Sơđồ kiến trúc RAN:
Hình 1.14: Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1
Trong kiến trúc RAN của phát hành này được xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP. Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống UMTS và GSM. Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ. Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP. GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng. Kiến trúc RAN của 3GR1.3 được thể hiện trên hình 1.14.
Kết luận: Chương này trước hết xét tổng quan quá trình phát triển thông tin di động lên 4G. Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS được xét: R3, R4, R5 và R6. Cuối chương trình bày phương pháp chuyển đổi từ
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 40
CHƯƠNG II: MÔ HÌNH MẠNG 3G 2.1 Giới thiệu tổng quan về HSPA
Cuộc cách mạng của thị trường thông tin di động đưa ra các yêu cầu nâng cấp cải tiến về cả dung lượng hệ thống lẫn tốc độ truyền dẫn dữ liệu. Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA ra đời là một bước phát triển mạnh mẽ về tốc độ và chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu tối đa trong WCDMA chỉ đạt tới 2Mbps. Để tăng khả
năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, đặc biệt là nâng cao tốc độ
truyền dữ liệu, mà trước hết là tốc độđường xuống, 3GPP đã phát triển và chuẩn hóa trong phiên bản Release 5 một công nghệ mới, đó là công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) với những tính năng mới được đề cập trong các phiên bản R5 của 3GPP cho hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA/UTRA –FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiên tiến cho hệ thống thông tin di động 3,5G. HSDPA bao gồm một tập các tính năng mới kết hợp chặt chẽ với nhau để cải thiện dung lượng mạng, và tăng tốc độ dữ liệu đỉnh trên 10 Mbps đối với lưu lượng gói
đường xuống. Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép các nhà khai thác có thểđưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) của các dịch vụ hiện có, và đạt chi phí thấp nhất. Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của HSDPA là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của 3GPP.
Các thông số tốc độđỉnh của R6 HSPA được cho trong bảng: HSDPA (R6) HSUPA (R6) Tốc độđỉnh (Mbps) 14,4 5,7
Bảng 2.1: Các thông số tốc độ đỉnh R6 HSPA
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 14,4Mbps năm 2008.
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 41
Trong giai đoạn đầu tốc độđỉnh HSUPA là 1-2Mbps trong giai đoạn hai tốc độ này có thểđạt đến 4-5,7 Mbps vào năm 2008.
HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác đểđạt được dung lượng cao (xem hình 2.1).
Hình 2.1: 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 HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng nút B 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 của 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. Hình 4.2 minh họa điều này cho HSDPA. Tốc độ đỉnh (14,4Mbps trên 2 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 3Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, nút cần có bộ đệm để
lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng.
2.2 Các giao thức và cấu trúc HSPA
Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến với HSDPA và HSUPA được rút ra từ
những chuyển đổi so với Re’99. Trong Re’99 việc điều khiển kế hoạch đều dựa hoàn toàn vào bộ điều khiển mạng vô tuyến(RNC) trong khi trong trạm cơ sở hay node B trong công nghệ 3GPP đây chính là điều khiển công suất liên kết chức năng. Trong
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 42
Re’99 nếu như có đến 2 RNC xung quanh mối nối thì sơ đồđó đã được phân phối lại. RNC cung cấp_SRNC là cái đang được kết nối tới mạng lõi kết nối kia có thể điều khiển sơđồđối với kênh dành riêng DCH và nó cũng được kết nối tới trạm thu nhận cơ
sở BTS cũng cho phép điều khiển kênh chung(giống như FACH).
