2.3.1 Cấu trúc UTRAN
Cấu trúc UTRAN được trình bày như trên hình 2-5 SCH CPICH AICH PICH CSICH CD/CA-ICH CCCH DCCH DTCH PCCH BCCH CCCH CTCH DCCH DTCH RACH CPCH DCH PCH BCH FACH DSCH DCH Logical Channels Transport Channels Uplink Downlink PCCPCH SCCPCH PRACH DPDCH DPCCH PDSCH PCPCH Mapped Physical Channels Dedicated Physical Channels DPDCH DPCCH
Node B Node B RNC Node B Node B RNC Iub Iur RNS RNS Hình 2-5 Cấu trúc UTRAN
UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem). Một RNS là một mạng con trong UTRAN và gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và một hay nhiều nút B. Các RNC có thể được kết nối với nhau bằng giao diện Iur. Đây là một điểm khác biệt so với mạng GSM khi mà các bộ điều khiển trạm gốc BSC tương ứng của GSM không được kết nối trực tiếp với nhau. Các RNC và các nút B được kết nối với nhau bằng giao diện Iub.
Khi thiết kế cấu trúc UTRAN, các chức năng và các giao thức của nó phải đảm bảo các đặc tính chính của nó, đó là:
- Hỗ trợ truy nhập mạng vô tuyến và tất cả các chức năng liên quan. Đặc biệt các ảnh hưởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù WCDMA.
- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng cùng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng PS và CS của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết
2.3.1.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC
RNC là phần tử chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN. Nó giao tiếp với mạng lõi CN và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC: Radio Resource Control), giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN. RNC điều khiển nút B (kết cuối giao diện Iub về phía nút B) được biểu thị như là RNC điều khiển (CRNC: Controling RNC) của nút B. RNC điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển tải và tắc nghẽn cho các ô của mình.
Khi một kết nối MS-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC (hình 2- 6). Các RNC tham dự vào kết nối này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt:
• RNC phục vụ (Serving RNC):
- RNC đối với một MS là RNC kết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu của người sử dụng và cả báo hiệu RANAP (Radio Access Network Application Part: phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ tới mạng lõi (kết cuối này được gọi là kết nối RANAP).
- SRNC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến: Giao thức báo hiệu giữa UE với UTRAN xử lý số liệu L2 tới từ giao diện vô tuyến. Các thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến như sắp xếp các thông số vật mang truy nhập vô tuyến vào các thông số kênh truyền tải giao diện vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một nút B nào đó được MS sử dụng để kết nối với UTRAN.
• RNC trôi (DRNC: Drif RNC):
- DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các ô được MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở phân tập vĩ mô (chuyển giao).
- DRNC không thực hiện xử lý L2 đối với số liệu tới/từ giao diện vô tuyến mà chỉ định tuyến số liệu trong suốt giữa các giao diện Iub và Iur. Một UE có thể không có hoặc có một hay nhiều DRNC.
Node B Node B SRNC Node B Node B DRNC Node B Node B SRNC Node B Node B DRNC UE UE Iu Iu Iu Iu Iur Iur
Hình 2-6 Chức năng logic của RNC đối với một kết nối UTRAN của UE
Chú ý rằng một RNC vật lý chứa tất cả các chức năng của CRNC, SRNC và DRNC. Trên hình vẽ cho thấy một UE đang ở chuyển giao mềm giữa các RNC và một UE chỉ sử dụng tài nguyên vô tuyến từ một nút B được điều khiển bởi DRNC nay đã trở thành SRNC.
2.3.1.2 Node B (trạm gốc UMTS)
Các chức năng chính của nút B là thực hiện xử lý L1 của giao diện vô tuyến (mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ).
Nút B cũng thực hiện một việc phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng nó cũng giống như trạm gốc ở GSM. Lúc đầu, nút B được sử dụng như là một thuật ngữ tạm thời trong quá trình chuẩn hóa nhưng sau đó nó không bị thay đổi.
