a. Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA
2.3 CHỨC NĂNG CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔ HÌNH
2.3.1 Các phần tử lớp truy nhập vô tuyến
Nhiệm vụ chính của mạng truy nhập vô tuyến (Radio Access Network) là tạo và duy trì các kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) để thực hiện thông tin giữa thiết bị di động (UE) với mạng lõi (CN). Thiết bị ngƣời dùng ở đây có thể là các MS, các thiết bị xách tay,… Do đó, mạng truy nhập vô tuyến phải có khả năng giao tiếp với các thiết bị đầu cuối, kể cả khi thiết bị đầu cuối là thiết bị di động không dây thuộc mạng khác.
2.3.1.1 Thiết bị đầu cuối:
Thiết bị đầu cuối di động trong mạng 4G phải có sự phát triển trong việc chạy nhiều dạng ứng dụng khác nhau. Điều này cũng đảm bảo cơ hội tăng lợi nhuận cho các nhà
41
cung cấp dịch vụ bằng việc cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng. Do vậy, các thiết bị này phải hoạt động có tính thích nghi và linh động cao. Hiện nay, các thiết bị đầu cuối di động đang trong quá trình chuyển dịch sang dạng tích hợp hội tụ. Các nhà sản xuất cũng cung cấp các hệ điều hành (OS) và phần mềm dịch vụ có tính mở, có kiến trúc dạng lớp và có khả năng chạy trên những phần mềm của các nhà cung cấp thứ 3. Tính phức tạp của thế hệ thiết bị đầu cuối di động này sẽ phải chƣa đựng đầy đủ các điều kiện về phần cứng và phần mềm nhƣ sau:
Các dạng ứng dụng khác nhau về di động ( nhƣ email, MMS …) -Thực hiện đƣợc nhiều phần mềm ghép ứng dụng ( nhƣ dự đoán kiểu gõ, soạn thảo văn bản, kiểm tra phát âm …)
Thực hiện trên nhiều dạng hệ điều hành (nhƣ Symbian, SmartPhone, Linux..)
Hoạt động trên nhiều môi trƣờng ứng dụng ( nhƣ J2ME, .NET) -Hoạt động trên nhiều phƣơng thức mã hoá vô tuyến ( nhƣ cdma2000, GPRS, GSM, W-CDMA, WiFi ….)
Hoạt động trên nhiều phƣơng thức mã hoá ( tiếng nói, hình ảnh…).
Hoạt động trên nhiều phạm vi giao thức mạng ( Ipv4, IPv6 …)
Bộ vi xử lý mạng với các ứng dụng của di động và tính năng chung của PC.
Có bộ nhớ lớn.
2.3.1.2 Điểm truy nhập vô tuyến RAP (Radio Access Point):
Chức năng chính của RAP là thực hiện xử lý lớp 1 của giao diện vô tuyến (mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ,…). Nó cũng thực hiện một phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến nhƣ điều khiển công suất vòng trong.
Điểm truy nhập vô tuyến cũng tƣơng tự nhƣ Node B trong 3G, tuy nhiên có một số kỹ thuật mới nhằm làm tăng tốc độ đƣờng truyền, đó là:
Sử dụng Anten thông minh:
Anten thông minh là một thành phần không thể thiếu đƣợc trong mạng 4G. Một hệ thống anten thông minh là sự kết hợp của nhiều phần tử anten với một khả năng xử lý tín hiệu để tự động tối ƣu mẫu thu và bức xạ của nó dựa vào sự hồi đáp của môi trƣờng tính hiệu. Hệ thống 3.5G dùng Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ cao (HSDPA – High Speed Downlink Packet Access) dựa trên công nghệ giao diện vô tuyến W-CDMA dự định cung cấp tốc độ lên đến 10 Mbps bằng cách sử dụng
42
hiệu quả hơn phổ tần số 3G hiện hành. Hệ thống 4G sẽ dùng một phổ tần khác (có thể là 40 hoặc 60 GHz) và có thể cung cấp lên đến 100 Mbps cho tế bào WAN và đến 1 Gbps đối với truy suất không dây nội bộ.
Mục đích của hệ thống anten thông minh là để làm tăng chất lƣợng tín hiệu của hệ thống vô tuyến bằng cách truyền tập trung các tín hiệu vô tuyến trong khi tăng dung lƣợng bằng cách tăng việc dùng lại tần số. Bảng sau sẽ liệt kê các đặc tính và lợi ích của một hệ thống anten thông minh.
Đặc tính Lợi ích
Độ lợi tín hiệu: Tín hiệu ngỏ vào từ
nhiều anten đƣợc kết hợp lại để tối ƣu công suất có sẵn nhằm thiết lập mức vùng phủ đã cho.