Khi sự sắp xếp dịch chuyển tới BTS, ởđây có một sự thay đổi trên toàn bộ kiến trúc của RRM. SRNC vẫn sẽ giữ điều khiển chuyển giao và đây là một điểm sẽ thích ứng với việc ánh xạđối với tham số chất lượng dịch vụ(QoS). Với HSDPA, vấn đề này rất
đơn giản vì ở đây không có chuyển giao mềm đối với dữ liệu HSDPA, do đó không cần chạy dữ liệu người sử dụng qua nhiều hành trình Iub và giao diện Iur và mặc dù HSDPA được truyền dẫn qua Iur trong quy trình kỹ thuật, thì việc sử dụng của giao diện Iur có thể bị phá hủy bởi việc thực hiện định vị lại SRNC, khi mà việc cung cấp cell kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao(HSDSCH) nằm dưới một điều khiển khác RNC(CRNC). Với Re’99 điều này không bị phá hủy tại biên vùng RNC khi chuyển giao mềm được sẻ dụng giữa hai trạm cơ sở dưới các RNC khác nhau. Cuối cùng thì diễn tiến của HSDPA có thểđược trình bày bởi chỉ một RNC đơn.
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 43
Hình 2.2: Cấu trúc mạng HSPA trong R99
2.2.1 Kiến trúc giao thức phẳng người sử dụng HSDPA và HSUPA.
Chức năng cơ sở của các lớp giao thức khác nhau có hiệu lực với HSDPA và HSUPA giống với Re’99. Kiến trúc có thể được xác định đối với từng phần phẳng người sử dụng thực hiện dữ liệu người sử dụng và điều khiển phần phẳng. Lớp RRC
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 44
trong việc điều khiển từng phần phẳng thực hiện tất cả các tín hiệu liên quan đến việc cấu hình các kênh, thiết bị quản lý di động,.. điều này được ẩn từ đầu cuối sử dụng và
được chỉ ra thông qua kiến trúc giao thức trong hình 3.3.
Hình 2.3: Cấu trúc giao diện vô tuyến R99
Giao thức chuyển đổi dữ liệu gói (PDCP) có một bộ nén tiêu đề chức năng chính và nó không thích hợp đối với các dịch vụ chuyển mạch. Điều quan trọng của việc nén tiêu đề là hiểu khi nào thì tiêu đề của giao thức Internet không được nén có thể là 2 hay 3 lần kích thước của chính trọng tải gói thoại của nó.
Việc điều khiển kết nối vô tuyến(RLC) thực hiện phân đoạn và truyền dẫn lại đối với cả dữ liệu người sử dụng và dữ liệu điều khiển. RLC có thể hoạt động trong ba chế độ khác nhau:
Chế độ trong suốt, khi mà không có bit trên đầu được đưa vào lớp RLC, ví dụ như
âm thanh AMR, và không thể dùng được khi mà các kênh truyền dẫn của HSDPA và HSUPA được sử dụng.
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 45
Chế độ không báo nhận, khi không có việc thực hiện truyền dẫn lại lớp RLC. Điều này được sử dụng đối với các yêu cầu mà có thể cho phép việc mất một vài gói, như
trường hợp đối với VoIP, và không thể cho phép sự thay đổi độ trễ theo mức độ truyền lại RLC.
Hoạt động theo chếđộ báo nhận, khi mà việc phân phối dữ liệu được thực hiện được
đảm bảo với việc những lần truyền lại lớp RLC với đầu vào yêu cầu tất cả các gói đều
được phân phối.
Lớp điều khiển truy nhập trung bình (MAC) trong Re’99 tập trung vào ánh xạ giữa các kênh lôgic và thực hiện quyền ưu tiên giống như lựa chọn của tốc độ dữ liệu đang
được sử dụng, ví dụ như việc lựa chọn của định dạng truyền dẫn đang được đưa vào. Chuyển mạch kênh truyền dẫn cũng là một chức năng của lớp MAC.
