms, 20 ms, 40 ms, 80 ms}.

Sau khi nhận được khối truyền tải từ các lớp cao hơn, thao tác đầu tiên là gắn CRC. CRC được sử dụng để kiểm tra lỗi ở phía thu. CRC có thể có bốn độ dài khác nhau: 0, 8, 16 và 24 bit. Số bit của CRC càng nhiều thì xác suất của các lỗi không bị phát hiện ở máy thu càng thấp. Lớp vật lý sẽ cung cấp khối truyền tải cho các lớp cao hơn cùng với chỉ thị lỗi từ kiểm tra CRC. Sau khi gắn CRC, các khối truyển tải hoặc được móc nối hoặc được phân đoạn cho các khối mã khác nhau. Điều này phụ thuộc vào việc các khối có lắp vừa vào các kích cỡ khối mã khác nhau đã được định nghĩa cho phương pháp mã hoá kênh hay không. Cái lợi của móc nối là hiệu quả hoạt động tốt hơn vì phần bổ sung cho các bit đuôi mã hoá ít hơn và trong một số trường hợp vì kích cỡ của khối lớn hơn. Mặt khác việc phân đoạn cho phép tránh được các khối mã quá lớn sẽ gây ra các vấn đề phức tạp. Nếu khối truyền tải cùng với CRC được gắn thêm không lắp vừa khối mã cực đại, nó sẽ được chia thành nhiều khối mã.

173


Sau khi móc nối hoặc phân đoạn, mã hoá kênh được thực hiện. Đối với một số dịch vụ hoặc một số loại bit, mã hoá kênh không đựơc áp dụng. Chẳng hạn đối với của AMR loại c các bit được phát không mã hoá. Trong trường hợp này sẽ không có giới hạn đối với kích cỡ khối mã hoá kênh vì thực tế không thực hiện mã hoá kênh ở lớp vật lý.

Chức năng của cân bằng khung là để đảm bảo rằng số liệu có thể được chia thành các khối đồng kích cỡ khi được phát ở nhiều khung 10 ms. Điều này được thực hiện bằng đệm thêm một số bit để số liệu có thể đựơc đặt vào các khối đồng kích cỡ cho mỗi khung.

Đan xen lần một hay đan xen giưã các khung được sử dụng khi quỹ trễ cho phép của đan xen lớn hơn 10 ms. Độ dài giưã các lớp của đan xen lần một được định nghĩa là 10, 40 và 80 ms. Chu kỳ của đan xen này liên quan trực tiếp với khoảng thời gian truyền dẫn (TTI: Transmission Time Interval): khoảng này chỉ ra tần suất suất số liệu chuyển từ các lớp cao hơn đến lớp vật lý. Đối với các kênh truyền tải khác nhau được ghép với nhau trên một kết nối duy nhất, các vị trí khởi đầu của TTI của các kênh này được đồng bộ. Các TTI có một điểm khởi đầu chung, chẳng hạn TTI 40 ms xẩy ra hai lần so với một TTI 80 ms trên cùng một kết nối. Quan hệ thời gian với các TTI khác nhau được mịnh hoạ ở hình vẽ. Nếu đan xen lần thứ nhất được sử dụng, phân đoạn khung sẽ phân bố số liệu từ đan xen lần một này lên 2, 4, hoặc 8 khung liên tiếp tuỳ theo độ dàì đan xen. 4.7.2. Mã hóa kênh WCDMA sử dụng ba dạng mã kiểm soát lỗi sau: • Mã khối tuyến tính hay cụ thể là mã vòng • Mã xoắn • Mã turbo Trong đó mã vòng được sử dụng để phát hiện lỗi, còn hai mã còn lại được sử dụng để sửa lỗi và hai mã này thường được gọi là mã kênh. Mã turbo chỉ được sử dụng ở các hệ thống thông tin di động thế hệ ba khi tốc độ bit cao. Trong phần này ta sẽ xét các nguyên lý căn bản của các dạng mã trên và các sơ đồ của chúng được áp dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba.

Các đa thức tạo mã được WCDMA sử dụng để tính toán CRC là:

gCRC24(x) = x24 + x23 + x6 + x5 + x + 1 (4.9)

gCRC16(x) = x16 + x12 + x5 + 1 (4.10)

gCRC12(x) = x12 + x11 + x3 + x2 + x + 1 (4.11)

gCRC8(x) = x8 + x7 + x4 + x3 + x + 1 (4.12)

174


W-CDMA sử dụng các bộ tạo mã xoắn sau: Bộ mã xoắn r=1/2, K=9, g0 = [561], g1 = [753] (4.13) Bộ mã xoắn r=1/3, K=9, g0 = [557], g1 = [663], g2 = [711] (4.14)

Sơ đồ tổng quát cuả bộ mã hoá và giải mã turbo của WCDMA được cho ở hình 4.17

.

RSC1

RSC2

Bé ®an xen

1x

2x

3x

ibBé gi¶i m· 1

Bé gi¶i ®an xen

Bé gi¶i ®an xen

Bé ®an xen

Bé gi¶i m· 2

Sau m lÇn lÆp

eL

(a) Bé m· ho turbo (b) Bé gi¶i m· turbo

ibeL

1y

2y

3y

Hình 4.17. Sơ đồ khối bộ mã hoá turbo và bộ giải mã turbo.

Bộ mã hoá turbo gồm hai bộ mã hoá xoắn hệ thống hồi quy (RSC: Recursive Systematic Convolutional): RSC1, RSC2 và một bộ đan xen bên trong. Tại máy thu tín hiệu nhận được sau giải đan xen và máy thu RAKE [y1, y2,y3] được đưa vào bộ giải mã turbo. Giải thuật giải mã lặp của bộ giải mã turbo , bộ giải mã đầu ra mềm tính toán thông tin vòng ngoài Le với tham chuẩn y1 và y2. Sau đó bộ giải mã 2 đầu vào mềm, đầu ra mềm cập nhật Le cùng với các tham chuẩn y1, y2 và y3 và Le được hồi tiếp đến bộ giải mã 1 để lặp lại quá trình trên. Sau m lần lặp, chuỗi phát được khôi phục bởi quyết định cứng của log tỷ lệ khả năng giống (LLR= log likelihood Ratio) L(bi). LLR đối với bit bk sau giải mã, L(bi) được thể hiện bằng phương trình sau:

L(bi)= ( )( )

i

i

P b 1ln

P b 1⎡ ⎤= +⎢ = −⎣ ⎦

⎥ (4.15)

Trong phương trình (4.15), P(bi=+1) và P(bi=-1) là xác suất bk=+1 và bi=-1. Bộ giải mã đầu vào mềm, đầu ra mềm được sử dụng có thể là MAP (Max-a-Posteriori). 4.8. CẤU TRÚC KHUNG KÊNH DPCH 4.8.1. Cấu trúc khung kênh DPCH đường lên

Kênh DPCH đường lên bao gồm kênh DPDCH và kênh DPCCH được ghép theo mã I và Q để mang kênh truyền tải riêng DCH, nó có cấu trúc khung vô tuyến

175


như cho ở hình 4.18 và bảng 4.5. Ngoài cấu trúc khung như trên hình vẽ các kênh nay còn có cấu trúc siêu khung trong dó mỗi siêu khung gồm 72 khung với độ dài 720ms. Kênh DPDCH được mang ở nhánh điều chế BPSK đồng pha (nhánh I) còn kênh DPCCH được mang ở nhánh điều chế BPSK pha vuông góc (nhánh Q). Trên hình 4.4 kênh ĐPCH mang số liệu của người sử dụng còn kênh DPCCH mang thông tin điều khiển của lớp vật lý. Hai kênh này sử dụng hai mã định kênh riêng. Các thống tin điều khiển lớp vật lý đơực mang bởi DPCCH bao gồm:(1) các bit hoa tiêu để nút B có thể đáng giá công suất MS , giải điều chế nhất quán và nhận dạng biên giới khung cũng như vị trí hiện thời trong một khung, (2) TFCI (Transport Format Combination Identity: nhận dạng tổ hợp khuôn dạng truyến tải) để nhận dạng các khối truyền tải được ghép, (3) FBI (Feeback Information) để điều khiển phân tập phát vòng kín và (4) TPC (Transmit Power Control) để điều khiển công suất phát của BTS Kênh truyền tải riêng đường lên (DCH) là kênh riêng duy nhất ở đường lên. Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý và dành riêng cho một ngừơi sử dụng, bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời cũng như thông tin điều khiển lớp cao. Lớp vật lý không thể nhận biết nội dung thông tin được mang ở kênh DCH, vì thế thông tin điều khiển lớp cao và số liệu của ngừơi sử dụng được xử lý như nhau. Các thông số của lớp vật lý do UTRAN thiết lập có thể thay đổi giữa số liệu và điều khiển.

Hoa tiªu Npilot bit

TPC NTPC bit

Sè liÖu Ndata bit

Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14

Tkhe = 2560 chip, 10*2k bit (k=0..6)

1 khung v« tuyÕn: Tf = 10 ms

DPDCH

DPCCH FBI

NFBI bit TFCI

NTFCI bit

Hình 4.18. Cấu trúc khung vô tuyến DPCH (DPDCH/DPCCH).

176


Bảng 4.5 Các trường của DPDCH đường lên

Khuôn dạng khe #i

Tốc độ bit kênh (kbps)

Tốc độ ký hiệu kênh

(ksps)

SF Số bit/khung

Số bit/khe

Ndata

0 15 15 256 150 10 10 1 30 30 128 300 20 20 2 60 60 64 600 40 40 3 120 120 32 1200 80 80 4 240 240 16 2400 160 160 5 480 480 8 4800 320 320 6 960 960 4 9600 640 640

6 mã song song

5760 5760 4 9600 640 640

Lưu ý: Tốc độ số liệu cực đại cuả người sử dụng với tỷ lệ mã hoá kênh bằng 1/2 xấp xỉ bằng 1/2 giá trị của tốc độ bit kênh. 4.8.2. Cấu trúc khung kênh DPCH đường xuống

Kênh vật lý riêng đừơng xuống (DPCH) bao gồm hai kênh DPDCH và DPCCH đường xuống ghép theo thời gian để mang kênh riêng đường xuống (DCH). Trong một kênh DPCH đường xuống, số liệu riêng được tạo ra bởi lớp 2 và các lớp trên, nghĩa là kênh truyền tải riêng (DCH) được ghép kênh theo thời gian với thông tin điều khiển được tạo ra ở lớp một (các bit hoa tiêu, các lệnh điều khiển công suất phát TPC và một TFCI tuỳ chọn). UTRAN sẽ quyết định có phát TFCI hay không và nếu đựơc quyết định thì tất cả các UE phải hỗ trợ việc sử dụng TFCI ở đường xuống. Hình 4.19 cho thấy cấu trúc khung của DPCH đường xuống. Mỗi khung dài 10 ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất.

Mét khung v« tuyÕn, Tf = 10 ms

TPC NTPC bit

Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14

Tslot = 2560 chip, 10x2k bit (k=0..7)

Sè liÖu 2Ndata2 bit

DPDCH TFCI

NTFCI bit Hoa tiªu Npilot bit

Sè liÖu 1Ndata1 bit

DPDCH DPCCH DPCCH

Hình 4.19. Cấu trúc khung cho DPCH đường xuống

177


Thông số k ở hình 4.19 xác định tổng số bit trên một khe của DPCH đường xuống. Quan hệ của nó với hệ số trải phổ như sau: SF = 512/2k. Vì k=0,1,...,7 nên hệ số trải phổ có thể thay đổi từ 512 đến 4. Phần bổ sung cho DPCCH phải được đàm phán khi thiết lập kết nối và đàm phán lại trong quá trình thông tin để thích ứng với các điều kiện truyền khác nhau. 4.9. ĐIỀU KHIỂN TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN VÀ CÁC THỦ TỤC LỚP VẬT LÝ 4.9.1. Điều khiển tài nguyên vô tuyến 1. Điều khiển công suất Điều khiển công suất nhanh và nghiêm ngặt là nét quan trọng nhất ở các hệ thống thông tin di động CDMA, nhất là ở đường lên. Thiếu điều khiển công suất, một MS phát công suất lớn sẽ chặn toàn bộ ô. Hình 4.20 cho thấy vấn đề nẩy sinh và giải pháp điều khiển công suất vòng kín.

Các MS1 và MS2 làm việc ở cùng một tần số nhưng sử dụng các mã trải phổ khác nhau ở BS. MS1 ở xa BS hơn so với MS2. Vì thế suy hao đường truyền đối với MS1 sẽ cao hơn đối với MS2 (70 dB chẳng hạn). Nếu không có biện pháp điều khiển công suất để hai MS tạo ra mức thu như nhau ở BS thì MS2 có thể gây nhiễu lớn cho MS1 và như vậy có thể chặn một bộ phận lớn ô dẫn đến hiện tượng xa gần ở CDMA làm giảm dung lượng hệ thống như đã đề cập ở trên. Như vậy để đạt được công suất cực đại cần điều khiển công suất cuả tất cả các MS trong một ô sao cho mức công suất mà chúng tạo ra ở BS sẽ bằng nhau.

Duy tr× çc møcc«ng suÊt P1 vµP2 b»ng nhau

P1

P2

Çc lÖnh ®iÒu khiÓnc«ng suÊt ®Õn çc MS

MS1

MS2

Hình 4.20. Điều khiển công suất ở CDMA WCDMA sử dụng các phương pháp điều chỉnh công suất sau đây:

√ Điều khiển công suất vòng hở: được thực hiện khi MS bắt đầu truy nhập mạng và chưa có kết nối với BTS

178


√ Điều khiển công suất vòng kín: khi MS đã có kết nối với BTS bao gồm: (1) điều chỉnh công suất nhan vòng trong khi MS, MS và BTS đánh giá SIR (Signal to Interference Ratio: tỷ số tín hiệu trên nhiễu) để đưa ra kết luận điều khiển công suất cho đường lên và đường xuống; (2) điều khiển công suất vòng ngoài, MS và RNC dựa trên tỷ lệ lỗi khối (BLER) đưa ra quyết định ngưỡng SIR cho điều khiển công suất vòng trong

Điều khiển công suất vòng hở thực hiện đánh giá gần đúng công suất đường xuống của tín hiệu kênh hoa tiêu dựa trên tổn hao truyền sóng của tín hiệu này. Nhược điểm của phương pháp này là do điều kiện truyền sóng của đừơng xuống khác với đừơng lên nhất là do pha đinh nhanh nên sự đánh giá sẽ thiếu chính xác. ở hệ thống CDMA trước đây người ta sử dụng phương pháp này kết hợp với điều khiển công suất vòng kín, còn ở hệ thống W-CDMA phương pháp điều khiển công suất này chỉ được sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy nhập mạng lần đầu. Phương pháp điều khiển công suất nhanh vòng kín như sau (xem hình 4.21). ở phương pháp này BS (hoặc MS) thường xuyên ước tính tỷ số tín hiệu trên can nhiễu thu được (SIR= Signal to Interference Ratio) và so sánh nó với tỷ số SIR đích (SIRđích). Nếu SIRướctính cao hơn SIRđích thì BS (MS) thiết lập bit điều khiển công suất để lệnh cho MS (BS) hạ thấp công suất, trái lại nó ra lệnh MS (BS) tăng công suất. Chu kỳ đo-lệnh-phản ứng này được thực hiện 1500 lần trong một giây (1,5 KHz) ở W-CDMA. Tốc độ này sẽ cao hơn mọi sự thay đổi tổn hao đừơng truyền và thậm chí có thể nhanh hơn phađinh nhanh khi MS chuyển động tốc độ thấp.

TÝn hiÖu b¨nggèc thu Gi¶i

tr¶i phæThu

RAKE

§o SIR

So s¸nh vµquyÕt ®Þnh

T¹o bit ®iÒukhiÓn c«ng suÊt

Vßng trong

§o chÊt l−îngc«ng suÊt dµi h¹n

So s¸nh vµquyÕt ®Þnh

ChÊt l−îng®Ých

SIR ®Ých

Vßng ngoµi

GhÐp bit ®iÒu khiÓn c«ngsuÊt vµo luång ph¸t

Hình 4.21. Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín

179


Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín như vậy được gọi là vòng trong cũng được sử dụng cho đường xuống mặc dù ở đây không có hiện tượng gần xa vì tất cả các tín hiệu đến các MS trong cùng một ô đều bắt đầu từ một BS. Tuy nhiên lý do điều khiển công suất ở đây như sau. Khi MS tiến đến gần biên giới ô, nó bắt đầu chịu ảnh hưởng ngày càng tăng của nhiễu từ các ô khác. Điều khiển công suất đường xuống trong trường hợp này để tạo một lượng dự trữ công suất cho các MS trong trường hợp nói trên. Ngoài ra điều khiển công suất đường xuống cho phép bảo vệ các tín hiệu yếu do phađinh Rayleigh gây ra, nhất là khi các mã sưả lỗi làm việc không hiệu quả.

Điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện đánh giá dài hạn chất lượng đường truyền trên cơ sở FER (tỷ lệ lỗi khung) hoặc BER để quyết định SIRđích cho điều khiển công suất vòng trong. Điều khiển công suất vòng ngòai thực hiện điều chỉnh giá trị SIRđích ở BS (MS) cho phù hợp với yêu cầu của từng đừơng truyền vô tuyến để đạt được chất lượng các đường truyền vô tuyến như nhau. Chất lượng của các đường truyền vô tuyến thường được đánh giá bằng tỷ số bit lỗi (BER: Bit Error Rate) hay tỷ số khung lỗi (FER= Frame Error Rate). Lý do cần đặt lại SIRđích như sau. SIR yêu cầu (tỷ lệ với Ec/N0) chẳng hạn là FER=1% phụ thuộc vào tốc độ của MS và đặc điểm truyền nhiều đường. Nếu ta đặt SIRđích đích cho trường hợp xấu nhất (cho tốc cao độ nhất) thì sẽ lãng phí dung lượng cho các kết nối ở tốc độ thấp. Như vậy tốt nhất là để SIRđích thả nổi xung quanh giá trị tối thiểu đáp ứng được yêu cầu chất lượng. Để thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài, mỗi khung số liệu của người sử dụng được gắn chỉ thị chất lượng khung là CRC. Việc kiểm tra chỉ thị chất lượng này sẽ thông báo cho RNC về việc giảm chất lượng và RNC sẽ lệnh cho BS tăng SIRđích. Lý do đặt điều khiển vòng ngoài ở RNC vì chức năng này thực hiện sau khi thực hiện kết hợp các tín hiệu ở chuyển giao mềm. 2. Chuyển giao

Trong khi GSM chỉ có thể thực hiện chuyển giao cứng thì WCDMA có thể thực hiện ba kiểu chuyển giao: (1) chuyển giao mềm, (2) chuyển giao mềm hơn và (3) chuyển giao cứng. Hai kiểu chuyển giao đầu được thực hiện trong một ô hoặc trong một đoạn ô trên cùng một tần số. Chuyển giao thứ hai thực hiện trên hai tần số khác nhau hoặc. Cũng như điều khiển công suất chuyển giao mềm và mềm hơn cần phải có ở các hệ thống thông tin di động CDMA vì lý do sau: để tránh hiện tượng gần xa xẩy ra. Khi MS tiến sâu vào vùng phủ sóng của ô lân cận mà không được BS của ô này điều khiển công suất, nó sẽ gây nhiễu rất lớn cho các MS khác trong ô này. Chuyển giao cứng thường xuyên và nhanh có thể tránh được điều này, nhưng chuyển giao này chỉ có thể thực hiện được với một thời gian trễ nhất định, trong khoảng thời gian này có thể xẩy ra hiện tượng gần xa. Vì thế cùng với điều khiển công suất, các chuyển giao mềm và mềm hơn là công cụ quan trọng để giảm nhiễu ở CDMA.

180


Trong chuyển giao mềm hơn, MS ở vùng chồng lấn giữa hai vùng phủ của hai đoạn ô của BS. Thông tin giữa MS và BS xẩy ra đồng thời trên hai kênh của giao diện vô tuyến. Vì thế cần sử dụng hai mã khác nhau ở đừơng xuống để MS có thể phân biệt được hai tín hiệu. Máy thu của MS nhận hai tín hiệu này bằng phương pháp xử lý RAKE rất giống như thu đa đường, chỉ khác là các ngón cần tạo ra mã tương ứng đối với từng đoạn để thực hiện giải trải phổ. Hình 4.22 cho thấy trường hợp chuyển giao mềm hơn. Trên đường lên cũng xẩy ra quá trình tương tự ở BS: BS thu được kênh mã của MS ở từng đoạn ô, sau đó chuyển chúng đến đến cùng máy thu RAKE và kết hợp chúng để nhận được tín hiệu tốt nhất. Trong quá trình chuyển giao mềm hơn ở mỗi kết nối chỉ có một vòng điều khiển công suất là tích cực. Thông thường chuyển giao mềm hơn chỉ xẩy ra ở 5-15% kết nối.

RNC

§o¹n 1

§o¹n 2

Cïng mét tÝn hiÖu®−îc ph¸t tõ c¶ hai

®o¹n ®Õn MS

BS Hình 4.22. Chuyển giao mềm hơn. Hình 4.23 cho thấy chuyển giao mềm. Trong khi chuyển giao mềm, MS ở vùng chồng lấn vùng phủ của hai đoạn ô thuộc hai trạm gốc khác nhau. Cũng như ở chuyển giao mềm hơn, thông tin giữa MS và BS xẩy ra đồng thời ở hai kênh của giao diện vô tuyến từ hai BS khác nhau.

Cũng như ở chuyển giao mềm hơn, cả hai kênh (cả hai tín hiệu) đựơc thu tại MS bởi quá trình RAKE. Nhìn từ phía MS ta thấy rất ít khác biệt giưã chuyển giao mềm hơn và chuyển giao mềm. Tuy nhiên ở đường lên chuyển giao mềm khác chuyển giao mềm hơn rất lớn: kênh mã thu được từ cả hai BS nhưng được gửi đến RNC đề kết hợp. Thông thường quá trình này đựơc thực hiện như sau. Chỉ thị độ tin cậy khung (được cung cấp cho điều khiển vòng ngoài) được sử dụng để chọn khung tốt hơn trong số hai khung của hai kênh nói trên ở RNC. Chọn được thực hiện sau mỗi chu kỳ đan xen: 10-80ms một lần.

181


Lưu ý rằng khi chuyển giao mềm, trên một kết nối có hai vòng điều khiển công suất tích cực, mỗi vòng cho mỗi trạm. Chuyển giao mềm xẩy ra ở vào khoảng 10-40% kết nối. Để phục vụ cho các kết nối chuyển giao mềm trong giai đoạn quy họach mạng cần xem xét để hệ thống đảm bảo các tài nguyên bổ sung sau: Các kênh máy thu RAKE bổ sung ở BS Các đường truyền dẫn bổ sung giữa BS và RNC Các ngón RAKE bổ sung ở MS

Cũng cần lưu ý rằng chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn cũng có thể xẩy ra đồng thời ở một kết nối.

RNC

Cïng mét tÝn hiÖu ®−îcph¸t tõ c¶ hai BS ®Õn MStrõ lÖnh ®iÒu khiÓn c«ng

suÊt

BS1

BS2

Hình 4.23. Chuyển giao mềm Trong chuyển giao mềm hoặc mềm hơn, MS kết nối cùng một lúc với nhiều BTS (vì thế còn được gọi là phân tập vĩ mô).. Để quản lý chuyển giao mềm (hoặc mềm hơn) UE có bộ nhớ duy trì tập các hoa tiêu của BTS như sau:

√ Tập tích cực: là tập các hoa tiêu cuả các BTS đang kết nối với MS √ Tập ứng cử: là tập các hoa tiêu của các BTS khác không có mặt trong kết nối

với MS nhưng tỷ số SIR (Ec/I0) hoa tiêu của chúng đủ mạnh để được bổ sung vào tập tích cực.

√ Tập lân cận hay tập được giám sát: là danh sách các hoa tiêu đực MS đo liên tục nhưng SIR chưa đủ mạnh để được kết nạp vào tập tích cực

Các thành viên của các tập dưới có thể được chuyển vào các tập trên và vào tập tích cực khi công suất của hoa tiêu chúng đủ mạnh.

182


Như vậy chuyển giao mềm ở WCDMA thực chất là quá trình trong đó một hoa tiêu mới được kết nạp vào tập tích cực và một hoa tiêu trong tập tíc cực bị khai trừ ra khỏi tập này. 4.9.2. Các thủ tục lớp vật lý 1.Thủ tục tìm gọi Kênh tìm gọi (PCH) được tổ chức như sau. Một thiết bị đầu cuối (UE) sau khi đã đăng ký với mạng sẽ được ấn định một nhóm tìm gọi. Đối với nhóm tìm gọi này, các chỉ thị tìm gọi (PI) sẽ xuất hiện định kỳ ở kênh chỉ thị tìm gọi (PICH) khi có các bản tin tìm gọi cho một UE trực thuộc nhóm. Khi phát hiện PI, UE giải mã khung PCH tiếp theo được phát ở kênh S-CCPCH, để xem có bản tin tìm gọi gửi cho nó hay không. UE cần giải mã PCH trong trường hợp thu PI cho thấy độ tin cậy thấp của quyết đinh. Khoảng tìm gọi được cho ở hình 4.24.

PICH

S-CCPCH

C¸c chØ thÞ t×m gäi

B¶n tin t×m gäi

7680 chip Hình 4.24. Quan hệ PICH với PCH PI càng ít xuất hiện, thì UE càng ít phải thức từ chế độ ngủ và tuổi thọ của acqui càng cao. Tất nhiên thời gian đáp ứng với cuộc gọi khởi xướng từ mạng là việc cân nhắc lựa chọn. 2. Thủ tục RACH Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên ở hệ thống CDMA phải đáp ứng đựơc vấn đề gần xa, vì khi khởi đầu truyền dẫn UE chưa biết chính xác về công suất phát cần thiết. Điều khiển công suất vòng hở có độ không chính xác lớn về các giá trị công suất tuyệt đối nhận được từ việc đo công suất thu suất phát cho đến giá trị thiết lập mức công suất phát như ta đã đề cập khi trình bầy vòng hở ở trên. Khi truy nhập UTRA (UMTS Terretrial Radio Access) thủ tục RACH có các pha sau: • UE giải mã BCH để tìm ra các kênh con RACH, các mã ngẫu nhiên hoá và các

chữ ký của chúng.

183


• UE chọn ngẫu nhiên một kênh con RACH từ nhóm mà loại truy nhập của nó cho phép sử dụng. Ngoài ra chữ ký cũng được chọn ngẫu nhiên trong số các chữ ký khả dụng.

• Mức công suất đường xuống được đo và mức công suất RACH khởi đầu được thiết lập với độ dự trữ thích hợp do sự không chính xác của vòng hở

• Tiền tố RACH 1ms được phát cùng với chữ ký được chọn • Đầu cuối giải mã AICH để xem nút B đã phát hiện được tiền tố hay chưa • Trường hợp không phát hiện được tiền tố nào, UE tăng công suất phát thêm một

nấc (là bội số của 1 dB) theo quy định của nút B. Tiền tố được phát lại ở khe truy nhập tiếp theo

• Khi một truyền dẫn AICH từ nút được phát hiện, UE phát phần bản tin 10 ms hay 20 ms của RACH.

Thủ tục RACH được cho ở hình 4.25, trong đó đầu cuối phát tiền tố đến khi

nhận được AICH và sau đó là phần bản tin của RACH.

AICH

RACH

TiÒn tèRACH

TiÒn tèAICH

B¶n tinRACH

Hình 4.25. Quá trình tăng công suất PRACH từng nấc và phát bản tin Trường hợp truyền số liệu trên RACH, hệ số trải phổ và tốc độ số liệu có thể thay đổi cùng với TFCI trên DPCCH cho PRACH. Theo quy định có thể có các hệ số trải phổ từ 256 xuống 32, như vậy một khung của RACH có thể chứa đến 1200 ký hiệu kênh và phụ thuộc vào mã hoá kênh có thể truyền đựơc 600 hoặc 400 bit. Đối với số bit cực đại cự ly đạt được tất nhiên sẽ gần hơn cự ly đạt được đối với các tốc độ bit thấp, đặc biệt là các bản tin RACH không sử dụng các phương pháp như phân tập vĩ mô giống như ở các kênh riêng.

184


3. Hoạt động CPCH Các kênh vật lý đặc thù CPCH được định nghĩa cho thủ tục truy nhập CPCH. Các kênh này không mang các kênh truyền tải nhưng là thông tin cần thiết cho thủ tục truy nhập CPCH. Các kênh này là: • Kênh trạng thái CPCH (CSICH) • Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH (CD-ICH) • Kênh chỉ thị ấn định kênh CPCH (CA-ICH) • Kênh bắt tiền tố truy nhập CPCH (AP-AICH)

CSICH sử dụng phần kênh AICH không được sử dụng (xem hình 4.26). Các bit CSICH chỉ thị sự khả dụng của từng kênh vật lý CPCH và được sử dụng không chỉ để thông báo cho đầu cuối chỉ truy nhập các kênh rỗi mà còn để nhận lệnh phân bổ kênh đến một kênh chưa sử dụng. CSICH chia sẻ tài nguyên mã định kênh với AP-AICH

CD-ICH mang thông tin phát hiện va chạm đến UE. Khi CA-ICH được sử dụng, CD-ICH và CA-ICH được phát đồng thời đến UE. Cả hai đều có các mẫu 16 bit quy định khác nhau.

AP-AICH giống như AICH được sử dụng cho RACH và có thể dùng chung mã định kênh khi chia sẻ các tài nguyên truy nhập với RACH. Trong trường hợp này CSICH cũng sử dụng mã định kênh như CPCH và các kênh RACH AICH. Hoạt động kênh gói chung đường lên (CPCH) khá giống hoạt động của RACH. Sự khác nhau căn bản là phát hiện va chạm lớp 1 (CD) trên cơ sở cấu trúc tín hiệu giống như tiền tố của RACH. Hoạt động này giống như RACH cho đến khi phát hiện được AP-AICH. Sau đó tiền tố CD cùng mức công suất vẫn được phát trở lại với một chữ ký khác được chọn ngẫu nhiên từ tập cho trước. Sau đó UE đợi trả lời bằng chữ ký này ở kênh chỉ thị CD (CD-ICH) nhờ vậy giảm thiểu được xác suất va chạm ở lớp 1. Sau khi nút B phát tiền tố đúng ở thủ tục phát hiện va chạm, UE bắt đầu phát (thời gian gồm nhiều khung). Thời gian truyền dẫn lâu hơn nhấn mạnh sự cần thiết cơ chế phát hiện va chạm. Ở hoạt động RACH chỉ một bản tin RACH bị mất do va chạm, còn với hoạt động CPCH việc không phát hiện va chạm có thể dẫn đến nhiều khung được phát và gây thêm nhiễu. Điều khiển công suất nhanh trên CPCH cho phép giảm nhiễu do truyền số liệu, điều này càng nhấn mạng tầm quan trọng của việc bổ sung phát hiện va chạm. UE phát số liệu trên một số khung. Ở thời điềm bắt đầu phát CPCH, một tiền tố điều khiển công suất có thể được phát trước khi phát số liệu thực sự. Điều này cho phép hội tụ điều khiển công suất, vì trễ gữa công nhận tiền tố và truyền số liệu thực sự ở CPCH lớn hơn RACH. Tiền tố 8 khe điều khiển công suất sử dụng kích cỡ nấc 2 dB để đước hội tụ điều khiển công suất nhanh. Hoạt động của thủ tục truy nhập CPCH được cho ở hình 4.25.

185


Thời gian truyền dẫn cực đại CPCH cũng cần được hạn chế, vì CPCH không hỗ trợ chuyển giao mềm cũng như chế độ nén để cho phép đo giữa các ô và giữa các tần số. UTRAN thiết lập truyền dẫn CPCH cực đại trong quá trình đàm phán dịch vụ. Một bổ sung mới nhất cho hoạt động của CPCH là chức năng ấn định kênh và giám sát trạng thái. Kênh chỉ thị trạng thái CPCH (CSICH= CPCH Status Indicator Channel) từ BS chứa các bit chỉ thị trạng thái dể chỉ thị trạng thái của các kênh CPCH khác nhau. Nhờ vậy tránh được các lần thử truy nhập CPCH khi tất cả các kênh này bận. Chức năng ấn định kênh là một tuỳ chọn của hệ thống. Ở dạng bản in CA (Channel Asignment), chức năng này có thể hướng dẫn UE đến một kênh khác chưa đựơc sử dụng cho thủ tục truy nhập. Bản tin CA đựơc phát song song với bản tin CD.

CPCHAP-

AICH

CPCH

TiÒn tèCPCH

AP-AICH

CPCHCD

CPCHCD/CA-

ICH

B¶n tinCPCH

CPCHCAI

Hình 4.26. Thủ tục truy nhập CPCH 2. Thủ tục tìm ô Thủ tục tìm ô sử dụng kênh đồng bộ gồm ba bước cơ bản, mặc dù từ quan điểm tiêu chuẩn không có yêu cầu nào đối với việc thực hiện các bước nào và khi nào. Tiêu chuẩn chỉ đặt ra yêu cầu về thời gian tìm cực đại so với các điều kiện kiểm tra. Các bước điển hình đối với tìm ô ban đầu như sau: 1. UE tìm mã đồng bộ sơ cấp 256 chip giống nhau cho tất cả các ô. Vì mã đồng bộ

sơ cấp như nhau cho tất cả các khe, giá trị đỉnh tương quan nhận được sẽ tương ứng với biên giới khe

186


2. Trên cơ sở tìm được mã đồng bộ sơ cấp, UE tìm đỉnh tương quan lớn nhất từ SCH thứ cấp. Có tất cả 64 khả năng cho từ SCH thứ cấp. UE cần kiểm tra 15 vị trí, chưa thể có biên giới khung khi chưa phát hiện được từ mã của SCH thứ cấp (xem hình 4.15).

3. Khi đã tìm được SCH thứ cấp, UE biết được đồng bộ khung. Khi này UE tìm mã ngẫu nhiên sơ cấp thuộc một nhóm nhất định. Mỗi nhóm gồm 8 mã ngẫu nhiên sơ cấp. UE chỉ cần kiểm tra một vị trí của các mã này vì điểm khởi đầu đã biết. Khi thiết lập các thông số của mạng, cần lưu ý đến các thuộc tính của sơ đồ đồng

bộ để đạt được hiệu quả hoạt động tối ưu. Đối với tìm ô ban đầu, điều này sẽ hầu như không có ảnh hưởng, nhưng điều này có thể cho phép tối ưu quá trình tìm ô đích để chuyển giao. Về mặt nguyên lý vì có rất nhiều nhóm mã, nên khi quy hoạch thực tế, trong nhiều trường hợp ta có thể thực hiện danh sách các ô lân cận đối với một ô thuộc một nhóm mã khác. Như vậy UE có thể tìm ô đích và hoàn toàn bỏ bước 3 bằng cách chỉ khẳng định phát hiện chứ không cần so sánh các mã ngẫu nhiên khác nhau cho bước này. Các biện pháp tiếp theo để cải thiện hiệu năng tìm ô gồm khả năng cung cấp thông tin lên quan đến định thời tương đối giữa các ô. Nói chung loại thông tin này được UE đo cho mục đích chuyển giao và nó có thể được sử dụng để cải thiện đặc biệu hiệu năng của bước hai. Nếu thông tin định thời tương đối càng chính xác thì càng cần kiểm tra ít vị trí hơn đối với mã SCH thứ cấp và xác suất phát hiện đúng càng tốt hơn. 2. Thủ tục đo chuyển giao Ở UTR FDD có các chuyển giao sau: • Chuyển giao trong cùng chế độ, có thể là chuyển giao mềm, chuyển giao mềm

hơn hay chuyển giao cứng. • Chuyển giao giữa các chế độ, chuyển giao đến UTRA TDD • Chuyển giao giữa các hệ thống, ở phát hành R3 chỉ mới có chuyển giao đến

GSM. Chuyển giao GSM có thể đến hệ thống GSM hoạt động ở tần số 900 MHz, 1800 MHz và 1900 MHz. Phát hành R5 sẽ bổ sung cho chuyển giao đến CDMA đa sóng mang (chế độ MC).

Sự liên quan chủ yếu của chuyển giao đến lớp vật lý là việc xác định cái gì phải đo cho các tiêu chuẩn chuyển giao và cách nhận được các kết quả đo.

Trong phần này ta sẽ chỉ xét chuyển giao trong cùng một chế độ Chuyển giao trong cùng một chế độ của UTRA FDD dựa trên việc đo EC/I0. được thực hiện từ kênh hoa tiêu chung (CPICH). Các đại lượng quy định cho UE đo ở kênh CPICH như sau: • Công suất của mã tín hiệu thu (RSCP= Received Signal Code Power), đây là công

suất thu ở một mã sau giải trải phổ được quy định cho các ký hiệu hoa tiêu

187


• Chỉ thị cường độ tín hiệu thu (RSSI= Received Signal Strength Indicator), đây là công suất thu băng rộng trong băng tần kênh.

• EC/N0 thể hiện công suất mã tín hiệu thu được chia cho tổng công suất thu trong băng tần thu và được định nghĩa là: RSCP/RSSI

Ngoài ra còn có các vấn đề khác là cơ sở cho các quyết định chuyển giao, các quyết định về thuật toán chuyển giao được dành cho các vấn đề thực hiện. Thông tin bổ sung quan trọng cho chuyển giao là thông tin định thời tương đối giưã các ô. Vì là mạng dị bộ, cần phải điều chỉnh định thời phát ở chuyển giao mềm để có thể thực hiện kết hợp nhất quán ở máy thu RAKE và đặc biệt là hoạt động điều khiển công suất ở chuyển giao mềm sẽ bị trễ bổ sung. Việc đo định thời liên quan đến hoạt động chuyển giao được cho ở hình 4.27. Nút B mới điều khiển định thời đường xuống ở các nấc 256 chip theo thông tin nhận được từ RNC.

1¤ phôc vô ¤ ®Ých

RNC

CPICH CPICH

KÕt qu¶ ®o hiÖu sèthêi gian

Th«ng tin ®iÒu chØnh®Þnh thêi DCH

Hình 4.27. Đo định thời cho chuyển giao mềm Khi ô đã ở cửa sổ 10 ms, có thể tìm thời gian tương đối từ pha của mã ngẫu nhiên sơ cấp, vì chu kỳ của mã này là 10 ms. Nếu sai số của đồng bộ thời gian lớn hơn, UE cần giải mã số khung hệ thống (SFN) từ CCPCH sơ cấp. Quá trình này đòi hỏi thời gian và có thể bị lỗi nên cần kiểm tra CRC cho SFN. Không cần thiết cửa sổ 10 ms khi thông tin đồng bộ được cung cấp bởi danh mục các ô lân cận. Trong trường hợp này chỉ cần hiệu số pha cuả các mã ngẫu nhiên, nếu các nút B chưa đồng bộ ở mức chip. Đối với chuyển giao cứng giữa các tần số không cần thiết thông tin đồng bộ chính xác đến mức chip. Việc nhận đựơc các kết quả đo khác cũng khó hơn, vì UE phải thực hiện đo ở một tần số khác. Thông thường quá trình này được thực hiện với sự hỗ trợ của chế độ nén (chế độ trong đó một số khe thời gian cuả kênh lưu lượng bị lấy cắp để đo).

188


4.10. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) 4.10.1 Mở đầu Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa ra trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002. Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUDPA) được 3GPPP chuuẩn hóa trong R6 và tháng 12 năm 2004. Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại vào năm 2007. Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8Mbps và tăng đến 3,6 Mbps và 7,2Mbps vào năm 2006 và 2007, tiềm năng có thể đạt đến trên 10Mbps. Trong giai đoạn đầu tốc độ đỉnh HSUPA là 1-2Mbps trong giai đoạn hai tốc độ này có thể đạt đến 3-4 Mbps. HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao (xemh ình 4.28).

Hình 4.28. Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1). HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp WCDMA lên HSDA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng trong BSC và RNC. Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời gian thực, tuy nhiên R6 và R7 cải thiện hiệu suất cuả HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác. Khác với WCDMA trong đó tốc độ số liệu trên các giao diện như nhau (384 kbps cho tốc độ cực đại chẳng hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khác nhau (xem hình 4.29). Tốc độ đỉnh (7,2Mbps trên hai ms) tại đầu cuối chỉ xẩy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 1Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, BTS cần có bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng.

189


R5 HSDPA

Tốc độ HS-DSCH đỉnh7,7 Mbps trên 2ms

Tốc độ bit Iub0-1 Mbps

Thông số QoS: tốc độ bit cực đại: 1Mbps

Số liệu từ GGSN

Đầu cuối Nút B

Hình 4.29. Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện 4.10.2. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSDUA cho số liệu người sử dụng Hình 4.30 cho thấy kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng. Mặt phẳng báo hiệu không được thể hiện trên hình 4.28 (trong mặt phẳng này báo hiệu được nối đến RLC sau đó đựơc đưa lên DCH hay HSDPA hoặc HSUPA). Số liệu từ các dịch vụ khác nhau được nén tiêu đề IP tại PDCP (Packet Data Convergence Protocol). MAC-hs (High Speed: tốc độ cao) thực hiện chức năng lập biểu nhanh dựa trên BTS. .

Hình 4.30. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSDUA cho số liệu người sử dụng

190


Do khuôn khổ hạn chế của giáo trình, nên trong phần này ta sẽ chỉ xét HSDPA 4.10.3. HSDPA HSDPA được thiết kế để tăng thông lượng số liệu gói đường xuống bằng cách kết hợp các công nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và tích ứng nhanh được truyền theo sự điều khiển của nút B. Trong phần này trước hết ta so sánh các tính năng của kênh WCDMA DCH (viết tắt DCH) và HSDA DSCH (viết tắt DS DSCH), tiếp theo ta xét nguyên lý hoạt động của HSDPA và các kênh của HSDPA. Cuối cùng ta xét kênh HS-DSCH và mã định kênh của nó.. 1. So sánh tính năng kênh DCH và HS DSCH Trước khi xét các kênh HSPA ta cần lưu ý một số điểm khác nhau giữa WCDMA và HSDPA. WCDMA sử dụng các kênh FACH, DCH và DSCH để truyền số liệu gói, trong đó FACH để truyền các gói nhỏ, DCH là kênh chính còn DSCH để truyền các gói có tốc độ cao hơn. HSPA thực chất thay thế kênh WCDMA DSCH bằng kênh HSDPA DSCH (trong R5 vẫn còn sử dụng WCDMA DSCH nhưng trong R6 kênh này không còn được sử dụng nữa). Trong R5, kênh DCH luôn đi cùng với kênh HSDPA DSCH (hình 4.31). Nếu số liệu không được truyền thì DCH là kênh mang vô tuyến báo hiệu (SRB: Signalling Radio Bearer). Trong trường hợp dịch vụ chuyển mạch kênh (AMR hoặc video) được truyền song song với số liệu PS, thì các dịch vụ CS được mang trên kênh này. Trong R6 báo hiệu có thể được truyền trên kênh F-DCH (Fractional DCH: DCH một phần). Trong R5, số liệu người sử dụng đường lên luôn được truyền trên DCH (khi HSDPA tích cực), trong khi đó R6 sử dụng E-DCH (Enhanced DCH: DCH tăng cường) cho HSUPA. Bảng 4.6 so sánh các tính năng kênh DCH và HS-DSCH.

Hình 4.31. Các kênh cần cho hoạt động HSDPA trong R5

191


Bảng 4.6. So sánh các tính năng kênh DCH và HS-DSCH Tính năng DCH HS-DSCH Hệ số trải phổ khả biến Không không Điều khiển công suất nhanh có không Điều chế và mã hóa thích ứng

không có

Khai thác nhiều mã có có, được mở rộng Phát lại lớp vật lý không có Thích ứng đường truyền và lập biểu theo BTS

không có

2. Nguyên lý hoạt động HSDPA Hoạt động của HSDPA dựa trên việc sử dụng thích ứng đường truyền, lập biểu nhanh và phát lại nhanh lớp vật lý. Tất cả các phương pháp này đều nhằm tăng dung lượng đường xuống. Nó không hỗ trợ chuyển giao mềm và điều khiển công suất như DCH. Nguyên lý lập biểu được mô tả trên hình 4.32. Nút B đánh giá chất lượng kênh của từng máy di động HSDPA dựa trên hồi tiếp lớp vật lý nhận được từ đường lên. Sau đó lập biểu và thích ứng đường truyền được thưc hiện nhanh tùy thuộc vào giải thuật lập biểu và sơ đồ ưu tiên người sử dụng.

Lập biểu nhanh Nút B dựa trên:1. Hồi tiếp chất lượng2. Khả năng UE3. Khả dụng tài nguyên4. Trạng thái bộ đệm5. QoS và mức ưu tiên

Hồi tiếp L1

Đầu cuối 1Hồi tiếp L1

Số liệu

Số liệu

Đầu cuối 2

Hình 4.32. Nguyên lý lập biểu của nút B HSDPA Nguyên lý phát lại được cho trên hình 4.33. Trước hết gói cần phát được nạp vào bộ đệm của nút B. Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút thực hiện phát lại mà không cần RNC tham gia. Máy di động thực hiện kết hợp các phát lại. Phát theo

192


RNC chỉ thực hiện khi xẩy ra sự cố hoạt động lớp vật lý (lỗi báo hiệu chẳng hạn). Phát lại theo RNC sử dụng chế độ báo nhận RLC, phát lại RLC không thường xuyên xẩy ra.

Hình 4.33. Nguyên lý xử lý phát lại của nút B 3. Các kênh cho hoạt động của HSDPA Các kênh cần thiết cho hoạt động HSDPA bao gồm :

1. Đối với R5 (xem hình 4.31): √ HS-DSCH (Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao): Mang số liệu gói tốc độ

cao √ HS-SCCH (Kênh điều khiển chia sẻ đường xuống tốc độ cao): Mang thông tin

về số mã trải phổ và phương pháp điều chế được sử dụngcho đầu cuối để đầu cuối có thể giải trải phổ và giải điều chế đúng

√ HS-DPCCH (Kênh điều khiển vật lý dành riêng đường lên tốc độ cao): Mang thông tin hồi tiếp để BTS có thể thích ứng đường truyền và phát lại

√ Kênh DCH (DPDCH/DPCCH) đường lên: Giống như WCDMA 2. Đối với R6 √ Bổ sung thêm kênh đường lên F-DCH (kênh DCH một đoạn): Chỉ mang thông

tin về điều khiển công suất cho đường lên cho trường hợp chỉ truyền số liệu gói Do khuôn khổ hạn chế nên dưới đây ta chỉ xét HS-DSCH

193


4. Sơ đồ kênh vật lý HS DSCH Sơ đồ phần xử lý số kênh vật lý HS DSCH được cho trên hình 4.34.

Bổ sung CRC

Ngẫu nhiên hóa

Phân đoạn khối mã

Mã hóa kênh

Chức năng HARQ

Phân đoạn kênh vật lý

Đan xen Đan xen

Sắp xếp điểm ký hiệu 16-QAM

Trải phổ hai mức

HS-PDSCH

Hình 4.34. Sơ đồ phần xử lý tín hiệu số kênh HS DSCH Hoạt động của sơ đồ như sau:

√ Luồng số đầu vào (dài 2ms) được mã hóa khối tuyến tính để gắn thêm các bit CRC

√ Ngẫu nhiên hóa để tránh các dẫy ký hiệu không đổi (toàn 1 hoặc toàn không) √ Phân đoạn mã để đưa lên bộ mã hóa kênh √ Mã hóa turbo để đạt được hiệu năng chống lỗi cao √ Chức năng HARQ (Hybride Automatic Repeat Request: yêu cầu phát lại tự động linh hoạt) cho phép phát lại tự động (xem hình 4.34)

√ Phân đoạn cho kênh vật lý √ Đan xen để tránh lỗi cụm do phađinh √ Sắp xếp ký hiệu điều chế 16-QAM √ Trải phổ hai mức

Chức năng HARQ (hình 4.35) gồm hai tầng phối hợp tốc độ. để điều chỉnh các phiên bản dư của các lần phát lại khác nhau khi sử dụng các phát lại không giống nhau.