Vùng phủ tốt hơn: Việc tập trung năng
lƣợng gửi ra trong một tế bào sẽ làm tăng vùng phủ của trạm gốc. Các yêu cầu công suất tiêu thụ thấp hơn dẫn đến thời gian dùng pin lâu hơn và kích thƣớc handset sẽ nhỏ hỏn
Sự loại bỏ nhiễu: Antenna pattern có
thể đƣợc tạo ra do các nguồn nhiễu đồng kênh, việc cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu thu đƣợc.
Tăng dung lượng:Việc điều khiển chất
lƣợng các null tín hiệu chính xác và giảm nhiễu kết hợp với việc sử dụng lại tần số sẽ làm tăng dung lƣợng mạng. Kỹ thuật thích nghi (nhƣ là đa truy cập phân chia theo không gian) hổ trợ việc
sử dụng lại tần số trong cùng một tế bào.
Phân tập không gian: Thông tin đƣợc
tập hợp từ mảng anten đƣợc dùng để tối thiểu fading và các tác động của truyền đa đƣờng không mong muốn.
Loại bỏ đa đường: Có thể giảm tác
động trải trể của kênh, cho phép truyền tốc độ bit cao hơn mà không cần dùng bộ cân bằng.
Hiệu quả công suất: kết hợp các ngỏ
vào đến nhiều thiết bị để tối ƣu tăng ích xử lý có sẳn trên đƣờng xuống.
Chi phí giảm: Chi phí khuyếch đại công
suất, công suất tiêu thụ giảm và độ tin cậy cao hơn.
43
Một trong những kĩ thuật thích ứng liên kết sẽ đƣợc đề cập đến gọi là điều chế và mã hóa thích ứng (AMC – Adaptation and Modulation Coding). Với kĩ thuật AMC, điều chế và tỉ lệ mã hóa đƣợc thích ứng một cách liên tục và chất lƣợng kênh thay cho việc điều chỉnh công suất. Truyền dẫn sử dụng nhiều mã Walsh cũng đƣợc sử dụng trong quá trình thích ứng liên kết. Sự kết hợp của hai kỹ thuật thích ứng liên kết trên đã thay thế hoàn toàn kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao.
Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM: Tín hiệu gửi đi đƣợc chia thành
các sóng mang nhỏ, trên mỗi sóng mang đó tín hiệu là “băng hẹp” và vì vậy tránh đƣợc hiệu ứng đa đƣờng, tạo nên một khoảng bảo vệ chèn vào giữa mỗi tín hiệu OMDF. OFDM cũng tạo nên một độ lợi về phân tập tần số, cải thiện hiệu năng của lớp vật lý. Nó cũng tƣơng thích với những công nghệ mở rộng nâng cao khác, nhƣ là các anten thông minh và MIMO. Điều này không chỉ tạo nên lợi ích rõ ràng cho thực thi lớp vật lý, mà còn hợp nhất việc cải thiện hiệu năng lớp 2 nhờ việc đƣa ra thêm một mức độ tự do.
Hình 2.7. Nguyên lý OFDM
MIMO: MIMO sử dụng ghép kênh tín hiệu giữa rất nhiều các anten phát và thời gian hay tần số. Nó kết hợp với OFDM xử lý các tín hiệu thời gian độc lập ngay khi dạng sóng OFDM đƣợc thiết kế chính xác cho kênh. Sự kết hợp giữa OFDM và MIMO giúp cho việc xử lý đơn giản hơn, hiệu quả thu phát cao.
Ngoài ra lớp thâm nhập dịch vụ còn sử dụng thêm một số kỹ thuật khác nhƣ kỹ thuật SDR,… để tăng thêm tính thích nghi cho UE trong môi trƣờng mạng tích hợp chung.
44
Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC: Radio Access Controller):
Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC) là phần tử điều khiển của lớp truy nhập vô tuyến. Chức năng RNC dùng để điều khiển lƣu lƣợng và quản lý tài nguyên vô tuyến của lớp thâm nhập vô tuyến.
Đối với một UE thì RAC thực hiện kết cuối cả đƣờng nối Iu để truyền số liệu ngƣời sử dụng và cả báo hiệu tƣơng ứng từ/tới mạng lõi. RAC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến, xử lý số liệu lớp đoạn nối số liệu từ/tới giao diện vô tuyến. Các thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến nhƣ sắp xếp các thông số vật mang thâm nhập vô tuyến với các thông số kênh truyền tải giao diện vô tuyến.
Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến: RRM (Radio Resources Management) là một tập hợp các thuật toán đƣợc sử dụng để đảm bảo sự ổn định của đƣờng truyền vô tuyến và QoS của kết nối vô tuyến bằng cách chia sẻ và quản lý tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả.