Cả HSDPA và HSUPA đều giới thiệu những thành phần mới trong kiến trúc. Các chức năng lớp MAC đối với HSDPA và HSUPA có thể hoạt động độc lập trong hoạt
động của DCH Re’99, nhưng lại chiếm một account khắp cả giới hạn tài nguyên của giao diện. Hình 2.4 môt tả toàn bộ kiến trúc giao diện vô tuyến đối với HSDPA và dữ
liệu người sử dụng HSUPA, làm rõ giao thức mới phân phối với dữ liệu người sử
dụng. Tín hiệu điều khiển phẳng- xuất hiện trong hình 2.4 có thể kết nối đơn giản đến RLC và có thể mang dữ liệu qua DCH hay qua HSDPA/HSUPA.
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 46
Hình 2.4: Kiến trúc giao diện HSPA cho dữ liệu người dùng
Đối với dữ liệu người sử dụng, PDCP thực hiện nén tiêu đề IP. Ở đây có một vài PDCP và RLC đầy đủ được chỉ ra trong hình để chỉ dẫn khả năng chạy các dịch vụ
song song.
Chức năng sắp xếp trạm BTS là một chức năng lớp MAC, và kết quả bây giờđây là một giao thức mới đầy đủ, MAC-hs(hs đối với tốc độ cao) trong BTS. Đây là một phần trong kiến trúc giao thức phẳng người sử dụng trong hình 2.5, nó bao phủ HSDPA, kỹ
thuật đưa vào, và việc định vị của nó trong các thành phần của mạng. RNC giữ lại MAC-d(dành riêng) nhưng chỉ chức năng giữ lại là chuyển mạch kênh truyền dẫn như
các chức năng khác ví dụ như việc sắp xếp và thực hiện ưu tiên, được dịch chuyển tới MAC-hs. Chú ý rằng lớp trên của lớp MAC có tên là lóp RLC vẫn giữ không đổi, nhưng có một vài tối ưu hóa đối với các dịch vụ RT như là VoIP được giới thiệu trong chếđộ báo không nhận(UM) trong Re’99.
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 47
Hình 2.5: Kiến trúc giao thức phẳng người sử dụng HSDPA
Hình 2.6: Kiến trúc giao thức phẳng người sử dụng HSDPA
Như đã đề cập trong phần giới thiệu, ngoại trừ nếu như HSDPA giới thiệu truyền dẫn lại lớp vật lý, thì lớp RLC vẫn thực hiện truyền lại có thể hoạt động lớp vật lý bị lỗi hoặc đặc biệt thì trong kết nối với các hoạt động di động khác giống như chuyển đổi cell HSDSCH phục vụ. Điều này đang giả thiết chếđộ báo nhận RLC hoạt động. Trong trường hợp của UM-RLC, việc truyền dẫn lại lớp vật lý chỉ có một khả năng duy nhất. Một ví dụ có thể là cuộc gọi VoIP khi mà truyền lại lớp RLC từ RNC có thể quá chậm.
Với HSUPA, đây giống như kiểu một lớp MAC mới đầy đủđược đưa đến BTS,như
chỉ ra trong hình 3.6. Tuy nhiên, đây không phải là nơi duy nhất mà các đầu vào được làm thành kiến trúc giao thức. Thiết bị đầu cuối có một lớp MAC mới đầy đủ như thế,
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 48 điều khiển từ RNC và yêu cầu dung lượng trực tiếp từ thiết bị người sử dụng UE tới nút B. Đây là toàn bộ giao thức mới đối với RNC. Điều này dẫn đến chuyển giao mềm HSUPA có ảnh hưởng đến sự định vị gói đầu ra. Khi mà dữ liệu được nhận trên một vài vị trí BTS, đây là một khả năng khi hoạt động trong chuyển giao mềm khi mà các gói từ các BTS khác nhau tới, như là sắp xếp của các gói không được giữ, và để cho phép việc sắp xếp lại được thực hiện dối với dòng gói đơn, thì chức năng sắp xếp lại yêu cầu để được kết hợp với bộ kết hợp đa dạng macro trong MAC-es. Do đó chức năng phân phối không theo thứ tự MAC-es mới đảm bảo rằng các lớp trên gói được cung cấp trong sắp xếp được phát đi từ thiết bịđầu cuối. Cũng có thể việc sắp xếp được thực hiện tại BTS, và độ trễ không cần thiết có thể xuất hiện ở BTS có thể phải được chờ đối với các gói lỗi cho đến khi chúng có thể được xác định là được thu chính xác bởi một BTS khác trong chu trình hoạt động.