194


Hình 4.35. Chức năng HARQ Tồn tại hai phương pháp HARQ: phát lại như nhau và phát lại khác nhau (hình 4.36 và 4.37). Phương pháp thứ nhất được gọi là "kết hợp mềm" (Chase hay Soft Combining), phương phát thứ hai được gọi là "kết hợp phần dư tăng". Trong phương pháp thứ nhất các phát lại đều giống nhau và giống phát lần đầu. Trong phương pháp thứ hai phát lại chỉ phát phần dư (chẵn lẻ) với số bit tăng.

Bộ mã hóa turbo

Hệ thốngchẵn lẻ 1Chẵn lẻ 2



Phối hợp tốc độ (chích bỏ)

Phát lần thứ nhất Phát lại

Kết hợp mềm (tại máy thu)

Hình 4.36. HARQ kết hợp mềm

195


Bộ mã hóa Turbo


Phối hợp tốc độ (chích bỏ)

Phát lần thứ nhất Phát lại

Kết hợp phần dư tăng (tại máy thu



Hình 4.37. HARQ kết hợp phần dư tăng 5. Mã định kênh HS-DSCH có thể sử dụng nhiều mã OVSF với hệ số trải phổ 16. Về mặt lý thuyết số mã cực đại trong một cây mã là 16, nhưng các kênh chung và các kênh DCH cũng cần mã vì thế thường chỉ sử dụng tối đa 15 mã . Việc sử dụng bao nhiêu mã trong thời gian 2ms phụ thuộc vào khả năng của máy đầu cuối. Trong hệ thống có thể có lưu lượng khác cần sử dụng mã chẳng hạn thoại hay video CS. Khi này quản lý tài nguyên vô tuyến sẽ quyết định không gian mã khả dụng cho bộ lập biểu tại BTS. Về mặt nguyên lý có thể sử dụng không gian mã lớn hơn bằng cách sử dụng các mã ngẫu nhiên hóa thứ cấp, nhưng vì chúng không trực giao với các mã có thuộc mã ngẫu nhiên sơ cấp, nên tổng dung lượng không tăng. Các tốc độ bit lý thuyết cực đại cho các TFRC (Transport Format and Resource Combining) khác nhau được cho trong bảng 4.7. Bảng 4.7. Tốc độ bit lý thuyết với 15 mã cho các TFRC khác nhau TFRC Điều chế Tỷ lệ mã Thông lượng cực

đại (Mbps) 1 QPSK 1/4 1,8 2 QPSK 2/4 3,6

196


3 QPSK 3/4 5,3 4 16QAM 2/4 7,2 5 16QAM 3/4 10,7 4.11. PHÂN TẬP PHÁT Khi nhiều anten thu được sử dụng, ta nói máy thu sử dụng phân tập anten thu (Rx). Phân tập Rx có thể được sử dụng tại BTS để tăng dung lượng đường lên và vùng phủ sóng. Do giá thành và không gian chiếm lớn, phân tập anten thu không phổ biến tại máy đầu cuối. Để khắc phục nhược điểm này W-CDMA sử dụng phân tập phát cho máy đầu cuối. Tồn tại hai kỹ thuật phân tập phát ở W-CDMA: Phân tập vòng hở và phân tập vòng kín. 4.11.1. Phân tập vòng hở Phân tập phát vòng hở sử dụng bộ mã hóa được gọi là STTD (Space time Transmit Diversity: phân tập phát không gian thời gian). Phương án mã Alamouti được sử dụng trong STTD như sau:

1 21 2

2 1

x x(x , x )

x x

∗

∗

⎡ ⎤−⎢ ⎥=⎢ ⎥⎣ ⎦

X (4.16)

Trong đó cột 1 chứa các ký hiệu được phát đi từ anten 1 còn cột 2 chứa các ký hiệu được phát đi từ anten 2. Các ký hiệu này là các ký hiệu điều chế QPSK. Sơ đồ phân tập phát O-STBC (Orthogonal- Space Time Block Code: mã khối không gian thời gian trực giao) được mô tả trên hình 4.38 và cấu trúc máy phát được cho trên hinh 4.39.

Hình 4.38. Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao (O-STBC) 2x2.

197


Hình 4.39. Phân tập phát vòng hở của WCDMA 4.11.2. Chế độ vòng kín R3 và R4 sử dụng hai khái niệm phân tập phát vòng kín. Trong cả hai chế độ này, thông tin đồng chỉnh pha được phát trên một kênh hồi tiếp nhanh (tốc độ 1500 bps) cho phép chọn 4 hoặc 16 khả năng trọng số búp sóng. Cả hai khái niệm này đều có thể coi là truyền dẫn nhất quán (tạo búp thích ứng kênh) với sử dụng cân bằng kênh và các chiến lược báo hiệu hồi tiếp khác nhau. Kiến trúc máy phát được cho trên hình 4.40.

n,W1

n,W2

Hình 4.40. Phân tập phát vòng kín của WCDMA Trong cả hai chế độ trọng số phát được lựa chọn theo thủ tục dưới đây:

• Đầu cuối đo các kênh hoa tiêu chung CPICH1 và CPICH2 đựơc phát trên anten 1 và anten 2.

• Đầu cuối nhận được ước tính kênh cho đường truyền 1h ∈C và 2h ∈C

• Vectơ trọng số phát cần thiết W(w1, w2) được xác định, được lượng tử và được gửi đến BTS trong trường FBI của kênh DCCH.

4.12. TỔNG KẾT Trước hết chương này trình bày giao diện vô tuyến và các kênh logic, truyền tải, vật lý được tạo nên ở giao diện này. Tiếp theo cấu trúc của các kênh này được trình

198


bày cụ thể. Tiếp theo sơ đồ thực hiện kênh vật lý được xét. Hai phần quan trong của sơ đồ này là: (1) trải phổ, ngẫu nhiên hóa và định kênh, (2) xử lý tín hiệu số được xét khá chi tiết. WCDMA/FDD sử dụng hai lớp trải phổ: trải phổ định kênh để ấn định kênh mang thông tin và ngẫu nhiên hóa để nhận dạng nguồn phát (nút B và UE). Phần tiếp theo trình bày các vấn đề về điều khiển tài nguyên vô tuyến và các thủ tục đặc thù lớp vật lý được trình bày. Tiếp sau phần này HSPA được xét. Đây là một kỹ thuật mới được triển khai trên nền hệ thống WCDMA để cho phép truyền tốc độ cao hơn. Phần cuối cùng của chương xét các kỹ thuật phân tập phát đựơc áp dụng cho WCDMA. Áp dung các kỹ thuật phân tập phát cho phép tăng đáng kể dung lượng đường truyền vô tuyến.

199


200

4.13. CÂU HỎI 1. Trình bày kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến 2. Trình bày khái niệm kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý 3. Nêu tên các kênh logic và chức năng cuả từng kênh 4. Nêu tên các kênh truyền tải, chức năng từng kênh và sắp xếp kênh logic lên kênh

truyền tải 5. Nêu tên các kênh vật lý, chức năng từng kênh và sắp xếp kênh truyền tải lên kênh

kênh vật lý 6. Trình bày thủ tục thiết lập cuộc gọi sử dụng các kênh logic cho báo hiệu 7. Trình bày các thông số của kênh vật lý WCDMA/FDD 8. Trình bày phân bố tần số cho WCDMA 9. Trình bày sơ đồ khối chung phát thu vô tuyến 10. Trình bày sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế đường xuống 11. Trình bày sơ đồ trải phổ, ngẫu nhiên hóa và điều chế đường lên 12. Trình bày mã trải phổ định kênh 13. Trình bày mã ngẫu nhiên hóa nhận dạng nút B và UE 14. Trình bày sơ đồ xử lý tín hiêu số 15. Trình bày mã hóa kênh 16. Trình bày cấu trúc khung kênh DPCH đường lên 17. Trình bày cấu trúc khung DPCH đường xuống 18. Trình bày điều khiển công suất 19. Trình bày chuyển giao 20. Trình bày thủ tục tìm gọi 21. Trình bày thủ tục RACH 22. Trình bày thủ tục CPCH 23. Trình bày thủ tục tìm ô 24. Trình bày thủ tục đo chuyển giao 25. Trình bày tổng quan HSDA 26. Trình bày nguyên lý HSDPA 27. Trình bày các kênh của DSDPA 28. Trình bày sơ đồ HS-DSCH và mã định kênh 29. Trình bày các kỹ thuật phân tập phát

Chương 5. Miền chuyển mạch gói của UMTS

Chương 5 MIỀN CHUYỂN MẠCH GÓI CỦA UMTS


• Các loại kênh mang (Bearer) • Kết nối báo hiệu và lưu lượng • Các bước để một UE truy nhập vào dịch vụ chuyển mạch gói của UMTS • Các số nhận dạng kênh mang • Các thủ tục đăng nhập GPRS và các thủ tục tích cực PDP context • Các trạng thái PDP context và chuyển đổi trạng thái • Các thủ tục ấn định kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) • Các ngăn xếp giao thức miền chuyển mạch gói • Truy nhập các mạng IP qua miền chuyển mạch gói • Mô hình an ninh WCDMA UMTS




• Hiểu được tổ chức các kênh mang trong miền PS của UMTS • Hiểu các thủ tục cần thiết để UE có thể truy nhập đến dịch vụ chuyển mạch gói • Hiểu các kiến trúc giao thức trong miền PS • Hiểu được cách thức truy nhập mạng IP qua miền chuyển mạch gói • Hiểu được mô hình an ninh giao diện vô tuyến của WCDMA UMTS

5.2. CÁC KÊNH MANG (BEARER) Các loại kênh mang trong UMTS được cho trên hình 5.1. UE sử dụng giao thức số liệu gói (PDP: Packet Data Protocol) để trao đổi số liệu trên miền UMTS PS. Các đơn vị giao thức số liệu gói (PDU) (các gói của người sử dụng) được truyền bên trong mạng UMTS trên các kênh mang. Kênh mang lưu lượng là một tập các tài nguyên mạng và các hàm truyền đạt được sử dụng để truyền lưu lượng giữa các thực thể mạng. Kênh mang lưu lượng là một đường truyền, một kết nối logic hay một kết nối vật lý giữa các nút mạng.

201


Máy di động RNC SGSN GGSN

Kênh mang UMTS

Kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) Kênh mang CN

Kênh mang vô tuyến

Kênh mang Iu

Kênh mang lớp dưới



Hình 5.1. Các loại kênh mang trong mạng UMTS Tồn tại các loại kênh mang sau: • Kênh mang vô tuyến (RB: Radio Bearer) và kênh mang Iu (Iu Bearer). Kênh mang

vô tuyến là một kết nối logic do lớp giao thức nằm ngay dưới lớp PDP cung cấp để truyền tải các gói của người sử dụng giữa UE và RNC. Kênh mang Iu là một kết nối logic nằm ngay dưới lớp PDP cung cấp để truyền tải các gói của người sử dụng giữa RNC và SGSN.

• Kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB: Radio Access Bearer): là một kết nối logic từ một kênh mang vô tuyến (Radio Bearer) và một kênh mang Iu (Iu Bearer)

• Kênh mang CN (CN Bearer): là một kết nối logic do lớp giao thức ngay dưới lớp PDP cung cấp để truyền tải các gói cuả người sử dụng giữa SGSN và GGSN.

• Kênh mang UMTS (UMTS Bearer): được kết cấu bằng cách lồng ghép kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) nối giữa đầu vào mạng lõi (SGSN) và kênh mang mạng lõi (CN Bearer) nối giữa đầu ra SGSN và GGSN. Các kênh mang vô tuyến, kênh mang Iu, RAB và kênh mang mạng lõi được quản

lý bởi các giao thức và các thủ tục khác nhau. 5.3. KẾT NỐI BÁO HIỆU VÀ LƯU LƯỢNG Trước khi ấn định các tài nguyên mạng trong RAN hay trong mạng lõi chuyển mạch gói (viết tắt là PS CN) cho UE, mạng cần phải thiết lập một kết nối logic riêng gữa UE và SGSN. Chẳng hạn, UE có thể sử dụng kết nối báo hiệu này để: đăng ký với miền PS CN, yêu cầu SGSN thiết lập các kênh mang CN và thiết lập các RAB. Hình 5.2 mô tả kết nối báo hiệu giữa UE và SGSN dựa trên việc móc nối kênh mang báo hiệu vô tuyến (giữa UE và RNC) và kênh mang Iu (giữa RNC và SGSN). Tập hợp giữa các kênh mang báo hiệu vô tuyến và các kênh mang vô tuyến lưu lượng được gọi là một kết nối RRC (Radio Resource Control: điều khiển kết nối). Giao thức RRC được sử dụng để thiết lập, duy trì và giải phóng các kênh mang này.

202


UE sẽ sử dụng một kết nối RRC chung để mang báo hiệu và lưu lượng cuả người sử dụng cho cả dịch vụ chuyển mạch gói lẫn chuyển mạch kênh. Tập hợp giữa các kênh mang báo hiệu Iu và các kênh mang lưu lượng Iu cho một UE được gọi là một kết nối RANAP. Giao thức RANAP (Radio Access Network Application Part) được sử dụng để: thiết lập, duy trì và giải phóng các kênh mang này. RNC chịu trách nhiệm để liên kết kết nối RRC cuả người sử dụng với kết nối RANAP cuả người sử dụng nhằm tạo nên một kết nối báo hiệu hay một RAB báo hiệu giữa UE và SGSN. Nói một cách khác, RNC hoạt động như một bộ chuyển đổi giao thức để chuyển đổi các giao thức sử dụng trong RAN và các giao thức sử dụng trong CN.

Hình 5.2. Các kết nối báo hiệu và lưu lượng giữa UE và SGSN 5.4. CÁC BƯỚC ĐỂ UE TRUY NHẬP VÀO CÁC DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI UMTS Quá trình truy nhập UE vào các dịch vụ PS cuả UMTS chia làm ba bước sau (xem hình 5.3): 1. UE đăng ký với mạng lõi thông qua quá trình đăng nhập GPRS (GPRS Attach) 2. Tích cực một ngữ cảnh PDP (PDP context) và RAB 3. Đăng ký dịch vụ gói (chẳng hạn đăng ký IMS khi nó muốn các dịch vụ do IMS

cung cấp trong R5)

203


UE SGSN

HLR

GPRS Attach

(a) Giai đoạn 1: UE đăng ký với mạng lõi gói (PSCN) thông qua GPRS Attach

UE SGSN GGSN

Yêu cầu ngữ cảnh PDP tích cực

Chấp nhận ngữ cảnh PDP tích cực

Thiết lập kênh mang vô tuyến Tích cực ngữ cảnh PDP

(b) Giai đoạn 2: Tích cực PDP Context và thiết lập RAB (Kênh mang truy nhập vô tuyến)

Hình 5.3. Các giai đoạn truy nhập của UE vào dịch vụ chuyển mạch gói của UMTS 5.4.1 Đăng nhập GPRS UE sử dụng các thủ tục đăng nhập GPRS để đăng ký với SGSN. Trong quá trình đăng nhập SGSN, UE cung cấp nhận dạng của mình và các yêu cầu dịch vụ cho SGSN, UE được nhận thực và đựơc cho trao quyền. Ngoài việc đăng ký, một đăng nhập thành công còn phải thực hiện: • Thiết lập quản lý di động trong RNC và trong SGSN để hai phần tử này có thể

theo dõi được vị trí của UE • Thiết lập một kết nối báo hiệu giữa UE và SGSN. UE và SGSN sử dụng kết nối

báo hiệu này để trao đổi báo hiệu và các bản tin điều khiển cần thiết cho việc thực hiện thủ tục đăng nhập GPRS. Sau khi hoàn thành đăng nhập GPRS, UE có thể tiếp tục sử dụng kết nối báo hiệu này để trao đổi các bản tin báo hiệu với SGSN, chẳng hạn để thực hiện tích cực PDP context

• Cho phép UE truy nhập đến một số các dịch vụ do SGSN cung cấp như: các bản tin SMS (dịch vụ bản tin ngắn) và được tìm gọi bởi SGSN. Các bản tin SMS được truyền trên các kết nối báo hiệu bằng cách sử dụng giao thức báo hiệu MAP

5.4.2. Tích cực PDP context và thiết lập RAB

204


Trước khi một UE có thể sử dụng một địa chỉ PDP để gửi và nhận các gói cuả người sử dụng trên mạng lõi PS của UMTS, cần thiết lập một PDP context và tích cực nó trên UE và trong mạng lõi PS cho địa chỉ này. UE chỉ có thể yêu cầu mạng thiết lập và tích cực một PDP context cho địa chỉ PDP sau khi nó đã thực hiện thành công GPRS attach. Việc tích cực PDP context thành công cũng khởi động miền mạng lõi PS để thiết lập kênh mang CN và RAB (gồm kênh mang Iu và kênh mang vô tuyến) cần thiết để truyền tải các gói của người sử dụng đến và đi từ trạm di động. Vì thế sau khi tích cực PDP context thành công, UE sẽ có khả năng gửi và nhận các gói của người sử dụng trên miền PS CN 5.4.3. Đăng ký dịch vụ gói (chẳng hạn IMS) Khi một UE muốn sử dụng thoại thời gian thực theo IP hay các dịch vụ đa phương tiện do IMS cung cấp, UE cần thực hiện đăng ký với IMS. Vì SIP là một giao thức báo hiệu cho các dịch vụ thời gian thực do IMS cung cấp, nên thủ tục đăng ký của SIP sẽ được sử dụng để đăng ký với IMS. 5.5. ĐỊNH TUYẾN CÁC GÓI CỦA NGƯỜI SỬ DỤNG VÀ TRUYỀN TẢI TRONG UMTS Định tuyến các gói của người sử dụng giữa SGSN và GGSN dựa trên các giao thức đặc thù của GPRS và các thủ tục sau: • GGSN hoạt động như một điểm trung tâm để định tuyến tất cả các gói của các

người sử dụng. Tất cả các gói đến và đi từ UE trước hết đều được chuyển đến GGSN sau đó mới chuyển đến nơi nhận cuối cùng. Điều này đựơc minh họa trên hình 5.4. Hình này cho thấy các UE phát và thu được nối đến các GGSN khác nhau. Ngay cả khi các UE phát và thu đấu đến cùng một GGSN, thì trước hết các gói của người sử dụng phải đựơc chuyển đến GGSN rồi sau đó mới chuyển các gói này đến nơi nhận.

• Các gói của người sử dụng đựơc truyền theo tunnel giữa RNC và SGSN, giữa SGSN và GGSN, giữa hai GGSN. Để truyền tunnel, trước hết gói được đặt vào một gói khác (được gọi là đóng bao gói) sau đó định tuyến gói được đóng bao theo thông tin có trong tiêu đề của gói đựơc đóng bao. Truyền tunnel trong miền gói của UMTS được thực hiện bằng cách sử dụng giao thức truyền tunnel GPRS (GTP). Giao thức GTP đựơc sử dụng để truyền tải các gói của UE giữa SGSN và GGSN tạo thành một kênh mang mạng lõi (CN Bearer) cho UE. Việc sử dụng truyền tunnel nhằm đạt được hai mục đích sau:

205


1. Truyền tunnel giữa SGSN và GGSN cho phép sử dụng các giao thức GPRS (chứ không phải các giao thức định tuyến IP và quản lý di động IP) bên trong miền PS để định tuyến và quản lý di động

2. Truyền tunnel làm cho truyền tải các gói cuả người sử dụng bên trong miền PS CN độc lập với các giao thức được sử dụng bên ngoài mạng UMTS. Vì thế mạng UMTS không cần biết các giao thức số liệu bên ngoài và có thể phát triển các giao thức UMTS một cách độc lập với các giao thức do UE và mạng ngoài sử dụng.

• Định tuyến đặc thù máy được sử dụng để chuyển các gói giữa UE và GGSN. SGSN và GGSN duy trì một mục định tuyến riêng trong PDP context cho từng UE (máy) có PDP context tích cực, đây là lý do sử dụng thuật ngữ các tuyến đặc thù máy. Đối với từng UE có PDP context tích cực mục định tuyến chứa trong GGSN sẽ xác định SGSN hiện phục vụ UE. Khi UE chuyển từ SGSN này sang SGSN khác, các thủ tục quản lý di động GPRS sẽ đảm bảo cập nhật các mục định tuyến trên SGSN và GGSN. (Các giao thức định tuyến IP thông thường không sử dụng định tuyến đặc thù máy, thay vào đó chúng sử dụng định tuyến dựa trên tiền tố).

• Các PDP context trong SGSN và GGSN chứa các thông tin sau: 1. Địa chỉ PDP: địa chỉ PDP được máy di động sử dụng để phát và nhận các gói 2. Thông tin định tuyến: thông tin được nút mạng sử dụng để xác định nơi chuyển

gói. Thông tin này bao gồm các số nhận dạng của các tunnel được thiết lập giữa SGSN và GGSN cho PDP context này và tên điểm truy nhập (APN)

3. APN (Access Point Name: tên điểm truy nhập): là một tên logic cho phép: (1) SGSN sử dụng để xác định GGSN nào sẽ được sử dụng cho UE, (2) GGSN xác định địa chỉ truy nhập các dịch vụ mà ngừi sử dụng yêu cầu, (3) địa chỉ truy nhập vào mạng ngoài nơi các gói của người sử dụng cần gửi đến

4. Các hồ sơ về chất lượng dịch vụ (QoS). Ba lọai hồ sơ QoS được định nghĩa: √ Hồ sơ QoS theo đăng ký: mô tả các đặc tính QoS được người sử dụng đăng ký

√ Hồ sơ QoS yêu cầu: mô tả QoS hiện đang được UE yêu cầu √ Hồ sơ QoS theo đàm phán: mô tả QoS thực tế được mạng cung cấp cho UE tại thời điểm hiện tại

SGSN chứa cả ba kiểu hồ sơ QoS nói trên. Nhưng GGSN chỉ chứa hồ sơ QoS được đàm phán.

206


Hình 5.4. Mô tả định tuyến giữa hai UE thuộc hai mạng di động khác nhau 5.6. CÁC SỐ NHẬN DẠNG KÊNH MANG VÀ CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC NHẬN DẠNG NÀY Các số nhận dạng kênh mang được mô tả trên hình 5.5 như sau:

Địa chỉ IP: trong lớp IP

Số nhận dạng điểm truy nhập dịch vụ mạng (NSAPI: Network ServiceAccess Point ): NSAPI được cung cấp bởi lớp giao thức nằm ngay dưới lớp IP để truyển các gói IP của người sử dụng

Số nhận dạng điểm cuối tunnel (TEID: Tunnel End Identity): nhận dạng đầu thu của một tunnel GTP. TEID được tạo ra từ IMSI và NSAPI liên kết với PDP context liên quan đến GTP tunnel được thiết lập. Các TEID của một GTP tunnel

207


được trao đổi giữa các đầu thu và đầu phát của tunnel trong quá trình thiết lập tunnel

Số nhận dạng RAB (RAB ID): nhận dạng RAB trong UE, RNC và SGSN

Số nhận dạng kênh mang vô tuyến (RB ID): nhận dạng RB trong UE và RNC

IP Address

NSAPI

RABID

RBID

RABID

RBID TEID TEID

RABID TEID TEID

PDP ContextPDP AddrressIMSIP-TMSI.........

NSAPI

PDP ContextPDP AddrressIMSIP-TMSI.........

NSAPI

UE RNC SGSN GGSN

GTP TunnelRadio Access Bearer

Radio Bearer Iu Bearer

X YChuyển đổi

Hình 5.5. Mô tả các số nhận dạng kênh mang

5.7. LẬP CẤU HÌNH ĐỊA CHỈ TRONG UE Để phát và thu các gói trong mạng UMTS, UE nhận được một địa chỉ PDP (địa chỉ IP) theo các cách sau: • Sử dụng địa chỉ tĩnh do mạng UMTS khách ấn định (mạng UMTS mà UE đăng

nhập hiện thời). Trong trường hợp này mạng UMTS khách phải đảm bảo rằng các gói của người sử dụng đựơc gửi theo đia chỉ PDP tĩnh luôn luôn được định tuyến đến GGSN đang phục vụ UE (ngược lại GGSN chuyển các gói này đến UE). UE thông báo cho mạng UMTS khách về địa chỉ PDP tĩnh trong quá trình tích cực PDP context

• Sử dụng địa chỉ PDP tĩnh do mạng IP bên ngoài ấn định. Trong trường hợp này mạng IP có thể là một mạng IP bất kỳ bên ngoài miền PS khách. Chẳng hạn một mạng IP bên ngoài có thể là một mạng IP trực thuộc nhà khai thác của miền PS khách, một mạng của nhà cung cấp dịch vụ (ISP), hay mạng IP nhà của UE. Trong trường hợp này địa chỉ PDP của UE có thể không phải là một bộ phận cuả không gian đánh địa chỉ IP của mạng UMTS khách. Mạng UMTS khách và mạng IP ngoài phải cùng nhau đảm bảo rằng các gói của người sử dụng được gửi theo điạ chỉ PDP tĩnh của UE có thể định tuyến đến GGSN đang phục vụ UE. UE sẽ thông

208


báo cho mạng UMTS khách về địa chỉ PDP tĩnh của mình trong quá trình tích cực PDP context

• Nhận địa chỉ PDP động từ mạng UMTS khách. Trong trường hợp này GGSN đang phục vụ UE trong mạng UMTS khách sẽ chịu trách nhiệm ấn định một địa chỉ PDP từ không gian địa chỉ PDP của nó cho UE trong quá trình tích cực PDP context

• Nhận địa chỉ PDP động từ một mạng IP ngoài. UE sẽ thông báo cho mạng khách về việc muốn có địa chỉ động trong quá trình tích cực PDP context. Điều này sẽ khởi động miền PS khách trước hết tích cực một PDP context mà không có địa chỉ PDP cho UE. PDP context này sẽ cho phép UE chuyển yêu cầu đến các mạng ngoài để nhận được các địa chỉ PDP và nhận các trả lời từ các server địa chỉ PDP trong mạng ngoài. GGSN đang phục vụ UE trong mạng khách phải hiểu được địa chỉ PDP do mạng ngoài ấn định cho UE để có thể gửi các gói theo địa chỉ PDP của UE.

Khi một UE sử dụng địa chỉ PDP ấn định động, địa chỉ PDP này có thể thay đổi

khi nó di động. Vì thế các máy đối tác có thể không biết được địa chỉ PDP hiện thời của UE và vì thế nó không thể khởi đầu thông tin với UE kết cuối. Thay vào đó nó có thể phải đợi được tiếp xúc với UE rồi mới có thể gửi các gói đến UE.

5.8. THỦ TỤC ĐĂNG NHẬP GPRS (CHO CHẾ ĐỘ Iu) Thủ tục đăng nhập GPRS được cho ở hình 5.6. 1. Bản tin yêu cầu đăng nhập cung cấp các thông tin quan trọng sau đây cho SGSN:

a) Các số nhận dạng UE: UE chỉ đưa vào bản tin yêu cầu đăng nhập GPRS một trong hai nhận dạng P-TMSI hoặc IMSI. Điều này cho phép ngăn ngừa kẻ phá hoại chặn bắt bản tin này và biết cách chuyển đổi giữa P-TMSI và IMSI từ bản tin này.

b) Chữ ký P-TMSI: Chữ ký P-TMSI là một số ba byte được SGSN ấn định cho UE để nhận thực P-TMSI. UE cũng có thể sử dụng chữ ký này để nhận thực nút mạng ấn định P-TMSI

c) Kiểu đăng nhập: Kiểu đăng nhập cho thấy yêu cầu đăng nhập chỉ nhằm đăng nhập GPRS (vì đã đang nhập IMSI rồi) hay kết hợp cả đăng nhập GPRS/IMSI

d) Thông tin vị trí: Sau khi đăng nhập thành công, SGSN sẽ bắt đầu theo dõi vị trí cuả UE. Vì thế bản tin yêu cầu đăng nhập phải cung cấp nhận dạng vùng định tuyến (RAI: Routing Area Identity) của vùng định tuyến hiện thời của UE. Vùng định tuyến gồm một hay nhiều RNC kết nối đến cùng một SGSN. SGSN sử dụng vùng định tuyến để theo dõi vị trí của UE

2. Sau khi nhận đựơc bản tin đăng nhập từ UE, SGSN thực hiện hai chức năng chính sau đây:

209


a) Nhận thực UE b) Thực hiện cập nhật vị trí nếu cần

3. Để hoàn thành đăng nhập GPRS thành công, SGSN phát bản tin tiếp nhận đăng nhập đến UE

UESGSN

mớiSGSN cũ EIR

Cập nhật vị trí

GGSN HLR

Yêu cầu đăng nhậpYêu cầu xác định

Trả lời xác định

Yêu cầu xác định

Trả lời xác định

Nhận thực và cấp phép Nhận thực và cấp phép

Xác định IMEI Xác định IMEI

Hủy bỏ vị trí

Chấp nhận hủy bỏ vị trí

Hủy bỏ yêu cầu PDP Context

Hủy bỏ đáp ứng PDP Context

Cung cấp số liệu thuê bao

Chấp nhận cung cấp số liệu thuê bao

Chấp nhận đăng nhập

Hoàn thành đăng nhập

Hình 5.6. Thủ tục đăng nhập GPRS 5.9. CÁC THỦ TỤC TÍCH CỰC PDP CONTEXT Tích cực PDP context bao gồm các chức năng chính sau đây:

1. Cấp phát địa chỉ PDP: Mạng cấp phát địa chỉ IP cho UE nếu cần 2. Thiết lập kênh mang CN: Mạng tạo lập và tích cực PDP context trong GGSN và

SGSN; mạng thiết lập tất cả các kênh mang cần thiết giữa SGSN và GGSN 3. Ấn định RAB: Mạng thiết lập các kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) để

truyền tải lưu lương người sử dụng và báo hiệu cho PDP con text được tích cực 5.9.1. Tích cực PDP context khởi xướng từ UE Thủ tục tích cực PDP context cho phiên khởi xướng từ UE được cho trên hình 5.7 gồm các bước sau:

210


Hình 5.7. Thủ tục tích cực PDP context

Yêu cầu tích cực PDP context: UE khởi xướng tích cực PDP context bằng cách gửi di yêu cầu này đén SGSN với các thông tin sau:

a. Địa chỉ PDP: Trường địa chỉ PDP có thể hoặc là địa chỉ PDP do UE đặc tả hoặc 0.0.0.0 để chỉ thị cho mạng rằng UE muốn nhận địa chỉ từ mạng IP ngoài.

b. Số nhận dạng điểm truy nhập dịch vụ lớp mạng (NSAPI): UE sử dụng NSAPI để gửi đi các gói khởi xướng từ địa chỉ PDP và nhận các gói gửi cho điạ chỉ PDP này.

c. Kiểu PDP: Chỉ thị kiểu PDP được UE sử dụng là: (1) giao thức điểm đến điểm (PPP) hay X.25.

d. Tên điểm truy nhập (APN): Chứa APN mà UE yêu cầu e. QoS yêu cầu: Chứa hồ sơ QoS được UE yêu cầu f. Các tuỳ chọn cấu hình PDP: UE sử dụng để thông tin trực tiếp các thông

số tùy chọn với GGSN (SGSN không thể diễn giải được các thông số này).

UE sử dụng một APN để chọn một dịch vụ (hay một GGSN) trong miền PS hay một điểm giao tiếp trong một mạng gói ngoài. Một APN có hai phần chính:

1. Số nhận dạng mạng APN: đây là phần bắt buộc. Phần này nhận xác định GGSN sẽ nối đến mạng ngoài nào hay UE yêu cầu dịch vụ miền PS nào.

2. Số nhận dạng nhà khai thác APN: đây là phần tùy chọn. Phần này xác định GGSN nằm trong mạng PLMN nào.

SGSN sử dụng APN nhận được từ UE và thông tin cấu hình lưu trong SGSN để chọn một GGSN phục vụ UE.

Bản tin yêu cầu tạo lập PDP context: Sau khi đã đã chọn đựơc GGSN, SGSN gửi đi bản tin này để yêu cầu GGSN thiết lập PDP context cho UE và GTP tunnel để truyền tải các gói của người sử dụng cho PDP context này. Bản tin chứa các phần tử thông tin chính sau:

211


1. NSAPI: được copy từ trường tương tự trong bản tin yêu cầu PDP context nhận được từ UE.

2. Kiểu PDP: được copy từ trường tương tự trong bản tin yêu cầu tích cực PDP context nhận được từ UE.

3. Địa chỉ PDP: địa chỉ PDP nhận được từ bản tin yêu cầu tích cực PDP context nhận được từ UE.

4. APN: chứa nhận dạng mạng APN của APN được SGSN lựa chọn cho UE.

5. QoS đàm phán: Hồ sơ QoS mà SGSN đồng ý hỗ trợ UE. 6. Điểm cuối tunnel (TEID): TEID được tạo lập bởi SGSN dựa trên IMSI

của UE và trên NSAPI trong bản tin yêu cầu tích cực PDP context nhận được từ UE. TEID xác định đầu SGSN của GTP tunnel giữa SGSN và GGSN đối với UE. GGSN sẽ sử dụng TEID này để truyền các gói PDP trên tunnel GTP đến SGSN.

7. Chế độ chọn: Chỉ thị APN được mạng trong yêu cầu tích cực PDP context là APN do thuê bao đăng ký hay do SGSN lựa chọn.

8. Các đặc trưng tính cước: Chỉ thị kiểu tính cước PDP context nào có khả năng thực hiện.

9. Các tùy chọn cấu hình PDP: được copy lại từ bản tin yêu cầu tích cực PDP context nhận được từ UE.

GGSN tạo lập một PDP context mới và đặt nó vào bảng PDP context của mình. GGSN cũng sẽ thiết lập một kênh mang CN (tunnel GTP) giữa GGSN và SGSN cho PDP context.

Bản tin trả lời tạo lập PDP context mang các thông tin sau: 1. TEID: TEID được GGSN tạo ra để nhận dạng đầu GGSN của GTP

tunnel được tạo ra cho một PDP context. SGSN sử dụng TEID để truyền tunnel các gói của người sử dụng trên GTP tunnel đến GGSN

2. Địa chỉ PDP: trường địa chỉ PDP chứa địa chỉ PDP do GGSN ấn định cho UE hay 0.0.0.0 nếu UE yêu cầu nhận địa chỉ từ một mạng ngoài.

3. QoS đàm phán: chứa hồ sơ QoS được GGSN chấp thuận 4. Các cấu hình tùy chọn PDP: phần tử thông tin này được truyền trong

suốt đến UE qua các nút trung gian như: SGSN, RAN. Các nút trung gian không thể diễn giải đựơc thông tin này.

Sau khi nhận được trả lời tạo lập PDP context, SGSN sẽ khởi đầu quá trình thiết

lập RAB cho UE. SGSN gửi bản tin truy nguyên (Trace) đến RNC(Invoke Trace) để yêu cầu RAN

bắt đầu thu thập thông kê các tài nguyên mạng được sử dụng cho PDP context.

212


Bản tin yêu cầu cập nhật PDP context: Nếu các thuộc tính QoS của một RAB bất kỳ được thiết lập tồi hơn hồ sơ QoS trong PDP context được lưu tại GGSN, SGSN sẽ giửi bản này để thông báo cho GGSN.

Trả lời cập nhật PDP context (bản tin đồng ý): Khi nhận đựơc bản tin yêu cầu cập nhật, GGSN sẽ gửi bản tin này cho SGSN để thông báo đồng ý cập nhật

Tiếp nhận tích cực PDP context : SGSN sẽ gửi bản tin này để thông báo cho UE về việc tích cực thành công PDP context.

5.9.2. Đàm phán QOS Quá trình đàm phán QoS cho dịch dịch vụ trong UMTS được mô tả trên hình 5.8. Trước hết UE gửi yêu cầu về QoS cho một dịch vụ GPRS (yêu cầu PDP context ) đến SGSN. Trong thí dụ này yêu cầu là loại dịch vụ luồng có tốc độ số liệu 192 kbps. Yêu cầu này đựơc chuyển trong suốt đến SGSN bằng cách sử dụng các bản tin truyền trực tiếp của RRC (điều khiển tài nguyên vô tuyến) và RANAP (phần ứng dụng truy nhập vô tuyến). Tiếp theo SGSN quyết định xem nó có đảm bảo yêu cầu QoS hay không và sau đó nó gửi yêu cầu tạo lập PDP context đến GGSN. Khi này GGSN giảm tốc độ của yêu cầu QoS từ 192 kbps xuống còn 128 kbps do thiếu băng thông và trả lời SGSN bằng trả lời tạo lập PDP context chứa QoS đã bị điều chỉnh.

Yêu cầu tích cực PDP Context

UE RNC SGSN GGSN

Thiết lập kênh mang vô tuyến RRC

Đáp ứng gán RAB

Các tham số QoSTốc độ số liệu =192kbps

Lớp lưu lượng =lớp luồng

Yêu cầu tạo lập PDP Context



Trả lời tạo lập PDP Context



Yêu cầu gán RAB

Tốc độ bit =64kbpsLớp lưu lượng =lớp luồng

Chấp nhận tích cực PDP Context



Hình 5.8. Mô tả quá trình đàm phán QoS

213


Khi này QoS đã được đàm phán cho đường trục và cho kết nối GGSN đến nơi nhận cuối cùng. Tuy nhiên như ta thấy trên hình 5.9, chính SGSN chịu trách nhiệm cho QoS của mạng lõi chuyển mạch gói và dựa trên tài nguyên khả dụng của nó, nó lại quyết định hạ thấp băng thông xuống còn 64 kbps.

Để chuyển số liệu giữa SGSN và UE cần cung cấp RAB. SGSN gửi yêu cầu ấn định RAB đến RNC. RNC sẽ xác định xem có đủ tài nguyên trên giao diện Uu và trong UTRAN cho yêu cầu hay không. Nó thực hiện điều này thông qua các thủ tục điều khiển tải và lập biểu cuả quản lý tài nguyên vô tuyến. Nếu đủ, nó lệnh cho node B sử dụng NBAP (phần ứng dụng node B) để lập lại cấu hình cho liên kết vô tuyến để hỗ trợ kênh mang mới và sau đó gửi bản tin thiết lập kênh mang vô tuyến đến UE thông qua kết nối báo hiệu hiện có. UE khẳng định với RNC rằng nó đã ấn định kênh mang thu mới (hoàn thành ấn định kênh mang vô tuyến) và sau đó RNC kẳng định ấn định RAB với SGSN (trả lời ấn định RAB). Lúc này SGSN trả lời cho UE rằng PDP context đã được tích cực với tốc độ số liệu mới 64 kbps.

Trong toàn bộ quá trình trên, từng phần tử chịu trách nhiệm điều khiển các bộ phận khác nhau của tài nguyên mạng có thể tái đàm phán các thông số QoS. Chẳng hạn nếu RNC không có đủ tài nguyên vô tuyến trong ô đích để đảm bảo tốc độ số liệu yêu cầu, thì nó có thể tự do đàm phán lại với phía dưới. 5.9.3. Tích cực PDP context theo yêu cầu từ mạng Khi GGSN cần gửi các gói của người sử dụng đến một địa chỉ PDP nhưng chưa có PDP context được tích cực cho đạ chỉ này, nó thể sử dụng thủ tục tích cực PDP context theo yêu cầu mạng để tích cực PDP context cho việc truyền các gói này. Để hỗ trợ tích cực PDP context theo yêu cầu từ phía mạng, GGSN phải có thông tin cố định về địa chỉ PDP. Chẳng hạn GGSN phải biết được IMSI của UE hỏi HLR về SGSN nào đang phục vụ UE kết cuối, thông tin cố định gì được lưu cho địa chỉ PDP, nơi lưu nó. Thủ tục tích cực PDP context từ phía mạng được cho trên hình 5.9.

UE SGSN GGSN

4. Yêu cầu thông báo PDP

5. Trả lời thông báo PDP

7. Tích cực khởi đầu từ di động

HLR

2. Gửi thông tin định tuyến cho GPRS

3. Chấp nhận thông tin định tuyến cho GPRS

1. Gói tin người sử dụng

6. Yêu cầu tích cực PDP Context

Hình 5.9. Thủ tục tích cực PDP context theo yêu cầu từ mạng

214


Quá trình tích cực PDP context khởi xướng từ phía mạng mang được khởi xứơng

bởi một yêu cầu hãy gửi thông tin định tuyến cho GPRS chứa thông tin định tuyến IMSI đến HLR. HLR sử dụng thông tin này để quyết định có cho phép yêu cầu này hay không và tìm thông tin được yêu cầu liên quan đến UE trong cơ sở dữ liệu của HLR.

Nếu HLR đồng ý cho phép, nó gửi bản tin công nhận yêu cầu hãy gửi thông tin định tuyến cho GPRS chứa địa chỉ của SGSN phục vụ UE cho SGSN, trái lại bản tin này chứa nguyên nhân lỗi

GGSN gửi bản tin yêu cầu thông báo PDP đến SGSN phục vụ UE, ra lệnh SGSN này yêu cầu UE khởi xướng PDP context. Bản tin này chứa IMSI cuả UE, kiểu PDP, địa chỉ PDP (PDP context cần tích cực cho địa chỉ này), APN (SGSN cần xác định GGSN mà nó sẽ nối tới theo APN này).

SGSN gửi ngược bản tin trả lời thông báo PDP đến GGSN rằng nó tiếp nhận yêu cầu của GGSN

SGSN gửi bản tin yêu cầu tích cực PDP context đến UE, ra lệnh UE khởi đầu thủ tục tích cực PDP context theo địa chỉ PDP được đặc tả trong bản tin này. Bản tin này cũng chứa APN mà SGSN nhận được từ GGSN. APN này sau đó sẽ được UE sử dụng trong thủ tục tích cực PDP context.

5.10. CÁC TRẠNG THÁI PDP CONTEXT VÀ CHUYỂN ĐỔI TRẠNG THÁI 5.10.1. Các trạng thái PDP context PDP context có thể nằm trong trạng thái tích cực (Active) hoặc không tích cực (Inactive): • Trạng thái tích cực: Trong trạng thái tích cực, PDP context chứa thông tin cập nhật

để chuyển gói giữa UE và GGSN. Tuy nhiên việc PDP context nằm ở trạng thái tích cực không có nghĩa là các RAB cần để truyền tải các gói cuả người sử dụng trên RAN đã được thiết lập. Các RAB chỉ có thể được thiết lập khi UE có các gói để gửi đến mạng hay mạng có các gói để gửi đến UE

• Trạng thái không tích cực: PDP context trong trạng thái không tích cực có thể chứa một địa chỉ PDP hợp lệ, nhưng nó không chứa định tuyến hợp lệ và thông tin chuyển đổi cần thiết để xác định các xử lý gói. Không thể truyền số liệu giữa UE và mạng. Sự thay đổi vị trí của UE không gây ra cập nhật PDP context.

5.10.2. Các chuyển đổi trạng thái PDP context

215


Hình 5.10 cho thấy các chuyển đổi trạng thái PDP context.

Tích cực PDP Context

Thôi tích cực PDP Context

Thôi tích cực PDP Context hoặc thay đổi trạng thái quán lý di

động thành PMM-IDLE hoặc PMM-DETACHED

Tích cực PDP Context

Thay đổi PDP Context

Hình 5.10. Các chuyển đổi trạng thái PDP context Hình 5.10 mô tả các hành động có thể thực hiện trong một PDP context và các hành động này dẫn đến chuyển đổi giữa các trạng thái tích cực và không tích cực như thế nào.

Tích cực PDP context: Tích cực PDP context sẽ tạo lập và tích cực một PDP context PDP Context. Tich cực PDP context thành công sẽ chuyển PDP context từ trạng thái không tích cực vào trạng thái tích cực. UE hay GGSN có thể khởi xứơng thủ tục tích cực PDP context. Tuy nhiên GGSN chỉ có thể khởi xứơng tích cực PDP context trong một số điều kiện hạn chế.

Thay đổi PDP context: hành động này dẫn đến thay đổi các đặc tính của một PDP context tích cực. Chẳng hạn nó có thể được sử dụng để thay đổi điạ chỉ PDP hay các thuộc tính của hồ sơ QoS đựơc mạng hỗ trợ. UE, UTRAN, SGSN hay GGSN đều có thể khởi xướng thủ tục thay đổi PDP context. Tuy nhiên Các quy định của phát hành UMTS R5 chỉ cho phép GGSN được khởi xướng thay thủ tục đổi này để thay đổi địa chỉ PDP.

Thôi tích cực PDP context: Hành động này loại bỏ một PDP context hiện có. Thủ tục này chuyển một PDP context từ trạng thái tích cực vào trạng thái không tích cực. Trạng thái của một PDP context cũng có thể chuyển đổi từ tích cực vào không tích cực khi trạng thái quản lý di động gói (PMM: Packet Mobility Management) của UE chuyển vào PMM-IDLE (PMM rỗi) hay PMM-DETACHED (Hủy đăng nhập PMM)

5.10.3. Thay đổi PDP context

216


Phát hành R5 chỉ cho phép GGSN khởi xướng quá trình thay đổi địa chỉ PDP trong một PDP contex tích cực. Tuy nhiên UE, GGSN, SGSN và RAN đều có thể khởi xướng thay đổi hồ sơ QoS. Hình 5.11 cho thấy thủ tục thay đổi PDP context được khởi xướng bởi GGSN.