2.3.2 Mô hình giao thức đối với các giao diện mặt đất của UTRAN
Cấu trúc giao thức của các giao diện mặt đất của UTRAN được thiết kế theo cùng mô hình giao thức tổng quát. Cấu trúc này được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các mặt cao độc lập logic với nhau và khi cần có thể thay đổi một phần cấu trúc của giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần khác.
Hình 2-7 Mô hình giao thức tổng quát cho các giao diện mặt đất UTRAN
Trong đó, ALCAP (Access Link Control Protocol) là giao thức điều khiển kết nối truy nhập.
2.3.2.1 Các lớp ngang
Cấu trúc giao thức gồm hai lớp chính: lớp mạng vô tuyến và lớp truyền tải. Mọi vấn đề liên quan đến UTRAN chỉ có thể nhìn thấy ở lớp mạng vô tuyến. Lớp mạng vô tuyến trình bày thông tin ứng dụng cần truyền, số liệu của người sử dụng hoặc thông tin điều khiển. Lớp mạng truyền tải trình bày công nghệ truyền tải sử dụng các giao diện. Ở đây, lớp mạng truyền tải được thực hiện trên cơ sở công nghệ truyền tải ATM. Trong trường hợp lớp mạng truyền tải khác được sử dụng, lớp mạng truyền tải phải khác, tuy nhiên lớp mạng vô tuyến không thay đổi.
2.3.2.2 Các mặt đứng
• Mặt điều khiển
Mặt điều khiển được sử dụng cho mọi báo hiệu đặc thù UMTS. Nó bao gồm giao thức ứng dụng (Application Protocol), chẳng hạn RANAP (Radio Access Application Part: phần ứng dụng mạng truy nhập) ở Iu, RNSAP (Radio Network
Application Protocol Data Stream(s) ALCAP(s) Transport Network Layer Physical Layer Signalling Bearer(s) Transport User Network Plane
Control Plane User Plane
Transport User Network Plane Transport Network Control Plane Radio Network Layer Signalling Bearer(s) Data Bearer(s)
Subsystem Application Part: phần ứng dụng phân hệ mạng vô tuyến) ở Iur và NBAP (Node B Appilcation Part: phần ứng dụng nút B) ở Iub và vật mang báo hiệu để truyền tải các bản tin của giao thức ứng dụng.
Mặt báo hiệu chịu trách nhiệm thiết lập các vật mang để truyền tải số liệu của người sử dụng, nhưng bản thân số liệu của người sử dụng không được mang ở mặt điều khiển. Các vật mang số liệu của người sử dụng do giao thức ứng dụng thiết lập là các vật mang chung và độc lập với công nghệ truyền tải đang được sử dụng.
• Mặt người sử dụng
Mặt người sử dụng là mặt truyền mọi thông tin được người sử dụng phát và thu như: tiếng được mã hoá ở cuộc gọi hay gói ở các kết nối Internet. Mặt người sử dụng gồm các luồng số liệu và các vật mang số liệu cho các luồng này. Mỗi luồng số liệu được đặc trưng bởi một hay nhiều giao thức khung được định nghĩa cho giao diện này.
• Mặt điều khiển mạng truyền tải
Mặt điều khiển truyền tải chứa chức năng mặt đặc thù cho công nghệ truyền tải đang được sử dụng và lớp mạng vô tuyến không thể nhìn thấy nó. Nếu người sử dụng sử dụng các vật mang được lập cấu hình trước theo tiêu chuẩn, thì không cần thiết có mặt điều khiển mạng truyền tải. Mặt điều khiển mạng truyền tải được sử dụng cho tất cả các báo hiệu trong lớp truyền tải. Nó không chứa bất kì thông tin nào của lớp mạng vô tuyến. Nó gồm giao thức ALCAP để thiết lập các vật mang truyền tải cho mặt người sử dụng. Nó cũng chứa vật mang báo hiệu cần cho ALCAP. Việc sử dụng ALCAP phụ thuộc vào công nghệ truyền tải mặt người sử dụng.