Trong 4G, thêm một số kỹ năng mới nhƣ yêu cầu phát lại tự động nhanh (HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request), lập lịch nhanh, thời gian phát truyền dẫn ngắn (TTI: Transmission Time Interval). Hai tính năng quan trọng nhất của công nghệ WCDMA nhƣ điều khiển công suất vòng kín và hệ số trải phổ biến thiên không còn đƣợc sử dụng.
2.3.2 Các phần tử của mạng lõi
Mạng lõi phải tích hợp đƣợc tất cả các mạng viễn thông khác nhƣ các mạng di động, WLAN, WiMAX, các mạng không dây khác,… Để đạt đƣợc điều đó thì trong mạng lõi phải có:
Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của NGN trên toàn cầu, ngƣời ta xây dựng hệ thống truyền dẫn trong mạng lõi sử dụng giao thức IPv6, đặc biệt việc sử dụng IP di động một cách linh hoạt giúp cho việc kết hợp giữa các mạng.
Cổng đa phƣơng tiện (MGW: Multimedia Gateway): Trong mạng lõi, MGW thực hiện các chức năng chính là:
Thực hiện chuyển đổi dữ liệu sang gói IP và ngƣợc lại
Thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến dữ liệu từ/tới một vùng dịch vụ của mạng tuỳ thuộc vào vị trí thuê bao. MGW đƣợc điều khiển bởi MGCF. Đƣờng truyền cho các cuộc gọi đƣợc thực hiện giữa RNC và MGW. Thông thƣờng MGW
45
nhận các cuộc gọi từ RNC, chuyển đổi dữ liệu theo định dạng gói IP và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đƣờng trục gói. Trong nhiều trƣờng hợp đƣờng trục gói sử dụng “Giao thức truyền tải thời gian thực”(RTP: Real Time Transport Protocol) trên “Giao thức Internet” (IP).
Ở nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PTSN chẳng hạn, có một cổng các phƣơng tiện khác (MGW), MGW này sẽ chuyển tiếng thoại đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đƣa đến PTSN. Nhƣ vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này. Truyền tải kiểu đóng gói này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần, nhất là khi các MGW cách xa nhau.
o Các router: Trong mạng lõi thì các router thực hiện chức năng chính là định tuyến cuộc gọi, đƣa các gọi số liệu từ/tới các nơi theo đúng yêu cầu. Các router sử dụng giao thức định tuyến tiên tiến trong mạng IP nhƣ BGP (BGP: Border Gateway Protocol). BGP là giao thức định tuyến một hệ thống mạng “tự trị” AS (AS: Autonomous System). Hệ thống tự trị ở đây là một mạng hoặc một nhóm mạng có cùng quản lý chung với cùng chính sách định tuyến chung. BGP đƣợc sử dụng để thay đổi thông tin định tuyến cho Internet và là giao thức đƣợc sử dụng giữa các nhà cung cấp dịch vụ ISP. Khi định tuyến trong mạng, dựa trên bảng định tuyến router gửi cho các router “láng giềng” để các BGP láng giềng thay đổi thông tin định tuyến. Việc cập nhập định tuyến BGP chỉ thông báo con đƣờng tối ƣu để gói tin tới mạng đích.Cùng với việc sử dụng Tuyến liên vùng không phân lớp CIDR (Classless Interdomain Routing), đã làm tăng hiệu quả của việc phân lớp sử dụng địa chỉ IP. Khi BGP đƣợc sử giữa một nhóm mạng (AS) thì giao thức đó gọi là BGP ngoài, còn nếu nhà cung cấp dịch vụ sử dụng BGP để thay đổi định tuyến trong một AS, thì giao thức đó là BGP trong. Ngoài ra, mạng lõi còn sử dụng một kỹ thuật mới nữa là Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (MPLS: Multiprotocol Label Switching). Trong môi trƣờng định tuyến bình thƣờng, các khung truyền từ nguồn đến đích theo từng bƣớc từng bƣớc một. Định tuyến đánh giá mỗi khung tiêu đề lớp 3 và thực hiện bảng định tuyến để xác định bƣớc nhảy tiếp theo hƣớng đến đích. Điều này có khuynh hƣớng làm giảm dung lƣợng mạng bởi vì các yêu cầu CPU tập trung để xử lý mỗi khung. Với sự bùng nổ số ngƣời sử dụng
46
Internet, cùng với việc yêu cầu thay đổi về lƣu lƣợng truyền tải thì phƣơng pháp cũ không đáp ứng đƣợc. MPLS thay đổi kiểu định tuyến từng bƣớc bằng cách cho phép các đƣờng dẫn cụ thể trong mạng dựa trên chất lƣợng và băng tần cần dùng cho các ứng dụng. Nói cách khác, lựa chọn đƣờng dẫn bây giờ có thể đƣa vào lớp 2. Điều này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng lƣu lƣợng trong mạng.