RNC SGSN GGSN

Máy di động

1. Yêu cầu cập nhật PDP Context

2. Yêu cầu sửa đổi PDP Context

3. Chấp nhận sửa đổi PDP Context

4. Thủ tục gán RAB (sửa đổi RAB hiện thời)5. Trả lời cập nhật

PDP Context

Hình 5.11. Thủ tục thay đổi PDP context được khởi xứơng bởi GGSN • GGSN khởi xướng thủ tục thay đổi PDP context bằng cách phát đi bản tin yêu cầu

cập nhật PDP context đến SGSN. Bản tin này mang các phần tử thông tin sau:

a) TEID: Chứa TEID để nhận dạng đầu SGSN của GTP tunnel liên quan đến PDP context cần thay đổi.

b) NSAPI: Chứa NSAPI để nhận dạng PDP context cần thay đổi. c) Địa chỉ PDP: Chứa địa chỉ PDP mới nếu GGSN muốn thay đổi địa chỉ này. Đây là trường tùy chọn.

d) QoS yêu cầu: Chứa hồ sơ QoS mới do GGSN đề xuất.QoS Requested: Contains the new QoS profile suggested by the GGSN.

• SGSN gửi bản tin yêu cầu sử đổi PDP context: Sửa đổi địa chỉ PDP và QoS theo

yêu cầu cuả GGSN • MS gửi bản tin chấp nhận sửa đổi • SGSN khởi xướng thít lập RAB mới nếu cần thay đổi QoS • Bản tin trả lời cập nhật PDP context mang các phần tử thông tin sau:

a) TEID: Chứa TEID để nhận dạng đầu GGSN của GTP tunnel liên quan đến PDP context cần thay

b) QoS đàm phán: Chứa hồ sơ QoS mới đã được SGSN và UE đồng ý. 5.11. CÁC THỦ TỤC ẤN ĐỊNH KÊNH MANG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN (RAB) Ấn định, thay đổi và giải phóng RAB được thực hiện bằng cách sử dụng thủ tục ấn định RAB. Theo phát hành R5, UE không thể khởi đầu thủ tục ấn định RAB và, chỉ

217


mạng được phép khởi đầu thủ tục này. Chẳng hạn, SGSN khởi xướng ấn định RAB cho các dịch vụ chuyển mạch gói dưới sự khởi động bởi các phần tử khác trong CN hoặc trong RAN. Chẳng hạn SGSN có thể khởi đầu thủ tục ấn định RAB khi nhận được bản tin trả lời tạo lập PDP context từ GGSN để thông báo cho nó rằng quá trình tạo lập PDP context đã thành công. Như mô tả của hình 5.12. SGSN khởi đầu thủ tục ấn định RAB bằng cách gửi đi bản tin yêu cầu ấn định RAB trên giao diện Iu đến RNC để yêu cầu thiết lập, thay đổi hay giải phóng một hay nhiều RAB. Khi nhận được yêu cầu ấn định RAB, RNC khởi đầu quá trình thiết lập thay đổi hay giải phóng các kênh mang vô tuyến (RB) cho các RAB được chỉ ra trong bản tin yêu cầu định RAB. RB được thiết lập bằng cách sử dụng các thủ tục đặc thù từng hệ thống vô tuyến. Chẳng hạn, trong GERAN hay trong UTRAN, giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) sẽ được sử dụng để thiết lập, duy trì và giải phóng các RB. RNC sử dụng các trả lời ấn định RAB để thông báo cho SGSN về kết quả yêu cầu ấn định RAB. Nhiều trả lời ấn định RAB có thể được gửi đến SGSN cho từng yêu cầu ấn định RAB để báo cáo tiến trình và trạng thái cuả các hành đọng được thực hiện bởi RNC để thỏa mãn yêu cầu ấn định RAB. Chẳng hạn yêu cấu thiết lập RAB có thể được RNC đặt và hàng đợi vì nó đang xử lý các RAB khác. Trong trường hợp này, RNC có thể gửi trả lời ấn định RAB thứ nhất để thông báo rằng yêu cầu này nằm trong hàng đợi và sau đó gửi đi trả lời ấn định RAB thứ hai khi RB được thiết lập thành công cho RAB yêu cầu. Trong quá trình ấn định RAB, SGSN đàm phán với RAN về hồ sơ QoS cho UE. Chẳng hạn nếu các trả lời ấn định RAB chỉ thị rằng không thể thiết lập RAB vì mạng vô tuyến không thể hỗ trợ hồ sơ QOS yêu cầu, SGSN có thể gửi đi yêu cầu ấn định RAB mới với một hồ sơ QoS khác để thử thiết lập lại RAB này. Nhà khai thác mạng có thể điều khiển số lần SGSN thử thiết lập lại một RAB và cách thức thay đổi hồ sơ QoS cho mỗi thử lại (việc thực hiện quá trình này là độc lập và có thể lập lại cấu hình thông số).

RNC SGSN

Máy di động

1. Yêu cầu gán RAB

2. Thiết lập, sửa đổi và giải phóng sóng mang vô tuyến

3. Trả lời gán RAB

Hình 5.12. Mô tả thủ tục ấn định RAB

218


5.12. KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC MIỀN CHUYỂN MẠCH GÓI

Các giao thức chính trong miền chuyển mạch gói của UMTS gồm Gn, Gp, Iu, Gi, Gs, Gc, và Gr. Trong phần này ta sẽ xét các giao thức này.

5.12.1. Các giao diện Gn, Gp và giao thức truyền tunnel GPRS. Giao diện Gn được sử dụng giữa SGSN và GGSN cũng như giữa các SGSN trong cùng một mạng. Giao diện Gp được sử dụng giữa SGSN và GGSN trong các mạng khác nhau. Từ hình 5.13a và 5.13b ta thấy giao thức cho giao diện Gn (GP) của hai mặt phẳng điều khiển và người sử dụng đều là giao thức giao thức truyền tunnel GTP. GTP cũng được sử dụng để truyền tunnel giữa RAN và SGSN.

GTP-U

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

SGSN

GTP-U

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

GGSN(a) Mặt phẳng giao diện người

sử dụng Gn và Gp

GTP-C

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

SGSN

GTP-C

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

GGSN(a) Mặt phẳng giao diện điều

khiển Gn và Gp Hình 5.13. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của giao diện Gn và Gp IETF đã định nghĩa một số giao thức truyền tunnel trên các mạng IP. Các giao thức này gổm: giao thức đóng bao định tuyến chung (GRE: Generic Routing Encapsulation ) và giao thức IP trong IP (IP-in-IP). Tuy nhiên khi thay thế các giao thức tiêu chuẩn này cho GTP cần lưu ý rằng giao thức GTP còn được sử dụng để truyền báo hiệu cho: tích cực, thôi tích cực hoặc thay đổi PDPcontext. Vì thế nó không chỉ đơn thuần là một giao thức truyền tunnel. GTP được sử dụng cho quản lý di động bên trong miền PS CN (giữa SGSN và GGSN để duy trì các tuyến CN đặc thù máy cho UE khi nó di động). Vì thế khi thay GTP bằng giao thức truyền tunnel tiêu chuẩn theo IETF, quản lý di động phải được hỗ trợ bằng phương pháp khác. Có một số giải pháp quản lý di động sau đây: • Tiếp tục sử dụng các PPD context: có thể tiếp tục sử dụng các PDP context khi

một giao thức truyền tunnel tiêu chuẩn được sử dụng để truyền tunnel các gói giữa SGSN và GGSN và giữa các SGSN. Phần giao thức GTP được sử dụng để xử lý các PDP context vẫn tiếp tục được sử dụng để xử lý các PDP context trong SGSN

219


và GGSN. Tuy nhiên cách này có vẻ như không hiệu quả lắm so với cách sử dụng GTP hiện thời

• Không sử dụng các PDP context: nếu các PDP context không còn được sử dụng nữa, cần phải có một giao thức để hỗ trợ quản lý di động trong miền PS CN. Thí dụ, giao thức này phải đảm bảo rằng GGSN luôn luôn biết được SGSN phục vụ UE. Thí dụ về giao thức này là MIP và HAWAII.

GTP bao gồm hai tập bản tin và thủ tục. Một tập bản tin và thủ tục tạo nên mặt

phẳng điều khiển: GTP-C. GTP-C được sử dụng để quản lý (tạo lập, thay đổi và giải phóng) các tunnel GTP-U (GTP cho mặt phẳng người sử dụng để truyền tunnel các gói của người sử dụng), để quản lý các PDP context, để quản lý vị trí và để quản lý di động. Tập bản tin và thủ tục thứ hai của GTP tạo nên GTP mặt phẳng người sử dụng (GTP-U). GTP-U được sử dụng để thiết lập và quản lý các tunnel GTP cho việc truyền tunnel các gói của người sử dụng. Đối với mỗi PDP context tích cực cần thiết lập một tunnel GTP-U giữa SGSN và GGSN. Tuy nhiên nhiều PDP context với cùng một địa chỉ PDP sẽ chia sẻ chung một tunnel GTP-C.

Có thể chia chức năng chính cũng như các bản tin của GTP thành các loại sau:

Quản lý tunnel: Các bản tin quản lý tunnel của GTP được sử dụng để tích cực, thay đổi và giải phóng các PDP context cũng như các tunnel giữa SGSN và GGSN liên quan đến nó.

Quản lý vị trí: Các bản tin quản lý vị của GTP được GGSN sử dụng để thu nhận thông tin vị trí từ HLR. Tuy nhiên HLR hiện thời chủ yếu đựơc thiết kế cho các mạng di động chuyển mạch kênh và vì thế chúng sử dụng giao thức MAP (Mobile Application Part) lúc đầu được thiết kế cho các mạng di động chuyển mạch kênh. Vì thế cần phải có một chuyển đổi giao thức để chuyển đổi giữa các bản tin quản lý di vị tri cuả GTP và các bản tin MAP.

Quản lý di động: Các bản tin quản lý di động của GTP được sử dụng để truyền thông tin liên quan đến di động giữa các SGSN, Chẳng hạn thông tin này được truyền từ một SGSN này đến một SGSN khác khi một UE thực hiện một đăng nhập GPRS, thực hiện cập nhật định tuyến với một SGSN mới, hay thực hiện chuyển giao giữa các SGSN.

Quản lý tuyến: Các bản tin quản lý tuyến được một nút sử dụng để xác định xem của một nút đồng cấp có còn hiệu lực hay không và thông báo cho nó rằng cần hỗ trợ các mở rộng tiêu đề nào.

Tiếp theo ta sẽ trình bày các bản tin quản lý tunnel của GTP. Các bản tin này bao

gồm: Yêu cầu/trả lời tạo lập PDP context: SGSN gửi yêu cầu tích cực PDP context đến

GGSN trong thủ tục tích cực PDP context để yêu cầu thiết lập PDP context. Trả lời

220


tạo lập PDP context được GGSN phát để trả lời yêu cầu tạo lập PDP context mà nó nhận được.

Yêu cầu/trả lời cập nhật PDP context: GGSN có thể giửi yêu cầu cập nhật PDP context đến SGSN để thay đổi PDP context. Chẳng hạn GGSN có thể biết được địa chỉ PDP sau khi PDP context được tích cực và nó sử dụng yêu cầu cập nhật PDP context để thông báo cho SGSN về PDP context này. GGSN cũng có thể sử dụng yêu cầu cập nhật PDP context để yêu cầu SGSN thay đổi PDP context. Bản tin trả lời cập nhật PDP context là bản tin được gửi từ SGSN đến GGSN để trả lời yêu cầu cập nhật PDP context

Yêu cầu/trả lời xoá PDP context: SGSN gửi bản tin xóa PDP context đến GGSN trong thủ tục rời GPRS hay thủ tuc thôi tích cực GPRS khởi xứơng từ GGSN để yêu cầu xóa một PDP context. Bản tin trả lời xóa PDP context được sử dụng để trả lời bản tin yêu cầu này

Yêu cầu/trả lời thông báo PDP: Yêu cầu thông báo PDP được GGSN gửi đến SGSN trong thủ tục tích cực PDP context khởi xướng từ mạng để yêu cầu SGSN khởi đầu thủ tục tích cực PDP context khởi xướng từ mạng. Trả lời thông báo PDP là bản tin để trả lời yêu cầu này

Yêu cầu/trả lời từ chối thông báo PDP: Nếu nhận được yêu cầu thông báo PDP từ GGSN, nhưng SGSN không thể thực hiện được yêu cầu này, nó sẽ gửi bản tin yêu cầu từ chối thông báo PDP đến GGSN. Bản tin trả lời từ chối thông báo PDP là trả lời của GGSN

Chỉ thị lỗi: Khi GSN nhận được một gói cuả người sử dụng mà chưa có PDP context tích cực hoặc RAB, GSN này sẽ gửi trả lời bản tin chỉ thị lỗi đến phần tử mạng gửi gói này cho nó.

GTP-C và GTP-U sử dụng cùng một tiêu đề (hình 5.14).

221


Phiên bản PT (*) E S PN

Kiểu bản tin

Chiều dài (byte 1)

Chiều dài (byte 2)

Số nhận dạng điểm cuối Tunnel (byte 1)




Số trình tự (tùy chọn) (byte 1)

Số trình tự (tùy chọn) (byte 2)

Số N-PDU (tùy chọn)

Loại tiêu đề mở rộng tiếp theo (tùy chọn)

8 7 6 5 3 2 14

Hình 5.14. Khuôn dạng tiêu đề GTP,

Khuôn dạng cuả tiêu đề này chứa các trường và các cờ sau đây:

Phiên bản (Version): Chứa phiên bản GTP và được đặt bằng 1 đối với phiên bản hiện thời

Kiểu giao thức (PT: Protocol Type): Chỉ thị giao thức GTP giao thức được định nhĩa cho UMTS hay GSM

Cờ mở rộng tiêu đề (E: Extension Header Flag): Chỉ thị sẽ có tiêu đề mở trộng tiếp theo hay không. Tiêu đề mở rộng cho phép mở rộng khuôn dạng bản tin để mang thông tin không được định nghĩa trong khuôn dạng cơ sở.

Cờ số trình tự (S: Sequebce Number Flag): Chỉ thị sự có mặt cuả trường số trình tự

Cờ số N-PDU (PN: N-PDU Number Flag): Chỉ thị sự có mặt cuả trường số N-PDU. Trường này được sử dụng trong thủ tục cập nhật định tuyến giữa các SGSN và một số thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống để phối hợp truyền dẫn số liệu giữa UE và SGSN

Kiểu bản tin (Message Type): Chỉ thị kiểu bản tin GTP Độ dài (length): Chỉ thị độ dài theo Byte của tải tin. Tải tin được coi là phần bắt đầu ngay sau tám byte đầu tiên của tiêu đề GTP

222


Số nhận dạng điểm cuối tunnel (TEID): TEID xác định đơn trị điểm cuối tunnel tại đầu thu của tunnel. Đầu thu tunnel ấn định một giá trị TEI tại chỗ. Sau đó TEID này được gửi đến đầu phát tunnel qua GTP-C (hay RANAP trên giao diện Iu-PS) để đầu này sử dụng truyền các bản tin trong tunnel

Số trình tự (Sequence Number): GTP-C so sánh số này của bản tin trả lời với bản tin yêu cầu để đảm bảo thứ tự truyền dẫn gói (GTP-U cũng sử dụng số này cho mục đích đó)

5.12. 2. Giao diện Iu-PS Giao diện Iu-PS nối RAN với miền PS CN. Ngăn xếp giao thức của Iu-PS cho mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển được cho trên hình 5.15.

GTP-U

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

RNC

GTP-U

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

SGSN(a) Mặt phẳng người sử dụng

Iu-PS

RANAP

SCCPKênh

mang báo hiệu

AAL5

ATM

RNC(a) Mặt phẳng điều khiển

Iu-PS

RANAP

SCCPKênh

mang báo hiệu

AAL5

ATM

SGSN

Hình 5.15. Ngăn xếp giao thức của giao diện Iu-PS Giao diện Iu-PS cho phép:

Quản lý tunnel: Giao diện Iu-PS cung cấp các thủ tục để: thiết lập, duy trì và giải phóng các GTP tunnel giữa RNC và SGSN (các GTP tunnel này dùng để truyền tải các gói giữa RNC và SGSN)

Quản lý RAB: Giao diện Iu-PS cung cấp các thủ tục: thiết lập, duy trì và giải phóng các RAB. Nhắc lại rằng RAB là một kết nối giữa các UE và CN sử dụng các tài nguyên vô tuyến được ấn định để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu giữa UE và SGSN. SGSN điều khiển RAN để thiết lập thay đổi và giải phóng các RAB

Quản lý tài nguyên vô tuyến: Khi RNC thông qua giao diện Iu-PS nhận được một yêu cầu từ CN về thiết lập hay thay đổi một RAB, RNC sẽ phân tích các tài nguyên vô tuyến hiện khả dụng trong RAN để quyết định có nên tiếp nhận yêu cầu hay từ chối nó. Quá trình này được gọi là điều khiển tiếp nhận tài nguyên vô tuyến trong UMTS

Quản lý di động: Giao diện Iu-PS đảm bảo các thủ tục hỗ trợ chuyển giao giữa các RNC. Chẳng hạn giao diện Iu-PS cung cấp các thủ tục để đặt lại RNS phục vụ.

223


Thủ tục này sẽ chuyển phía RNS của một kết nối RANAP từ RNS này đến RNS khác. Thủ tục này cần thiết để hỗ trợ chuyển giao giữa các RNS. Iu-PS cũng đảm bảo các chức năng tìm gọi. Ngoài ra giao diện này cũng đảm bảo các chức năng báo cáo vị trí địa lý của UE cho CN để mạng hỗ trợ các dịch vụ định vị.

Phần ứng dung mạng truy nhập vô tuyến (RANAP) được sử dụng làm giao thức

báo hiệu để hỗ trợ các chức năng trên giao diện Iu-CS. Ngoài các chức năng được trình bầy ở trên, giao thức RANAP còn đóng bao các bản tin báo hiệu lớp cao để truyền chúng trong suốt qua giao diện Iu-CS. RANAP sử dụng SCCP (Signaling Connection Control Part) của SS7. SCCP là giao thức lớp truyền tải, nó cung cấp các khả năng giống như UDP và TCP của mạng IP. Nhưng SCCP sử dụng AAL5 của ATM. Mỗi UE sử dụng một kết nối SCCP riêng để truyền tải các bản tin RANAP liên quan đến UE.

Trên mặt phẳng người sử dụng, các tunnel GTP-U được sử dụng để truyền tải các gói cuả người sử dụng. Các tunnel GTP này được thực hiện trên UDP/IP. UDP/IP trong trường hợp này có thể sử dụng các công nghệ lớp dưới bất kỳ. Điều cần lưu ý là mặc dù GTP-C có thể đảm bảo các khả năng báo hiệu để thiết lập và quản lý các GTP-U tunnel, R5 vẫn sử dụng giao thức RANAP thay vì GTP-C để điều khiển các GTP-U trên giao diện Iu-PS.

5.12.3. Các giao diện Gi, Gr, Gc và Gs GGSN sử dụng giao diện Gi để kết nối đến mạng IP bên ngoài trong cùng một miền quản trị hoặc trong miền quản trị khác. Giao thức định tuyến IP tiêu chẩn tại giao diện Gi được mô tả trên hình 5.16.

IP

Lớp 2

Lớp 1

GGSN

IP

Lớp 2

Lớp 1

Mạng IP ngoài

Gi

Hình 5.16. Ngăn xếp giao thức Gi tiêu chuẩn Vì giao thức IP tiêu chuẩn được sử dụng nên các mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển giống nhau. Giao diện Gr là giao diện giữa SGSN và HLR, con giao diện Gc là giao diện giữa GGSN và HLR. Ngăn xếp giao thức tại các giao diện này giống nhau và nằm trong mặt phẳng điều khiển (xem hình 5.17).

224


TCAP

SCCPKênh

mang báo hiệu

SGSN hoặc GGSN HLR

Gr hoặc Gc

MAP

TCAP

SCCPKênh

mang báo hiệu

MAP

Hình 5.17. Ngăn xếp giao thức tại giao diện Gr và Gc Giao thức MAP được sử dụng cho báo hiệu trên các giao diện Gr và Gc. MAP được đặt trên giao thức TCAP của báo hiệu S7. TCAP được truyền tải trên SS7 SCCP còn SCCP sử dụng các kết nối ATM. GGSN cũng có thể sử dụng GTP-C để tương tác với HLR. Trong trường hợp này cần có một giao thức chuyển đổi giữa GTP-C và MAP vì hầu hết các HLR hiện nay đều không hiểu GTP-C. Hình 5.18 mô tả ngăn xếp giao thức chuyển đổi này.

GTP-C

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

SGSN

GTP-C

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

GSN đóng vai trò là bộ chuyển đổi giao thức

Gn

MAP

TCAP

SCCP

MTP3

MTP2

Lớp 1

MAP

TCAP

SCCP

MTP3

MTP2

Lớp 1

HLR

Gc

Hình 4.18. Mô tả ngăn xếp giao thức chuyển đổi giữa GTP-C và MAP tại giao diện Gc Gs là giao diện giữa SGSN và MSC/VLR. Giao diện này cũng sử dụng các giao thức báo hiệu SS7. Hình 5.19 mô tả ngăn xếp giao thức tại Gs.

225


BSSAP+

SCCP

Vật mang báo hiệu

SGSN MSC

Gs

BSSAP+

SCCP

Vật mang báo hiệu

Hình 5.19. Ngăn xếp giao thức tại giao diện Gs giữa SGSN và MSC SS7 BSSAP+ (Base Station System Application Part) được sử dụng làm giao thức báo hiệu giữa SGSN và MSC. BSSAP+ được truyền tải bởi giao thức SS7 SCCP. 5.12.4. Kiến trúc giao thức từ UE đến GGSN 1. Kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng giữa UE và GGSN Hình 5.20 cho thấy các ngăn xếp báo hiệu trong mặt phẳng người sử dụng giữa UE và GGSN. Tại giao diện vô tuyến (giao diện Uu), giao thức hội tụ số liệu gói (PDCP: Packet Data Convergence Protocol) được sử dụng để truyền tải các gói của các lớp cao hơn. Phiên bản hiện thời của PDCP hỗ trợ giao thức PPP (giao thức điểm đến điểm), IPv4, IPv6 ở lớp cao hơn.

ATM

AAL5

UDP/IP

GTP-U

Lớp 1

Lớp 2

UDP/IP

GTP-U

Chuyển tiếp

RLC

PDCP

ATM

AAL5

UDP/IP

GTP-U

Lớp 1

Lớp 2

UDP/IP

GTP-U

Ứng dụng

RF

MAC

RLC

PDCP

RNS

MAC

RF

UuUE Nút B RNC IuPS Gn GiSGSN GGSN

Chuyển tiếp

PDP(IP, PPP)

PDP(IP, PPP)

Hình 5.20. Kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng giữa UE và GGSN

PDCP thực hiện các chức năng chính sau đây:

226


Nén tiêu đề cho các luồng số liệu lớp cao hơn Sắp xếp số liệu lớp cao hơn vào các giao thức của giao diện vô tuyến phía dưới Duy trì thứ tự truyền dẫn số liệu cho các giao thức lớp cao hơn có nhu cầu này

Trong số ba chức năng trên, nén tiêu đề là chức năng đầu tiên của PDCP vì các

giao thức IP có thể đưa ra các tiêu đề lớn dẫn đến lãng phí băng tần vô tuyến khan hiếm. Chẳng hạn số liệu thoại cho điện thoại IP thường được truyền bởi giao thức truyền tải thời gian thực (RTP) chạy trên UDP/IP. Vì thế một gói có tiêu đề IP (20 byte cho IPv4 và 40 byte cho IPv6), một tiêu đề UDP (8 byte) và một tiêu đề RTP (12 byte). Kết quả là tiêu đề của một gói trong IPv4 và IPv6 chiếm từ 40 đến 60 byte, trong khi tải trọng của của gói này thông thường chỉ chiếm từ 15 đến 20 byte tùy thuộc và quá trình mã hóa tiếng và các kích thước khung được sử dụng tại các lớp thấp hơn. PDCP dựa trên các cơ chế và các giao thức do IETF định nghĩa cho nén tiêu đề . Chẳng hạn IPHC ( nén tiêu đề IP) có thể sử dụng để nén các tiêu đề IP, UDP và TCP. Giao thức ROHC (Robust Header Compression: nén tiêu đề bền chắc) mới được đưa ra có thể sử dụng để nén tiêu đề RTP/UDP/IP, UDP/IP và ESP/IP (ESP: Encapsulation Security Payload) . Giao thức điều khiển liên kết vô tuyến (RLC: Radio Link Control) đảm bảo điều khiển liên kết logic trên các giao diện vô tuyến. Một UE có thể có nhiều kết nối RLC. Giao thức truy nhập môi trường (MAC: Medium Access Control) điều khiển truy nhập các kênh vô tuyến. 2. Kiến trúc ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển giữa UE và GGSN Hình 5.21 cho thấy kiến trúc ngăn xếp trong mặt phẳng điều khiển giữa UE và GGSN.

227


GMM/SM/SMS

RRC

RLC

MAC

RF

MAC

RF

RRC RANAP

Chuyển tiếp

RLC SCCPKênh mang

báo hiệuAAL5/ATM

GMM/SM/SMS

RANAP

SCCPKênh mang

báo hiệuAAL5/ATM

UE Nút B RNC SGSN

RNS

Uu Iub Iu-PS

GTP-C

UDP

IP

L2

L1

GTP-C

UDP

IP

L2

L1

SGSN GGSNGn

a)

b)

Hình 5.21. Kiến trúc giao thức mặt phẳng điều khiển giữa UE và GGSN Hình 5.21a và b cho thấy các ngăn xếp giao thức trong mặt phẳng điều khiển giữa UE và GGSN. Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) là giao thức báo hiệu để điều khiển cấp phát tài nguyên vô tuyến trên giao diện vô tuyến. Giao thức RRC hộ trợ các chức năng quan trọng sau:

Phát quảng bá thông tin liên quan đến RAN và CN cho UE Thiết lập, duy trì và giải phóng các kết nối RRC giữa UE và RAN. Lưu ý rằng kết

nối RRC là tập các kênh báo hiệu và lưu lượng riêng giữa UE và RAN. (RNC trong UTRAN)

Thiết lập và giải phóng các kênh mang vô tuyến để truyền các gói của người sử dụng

Tìm gói Điều khiển công suất vô tuyến Điều khiển đo vô tuyến và báo cáo kết quả đo do UE thực hiện Điều khiển tắt bật quá trình mật mã giữa UE và RAN

Nằm trên lớp RRC là các ứng dụng đặc thù GPRS. Các ứng dụng này được sử

dụng để: hỗ trợ quản lý di động, quản lý phiên và các dịch vụ bản tin ngắn (SMS):

228


Quản lý di động GPRS (GMM: GPRS Mobility Management): GMM hỗ trợ các chức năng quản lý di động như: đăng nhập GPRS và rời GPRS, an ninh và thủ tục cập nhật vùng định tuyến.

Quản lý phiên (SM: Session Management): SM hỗ trợ tích cực, thay đổi và thôi tích cực phiên

SMS (Short Message Service): SMS hỗ trợ các bản tin ngắn đến và đi từ UE

Các ứng dụng này liên lạc trực tiếp với các ứng dụng đồng cấp trong SGSN.

5.13. TRUY NHẬP CÁC MẠNG IP THÔNG QUA MIỀN PS UE có thể sử dụng miền PS của UMTS như là mạng truy nhập để truy nhập đến mạng IP. Khi này mạng IP ngoài được hiểu là mạng IP không nằm trong miền PS của UMTS. Chẳng hạn nó có thể là IP intranet trực thuộc nhà cung cấp dịch vụ internet ISP (ISP này cũng có thể chính là nhà khai tháC miền PS của UMTS), mạng của ISP, hay mạng IP của xí nghiêp mà UE trực thuộc. Để UE có thể truy nhập đến mạng IP ngoài, cần thực hiện một số tương tác sau đây giữa UE và mạng IP:

Đăng ký người sử dụng (nhận thực và trao quyền) với mạng IP ngoài Ấn định các địa chỉ IP động cho UE bởi mạng IP ngoài Mật mã số liệu của người sử dụng được truyền giữa UE và mạng IP ngoài.

Như đã trình bầy ở CHƯƠNG 1 miền PS của UMTS nối đến mạng IP ngoài thông

qua giao diện Gi. Hình 5.22 mô tả truy nhập của UE đến mạng IP ngoài thông qua miền PS của UMTS.

Hình 5.22. UE truy nhập đến mạng IP ngoài thông qua miền PS của UMTS Tùy thuộc vào việc GGSN có tham gia hay không vào tương tác giữa UE với mạng ngoài, UMTS định nghĩa hai cách truy nhập cơ bản đến mạng IP ngoài qua miền PS:

Truy nhập trong suốt: GGSN không tham gia vào bất kỳ một tương tác nào giữa UE và mạng IP ngoài ngoài trừ truyền tải các gói IP của người sử dụng

Truy nhập không trong suốt: GGSN tham dự ít nhất một trong số các tương tác giữa UE và mạng IP ngoài.

229


Dưới đây ta sẽ xét các vấn đề sau: Truy nhập trong suốt Truy nhập không trong suốt sử dụng MIP Nhận địa chỉ IP động từ các mạng ngoài Quay số qua miền PS đến mạng IP ngoài (tương tác không trong suốt)

5.13.1. Truy nhập trong suốt Trong phương thức truy nhập trong suốt, trước hết UE tìm cách truy nhập đến GGSN trong PS CN địa phương (khách) để nó có thể gửi và nhận các gói IP cuả người sử dụng thông qua PS CN đến và đi từ mạng IP ngoài. Để vậy nó phải đăng nhập GPRS, sau đó tích cực PDP context. UE cũng cần nhận được một địa chỉ IP từ miền PS địa phương. Nó sẽ sử dụng địa chỉ này làm địa chỉ PDP để giửi và nhận các gói trong PS CN. Địa chỉ IP địa phương này có thể được lập cấu hình tĩnh (tại thời điểm đăng ký dịch vụ với mạng UMTS địa phương). Tuy nhiên địa chỉ này có thể được ấn định động bởi miền PS CN địa phương trong quá trình tích cực PDP context. Sau khi UE đã có thể gửi và nhận các gói IP trên miền PS CN, nó tiến hành đăng ký với mạng IP ngoài để có thể truy nhập đến mạng này. Đăng ký với mạng IP ngoài có thể được thực hiện bằng một giao thức IP bất kỳ. Miền PS CN sẽ không tham dự vào bất kỳ một tương tác nào giữa UE và mạng IP ngoài ngoại trừ truyền tải các gói IP cuả người sử dụng giữa UE và mạng này. Cần lưu ý rằng đối với truy nhập trong suốt, miền PS cần quyết định (mà không trao đổi với mạng IP ngoài) xem có nên cho phép UE truy nhâp mạng và ấn định địa chỉ IP cho nó trong quá trình tích cực PDP context hay không. Để làm được việc này, miền PS phải có được thông tin đăng ký thuê bao đủ để nhận thực và trao quyền UE. Hình 5.23 mô tả ngăn xếp giao thức cho truy nhập trong suốt.

Hình 5.23. Ngăn xếp giao thức truy nhập trong suốt

230


IP được sử dụng làm PDP trên miền PS giữa UE và GGSN. IP cũng được sử dụng làm giao thức định tuyến lớp mạng giữa GGSN và mạng IP ngoài. Mọi giao thức IP đều có thể sử dụng để UE đăng ký với mạng IP ngoài và để đảm bảo an ninh lưu lượng IP của người sử dụng. Chẳng hạn IPsec có thể được sử dụng để nhận thực và đển đảm bảo an ninh lưu lượng giữa UE và mạng IP ngoài.

Để truy nhập trong suốt, mỗi UE phải có một địa chỉ IP duy nhất trong miền PS địa phương vì thế cần phải có một số lượng địa chỉ IP rất lớn khi mạng UMTS phát triển. Tuy nhiên nếu ta sử dụng IPv4 thì không gian địa chỉ cuả nó rất hạn chế và không gian này không thể hỗ trợ đánh địa chỉ cho một số lượng lớn các UE trong tương lai. Truy nhập không trong suốt cho phép khắc phục được nhược điểm này. 5.13.2. Truy nhập không trong suốt Truy nhập không trong suốt sử dụng MIPv4. Trong phương pháp này, UE sử dụng địa chỉ MIP nhà của mình làm dịa chỉ PDP để gửi và nhận các gói IP trên miền PS địa phương. Mỗi GGSN đóng vai trò như một MIPv4 FA. UE sử dụng địa chỉ IP của GGSN phục vụ nó như là CoA bên trong miền PS địa phương. Vì thế miền này không ấn định bất kỳ địa chỉ nào cho các UE làm khách ngoài trừ việc đưa ra địa chỉ của chính nó cho UE để UE sử dụng địa chỉ này như là CoA. UE sử dụng các bản tin chuẩn của MIPv4 để đăng ký địa chỉ FA CoA với MIPv4 HA của mình trong mạng nhà của thuê bao (mạng này có thể là mạng ngoài). Các gói IP gửi đến địa chỉ nhà MIPv4 của UE sẽ được định tuyến đến HA của UE theo chuẩn MIP. Sau đó HA của UE sẽ truyền tunnel các gói này đến CoA hiện thời của UE. Trong trường hợp này các gói này được chuyển đến MIPv4 FA nằm trong GGSN. GGSN lấy ra gói IP trong tải tin từ MIPv4 tunnel và gửi các gói tải trọng này đến UE theo tuyến được nhận dạng bởi PDP context của UE. Hình 5.24 cho thấy ngăn xếp giao thức cho trường hợp truy nhập không trong suốt sử dụng MIPv4. Hình 5.25 mô tả luồng các bản tin báo hiệu cho trường hợp này.

MIPv4

UDP

IP

Kênh mang vùng PS của 3GPP

Đầu cuối di động

IP

GGSN

IP

Lớp 2

Lớp 1

GiMạng IP ngoài

Tác nhân ngoài MIPv4

UDP UDP

MIPv4

UDP

IP

Lớp 2

Lớp 1

231


Hình 5.24. Ngăn xếp giao thức cho phương pháp truy nhập không trong suốt đến mạng IP thông qua miền PS

Máy di động SGSN GGSN với MIP FA MIP HA

Yêu cầu tích cực PDP Context(Địa chỉ PDP=0.0.0.0

APN=MIPv4FA )Yêu cầu tạo lập PDP Context

(Địa chỉ PDP=0.0.0.0APN=MIPv4FA )

Trả lời tạo lập PDP Context(Địa chỉ PDP=0.0.0.0)Chấp nhận tích cực PDP Context

(Địa chỉ PDP=0.0.0.0)

Quảng cáo tác nhân MIP

Yêu cầu đăng ký MIP(CoA=FA CoA=địa chỉ của GGSN) Yêu cầu đăng ký MIP

(CoA=FA CoA=địa chỉ của GGSN)

Trả lời đăng ký MIP

Lấy địa chỉ nhà của máy di động và đưa vào PDP Context

Trả lời đăng ký MIP

Thay đổi PDP Context khởi đầu bởi GGSN

Hình 5.25. Luồng bản tin báo hiệu cho truy nhập không trong suốt sử dụng MIPv4. SGSN và GGSN trong miền PS địa phương không dựa trên UE để cung cấp địa chỉ nhà cho nó trong quá trình tích cực PDP context. Lý do là vì UE có thể không luôn luôn có địa chỉ nhà hợp lệ trong quá trình tích cực PDP context. Chẳng hạn trong trường hợp UE sử dụng địa chỉ nhà động do mạng nhà cuả nó ấn định. Vì thế GGSN sẽ nhận biết địa chỉ nhà của UE bằng cách chặn bắt và kiểm tra các bản tin báo hiệu gửi đến UE từ MIP HA của UE. Để chặn bắt các bản tin báo hiệu từ HA, GGSN cần có một MIP FA. Vì mỗi UE chỉ sử dụng một FA CoA, nên các bản tin báo hiệu MIP và các gói của người sử dụng gửi đến cho nó trước hết phải qua FA trong GGSN.

Trước hết UE phải đạt được truy nhập đến GGSN dựa trên thủ tục tích cực PDP context khởi xướng từ UE. Khi khởi đầu quá trình tích cực PDP context, UE thiết lập trường địa chỉ PDP trong yêu cầu tích cực PDP context vào không, ngay cả khi nó đã có một địa chỉ nhà MIP cố định. SGSN sẽ sử dụng APN trong yêu cầu tích cực PDP context để chọn ra một GGSN có MIPv4 FA theo cầu hình mạng được thiết lập bởi nhà khai thác và hỗ trợ ấn định địa chỉ IP động từ mạng IP ngoài theo MIPv4.

232


Sau đó SGSN gửi yêu cầu tạo lập PDP context đến GGSN được chọn để yêu cầu thiết lập PDP context cho UE. Trường địa chỉ PDP của yêu cầu tạo lập PDP context cũng sẽ được đặt rằng không để chỉ thị cho GGSN rằng địa chỉ nhà của UE phải do HA đặt lại sau khi PDP context đã được tích cực. GGSN sẽ thiết lập PDP context cho UE mà không ấn định địa chỉ PDP cho nó.

Sau đó GGSN gửi trả lời tạo lập PDP context đến SGSN để báo nhận yêu cầu tạo lập PDP context.

SGSN cũng gửi bản tin tiếp nhận tích cực PDP context đến UE để báo nhận yêu cầu tạo lập PDP context.

Sau khi đã tích cực PDP context cho UE, FA trên GGSN sẽ gửi các bản tin quảng cáo tác nhân MIPv4 cho UE. Các bản tin này được mang trong các gói quảng bá IP hạn chế (các gói IP này sử dụng địa chỉ nhận quảng bá hạn chế 254.254.254.255). Tuy nhiên các bản tin này không được phát quảng bá trong vô tuyến mà được phát trong tunnel điểm đến điểm từ GGSN đến UE.

Sau khi nhận được các bản tin quảng bá tác nhân MIPv4, UE sử dụng địa chỉ IP cuả FA làm CoA và thực hiện đăng ký MIPv4 CoA với HA bằng cách gửi đi yêu cầu đăng ký MIPv4 đến HA. Nếu UE có địa chỉ nhà cố định hoặc NAI (Network Access Identifier: nhận dạng truy nhập mạng), bản tin đăng ký MIPv4 sẽ mang địa chỉ nhà hay NAI của UE (đóng vai trò là số nhận dạng cho UE). Nếu UE muốn nhận địa chỉ nhà động từ MIPv4 HA, yêu cầu đăng ký MIPv4 sẽ mang địa chỉ không và mang NAI đóng vai trò nhận dạng UE để đăng ký MIPv4.

Khi nhận được yêu cầu đăng ký MIPv4, GGSN sẽ ghi lại địa chỉ nhà của UE hoặc NAI (hay cả hai) và chuyển đổi chúng thành TEID của GTU-U tunnel dể truyền các gói cuả người sử dụng nhận được từ HA đến UE. Sau đó FA trong GGSN sẽ chuyển yêu cầu đăng ký MIPv4 đến HA của UE

Sau khi nhận được yêu cầu đăng ký MIPv4, HA gửi trả lời đăng ký MIPv4 đến GGSN theo địa chỉ CoA của UE. FA trong GGSN sẽ chặn bắt trả lời đăng ký MIPv4 và lấy ra địa chỉ nhà từ trả lời này trước khi chuyển nó đến đến UE. Sau đó GGSN sẽ chèn địa chỉ nhà UE vào PDP context và khởi động thủ tục thay đổi PDP context để cập nhật địa chỉ PDP trong SGSN

5.13.3. Nhận địa chỉ động từ mạng IP ngoài bằng cách sử dụng DHCP Để nhận địa chỉ IP từ mạng IP ngoài bằng cách sử dụng giao thức lập cấu hình động (DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol), UE cần liên hệ với DHCP server trong mạng IP ngoài. Vì thế UE cần gửi số liệu người sử dụng trên PS CN địa phương trước khi PDP context cuả nó có được một địa chỉ PDP hợp lệ. Vì vậy, lúc đầu một PDP context cần được tích cực mà không có địa chỉ IP.

Sau khi PDP context đã được tích cực, UE có thể liên lạc với DHCP để nhận một địa chỉ IP. Để vậy cần thực hiện các điểm sau đây:

233


Trước khi ấn định địa chỉ IP cho UE từ mạng IP ngoài, cần cần đảm bảo khả năng truyền các bản tin DHCP giữa UE và DHCP server ngoài

Khi mạng ngoài đã ấn định một địa chỉ IP cho UE, cần cập nhật PDP context và địa chỉ IP của UE cho SGSN và GGSN.

Để truyền tải các bản tin DHCP trên miền PS CN giữa UE và DHCP server trong

mạng IP ngoài trước khi PDP context cuả UE có được địa chỉ PDP, GGSN cần hoạt động như một tác nhân chuyển tiếp DHCP. Tác nhân này có thể chuyển tiếp các bản tin DHCP giữa DHCP client trên UE và DHCP server khi hai phần tử này nằm trong các mạng con khác nhau. GGSN có thể nhận biết được các địa chỉ của các DHCP server ngoài dựa trên APN nhận được từ SGSN trong quá trình tích cực PDP context. Tác nhân chuyển tiếp DHCP sẽ quyết định gửi các bản tin DHCP nhận được từ một DHCP server đến UE nào dựa trên địa chỉ cứng của UE (địa chỉ lớp 2) được mang trong các bản tin DHCP này.

Cần lưu ý rằng theo các tiêu chuẩn hiện này của UMTS, chỉ GGSN là được khởi xướng quá trình cập nhật địa chỉ trong các PDP context trong GGSN và SGSN. Vì thế để hỗ trợ ấn định địa chỉ IP động bởi mạng IP ngoài thông qua DHCP, GGSN phải hiểu được địa chỉ IP do mạng ngoài ấn định cho UE và sau đó khởi đầu thủ tục cập nhật địa chỉ PDP trong PDP context của UE trong GGSN và SGSN. Để hiểu được địa chỉ IP ấn định cho UE bởi DHCP server ngoài, tác nhân chuyển tiếp DHCP trong GGSN phải diễn giải và kiểm tra các bản tin DHCP gửi từ DHCP server đến UE.

Hình 5.26 mô tả các ngăn xếp giao thức để hỗ trợ cấp phát địa chỉ IP động từ mạng IP ngoài sử dụng DHCP.

Xử lý của DHCP Client

UDP

IP

Các lớp dưới

Máy di động GGSN Mạng IP ngoài

UDP

IP

Các lớp dưới

UDP

IP

Các lớp dưới

Tác nhân chuyển tiếp DHCP

Xử lý của DHCP Server

UDP

IP

Các lớp dưới

Hình 5.26. Ngăn xếp giao thức để ấn định địa chỉ IP động từ mạng IP ngoài sử dụng DHCP. Hình 5.27 mô tả luồng báo hiệu để ấn định địa chỉ IP động từ mạng ngoài sử

dụng DHCP.

234


Hình 5.27. Luồng báo hiệu để ấn định địa chỉ IP động từ mạng IP ngoài sử

dụng DHCP

Trước hết UE cần đạt được truy nhập đến GGSN bằng thủ tục tích cực PDP context khởi xướng từ UE.

Khi khởi đầu quá trình tích cực PDP context, UE đặt địa chỉ PDP trong yêu cầu tích cực PDP context bằng không. Dựa trên APN trong bản tin yêu cầu tích cực PDP context nhận được và thông tin về cấu hình của GGSN , SGSN chọn một GGSN để hỗ trợ ấn định địa chỉ IP từ mạng ngoài sử dụng DHCP

Sau đó SGSN gửi bản tin yêu cầu tạo lập PDP context đến GGSN vừa được chọn Nhận được bản tin yêu cầu tạo lập PDP context từ SGSN, GGSN tạo lập một PDP

context cho UE với địa chỉ PDP bằng không. Sau đó GGSN gửi bản tin trả lời tạo lập PDP context đến SGSN chỉ thị rằng đã

hoàn tất tích cực PDP context. Tiếp theo SGSN gửi đến UE bản tin tiếp nhận tích cực PDP context để thông báo

cho nó về sự hoàn thành thủ tục tích cực PDP context Khi này PDP context tích cực sẽ cho phép UE gửi số liệu của người sử dụng đến DHCP theo APN trong PDP context của UE tại GGSN. Điều này cho phép UE tiếp xúc với DHCP server ngoài để nhận địa chỉ IP.

UE gửi bản tin DHCPDISCOVER theo địa chỉ quảng bá hạn chế (toàn số 1) đến DHCP server qua tác nhân chuyển tiếp DHCP trong GGSN

Nhận được bản tin này, tác nhân chuyển tiếp DHCP sẽ chuyển nó đến DHCP server ngoài theo APN trong PDP context

235


Nhận được DHCPDISCOVER, DHCP server ngoài gửi bản tin trả lời DISCOVEROFFER mang theo địa chỉ IP ấn định cho UE đến UE.

Tác nhân chuyển tiếp DHCP trong GGSN gửi bản tin này đến UE UE có thể nhận được nhiều bản tin DHCPOFFER từ nhiều DHCP server. Tuy vậy

nó chỉ chọn một địa chỉ và gửi bản tin DHCPREQUEST đến các DHCP server để khẳng định rằng nó đã tiếp nhận địa chỉ IP được chọn.

Bản tin này lại được tác nhân chuyển tiếp DHCP trong GGSN chuyển đến các DHCP server

Nhận bản tin DHCPREQUEST chỉ thị rằng UE đã tiếp nhận địa chỉ IP do DHCP server cung cấp, DHCP server này gửi bản tin trả lời DHCPACK chứa các thông số cấu hình ấn định cho UE

Tác nhận chuyển tiếp DHCP lấy ra địa chỉ IP ấn định cho UE từ bản tin DHCPACK trước khi gửi bản tin này đến UE. Sau đó tác nhân chuyển tiếp DHCP sẽ chuyển địa chỉ này đến GGSN. GGSN chèn địa chỉ này vào PDP context của UE và khởi đầu thủ tục thay đổi PDP context khởi xướng bởi GGSN để cập nhật địa PDP context trong SGSN.

5.13.4. Truy nhập bằng quay số sử dụng PPP Miền PS có thể hỗ trợ các kết nối quay số để kết nối UE đến một mạng IP ngoài. Quay số là quá trình thiết lập một kết nối lớp liên kết đến một mạng IP. Sau khi kết nối quay số đã được thiết lập, IP có thể hoạt động trên kết nối này giống như UE được kết nối đến mạng ngoài qua mạng IP nội hạt. Có thể thực hiện một kết nối quay số lớp liên kết đầu cuối đầu cuối bằng các giao thức khác nhau trong các mạng trung gian khác nhau mà kết nối này đi qua. PPP (Point to Point Protocol: giao thức điểm đến điểm) là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất để thiết lập một kết nối lớp liên kết dọc theo một liên kết điểm đến điểm trên một mạng không phải IP. Giao thức truyền tunnel lớp 2 (L2TP) có thể được sử dụng để mở rộng kết nối PPP trên một mạng IP đến một server truy nhập mạng trong mạng IP. Như đã nói, PS không sử dụng các giao thức IP tiêu chuẩn để định tuyến các gói của người sử dụng giữa UE và GGSN, mà thay vào đó nó sử dụng các tuyến đặc thù máy được thiết lập và duy trì bởi các giao thức GPRS. Vì thế kết nối PPP là chọn lựa tất yếu để thực hiện kết nối quay số trong miền PS (giữa UE và GGSN phục vụ nó). Khi này ta có thể sử dụng L2TP đẻ mở rộng kết nối PPP từ GGSN đến điểm tiếp xúc UE với mạng IP ngoài. Điểm cuối của L2TP ở phía mạng IP được gọi là server mạng của L2TP (LNS: L2TP Network Server). Điểm cuối của L2TP tại phía người sử dụng được gọi là bộ tập trung truy nhập L2TP (LAC: L2TP Access Concentrator). Vì thế để sử dụng L2TP mở rộng kết nối PPP từ GGSN đến điểm tiếp xúc của UE với mạng ngoài, GGSN phải chứa LAC và điểm tiếp xúc của UE với mạng ngoài phải là LNS.