Mặt điều khiển mạng truyền tải là một mặt hoạt động giữa mặt điều khiển và mặt người sử dụng. Việc đưa ra mặt điều khiển mạng truyền tải làm cho giao thức ứng dụng trong mặt điều khiển mạng vô tuyến hoàn toàn độc lập với công nghệ được chọn lựa cho vật mang số liệu ở mặt người sử dụng.
Tính độc lập của mặt điều khiển và mặt người sử dụng dựa trên giả thiết rằng xảy ra một giao dịch ALCAP. Cần lưu ý rằng có thể không sử dụng ALCAP cho tất cả các kiểu vật mang số liệu. Nếu không có giao dịch ALCAP thì hoàn toàn không cần thiết mặt điều khiển mạng truyền tải. Đây là trường hợp xảy ra khi các vật mang số liệu được lập lại cấu hình. Cũng cần lưu ý rằng giao thức ALCAP ở mặt điều khiển mạng truyền tải không được sử dụng để thiết lập vật mang báo hiệu cho giao thức ứng dụng hay ALCAP khi đang khai thác thời gian thực.
Vật mang báo hiệu cho ALCAP có thể cùng kiểu hoặc không cùng kiểu như vật mang báo hiệu cho giao thức ứng dụng. Các quy định UMTS cho rằng vật mang báo hiệu cho ALCAP luôn được thiết lập bởi khai thác và bảo dưỡng và không quy định chi tiết điều này.
• Mặt người sử dụng mạng truyền tải
Các vật mang số liệu ở mặt người sử dụng và các vật mang báo hiệu cho giao thức ứng dụng đều thuộc mặt người sử dụng truyền tải. Như đã nói ở trên các vật mang số liệu ở mặt người sử dụng được điều khiển trực tiếp bởi mặt điều khiển mạng truyền tải khi khai thác thời gian thực, tuy nhiên các hành động điều khiển để thiết lập các vật mang báo hiệu cho giao thức ứng dụng được coi là các hành động khai thác và bảo dưỡng.
2.4 Các giao diện trong UTRAN
2.4.1 Giao diện RNC-RNC và báo hiệu RNSNAP
RNSAP DCH FP Transport Network Layer Physical Layer Transport User Network Plane
Control Plane User Plane
Transport User Network Plane Transport Network Control Plane Radio Network Layer ATM AAL5 MTP3b SCCP AAL2 M3UA SSCF-NNI STCP SSCOP IP AAL5 MTP3b SCCP M3UA SSCF-NNI STCP SSCOP IP Q.2630.1 CCH FP
Hình 2-8 Ngăn xếp giao thức cho giao diện Iur
Trong đó:
- DCH (Dedicate Channel): Kênh riêng - CCH (Common Channel): Kênh chung - FP (Frame Protocol): Giao thức khung
Cũng như đối với giao diện Iu, hai lựa chọn có thể có đối với truyền tải báo hiệu RSNAP đó là: ngăn xếp SS7 (SCCP và MTP3b) và truyền tải mới dựa trên SCTP/IP. Hai giao thức mặt người sử dụng được định nghĩa DCH và CCH.
Mặc dù lúc đầu giao thức này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trong quá trình phát triển tiêu chuẩn nhiều tính năng được bổ xung và đến nay giao diện Iur đảm bảo bốn chức năng sau:
- Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC - Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng
- Hỗ trợ quản lý tài nguyên toàn cầu
Chính vì lý do này mà các giao thức báo hiệu Iur (RNSAP= Radio Network Subsystem Application Part: Phần ứng dụng phân hệ mạng vô tuyến) được chia thành bốn modul (như là các nhóm thủ tục). Nói chung, có thể thực hiện chỉ một phần hoặc tất cả bốn chức năng Iur giữa hai bộ điều khiển mạng vô tuyến tuỳ theo yêu cầu của nhà khai thác.