2.3.3 Lớp chức năng điều khiển
Lớp chức năng điều khiển dùng để điều khiển hệ thống nhƣ điều khiển hệ thống báo hiệu, điều khiển lƣu lƣợng, bảo mật thông tin,… đồng thời cung cấp cơ sở hạ tầng cho lớp dịch vụ cung cấp các loại hình dịch vụ khác nhau. Chức năng điều khiển gồm có:
Chức năng báo hiệu: Báo hiệu trong mạng lõi là loại báo hiệu tập trung. Do yêu cầu tích hợp đƣợc các mạng khác nhau, do đó phải có phƣơng thức báo hiệu giống nhau cho các mạng. Ở mạng lõi ngƣời ta xây dựng các trung tâm mã điểm báo hiệu STP dùng để điều khiển báo hiệu trong toàn mạng và để liên kết với các trung tâm mã điểm báo hiệu của các nhà cung cấp dịch vụ khác trong nƣớc và trên quốc tế. Một đặc điểm chính trong mạng 4G là tất cả đều hội tụ trên nền IP, do đó giao thức báo hiệu thực hiện chính trên mạng 4G là SS7oIP. Điều này đƣợc thực hiện thông qua Gateway báo hiệu (SGW – Signalling gateway). Chức năng chính của SGW là kết nối các mạng báo hiệu khác nhau thông qua việc chuyển đổi giữa các lớp và điều khiển thực hiện báo hiệu trong nội mạng thông qua giao thức SS7oIP.
Chức năng bảo mật: Đây là một trong những chức năng quan trọng trong hệ thống tƣơng lai, nó đảm bảo cho việc thông tin của ngƣời sử dụng đƣợc an toàn, bí mật và có tính riêng tƣ. Chức năng này đƣợc thực hiện thông qua Gateway an ninh (SEG - Security Gateway) để cung cấp về chính sách an toàn (proxy server) và bức tƣờng lửa (firewall). Proxy server sẽ định ra các chính sách về an ninh trong toàn mạng. Bên cạnh đó, Firewall sẽ thực hiện phân vùng an ninh và đảm bảo tính bảo mật cho các vùng mạng. Để thực hiện bảo mật thông tin, dữ liệu sẽ đƣợc đi qua Security Gateway trƣớc khi vào hoặc ra khỏi vùng bảo mật. Vùng bảo mật này thƣờng là mạng đƣợc quản lý chặt chẽ và SEG đƣợc đặt ở biên của mạng này. Một nhà cung cấp có thể có 1 hoặc một vài SEG để đảm bảo tính an ninh cho mạng đồng thời phòng ngừa trƣờng hợp bị sự cố trên 1 SEG đơn lẻ gây ảnh hƣởng đến hoạt động của mạng.
47
Chức năng về Billing: Chức năng này cung cấp cho mạng khả năng về nhận thực, tính cƣớc đối với các dịch vụ sử dụng trong mạng. Nó thực hiện nhận các thông tin về tính cƣớc từ lớp mạng lõi, căn cứ vào các đặc điểm về thông tin tinh cƣớc của từng UE, từng dịch vụ để chọn lọc thông tin về tính cƣớc. Các thông tin này sau đó đƣợc định dạng lại và đƣợc gửi đến các hệ thống tính cƣớc tƣơng ứng và gửi đến các UE.
Chức năng về tính di động trong mạng (Mobility): Chức năng này đƣợc kế thừa từ các mạng di động thế hệ trƣớc. Nó đƣợc thể hiện qua các thành phần cũ của mạng nhƣ HLR, VLR, EIR, AUC, MSCS và cơ cấu điều khiển handover, handoff của thuê bao.
o Thanh ghi định vị thƣờng trú (HLR): là một cơ sở dữ liệu đƣợc đặt tại hệ thống chủ của ngƣời sử dụng để lƣu bản sao chính về lý lịch dịch vụ của ngƣời sử dụng. Lý lịch dịch vụ này bao gồm: thông tin về các dịch vụ đƣợc phép, các vùng không đƣợc phép chuyển mạng, và thông tin về các dịch vụ bổ sung nhƣ: trạng thái chuyển hƣớng cuộc gọi… Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông đƣợc lƣu trong HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao. HLR thƣờng là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạng nhƣng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao.
o Bộ ghi định vị tạm trú (VLR): chức năng của VLR là lƣu giữ bản sao về lý lịch của ngƣời sử dụng khách cũng nhƣ vị trí của UE trong hệ thống đang phục vụ ở mức độ chính xác hơn HLR.
o EIR: thực hiện quản lý thiết bị ngƣời sử dụng UE. EIR lƣu tất cả các dữ liệu