236


Hình 5.28 và 5.29 cho thấy thí dụ về ngăn xếp giao thứcvà luồng báo hiệu cho truy nhập quay số đến mạng IP ngoài qua miền PS.

PPP

Các lớp dưới

Máy di động GGSN Mạng IP ngoài

PPP

Các lớp dưới

UDP

IP

Các lớp dưới

Các giao thức

tunneling qua mạng IP (như: L2TP)

UDP

IP

Các lớp dưới

Các giao thức

tunneling qua mạng IP (như: L2TP)

Hình 5.28. Thí dụ ngăn xếp giao thức cho truy nhập quay số đến mạng IP ngoài qua miền PS

SGSN GGSN

LNSUE

5. Thiết lập PPP và thiết lập cấu hình IP qua PPP

1. Yêu cầu tích cực PDP Context(Địa chỉ PDP=0.0.0.0 ) 2. Yêu cầu tạo lập PDP Context

(Địa chỉ PDP=0.0.0.0 )3. Trả lời tạo lập PDP Context

(Địa chỉ PDP=0.0.0.0 )4. Chấp nhận tích cực PDP Context

(Địa chỉ PDP=0.0.0.0 )Đàm phán L2TP

Mạng IP ngoài

Mạng khách

Hình 5.29. Thí dụ luồng báo hiệu cho truy nhập quay số đến mạng IP ngòai qua miền PS. Để mô tả quá trình truy nhập quay số, hình 5.30 giả thiết là L2TP được sử dụng để thực hiện kết nối lớp 2 giữa GGSN và mạng IP ngoài.

Trước hết UE cần đạt được truy nhập đến GGSN thông qua thủ tục tích cực PDP context khởi xướng từ UE. Khi UE sử dụng tunnel lớp 2 trên miền PS để kết nối đến mạng IP ngoài, nó phải nhận địa chỉ do mạng IP ngoài cung cấp. UE có thể sử dụng địa chỉ tĩnh hay địa chỉ động. Nếu sử dụng địa chỉ tĩnh, UE phải cung cấp địa chỉ này trong trường địa chỉ PPP của bản tin yêu cầu tích cực PDP context mà nó gửi đến SGSN. Trái lại trường này được đặt vào không. Trên hình 5.30, UE gửi đến SGSN bản tin yêu cầu tích cực PDP context với địa chỉ PDP đặt bằng không.

Sau đó SGSN gửi bản tin yêu cầu tạo lập PDP context đến GGSN Nhận được bản tin này, GGSN lấy ra APN và từ APN nó rút ra địa chỉ của LNS

trong mạng IP ngoài. GGSN tích cực PDP context và gửi bản tin trả lời tạo lập PDP context đến SGSN.

237


SGSN gửi bản tin tiếp nhận tích cực PDP context đến UE để kết thúc quá trình tích cực PDP context

Sau thủ tục tích cực PDP context UE có thể khởi xứơng quá trình thiết lập kết nối giữa UE và GGSN và lập cấu hình IP ở dạng giao thức lớp mạng trên kết nối PPP

Sau khi đã lập cấu hình cho kết nối PPP, GGSN sẽ thiết lập tunnel L2TP đến LNS trong mạng IP ngoài để hoàn tất kết nối quay số đến mạng IP ngoài.

5.14. MÔ HÌNH AN NINH WCDMA UMTS Mô hình an ninh tổng quát cho giao diện vô tuyến ở WCDMA UMTS được cho ở hình 5.30. An ninh trong WCDMA được thực hiện trên cơ sở khóa bí mật chia sẽ (K) được nạp trong USIM và lưu tại AuC Nhận thực ở UMTS được thực hiện cả hai chiều: Mạng nhận thực người sử dụng cho mạng và người sử dụng nhận thực mạng. Để được nhận thực, mạng phải đóng dấu bản tin gửi đến UE bằng mã MAC-A và USIM sẽ tính toán con dấu kiểm tra nhận thực XMAC-A để kiểm tra. Mật mã các bản tin được thực hiện ở các hai chiều bằng KS (KeyStream: Luồng khóa). KS này đựơc tạo ra ở RNC từ CK (CK: Ciphering Key: Khóa mật mã) trong AV (Authentication Vector: vectơ nhận thực) do AuC gửi xuống và ở USIM từ CK được tính toán từ RAND và AUTN do mạng gửi đến. Báo vệ toàn vẹn được thực hiện ở cả hai chiều bằng nhận thực toàn vẹn bản tin được truyền giữa RNC và UE. Để được nhận thực, bản tin phát (UE hoặc RNC) phải đựơc đóng dấu bằng mã MAC-I. Phía thu (RNC hoặc UE) tính toán con dấu kiểm tra toàn vẹn XMAC-I để kiểm tra. Các thành phần quan trọng nhất liên quan đến an ninh là K và một số thông số khác được lưu trong USIM, AuC không bao giờ được truyền ra ngoài hai vị trí này. Cũng cần đảm bảo rằng các thông số nói trên đồng bộ với nhau ở cả hai phía.

USIM

RNCVLR/SGSN HLR AuC

RAND, AUTN (MAC-A,....)

Tính toán RES, MAC-I,

XMAC-I,XMAC-A, KS

MAC-A

XMAC-A

=?

KS

Số liệu hay thoại thô

Sản xuất AV(1...n), trong đóAV=RAND||XRES||CK||IK ||AUTNRAND do AuC tạo ra,XRES=f2(RAND||K) CK=f3(RAND||K)IK = f4(RAND||K)AUTN=SQNÅAK||AMF ||MACMAC=f1(SQN||RAND ||AMF||K)

AVAV

Giao diện vô tuyến

Tính toán KS, MAC-I và XMAC-I từ AV

Số liệu hay thoại thô

KS

MAC-I

RES

Số liệu hay thoại đã mật mã

MAC-I

XMAC-I

=?

RES

XRES

=?

UE

AV

MSC/SGSN

MAC-I

XMAC-I

=?

Hình 5.30. Mô hình an ninh WCDMA UMTS

238


5.15. TỔNG KẾT Miền chuyển mạch gói (PS) của UMTS có trong cả ba phát hành R3, R4 và R5 của UMTS. Trong hai phát hành đầu nó hỗ trợ cho UMTS để truyền các dịch vụ số liệu ngày càng ra tăng, trong khi đó miền chuyển mạch kênh của UMTS hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực (thoại). Trong phát hành R5 miền chuyển mạch kênh không còn nữa vì thế miền chuyển mạch gói ngoài truyền số liệu nó còn hỗ trợ cả các dịch vụ thời gian thực. Chương này trước hết trình bày các kiểu kênh mang trong miền PS của UMTS. Mỗi kênh mang có số nhận dạng và hồ sơ QoS riêng. Để truyền số liệu gói các kênh mang này phải đựơc thiết lập với hồ sơ QoS đáp ứng tốt nhất QoS của dịch vụ gói cần truyền. Có thể coi các kênh mang này là các tunnel. Để điều hành các tunnel này trên các đoạn từ RNC đến SGSN và từ SGSN đến GGSN các giao thức truyền tunnel GTP được áp dụng. Để truyền gói, UE phải thực hiện ba bứơc: đăng nhập GPRS, tạo lập PDP context và đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói để có đựơc các kênh mang cần thiết cho việc truyền các gói theo QoS cho trước. Việc truyền báo hiệu cũng như lưu lượng của người sử dụng đựơc thực hiện trên cớ sở các ngăn xếp giao thức. Kiến trúc giao thức đựơc chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (viết tắt là c) dành cho các giao thức báo hiệu và mặt phẳng người sử dụng (viết tắt là u) dành cho lưu lượng của người sử dụng. Các kiến trúc này được xây dựng trên ATM và IP, tuy nhiên xu thế sẽ chỉ còn IP. Sau khi trình bày các giao thức, chương này trình bày các vấn đề truy nhập mạng IP qua miền chuyển mạch gói của UMTS. Để thực hiện quá trình này UE phải thực hiện một số tương tác sau đây dối với mạng IP ngoài: (1) đăng ký người sử dụng (nhận thực và trao quyền) với mạng IP ngoài, (2) ấn định các địa chỉ IP động cho UE bởi mạng IP ngoài (nếu UE không có địa chỉ tĩnh), (3) Mật mã số liệu của người sử dụng được truyền giữa UE và mạng IP ngoài. Phần cuối cùng của chương này dành cho mô hình an ninh của WCDMA UMTS. Mô hình an ninh của WCDMA dựa trên cơ chế mật mã hóa đối xứng. Nghĩa là cả UE (USIM) và mạng đều có chung một khóa bí mật chia sẻ để từ khoá này sản xuất ra các thông số an ninh khác. Khác với GSM, nhận thực trong UMTS được thực hiên từ cả hai phía: phía UE và phía mạng. Ngoài ra cơ chế an ninh ở đây còn được bổ sung thêm bảo vệ tính toàn vẹn cho các bản tin báo hiệu.

239


240

5.16. CÂU HỎI 1. Trình bày các kiểu kênh mang 2. Trình bày khái niệm kết nối lưu lượng và báo hiệu 3. Trình bày các số nhận dạng kênh mang 4. Trình bày các bước để một UE truy nhập dịch vụ chuyển mạch gói 5. Trình bày quá trình đăng nhập GPRS 6. Trình bày các thủ tục tích cực PDP context khởi xướng từ UE 7. Trình bày các thủ tục đàm phán QoS 8. Trình bày các thủ tục tích cực PDP context theo yêu cầu mạng 9. Trình bày các trạng thái PDP context và chuyển đổi trạng thái 10. Trình bày các thủ tục ấn định RAB 11. Trình bày ngăn xếp giao thức trên giao diện IuCS 12. Trình bày ngăn xếp giao thức trên giao diện Gn 13. Trình bày giao thức truyền tunnel GTP 14. Trình bày ngăn xếp giao thức trên giao diện Gs, Gc 15. Trình bày kiến trúc giao thức mặt phẳng người sử dụng giữa UE đến GGSN 16. Trình bày kiến trúc giao thức mặt phẳng điều khiển giữa UE đến GGSN 17. Trình bày tổng quan truy nhập UE đến mạng IP qua miền PS 18. Trình bày truy nhập trong suốt đến mạng IP 19. Trình bày truy nhập không trong suốt đến mạng IP 20. Trình bày quá trình UE nhận địa chỉ động qua DHCP 21. Trình bày truy nhập quay số sử dụng PPP 22. Trình bày mô hình an ninh của WCDMA UMTS

Chương 6. Giao diện vô tuyến của cdma2000 1x và 1xEVDO

Chương 6 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA CDMA 2000 1x VÀ 1X EVDO


• Kiến trúc giao diện vô tuyến của cdma2000 1x • Các kênh của cdma20001x • Sơ đồ kênh vật lý cdma2000 1x • Mã trải phổ định kênh, mã ngấu nhiên hóa nhận dạng nguồn phát • Điều khiển tài nguyên vô tuyến • Kiến trúc giao diện vô tuyến 1xEVDO • Các kỹ thuật phân tập phát




• Hiểu giao diện vô tuyến của cdma2000 1x • Hiểu giao diện vô tuyến của cdma2000 1x • Hiểu được sơ đồ kênh vật lý • Hiểu được điều khiển tài nguyên vô tuyến • Hiểu được các kỹ thuât phân tập phát

6.2. MỞ ĐẦU

cdma2000 là một trong các tiêu chuẩn mạng truy nhập vô tuyến của IMT-2000 cho thế hệ ba. cdma2000 được tiểu chuẩn hoá theo tiêu chuẩn IS-2000, tiêu chuẩn này tương thích ngược IS-95A và IS-95 B (cdmaOne). Vì cdma2000 tương thích ngược với các mạng cdmaOne hiện có nên việc nâng cấp hoặc chuyển đổi từ các phần tử cố định của mạng cdmaOne có thể thực hiện theo từng giai đoạn. Việc nâng cấp hay chuyển đổi này bao gồm: BTS có các phiến phần tử kênh đa chế độ, BSC có các khả năng dịnh tuyến IP và đưa vào PDSN. cdma2000 1x có độ rộng băng tần giống như cdmaOne (1,25 MHz), vì thế việc nâng cấp từ

241


cdmaOne đến hệ thống này hoàn toàn thuận lợi. Để tăng tốc độ truyền dữ liệu cdma2000 1x EVDO đã được phát triển và cho tốc độ truyền số liệu cao hon 2Mbps cdma2000 3x sử dụng băng tần gấp ba lần băng tần cdmaOne: 3×1,25MHz= 3,75 Mhz. Việc chuyển từ 1x sang 3x cũng hoàn toàn thuận lợi, chỉ đòi hỏi việc ấn định lại băng tần. Một nét đặc biệt quan trọng của cdma2000 là nó không chỉ hộ trợ kết nối hệ thống của IS-41 hiện được IS-95 sử dụng mà hỗ trợ cả các yêu cầu kết nối của GSM-MAP. Điều này cho phép một nhà khai thác đồng thời hai hệ thống W-CDMA và cdma2000 tiến tới kết hợp hoặc phát triển một hệ thống kép. Hiện nay cdma2000 1x đã được triển khai rộng khắp trên thế giới. Chương này sẽ xét giao diện vô tuyến cdma20001x và 1xEVDO.

6.3. KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CDMA 2000 1x Kiến trúc của giao diện vô tuyến được cho trên hình 6.1. 6.3.1. Các lớp cao (lớp 3) Các lớp cao chứa các dịch vụ sau:

Các dịch vụ thoại tiếng. Các dịch vụ thoại tiếng gồm truy nhập PSTN, các dịch vụ thoại di động-di động và thoại internet.

Các dịch vụ mang số liệu người sử dụng-đầu cuối. Các dịch vụ chuyển số liệu cho người sử dụng đầu cuối di động gồm: số liệu gói (IP chẳng hạn), các dịch vụ số liệu kênh (chẳng hạn các dịch vụ mô phỏng B-ISDN) và SMS. Các dịch vụ gói phù hợp với số liệu gói hướng theo kết nối (CO: Connection Oriented) và không hướng theo kết nối (CLO: Connectionless Oriented) theo tiêu chuẩn công nghiệp bao gồm các giao thức trên cở sở IP (chẳng hạn TCP và UDP) và giao thức nối mạng không theo kết nối (CLIP) của ISO/OSI. Các dịch vị số liệu kênh mô phỏng các dịch vụ hướng theo kết nối được định nghĩa theo tiêu chuẩn quốc tế như: truy nhập quay số dị bộ, fax, ISDN thích ứng tốc độ V.120 và các dịch vụ B-ISDN.

Báo hiệu. Các dịch vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của máy di động.

242


Lớp 3

Lớp 2

Lớp 1

Báo hiệu đến giao diện lớp vật lý

Cụm số liệu

Tiếng

LAC PDU

f/r-csch

RLP SDU

f/r-dtch f/r-dsch f/r-dtch

F-SYNCF-

BCCHF-CACH R-EACH

F-CPCCH

F/R-CCCH R-ACH F-PCH

F/R-DCCH F/R-FCH

F/R-SCH

Hình 6.1. Kiến trúc giao diện vô tuyến cdma2000 6.3.2. Lớp liên kết (lớp 2) Lớp liên kết đảm bảo thay đổi các mức độ tin cậy và các đặc tính của QoS theo yêu cầu dịch vụ của các lớp cao hơn. Lớp này cung cấp hỗ trợ giao thức và cơ chế điều khiển cho các dịch vụ truyền tải số liệu và thực hiện tất cả các chức năng cần thiết để sắp xếp các nhu cầu của các lớp cao hơn vào các khả năng đặc thù và các đặc tính của lớp vật lý. Lớp liên kết nối được chia thành các lớp con sau:

Lớp con điều khiển truy nhập liên kết (LAC: Link Access Control) Lớp con điều khiển truy nhập môi trường (MAC: Medium Access Control).

1. LAC

243


Lớp con LAC quản lý các kênh thông tin điểm đến điểm giữa các phần tử đồng cấp lớp cao và đảm bảo hỗ trợ nhiều giao thức lớp liên kết tin cậy đầu cuối-đầu cuối. 2. MAC MAC được chia thành: 1. Chức năng hội tụ độc lập với lớp vật lý (PLICF: Physical Layer Independent

Convergence Function) 2. Chức năng hội tụ phụ thuộc lớp vật lý (PLDCF: Physical Layer Dependent

Convergence Function).PLDCF thực hiện sắp xếp các kênh logic từ PLICF vào các kênh logic được hỗ trợ bởi lớp vật lý đặc thù.

Đối với cdma2000 1x, bốn PLDCF được định nghĩa. 1. Giao thức liên kết vô tuyến (RLP: Radio Link Protocol). Giao thức này đảm bảo

tạo luồng dịch vụ hiệu suất cao để thực hiện tốt nhất việc truyền số liệu giữa các thực thể PLICF đồng cấp. RLP đảm bảo cả chế độ hoạt động trong suốt lẫn không trong suốt. Ở chế độ không trong suốt, RLP sử dụng giao thức ARQ để phát lại các đoạn số liệu không được lớp vật lý truyền đúng, ở chế độ này RLP có thể đưa vào một trễ nhất định. Ở chế độ trong suốt, RLP không phát lại các đoạn số liệu bị mất. Tuy nhiên RLP duy trì đồng bộ byte giữa phát và thu và thông báo cho thu về các phần bị mất của dòng số liệu. RLP trong suốt không gây ra bất kỳ trễ truyền dẫn nào và rất lợi cho việc thực hiện các dịch vụ tiếng ở RLP.

2. Giao thức cụm vô tuyến (RBP: Radio Burst Protocol). Giao thức này đảm bảo cơ chế để truyền các đoạn số liệu tương đối ngắn với truyền nỗ lực nhất trên kênh lưu lượng chung (ctch). Khả năng này có lợi khi truyền một lượng nhỏ số liệu không cần đền thông tin bổ sung để thiết lập kênh lưu lượng riêng (dtch).

3. Giao thức liên kết vô tuyến báo hiệu (SRLP: Signalling Radio Link Protocol). Giao thức này đảm bảo tạo luồng dịch vụ tốt nhất cho thông tin báo hiệu tương tự như RLP, nhưng tối ưu cho kênh báo hiệu riêng (dsch).

4. Giao thức cụm vô tuyến báo hiệu (SRBP: Signalling Radio Burst Protocol). Giao thức này đảm bảo cơ chế để truyền các bản tin báo hiệu tương tự như RBP một cách nỗ lực nhất, nhưng tối ưu cho thông tin báo hiệu và kênh báo hiệu chung (csch).

6.4. CÁC KÊNH CỦA CDMA 2000 1x Các kênh của cdma 2000 1x được chia thành các kênh logic và các kênh truyền tải. Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải chuyển các thông tin này đến lớp LAC để nó sắp xếp và các kênh logic. Sau đó các kênh logic được chuyển đến lớp MAC để nó sắp xếp vào các kênh vât lý.

244


6.4.1. Các kênh logic Kênh lôgic được ký hiệu bằng các chữ thường, trong đó chữ đầu tiên cùng với gạch ngang là f- cho đường xuống hoặc r- cho đường lên và chữ cuối cùng là "ch" (kênh). Danh sách các kênh logic được cho trong bảng 6.1. Bảng 6.1. Các kênh logic

Kênh đường xuống Kênh đường lên Ký

hiệu Tên kênh Ký

hiệu Tên kênh

f-csch Forward Common Signalling Channel (Kênh báo hiệu chung đường xuống)

r-csch Reverse Common Signalling Channel (Kênh báo hiệu chung đường lên)

f-dsch Forward Dedicated Signalling Channel (Kênh báo hiệu riêng đường xuống)

r-dsch Reverse Dedicated Signalling Channel (Kênh báo hiệu riêng đường lên)

f-dtch Forward Dedicated Traffic Channel (Kênh lưu lượng riêng đường xuống)

r-dtch Reverse Dedicated Traffic Channel (Kênh lưu lượng riêng đường lên

6.4.2. Các kênh vật lý 1. Các kiểu kênh vật lý Kênh vật lý được ký hiệu bằng các chữ hoa. Giống như kênh logic chữ đầu chỉ thị phương của kênh (xuống hay lên) còn hai chữ cuối cùng ký hiệu kênh (CH). Bảng 6.2 tổng kết các kênh vật lý. Bảng 6.2. Các kênh vật lý

Kênh đường xuống Kênh đường lên Ký hiệu Tên kênh Ký hiệu Tên kênh R-SCH Forward Supplemental Channel

(Kênh bổ sung đường xuống)

R-SCH Reversed Supplemental Channel (Kênh bổ sung đường lên)

F-SCCH Forward Supplemental Code Channel ( Kênh mã bổ sung đường xuống )

R-SCCH Reverse Supplemental Code Channel ( Kênh mã bổ sung mã đường lên)

F-FCH Forward Fundamental Channel (Kênh cơ bản đường xuống)

R-FCH Reverse Fundamental Channel (Kênh cơ bản đường lên)

F-DCCH Forward Dedicated Control R-DCCH Reverse Dedicated Control

245


Channel (Kênh điều khiển riêng đường xuống)

Channel (Kênh điều khiển riêng đường lên)

F-PCH Forward Paging Channel (Kênh tìm gọi đường xuống)

F-QPCH Forward Quick Paging Channel (Kênh tìm gọi nhanh đường xuống)

R-ACH Reverse Access Channel (kênh truy nhập đường lên)

R-EACH Reverse Enhanced Access Channel (kênh truy nập tăng cường đường lên)

F-CCCH Forward Common Control Channel (Kênh điều khiển chung đường xuống)

R-CCCH Reverse Common Control Channel (Kênh điều khiển chung đường lên)

F-BCCH Forward Broadcast Control Channel (Kênh điều khiển quảng bá đường xuống)

F-CPCCH Forward Common Power Control Channe (Kênh điều khiển công suất chung đường xuống )l

F-CACH Forward Common Assignment Channel (Kênh ấn định chung đường xuống)

F-SYNCH Forward Sync Channel (Kênh đồng bộ đường xuống)

F-PICH Forward Pilot Channel (Kênh hoa tiêu đường xuống/lên)

R-PICH Reverse Pilot Channel (Kênh hoa tiêu đường lên)

F-TDPICH Forward Transmit Diversity Pilot Channel (Kênh phân tập phát đường xuống)

F-APICH Forward Auxiliary Pilot Channel (Kênh hoa tiêu phụ đường xuống)

F-ATDPICH

Forward Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channel Kênh hoa tiêu phân tập phát bổ sung đường xuống)

Các kênh vật lý đường xuống được phân loại thành các kênh báo hiệu và kênh người sử dụng như trên hình 6.2.

246


Hình 6.2. Phân loại các kênh vật lý đường xuống Các kênh vật lý đường lên được phân loại thành các kênh báo hiệu và các kênh người sử dụng như trên hình 6.3.

Hình 6.3. Phân loại kênh đường lên 3. Chức năng các kênh vật lý Chức năng của các các kênh vật lý đường xuống và đường lên được cho trong bảng 6.3 và 6.4.

247


Bảng 6.3. Mô tả chức năng các kênh vật lý đường xuống Tên kênh Chức năng

F-DCCH Kênh riêng cho một người sử dung. Bình thường mang báo hiệu, bit điều khiên công suất nhưng có thể được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp (SMS chẳng hạn) trong khi cuộc gọi tích cực.

F-PCH* Kênh tìm gọi mang thông tin tìm gọi MS để thiết lập cuộc gọi đến MS, ngoài ra nó còn mang các bản tin ấn định kênh, các bản tin hệ thống phát quảng bá. và các thông số truy nhập Giống như cdmaOne nó có hai chế độ: liên tục và chia khe. Trong chế độ 2, MS chỉ "nghe" kênh này ở khe thời gian quy định (80 ms) vì thế tiết kiệm công suất. Tuy nhiên đối với một số bản tìm gọi đặc biệt do phải đợi khe nên tìm gọi không được chuyển tức thì. Ngoài ra phải nghe 80ms cũng không tiết kiệm công suất

F-QPCH Kênh tìm gọi nhanh cho phép khắc phục nhược điểm nêu trên của kênh F-PCH. Kênh này sử dụng chỉ thị tìm họi để "đánh thức" MS khi có tìm gọi đặc biệt (chẳng hạn 2 chỉ thị tìm gọi trong khe tìm gọi 80 ms) . Ngòai ra nó còn có chỉ thị quảng bá và chỉ thị thay đổi cấu hình. Chỉ thị đầu thông báo cho MS giám sát các bản tin quảng bá trên kênh F-CCCH trong khe được ấn định, còn chỉ thị thứ hai thông báo cho MS về sự thay đổi cấu hình (danh sách ô lân cận chẳng hạn)

F-BCCH Kênh này truyền quảng bá thông tin hệ thống và các thông số truy nhập cho tất cả các MS trong ô để cho phép truyền các thông tin này nhanh hơn kênh tìm gọi.

F-CCCH Kênh này truyền thông tin đặc thù cho một số MS đặc thù (chẳng hạn ấn định kênh giống như PCH) để cho phép truyền thông tin này nhanh hơn. so với kênh tìm gọi. Để truyền báo hiệu khi các kênh: F-FCH.. F-SCH, F-SCCH và F-DCCH không tích cực

F-CACH Kênh này cho phép BS nhanh chóng ấn định kênh các tài nguyên R-CCCH cho các MS.

F-CPCCH Kênh này mang các kênh con (một bit trên một kênh con) điều khiển công suất chung để điều khiển công suất cho nhiều kênh đường lên: R-CCCH và R-EACH

F-PICH* Kênh này giống như kênh hoa tiêu của IS-95 không mang thông tin (tất

cả bằng 1) và được trải phổ bởi mã Walsh . Kênh này cung cấp tham chuẩn thời gian và pha cho MS. Hỗ trợ MS đánh giá công suất BTS để điều khiển công suất đường lên và đồng bộ sóng mang để giải điều chế nhát quán

128

0w

F-TDPICH Kênh này không mang thông tin (tất cả bằng 1) và được trải phổ bởi mã

Walsh . Cùng với F-PICH nó hỗ trợ phân tập phát cho đường 128

16w

248


xuống F-APICH Kênh này không mang thông tin và được trải phổ bởi mã Walsh hay

hàm tựa trực giao. Kênh này hỗ trợ cho việc tạo búp và búp hẹp cho đường xuống.

F-ATDPICH

Kênh này hỗ trợ phân tập phát cho trường hợp tạo búp va búp hẹp đường xuống

F-FCH* Giống như IS-95, kênh này truyền: (1) lưu lượng tiếng, (2) lưu lượng số liệu tốc độ thấp, (3) báo hiệu hoặc báo hiệu ghép xen với lưu lượng, (4) các bit điều khiển công suất cho đường lên. Trong cdma2000 1x, do F-DCCH có khả năng truyền báo hiệu, nên kênh này được giải phóng chức năng truyền báo hiệu

F-SCH* Kênh này để truyền số liệu tốc độ cao dạng cụm. Vì nó không truyền báo hiệu nên nó phải đồng tồn tại với các kênh: F-DCCH hoặc F-FCH. Trong trường hợp thứ hai F-FCH mang lưu lượng và báo hiệu

F-SCCH* Kênh lưu lượng để truyền lưu lượng bổ sung cho kênh F-FCH (giống như IS-95). Vì không trryền báo hiệu nên nó phải đi kèm với F-FCH.

F-SYNCH*

Cung cấp thông tin định thời và đồng bộ khung cho MS

Bảng 6.4. Mô tả chức năng các kênh vật lý đường lên Tên kênh Chức năng

R-DCCH Kênh riêng cho một người sử dung để truyền báo hiệu đường lên khi cuộc gọi tích cực.

R-FCH* Để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu khi cuộc gọi tích cực . R-CCCH Để truyền báo hiệu và số liệu người sử dụng tốc độ thấp khi các kênh: F-

FCH, F-SCCH, F-SCH và F-DCCH không tích cực.R-CCCH có thể làm việc ở chế độ truy nhập dành trước hay truy nhập ấn định, được điều khiển công suất và hỗ trợ chuyển giao mềm. Khác với R-ACH ở chỗ nó cung cấp nhiều tùy chọn hơn và là kênh truy nhập theo lập biểu vì thế có thể phát bản tin dài hơn mà không bị va vhạm.

R-PICH Kênh này gồm hai phần: (1) phần không mang thông tin để hỗ trợ BTS phát hiện phát từ MS, giải điều chế nhất quán và đánh giá công suất đường lên cho điều khiển công suất đường lên; (2) phần mang thông tin điều khiển công suất đường xuống.

R-ACH* Để khởi đầu thông tin với BTS, chẳng hạn phát các bản tin ngắn cho khởi đầu truy nhập, trả lời tìm gọi, đăng ký. Đây là kênh truy nhập ngẫu nhiên.

R-EACH Để khởi đầu thông tin với BTS, chẳng hạn khởi đầu truy nhập hoặc trả lời tìm gọi. Kênh này cho phép phát số liệu truy nhập cơ sở hoặc chế độ điều khiển công suất còn số liệu ở chế độ truy nhập dành trước được

249


phát trên kênh R-CCCH. Đây là kênh truy nhập ngẫu nhiên như R-ACH nhưng ngắn hơn vì thế khả năng xẩy ra va chạm thấp hơn

R-SCH Để truyền số liệu ngừơi sử dụng tốc độ cao khi cuộc gọi tích cực. R-SCCH* Để truyền số liệu người sử dụng khi cuộc gọi tích cực. . * Các kênh này giống như các kênh ở IS-95 3. Thí dụ về thiết lập phiên truyền gói từ MS Hình 6.4 cho thấy thí dụ về thiết lập phiên truyền gói với sử dụng các kênh vật lý. 1. MS phát "bản tin khởi xướng" trên kênh R-ACH hoặc R-EACH: Bản tin này đặc

tùy chọn dịch vụ cho phiên số liệu gói. 2. BTS trả lời bằng bản tin "Lệnh công nhận của BTS" trên kênh F-PCH hoặc F-

CCCH 3. BTS khởi xướng thiết lập tài nguyên PSDN 4. BTS phát "bản tin ấn định kênh" hay "bản tin ấn định kênh mở rộng" trên kênh F-

PCH hay F-CCCH 5. MS thiết lập kênh lưu lượng theo thông tin thu được 6. MS phát tiền tố và số liệu kênh lưu lượng rống trên kênh R-PICH 7. BTS phát "Lênh công nhận của BTS trên kênh F-PCH hoặc F-CCCH 8. BTS phát "bản tin kết nối dịch vụ" trên kênh F-PCH hoặc F-CCCH 9. MS phát "bản tin hoàn thành kết nối dịch vụ trên kênh R-PCH hoặc R-CCCH 10. Số liệu được truyền trên các kênh F-FCH và R-FCH hoặc F-DCCH và R-DCCH 11. (A) Ấn định kênh bổ sung để truyền số liệu gói tốc độ cao từ BTS

250


Hình 6.4. Thiết lập kênh truyền gói từ MS và ấn định kênh bổ sung để truyền số liệu gói tốc độ cao 4. Sắp xếp các kênh lô gic lên các kênh vật lý Hình 6.5 cho thấy sắp xếp các kênh lo gic lên các kênh vật lý.

251


F-SYNCH F-PCH F-CCCH F-BCCH F-CPCCH F-CACH F-DCCH F-FCH F-SCCH F-SCH

f-csch f-dsch f-dtcha) Đường xuống

R-ACH R-EACH R-CCCH R-DCCH R-FCH R-SCCH R-SCH

r-csch r-dsch r-dtchb) Đường lên

Hình 6.5. Sắp xếp các kênh logic lên các kênh vật lý. 5. Các thông số kênh vật lý cdma 2000 và cấu hình vô tuyến cdma2000 1x Các thông số kênh vật lý được cho trong bảng 6.5. Bảng 6.5. Các thông số kênh vật lý cdma 2000 Sơ đồ đa truy nhập MC CDMA (CDMA đa sóng mang) Độ rộng băng tần (MHz) 1,25/5/10/15/20 Tốc độ chip (Mcps) 1,2288/3,6864/7,2738/11,0592/14,7456 Độ dài khung 5/20ms Đồng bộ giữa các BTS Đồng bộ Điều chế ĐX/ĐL QPSK/BPSK Trải phổ ĐX/ĐL QPSK/OCQPSK (HPSK) Vocoder EVRC, QCELP (13kbps) Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP2/TIA/TTA/ARIB OCQPSK (HPSK): Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying (Hybrid PSK) : khoá chuyển pha vuông góc phức trực giao EVRC: Enhanced Variable Rate Coder = Bộ mã hoá tốc độ thay đổi tăng cường QCELP: Qualcom Code Excited linear Prediction Trong giáo trình này ta chỉ xét cdma2000 1x với tốc độ chip Rc=1,2288 Mcps hay SR1 (Spreading Rate 1: tốc độ trải phổ 1). Cấu hình vô tuyến cho đường xuống và đường lên cho cdma2000 1x được cho trong các bảng 6.6 và 6.7.

252


Bảng 6.6. Cấu hình vô tuyến đường xuống Cấu hình vô tuyến

(RC) Tỷ lệ mã hóa Điều chế Tốc độ số liệu cực đại (kbps)

1 1/2 BPSK 9,6 2 1/2 BPSK 14,4 3 1/4 QPSK 153,6 4 1/2 QPSK 307,2 5 1/4 QPSK 230,4 Bảng 6.7. Cấu hình vô tuyến đường lên Cấu hình vô tuyến (RC)

Tỷ lệ mã hóa

Điều chế Tốc độ số liệu cực đại (kbps)

1 1/3 BPSK không nhất quán kết hợp điều chế trực giao cơ số 64*

9,6

2 1/2 BPSK không nhất quán kết hợp điều chế trực giao 64

14,4

1/4 BPSK 153,6 3 1/2 BPSK 307,2

4 1/4 BPSK 230,4 * Điều chế trực giao cơ số 64 giống như ở cdmaOne, trong đó 6 ký hiệu sau đan xen khối được mã hóa bằng một mã Walsh 64 chip Các cấu hình vô tuyến 1 và 2 của đường xuống và đường lên hoàn toàn tương thích với cdmaOne (IS-95). 6. Phân bố tần số Phân bô tần số cho cdma2000 1x trong các băng tần loại 0 và loại 1 được cho trong các bảng 6.8 và 6.9.

253


Bảng 6.8. Số kênh CDMA và các tần số tương ứng đối với băng loại 0

Băng tần phát (MHz)

Phân bố hệ thống

Cho phép kênh CDMA

Số kênh CDMA MS BS

A" (1 MHz)

Không hợp lệ Hợp lệ

991−1012 1013−1023

824.040−824.670 824.700−825.000

869.040−869.670 869.700−870.000

A (10 MHz)

Hợp lệ Không hợp lệ

1−311 312−333

825.030−834.330 834.360−834.990

870.030−879.330 879.360−879.990

B (10 MHz)

Không hợp lệ Hợp lệ Không hợp lệ

334−355 356−644 645−666

835.020−835.650 835.680−844.320 844.350−844.980

880.020−880.650 880.680−889.320 889.350−889.980

A' (1.5 MHz)


667−688 689−694 695−716

845.010−845.640 845.670−845.820 845.850−846.480

890.010−890.640 890.670−890.820 890.850−891.480

B' (2.5 MHz)


717−738 739−777 778−799

846.510−847.140 847.170−848.310 848.340−848.970

891.510−892.140 892.170−893.310 893.340−893.970

Bảng 6.9. Số kênh CDMA và các tần số tương ứng đối với băng loại 1 Băng tần phát (MHz)

Phân bổ khối Cho phép kênh CDMA

Số kênh CDMA MS BS

A (15 MHz)

Không hợp lệ Hợp lệ Hợp lệ điều kiện

0−24 25−275 276−299

1850.000−1851.200 1851.250−1863.750 1863.800−1864.950

1930.000−1931.200 1931.250−1943.750 1943.800−1944.950

D (5 MHz)

Hợp lệ điều kiện Hợp lệ Hợp lệ điều kiện

300−324 325−375 376−399

1865.000−1866.200 1866.250−1868.750 1868.800−1869.950

1945.000−1946.200 1946.250−1948.750 1948.800−1949.950

B (15 MHz)


400−424 425−675 676−699

1870.000−1871.200 1871.250−1883.750 1883.800−1884.950

1950.000−1951.200 1951.250−1963.750 1963.800−1964.950

E (5 MHz)


700−724 725−775 776−799

1885.000−1886.200 1886.250−1888.750 1888.800−1889.950

1965.000−1966.200 1966.250−1968.750 1968.800−1969.950

F (5 MHz)


800−824 825−875 876−899

1890.000−1891.200 1891.250−1893.750 1893.800−1894.950

1970.000−1971.200 1971.250−1973.750 1973.800−1974.950

C (15 MHz)


900−924 925−1175 1176−1199

1895.000−1896.200 1896.250−1908.750 1908.800−1909.950

1975.000−1976.200 1976.250−1988.750 1988.800−1989.950

Các bảng trên sử dụng đánh số kênh theo hệ thống AMPS trước đây trong đó mỗi kênh có băng thông 30 kHz. Băng thông cdma2000 1x phải bằng 1,23MHz, vì thế số kênh AMPS nó chiếm sẽ là: 41x0,03MHz=1,23MHz. Ngoài ra cần hai băng con (9 kênh AMPS) bảo vệ tại hai biên băng tần của mỗi nhà khai thác. Quy hoach băng tần cho cdma 2000 1x được cho trên hình 6.6.

254


9 41 9

1,77 MHz59 kênh 30 KHz

0,27 1,23 0,279 41

1,2341 9

1,230,27 0,27

3,0 MHz100 kênh 30 KHz

Hình 6.6. Băng tần cdma2000 1×: (a) một kênh cdma2000 1× đơn; (b) hai kênh cdma2000 1× 7. Tổng kết kiến trúc kênh vật lý Hình 6.7 và 6.8 tổng kết kiến trúc kênh vật lý đường xuống và đường lên..

Hình 6.7. Kiến trúc kênh vật lý đường xuống cdma2000 1x

255


REVERSE PHYSICAL CHANNEL

R-ACHTCH

(RC 1 hay 2)

Khai thác kênh R-EACH

Khai thác kênh

R-CCCH

Khai thác kênh TCH(RC 3 -4)

R-FCH R-PICH R-PICH R-PICH

R-SCCH 7

R-EACH R-CCCH R-DCCH 0 hoặc 1

R-FCH 0 hoặc 1

R-SCH 0 hoặc 2

PC Subchannel

REVERSED PHYSICAL CHANNEL: kênh vật lý đường lênTCH: kênh lưu lượngPC Subchannel: kênh con điều khiển công suất

Hình 6.8. Kiến trúc kênh vật lý đường lên cdma2000 1x 6.5. SƠ ĐỒ KÊNH VẬT LÝ 6.5.1. Sơ đồ kênh vật lý đường xuống Trong phần này ta sẽ xét sơ đồ kênh vật lý đường xuống cho cdma2000 1x: phần xử lý tín hiệu số trên hình 6.9 cho các kênh F-FCH và F-SCH ở cấu hình RC3 và phần trải phổ và điều chế trên hình 6.10. 1. Phần xử lý số thực hiện:

√ Cộng CRC để phát hiện lỗi √ Mã hóa xoắn hoặc turbo để sửa lỗi √ Lặp và chích bỏ để điều chỉnh tốc độ ký hiệu √ Đan xen để tránh lỗi cụm do pha đinh.

2. Phần trải phổ và điều chế thực hiện: √ Trải phổ mã Walsh Wi hoặc hàm trực giao (QOF) để định kênh (trải phổ lần thứ

nhất √ Phân chia thành hai luồng độc lập (DEMUX) √ Nhân phức hay ngẫu nhiên hóa với chuỗi hoa tiêu kênh I và kênh Q (PNI và

PNQ) để nhận dạng BTS (trải phổ lần 2). √ Điều chế QPSK.

256


Hình 6.9. Xử lý tín hiệu số cho các kênh F-FCH và F-SCH cấu hình RC3

Hình 6.10. Trải phổ (hai mức) và điều chế kênh vật lý đường xuống (không xét bộ quay dấu). Đối với cấu hình RC1 và RC2 phần đường không liền nét trên hình 6.9 không đựơc sử dụng.

257


Quá trình nhân phức có thể được giải thích như sau. in in I QI jQ (I jQ )(PN jPN )+ = + +

in I in Q in Q in II PN Q PN j(I PN Q PN )= − + + (6.1)

Quá trình nhân phức này giống như quá trình ngẫu nhiên hóa trong sơ đồ kênh vật lý đường xuống của WCDMA (xem hình 4.9 chương 4). 6.5.2. Sơ đồ kênh vật lý đường lên Sơ đồ kênh vật lý đường lên cho kênh R--FCH và R-SCCH cấu hình RC1 được cho trên hình 6.11. Hoạt động của sơ đồ này như sau. 1. Xử lý số: (1) Luồng số tốc độ khả biến (từ codec QCELP) được mã hóa khối tuyến tính để cộng thêm các bit CRC, (2) được bổ sung 8 bit đuôi cho mã hóa xoắn, (3) được lặp ký hiệu để đồng hóa tốc độ, (4) được đan xen khối, (5) Được điều chế trực giao cơ số 64 (cứ 6 ký hiệu thì được điều chế bằng một mã Walsh 64 chip có chỉ số bằng giá trị thập phân của 6 ký hiệu này), (6) được ngẫu nhiên hóa cụm số liệu để đảm bảo rằng mỗi ký hiệu được đưa vào bộ lặp chỉ được phát đúng một lần. 2. Trải phổ và điều chế: (1) sau xử lý số luồng ký hiệu được đồng thời đưa lên nhánh I và nhánh Q, (2) được trải phổ định kênh và nhận dạng nguồn phát bằng mã dài, (3) luồng Q trễ 1/2 chip để hỗ trợ điều chế OQPSK/BPSK, (4) được sắp xếp cho điều chế QPSK/BPSK, (5) được điều chế BPSK riêng cho luồng I và luồng Q.

258


Hình 6.11. Sơ đồ kênh vật lý R-FCH và R-SCCH cấu hình RC1. Sơ đồ xử lý tín hiệu số kênh vật lý đường xuống cho R-FCH và R-SCH cấu hình RC4 được cho trên hình 6.12.

Hình 6.12. Sơ đồ xử lý số kênh R-FCH và R-SCH cấu hình RC4. Sơ đồ trải phổ hai mức và điều chế cho cấu hình RC4-6 được cho trên hình 6.13 Hoạt dộng của sơ đồ 6.12 và 6.13 như sau.

259


1. Xử lý số: (1) các bit kênh được mã hóa khối tuyến tính để cộng thêm các bit CRC, (2) được chèn 8 bit đuôi cho mã hóa xoắn hoặc turbo, (3) được lặp ký hiệu để đồng hóa tốc độ, (4) được đan xen để tránh lỗi cụm do phađinh. 2. Trải phổ hai mức và điều chế: (1)Các kênh sau xử lý số, được trải phổ bằng mã Walsh định kênh Wi tương ứng, (2) được cộng tuyến tính để ghép chung, (3) Được nhân phức hay ngẫu nhiên hóa phức (trải phổ mức hai) bởi hai mã ngẫu nhiên dài có tốc độ chip bằng 1,2288 Mcps kênh I (Si) và kênh Q (SQ) để nhận dạng nguồn phát, (4) được điều chế BPSK ở hai nhánh I và Q.