2.4.2 Giao diện RNC-nút B và báo hiệu NBAP
Ngăn xếp giao thức của giao diện RNC-nút B (giao diện Iub) được thể hiện như trên hình 2-9 RNSAP DCH FP Transport Network Layer Physical Layer Transport User Network Plane
Control Plane User Plane
Transport User Network Plane Transport Network Control Plane Radio Network Layer ATM AAL5 AAL2 SSCF-NNI SSCOP AAL5 Q2250.2 SSCF-NNI SSCOP Q.2630.1 RA CH FP FAC H FP PCH FP DSC H FP USC H FP
Hình 2-9 Ngăn xếp giao thức của giao diện Iub
Giao thức này giống như Iur, điểm khác nhau cơ bản là ở các mặt mạng vô tuyến và mặt điều khiển mạng truyền tải ngăn xếp SS7 được thay bằng SAAL-UNI (Signalling ATM Adaptation Layer –UNI: Lớp thích ứng ATM báo hiệu –giao diện người sử dụng mạng) đơn giản hơn để làm vật mang báo hiệu.
Để hiểu được cấu trúc của giao diện này mô hình lôgic của nút B được trình bày như ở hình vẽ dưới đây:
Hình 2-10 Kênh logic của nút B cho FDD
Mô hình này bao gồm một cổng điều khiển chung (đoạn nối báo hiệu chung) và một tập các điểm kết cuối lưu lượng , mỗi điểm được điều khiển bởi một cổng riêng (các đoạn nối báo hiệu riêng). Mỗi điểm kết cuối lưu lượng điều khiển một số MS có tài nguyên riêng ở nút B và lưu lượng tương ứng được truyền qua các cổng số liệu riêng. Các cổng số liệu chung bên ngoài các điểm kết cuối được sử dụng để truyền lưu lượng RACH, FACH và PCH.
Lưu ý rằng không tồn tại tương quan giữa điểm kết cuối lưu lượng và các ô nghĩa là một điểm kết cuối lưu lượng có thể điều khiển nhiều ô và một ô có thể bị điều khiển bởi nhiều điểm kết cuối lưu lượng.
Báo hiệu giao diện Iub (NBAP=Node B Appliaction Part: Phần ứng dụng nút B) được chia thành hai phần tử chính: NBAP chung (C-NBAP) sử dụng cho các đoạn nối báo hiệu chung và NBAP riêng (D-NBAP) sử dụng cho các đoạn nối báo hiệu riêng.
Các giao thức khung Iub mặt phẳng người sử dụng định nghĩa các cấu trúc khung và các thủ tục điều khiển cơ sở trong băng cho từng kiểu kênh truyền tải (cho từng kiểu cổng số liệu của mô hình). Báo hiệu Q.2630.1 được sử dụng để quản lý động các kết nối AAL2 sử dụng trong mặt người sử dụng.
2.4.3 Giao diện vô tuyến (Uu) L3 L3 control control control Logical Channels Transport Channels C-plane signalling U-plane information
PHY L2/MAC L1 RLC DC Nt GC L2/RLC MAC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC Duplication avoidance BMC L2/BMC RRC control PDCP PDCP L2/PDCP DC Nt GC L3/RRC
Hình 2-11 Cấu trúc phân lớp của giao diện vô tuyến
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 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 được sử dụng vật lý để truyền thông tin qua 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.
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 đoạn nối), PDCP (Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC (Broadcast / Mutilcast Control: Điều khiển quảng bá / đa phương).
Lớp 3 và RLC được chia thành hai mặt phẳng là 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 là TBD nằm ở tầng truy nhập nhưng kết cuối ở mạng lõi CN và lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC- Radio Resource Control). Báo hiệu ở các lớp cao hơn (MM-Mobility Management và CM-Connection Management) được coi là ở tầng không truy nhập.
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. Lớp MAC sắp xếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý, khi đó các kênh này tiếp tục được sắp xếp lên các kênh vật lý.
Ngay trên lớp MAC là lớp điều khiển đoạn nối vô tuyến RLC. Mỗi khi một lớp cao yêu cầu một vật mang vô tuyến, RLC được thiết lập. RLC đảm bảo các chức năng sau:
- Phân đoạn và lắp ráp lại các PDU (đơn vị số liệu nguyên thuỷ) vào, ra PU (đơn vị tải tin).
- Móc nối các PDU
- Đệm cho PDU để lấp kín PU
- Truyền tải số liệu của người sử dụng ở chế độ có hoặc không công nhận