Bộ nhân phức

_

+

+

+

Bộ lọc băng gốc

cos(2 fct)

-sin(2 fct)

Khuyếch đại tương đối

s(t)

Mặt nạ mã dài m

Bộ tạo mã dài Rc=1,2288Mcps

Bộ

tạo

SI

Bộ

tạo

SQ

Khuyếch đại tương đối

C

C

Khuyếch đại tương đốiC

Khuyếch đại tương đốiC

Bộ lọc băng gốc

R-PICH

R-DCCH

R-SCH 2

R-FCH

R-EACH, R-CCCH hay R-SCH 1

Wi cho R-EACH, R-CCCH, hay R-SCH

Wi cho R-DCCH

Wi cho R-SCH2

Wi cho R-FCH

Hình 6.13. Sơ đồ trải phổ hai lớp và điều chế BPSK cho các cấu hình RC3, RC4 đường lên 6.6. MÃ TRẢI PHỔ ĐỊNH KÊNH VÀ MÃ NGẪU NHIÊN NHẬN DẠNG NGUỒN PHÁT 6.6.1. Tạo mã Walsh Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trận vuông đặc biệt được gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn số "0" và các hàng còn lại có số số "1" và số số "0" bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N=2j trong đó j là một số nguyên dương. Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định như theo ma trận Hadamard như sau:

260


0=1H , , , 1000

=2H

0110110010100000

4 =HNN

NNN2 HH

HHH = ; (6.1)

trong đó N =2J, j là một số nguyên dương và NH là đảo cơ số hai của . NH cdma2000 1x cấu hình RC1 và RC2 chỉ sử dụng một ma trận H64. Các mã này được đánh chỉ số từ W0 đến W63 . Đối với các cấu hình còn lại cdma2000 1x sử dụng các ma trận Hadamard khác nhau để tạo ra các mã Walsh Wi

N, trong đó N≤128 và 1≤i≤N/2-1, để nhận dạng các kênh cho đường xuống và đường lên. Lưu ý chỉ số N ở đây tương ứng với chỉ số ma trận còn i tương ứng với chỉ số của mã, chẳng hạn W32

128 là mã nhận được từ hàng 33 của ma trận H128. Thí dụ các mã Walsh nhận được từ ma trận H4 như sau (xem phương trình (6.1)):

; ; ; 40 = [0 0 0 0]w 4

1 = [0 1 0 1]w 42 = [0 0 1 1]w 4

0 = [0 1 1 0]w 6.6.2. Mã định kênh đường xuống 1. Mã Walsh định kênh Vì cdma2000 1x hỗ trợ đồng thời nhiều tốc độ số liệu và tốc độ chip cố định (Rc=1,2288Mcps) nên các mã Walsh được sử dụng đồng thời phải có độ dài khác nhau. Độ dài chip được xác định theo hệ số trải phổ SF và bằng tỷ số giữa tốc độ chip và tốc độ ký hiệu đưa lên trải phổ (Rc/Rs). Chẳng hạn một người sử dụng có thể được cấp phát đồng thời hai kênh đường xuống F-DCCH và F-SCH cấu hình RC2 với tốc độ ký hiệu đưa lên trải phổ là (xem hình 6.8): RS,F-DCCH=38,4/2=19,2kbps và RS,F-

SCH=614,4/2=307,2. Khi này ta cần các mã Walsh có độ dài như sau: 1228,2/19,2=64 và 1228,2/307,2=4 cho F-DCCH và F-SCH tương ứng. Bảng 6.10 liệt kê các độ dài mã Walsh khác nhau cho các kênh đường xuống khác nhau. Bảng 6.10. Các độ dài mã Walsh được sử dụng cho kênh đường xuống Kênh Độ dài F-SCH 128, 64, 32, 16, 8, hoặc 4 F-FCH 128, 64, 32, 16, 8, hoặc 4 F-DCCH 128 hoặc 64 F-CCCH 128, 64, 32 hoặc 16 F-BCCH 64 hoặc 32 F-CACH 128 hoặc 64 F-CPCCH 128 hoặc 64 F-SCCH 64 F-PCH 64 F-SYNCH 64

261


Để không xẩy ra nhiễu giữa các kênh càn đảm bảo các mã Walsh đựơc sử trực gioa với nhau. Vì cdma2000 1x sử dụng các mã Walsh với độ dài khác nhau, nên hệ thống cũng cần đảm bảo các mã Walsh tích cực có độ dài khác nhau này trực giao với nhau. Chẳng hạn nếu một mã Walsh có độ dài bằng 4 (Rs=307,2ksps) đang được sử dụng cho F-SCH1 và MS yêu cầu thêm một kênh F-SCH2 với tốc độ bằng một nửa kênh trước (Rs=153,6kbps) thì nó sẽ được cấp một mã Walsh dài 8 chip. Giả sử mã Walsh dài 4 chip cho F-SCH1 là [0101] thì mã Walsh cho F-SCH2 không được là [01010101] và [01011010]. Vì thế phải chọn má Walsh mới trong số các mã sau: [00001111], [00110011], [00111100], [01100110] hay [01101001]. Ngoài ra cũng cần lưu ý hệ thống có thể ấn định trước một số mã Walsh. 2. Hàm tựa trực giao (QOF) QOF (Quasi Orthogonal Function: hàm tựa trực giao) cho phép giải quyết vấn đề thiếu hụt mã. Để giải quyết vấn đề thiếu hụt mã mã Walsh được nhân với một hàm mặt nạ và và tập mã mới này được gọi là tập mã QOF. Chẳng hạn nếu hệ thống có 256 mã Walsh gốc thì sử dụng quá trình trên ta được thêm 512 mã định kênh. BTS sẽ sử dụng các mã Walsh để định kênh cho đến khi hết mã. Khi này sẽ tạo ra tập QOF và chọn mã định kênh từ tập này. Nếu thiếu nó có thể tạo ra tập QOF mới bằng cách nhân mã Walsh gốc với hàm mặt nạ khác. cdma2000 1x định nghĩa 3 kiểu hàm mặt nạ khác nhau. mã QOF được sử dụng cho các kênh sau: F-DCCH, F-FCH và F-SCH. 6.6.3. Mã định kênh đường lên Trong trường hợp này mã Walsh được sử dụng làm mã định và được quy định trước như cho trong bảng 6.11. Bảng 6.11. Các mã được sử dụng cho đường lên cho R3 và R4 Kênh Mã Walsh Độ dài R-SCH1 4

2 = [0 011]w hay 21 = [0 1]w 4 hay 2

R-SCH2 86 = [0 0 11110 0] w hay 4

2 = [0 0 11]w 8 hay 4

R-FCH 164 = [0 0 0 0111100001111]w 16

R-DCCH 168 = [0 0 0 0000011111111]w 16

R-EACH 82 = [0 0 110 011] w 8

R-CCCH 82 = [0 0 110 011] w 8

6.6.4. Mã ngẫu nhiên nhận dạng nguồn phát

262


cdma 2000 1x sử dụng các mã khác nhau nhân dạng nguồn phát: BTS và MS. Các mã này đều có tốc độ chip là: Rc=1,2288Mcps với độ rộng chip bằng: Tc= 0,814 μs. Dưới đây ta xét các mã nói trên. 1. Mã PN dài (Long PN Code) Mã PN dài là một chuỗi mã có chu kỳ lặp 242 - 1 chip được tạo ra trên cơ sở đa thức tạo mã sau: g(x) = x42 + x35 + x33 + x31 + x27 + x26 + x25 + x22 + x21 + x19 + x18 + x17 + x16 + x10 + x7 + x6 + x5 + x 3 + x2 + x + 1 (6.2) Trên đường xuống mã dài được sử dụng để nhận dạng người sử dụng. Trên đường lên mã dài được sử dụng để nhận dạng nguồn phát (MS). Trạng thái ban đầu của bộ tạo mã được quy định là trạng thái mà ở đó chuỗi đầu ra bộ tạo mã là '1' đi sau 41 số '0' liên tiếp. 2. Mã PN ngắn (Short PN Code . Các mã PN ngắn còn được gọi là các chuỗi PN hoa tiêu kênh I và kênh Q được tạo bởi các bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên xác định theo các đa thức sau: gI(x)= x15 + x13 + x9 +x8 + x7 + x5 + 1 (6.3) gQ(x)= x15 + x12 + x11 + x10 + x6 + x5 + x4 + x3 + 1 (6.4) trong đó gI(x) và gQ(x) là các bộ tạo mã cho chuỗi hoa tiêu kênh I và kênh Q tương ứng. Các chuỗi được tạo bởi các đa thức tạo mã nói trên có độ dài 215-1= 32767. Đoạn 14 số 0 liên tiếp trong các chuỗi được bổ sung thêm một số 0 để được một dẫy 15 số 0 và chuỗi này sẽ có độ dài 32768. Trên đường xuống mã ngắn (với các dịch thời khác nhau được tạo ra từ mặt chắn) được sử dụng để nhận dạng BTS. Trạng thái ban đầu của bộ tạo mã được quy định là trạng thái mà ở đó chuỗi đầu ra của bộ tạo mà là '1' đi sau 15 số '0' liên tiếp. Các mã ngắn liền kề được dịch thời 64 chip vì thế có 512 mã nhận dạng BTS. 6.7. MÃ HÓA KÊNH cdma2000 1x sử dụng ba dạng mã kiểm soát lỗi sau: • Mã khối tuyến tính hay cụ thể là mã vòng • Mã xoắn • Mã turbo

263


Trong đó mã vòng được sử dụng để phát hiện lỗi, còn hai mã còn lại được sử dụng để sửa lỗi và hai mã này thường được gọi là mã kênh. Mã turbo chỉ được sử dụng ở các hệ thống thông tin di động thế hệ ba khi tốc độ bit cao. Trong phần này ta sẽ xét các nguyên lý căn bản của các dạng mã trên và các sơ đồ của chúng được áp dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. Các đa thức tạo mã được cdma2000 1x sử dụng để tính toán CRC là:

gCRC16(x) = x16 + x15 + x14 + x11 + x6 + x5 + x2 + x+ 1 (6.5)

gCRC12(x) = x12 + x11 + x10 + x9 + x8 + x4 + x + 1 (6.6)

gCRC8(x) = x8 + x7 + x4 + x3 + x + 1 (6.7)

gCRC6(x) = x6 + x5 + x2 + x + 1 (6.8)

gCRC6(x) = x6 + x2 + x + 1 (6.9)

cdma2000 1x sử dụng các bộ tạo mã xoắn sau: Bộ mã xoắn r=1/2, K=9, g0 = [753], g1 [561] Bộ mã xoắn r=1/3, K=9, g0 = [557], g1 = [663], g2 = [711] Bộ mã xoắn r=1/4, K=9, g0 = [765], g1 = [671], g2 = [513], g3 = [473] Bộ mã hoá xoắn r=1/6, K=9, g0 = [457], g1= [755]; g2 = [625], g4 = [727], g5=[637] cdma2000 1x sử dụng bộ tạo mã turbo sau:

0 1g (x) g (x)G(x) 1Q(x) Q(x)

⎤⎡= ⎥⎢

⎣ ⎦ (6.10)

trong đó: Q(x) = 1+x2+x3, g0(x)=1+x+x3 và g1(x)=1+x+x2+x3. Bộ mã hóa turbo kết hợp với chích bỏ có thể cho các tỷ lệ mã: 1/2, 1/3 và 1/4. 6.8. ĐIỀU KHIỂN TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN Cũng như WCDMA, cdma2000 1x sử dụng các phương pháp điều chỉnh công suất sau đây:

√ Điều khiển công suất vòng hở: được thực hiện khi MS bắt đầu truy nhập mạng và chưa có kết nối với BTS. MS điều khiển công suất dựa trên công suất thu được từ hoa tiêu của MS.

√ Điều khiển công suất vòng kín: khi MS đã có kết nối với BTS bao gồm: (1) điều chỉnh công suất nhanh vòng trong đó MS và BTS đánh giá SNR để đưa ra kết luận điều khiển công suất cho đường xuống và đường lên; (2) điều khiển công suất vòng ngoài, MS và RNC dựa trên tỷ lệ lỗi khung (FER) đưa ra quyết định ngưỡng SNR cho điều khiển công suất vòng trong.

264


cdma2000 thực hiện điều khiển công suất vòng trong nhanh với tốc độ 800 lần trong một giây. Cũng như WCDMA, cdma2000 1x có thể thực hiện ba kiểu chuyển giao: (1) chuyển giao mềm, (2) chuyển giao mềm hơn và (3) chuyển giao cứng. Hai kiểu chuyển giao đầu được thực hiện trong một ô hoặc trong một đoạn ô trên cùng một tần số. Để quản lý chuyển giao mềm (hoặc mềm hơn) MS có bộ nhớ duy trì tập các hoa tiêu của BTS như sau:

√ Tập tích cực: là tập các hoa tiêu cuả các BTS đang kết nối với MS (cực đại 6 hoa tiêu)

√ Tập ứng cử: là tập các hoa tiêu của các BTS khác không có mặt trong kết nối với MS nhưng tỷ số SIR (Ec/I0) hoa tiêu của chúng đủ mạnh để được bổ sung và tập tích cực (cực đại 10 hoa tiêu)

√ Tập lân cận: là danh sách các hoa tiêu đựơc của các BTS có thể là đối thủ tham gia chuyển giao mềm (cực đại 40 hoa tiêu)

√ Tập còn lại: là danh sách tất cả các hoa tiêu không thuộc các tập trên trên cùng tần số sóng mang CDMA.

Các thành viên của các tập dưới có thể được chuyển vào các tập trên và vào tập tích cực khi công suất của hoa tiêu chúng đủ mạnh. 6.9. GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 1XEVDO 6.9.1. Mở đầu 1xEVDO là phát triển của cdma2000 1x để cho phép truyền số liệu gói tốc độ cao. Sử dụng băng thông 1,25 MHz 1xEVDO có thể hỗ trợ tốc độ số liệu đường xuống 2,4576 Mbps và đường lên 153,6kbps. 1xEVDO sử dụng sơ đồ lai ghép CDMA/TDM. Trong phần này ta sẽ xét kiến trúc vô tuyến của 1xEVDO, lớp MAC và lớp vật lý. Kiến trúc giao thức của 1xEVDO được cho trên hình 6.14.

265


Giao thức mạng báo hiệu

Giao thức liên kết báo hiệu

Giao thức liên kết vô tuyến

Giao thức cập nhật vị trí

Giao thức điều khiển luồng

Giao thức luồng

Giao thức quản lý phiên

Giao thức quản lý địa chỉ

Giao thức lập cấu hình phiên

Giao thức trạng thái khởi đầu

Giao thức trạng thái rối

Giao thức trạng thái kết nối

Giao thức hợp nhất gói

Giao thức cập nhật tuyến

Giao thức các bản tin bổ sung

Giao thức an ninh

Giao thức trao đổi khóa

Giao thức nhận thực

Giao thức mật mã

Giao thức MAC kênh điều khiển

Giao thức MAC kênh lưu lượng đường xuống

Giao thức MAC kênh truy nhập

Giao thức MAC kênh lưu lượng đường lên

Giao thức lớp vật lý

Ứng dụng báo hiệu mặc định

Ứng dụng gói mặc định

Lớp vật lý

Lớp MAC

Lớp an ninh

Lớp kết nối

Lớp phiên

Lớp luồng

Lớp ứng dụng

Hình 6.14. Kiến trúc giao thức 1xEVDO 6.9.2. Giao diện vô tuyến đường xuống Một số đặc điểm của giao diện vô tuyến đường xuống:

√ Không có điều khiển công suất đường xuống. √ Có thể truyên tốc độ số liệu khác nhau dựa trên yêu cầu thay đổi tốc độ của AT √ Sử dụng ghép kênh theo thời gian (TDM) √ Không thực hiện chuyển giao mềm đường xuống: AT thu truyền dẫn từ một

BTS.

6.9.2. 1. Lớp MAC Lớp MAC sử dụng hai giao thức sau:

1. Giao thức MAC kênh lưu lượng đường xuống: làm việc ở hai chế độ: √ Trạng thái tốc độ khả biến: tốc độ truyền dẫn có thể thay đổi từ 38,4 kbps đến 2,4576 Mbps

266


√ Trạng thái tốc độ cố định: tốc độ không đổi trong dải từ 38,4 kbps đến 2,4576 Mbps

2. Giao thức MAC kênh điều khiển đường xuống: quản lý phát và thu báo hiệu trên kênh điều khiển.

Hình 6.15 cho thấy quá trình đóng bao gói trong lớp MAC và lớp vật lý (cho kênh lưu lượng đường xuống).

Hình 6.15. Quá trình đóng bao gói trong lớp MAC và lớp vật lý (cho kênh lưu lượng) 6.9.2.2. Lớp vật lý Tổ chức kênh vật lý được cho trên hình 6.16.

Hình 6.16. Tổ chức kênh vật lý đường xuống

267


Khi truyền gói kênh lưu lượng đường xuống, lớp vật lý có thể sử dụng các sơ dồ điều chế khác nhau (QPSK, 8PSK hoặc 16-QAM) tùy theo khối lượng số liệu cần truyền. Sử dụng điều chế bậc cao 64-QAM cho phép 1xEVDO truyền số liệu lên đến 2,4567Mbps. Bảng 6.12 cho thấy các sơ đồ điều chế và kích thước của các gói lớp vật lý. Bảng 6.12. Các sơ đồ điều chế và các tốc độ kênh lưu lượng đường xuống Độ dài gói lớp vật lý (bit)

Tốc độ số liệu (kbps) Tỷ lệ mã Sơ đồ điều chế

1024 38,4*; 76,8*; 153,6; 307,2; 614,4 1/5** QPSK 2048 307,2; 614,4; 1228,8 1/3 QPSK 3072 921,6; 1832,2 1/3 8PSK 4096 1228,8; 2457,6 1/3 16-QAM * Cũng sử dụng cho kênh điều khiển ** Đối với tốc độ số liệu 614,4 kbps và độ dài gói 1024, tỷ lệ mã là 1/3 6.9.2.3. Sơ đồ kênh vật lý đường xuống Sơ đồ xử lý tín hiệu số kênh lưu lượng và điều khiển lớp vật lý được cho trên hình 6.17. Sơ đồ ghép kênh TDM, ngẫu nhiên hóa (trải phổ mức 2) nhận dạng BTS và điều chế sóng mang dược cho trên hình 6.18.

268


16

0w

16

15w

16

15w

Hình 6.17. Sơ đồ xử lý tín hiệu số kênh lưu lượng và kênh điều khiển

Hình 6.18. Sơ đồ ghép kênh TDM, ngẫu nhiên hóa nhận dạng BTS và điều chế sóng mang Hoạt động của các sơ đồ trên hình 6.18 và 6.19 như sau. 1. Phần xử lý số thực hiện:

√ Cộng CRC để phát hiện lỗi

269


√ Mã hóa xoắn hoặc turbo để sửa lỗi √ Lặp và chích bỏ để điều chỉnh tốc độ ký hiệu √ Đan xen để tránh lỗi cụm do pha đinh. √ Điều chế (QPSK, 8PSK, 16-QAM) để sắp xếp ký hiệu phù hợp cho từng

phương thức điều chế √ Phân thành 16 luồng con và trải phổ cho mỗi luồng con băng một mã trải phổ

16

iw tương ứng

√ Khuyếch đại 1/4 cho mỗi luồng và cộng tuyến tính 16 luồng con 2. Phần ghép kênh TDM, ngẫu nhiên hóa nhận dạng nguồn phát (BTS) và điều chế sóng mang thực hiện:

√ Ghép kênh lưu lượng/ kênh điều khiển với các kênh khác theo thời gian √ ngẫu nhiên hóa √ Điều chế sóng mang.

Hình 6.19 cho thấy quá trình xử lý tín hiệu số gói số liệu lưu lượng và ghép kênh TDM.

Tiền tố128 chip

Các ký hiệu điều chế 2560 ký hiệu

Các ký hiệu mã 5120 ký hiệu

Điều chế QPSK

Gói lớp vật lý

1024 bit

Mã hóa 1/5

Hình 6.19. Quá trình xử lý tín hiệu số gói số liệu lưu lượng và ghép kênh lưu lượng.

270


6.9.3. Giao diện vô tuyến đường lên Một số đặc điểm của giao diện vô tuyến đường lên:

√ Có có điều khiển công suất đường lên. √ Có chuyển giao mềm đường lên: nhiều BTS có thể thu truyền dẫn của AT √ Không sử dụng ghép kênh theo thời gian (TDM)

6.9.3. 1. Lớp MAC Lớp MAC sử dụng hai giao thức sau:

3. Giao thức MAC kênh lưu lượng đường lên: điều khiển phát và thu gói trên kênh lưu lượng, đàm phán tốc độ truyền dẫn đường lên và xem xét điều khiển công suất đường lên. Có hai chế độ √ Chế độ thiết lập: AT chuẩn bị thiết lập truyền dẫn số liệu trên kênh đường

lên √ Chế độ mở: AT truyền số liệu với các tốc độ bit được thiết lập.

4. Giao thức MAC kênh điều khiển đường xuống: Chịu trách nhiệm phát và thu các gói số liệu trên kênh truy nhập.

Hình 6.20 cho thấy quá trình đóng bao gói trong lớp MAC và lớp vật lý (cho

kênh lưu lượng đường lên).

Lớp

MA

CLớ

p vậ

t lý

Lớp

an n

inh

Hình 6.20. Quá trình đóng bao gói trong lớp MAC và lớp vật lý (cho kênh lưu lượng đường lên). 6.9.3.2. Lớp vật lý

271


Tổ chức kênh vật lý đường lên được cho trên hình 6.21.

Hình 6.21. Tổ chức kênh vật lý đường lên Kênh truy nhập đường lên gồm một kênh hoa tiêu và một kênh số liệu. Kênh lưu lượng đừơng lên gồm một kênh hoa tiêu, một kênh chỉ thị tốc độ đường lên (RRI: Reverse Rate Indicator), một kênh điều khiển tốc độ số liệu (DRC: Data Rate Control), một kênh công nhận (ACK) và một kênh số liệu. Kênh RRI được sử dụng để chỉ thị tốc độ số liệu của kênh số liệu đang được phát trên kênh lưu lượng đừơng lên. Kênh DRC được sử dụng để biểu thị tốc độ số liệu kênh lưu lượng đường xuống mà AT yêu cầu và đoạn ô phục vụ được chọn ở kênh đường xuống. Kênh ACK được đầu cuối truy nhập sử dụng để thông báo cho mạng truy nhập rằng gói kênh vật lý có được phát thành công hay không. Độ dài của các gói số liệu lớp vật lý và các tốc độ số liệu được cho ở bảng 6.13. Bảng 6.13. Độ dài gói số liệu và tốc độ số liệu

Độ dài gói lớp vật lý (bit)

Tốc độ số liệu (kbps)

Tỷ lệ mã Sơ đồ điều chế

256 9,6 1/4 BPSK 512 19,2 1/4 BPSK 1028 38,4 1/4 BPSK 2056 76,8 1/4 BPSK 4096 153,6 1/2 BPSK Nhận xét bảng 6.13 ta thấy các gói đều có cùng độ dai thời gian và bằng tốc độ số liệu/số bit gói=26,67ms. 6.9.4. Điều khiển công suất

272


Trong 1xEVDO điều khiển công suất đường lên được thực hiện cho các kênh sau:

√ Kênh hoa tiêu √ Kênh số liệu √ Kênh DRC √ Kênh công nhận

AT thực hiện điều khiển công suất vòng hở và vòng kín theo nguyên lý chung của CDMA. 6.9.5. Sơ đồ kênh vật lý đường lên Sơ đồ phần xư lý tín hiệu số và ghép chung cho kênh số liệu và kênh DRC được cho trên hình 6.22. Sơ đồ ngẫu nhiên hóa phức và điều chế sóng mang cho hai kênh số liệu và DRC được cho trên hình 6.23.

4

2w

8

i , i 0,1,...,7w =

16

8w

Hình 6.22. Xử lý tín hiệu số kênh số liệu và DRC.

273


Hình 6.23. Sơ đồ ghép ngẫu nhiên hóa nhận dạng BTS và điều chế sóng mang 6.10. PHÂN TẬP PHÁT Cdma2000 1x sử dụng hai kỹ thuật phân tập phát: phân tập phát trực giao (OTD: Orthogonal Transmit Diversity) và trải phổ không gian thời gian (STS: Space Time Spreading). Dưới đây ta sẽ xét hai kỹ thuật này. 6.10.1. Phân tập phát trực giao (OTD) Trong sơ đồ này tín hiệu sau phần xử lý tín hiệu số được phân thành hai cặp luồng và mỗi cặp luồng đựơc đưa lên một bộ ngẫu nhiên hóa và điều chế (hình 6.24).

Để phân biệt tín hiệu s1(t) được liên kết với hoa tiêu F-PICH với mã Walsh còn

s2(t) được liên kết với hoa tiêu F-TDPICH với mã Walsh .

64

0w128

16w

274


I1x

I2x

Q1x

Q 2x

64

0w

128

16w Hình 6.24. Phân tập phát trực giao (OTD). 6.10.2. Phân tập trải phổ không gian thời gian Trong sơ đồ này luồng số sau bộ phân luồng được đưa đồng thời lên cả hai bộ ngẫu nhiên hóa và điều chế (hình 6.25). Các bộ ngẫu nhiên và điều chế sử dụng các mã Walsh bù nhau.

Ix

Qx

Hình 6.25. Phân tập phát STS. 6.11. TỔNG KẾT Chương này xét những vấn đề căn bản nhất của giao diện vô tuyến cdma2000 1x và 1xEVDO. Trước hết giao diện vô tuyến cdma2000 1x được xét, Trong phần này kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến cdma2000 1x được trình bày. Tiếp theo các giao thức của lớp MAC được khảo sát, các kênh logic và các kênh vật lý được xét. Trong phần kênh vật lý các sơ đồ kênh vật lý đường xuống và sơ đồ kênh vật lý đường lên được trình bày. Tiếp theo mã định kênh Walsh và mã ngẫu nhiên hóa được trình

275


276

bày. Sau đó các vấn đề về điều khiển tài nguyên vô tuyến như: điều khiển công suất và chuyển giao được đề cập. Sau giao diện vô tuyến cdma2000 1x, các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến 1x EVDO được trình bày. Kiến trúc giao thức của 1xEVDO được đề cập trước tiên. Sau đó là lớp MAC và các kênh vật lý được trình bày. Cuối cùng vấn đề điều khiển công suất cho đường lên của 1xEVDO được đề cập. Cuối chương các kỹ thuật phân tập phát như: OTD và STS được trình bày. 6.12. CÂU HỎI 1. Trình bày mô hình kiến trúc giao diện vô tuyến cdma2000 1x 2. Trình bày lớp MAC 3. Nêu tên các kênh logic 4. Nêu tên các kênh vật lý 5. Phân lọai các kênh vật lý đường xuống 6. Phân loại các kênh vật lý đường lên 7. Mô tả chức năng các kênh vật lý đường xuống 8. Mô tả chức năng các kênh vật lý đường lên 9. Trình bày thiết lập kênh truyền gói từ MS 10. Trình bày các thông số kênh vật lý cdma 2000 và cấu hình vô tuyến cdma2000 1x 11. Trình bày phân bố tần số cho cdma2000 1x 12. Trình bày sắp xếp các kênh logic lên các kênh vật lý 13. Trình bày tổng kết kiến trúc các kênh vật lý 14. Trình bày sơ đồ xử lý tín hiệu số cho các kênh F-FCH và F-SCH cấu hình RC3 15. Trình bày sơ đồ trải phổ hai mức và điều chế kênh vật lý đường xuống 16. Trình bày sơ đồ kênh vật lý R-FCH và R-SCCH cấu hình RC1 17. Trình bày sơ đồ xử lý số kênh R-FCH và R-SCH cấu hình RC4 18. Trình bày sơ đồ trải phổ hai mức và điều chế BPSK cho các cấu hình RC3, RC4

đường lên 19. Trình bày mã định kênh Walsh 20. Trình bày mã định kênh đường xuống 21. Trình bày mã định kênh đường lên 22. Trình bày mã ngẫu nhiên nhận dạng nguồn phát 23. Trình bày điều khiển tài nguyên vô tuyến 24. Trình bày kiến trúc giao thức 1xEVDO 25. Trình bày lớp MAC đường xuống 1xEVDO 26. Trình bày lớp vật lý đường xuống 1xEVDO 27. Trình bày sơ đồ kênh vật lý 1xEVDO 28. Trình bày lớp MAC đường lên 1xEVDO 29. Trình bày lớp vật lý đường lên 1xEVDO 30. Trình bày sơ đồ kênh vật lý đường lên 1xEVDO 31. Trình bày các kỹ thuật phân tập phát

Chương 7. Miền chuyển mạch gói của cdma2000 1x

Chương 7 MIỀN CHUYỂN MẠCH GÓI CỦA CDMA2000 1X


• Mô hình chức năng miền PS của cdma2000 1x • Truy nhập các dịch vụ chuyển mạch gói cdma2000 1x • Định tuyến số liệu và truyền tải • Kiến trúc giao thức cho các dịch vụ gói • Kiến trúc giao thức giứa MS và PDSN • Mô hình an ninh cdma2000 1x 1x




• Hiểu được chưc năng cuả các giao diện của cdma20001x • Hiểu các thủ tục cần thiết để MS có thể truy nhập đến dịch vụ chuyển mạch gói • Hiểu được định tuyến và truyền tải gói số liệu người sử dụng trong cdma2000

1x • Hiểu các kiến trúc giao thức trong miền PS của cdma2000 1x • Hiểu được mô hình an ninh giao diện vô tuyến của cdma2000 1x

7.2. MÔ HÌNH CHỨC NĂNG Mô hình chức năng tham khảo của cdma 2000 được cho trên hình 7.1.

Hình 7.1. Mô hình chức năng tham khảo miền chuyển mạch gói của cdma2000 1x

277


PDSN là nút mạng chính để hỗ trợ các dịch vụ số liệu gói. PDSN dmả bảo các chức năng chính sau đây:

√ Định truyến các gói IP giữa cdma2000 1x và mạng IP bên ngoài √ Định tuyến các gói IP giữa các MS trong cùng một mạng cdma2000 1x √ Đóng vai trò như một server địa chỉ IP để ấn định địa chỉ IP cho các MS √ Đóng vai trò như một server PPP cho các MS (thiết lập, duy trì và kết thúc các

phiên PPP đối với MS) √ Cung cấp các chức năng quản lý di động. PDSN có thể hỗ trợ chức năng MIPv4

FA để cho phép MS di động trong mạng cdma2000 1x √ Thực hiện các chức năng AAA (nhận thực, trao quyên và thanh toán) cho các

MS. Để nhận thực và trao quyền cho một người sử dụng di động PDSN có thể cần phải liên lạc với AAA server.

Chức năng PCF (Packet Control Function: chức năng điều khiển gói) hỗ trợ kết nối giữa mạng vô tuyến và PDSN. PCF thực hiện các chức năng đặc thù sau đây:

√ Thiết lập, duy trì và kết thúc các kết nối lớp 2 đến PDSN √ Duy trì thông tin về khả năng có thể nối đến mạng đượccho MS √ Chuyển tiếp các gói giữa RN (Radio Network: mạng vô tuyến) và PDSN √ Theo dõi các tài nguyên vô tuyến √ Thông tin với chức năng RRC (Radio Resouce Control: điều khiển tài nguyên

vô tuyến) trên BSC để quản lý các tài nguyên vô tuyến. Chức năng RRC là một bộ phận của RN và thường được đặt trong BSC. RRC có các chức năng chính sau:

√ Thiết lập duy trì và kết thúc các kết nối vô tuyến đến MS, và quản lý tài nguyên vô tuyến cấp phát cho các kết nối này

√ Phát quảng bá thông tin hệ thống đến các MS √ Duy trì trạng thái của các MS (tích cực, ngủ...)

Không cần có MIPv4 HA trong mạng khách. Nhưng nhà cung cấp mạng có thể sử dụng nó để cho phép MS duy trì địa chỉ nhà không phụ thuộc vào vị trí hiên thời. MS bao gồm UIM (User Identity Module: môdun nhận dạng người sử dụng) và ME (Mobile Equipmet: thiết bị di động). 7.3. THỦ TỤC ĐỂ MS TRUY NHẬP VÀO CÁC DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI CDMA2000 1X Hình 7.2 cho thấy thủ tục để một MS truy nhập mạng số liệu gói của cdma2000 1x.

278


Khởi xướng

ACK Yêu cầu dịch vụ CM

Yêu cáu ấn định

Thiết lập kênh vô tuyến lưu

lượng A9-thiết lập-A8

Tthiết lập A10A9-thiết lập-A8

MS BSC MSC PCF PDSN

AAA Server ngoài

AAA Server nhà MIP HA

Quảng cáo MIP FA

Yêu cầu đăng ký MIP Yêu cầu trao quyềnYêu cầu trao quyền

Trả lời trao quyềnTrả lời trao quyền

Yêu cầu đăng ký MIP

Trả lơi đăng ký MIP

Trả lời yêu cầu đăng ký MIPYêu cầu thanh toán

Trả lời thanh toánCác gói của người sử dụng trên PPP

Thiết lập kết nối PPP

Hình 7.2. Thụ tục để MS truy nhập mạng số liệu gói của cdma 2000 1x Thủ tục này gồm các bước chính sau:

√ Bước 1: Nhận được truy nhập PDSN. Bước này gồm ba bước con sau: 1. Bước 1-A: Nhận được truy nhập đến mạng vô tuyến. MS khởi đầu quá trình

tích cực dịch vụ bằng cách phát đi "bản tin khởi xướng" (Origination Message) đến BSC để chỉ thị rằng nó yêu cầu dịch vụ số liệu gói và nó đã có gói cần gửi. BSC báo nhận bản tin khởi xướng bằng "lệnh công nhận của BS" (BS Acknowledge Order). BSC phát "bản tin yêu cầu dịch vụ quản lý kết nối" (Connection Management (CM) Service Request Message) đến MSC để yêu cấu thiết lập kênh vô tuyến lưu lượng cho MS. Sau khi kiểm tra rằng người sử dụng được phép truy nhập mạng, MSC phát "bản tin yêu cầu ấn định (Assignment Request Message) đến BSC để hướng dẫn BSC thiết lập các kênh vô tuyến cần thiết cho MS. Nhận được bản tin này, BSC khởi đầu qúa trình thiết lập các kênh vô tuyến cho MS.

2. Bước 2-A: Thiết lập các tài nguyên giữa BSC và PDSN. Sau khi các kênh vô tuyến đã được thiết lập theo bước 1, BSC khởi đầu quá trình thiết lập kết nối lưu lượng giữa BSC và PCF (kết nối A8) bằng cách phát "bản tin yêu cầu A9-Thiết lập-A8" (A9-Setup-A8 Request Message). Nhận được bản tin này, trước hết PCF khởi đầu quá trình thiết lập kết nối lưu lượng người sử dụng giữa PCF và PDSN (kết nối A10). Sau khi kết nối A10 thành công BSC thiết lập kết nối A8 cho MS. Đôi khi để quản lý di động, BSC có thể không muốn thiết lập kết nối A8, mà muốn khởi động PCF để thiết lập kết nối A10 cho MS. Chẳng hạn khi MS chuyển động đến một PCF mới và chưa có số liệu để truyền, vẫn cần có

279


kết nối giữa PCF và PDSN để PDSN biết được PCF nào là PCF hiện đang phục vụ MS. Bản tin A9-Thiết lập-A8 tương tự cũng được sử dụng cho mục đích này. BSC thông báo cho PCF rằng nó chỉ yêu cầu thiết lập A10 mà không thiết lập A8 bằng cách đặt trường "số liệu sẵn sàng phát" (Data-Ready-to-Send) vào không để biểu thị rằng chưa có số liệu cần gửi tại thời điểm này.

3. Bước 1-C: Thiết lập kết nối PPP giữa MS và PDSN. Để truyền các gói IP của người sử dụng, PPP được sử dụng làm giao thức lớp liên kết số liệu giữa MS và PDSN. Sau khi đã thiết lập các kết nối A8 và A10, MS thiết lập kết nối PPP với PDSN trên cơ sở các tài nguyên được mạng ấn định, bao gồm: kênh vô tuyến lưu lượng đến BSC, kết nối A8 giữa BSC và PCF, kết nối A10 giữa PCF và PDSN. Bằng kết nối PPP, MS bắt đầu phát các gói số liệu đến các máy IP khác qua PDSN.

√ Bước 2: Đăng ký MIPv4. Sau khi kết nối PPP được thiết lập, MS phải sử dụng MIPv4 để nhận được CoA tạm thời từ mạng khách và đăng ký CoA mới này với HA (trong mạng IP nhà của MS) để HA có thể truyền tunnel các gói nhận được theo điạ chỉ nhà của MS đến vị trí hiện thời của MS. Để hỗ trợ MIPv4, PDSN đóng vai trò như một MIPv4FA. Ngay sau khi kết nối PPP được thiết lập, PDSN bắt đầu phát một số các "bản tin quảng cáo tác nhân MIPv4" (MIPv4 Agent Advertisement Message). Các bản tin này cho phép MS hiểu đựơc địa chỉ IP của MIPv4FA và cho phép MS lập cấu hình CoA địa phương. Để giảm thiểu số bản tin quảng cáo tác nhân cần phát trên giao diện vô tuyến, PDSN sẽ dừng phát bản tin quảng cáo sau khi số bản tin được phát đã đạt được số quy định trước. Khi MS cần các bản tin quảng cáo tác nhân từ mạng, nó có thể gửi đi các "bản tin khẩn nài tác nhân" (Agent Solicitation Message) đến PDSN để khởi động FA trên PDSN để nó phát một bản tin quảng cáo tác nhân.

7.4. ĐỊNH TUYẾN GÓI SỐ LIỆU VÀ TRUYỀN TẢI Giống như UMTS, cdma2000 1x cũng sử dụng các tuyền đặc thù máy để chuyển các gói số liệu giữa MS và mạng lõi chuyển mạch gói (PDSN). Mỗi MS duy trì một kết nối đến một PDSN phục vụ nó. Không phụ thuộc vào nơi nhận gói, trước hết các gói của người sử dụng phải được gửi đến PDSN phục vụ MS. PDSN này sẽ chịu trách nhiệm gửi các gói này đến nơi nhận cuối cùng. Tất cả các gói gửi cho MS trước hết cũng được định tuyến đến PDSN phục vụ MS, sau đó PDSN này truyền tải các gói đến MS trên kết nối PPP. Hình 7.3 mô tả luồng lưu lượng giữa hai MS. MS phát gửi các gói IP trên kết nối PPP đến PDSN 1 phục vụ nó. Các khung PPP được truyền tunnel trên kết nối A8 giữa BSC1 và PCF1, sau đó trên kết nối A10

280


giữa PCF1 và PDSN1. Các IP tunnel trên A8 và A10 sử dụng giao thức đóng bao định tuyến tổng quát (GRE: Generic Routing Encapsulation) được định nghĩa bởi IETF. Các PDSN1 và PDSN 2 được nối với nhau qua mạng IP. Vì thế sau khi nhận được gói IP gửi đến MS thu, PDSN1 định tuyến các gói này đến PDSN2 phục vụ MS thu bằng định tuyến IP thông thường với sự hỗ trợ của giao thức quản lý dị động thuộc lớp IP (MIP). Sau đó PDSN 2 chuyển các gói IP này trên kết nối PPP đến MS thu. Các khung PPP được truyền tunnel trên kết nối A10 giữa PDSN2 và PCF 2, trên kết nối A8 giữa PCF2 và BSC2. Cuối cùng các gói này được truyển trên giao diện vô tuyến đến MS thu. Chỉ có một kết nối duy nhất giữa MS và PDSN phục vụ nó. Nếu MS sử dụng MIPv4 để truy nhập các dịch vụ IP, có thể có nhiều địa chỉ được sử dụng cho một MS trên một kết nối PPP. Tuy nhiên trong trường hợp IP đơn giản được sử dụng, sẽ chỉ có một địa chỉ được sử dụng cho một MS trên một kết nối PPP.

281


Hình 7.3. Định tuyến và truyền tải gói trong miền chuyển mạch gói của cdma2000 1x 7.5. KIẾN TRÚC GIAO THỨC CHO CÁC DỊCH VỤ SỐ LIỆU GÓI Các điểm tham khảo giao thức chính cuả cdma2000 1x gồm (xem hình 1.7 chương 1):

√ Điểm tham khảo A: Điểm tham khảo A bao gồm các các giao diện giữa BSC và MSC. Nó bao gồm A1, A2, A5. Trong đó A1 để mang báo hiệu còn A4 và A5 để mang các kiểu lưu lượng khác nhau. giữa BSC và MSC

√ Điểm tham khảo Ater: Điểm tham khảo Ater gồm giao diện giữa các BSC. Nó bao gồm hai giao diện A3 và A7 chủ yếu để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các

282


BSC. A3 bao gồm hai phần: báo hiệu và lưu lượng. để mang báo hiệu còn A7 để mang báo hiệu không được mang bởi A3.

√ Điểm tham khảo Aquinter: Điển tham khảo này bao gồm các giao diện A8 và A9 để mang báo hiệu và lưu lượng giữa BSC và PCF.

√ Điểm tham khảo Aquater (Giao diện R-F): Điểm tham khảo này bao gồm các giao diện A10 và A11 để mang lưu lượng và báo hiệu giữa PCF và PDSN.

√ Giao diện P-P (tùy chọn): Đây là giao diện giữa PDSN để hỗ trợ chuyển giao nhanh giữa các PDSN.

7.5.1. Ngăn xếp giao thức trên các giao diện A9 và A11 Hình 7.4 cho thấy các ngăn xếp giao thức trên các giao diện A9 và A11.

Báo hiệu A9

TCP/UDP

IP

Lớp liên kết

Lớp vật lý

Báo hiệu A9

TCP/UDP

IP

Lớp liên kết

Lớp vật lý

Báo hiệu A11

UDP

IP

Lớp liên kết

Lớp vật lý

Báo hiệu A11

UDP

IP

Lớp liên kết

Lớp vật lý

BSC PCF PDSNA9 A11

Hình 7.4. Các ngăn xếp giao thức trên các giao diện A9 và A11 Giao thức báo hiệu A9 có các bản tin chính sau đây:

√ A9-Thiết lập-A8 và A9-Kết nối-A8 (A9-Setup-A8 và A9-Connect-A8): Bản tin A9-Thiết lập-A8 được BSC gửi đến PCF để thiết lập kết nối A8 hay để khởi động PCF thiết lập kết nối A10. Bản tin A9-Kết nối-A8 được PCF gửi đến BSC để trả lời bản tin A9-Thiết lập-A8 mà nó nhận được từ BSC

√ A9-Giải phóng-A8 và A9-Giải phóng A8 hoàn thành (A9-Release-A8 và A9-Release-A8 Complete): Được trao đổi giữa BSC và PCF để yêu cầu và trả lời giải phóng kêt nối A8

√ A9-Tháo gỡ-A8 (A9-Disconnect-A8): Được PCF gửi đến BSC để yêu cầu giải phóng kết nối A8

√ A9-Cập nhật-A8 và Báo nhận A9-Cập nhật-A8 (A9-Update-A8 và A9-Update-A8 Ack): Được trao đổi giữa BSC và PDF cho thông tin trạng thái và thanh tóan.

283


√ A9-Liên kết vô tuyến đã kết nối và Báo nhận A-9-Liên kết vô tuyền đã kết nối (A9-Air Link (AL) Connected and A9-Air Link (AL) Connected Ack): Được trao đổi giữa BSC và PCF để thông báo về kết nối thành công liên kết vô tuyến giữa BSC và MS.

√ A9-Liên kết vô tuyến đã được tháo gỡ và Báo nhận A9-Liên kết vô tuyến đã được tháo gỡ (A9-Air Link (AL) Disconnected and A9-Air Link (AL) Disconnected Ack): Được trao đổi giữa BSC và PCF về việc liên kết vô tuyến giữa BSC và MS đã được tháo gỡ

Giao diện A11 được PCF và sử dụng để thiết lập và tháo gỡ các kết nối A10.

Kết nối A10 là một tunnel được thiết lập bằng cách sử dụng giao thức GRE của IETF để mang các gói IP của người sử dụng giữa PDSN và PCF. Giao thức báo hiệu A11 được lập mô hình theo MIPv4. Trong đó PDSN đóng vai trò như MIPv4 HA còn PCF đóng vai trò như MIPv4 FA. Giao thức báo hiệu A11 sử dụng các bản tin sau:

√ Yêu cầu đăng ký A11 và Trả lời đăng ký A11 (A11 Registration Request và A11 Registration Reply) : Được trao đổi giữa PCF và PDSN để thiết lập kết nối A10

√ Cập nhật đăng ký A11 và Báo nhận cập nhật đăng ký A11 (A11 Registration Update và A11 Registration Update Acknowledge): Được trao đổi giữa PDSN và PCF để cắt kết nối.

Khi một MS kết nối đến PCF, PCF gửi bản tin "yêu cầu đăng ký A11" đến PSDN được chọn để yêu cầu PDSN này thiết lập một kết nối A10 đến PCF. Khi nhận được yêu cầu này PDSN thiết lập tunnel GRE đên PCF và trả lời yêu cầu kết nối A11 bằng bản "tin trả lời kết nối A11". Các thực hiện quá trình này giống như MS sử dụng bản tin "yêu cầu đăng ký MIPv4" để thông báo cho MIPv4 HA của nói về CoA hiện thời và khởi động HA thiết lập tunnel MIPv4 đến CoA hiện thời của MS. Vì thế các bảo tin "yêu cầu đăng ký A11" và "trả lời đăng ký A11" có cùng khuôn dạng như các bản tin "yêu cầu đăng ký MIPv4" và "trả lời đăng ký MIPv4". Giao thức UDP được sử dụng là giao thức truyền tải cho các bản tin báo hiệu A11 vì các bản tin báo hiệu MIPv4 được truyền tải trên UDP. PDSN sử dụng "trạng thái mềm" để duy trì kết nối A11. Trạng thái mềm sẽ kết thúc sau một khoảng thời gian quy định trước. Vì thế PCF phải làm tươi lại kết nối A10 bằng cách định kỳ gửi đi các bản tin "yêu cầu đăng ký A11" đến PDSN. A9 và A11 có thể sử dụng mọi lớp vật lý. Các lớp liên kết có thể sử dụng mọi giao thức phù hợp với lớp vật lý được sử dụng và có thể truyền các gói IP. 7.5.2. Ngăn xếp giao thức trên các giao diện A8 và A10 Hình 7.5 cho thấy các ngăn xếp giao thức để mang lưu lượng người sử dụng trên các giao diện A8 và A10.

284


Hình 7.5. Các ngăn xếp giao thứctrên các giao diện A8 và A10 Các gói IP của người sử dụng được đóng bao bằng giao thức IP và đường truyền trong các tunnel của các kết nối A8 (giữa PCF và BSC) và A10 (Giữa PDSN và PCF). Dưới đây ta sẽ xét hoạt động của GRE. GRE đóng bao gói IP của người sử dụng bằng cách bổ sung một tiêu đề cho gói này. Hình 7.6a cho thấy tiêu đề GRE và hình 7.6b cho thấy cách sử dụng tiêu đề này để đóng bao gói IP của người sử dụng.

a) Khuôn dạng tiêu đề GRE

b) Sử dụng tiêu đề GRE để truyền tunnel giưa PDSN và PCF (hay giữa PCF và BSC)

Hình 7.6. Tiêu đề GRE

285


Tiêu đề GRE có các trường sau: √ C: chỉ thi có trường kiểm tra tổng hay khôg √ R: chỉ thị có trường định tuyến hay không √ K: chỉ thị có trường khóa hay không √ S: chỉ thị có trường số trình tự hay không √ s: chỉ thị có tuyến nguồn chặt chẽ (Strict Source Route) hay không; (tuyến

nguồn chặt chẽ là một tuyến nguồn đặc biệt) √ Recur: dự phòng cho tương lai và hiện thời được đặt bằng không √ Flags: sử dụng cho các cờ sẽ dùng trong tương lai √ Ver: chứa số phiên bản của giao thức GRE, đối với phiên bản hiện thời cần đặt

bằng không √ Protocol Type: chưa kiểu giao thức của gói tải tin √ Checksum: chứ kiểm tra tổng của tiêu đề GRE và gói tải tin bất kỳ √ Offset: chứa số byte tính từ bắt đầu trường Routing Field đến byte đầu tiên của

Source Route Entry tích cực √ Key: chứa một số bốn byte được chèn bởi bộ đóng bao √ Sequence Number: chứa một số nguyên 32 bit không dấu được bộ đóng bao

chèn vào. Nó có thể được sử dụng để thiết lập thứ tự cần truyền các gói từ bộ đóng bao

√ Routing: chứa danh sách các Source Route Entry (mục ghi tuyến nguồn); mỗi mục ghi nhận dang một tuyến nguồn đến nơi nhận.

Đóng bao GRE trên các giao diện A8 và A10 sử dụng trường Key và trường Sequency Number trong tiêu đề GRE. Trường Sequency Number được sử dụng để đảm bảo các gói được truyền đúng thứ tự trong trường hợp giao thức đóng bao đòi hỏi các gói phải được truyền theo thứ tự. Trường Key được sử dụng để nhận dạng các gói IP được truyền đến/đi từ MS. 7.5.3. Các ngăn xếp giao thức trên giao diện P-P Giao diện P-P là một giao diện tùy chọn để hỗ trợ chuyển giao nhanh giữa các PDSN. Để làm thí dụ ta xét trường hợp chuyển giao giữa PDSN S và PDSN T. Giả sử PDSN S là PDSN phục vụ MS trước khi chuyển giao. Ta gọi PDSN T là PDSN đích. Khi không có chuyển giao nhanh giữa các PDSN, PDSN S cần được thay thế bằng PDSN T trong quá trình chuyển giao. Để vậy MS cần thiết lập một kết nối PPP mới đến PDSN T trong quá trình chuyển giao. Việc thiết lâp kết nối PPP mới và lập cấu hình mạng (IPv4 hay IPv6) trên kết nối PPP này đòi hỏi nhiều thời gian dẫn đến trễ chuyển giao lớn. Ngoài ra việc thay đổi PDSN cũng có nghĩa là MS phải nhận được địa chỉ IP mới để nhận các gói IP từ PDSN phục vụ mới. Khi sử dụng MIP để quản lý

286


di động cũng có nghĩa là MS phải đăng ký địa chỉ mới của nó với MIP HA và lại tăng thêm trễ. Với chuyển giao nhanh, PDSN phục vụ MS vẫn giữ nguyên không đổi trong quá trình chuyển giao thậm chí cả sau chuyển giao. MS vẫn tiếp tục sử dụng kết nối PPP hiện có (kết cuối trên PDSN S) để phát và thu các gói IP trên mạng lõi, trong khi nó đang được chuyển giao sang PDSN T và thâm chí sau khi đã được chuyển giao cho PDSN T. Chừng nào MS vẫn sử dụng kết nối cũ, nó không cần thay đổi địa chỉ IP cuả mình. Kết quả là MS không phải thực hiện đăng ký MIP với HA của mình. Trước hết các gói được gửi cho MS sẽ tiếp tục được định tuyến đến PDSN S. PDSN S chuyển các gói IP này trên kết nối PPP của nó đến MS. Trước hết các khung PPP được truyền tunnel bởi PDSN S đến PDSN T. PDSN T tháo bao các khung PPP thu được và truyền tunnel chúng trên một kết nối A10 đến PCF đích được nối đến PDSN F và đang phục vụ MS. Sau đó PCF đích truyền tunnel các gói trên một kết nối A8 đến BSC đích được kết nối với nó và hiện đang phục vụ MS. BSC này tháo bao khung PPP và chuyển chúng đến MS trên kênh mang vô tuyến. Truyền tunnel giữa PDSN phục vụ đến MS qua PDSN đích cho phép MS duy trì kết nối PPP đến PDSN phục vụ ngay cả khi MS chuyển sang PDSN đích và PDSN này sử dụng không gian địa chỉ IP khác. Giao diện P-P đảm bảo các giao thức và các thủ tục cho báo hiệu và cho phép truyền tunnel lưu lượng người sử dụng giữa các PDSN để hỗ trợ chuyển giao giữa các PDSN nhanh. Giao diện P-P bao gồm hai giao diện riêng:

√ Giao diện kênh mang P-P: thực hiện các kết nối lưu lượng P-P (các kênh mang) để truyền các gói giữa các PDSN. Kết nối này được thực hiện như một tunnel GRE

√ Giao diện báo hiệu PP: cung cấp các bản tin báo hiệu và các thủ tục để quản lý các kết nối lưu lượng P-P.

Giao thức báo hiệu P-P giống như giao thức báo hiệu A11 (giữa PCF và PDSN) được lập mô hình theo báo hiệu của MIPv4. PDSN phục vụ đóng vai trò như MIPv4 HA còn PDSN đích đóng vai trò như đại diện của MS. Giao thức P-P sử dụng bốn bản tin sau (có cùng khuôn dạng như A11):

√ Yêu cầu đăng ký P-P và Trả lời đăng ký P-P (P-P Registration Request và P-P Registration Reply) : Được trao đổi giữa PDSN đích và PDSN phục vụ để thiết lập kết nối lưu lượng P-P đến PDSN đích.

√ Cập nhật đăng ký A11 và Báo nhận cập nhật đăng ký A11 (A11 Registration Update và A11 Registration Update Acknowledge): Được trao đổi giữa PDSN phục vụ và PDSN đích để PCF để cắt kết nối.

Hình 7.7 cho thấy các ngăn xếp mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng người sử dụng cho giao diện P-P.

287


Hình 7.7. Các ngăn xếp giao thức cho giao diện P-P IPsec có thể được sử dụng để thiết lập kết nối an ninh giữa PDSN đích và PDSN phục vụ để truyền tải báo hiệu và các gói của người sử dụng. Các bản tin báo hiệu được truyền trên giao thức UDP giống như các bản tin báo hiệu MIPv4 được truyền trên UDP. 7.6. KIẾN TRÚC GIAO THỨC GIỮA MS VÀ PDSN Bây giờ ta sẽ xếp chung các giao thức đã xét ở trên để được kiến trúc giao thức cho việc truyền tải đầu cuối đầu cuối các gói số liệu của người sử dụng giữa MS và một máy đối tác (CH: Correspondent Host). Máy đối tác này có thể được đặt trong một mạng IP bất kỳ và được nối đến mạng cdma2000 1x qua IP. Ta cũng mô tả các giao thức ngăn xếp cho báo hiệu giữa MS và PDSN phục vụ nó. Trước hết ta xét kịch bản trong đó MS không nằm trong quá trình chuyển giao nhanh giữa các PDSN. Các giao thức ngăn xếp để truyền tải gói số liệu của người

288


sử dụng giữa MS và máy đối tác (CH) được cho trên hình 7.8. Trên hình này giao thức LAC (Link Access Control: điều khiển truy nhập liên kêt) quản lý thiết lập, sử dụng, thay đổi và loại bỏ các liên kết vô tuyến.

Hình 7.8. Kiến trúc giao thức cdma2000 1x để truyền gói số liệu giữa MS và CH (không có giao diện P-P) Bây giờ ta xét trường hợp giao diện P-P được sử dụng bởi PDSN phục vụ để truyền tunnel lưu lượng của người sử dụng qua PDSN đích đến MS. Hình 7.9 cho thấy kiến trúc giao thức để truyền tải đầu cuối đầu cuối lưu lượng giữa người sử dụng và máy đối tác (CN). Tiếp theo ta xét kiến trúc giao thức bao hiệu giữa MS và PDSN phục vụ. MS cần trao đổi báo hiệu với PDSN phục vụ để thiết lập kết nối PPP và tiến hành các đăng ký MIPv4. Các bản tin báo hiệu giữa MS và PDSN phục vụ được truyền tải trên các kênh mang (các kết nối) qua RAN và mạng lõi (hình 7.10). MS kết nối với PDSN thông qua giao thức PPP. MS kết nối với BSC thông qua giao thức LAC.

Hình 7.9. Kiến trúc giao thức để truyền tải đầu cuối đầu cuối lưu lượng khi giao diện P-P được sử dụng

289


GRE

IP

Liên kết

PHY

GRE

IP

Liên kết

PHY

GRE

IP

Liên kết

PHY

LAC

Liên kết

PHY

LAC

Liên kết

PHY

IP

PPP

GRE

IP

Liên kết

PHY

IP

PPP

Liên kết

PHY

IP

MS BSC PCF PDSN phục vụ

A8 A10

UDP

MIPv4 Client

UDP

MIPv4 FA

Hình 7.10. Kiến trúc giao thức báo hiệu giữa MS và PDSN

7.7. MÔ HÌNH AN NINH CDMA2000 1X

Mô hình an ninh tổng quát cho giao diện vô tuyến ở cdma2000 1x được cho trên hình 7.11.

CAVE

ESN A-Key

CAVE CAVE

SSD_B SSD_A

Mã dài

PLCM

Tiếng

ORYX

E-CMEA

Khóa số liệu

Khóa CMEA

Số liệu

Báo hiệu

Bộ tạo RAND SSD

CAVE

A-KeyESN

CAVE CAVE

SSD_A SSD_B

Bộ tạo RAND

=?

AUTHR (18 bit)

Mã dài

ORYX

E-CMEA

Tiếng

Số liệu

Báo hiệu

RAND SSD (32bit)

BROADCAST RAND (32bit)

Tiếng được ngẫu nhiên hóa

Số liệu được mật mã

Báo hiệu được mật mã

RANDC, COUNT, AUTHR

Giao diện vô tuyến

Khóa số liệu

Khóa CMEA

PLCM

Hình 7.11. Mô hình tổng quát của an ninh giao diện vô tuyến trong cdma2000 1x Mô hình trên hình (7.11) cho thấy quá trình AKA (Authentication and Key Agreement: thỏa thuận khóa và nhận thực) và mật mã ở cdma2000. An ninh trong cdma20001x được thực hiện trên cơ sở khóa bí mật chia sẻ (A-Key) được nạp trong UIM và lưu tại AuC.Quá trình này như sau:

290


• AuC tạo số ngẫu nhiên RANDSSD 32 bit và các số liệu bí mật chia sẻ theo giải thuật CAVE:SSD_A/B= CAVE(RANDSSD, A_Key, ESN)

• AuC gửi RANDSSD cùng SSA_A/B được tạo ra từ số ngẫu nhiên này qua HLR đến VLR

• Qua giao diện vô tuyến, VLR gửi RANDSSD đến MS • Nhận được RANDSSD, MS tạo ra các số liệu bí mật chia sẻ tương ứng bằng giải

thuật CAVE: SSD_A/B= CAVE(RANGSD, A_Key, ESN,…)

• Bô tạo RAND ở VLR tạo ra BROADCAST RAND 32 bit để nhận thực toàn cục • VLR gửi BROADCAST RAND qua giao diện vô tuyến cho MS • Nhận được BROADCAST RAND, MS tạo ra chữ ký nhận thực 18 bit bằng giải

thuật CAVE: AUTHR= CAVE(BROADCAST RAND, SSD_A,…) • MS gửi chữ ký nhận thực AUTHR cùng với RANDC (8 bit cao của

BROADCAST RAND và COUNT đến VLR qua giao diện vô tuyến • VLR tính toán chữ ký nhận thực kỳ vọng bằng giải thuật CAVE:

XAUTHR= CAVE (BROADCAST RAND, SSD_A,…) • VLR so sánh RANDC, COUNT chữ ký nhận thực kỳ vọng XAUTHR của nó với

các thông số tương ứng mà nó nhận được từ VLR • Nếu cả ba so sánh nói trên đều thành công, thì nhận thực MS thành công. MS và

BSS chuyển vào chế độ mật mã • Nếu một trong ba so sánh nói trên thất bại, VLR yêu cầu nhật thực duy nhất • Chế độ mật mã được thực hiện ở MS và BSS • Để mật mã cho tiếng thoại, số liệu và báo hiệu ba khóa tương ứng được tạo ra

bằng giải thuật CAVE với thông số đầu vào SSD_B: (1) PLCM (Private Long Code Mask: mặt nạ mã dài riêng), (2) khóa số liệu, (3) E-CMEA (Enhanced Cellular Message Encryption Algorithm: Giải thuật mật mã hóa di động tăng cường)

• Mật mã tiếng thoại không được thực hiện trực tiếp mà thông qua việc ngẫu nhiên hóa số liệu tiếng bằng mặt nạ mã dài được tạo ra trên cơ sở mặt nạ PLCM

• Mật mã số liệu được thực hiện bằng giải thuật ORYX dựa trên khóa số liệu • Mật mã hóa báo hiệu được thực hiện bằng giải thuật CMEA dựa trên khóa E-

CMEA.

7.8. TỔNG KẾT Mạng lõi cdma2000 1x được xây dựng trên hai miền: miền chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói (PS). Ban đầu miền PS chỉ hỗ trợ mạng để truyền các dịch vụ số liệu gói còn miền CS vẫn đảm bảo truyền các dịch vụ thời gian thực. Cùng với sự tiến hoá của mạng cdma 20001x, miền PS dần đảm nhiêm cả các dịch vụ thời gian thực của miền CS. Chương này tập trung lên xét miền PS của cdma2000 1x.

291


292

Trước hết các chức năng và các giao diện của miền PS được xét. Các giao diện được chia thành hai giao diện riêng biệt: giao diện cho báo hiệu và giao diện cho lưu lượng. Điều này hoàn toàn giống như ở WCDMA UMTS trong đó các ngăn xếp giao thức được chia thành mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng báo hiệu. Định tuyến giữa một MS với một đối tác luôn đi qua PDSN phục vụ nó. Để truy nhập vào các dịch vụ chuyển mạch gói của cdma 20001x, MS phải tiến hành ba bước sau: (1) nhận được truy nhập đến PDSN, và (2) đăng ký MIPv4. Các giao thức trên các giao diện giữa BSC và PCF (A8/A9), giữa PCF và PDSN (A10/A11) đều được xây dựng trên cơ sở IP. Báo hiệu và lưu lượng truyền giữa các phần tử này được đóng bao bởi giao thức GRE và được truyền tunnel. Giao thức báo hiêu A11 được xây dựng giống như báo hiệu MIPv4: cả hai đều sử dụng UDP. Ngoài các giao diện bắt buộc nói trên còn có giao diện tuỳ chọn P-P giữa PDSN phục vụ MS và PDSN đích mà MS này sẽ chuyển sang. Giao diện này cho phép MS vẫn duy trì địa chỉ IP cũ của nó với PDSN cũ và vì thế chuyển giao được thực hiện nhanh hơn. Phần cuối chương này được dành cho mô hình an ninh giao diện vô tuyến của cdma2000. Giống như WCDMA, mô hình an ninh của cdma2000 1x dựa trên cơ chế mật mã hóa đối xứng. Nghĩa là cả MS (UIM) và mạng đều có chung một khóa bí mật chia sẻ để từ khoá này sản xuất ra các thông số an ninh khác. Nếu ở WCDMA an ninh được quản lý tập trung tại HLR thì ở cdma20001x an ninh đựơc quản lý phân bố tại các VLR. 7.9. CÂU HỎI 1. Trình bày mô hình chức năng miền PS của cdma2000 1x 2. Trình bày các bước trong thủ tục truy nhập miền PS cdma2000 1x 3. Trình bày định tuyến và truyền tải gói số liệu trong miền PS cdma2000 1x 4. Trình bày các điểm tham khảo giao thức chính cuả cdma2000 1x 5. Trình bày ngăn xếp giao thức trên các giao diện A9 và A11 6. Trình bày ngăn xếp giao thức trên các giao diện A8 và A10 7. Trình bày các ngăn xếp giao thức trên giao diện P-P 8. Trình bày kiến trúc giao thức để truyền tải số liệu gói từ một MS đến máy đối tác (CN) khi không có giao diện P-P. 9. Trình bày kiến trúc giao thức để truyền tải số liệu gói từ một MS đến máy đối tác (CN) khi có giao diện P-P. 10. Trình bày kỉến trúc giao thức báo hiệu giữa MS và PDSN

Chương 8. Quy hoạch mạng thông tin di động

293

Chương 8 QUY HOẠCH MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG


• Quy trình chung cho quy hoạch mạng TTD Đ • Phân tích vùng phủ vô tuyến • Phân tíc dung lượng


• Học kỹ các tư liệu đựơc trình bầy trong chương • Tham khảo thêm [3],[4], [5], [6]


• Hiểu được tổng qua quy trình quy hoạch mạng TTDĐ • Hiểu đựơc các tính vùng phủ vô tuyến và dung lượng ô

8.2. TỔNG QUAN QUY HOẠCH VÀ TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 8.2.1. Mở đầu

Phần này sẽ xét tổng quan quy hoạch và triển khai mạng thông tin di động. Quy trình quy hoạch và triển khai mạng TTDĐ được tổng kết ở hình 8.1.

Quy hoạch mạng được tiến hành trên cơ sở yêu cầu của các thông số được thiết lập. Công việc quy hoạch mạng có thể chia thành hai công việc chính: quy hoạch mạng vô tuyến và quy hoạch mạng lõi. Quy hoạch mạng vô tuyến là công việc phức tạp nhất. Công việc này bao gồm: định kích cỡ , quy hoạch lưu lượng và vùng phủ, tối ưu hoá mạng.

Ở giai đoạn định kích cỡ sẽ đưa ra dự tính số đài trạm, số trạm gốc, cấu hình các trạm gốc và các phần tử mạng khác trên cơ sở các yêu cầu của nhà khai thác và truyền sóng trong vùng. Định cỡ phải thực hiện được các yêu cầu cuả nhà khai thác về vùng phủ, dung lượng và chất lượng phục vụ. Dung lượng và vùng phủ liên quan chặt chẽ với nhau ở trong mạng di động vì thế phải được xem xét đồng thời khi định cỡ mạng. Quy hoạch mạng vô tuyến được thực hiện kết hợp với công cụ phần mềm quy hoạch mạng.


294

Hình 8.1. Quy trình quy hoạch và triển khai mạng WCDMA UMTS Khi quy hoạch chi tiết, bản đồ truyền sóng thực tế và các dự tính lưu lượng của nhà khai thác phải có ở từng vùng. Vị trí của các BS và các thông số mạng được lựa chọn bởi công cụ quy hoạch và (hoặc) người quy hoạch. Dung lượng và vùng phủ sau khi quy hoạch chi tiết được phân tích cho từng ô. Khi mạng đi vào hoạt động, có thể quan trắc hiệu năng của nó bằng các phép đo và các kết quả đo có thể được sử dụng để hiển thị và tối hưu hóa hiệu năng của mạng. Có thể thực hiện tự động quá trình quy hoạch và tối ưu mạng bằng các công cụ thông minh và các phần tử mạng. Vì không thể đảm bảo đoạn băng bảo vệ quá rộng giữa các hệ thống băng rộng nên khi thiết kế các hệ thống này ta cần phải xét đến nhiễu giưã các kênh lân cận. Thông thường trong giai đoạn trển khai ta thường nhận thấy rằng không thể hoặc không tối ưu khi triển khai hệ thống giống như quy hoạch. Có rất nhiều nguyên nhân buộc ta phải thay đổi quy hoạch như: không thể đặt trạm BTS đúng vị trí quy hoạch, nẩy sinh các vấn đề về vùng phủ và chất lượng khi kết nối và tối ưu v.v...


295

Cuối cùng cần phản hồi kết quả thống kê và đo đạc trong quá trình khai thác mạng liên quan đến điều chỉnh quy hoạch, mở rộng vùng phủ, dung lượng và nhu cầu dịch vụ trên cơ sở thực tế cho nhóm kỹ thuật chịu trách nhiệm thiết kế. 8.2.2. Dự báo lưu lượng Việc quy hoạch mạng phải dựa trên nhu cầu về lưu lượng. Dự báo lưu lượng là bước đầu tiên cần thực hiện trong quá trình quy hoạch mạng. Dự báo lưu lượng có thể thực hiện trên cơ sở xu thế phát triển lưu lượng cuả các mạng đã được khai thác. Trong trường hợp mạng được khai thác lần đầu việc dự báo lưu lượng phải dựa trên sự đánh giá của một số yếu tố như: sự phát triển kinh tế xã hội, thu nhập trung bình đầu người, mật độ dịch vụ thoại di động (thế hệ hai), sự sử dụng Internet trung bình và các số liệu tương tự khác của thị trường cần phục vụ. 8.2.3. Dự báo thuê bao Đối với thị trường cần phụ vụ, cần phải đánh giá tổng số thuê bao. Lý tưởng có thể chia việc đánh giá cho từng tháng để có thể thấy được xu thế phát triển thuê bao. Điều này là cần thiết vì khi quy hoạch ta cần dự phòng tương lai. Nếu có thể cung cấp các dịch vụ khác nhau, thì cùng cần dự báo cho từng loại thuê bao liên quan đến từng loại dịch vụ. Chẳng hạn nhà khai thác mạng có thể chọn cung cấp tổ hợp các dịch vụ nào đó gồm chỉ tiếng, tiếng và số liệu hoặc chỉ số liệu. Ngoài ra các dịch vụ số liệu cũng có thể được chia thành các các dịch vụ và các thiết bị khác nhau. Chẳng hạn, dịch vụ số liệu có thể chỉ giới hạn ở trình duyệt Web, hoặc có thể có cả trình duyệt Web, e-mail cộng một số dịch vụ khác như không gian Web. Dịch vụ số liệu cũng có thể là các dịch vụ đo lường từ xa. Dự báo cần được thực hiện cho từng kiểu người sử dụng. 8.2.4. Dự báo sự sử dụng lưu lượng tiếng Dự báo sự sử dụng dịch vụ tiếng bao gồm việc đánh giá khối lượng lưu lượng tiếng do người sử dụng dịch vụ tiếng trung bình tạo ra. Lý tưởng cần cung cấp dữ liệu đánh giá cho từng tháng. Dữ liệu tiếng phải bao gồm phân bố lưu lượng: từ MS đến cố định, từ MS đến MS và từ MS đến e-mail. Đối với từ MS đến cố định cần phân thành: số phần trăm nội hạt và đừơng dài. Lý tưởng thông tin dữ liệu về sự sử dụng tiếng phải bao gồm số cuộc gọi trên một thuê bao trung bình ở giờ cao điểm và thời gian giữ trung bình (MHT) trên cuộc gọi. Thông thường, các bộ phận tiếp thị chỉ cung cấp thông tin về số phút sử dụng (MoU) trên thuê bao trên cuộc gọi. Trong trường hợp này bộ phận thiết kế phải chuyển thành sự sử dụng trong giờ cao điểm. Dưới đây ta xét thí dụ mịnh hoá quá trình chuyển đổi này.


296

Giả sử người sử dụng trung bình sử dụng 400 MoU trong một tháng. Giả sử 90% lưu lượng xẩy ra trong các ngày làm việc (10 % là ngày nghỉ cuối tuần). 21 ngày làm việc trong một tháng. Trong một ngày có 10% lưu lượng xẩy ra tại giờ cao điểm. Khi này sự sử dụng trong giờ cao điểm (đo bằng MoU) trên một thuê bao được xác định như sau: (MoU trên tháng) ×(phần trăm trong các ngày làm việc) ×(phần trăm trong giờ cao điểm)/(Số ngày làm việc trong tháng), (8.1) Như vậy ở thí dụ xét, ta được 400×0,9×0,1/21=1,71 MoU/thuê bao/giờ cao điểm. Chia cho 60 ta được số Erlang = 0,0286 Erl hay = 28,6 mE. Nếu ta nhân số trên với tổng số thuê bao ta sẽ xác định được tổng nhu cầu Erlang trong giờ cao điểm và đây là một yêu tố rất quan trong trong quá trình định cỡ mạng. Ngoài ra ta cũng cần tổng số các lần thử gọi vì một số phần tử mạng còn bị giới hạn bởi quá trình thiết lập cuộc gọi ( mặc dù vẫn đảm bảo tổng thông lượng). Ta giả thiết răng hầu hết các cuộc gọi đều hoàn thành (đây là trương hợp hiện nay cho thư thoại), thì việc xác định số lần thử gọi trong giờ cao điểm (BHCA) được xác định theo công thức sau: BHCA= (Lưu lượng tính theo Erlang)×(3600)×(MHT tính theo giây), (8.2) Nếu ở thí dụ xét ta coi rằng MHT là 120 giây, thì BHCA trên một thuê bao như sau: 0,0286×3600×120=0,86. Như vậy một thuê bao trung bình thử gọi 0,86 trong giờ cao điểm. 8.2.5. Dự báo sự sử dụng lưu lượng số liệu Như đã nói ở trên, ta cần phân loại các người sử dụng dịch vụ số liệu và dự báo cho từng kiểu người sử dụng cũng như khối lượng thông lượng số liệu. Ta cũng cần dự báo khi nào thì thông lượng bắt đầu và khi nào thì nó kết thúc. Để minh họa ta xét thí dụ sau. Giả sử một người sử dụng có dịch vụ trình duyệt Web cộng với e-mail do nhà khai thác cung cấp. Khi này một khối lượng lưu lượng nhất định sẽ kết cuối tại e-mail Server trong mạng cuả nhà khai thác, còn một khối lượng lưu lượng khác sẽ kết được gửi đến và nhận về từ mạng Internet. Định cỡ các giao diện với hệ thống e-mail và với Internet sẽ phụ thuộc vào khối lượng lưu lượng liên quan đến các dịch vụ này. Ngoài ra hệ thống e-mail cũng cần được định cỡ để đáp ứng các yêu cầu cho tổng số các ngừơi sử dụng, tổng bộ nhớ lưu giữ và tổng lưu lượng vào ra. Đối với từng kiểu người sử dụng và dịch vụ ta cần thực hiện phân tích tương tự để xác định sự sử dụng trong giờ cao điểm. Ta xét thí dụ minh hoạ sau. Giả sử một khối


297

lượng sử dụng nhất định trong các ngày làm việc và số phần trăm nhất định trong giờ cao điểm. Từ dữ liệu này ta tính tổng thông lượng trung bình trên người sử dụng và trên kiểu dịch vụ trong giờ cao điểm với đơn vị đo là bps. Tính toán phải thực hiện riêng cho đường lên và đường xuống (vì dịch vụ không đối xứng). Đối với hầu hết các dịch vụ ta sẽ thấy rằng lưu lượng đường xuống lớn hơn nhiều so với đường lên thường với tỷ lệ là 80%/20%. Sau khi đã xác định sự sử dụng trong giờ cao điểm, ta cần bổ sung thêm lưu lượng cho tính cụm hay một số đỉnh sử dụng trong giờ cao điểm. Sự bổ sung này sẽ phụ thuộc vào khối lượng dự phòng tương lai được đưa ra trong quy hoạch. Chẳng hạn nếu đã có dự phòng tương lai trong 12 tháng, thì có nghĩa là hệ thống đã được chủ định định cỡ vượt quá yêu cầu ngay từ đầu và khi này sự bổ sung thêm là lãng phí. Mặt kháC nếu dự phòng tương lai ít, ta cần bổ sung thêm 25% cho các đỉnh lưu lượng số liêụ. Ta cũng cần lưu ý rằng giờ cao điểm cho dịch vụ tiếng và cho dịch vụ số liệu có thể khác nhau. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp các nút mạng lõi cho dịch vụ tiếng và số liệu khác nhau, vì thế sự khác biệt giờ cao điềm sẽ không là vấn đền quan tâm khi định cỡ nút mạng. Chẳng hạn ở phát hành 3GPP R3 lưu lượng tiếng được xử lý bởi MSC còn lưu lượng số liệu được xử lý bởi SGSN. Tuy nhiên đối với mạng truy nhập và mạng đường trục điều nói trên không còn đúng nữa. Ở mạng truy nhập dung lượng của BSC và RNC được xác định bởi cả sự sử dụng tiếng và số liệu. Ở đường trục mạng lõi ta có thể sử dung VoiP (phát hành 3GPP 4), khi này mạng đường trục mang cả tiếng lẫn số liệu và vấn đề khác biệt giờ cao điểm trở nên quan trọng. Vì thế nếu chưa có đủ kinh nghiệm, tốt hơn cả là coi rằng xẩy ra trường hợp xấu nhất: giờ cao điểm sử dụng tiếng và số liệu trùng nhau. 8.2.6. Dự phòng tương lai Ta không thể chỉ quy hoạch mạng cho các dự kiến trước mắt mà cũng cần quy hoạch mạng cho các dự kiến tương lai để khỏi phải thường xuyên mở rộng mạng. Ngoài ra việc dự phòng tương lai cũng cũng cho phép mạng cung cấp lưu lượng bổ sung trong trương hợp sự tăng trưởng thuê bao lớn hơn thiết kế hoặc sự thay đổi đột biến lưu lượng tại một thời điểm nhất định. Về lý do kinh doanh, dự phòng tương lai cũng cần thiết để đưa ra các kế hoạch định giá mới cho phép thay đổi đáng kể số thuê bao hay hình mẫu sử dụng. Tuy nhiên dự phòng tương lai như thế nào thì hợp lý?. Thông thường nên quy hoạch mạng để hỗ trợ như cầu lưu lượng dự kiến từ 6 đến 12 tháng trong tương lai. Chẳng hạn nếu ta khánh thành mạng vào 12/2007, thì 12 tháng dự phòng tương lai có nghĩa là để quy hoạch mạng ta sử dụng dự báo thuê bao và đồ án sử dụng áp dụng cho 12/2008. Nói chung dự phòng tương lai phải lớn hơn ở giai đoạn đầu và giảm dần ở các giai đoan tiếp theo. Chẳng hạn nếu ban đầu ta sử dụng dự phòng tương lai 12 tháng thì hai năm sau ta giảm dự phòng này còn 6 tháng vì khi này ta đã hiểu rõ hơn được


298

quy luật tăng trưởng lưu lượng và dự báo sự sử dụng (tất nhiên cấc dữ liệu này phải được cập nhật thừơng xuyên) sẽ chính xác hơn. 8.3. PHÂN TÍCH VÙNG PHỦ VÔ TUYẾN 8.3.1. Mở đầu Để quy hoạch vùng phủ vô tuyến cho hệ thống TTDĐ cần khảo sát chi tiết nhiều vấn đề liên quan đến: nơi nào cần phủ sóng và các kiểu phủ sóng cần cung cấp cho các vùng này. Thông thường ta cần phủ sóng trước hết ở các vùng quan trọng như: các vùng thương mại, các vùng có mật độ dân cư cao và các đường cao tốc chính. Vì thế ta cần hiểu biết rõ vùng cần phủ sóng trên cơ sở bản đồ mật độ dân cư: vùng nào là vùng thành phố, vùng ngoại ô và vùng nông thôn, vùng nào là vùng thương mại, nhà ở, công nghiệp, bãi đỗ xe .... Hình 8.2 cho thấy một thí dụ đơn giản về bản đồ mật độ dân cư. Việc hiểu rõ bản đồ trước hết cho phép ta dự kiến được lưu lượng lớn nhất. Ngòai ra trên cơ sở bản đồ ta hiểu được kiểu môi trường và ảnh hưởng của nó lên mô hình truyền sóng để có thể đưa ra lựa chọn các hệ số hiêu chỉnh môi trường và tổn hao thâm nhập toà nhà. Phụ thuộc vào kiểu môi trường ta cũng có thể đảm bảo các mức phủ sóng khác nhau. Chẳng hạn ở các vùng thành phố và ngoại ô, ta cần đảm bảo phủ sóng trong toà nhà. Trên đừơng cao tốc ta cần phủ sóng trong xe ô tô. Ở các vùng khác như bãi đỗ xe ta có thể chỉ cần phủ sóng ngoài trời. Đối với các hệ thống thế hệ ba ngoài các tiêu chí trên, ta cũng cần phải xét đến: các loại dịch vụ cần cung cấp ở vùng được xét. Chẳng hạn thuê bao cần dịch vụ số liệu tốc độ cao (480 kbps chẳng hạn) hay thấp, hay thuê bao chỉ cần dịch vụ tiếng... Tất cả các vấn đền này đều rất quan trọng vì như thấy ở hình 8.3, vùng phủ hiệu dụng của ô chịu ảnh hưởng của tốc độ số liệu. Tốc độ số liệu càng cao, vùng phủ càng nhỏ.

Sau khi đã đã hiểu biết đầy đủ các yêu cầu phủ sóng, ta có thể sử dụng các thông tin này để chuẩn bị quy hoạch vùng phủ. Trước hết ta xét quỹ đừơng truyền, đây là một trong những đầu vào quan trọng cho quy hoạch.


299

Số người trên/ km2

0 - 89 89 - 496 505 - 1213 1216 - 1942 1946 - 17273

Hình 8.2. Thí dụ về bản đồ mật độ dân cư

B¸n kÝnh « cho dÞch vô tiÕng

B¸n kÝnh « cho sè liÖu 64kbps

B¸n kÝnh « cho sè liÖu 480kbps

Hình 8.3. Các vệt phủ của ô cho các dịch vụ khác nhau 8.3.2. Quỹ đường truyền 8.3.2.1. Các thông số quan trọng cần xét Quỹ đường truyền là cân đối toàn bộ công suất phát cũng như khuyếch đại của các phần từ trên đường truyền với tổn hao gây ra do các phần tử đường truyền cùng với dự trữ phađinh đường truyền để nhận được công suất thu tại máy thu. Công suất thu này phải đủ lớn để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu yêu cầu ở máy thu


300

(Eb/N0')req để máy thu có thể khôi phục lại thông tin phát với chất lượng yêu cầu. Tổn hao cực đại đáp ứng điều kiện này được gọi là tổn hao cực đại cho phép. Ta cần xác định tổn hao này cả ở đường xuống và đường lên. Tổn hao cho cực đại cho phép nhỏ hơn trong hai trường hợp này được gọi được coi là giới hạn vùng phủ của ô và dịch vụ. Chẳng hạn nếu tổn hao cực đại cho phép ở đường lên là 130 dB còn tổn hao này ở đừơng xuống là 135 dB thì ta phải đảm bảo tổn hao không vượt quá 130 dB và trong trường hợp này ta nói rằng vùng phủ hay dịch vụ giới giạn theo đừơng lên. Khi tính toán quỹ đường truyền ở WCDMA ta cần lưu ý đến các thông số quan trọng sau đây: Dự trữ nhiễu:

Cần có dự trữ nhiễu trong quỹ đừơng truyền vì tải của ô, hệ số tải tác động lên vùng phủ sóng. Nếu cho phép tải cảng lớn, thì càng cần nhiều dự trữ nhiễu ở đường lên và vùng phủ sóng càng nhỏ. Đối với các trường hợp bị giới hạn bởi vùng phủ, cần dự trữ nhiễu nhỏ, trong khi đó đối với các trường hợp bị hạn chế bởi dụng lượng thì cần có dự trữ nhiễu cao. Ở các trường hợp chịu sự hạn chế vùng phủ này, kích cỡ của ô bị hạn chế bởi tổn hao đường truyền cho phép cực đại trong quỹ đường truyền, và dung lượng cực đại của giao diện vô tuyến của BS không được sử dụng. Sự phụ thuộc dự trữ nhiễu giao thoa vào tải ô được cho ở bảng 8.1 (các gía trị trong bảng được tính theo công thức (8.11)) . Thông thường dự trữ nhiễu ở các trường hợp giới hạn vùng phủ có giá trị 1,0-3,0 dB tương ứng với tải 20-50%.

Dự trữ phađinh nhanh Cần có một lượng dự trữ phađinh nhất định ở công suất phát MS để duy trì điều khiển công suất nhanh vòng kín tương ứng. Điều này đặc biệt có lợi cho MS của ngừơi đi bộ chuyển động chậm khi điều khiển công suất nhanh bù trừ ảnh hưởng phađinh nhanh. Giá trị điển hình của dự trữ phađinh nhanh là 2,0-5,0 dB cho các MS chuyển động chậm.

Độ lợi chuyển giao mềm (đối với hệ thống CDMA) Chuyển giao: mềm hay cứng đảm bảo một độ lợi để chống lại phađinh (phađinh chuẩn log) bằng cách giảm dự trữ phađinh chuẩn log. Sở dĩ như vậy vì pha đinh chậm thường không tương quan giưã các trạm gốc và bằng cách chuyển giao MS có thể chọn BS tốt hơn. Chuyển giao mềm cung cấp độ lợi phân tập vĩ mô bổ sung để chống lại phađinh nhanh bằng cách giảm Eb/N'0liên quan đến một đừơng truyền đơn nhờ việc kết hợp của phân tập vĩ mô. Tổng độ lợi của chuyển giao mềm được coi rằng bằng 2,0 và 3,0 dB các thí dụ dước đây bao gồm độ lợi chống lại phađinh chậm và nhanh.

Dự trữ phađinh chuẩn log phụ thuộc vào mức độ yêu cầu độ tin cậy vùng phủ của ô (xác suất phủ sóng). Vì đường lên thường chịu tổn hao cao hơn do tần số thấp hơn và công suất phát

MS cũng hạn chế nên dưới đây ta sẽ xét vùng phủ giới hạn đường lên.


301

Bảng 8.1. Phụ thuộc dự trữ nhiễu yêu cầu vào tải ô Tải ô Dự trữ nhiễu (hay tăng tạp âm) yêu cầu

0% 0 dB 10% 0,46 dB 20% 1 dB 50% 3 dB 75% 6 dB 90% 10 dB 95% 13 dB 99% 20 dB Trong các phần dưới đây để làm thí dụ ta sẽ xét tính toán quỹ đường truyền và bán kính phủ sóng cho WCDMA 8.3.2.2. Quỹ đường lên Tổng công suất tạp âm nhiệt được tính theo công thức sau: NT = (N ×NF)[dB]= 10lg(290×1,38×10-23) + NF + 30 + 10lgBw dBm/Hz

(8.3) trong đó N = tạp âm nhiệt ở đầu vào máy thu; NF= hệ số tạp âm của máy thu; Bw =

Băng thông kênh. Độ nhạy cần thiết của máy thu để đảm bảo tỷ số tính hiệu trên nhiễu cộng tạp âm SINR= (Eb/NT0')req yêu cầu được xác định như sau: Pmin/(NT+I) = (1/Gp)×(Eb/(NT0+I0)req=(1/Gp)×(Eb/(NT0')req , (8.4) trong đó Pmin là độ nhạy máy thu cần thiết để đảm bảo tỷ số (Eb/NT0)req yêu cầu, Gp là độ lợi xử lý, NT và I là tạp âm nhiệt và nhiễu từ các người sử dụng khác, NT0 và I0 là mật độ tạp âm nhiệt và nhiễu từ các người sử dụng khác, NT0'=NT0+I0 là một độ phổ công suất tạp âm cộng nhiễu. Từ phương trình (8.4) ta được: Pmin = (NT+I)[dbm] -Gp[db]+(Eb/NTo')req[dB], (8.5) NT+I= NT×MI hay (NT+I)[dB]= NT[dB]+MI[dB] (8.6) trong đó MT là dự trữ nhiều giao thoa của các người sử dụng khác. Tổn hao cực đại cho phép đường lên được tính như sau: Lmax= EIRPm-Pmin+Gb-Lf-Lpenet -Mf-F-Ml-F+GHO (8.7) trong đó:EIRPm= Ptxm-Lfm-Lb+Gm là công suất phát xạ hiệu dụng của máy di động và Ptxm , Lfm, Lb, Gm là công suất phát, tổn hao phi đơ +đấu nối, tổn hao cơ thể và hệ số khuyếch đại anten của máy di động; Gb, Lf là hệ số khuyếch đại anten, tổn hao


302

phiđơ+connectơ của BTS; Lpenet= tổn hao thâm nhập; Mf-F, Ml-F là dự trữ pha đinh nhanh và phađinh chuẩn log; GHO=Độ lợi chuyển giao mềm;

Các bảng 8.2, 8.3 và 8.4 cho thấy thí dụ tính toán quỹ đường truyền cho ba dịch vụ WCDMA: dịch vụ tiếng ở tốc độ 12,2kbps ngoài nhà, dịch vụ số liệu tốc độ 128 kbps trong nhà và dịch vụ số liệu tốc độ 384 kbps trong nhà khi không sử dụ phân tập anten (Gd=0).

Bảng 8.2. Thí dụ tính quỹ đường truyền cho tiếng tốc độ 12,2 kbps, đi bộ ngoài trời

Máy phát ( Di động)

Công suất máy phát di động (dBm) 21 PTxm

Khuyếch đại anten 0 Gm

Tổn hao phi đơ+connectơ(dB) 0 Lfm

Tổn hao cơ thể (dB) 3.0 Lb Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (dBm)

18 EIRPm

Máy thu ( Trạm gốc)

Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174.0 N0 Hệ số tạp âm máy thu (dB) 5.0 NF Công suất tạp âm máy thu (dBm) tính cho 3.84 Mcps

-103,2 NT= N0+NF +10lg(3,84×106)

Dự trữ nhiễu giao thoa (dB) 4 MI, Phụ thuộc tải ô Tổng tạp âm + nhiễu giao thoa (dBm) -99,2 (NT+I)[dBm]=NT+MI

Độ lợi xử lý ( dB) 25,0 Gp= 10log(3.840.000/12.200) Tỷ số SNR yêu cầu (dB) 4 (Eb/NT0')req, Phụ thuộc dịch vụ Độ nhậy máy thu hiệu dụng (dBm) -120,2 Pmin= (NT+I)[dbm] -

Gp[db]+(Eb/NT0')req[dB], Khuyếch đại anten trạm gốc (dBi) 18 Gb

Tổn hao connectơ và fidơ trạm gốc (dB)

2 Lf

Dự trữ fading nhanh (dB) 4 Mf-F , Để được dự trữ cho điều khiển công suất vòng kín

Dự trữ fading chuẩn log (dB) 7,5 Ml-F, Xác suất phủ 93,4% Tổn hao thâm nhập toàn nhà (dB) 0 Lpenet

Độ lợi chuyển giao mềm (dB) 2 GHO

Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (dB)

144,7 Lmax= EIRPm-Pmin+Gb-Lf-Lpenet -Mf-F-Ml-F+GHO


303

Bảng 8.3. Thí dụ tính quỹ đường truyền cho số liệu tốc độ 128 kbps,trong nhà


Công suất máy phát di động(dBm) 24 PTxm

Khuyếch đại anten 0 Gm

Tổn hao phiđơ+connectơ Lfm

Tổn hao cơ thể (dB) 0 Lb Công suất phát xạ hiệu dụng tương đương (dBm)

24 EIRPm


Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 N0 Hệ số tạp âm máy thu (dB) 5,0 NF Công suất tạp âm nhiệt máy thu (dBm), tính cho 3.84 Mcps

-103,2 NT= N0+NF +10lg(3,84×106)

Dự trữ nhiễu giao thoa (dB) 4 MI, Phụ thuộc tải ô Tổng tạp âm + nhiễu giao thoa -99,2 (NT+I)[dBm]=NT+MI

Độ lợi xử lý ( dB) 14,8 Gp= 10log(3.840.000/128.200) Tỷ số SNR yêu cầu (dB) 2 (Eb/NT0')req, Phụ thuộc dịch vụ Độ nhậy máy thu hiệu dụng (dBm) -112,0 Pmin= (NT+I)[dbm] -


Tổn hao phiđơ + connectơ trạm gốc (dB)

2 Lf

Dự trữ phađinh nhanh (dB) 4 Mf-F , Để được dự trữ cho điều khiển công suất vòng kín

Dự trữ phađinh chuẩn log (dB) 7,5 Ml-F, Xác suất phủ 93,4% Tổn hao thâm nhập toà nhà (dB) 15 Lpenet




Bảng 8.4. Thí dụ tính quỹ đường truyền cho số liệu tốc độ 384 kbps,trong nhà


Công suất máy phát di động(dBm) 24 PTxm

Khuyếch đại anten (dBi) 2 Gm

Tổn hao phiđơ+connectơ (dB) 0 Lfm

Tổn hao cơ thể (dB) 0 Lb


304

EIRP (dBm) 26 EIRPm


Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 N0 Hệ số tạp âm máy thu (dB) 5.0 NF Công suất tạp âm nhiệt máy thu (dBm), tính cho 3,84 Mcps

-103,2 NT= N0+NF +10lg(3,84×106)

Dự trữ nhiễu giao thoa (dB) 4 MI, Phụ thuộc tải ô Tổng tạp âm+ nhiễu giao thoa -99,2 (NT+I)[dBm]=NT+MI

Độ lợi xử lý ( dB) 10,0 Gp= 10log(3.840.000/384.000) Tỷ số SINR yêu cầu (dB) 1 (Eb/NT0')req, Phụ thuộc dịch vụ Độ nhậy máy thu hiệu dụng (dBm) -108,2 Pmin= (NT+I)[dbm] -


Suy hao bộ nối và phiđơ trạm gốc (dB) 2 Lf

Dự trữ Phađinh nhanh (dB) 4 Mf-F , Để được dự trữ cho điều khiển công suất vòng kín

Dự trữ Phađinh chuẩn log (dB) 7,5 Ml-F, Xác suất phủ 93,4% Tổn hao thâm nhập toà nhà (dB) 15 Lpenet




Trong bảng 8.2, ta có quỹ đường truyền cho dịch vụ tiếng đi bộ ngoài nhà. Thiết bị

của ngừơi sử dụng có công suất phát danh định 0,125 W (21 dBm) (thuộc loại 4: 21dBm ±2dB hoặc loại 3: 21dBm, +1/-3dB). Trong trường hợp này ta coi rằng không có khuyếch đại anten và tổn hao cơ thể 3 dB vì thiết bị rất gần người sử dụng và tín hiệu phải đi xuyên qua ngừơi.

Trong bảng 8.3, ta có quỹ đường truyền cho dịch vụ số liệu 128 kbps trong nhà. BTS phục vụ nằm ngoài nhà. Thiết bị của ngừơi sử dụng có công suất phát danh định 0,25 W (24 dBm) (thuộc loại 3: 24dBm, +1/-3dB hoăc loại hai: 27dBm, +1/-3dB). Trong trường hợp này ta coi rằng không có khuyếch đại anten và tổn hao cơ thể 0 dB vì thiết bị số liệu không được đặt gần người sử dụng. Trong bảng 8.4, ta có quỹ đường truyền cho dịch vụ số liệu 384 kbps trong nhà. BTS phục vụ nằm ngoài nhà. Thiết bị của ngừơi sử dụng có công suất phát danh định 0,25 W (24 dBm). (thuộc loại 3: 24dBm, +1/-3dB hoăc loại hai: 27dBm, +1/-3dB). Trong trường hợp này ta coi rằng thiết bị sử dụng là một thiết bị số liệu đặc biệt sử dung anten ngoài với khuyếch đại là 2 dBi. ta cũng coi tổn hao cơ thể 0 dB.


305

Đối với dịch vụ số liệu trong nhà ở các bảng 8.3 và 8.4, công suất phát MS cao hơn nhưng SNR yêu cầu thấp hơn (chuyển động tốc độ thấp hơn). Tốc độ số liệu càng cao thì độ lợi xử lý Gp càng thấp.

So sánh ba thí dụ trên ta thấy rằng tổn hao đường truyền cực đại cho phép cũng giảm khi tốc độ số liệu tăng và điều này dẫn đến diện tích vùng phủ giảm.

Tất nhiên ta không thể so sánh chính xác một một giữa các dịch vụ khác nhau trong thí dụ tính toán quỹ đường truyền ở các bảng trên vì ta đã sử dụng các giả thiết khác nhau cho công suất phát, khuếch đại anten và các tổn hao thâm nhập. Ta sẽ thấy rõ hơn sự giảm của vùng phủ phụ thuộc vào tăng tốc độ số liệu dẫn đến giảm độ lợi xử lý, nếu để so sánh ta giả thiết rằng các đại lượng trên như nhau cho các trừơng hợp. Tuy nhiên cũng cần lưu ý rằng trong khi độ lợi xử lý giảm thì sự giảm này cũng được cân bằng một phần do yêu cầu tỷ số (Eb/NT0')req giảm khi tốc độ số liệu tăng. Nói chung (Eb/NT0')req phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: tốc độ MS, tốc độ số liệu và tính chất truyền sóng đa tia. Riêng lý do giảm (Eb/NT0')req khi tốc độ số liệu tăng có thể giải thích như sau. Tốc độ số liệu tăng đồng nhĩa với công suất phát tăng. Công suất phát cho các kênh DPCCH và DPDCH cũng tăng, trong đó tỷ phần tăng của DPCCH cao hơn DPCCH. Tỷ số SIR (tỷ số tín hiệu trên nhiễu) được đánh giá trên cơ sở các ký hiệu hoa tiêu ở DPCCH do đó cũng tốt hơn vì thế có thể giảm (Eb/NT0')req.

Từ các quỹ đường truyền nói trên, có thể dễ dàng tính toán bán kính phủ R của ô cho một mô hình biết trước, chẳng hạn mô hình Okumura-Hata hay Walfish-Ikegami. Mô hình truyền sóng mô tả truyền sóng tín hiệu trung bình ở môi trường và biến đổi tổn hao truyền sóng cho phép cực đại ở môi trường phụ thuộc vào cự ly phủ của ô ở km. Chẳng hạn ta có thể chọn mô hình truyền sóng Okumura-Hata cho ô Macro với độ cao anten BS 30 m, độ cao anten MS 1,5 m và sóng mang 1950 Mhz: L=137,4+35,2 lg(R) (8.8) trong đó L là tổn hao đừơng truyền ở dB và R là cự ly ở km. Đối với vùng ngoại ô ta có thể sử dụng thừa số hiệu chỉnh vùng phủ bổ sung bằng 8 dB và nhận được tổn hao đường truyền như sau: L= 129,4 + 35,2lg(R) (8.9) Theo phương trình (8.8), cự ly phủ của ô cho dịch vụ tiếng 12,2 kbps với suy hao đừơng truyền 144,7 dB như ở bảng 8.2 ở vùng ngoại ô là 2,72 km. Cự ly trong nhà cho dịch vụ số liệu thời gian thực 128 kbps (theo tổn hao đường truyền cực đại cho phép ở bảng 8.3) là 943 m. Khi đã xác định được cự ly của ô R, diện tích ô (phụ thuộc vào cấu hình phân đoạn BS) cũng có thể tính được. Đối với ô hình lục giác được phủ bởi anten vô hướng, có thể tính diện tích vùng phủ gần đúng như sau: 2,6R2.


306

8.3.2.3. Quỹ đường đường xuống

Bảng 8.5 cho thâý thí dụ tính toán quỹ đường xuống cho BTS có công suất phát là 10W. Khi tính toán ta có thể sử dụng các công thức cho đường lên ở phần 8.3.2.2 với thay chỉ số m (MS) bằng b (BTS).

Bảng 8.5. Thí dụ tính quỹ đường xuống cho tiếng 12,2 kbps đi bộ ngoài trời

Máy phát (BTS)

Công suất máy phát trạm gốc(dBm) 40 PTxb, 10W Khuyếch đại anten trạm gốc(dBi) 18 Gb

Tổn hao connectơ và phiđơ trạm gốc 2 LfB

Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (dBm)

56 EIRPb= PTxb+Gb-LB

Máy thu (MS)

Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 N0 Hệ số tạp âm máy thu (dB) 5,0 NF Công suất tạp âm máy thu (dBm) tính cho 3,84 Mcps

-103,2 NT= N0+NF +10lg(3,84×106)

Dự trữ nhiễu giao thoa (dB) 0 MI, Phụ thuộc tải ô Tổng nhiễu+ giao thoa -130,2 (NT+I)[dBm]=NT+MI

Độ lợi xử lý ( dB) 25,0 Gp= 10log(3.840.000/12.200) SINR yêu cầu (dB) 4 (Eb/NT0')req, Phụ thuộc dịch vụ Độ nhạy máy thu hiệu dụng (dBm) -124,2 Pmin= (NT+I)[dbm] -

Gp[db]+(Eb/NT0')req[dB], Dự trữ phađinh nhanh (dB) 4 Mf-F , Để được dự trữ cho điều

khiển công suất vòng kín Dự trữ fading chuẩn log (dB) 7,5 Ml-F, Xác suất phủ 93,4% Tổn hao thâm nhập toàn nhà (dB) 0 Lpenet, Giá trị đặc thù cho các toà

nhà ngoại ô Tổn hao cơ thể (dB) 3,0 Lb



167,7 Lmax

So sánh với tổn hao đường lên cực đại cho phép tính được ở bảng 8.2 ta thấy tổn hao đường xuống cực đại cho phép ở bảng 8.5 cao hơn. Thông thường thì vùng phủ bị giới hạn bởi đường lên do ta có thể đảm bảo công suất đường xuống cao hơn đường lên.


307

8.4. PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG Ô Dựa trên quỹ đường truyền đừơng lên và sử dụng mô hình truyền sóng ta có thể đưa ra quy hoạch phủ sóng bước đầu. Thông thường việc này được thực hiện bằng phân mềm công cụ quy hoạch. Tuy nhiên đây chỉ là quy hoạch bước đầu. Bước tiếp theo ta cần kiểm tra lại quy hoạch này để đảm bảo tải dự kiến. Cần nhắc lại rằng quỹ đường truyền bao gồm cả dự trữ nhiễu giao thoa và nhiễu này phụ thuộc vào tải dự kiến trong ô. Tải dự kiến càng lớn thì càng cần có dự trữ nhiễu giao thoa lớn. Giả sử ta cần thực hiện phân tích vùng phủ ban đầu trên cơ sở dự trữ nhiễu là 3 dB tương ứng với tải ô vào khoảng 50%. Trên cơ sở dự báo về lưu lượng và vùng phủ cần cung cấp, ta phải kiểm tra xem dự trữ nhiễu có đủ để đảm bảo tải dự kiến hay không. Bảng 8.1 cho thấy sự phụ thuộc dự trữ nhiễu vào tải ô đường lên (cũng đúng cho cả đường xuống). (Bảng này được tính theo công thức 8.11 xét ở phần dưới). Dự trữ nhiễu được sử dụng để xét đến nhiễu do các người sử dụng khác gây ra. Đây là nhiễu bổ sung thêm vào tạp âm nhiệt. Nói một cách khác tải càng lớn thì tạp âm càng lớn và ta cần phải đưa ra dự trự nhiễu lớn hớn để xét đến tạp âm này. Sự tăng này được gọi là tăng tạp âm (Noise Rise) và dự trữ nhiễu mà ta đưa vào tính toán quỹ đường truyền phải phù hợp với tăng tap âm do tải dự kiến tạo ra. Từ bảng 8.1 ta thấy rằng tăng tạp âm có khuyng hướng tiến đến vô hạn khi tải ô tiến đến 100%. Hay nói cách khác không thể đạt được tải ô 100%. Như vậy tải ô càng lớn, tăng tạp âm càng lớn và diện tích vùng phủ ô hiệu dụng càng nhỏ. Ta không thể đạt đựơc tải ô 100% nhưng ta cũng có thể dễ dàng đạt được tải ô 60%. Tất nhiên ta cần chuyển đổi tải ô vào đơn vị đánh giá sự sử dụng của người sử dụng như: tổng số thuê bao trên một dịch vụ cho trước hay tổng thông lượng. Việc chuyển đổi này cho phép ta dễ dàng kiểm tra xem vùng phủ mà ta tính được (trên cơ sở dự kiến dự trữ nhiễu) có đủ đáp ứng tải cần cung cấp hay không. Để minh hoạ điều này ta xét thí dụ sau. Ta có một quy hoạch ô danh định trên cơ sở quỹ đường truyền cho một dịch vụ nào đó ( số liệu 128 Kbps chẳng hạn). Quy hoạch này sẽ cho ta vùng phủ của ô. Khi này ta cần xác định xem trong vùng phủ này tải dự kiến có thấp hơn tải được tính trong quy hoach lần đầu này hay không. Tất nhiên nếu không đáp ứng tải ta phải lặp lại quy hoạch bằng cách bổ sung thêm BTS và quá trình quy hoạch là một quá trình lặp nhiều lần để được giá trị cần tính. Để xác định xem ô được xét có đảm bảo tải dự kiến hay không, ta cần định lượng tải ô. Để định lượng tải ô ta cần xác định nhu cầu sử dụng ở giờ cao điểm. Nhu cầu đỉnh này cần được xác định cho các dịch vụ khác nhau mà ta cần cung cấp: tiếng và số liệu ở các tốc độ khác nhau. Sau đó ta xác định dung lượng ô và kiểm tra lại để tin chắc rằng đã đáp ứng được nhu cầu dự kiến. Vì WCDMA cung cấp các dịch vụ không đối xứng, nên ta cần phải xác định nhu cầu cho cả đừơng lên và đừơng xuống và tính toán dung lượng cho cả hai đường.


308

8.4.1. Tải ô đừơng lên Ta định nghĩa hệ số tải ô như sau:

maxK

K=η (8.10)

trong đó Kmax là số người sử dụng cực đại trong ô hay còn gọi là điểm cực (Pole Point). Sau khi biến đổi phương trình trên ta được hệ số tải đường lên như ηUL như sau:

total

NUL

P

P−=η 1 (8.11)

trong đó Ptotal= Prec+PN có thể đo ở BS , Prec là tổng công suất thu được ở BTS và PN là công suất tạp âm nhiệt. Hệ số tải ηUL thường được sử dụng cho chỉ thị tải đường lên, chẳng hạn nếu nói tải đừơng lên là 60% của tải điểm cực WCDMA thì điều này có nghĩa là hệ số tải là ηUL=0,60. Biến đổi phương trình(8.11) ta được tăng tạp âm (Noise Rise) như sau:

EN = ULN

total

P

P

η−=

11

(8.12)

Tăng tạp âm chính là dự trữ nhiễu giao thoa MT. Có thể đánh giá hiệu suất sử dụng phổ tần của một ô W CDMA bằng phương trình tải dứơi đây. Ta có thể viết phương trình cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra của kết nối i khi xét đến hệ số tích cực tiếng như sau:

itotal

i

i

p

ii

p

i

b

PP

PG

N

SG

N

E

−×

υ=

υ×⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛×=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ 1

'0

(8.13)

trong đó: Eb là năng lượng bit, N0' là mật độ phổ tạp âm gồm tạp âm nhiệt và nhiễu của các người sử dụng khác quy đổi vào tạp âm, υi là hệ số tích cực tiếng, Ptotal là tổng công suất thu được ở máy thu của người sử dụng i gồm công suất nhiễu của các người sử dụng khác, công suất tạp âm nhiệt và công suất cần thu Pi. Giải phương trình(8.13) cho Pi ta được:

total

iib

pi P

NE

GP

υ+

=

)'/(1

1

0

(8.14)


309

Ta định nghĩa hệ số tải của kết nối i như sau:

( ) iib

ptotal

ii

NE

GP

PL

υ+

==

0/1

1 (8.15)

Ta có thể viết tổng công suất thu được của các người sử dụng ở máy thu i như sau:

Ptotal-PN= (8.16) ( ) ( )∑∑==

β+=β+K

itotali

K

ii PLP

1111

Từ phương trình (8.11) và (8.16) ta được:

∑∑==

υ+

β+=β+=ηK

i

iib

pi

K

iiUL

NE

GL

1

0

1

.)'/(1

1)1()1( (8.17)

trong đó K là số người sử dụng trong ô, Li= Pi/Ptotal là hệ số tải của người sử dụng i, (Eb/N0)j là Eb/N0 của người sử dụng i, υi là hệ số tích cực tiếng của người sử dụng i (khoảng 65% cho tiếng gồm cả thông tin bổ sung và 100% cho số liệu), Gpi= Rbi/Rc, Rii tốc độ bit của người sử dụng, Rc tốc độ chip và β là hệ số nhiễu từ ô khác. Nếu K người sử dụng ở ô có tốc độ bit thấp (Rb<<Rc, Gp>>1) ta có thể viết phương trình(8.17) ở dạng gần đúng như sau:

)1('/ 0 β+×υ××=η KG

NE

p

bUL (8.18)

Khi hệ số tải tiến tới một, ô đạt được dung lượng cực đại. Tải đường lên cho dịch vụ tiếng Ta xét thí dụ tính toán tải đừơng lên cho trường hợp sau. Giả thiết: Thừa số tích cực tiếng υ=0,65 Tốc độ số liệu Rb=12,2 kbps (tất cả các người sử dụng trong ô đều sử dụng dịch vụ

tiếng) Tố độ chip Rc=3,84 Mcps Eb/N0'= 4dB (2,52) β=50% (một phần ba nhiễu gioa thoa đến từ các ô khác) Số người sử dụng K=65


310

Từ phương trình (8.17) ta được hệ số tải đừơng lên ηUL bằng: 50,5%, tương ứng với mỗi người sử dụng sử dụng hệ số tải bằng: 50,5%/65=0,777%.

Tổn hao đường truyền cực đại cho phép phụ thuộc vào dự trữ nhiễu giao thoa yêu cầu. Khi số người sử dụng tăng, dự trữ nhiễu giao thoa yêu cầu phải tăng và tổn hao đường truyền cực đại cho phép giảm dẫn đến cùng phủ giảm.

Thay cho số ngừơi sử dụng ta cũng có thể biểu thị tải bằng kbps. Sử dụng số đo tải bằng kbps có lợi khi cả hai dịch vụ tiếng và số liệu cùng được sử dụng trong ô. Trong trường hợp này sử dụng phương trình (8.17) ta có thể biểu diễn thông lượng như sau: Thông lượng = Rb.K= (η.Rc)/[(Eb/N0')×υ ×(1+β)], (8.19) trong đó Rb là tốc độ bit thông tin, Rc là tốc độ chip. Để minh hoạ ta xét thí dụ sau. Giả sử: Hệ số tích cực tiếng υ=1,0 Eb/N0' = 1dB (= 1,259) β=50% η=50%

sử dụng phương trình (8.19) ta được tổng thông lượng 1.017 kbps. 8.4.2. Tải ô đường xuống

Hệ số tải đường xuống được xác định tương tự như ở đường lên tuy nhiên cần xét thêm hệ số trực giao, ta có thể biểu diễn tải ô đường xuống như sau:

( )[ ]∑=

β+α−υ=ηK

iii

pi

ibiDL

G

NE

1

0 1)/( (8.20)

trong đó ηDL là hệ số tải đường xuống, υi là hệ số tích cực tiếng , βi là hệ số nhiễu từ các ô lân cận, αi là là hệ số trực giao ở đường xuống, Gpi là độ lợi xử lý cho người sử dụng i. Hệ thống CDMA sử dụng các mã ngẫu nhiên đường xuống trực giao để phân biệt các ngừơi sử dụng và nếu không xẩy ra truyền sóng đa đừơng, tính trực giao vẫn đảm bảo khi MS thu tín hiệu từ BTS. Nhưng khi độ phân tán trễ đủ lớn ở kênh vô tuyến, MS sẽ thu nhận một bộ phận cuả tín hiệu từ BTS như là nhiễu đa truy nhập. Tính trực giao bằng 1 tương ứng với các ngừơi sử dụng trực giao hoàn hảo. Thông thường hệ số trực giao nằm trong khoảng 0,4-0,9 ở các kênh đa đừơng.

Nếu K người sử dụng ở ô có tốc độ bit thấp (Rb<<Rc, Gp>>1) ta có thể viết phương trình (8.20) ở dạng gần đúng như sau:

)]1[('/ 0 β+α−×υ××=η KG

NE

p

bUL (8.21)


311

Để minh hoạ các phương trình trên ta xét thí dụ sau. Giả sử: Hệ số tích cực tiếng υ=0,65 cho tất cả các người sử dụng Rb= 12,2 kbps cho tất cả các người sử dụng Eb/N0'= 4 dB (=2,512) cho tất cả các người sử dụng (tất cả đều sử dụng dịch vụ

tiếng) Hệ số trực giao ∝=0,4 Hệ số nhiễu từ ô khác β=0,5

Sử dụng phương trình (8.20) ta tính được tải đường xuống cho một người sử dụng (K=1) bằng: 0,57%. Như vậy nếu hệ số tải ô là 50% thì ta có thể đảm bảo 88 người hoạt đồng đồng thời trong ô. Các thí dụ trên cho thấy sự ảnh hưởng của tải ô (số người sử dụng dịch vụ tiếng) lên vùng phủ của đường lên và đường xuống. Để thuận tiện cho việc phân tích ta xét trường hợp các người sử dụng chỉ sử dụng dịch vụ tiếng. Tuy nhiên trong thực tế cả hai dịch vụ tiếng và số liệu đều được sử dụng. Khi này ta cần tính toán riêng cho từng dịch vụ. Ngay cả khi đối với dịch vụ tiếng, vùng phủ bị giới hạn ở đường lên ta cũng khổng thể đơn giản áp dụng trường hợp này cho dịch vụ số liệu. Ở WCDMA các dịch vụ số liệu không đối xứng, như vậy tốc độ số liệu ở đường xuống và đường lên không giống nhau. Vì thế ảnh hưởng nhiễu giao thoa ở đường xuống có thể lớn hơn đường lên dẫn đến tải đường xuống có thể trở thành nhân tố giới hạn. Nếu ta thấy vùng phủ bị giới hạn bởi đường xuống, ta có thể tăng công suất phát BTS hoặc tăng thêm sóng mang tuỳ theo khả năng sử dụng băng tần. Tuy nhiên khi bổ sung thên sóng mang, ta phải sử dụng chế độ nén. Chế độ này sẽ làm giảm thông lượng vì thế mặc dù sóng mang thứ hai tăng đáng kể dung lượng nhưng ta cũng không đạt được tăng 100%. 8.5. TỔNG KẾT

Quy hoach mang là một quá trình phức tạp đòi hỏi sử dụng các công cụ phần mềm phức tạp Chương này trình bày tổng quan phương pháp quy hoạch mạng và triển khai quy hoạch. Quy hoạch mạng được tiến hành trên cơ sở yêu cầu của các thông số được thiết lập. Công việc quy hoạch mạng có thể chia thành hai công việc chính: quy hoạch mạng vô tuyến và quy hoạch mạng lõi. Quy hoạch mạng vô tuyến là công việc phức tạp nhất. Công việc này bao gồm: định kích cỡ , quy hoạch lưu lượng và vùng phủ, tối ưu hoá mạng. Để làm thí dụ chương này xét viẹc tính toán quỹ đường truyền và bán kính phủ sứng cho WCDMA. Sau khi tính vùng phủ sóng cần tính toán dung lương ô. Nếu dung lượng ô không đạt thì ta cần chia ô nhỏ hơn, nghia xlà lắp đặt thêm BTS.


312

8.6. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 8.6.1. Câu hỏi 1. Trình bày quy trình quy hoạch và triển khai mạng thông tin di động 2. Khi quy hoạch vùng phủ sóng ta cần xem xét các thông số gì? 3. Trình bày quy trình tính tóa quỹ đường xuống 4. Trình bày quy trình tín toán quỹ đường lên 5. Nêu ra các vấn đề cần xem xét khi tính toán dung lượng ô 6. Định nghĩa hệ số tải và tăng tạp âm 7. Định nghĩa hệ số tải của một kết nối i 8. Rút ra công thức tính toán hệ số tải đường xuống 9. Rút ra công thức tính toán hệ số tải đường lên 8.6.2. Bài tập 1. Tìm tốc độ chip cần thiết của chuỗi PN biết:

√ Hệ thống điều chế trải phổ DS/SS – BPSK. √ Đảm bảo xác xuất lỗi bit 10-3. √ Tốc độ bit tin 9,6 kbps. √ Nhiễu từ các ô khác là 60%. √ Thừa số tích cực tiếng 50%. √ Độ chính xác của điều khiển công suất là 0,8. √ Không sử dụng phân đoạn ô.

Nếu xác suất lỗi là 10-3 thì tốc độ chip là bao nhiêu.

2. Tính dung lượng hệ thống CDMA theo số người sử dụng /đoạn ô với các dữ liệu sau:

√ ( ).dB 60N

Eb =

√ Nhiễu từ các ô lân cận là 60%. √ Thừa số tích cực tiếng là 50%. √ Thừa số điều khiển công suất chính xác là 0,8. √ Tốc độ bit thông tin : 9,6 kbps. √ Độ lợi phân đoạn ô : 2,5. √ Độ rộng băng tần vô tuyến là : 1,25 Mhz.

3. Tính công suất đầu ra máy phát của kênh cơ bản đường xuống cdma2000 1x (F-FCH, RC1) cho một người sử dụng trên đường xuống CDMA khi biết:


313

√ Tổng EIRP của các kênh lưu lượng = 57 dBm √ Số kênh F-FCH được cung cấp trên đoạn ô N = 20 √ Hệ số khuyếch đại anten BTS, Gb = 14 dBi √ Tổn hao đường nối đầu ra máy phát đến đầu vào anten, Lph= 2,5 dB √ Hệ số tích cực tiếng, ν=0,5

4. Tính mật độ phổ công suất nhiễu từ các người sử dụng khác trong cùng ô và từ ô khác ở kênh F-FCH cấu hình RC1 trên đường xuống cdma2000 1x có tốc độ Rb=9,6kbps:

√ Tổng công suất thu ở máy thu MS, Prx = -97 dBm √ Công suất thu ở kênh lưu lượng, PrxF-FCH = -110 dBm √ Băng thông kênh vô tuyến, BW = 1,25 MHz √ Hệ số nhiễu từ ô khác, β= 0,6

5. Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu cho kênh lưu lượng đường xuống CDMA khi cho:

√ Mật độ phỗ công suất nhiễu từ các kênh lưu lượng đường xuống trong cùng ô, o I0= -158 dBm/Hz

√ Hệ số nhiễu từ các ô khác β= 0,6 √ Tốc độ bit kênh lưu lượng, Rb = 9600 bit/giây √ Công suất thu kênh lưu lượng, PTCH = -109 dBm √ Mật độ phổ công suất tạp âm, N0 = -166dBm/Hz

6. Một máy thu có hệ số tạp âm NF=5dB, tính:

1. Công suất tạp âm nếu đây là máy thu GSM 2. Công suất tạp âm nếu đây là máy thu WCDMA 3. Công suất tạp âm nếu đây là máy thu cdma2000 1x

7. (Tiếp) Nếu số người sử dụng trong ô là 20, MS có EIRP= 26dBm; suy hao đường truyền 160dB, nhiễu kênh lân cận -110dBm, BTS có khuyếch đại anten thu 10 dBi , cáp nối và phần vô tuyến trước máy thu 2dB. Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm công nhiễu (E/N'0) cho máy thu BTS (coi rằng: tốc độ số liệu Rb=9,6kbps, băng thông bằng Rc đối với CDMA, thừa số tích cực tiếng υ=0,6, hệ số nhiễu đến từ ô khác β=0,6 và công suất tạp âm theo bài 1)

1. GSM 2. WCDMA 3. cdma2000 1x

8. Nếu hệ thống WCDMA bài 7 truyền kênh dữ liệu tốc độ 384kbps. Tính tỷ số SINR.


314

9. (tiếp) nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm yêu cầu là 2dB thì cần giảm bán kính phủ sóng đi bao nhiêu lần. 10. Nếu SINR yêu cầu (Eb/N'0)req= 4dB đối với kênh truyền số liệu 128Kbps CDMA. Hãy tính

1. Công suất thu tối thiểu tại WCDMA MS với các thông số cho trong bài 6 và 7. 2. Bán kính phủ sóng theo các thông số sau: (1) Dự trữ phađinh nhanh 4dB, (2)

Dự trữ fading chuẩn log 7,5dB, (3) Tổn hao thâm nhập toàn nhà 5dB, (4) Độ lợi chuyển giao mềm 2dB

11. Tính số người sử dụng đường lên kênh lưu lượng Rb =128kbps cho các thông số sau:

√ Hệ số tải ηUL=0,6 √ Hệ số tích cực tiếng υ=0,6 cho tất cả các người sử dụng √ Eb/N0'= 4 dB (=2,512) cho tất cả các người sử dụng (tất cả đều sử dụng dịch vụ

tiếng) √ Hệ số trực giao ∝=0,4 √ Hệ số nhiễu từ ô khác β=0,6

12. Cho 24 tần số đánh số từ 1 đến 24, hãy phân bố tần số cho mẫu tái sử dụng tần số 3/9 ở hệ thống GSM 13. Tại giờ cao điểm mỗi người sử dụng trung bình gọi 90 giây, hỏi mỗi người sử dụng chiếm bao nhiêu Erlang trong giờ các điểm và nếu một GSM BTS cung cấp 22 kênh lưu lượng thì nó có thể phục vụ được bao nhiêu thuê bao. Cho GOS=2%. 14. Một vùng dân cư có diện tích 10 km2 cần dung lượng 70 Erlang, hỏi nếu mỗi GSM BTS có thể phủ sóng 2km2, thì cần bao nhiêu kênh cho một GSM BTS khi cho GOS=2% và bảng tra cứu Erlang mô hình B. Cần làm gì khi nhu cầu lưu lượng tại vùng dân cư này tăng gấp đôi. 15. Một GSM BTS có ba kênh tần số, trong đó hai khe thời gian được dành cho điều khiển và báo hiệu, hỏi BTS này có dung lượng là bao nhiêu. Nếu mức độ sử dụng của mỗi người sử dụng là 30mErlang, hỏi BTS có thể phục vụ bao nhiêu người. Cho GOS=2%.

Chương 9. Phát triển mạng thông tin di động đến 4G

Chương 9 PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐẾN 4G

9.1. MỞ ĐẦU Các xu thế tiến tới mạng 4G bao gồm:

1. Hội tụ mạng truy nhập vô tuyến cho các dịch vụ cố định (WLAN, WIMAX chẳng hạn) với mạng di động 3G

2. Xây dựng mạng thông tin di động hoàn toàn IP 3. Nghiên cứu mạng truy nhập vô tuyến mới cho 4G

9.2. HỘI TỤ WLAN VỚI 3G WLAN sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển 3G vì: Chúng có khối lượng phổ lớn miễn phép. Các WLAN hiện có như 802.11b và

802.11g làm việc trong băng tần 2,4GHz và 5,4GHz (được gọi là băng tần ISM: Industrial Scientific and Medical: y tế và khoa học công nghiệp). 80 MHz phổ của châu Âu có thể sử dung mà không cần cấp phép đặc biệt.

WLAN cung cấp các độ rộng băng tần lớn hiện nay có thể dảm bảo thông lượng thực sự cho người sử dụng vài Mbps

Các card rẻ; khoảng 100$ WLAN xử lý tốt lưu lượng không đối xứng.

Để hiểu ý niệm sử dụng WLAN kết hợp với W-CDMA UMTS ta xét hình 9.1, trong đó WLAN được sử dụng để phủ các vùng nóng như: các quán cafe, các khuôn viên đại học, các nhà ga đường sắt, các công sở v.v...). Chúng có thể cung cấp độ rộng băng tần lớn hơn các hệ thống tổ ong và giá rẻ hơn (vì phổ không mất tiền và các card giá rẻ dung lượng cao).

315


DHCPDNS

SGSNServer

SIPProxy Server)

(CSCF)

GGSNRNC

Nót B

M¹ngchuyÓnm¹chAAL2

§−êngtruyÒn

tunnel GTPtrªn IP

DiffServe

§−êng trôc IPDiffserv IP-qu¶n lý di

®éng vÜ m«

Internet toµncÇu

TÝnh c−íc AAAH

SIPProxy Server

(VHE)

ADSL

C c Router truynhËp IP

Phñ sãng ®iÓmnãng b»ng LAN

v« tuyÕn

AAAL M«i giíiQoS

SIPProxy Server)

(CSCF)

M¹ng ad-hocBluetooth

IntServ di®éng vi m« IPtrªn Diffserv

Hiperlan/802.11

Hình 9.1. Mạng vô tuyến toàn IP.

Để hiểu được ý nghĩa của mạng trên ta hãy xét một ngày làm việc cuả cô giáo Mai, trên máy tính với các sự kiện sau: Đọc e-mail. Địa chỉ SIP URL- sip:[email protected] Dậy học đa phương tiện trên máy tính Quét trình duyệt web để mua quà cho bạn Nam bằng thẻ tín dụng thông minh qua

máy tính Gọi cho Nam bằng VoIP Họp khoa từ xa

Cô giáo Mai bắt đầu một ngày làm việc tại Trường Đại Học, nơi cô phải giảng một ngày trong tuần bằng cách bật nguồn máy tính sách tay của mình. Máy tính này được trang bị các phiến: LAN (WLAN), Bluetooth và mạng W-CDMA. Máy tính sách tay sau khi được bật nguồn bắt đầu quét các mạng hiện có. Trong trường Đại học, WLAN được lắp đặt ở nhiều nơi vì thế máy tính của cô Mai chọn mạng WLAN của trường làm nhà cung cấp mạng (vì giá rẻ hơn), trình bày SIP URL của cô giáo - sip:[email protected] và AAAL (Local Access Authentication and Accouting server) nối với công ty điện toán VDC chẳng hạn để nhận thực cô giáo và mạng trường đại học với nhau. Chi tiết về thuê bao được nạp vào AAAL và sau đó đến router truy nhập được nối đến máy tính cô giáo. Cô Mai muốn kiểm tra e-mail của mình vì thế nhận một địa chỉ IP địa phương. Một bản tin tức thời được gửi đến cho cô giáo từ bạn Nam của cô ở dạng một bản tin SIP đến đia chỉ SIP URL - bản tin này được chuyển từ VDC

316


SIP server đến SIP server trường đại học và vì quá trình DHCP đã tạo lập một mục trong SIP server nên cuối cùng nó được chuyển đến cô Mai. Tiếp theo cô Mai muốn khởi động ứng dụng dậy học đa phương, tất cả sinh viên đều nhập vào một nhóm và các ứng dụng dùng chung chạy trên nhóm. Vì mạng truy nhập xử lý đa phương nên cây đa phương rất nhỏ, nếu cô giáo sử dụng UMTS hay GPRS thì từng ngừơi sử dụng phải có một tunnel GTP từ GGSN. Cuối cùng, bài giảng kết thúc và cô Mai ngồi trong quán cafe uống ly càfê. Cô quét trình duyệt web để tìm quà tặng sinh nhật cho bạn trai Nam, cô đánh các URL từ tạp chí trường đại học mà không cần biết rằng các trang cô tìm đến từ một tàng trữ web (Cache) địa phương chứ không phải từ server ở xa. Chính vì các gói IP có tại chỗ, không phải đóng bao, nên có thể tàng trữ và đảm bảo dịch vụ nhanh hơn và rẻ hơn. Khi cô tìm được quà tặng mình cần, cô mua nó bằng thẻ tín dụng cuả mình, một thẻ thông minh được lắp vào sau máy tính và máy tính thiết lập kết nối IPSec đến nhà cung cấp thẻ tín dụng. Cô Mai muốn gọi VoIP cho Nam, máy tính đầu cuối của cô sử dụng báo hiệu RSVP để thiết lập QoS đầu cuối đầu cuối trên các mạng mà cuộc gọi đi qua. Mạng truy nhập trường Đại học sử dụng ISSLL (IntServ trên các lớp đoạn nối đặc thù - trong trường hợp này là IntServ trên DifServ) và mạng lõi sử dụng DiffServ thuần tuý. Nam đang ở mạng W-CDMA, mạng này đòi hỏi thiết lập QoS cho nhánh nối của Nam với các bản tin PDP Context. Quá trình này thiết lập các đánh dấu QoS trong mạng lõi UMTS và các kênh mang AAL2, vô tuyến trong mạng truy nhập vô tuyến. Tuy nhiên sau một loạt các chuyển giao xuôn sẻ giữa các trạm WLAN khác nhau, cô Mai ra khỏi vùng phủ cuả các WLAN và vì thế máy tính của cô thực hiện chuyển giao (thẳng đứng) đến W-CDMA. Trước hết nó nhận được một địa chỉ IP UMTS, sau đó nó thiết lập một PDP QoS Context và sử dụng SIP để INVITE (mời) Nam và cùng một phiên trên địa chỉ mới. Cuối cùng cô Mai tham dự một cuộc họp khoa, cuộc họp gồm sáu người trong phòng họp và một người ở toà nhà khác. Máy tính của cô Mai được sử dung để nối: qua WLAN đến đồng nghiệp phiá xa, qua mạng intranet cuả trường đai học. Còn máy tính của các người khác trong phòng nối đến máy tính của cô Mai bằng mạng đặc biệt sử dụng Bluetooth. Lúc này máy tính cô Mai đóng vai trò như một router di động để chuyển tiếp các gói IP đến/từ Internet - sau khi đã nạp xuống phần mềm router di động thích hợp tại lúc khởi đầu cuộc họp. Vậy mạng toàn IP nói trên cung cấp đa dạng các công nghệ truy nhập: bao gồm tổ ong, WLAN, Bluetooth và ASDL. Nó đảm bảo kết nối thực sự băng rộng bằng WLAN như 802.11 trong các điểm nóng. VHE (Virtual Home Envirnonment: môi trường nhà ảo) trên cơ sở SIP cũng cho phép dịch vụ chung thích ứng theo vị trí và công nghệ truy nhập (chẳng hạn độ rộng băng tần). Vậy về mặt chức năng cuả người sử dụng, nó có lẽ sẽ gần đến cách nhìn ban đầu hơn là các phiên bản đầu của các mạng

317


3G. Tuy nhiên nó chưa chứa thông tin vệ tinh và đây chưa phải là một hệ thống vạn năng. Một vấn đề hiện dang được tranh cãi là làm cách nào để thống nhất hoá WLAN với các hệ thống 3G như UMTS. Một giải pháp giống như việc thiết kế cho một mạng hoàn toàn IP được gọi là : ghép lỏng (xem hình 9.2), hai hệ thống thực sự chỉ chia sẻ cùng một mạng lõi IP và một cơ chế nhận thực: hoặc SIM card cuả người sử dụng nhận thực người sử dụng này hoặc sử dụng mật khẩu quay số IP và nhận dạng (NAI). Hiện nay người ta đang xem xét một cách định tuyến thống nhất được gọi là ghép chặt, trong đó WLAN chỉ cung cấp lớp liên kết còn các chức năng mạng/điều khiển đều dựa trên các giao thức UMTS (chẳng hạn RANAP và GTP). ETST BRAIN đang nghiên cứu tương tác giữa ghép lỏng và ghép chặt. Tuy nhiên vẫn còn có câu hỏi đặt ra đối với thế hệ sau của WLAN: giá cả các máy thu phát vô tuyến băng 5GHz và công suất cực đại cho phép để tránh nhiễu đối với các người sử dụng vệ tinh ở băng tần này.

AAL2

UMTS

B¸o hiÖu SS7

SGSN

TruyÒn tunnelGTP/IP

GGSN

HLR/HSS

Cæng b¸o hiÖu

MAP

AAAH

DIAMETER

§−êng trôc IP/Internet

M¹ng truy nhËp IP

AAAL

WLANNh©n thùc theo USIM

NhËn thùc theo NAIM¸y di ®éng kh«ng cã SIM

Hình 9.2. Đề suất ghép lỏng UMTS-WLAN 9.3. THÔNG TIN GÓI IP TRONG CÁC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Hiện nay do thông tin IP ngày càng phát triển trong việc truyền lưu lượng, ta có thể tin rằng định tuyến trực tiếp và điều khiển di động cho các gói IP sẽ là phương thực hiệu quả để thực hiện mọt sơ đồ gắn kết chặt chẽ với thông tin IP và phù hợp để kết hợp và cung cấp các ứng dụng IP khác nhau trong mạng thông tin di động. Bằng cách đồng chỉnh cơ chế truyền tải cơ sở với Internet, các công nghệ IP sẽ không ngừng

318


được đưa vào mạng di động và nhờ đó sẽ tạo ra rất nhiều dịch vụ mới. Rất nhiều nỗ lực đang được tiến hành nhằm xây dựng một mạng để đạt được các mục đích và chức năng sau nhằm nhằm tích hợp tất cả các hình lọai thông tin gồm cả VOIP để phát triển, cung cấp và triển khai các dịch vụ.

1. Dựa trên tiến bộ cuả thông tin IP, coi rằng tất cả các thiết bị trong tương lai sẽ là đầu cuối IP, mạng phải có các chức năng thực hiện định tuyến và điều khiển di động trực thếp theo điạ chỉ IP cuả người sử dụng

2. Chuyển mạch trên cơ sở phần cứng và các chức năng truyền tải nhằm đạt được tốc dộ nhanh hơn và dung lượng cao hơn phải được tách riêng ra khỏi các chức năng điều khiển bằng phần mềm nhằm đạt được tính đa dạng và linh hoạt. Với tổ chức như vậy, thiết bị có thể được phân tán và phân bổ tuỳ theo các khả năng cuả từng thiết bị và việc bổ sung, mở rộng chỉ được thực hiện cho từng thiết bị yêu cầu.

3. Khi xét đến nhu cầu đảm bảo các dịch vụ khác nhau trong trương lai, cần cung cấp và phát triển các dịch vụ một cách nhanh chóng

Dưới dây là các nhiệm vụ cần thực hiện để xây dựng một mạng IP nhằm đạt được các mục tiêu và các chức năng nêu trên:

1. Nghiên cứu cấu trúc toàn IP: từ đầu cuối đến đầu cuối mà không nhất thiết phải kế thừa RAN và CN

2. Thiết lập sơ đồ điều khiển di động IP trên địa chỉ IP mà không sử dụng số điện thoại của máy thoại di động

3. Thực hiên điều khiển IP QoS đầu cuối đầu cuối và thông tin thời gian thực như: tiếng và video luồng trên cơ sở các công nghệ ứng dụng trên

4. Thiết lập sơ đồ báo hiệu trên IP để điều khiển kết nối VOIP v.v... 5. Nghiên cứu áp dụng kiến trúc cho phép tách riêng hệ thống và điều khiển hệ

thống 6. Áp dụng API (Application Programming Interface: Giao diện lập trình ứng

dụng) mở cho hệ thống điều khiển và nghiên cưú các dịch vụ đa phương tiện IP kết hợp với Internet trên cơ sở của tổ chức này.

9.4. THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G Để thay cho kết luận chúng ta sẽ bàn về tin di động 4G. Hiện nay các nhà nghiên cứu trên thế giới đang tiến hành các công trình nghiên cứu cho 4G. Dưới đây là các quan điểm được đề suất cho 4G: Giao diện vô tuyến hoàn toàn mới để đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn với

hiệu suất sử dụng băng tần được cải thiện và giá rẻ (có thể là OFDMA hoặc OFDMA kêt hợp với CDMA chẳng hạn)

319


320

Sử dụng các anten thông minh và MIMO để tăng dung lượng hệ thống, tăng vùng phủ sóng và nâng cao chất lượng truyền dẫn

Phát triển mạng truy nhập vô tuyến mới và có thể cả mạng lõi mới để hỗ trợ giao diện vô tuyến mới

Quy định phổ mới cho 4G Vô tuyến xác định bằng phần mềm. Cho phép thiết bị đầu cuối và BTS hoạt động

ở các chế độ khác nhau dưới sự điều khiển của phần mềm Mở rộng khả năng VHE (Virtual Home Environement: môi trường nhà ảo).

Một số ý tưởng còn đi xa hơn với coi 4G là mạng cuả các mạng: bao gồm các

mạng đặc biệt, các mạng tự tổ chức và các hệ thống vô tuyến công cộng, riêng hoàn toàn trong suốt... Các người sử dụng có thể định tuyến lưu lượng qua các mạng LAN riêng chồng lấn với giá rẻ và có thể chuyển giao xuôn xẻ đến các hệ thống tổ ong. Các hệ thống đặc biệt cho phép kết nối tại chỗ cũng như truy nhập đến các điểm xa hơn khả năng kết nối trực tiếp. Thí dụ: một sinh viên đang ở trong một quán cafe trong vùng phủ Bluetooth của một nút DSL cố định, một sinh viên đang đi qua quảng trường rộng có thể gửi lưu lượng đến sinh viên này qua nút nói trên.

Một điểm cần lưu ý trong tương lai là sẽ có rất nhiều thiết bị vô tuyến. Sẽ có các "LAN trên cơ thể" ở các máy tính trên áo mặc được nối đến các pico LAN chứ không phải Bluetooth, hay các mạng cảm biến được lắp đặt tại mọi nơi: được dấu trong thảm chẳng hạn. Hai hệ thống sẽ kết nối với nhau để đèn sẽ bật sáng khi người bước qua thảm hoặc thậm chí có thể nhận dạng được người này qua trong lượng và bước đi.

Ta có thể nhận thấy rằng các quan điểm trên hoàn toàn không đối lập nhau mà cùng tạo điều kiện cho một mạng di dộng hoàn toàn IP. Tuy nhiên một điều cần bàn đến là liệu trong một thập kỷ tới khi mà tiêu chuẩn 4G được hoàn thành IP sẽ phát triển như thế nào: đến mức không thể nhận ra được nữa hay sẽ bị thay đổi bởi một công nghệ mạng mới.

Hương dẫn giải bài tập

HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP Chương 8 Bài 1 Tìm tốc độ chip cần thiết của chuỗi PN biết:

√ Hệ thống điều chế trải phổ DS/SS – BPSK. √ Đảm bảo xác xuất lỗi bit 10-3. √ Tốc độ bit tin 9,6 kbps. √ Nhiễu từ các ô khác là 60%. √ Thừa số tích cực tiếng 50%. √ Độ chính xác của điều khiển công suất là 0,8. √ Không sử dụng phân đoạn ô.

Nếu xác suất lỗi là 10-3 thì tốc độ chip là bao nhiêu. Giải

Công thức cho xác suất lỗi bit BPSK:

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

b

0

b

2E

N=P Q

Pe = 10-3, tra bảng ta có 1,32

0

=NEb => .8,4

2)1,3( 2

'0

==NEb

αβ

γλ

)1.('0

max

+=

NE

GKb

1921.8,0

5,0).6,01.(8,4.40)1('

0max

=+

=+

=⇒λγ

αβNE

KG

b

(lần)

)(8,1192.6,9.6,96,9

McpsGRR

G cc ≈==⇒=

Bài 2 Tính dung lượng hệ thống CDMA theo số người sử dụng /đoạn ô với các dữ liệu sau:

√ ( ).dB 60N

Eb =

321


√ Nhiễu từ các ô lân cận là 60%. √ Thừa số tích cực tiếng là 50%. √ Thừa số điều khiển công suất chính xác là 0,8. √ Tốc độ bit thông tin : 9,6 kbps. √ Độ lợi phân đoạn ô : 2,5. √ Độ rộng băng tần vô tuyến là : 1,25 Mhz.

Giải

Số người sử dụng trong 1 ô tính theo công thức :

b 0

GKE / N (1 )

γλ=

+β υ

Độ lợi xử lý G =Bw/Rb =1,25.106/9,6.103 =130,2. Thừa số điều khiển công suất chính xác: λ = 0,8.

Độ lợi phân đoạn ô : .5,2=γ Thừa số tích cực tiếng : α = 50% = 0,5. Nhiễu từ các ô lân cận : β = 60% = 0,6. Tỉ số : Eb/N0 = 6(dB) = 100,6=3,98

Thay số vào công thức trên ta được: K= 80,6. ⇒ số người sử dụng trên đoạn ô K/3=26,4 làm tròn 27

Bài 3

Tính công suất đầu ra máy phát của kênh cơ bản đường xuống cdma2000 1x (F-FCH, RC1) cho một người sử dụng trên đường xuống CDMA khi biết:

√ Tổng EIRP của các kênh lưu lượng = 57 dBm √ Số kênh F-FCH được cung cấp trên đoạn ô N = 20 √ Hệ số khuyếch đại anten BTS, Gb = 14 dBi √ Tổn hao đường nối đầu ra máy phát đến đầu vào an ten, Lph= 2,5 dB √ Hệ số tích cực tiếng, ν=0,5

Giải Ta có thể biểu diễn công suất đầu ra máy phát kênh TCH của một người sử dụng như sau:

ph

bF FCH

EIRP.LGPN.

− =υ

, hay PF-FCH= EIRP+Lph-Gb-10lgN-10lgυ, dBm

Thay số vào công thức trên ta được: PF-FCH= 57+2,5- 14-10lg20-10lg0,5= 35,5dBm

322


Bài 4 Tính mật độ phổ công suất nhiễu từ các người sử dụng khác trong cùng ô và từ ô khác ở kênh F-FCH cấu hình RC1 trên đường xuống cdma2000 1x có tốc độ Rb=9,6kbps:

√ Tổng công suất thu ở máy thu MS, Prx = -97 dBm √ Công suất thu ở kênh lưu lượng, PrxF-FCH = -110 dBm √ Băng thông kênh vô tuyến, BW = 1,25 MHz √ Hệ số nhiễu từ ô khác, β= 0,6

Giải Mật độ phổ công suất nhiễu từ các người sử dụng khác trong cùng ô trên đường xuống được tính như sau: I0= (Prx-PrxF-FCH)/BW hay I0= l0lg(100,1Prx-100,1PrxF-FCH)-10lgBW , dBm/Hz Thay số vào ta được: I0=10lg(10-9,7-10-11)-10lg1,25.106 = -158,192 dBm/Hz Mật độ phổ công suất nhiễu đến từ ô khác trong trường hợp này tính như sau: Iother=I0.β hay Iother= I0+10lgβ, dB Thay số vào ta được: Iother= -158,192 +10lg0,6 = -160,4dBm/Hz Bài 5 Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu cho kênh lưu lượng đường xuống CDMA khi cho:

1. Mật độ phỗ công suất nhiễu từ các kênh lưu lượng đường xuống trong cùng ô, I0= -158 dBm/Hz

2. Hệ số nhiễu từ các ô khác β= 0,6 3. Tốc độ bit kênh lưu lượng, Rb = 9600 bit/giây 4. Công suất thu kênh lưu lượng, PTCH = -109 dBm 5. Mật độ phổ công suất tạp âm, N0 = -166dBm/Hz

Giải

323


Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu trong trường hợp này tính như sau:

SINR= b uTCHE P /N I ( ) N I (

= bR)+ + β + + β0 0 0 01 1

Hay SINR= PTCH-10lgRb-10lg[100,1No+100,1Io(1+β)], dB Thay số vào ta được: SINR= -109-10lg9600-10lg[10-16,6+10-15,8(1+0,6)] = 6,725dB Bài 6 Một máy thu có hệ số tạp âm NF=5dB, tính:

1. Công suất tạp âm nếu đây là máy thu GSM 2. Công suất tạp âm nếu đây là máy thu WCDMA 3. Công suất tạp âm nếu đây là máy thu cdma2000 1x

Giải Mật độ phổ công suất tạp âm đầu vào máy thu tính như sau: N0=10lg(1,38.10-23x290)x103+5dB = -169dBmHz-1 1. Băng thông GSM: BW= 200KHz→ BW[dBHz]=10lg200.103=53dB vậy công suất tạp âm máy thu GSM theo dB bằng: N=N0+BW=- 116dBm 2. Băng thông WCDMA: BW=Rc=3,84 MHz→ BW[dBHz]=10lg3,84.106=65, 84dBHZ vậy công suất tạp âm máy thu WCDMA theo dB bằng: N=N0+BW=- 103,2dBW 3. Băng thông WCDMA: BW=Rc=1,2288 MHz→ BW[dBHz]=10lg1,2288.106=60, 89dB vậy công suất tạp âm máy thu cdma20001x theo dB bằng: N=N0+BW=- 108,1dBW Bài 7 (Tiếp) Nếu số người sử dụng trong ô là 20, MS có EIRP= 26dBm; suy hao đường truyền 160dB, nhiễu kênh lân cận -110dBm, BTS có khuyếch đại anten thu 10 dBi , cáp nối và phần vô tuyến trước máy thu 2dB. Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm công nhiễu (E/N'0) cho máy thu BTS (coi rằng: tốc độ số liệu Rb=9,6kbps, băng thông bằng Rc đối với CDMA, thừa số tích cực tiếng υ=0,6, hệ số nhiễu đến từ ô khác β=0,6 và công suất tạp âm theo bài 1)

1. GSM

324


2. WCDMA 3. cdma2000 1x

Giải Công suất tín hiệu thu: Pr=26dBm-160dB+10dBi-2dB=-126dBm; Eb=Pr-10lgRb=-126-10lg9,6.103=-165,82dBmHz-1

1. GSM không có nhiễu đồng kênh, nên

N'0=10lg(10-16,9+10-11/200.103)=-163,74dBmHz-1 ; SINRGSM= -165,82+163,74=-2dB 2. Mật độ phổ công suất nhiễu đồng kênh trong WCDMA: I0=Kx(1+β)xυxPr/ Rc)=20x(1+0,6)x0,6x10-12,6/(3,84.106)=1,26.10-18

Tổng mật độ công suất tạp âm và nhiễu bằng: N'0=10lg(10-16,9+1,26.10-18+10-11/3,84.106)=-167,83dBmHz-1 SINR=(Eb/ N'0)= -165,82 +167,83=2,1dB 3. Mật độ phổ công suất nhiễu đồng kênh trong cdma2000 1x: I0=Kx(1+β)xυxPr/ Rc)=20x(1+0,6)x0,6x10-12,6/(1,2288.106)=3,92.10-18

Tổng mật độ công suất tạp âm và nhiễu bằng: N'0=10lg(10-16,9+3,92.10-18+10-11/1,2288.106)=-166dBmHz-1 SINR=(Eb/ N'0)= =-165,82 +166=0,2 dB Bài 8 Nếu hệ thống WCDMA bài 7 truyền kênh dữ liệu tốc độ 384kbps. Tính tỷ số SINR. Giải Công suất tín hiệu thu: Pr=26dBm-160dB+10dBi-2dB=-166dBm; Eb=Pr-10lgRb=-126-10lg384.103=-181,84dBmHz-1 SINR= (Eb/ N'0)= =-181,84 +167,83=-14dB Bài 9 (tiếp) nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm yêu cầu là 2dB thì cần giảm bán kính phủ sóng đi bao nhiêu lần. Giải Để đảm báo tỷ số SINR= 2dB ta phải giảm suy hao đường truyền 16 dB. Ký hiệu N là số lần giảm, Ta có: L[dB]=137,4+35,2 lg(R) → 6=35,2lgN→N=1016/35,2=2,85 lần

325


Bài 10 Nếu SINR yêu cầu (Eb/N'0)req= 4dB đối với kênh truyền số liệu 128Kbps CDMA. Hãy tính 1.Công suất thu tối thiểu tại WCDMA MS với các thông số cho trong bài 6 và 7. 2. Bán kính phủ sóng theo các thông số sau: (1) Dự trữ phađinh nhanh 4dB, (2) Dự trữ fading chuẩn log 7,5dB, (3) Tổn hao thâm nhập toàn nhà 5dB, (4) Độ lợi chuyển giao mềm 2dB Giải

,b min b bmin b 0, , ,

0 0 0req

E P / R EP xRN N N

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟= → =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

xN

Từ bài 6 ta có N'0=-167,83dBmHz-1

→ Pmin[dBm]= (Eb/N'0)[dB]+10lgRb+10lg(N0+I0)=4+10lg128.103-167,83=-112,66dBm Lmax= EIRPm-Pmin+Gb-Lf-Lpenet -Mf-F-Ml-F+GHO= 26+112,66+10-2-5-4-7,5+2=132,16Db

L 137,435,2R 10−

= = 132,16 137,4

35,210−

=0,7km Bài 11 Tính số người sử dụng đường lên kênh lưu lượng Rb =128kbps cho các thông số sau:

√ Hệ số tải ηUL=0,6 √ Hệ số tích cực tiếng υ=0,6 cho tất cả các người sử dụng √ Eb/N0'= 4 dB (=2,512) cho tất cả các người sử dụng (tất cả đều sử dụng dịch vụ

tiếng) √ Hệ số trực giao ∝=0,4 √ Hệ số nhiễu từ ô khác β=0,6

Giải

326


( )[∑=

β+α−υ=ηK

iii

pi

ibiDL

G

NE

1

0 1)/( ]; nếu coi thông số đường lên cho tất cả các

người sử dụng như nhau ta có: ,

b 0UL

p

E / N xKx (1 )G

η = υ −α +β → K= 3

(3,84 /128).102,512x0,6(1 0, 4 0,6)− +

= 17

Bài 12 Cho 24 tần số đánh số từ 1 đến 24, hãy phân bố tần số cho mẫu tái sử dụng tần số 3/9 ở hệ thống GSM Giải Mẫu sử dụng tần số 3/9 được cho trên hình 1.

C1

C2 C3

A1

A2 A3

B1

B2B3

C1

C2C3

A1

A2A3C1

C2C3B1

B2B3

C1

C2 C3

B1

B2B3

A1

A2A3

B1

B2B3A1

A2 A3

H×nh 1. MÉu « 3/9

Phân bố tần số cho cấc ô trong trường hợp này được cho ở bảng 1. Bảng 1. Phân bố 24 tần số cho sơ đồ 3/9 Các nhóm tần số A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 Các kênh

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Bài 13 Tại giờ cao điểm mỗi người sử dụng trung bình gọi 90 giây, hỏi mỗi người sử dụng chiếm bao nhiêu Erlang trong giờ các điểm và nếu một GSM BTS cung cấp 22 kênh lưu lượng thì nó có thể phục vụ được bao nhiêu thuê bao. Cho GOS=2% và bảng tra cứu lưu lượng chomô hình B.

327


Cập bậc phục vụ (GOS) Số trung kế

0,005 0,01 0,015 0,02 0,03 0,05 0,07 0,1

20 11,092 12,041 12,680 13,188 14,002 15,252 16,273 17,614 21 11,860 12,848 13,514 14,042 14,890 16,191 17,255 18,652 22 12,635 13,660 14,352 14,902 15,782 17,134 18,240 19,693 23 13,429 14,479 15,196 15,766 16,679 18,082 19,229 20,737

Giải Trong giờ cao điểm mỗi người sử dụng chiếm: 90/3600= 0,025 Erlang. Ta bảng B cho lưu lượng của 22 kênh TCH ta thay một BTS có thể cung cấp: 19,9 Erlang. Vậy một BTS có thể phục vụ: 14,9:0,025≈ 600 thuê bao. Bài 14 Một vùng dân cư có diện tích 10 km2 cần dung lượng 70 Erlang, hỏi nếu mỗi GSM BTS có thể phủ sóng 2km2, thì cần bao nhiêu kênh cho một GSM BTS khi cho GOS=2% và bảng tra cứu Erlang mô hình B. Cần làm gì khi nhu cầu lưu lượng tại vùng dân cư này tăng gấp đôi.


0,005 0,01 0,015 0,02 0,03 0,05 0,07 0,1

20 11,092 12,041 12,680 13,188 14,002 15,252 16,273 17,614 21 11,860 12,848 13,514 14,042 14,890 16,191 17,255 18,652 22 12,635 13,660 14,352 14,902 15,782 17,134 18,240 19,693 23 13,429 14,479 15,196 15,766 16,679 18,082 19,229 20,737

Giải Số BTS để phủ sóng cho vùng dân cư này là: 10:2=5. Vậy mỗi BTS trong trường hợp này phải cung cấp lưu lượng là: 70:5=14 Erlang. Tra bảng B ta được số kênh TCH cần thiết của mỗi BTS là 21 TCH. Khi lưu lượng trong vùng dân cư này tăng gấp đôi ta phải: hoặc giảm diện tích phủ sóng BTS còn 1km2 (tăng gấp đôi số BTS) hoặc tăng gấp đôi số kênh TCH trên mỗi BTS. Bài 15 Một GSM BTS có ba kênh tần số, trong đó hai khe thời gian được dành cho điều khiển và báo hiệu, hỏi BTS này có dung lượng là bao nhiêu. Nếu mức độ sử dụng của mỗi người sử dụng là 30mErlang, hỏi BTS có thể phục vụ bao nhiêu người. Cho GOS=2% và bảng tra cứu Erlang mô hình B.

328


329


0,005 0,01 0,015 0,02 0,03 0,05 0,07 0,1

20 11,092 12,041 12,680 13,188 14,002 15,252 16,273 17,614 21 11,860 12,848 13,514 14,042 14,890 16,191 17,255 18,652 22 12,635 13,660 14,352 14,902 15,782 17,134 18,240 19,693 23 13,429 14,479 15,196 15,766 16,679 18,082 19,229 20,737

Giải Tổng số kênh TCH do một GSM BTS với ba kênh tần số cung cấp là: 8×3-2= 22. Tra bảng lưu lượng mô hình B cho GOS=2% ta được dung lượng do GSM BTS này cung cấp bằng: 14,9 Erlang, vậy BTS có thể phục vụ: 14,9:0,03≈600 thuê bao.

Phụ lục

PHỤ LỤC

PL1. BẢNG HÀM Q

Q(u) u 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.0 0.5000 0.4960 0.4920 0.4880 0.4840 0.4801 0.4761 0.4721 0.4681 0.4641 0.1 0.4602 0.4562 0.4522 0.4483 0.4443 0.4404 0.4364 0.4325 0.4286 0.4247 0.2 0.4207 0.4168 0.4129 0.4090 0.4052 0.4013 0.3974 0.3936 0.3897 0.3859 0.3 0.3821 0.3783 0.3745 0.3707 0.3669 0.3632 0.3594 0.3557 0.3520 0.3483 0.4 0.3446 0.3409 0.3372 0.3336 0.3300 0.3264 0.3228 0.3192 0.3156 0.3121 0.5 0.3085 0.3050 0.3015 0.2981 0.2946 0.2912 0.2877 0.2843 0.2810 0.2776 0.6 0.2743 0.2709 0.2676 0.2643 0.2611 0.2578 0.2546 0.2514 0.2483 0.2451 0.7 0.2420 0.2389 0.2358 0.2327 0.2296 0.2266 0.2236 0.2206 0.2168 0.2148 0.8 0.2119 0.2090 0.2061 0.2033 0.2005 0.1977 0.1949 0.1922 0.1894 0.1867 0.9 0.1841 0.1814 0.1788 0.1762 0.1736 0.1711 0.1685 0.1660 0.1635 0.1611 1.0 0.1587 0.1562 0.1539 0.1515 0.1492 0.1469 0.1446 0.1423 0.1401 0.1379 1.1 0.1357 0.1335 0.1314 0.1292 0.1271 0.1251 0.1230 0.1210 0.1190 0.1170 1.2 0.1151 0.1131 0.1112 0.1093 0.1075 0.1056 0.1038 0.1020 0.1003 0.0985 1.3 0.0968 0.0951 0.0934 0.0918 0.0901 0.0885 0.0869 0.0853 0.0838 0.0823 1.4 0.0808 0.0793 0.0778 0.0764 0.0749 0.0735 0.0721 0.0708 0.0694 0.0681 1.5 0.0668 0.0655 0.0643 0.0630 0.0618 0.0606 0.0594 0.0582 0.0571 0.0559 1.6 0.0548 0.0537 0.0526 0.0516 0.0505 0.0495 0.0485 0.0475 0.0465 0.0455 1.7 0.0446 0.0436 0.0427 0.0418 0.0409 0.0401 0.0392 0.0384 0.0375 0.0367 1.8 0.0359 0.0351 0.0344 0.0336 0.0329 0.0322 0.0314 0.0307 0.0301 0.0294 1.9 0.0287 0.0281 0.0274 0.0268 0.0262 0.0256 0.0250 0.0244 0.0239 0.0233 2.0 0.0228 0.0222 0.0217 0.0212 0.0207 0.0202 0.0197 0.0192 0.0188 0.0183 2.1 0.0179 0.0174 0.0170 0.0166 0.0162 0.0158 0.0154 0.0150 0.0146 0.0153 2.2 0.0139 0.0136 0.0132 0.0129 0.0125 0.0122 0.0119 0.0116 0.0113 0.0110 2.3 0.0107 0.0104 0.0102 0.0099 0.0096 0.0094 0.0091 0.0089 0.0087 0.0084 2.4 0.0082 0.0080 0.0078 0.0075 0.0073 0.0071 0.0069 0.0068 0.0066 0.0064 2.5 0.0062 0.0060 0.0059 0.0057 0.0055 0.0054 0.0052 0.0051 0.0049 0.0048 2.6 0.0047 0.0045 0.0044 0.0043 0.0041 0.0040 0.0039 0.0038 0.0037 0.0036 2.7 0.0035 0.0034 0.0033 0.0032 0.0031 0.0030 0.0029 0.0028 0.0027 0.0026 2.8 0.0026 0.0025 0.0024 0.0023 0.0023 0.0022 0.0021 0.0021 0.0020 0.0019 2.9 0.0019 0.0018 0.0018 0.0017 0.0016 0.0016 0.0015 0.0015 0.0014 0.0014 3.0 0.0013 0.0013 0.0013 0.0012 0.0012 0.0011 0.0011 0.0011 0.0010 0.0010 3.1 0.0010 0.0009 0.0009 0.0009 0.0008 0.0008 0.0008 0.0008 0.0007 0.0007 3.2 0.0007 0.0007 0.0006 0.0006 0.0006 0.0006 0.0006 0.0005 0.0005 0.0005 3.3 0.0005 0.0005 0.0005 0.0004 0.0004 0.0004 0.0004 0.0004 0.0004 0.0003 3.4 0.0003 0.0003 0.0003 0.0003 0.0003 0.0003 0.0003 0.0003 0.0003 0.0002

330

Phụ lục

PL 2. CÁC SỐ NHẬN DẠNG Toàn bộ mạng TTDĐ được chia thành các vùng kế hoạch đánh số. Có thể gọi đến bất kỳ thuê bao trong mỗi vùng bằng cách quay số thuê bao (SN: Subscriber Number). Tất cả các thuê bao thuộc một mạng di động được đăng ký ở HLR. Phụ thuộc vào quy hoạch, một mạng có thể có nhiều HLR, như vậy trước hết các vùng kế hoạch đánh số được phân chia mạng theo HLR. Lưu ý rằng việc phân chia mạng như vậy chỉ cần thiết để đánh địa chỉ cho các HLR khác nhau chứ không liên quan đến các vùng phục vụ của MSC/VLR. Kế hoạch đánh số cho mạng di động có thể tách biệt bằng cách sử dụng một mã trung kế riêng: Mã nơi nhận quốc gia (NDC: National Destination Code), hay có thể được liên kết trong một mạng điện thoại chuyển mạch công cộng ở mức độ hợp lý. 2.1. Số mạng số tích hợp đa dịch vụ của trạm di động (MSISDN: Mobile Station Integrated Digital Network). MSISDN là một số nhận dạng duy nhất một thuê bao điện thoại di động trong kế hoạch đánh số của mạng điện thoại chuyển mạch công cộng. Mỗi thuê bao được liên kết với một bộ ghi định vị thường trú (HLR). Độ dài của MSISDN phụ thuộc vào cấu trúc và kế hoạch đánh số của từng nhà khai thác theo khuyến nghị ITU-T E.164. Theo khuyến nghị của CCITT (nay là ITU-T), số điện thoại di động hay số dang bạ diện thoại của máy này bao gồm (hình.2.1):

CC NDC SN

Số di động trong nước

Số ISDN quốc tế

MSISDN=CC+NDC+SN

Hình 2.1. MS ISDN MSISDN = CC + NDC + SD trong đó: CC = Country Code (Mã nước) NDC = National Destination Code (Mã nơi nhận quốc gia) SN = Subscriber Number (Số thuê bao) Mã nơi nhận trong nước được ấn định cho từng mạng di động. ở một số nước có thể cần nhiều NDC cho mỗi mạng di động. Số MSISDN quốc tế có chiều dài thay đổi. Chiều dài cực đại của nó là 15 chữ số không kể các tiền tố.

331

Phụ lục

2.2 Nhân dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI: International Mobile Subscriber Identity). Để nhận dạng chính xác ở đường truyền vô tuyến cũng như trên toàn mạng di động, mỗi thuê bao được ấn đinh một số nhận dạng đặc thù. Số nhận dạng này được gọi là Nhân dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI: International Mobile Subscriber Identity) và được sử dụng cho toàn bộ báo hiệu trong mạng di động. IMSI bao gồm ba phần khác nhau (Hình 2.2):

IMSI = MCC+MNC+MSIN MCC = Mobile Country Code (Mã nước di động) MNC = Mobile Network Code (Mã mạng di động) MSIN = Mobile Station Identification Number (Số nhận dạng trạm di động)

MCC được mã hoá theo khuyến nghị ITU-T E.212, phụ lục A. Việc mã hoá thuộc trách nhiệm của các cơ quan quản lý, tuy nhiên sẽ sử dụng mã BDC (Binary Coded Decimal),. IMSI là thông tin nhận dạng duy nhất một thuê bao di động thuộc mạng di động. Theo khuyến nghị, IMSI có độ dài cực đại 15 chữ số, (MCC=3 chữ số, MNC= 1-2 chữ số, MSIN= max 11 chữ số).Toàn bộ thông tin về thuê bao liên quan đến mạng đều liên kết với IMSI.

Hình 2.2. IMSI 2.3. Số lưu động của trạm di động (MSRN: Mobile Station Roaming Number). HLR biết thuê bao di động thuộc vùng phục vụ MSC/VLR nào. Để cung cấp số tạm thời cho việc định tuyến HLR yêu cầu MSC/VLR đang phục vụ thuê bao di động bị gọi ấn định một số lưu động của trạm di động (MSRN: Mobile Subscriber Roaming Number) cho thuê bao này và gửi cho nó. Khi thu được MSRN, HLR gửi nó đến MSC cổng để nó định tuyến cuộc gọi đến MSC/VLR đang phục vụ thuê bao bị gọi. Chức năng định tuyến cuộc hỏi (số MSRN) là bộ phận của phần ứng dụng di động MAP. Toàn bộ số liệu được trao đổi giữa GMSC-HLR-MSC/VLR cho mục đích hỏi được phát đi ở mạng báo hiệu số 7. Theo khuyến nghị, số lưu động của trạm di động (MSRN) bao gồm ba phần: MSRN = CC+NDC+SN CC = Country Code (Mã nước) NDC = National Destination Code (Mã nơi nhân quốc gia)

332

Phụ lục

333

SN = Subscriber Number (Số thuê bao) 2.4. Nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity). TMSI được sử dụng để giữ bí mật cho thuê bao. Vì TMSI chỉ có ý nghĩa nội hạt (nghĩa là trong vùng của MSC/VLR), nên cấu trúc của nó được chọn lựa bởi từng nhà quản lý. TMSI không được dài hơn bốn byte.

Thuật ngữ

334

THUẬT NGỮ A; AAA (Authentication Authorization and Accounting): Nhận thực, trao quyền và thanh toán AAL (ATM Adaptation Layer): Lớp thích ứng ATM AAL2 (ATM Adaptation Layer type 2): Lớp thích ứng ATM kiểu 2 AAL5 (ATM Adaptation Layer type 5): Lớp thích ứng ATM kiểu 5 ACCH (Associated Control Channel): Kênh điều khiển liên kết Access Channel: Kênh truy nhập. Kênh đường lên được MS sử dụng để thông tin với BS. Kênh này được sử dụng để trao đổi các bản tin báo hiệu ngắn như: khởi xướng cuộc goi, trả lời tìm gọi và đăng ký. Kênh truy nhập là kênh truy nhập ngẫu nhiên được chia theo khe. Access Channel Preamble: Tiền tố kênh truy nhập. Active Set: Tập tích cực. Là tập các đoạn nối vô tuyến đồng thời tham dự vào dịch vụ thông tin đặc thù giữa UE và điểm truy nhập UTRAN AI (Acquisition Indicator): Chỉ thị bắt AICH (Acquisition Indication Channel): Kênh chỉ thị bắt AMR (Adaptive Multirate): Đa tốc độ thích ứng ARP (Address Resolution Protocol): Giao thức phân giải địa chỉ AP (Access preamble): Tiền tố truy nhập APN (Access Point Name): Tên điểm truy nhập ARP (Address Resolution Protocol): Giao thức phân giải địa chỉ ARQ (Automatic Repeat Request): Yêu cầu phát lại tự động ASP ( Application Service Provider): Nhà cung cấp ứng dụng ATM (Asynchronous Transfer Mode): Chế độ truyền dị bộ AuC (Authentication Center): Trung tâm nhận thực B; BER (Bit Error Rate): Tỷ số bit lỗi BCH (Broadcast Channel): Kênh quảng bá. Kênh CDMA đường xuống được sử dụng để phát thông tin điều khiển và tìm gọi từ BS đến MS. BCCH (Broadcast Control Channel): Kênh điều khiển quảng bá BG: Border Gateway BLER (Block Error Rate): Tỷ số lỗi khối BSC (Base Station Controller): Bộ điều khiển trạm gốc BSS (Base Station Subsystem): Hệ thống con trạm gốc BSSGP (BSS GPRS Protocol): Giao thức BSS GPRS BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc bps. Bit trên giây. BPSK (Binary Phase Shift Keying): Khoá chuyển pha hai trạng thái C;

Thuật ngữ

335

CB (Cell Broadcast): Phát quảng bá ô CC (Call Control): Điều khiển cuộc gọi CCCH (Common Control Channel): Kênh điều khiển chung CCPCH (Common Control Physical Channel): Kênh vật lý điều khiển chung CCTrCH (Coded Composite Transport Channel): Kênh truyền tải đa hợp. Là một luồng số liệu nhận được sau mã hoá và ghép chung một hay nhiều kênh truyền tải CDMA (Code-Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo mã CD/CA-ICH (Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channel): Kênh chỉ thị phát hiện va chạm hoặc chỉ thị ấn định kênh CGF (Charging Gateway Function): Chức năng cổng tích cước CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol): Giao thức nhận thực Hô lệnh bắt tay CHTML (Compact Hypertext Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản gọn Chip Rate: Tốc độ chip. Tương đương tốc độ trải phổ của kênh. 3,84 Mcps(WCDMA). CK (Cipher Key): Khoá mật mã CN (Core Network): Mạng lõi Convolutional Code: Mã xoắn. Một kiểu mã hiệu chỉnh lỗi. Mã xoắn được coi tích chập của chuỗi số liệu vào với đáp ứxg xung kim của hàm tạo mã. Control channel: Kênh điều khiển. Là một kênh logic mang thông tin điều khiển hệ thống CPCH (Common Packet Channel): Kênh gói chung CPICH (Common Pilot Channel): Kênh hoa tiêu chung CRC (Cyclical Redundancy Check): Một loại mã phát hiện lỗi tuyến tính tạo ra bit chẵn lẻ bằng cách tìm phần dư của chia đa thức. CRNC (Controlling RNC): RNC điều khiển. Là vai trò mà một RNC có thể đảm nhiệm liên quan đến một tập các điểm truy nhập UTRAN đặc thù. Chỉ có một RNC điều khiển cho mọi điểm truy nhập UTRAN CS (Circuit Switched): Chuyển mạch kênh CSCF (Call State Control Function): Chức năng điều khiển trạng thái cuộc gọi CSICH (CPCH Status Indication Channel): Kênh chỉ thị trạng thái CPCH D; DCCH (Dedicated Control Channel): Kênh điều khiển riêng DCH (Dedicated Channel): kênh riêng Deinterleaving: Giải đan xen. Quá trình sắp xếp lại các ký hiệu bị hoán vị bởi bộ đan xen. Giải đan xen được thực hiện cho các ký hiệu thu trước giải mã. DFCP (DiffServ Code Point): Điểm mã dịch vụ được phân loại DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Giao thức lập cấu hình máy động DiffServ (Differentiated Services): Các dịch vụ được phân loại DNS (Domain Name System): Hệ thống tên miền DRNS (Drift RNS): RNS trôi. Là vai trò mà RNS có thể đảm nhiệm liên quan đến một kết nối đặc thù giữa UE và UTRAN. Một RNS được gọi là RNS trôi nếu nó hỗ trợ một RNS

Thuật ngữ

336

đang phục vụ các tài nguyên vô tuyến khi kết nối giữa UTRAN và UE cần sử dụng ô (hoặc các ô) do RNS này điều khiển DRX (Discontinuous Reception): Phát không liên tục DPCH (Dedicated Physical Channel): Kênh vật lý riêng DPDCH (Dedicated Physical Data Channel): Kênh vật lý số liệu riêng DPCCH (Dedicated Physical Control Channel): Kênh vật lý điều khiển riêng DS-CDMA (Direct-Sequence Code Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp DSCH (Downlink Shared Channel): Kênh chia sẻ đường xuống DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum): Trải phổ chuỗi trực tiếp DTCH (Dedicated Traffic Channel): Kênh lưu lượng riêng E; EDGE (Enhanced Data rates for GPRS Evolution): Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS EGPRS (Enhanced GPRS): GPRS tăng cường EIR (Equipment Identity Register): Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIRP (Effective (Equivalent) Isotropically Radiated Power): Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu dụng (tương đương). Tích công suất cấp cho anten và hệ số khuyếch đại anten ở một phương so với anten đẳng hướng. ETSI (European Telecommunications Standards Institute): Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu ETSI-BRAN (ETSI Broadband Access Network): Mạng truy nhập băng rộng ETSI F; FA (Foreign Agent): Tác nhân khách FACH (Forward Access Channel): Kênh truy nhập đường xuống FDD (Frequency-Division Duplex): Ghép song công phân chia theo tần số FDM (Frequency-Division Multiplexing): Ghép kênh phân chia theo thời gian FDMA (Frequency-Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC (Forward Error Correction): Sửa lỗi thuận FTP (File Transfer Protocol): Giao thức truyền File G; Ga: Giao diện giữa SGSN và CGF hay GGSN và CGF Gb: Giao diện giữa BSS và SGSN (2,5G GPRS) Gc: Giao diện giữa GGSN và HLR GERAN: Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE Gf: Giao diện giữa SGSN và EIR GGSN (Gateway GPRS Support Node): Nút hỗ trợ GPRS cổng

Thuật ngữ

337

Gi: Điểm tham khảo giữa GGSN và các mạng ngoài GMM (GPRS Mobility Management): Quản lý di động GPRS Gn: Giao diện giữa GGSN và SGSN hay giữa các SGSN trong một mạng PLMN Gp: Giao diện giữa GGSN và SGSN trong các PLMN khác nhau GPRS (General Packet Radio Service): Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS (Global Positioning System): Hệ thống định vị toàn cầu. Hệ thống vệ tinh của chính phủ Mỹ cung cấp thông tin về thời gian và vị trí cho người sử dụng. Gr: Giao diện giữa SGSN và HLR GRE (Generic Routing Encapsulation): Đóng bao định tuyến chung Gs: Giao diện giữa SGSN và MSC/VLR GSM (Global System for Mobile communications): Hệ thông thông tin di động toàn cầu GSN (GPRS Support Node): Nút hỗ trợ GPRS GTP (GPRS Tunneling Protocol): Giao thức truyền tunnel GPRS GTP-C (GPRS Tunneling Protocol-Control plane): Giao thức truyền tunnel-Mặt điều khiển GTP-U (GPRS Tunneling Protocol-User plane): Giao thức truyền tunnel-Mặt phẳng người sử dụng H; HA (Home Agent): Tác nhân nhà Handover (Handoff): Chuyển giao. Chuyển kết nối cuả người sử dụng từ một kênh vô tuyến này sang một vô tuyến kênh khác (có thể cùng ô hoặc khác ô) Hard Handoff: Chuyển giao cứng. Chuyển giao được đặc trưng bởi việc ngắt tạm thời kênh lưu lượng. Chuyển giao cứng xẩy ra khi MS chuyển giữa hai tập tích cực không lên kết, thay đổi ấn định tần số CDMA. Thay đổi dịch thời khung hay MS được lệnh chuyển từ kênh lưu lượng CDMA sang kênh tiếng tương tự. Xem thêm Soft Handoff. HLR (Home Location Register): Bộ ghi định vị thường trú HPLMN (Home PLMN): PLMN nhà HSS (Home Subscriber Server): Server thuê bao nhà HTML (Hypertext Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTTP (Hypertext Transfer Protocol): Giao thức truyền file siêu văn bản I; IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Học viện các kỹ sư điện và điện tử IETF (Internet Engineering Task Force): Lực lượng thực hiện nhiệm vụ kỹ thuật Internet IMEI (International Mobile Equipment Identifier): Nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMS (IP Multimedia Subsystem): Hệ thống con đa phương tiện IP IMSI (International Mobile Subscriber Identifier): Nhận dạng thuê bao toàn di động toàn cầu InterServ (Integrated Services): Các dịch vụ liên kết IP (Internet Protocol): Giao thức Internet IPSec (IP Security): An ninh IP IPv4 (Internet Protocol Version 4.0): Phiên bản 4 của giao thức Internet

Thuật ngữ

338

IPv6 (Internet Protocol Version 6.0): Phiên bản 6 của giao thức Internet ISDN (Integrated Services Digital Network): Mạng số liên kết đa dịch vụ ISP (Internet Service Provider): Nhà cung cấp dịch vụ Internet ITU (International Telecommunications Union): Liên minh viễn thông quốc tế ITU-T (ITU-Telecommunication standardization sector): ITU- bộ phận tiêu chuẩn viễn thông Iu-cs: Giao diện giữa RNC và mạng lõi chuyển mạch kênh của UMTS Iu-ps: Giao diện giữa RNC và mạng lõi chuyển mạch gói của UMTS Iur: Giao diện giữa các RNC IWF (InterWorking Function): Chức năng tương tác IW-MSC (InterWorking MSC): Tương tác MSC L; L2F (Layer Two Forwarding): Định tuyến lớp 2 L2TP (Layer Two Tunneling Protocol): Giao thức truyền tunnel lớp 2 LA (Location Area): Vùng định vị LAC (L2TP Access Concentrator): Bộ tập trung truy nhập L2TP LAC (Link Access Control): Điều khiển truy nhập liên kết LAI (Location Area Identifier): Nhận dạng vùng định vị LAN (Local Area Network): Mạng vùng nội hạt LLC (Logical Link Control): Điều khiển kênh logic LNS (L2TP Network Server): Server mạng L2TP Logical channel: Kênh lôgic. Kênh logic là một luồng thông tin dành riêng để truyền một kiểu thông tin đặc thù ở giao diện vô tuyến. Kênh logic được cung cấp ở phía trên của lớp MAC M; MAC (Media Access Control): Điều khiển truy nhập môi trường Macro cells: Các ô macro. Ô macro là ô ngòai trời có bán kính lớn Macro diversity handover: Chuyển giao phân tập vĩ mô. Chuyển giao phân tập vĩ mô là một trạng thái khai thác mà ở đó UE đồng thơì có nhiều đường nối vô tuyến với hai hay nhiều điểm truy nhập UTRAN để cải thiện chất lượng kết nối vô tuyến và đảm bảo tính liên tục truyền dẫn MAP (Mobile Application Part): Phần ứng dụng di động MCC (Mobile Country Code): Mã nước di động ME (Mobile Equipment): Thiết bị di động MEHO (Mobile evaluated handover): Chuyển giao do MS đánh giá. Chuyển giao do MS đánh giá là một kiểu chuyển giao được khởi động bởi đánh giá thực hiện ở MS. MS đánh giá sự cần thiết chuyển giao trên cơ sở môi trường được đo và dựa trên các tiêu chuẩn do mạng định nghĩa. Khi đánh giá đáp ứng các tiêu chuẩn chuyển giao thông tin cần thiết được phát đến mạng. Lúc này mạng sẽ quyết định về sự cần thiết chuyển giao trên cơ sở các kết quả báo

Thuật ngữ

339

cáo và các điều kiện khác (môi trường vô tuyến đường lên và /hoặc mức độ khả dụng của các tài nguyên mạng), sau đó mạng có thể thực hiện chuyển giao. Micro cells: Các ô micro. Là các ô có bán kính nhỏ MM (Mobility Management): Quản lý di động. Quan hệ giữa MS và UTRAN được sử dụng để thiết lập, duy trì và giải phóng các tài nguyên vật lý khác nhau MN (Mobile Node): Nút di động MMS (Multimedia Messaging Service): Dịch vụ truyền bản tin đa phương tiện MNC (Mobile Network Code): Mã mạng di động MO (Mobile Originated): Khởi xướng từ MS MOHO (Mobile Originated Handover): Chuyển giao khởi xướng từ MS MSC (Mobile Switching Center): Trung tâm chuyển mạch di động. Cấu hình thiết bị cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến tổ ong. Còn được gọi là cơ vụ điện thoại di động (MTSO) MSISDN (Mobile Station ISDN): Số máy di động trong danh bạ MT (Mobile Terminal): Đầu cuối di động MTP (Message Transfer Part): Phần truyền bản tin MTP3-B (Message Transfer Part Level 3- Broadband): Mức 3 của phần truyền bản tin- băng rộng MVPN (Mobile Virtual Private Network): Mạng riêng ảo di động N; NAI (Network Access Identifier): Nhận dạng truy nhập mạng NAS (Network Access Server): Server truy nhập mạng NAT (Network Access Translation): Phiên dịch truy nhập mạng NCP (Network Control Protocol): Giao thức điều khiển mạng Node B: Nút B. Là một nút logic chịu trách nhiệm để phát/thu ở một hay nhiều ô đến/từ UE. Kết cuối giao diện IuB với RNC NS (Network Service): Dịch vụ mạng NSAPI (Network Services Access Point Identifier): Nhận dạng điểm truy nhập dịch vụ mạng O; O&M (Operation and Management): Khai thác và bảo dưỡng OA&M (Operations Administration and Maintenance): Khai thác, quản trị và bảo dưỡng OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing): Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OSA (Open System Architecture): Kiến trức hệ thống mở OSI (Open Systems Interconnection): Kết nối các hệ thống mở P; Paging Channel Slot: Khe kênh tìm gọi. Khoảng thời gian 80 ms trên kênh tìm gọi. Các MS làm việc ở chế độ chia khe được ấn định các khe riêng, trong các khe này chúng theo dõi các bản tin từ BS.

Thuật ngữ

340

PCCH (Paging Control Channel): Kênh điều khiển tìm gọi PCPCH (Physical Common Packet Channel): Kênh vật lý gói chung PCCPCH (Primary Common Control Physical Channel): Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCF (Packet Control Function): Chức năng điều khiển gói PCH (Paging Channel): Kênh tìm gọi. Kênh logic ở kênh CDMA đường xuống được sử dụng để phát thông tin điều khiển và tìm gọi từ BS đến MS PDCP (Packed Data Convergence Protocol): Giao thức hội tụ số liệu gói PDP (Packet Data Protocol): Giao thức số liệu gói PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): Kênh vật lý chia sẻ đường xuống PG (Processing Gain): Độ lợi xử lý PHY (Physical Layer): Lớp vật lý. Bộ phận của giao thức thông tin giữa MS và BS chịu trách nhiệm phát và thu số liệu. Lớp vật lý ở trạm phát được trình bầy ở khung và biến đổi nó vào sóngvô tuyến. Lớp vật lý ở trạm thu biến đổi dạng sóng thành khung. PhyCH (Physical Channel): Kênh vật lý. Ở chế độ FDD một kênh vật lý được định nghiã bằng mã, tần số và ở đừơng lên quan hệ pha tương đối (I/Q). Ở chế độ TDD kênh vật lý được định nghiã bởi mã, tần số và khe thời gian PI (Page Indicator): Chỉ thị tìm gọi PICH (Page Indication Channel): Kênh chỉ thị tìm gọi PICH (Paging Indication Channel): Kênh chỉ thị tìm gọi Pico cells: Các ô pico. Các ô pico là các ô chủ yếu ở trong nhà với bán kính thông thường nhỏ hơn 50 m Pilot Channel: Kênh hoa tiêu. Tín hiệu trải phổ trực tiếp không điều chế được phát liên tục bởi CDMA BS hay MS. Kênh hoa tiêu cung cấp tham chuẩn pha cho điều chế nhất quán và phương tiện để so sánh cường độ tín hiệu giữa các BS để xác định thời điểm chuyển giao. PLMN (Public Land Mobile Network): Mạng di động công cộng mặt đất PRACH (Physical Random Access Channel): Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên PRACH (Physical Random Access Channel): Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên PS (Packet Switched): Chuyển mạch gói PPP (Point-to-Point Protocol): Giao thức điểm đến điểm Q; QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): Khoá chuyển pha vuông góc. QoS (Quality of Service): Chất lượng dịch vụ R; RACH (Random Access Channel): Kênh truy nhập nhẫu nhiên Radio Access System: Hệ thống truy nhập vô tuyến. UTRA, GSM v.v.... Radio Bearer: Kênh mang vô tuyến. Dịch vụ do lớp RLC cung cấp để truyền số liệu của người sử dụng giữa UE và RNC phục vụ

Thuật ngữ

341

Radio interface: Giao diện vô tuyến. Là giao giữa UE và điểm truy nhập UTRAN. Thuật ngữ này bao hàm tất cả các chức năng cần thiết để duy trì các giao diện này Radio link: Liên nối vô tuyến. Liên nối vô tuyến là một liên kết logic giữa một UE và một điểm truy nhập UTRAN. Thực hiện vật lý của nó bao gồm một hay nhiều truyền dẫn của vật mang vô tuyến RANAP (Radio Access Network Application Part): Phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến. Báo hiệu mạng truy nhập vô tuyến ở Iu Registration Area: Vùng đăng ký, là vùng mà ở đó UE có thể di chuyển mà không cần thực hiện đăng ký Required Eb/(No+Io) (dB): Eb/(No+Io) yêu cầu. Tỷ số giưã năng lượng thu trên bit thông tin và tổng mật độ công suất nhiễu và tạp âm hiệu dụng cần thiết để thoả mãn các chỉ tiêu chất lượng RLC (Radio Link Control): Điều khiển liên kết vô tuyến RNC (Radio Network Controller): Bộ điều khiển mạng vô tuyến. Là thiết bị ở RNS chịu trách nhiệm điều khiển sự sử dụng và tính toàn vẹn của các tài nguyên vô tuyến RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part): Phần ứng dụng hệ thống con mạng vô tuyến. Báo hiệu mạng vô tuyến ở Iur RNS (Radio Network Subsystem): Hệ thống con mạng vô tuyến. Hoặc là mạng đầy đủ hoặc chỉ là phần truy nhập của UTRAN thực hiện ấn định và giải phóng các tài nguyên vô tuyến đặc thù để thiết lập phương tiện kết nối giưã UE và UTRAN. Hệ thống con mạng vô tuyến chiụ trách nhiệm về các tài nguyên vô tuyến và phát /thu trong một tập ô RRC (Radio Resource Control): Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC Connection: Kết nối RRC. Là một kết nối điểm đến điểm hai chiều giữa các thực thể RRC đồng cấp ở UE và UTRAN. UE hoặc không có hoặc có một kết nối RRC RRM (Radio Resource Management): Quản lý tài nguyên vô tuyến RTP (Real Time Protocol): Giao thức thời gian thực RTCP (Real Time Control Protocol): Giao thức quản lý thời gian thực RSVP (Resource Resrvation Protocol): Giao thức dành trước tài nguyên S; SAP (Service Access Point) : Điểm truy nhập dịch vụ SCCP (Signalling Connection Control Part): Phần điều khiển kết nối báo hiệu SCCPCH (Secondary Common Control Physical Channel): Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp SCH (Sync Channel): Kênh đồng bộ. Kênh mã ở kênh CDMA đường xuống truyền tải các bản tin đồng bộ đến MS. SCTP (Stream Control Transmission Protocol): Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng SCCPCH (Secondary Common Control Physical Channel): Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp SDP (Session Description Protocol): Giao thức mô tả phiên Session Management: Quản lý phiên Seamless handover: Chuyển giao xuôn xẻ. Là chuyển giao không gây cảm giác bị gián đoạn của một kết nối vô tuyến

Thuật ngữ

342

Sector: Đoạn ô. Đoạn ô là một tiểu vùng của ô. Tất cả các đoạn ô trong một ô được phục vụ bởi cùng một trạm gốc. Đường truyền vô tuyến trong đoạn ô được nhận dạng bằng một nhận dang vô tuyến duy nhất thuộc đoạn ô SF (Spreading Factor): Hệ số trải phổ Shared Channel: Kênh chia sẻ Signaling connection: Kết nối báo hiệu. Một đoạn nối chế độ công nhận giữa UE và mạng lõi để truyền thông tin lớp cao giữa các thực thể ở tầng không truy nhập SIR (Signal-to-Interference Ratio): Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIP (Session Initiation Protocol): Giao thức khởi đầu phiên SMS (Short Message Service): Dịch vụ bản tin ngắn SMS-CB (SMS Cell Broadcast): Dịch vụ quảng bá ô bản tin ngắn SNDCP (Subnetwork Dependent Convergence Protocol): Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng con Soft Handover: Chuyển giao mềm. Chuyển giao mềm là loại các thủ tục chuyển giao mà ở đó các đoạn nối vô tuyến được bổ sung hoặc loại bỏ sao cho UE luôn luôn duy trì ít nhất một đoạn nối vô tuyến với UTRAN Slotted Mode: Chế độ chia khe. Chế độ của MS mà ở đó các MS chỉ giám sát các khe được chọn trên kênh tìm gọi. SRNS (Serving RNS): RNS phục vụ. Là vai trò mà một RNS có thể đảm nhiệm liên quan đến một kết nối đặc thù giữa UE và UTRAN. Mỗi UE kết nối với UTRAN sẽ có một SRNS. SRNS có nhiệm vụ kết nối RRC giữa UE và UTRAN. SRNS kết cuối Iu cho kết nối này SSC (Secondary Synchronization Code): Mã đồng bộ thứ cấp STTD (Space Time Transmit Diversity): Phân tập phát thời gian không gian T; TCP (Transmission Control Protocol): Giao thức điều khiển truyền dẫn TCH (Traffic channel): Kênh lưu lượng. Kênh lưu lượng là một kênh logic mang thông tin của người sử dụng TDD (Time Division Duplex): Ghép song công phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo thời gian TF (Transport Format): Khuôn dang truyên tải. Được định nghiã là khuôn dạng mã lớp 1 cung cấp cho MAC để truyền một tập khối truyền tải trong khoảng thời gian truyền tải trên kênh truyền tải. Khuôn dạng truyền tải bao gồm hai phần: một phần động và một phần bán cố định TFC (Transport Format Combination): Tổ hợp khuôn dạng truyền tải. Được định nghiã là tổ hợp của các khuôn dạng truyền tải hợp lệ hiện thời ở tất cả các kênh truyền tải của một MS, nghĩa là mỗi kênh truyền tải có một khuôn dang truyền tải TFCI (Transport Format Combination Indicator): Chỉ thị tổ hợp khuôn dạng truyển tải. Để trình bầy tổ hợp khuôn dạng truyền tải hiện thời TFI (Transport Format Identification): Nhận dang khuôn dang truyền tải. Là một nhãn cho một khuôn dạng truyền tải đặc thù trong một tập khuôn dạng truyền tải TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity): Nhận dạng thuê bao di động tạm thời

Thuật ngữ

343

TrB (Transport Block): Khối truyền tải. Được định nghĩa là khối cơ sở được MAC đưa xuống lớp 1 (L1) để lớp này xử lý. Thuật ngữ tương đương là “MAC PDU” TrCH (Transport channel): Kênh truyền tải. Là kênh mà lớp vật lý cung cấp cho lớp 2 để truyền tải số liệu giữa các thực thể đồng cấp lớp 1. Các dạng kênh truyền tải khác nhau được xác định bằng phương cách và các đặc tính kênh mà số liệu được truyền ở lớp vật lý, chẳng hạn sử dụng kênh vật lý riêng hay kênh vật lý chung TPC (Transmit Power Control): Điều khiển công suất phát TSTD (Time Switched Transmit Diversity): Phân tập phát chuyển mạch thời gian TTI (Transmission Time Interval): Khoảng thời gian truyền dẫn. Khoảng thời gian truyền tải được định nghiã là thời gian giữa các lần đến của các tập khối truyền tải: thời gian cần thiết để phát một tập khối truyền tải Turbo Code: Mã turbo. Một kiểu mã hiệu chỉnh lỗi. Ký hiệu mã được xây dựng trên cơ sở hai mã xoắn hồi quy (các mã thành phần) của mã turbo. U; UDP (User Datagram Protocol): Giao thức datagram của người sử dụng UE (User Equipment): Thiết bị của người sử dụng. Là thiết bị di động cùng với một hay nhiều modul nhận dạng thuê bao UMTS UL (Uplink): Đường lên. Là một đường vô tuyến một chiều để truyền dẫn tín hiệu từ UE đến trạm gốc, từ MS đến MS hay từ trạm gốc di động đến trạm gốc UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UNI (User-Network Interface): Giao diện người sử dụng-mạng UP (User Plane): Mặt phẳng ngừơi sử dụng URA (UTRAN Registration Area): Vùng đăng ký UTRAN. Vùng đăng ký UTRAN là vùng được phủ bởi một số ô. URA chỉ được biết bên trong UTRAN URL (Universal Resource Locator): Định vị tài nguyên vạn năng USIM (UMTS Subscriber Identity Module): Modul nhận dạng thuê bao UMTS UTRA (Universal Terrestrial Radio Access): Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu. UTRAN là một thuật ngữ khái niệm để xác định bộ phận của mạng chứa các RNC và các nút B giữa Iu và Uu Uu: Giao diện vô tuyến giữa UTRAN và UE V; VA (Voice Activity factor): Hệ số tích cực tiếng VPLMN (Visited PLMN): PLMN khách. Đây là PLMN khác với PLMN nhà

Thuật ngữ

344

W;

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access): Đa truy nhập vô tuyến phân chia theo thời gian băng rộng Walsh Chip: Phần tử ngắn nhất có thể nhận dạng được của hàm Walsh hay hàm tựa trực giao. Có 2N chip trong một hàm Walsh, trong đó N là bậc của hàm Walsh. Walsh Function: Hàm Walsh. Một trong số 2N hàm cơ số hai trực giao thời gian (lưu ý rằng các hàm trực giao sau khi sắp xếp '0' thành '1' và '1' thành '-1'). WAP (Wirless Application Protocol): Giao thức ứng dụng vô tuyến WML (Wireless Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu vô tuyến X; XHTML (Extenđed Hypertext Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản mở rộng XML (Extended Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình Cơ sở truyền dẫn vi ba số, Học Viện

Công nghệ Bưu Chính Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu Điện, 2001. 2. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô

tuyến, Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu Điện, 2004

3. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Truyền dẫn vô tuyến số (cho Đại học từ xa), 2007, Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2007

4. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập (cho Đại học từ xa), Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2006

5. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình Thông tin di động, Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu Điện, 2002

6. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình thông tin di động thế hệ ba, Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông , Nhà xuất bản Bưu Điện, 2004

345

Thong Tin Di Dong

Documents

Transcript of Thong Tin Di Dong