Không giống như HSDPA, lớp RLC trong HSUPA thực hiện truyền dẫn lại các gói nếu như lớp vật lý lỗi để phân phối chính xác chúng sau số lượng tối đa lần truyền lại bị vượt quá hay kết nối với các biến cố di động.
2.2.2 Sự tác động của HSDPA và HSUPA trong giao diện UTRAN.
Trong tác động của HSDPA và HSUPA trong giao diện thì thường tập trung thảo luận về tốc độ dữ liệu thì các giao diện khác lại yêu cầu khác ví dụ như an ten. Đối với giao diện giữa trạm cơ sở và RNC, giao diện Iub, ở đây tốc độ dữ liệu bây giờ là lớn hơn so với đầu cuối Re’99.
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 49
Hình 2.7: Các ví dụ về tốc độ dữ liệu HSDPA và R99 trên các giao diện khác nhau
Trong khi đầu cuối của Re’99 hầu hết là ở 384kbps, thì tốc độ dữ liệu trên giao diện khác bao gồm giao diện Iups tới nút cung cấp GPRS dịch vụ(SGSN) mạng lõi gói, là bằng để sử dụng đối với vô tuyến. Với HSDPA tình hình đã chuyển đổi. Thông qua giao diện không khí, nghĩa là Uu trong thuật ngữ 3GPP, nó có thể đạt đến tốc độ dữ
liệu là 14.4Mbps qua các chu kỳ ngắn 2ms. Điều này không có nghĩa là tốc độ dữ liệu tương tự có thể sử dụng trên giao diện Iub và Iu-ps đối với người sử dụng riêng lẻ. Từ
vị trí người sử dụng đơn, tài nguyên là thời gian và mã được chia sẻ tới những người sử
dụng khác nhau trong một cell. Do đó tốc độ trung bình đối với người sử dụng trong một cell có tải rõ ràng là thấp hơn. Hơn nữa tốc độ cực đại đạt đến 10Mbps yêu cầu tình trạng vô tuyến cực tốt và nó không giống đó là tất cả người sử dụng trong cell đều có thể đạt tốc độ dữ liệu cao. Do đó, lưu lượng trung bình trong giao diện Iub cũng giảm so với tốc độ đạt được đối với vô tuyến. Một ví dụ được miêu tả trong hình 3.7, nó chỉ ra một so sánh với Re’99 384kbps đường xuống và HSDPA đối với trường hợp 7.2Mbps. Đường xuống 384kbps có tốc độ dữ liệu bằng nhau dự trữ trong tất cả các giao diện và nó không vượt quá giới hạn 384kbps. Với HSDPA, tốc độđỉnh của giao
Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 50
diện vô tuyến cung cấp bởi đầu cuối trong ví dụ là 7.2Mbps. Tốc độ dữ liệu cung cấp qua giao diện Iu-ps và Iub có thể bị giới hạn, ví dụ tới 1Mbps. Việc sử dụng các bộ đệm trong các BTS khiến cho nó có thể có tốc độ đỉnh đối với các kết nối đầu cuối cao như thiết bịđầu cuối và dung lượng BTS cho phép, trong khi việc giữ tốc độ bit tối
đa trên giao diện Iub và Iu-ps trên đường với tham số QoS thu nhận từ phần chính gói. Các bộ đệm trong BTS cùng với sự sắp xếp mà thời gian chia sẻ tài nguyên- cho phép đạt tốc độđỉnh cao hơn đối với vô tuyến so với tốc độ trung bình trong Iub/hs. Bộ đệm truyền dẫn trong BTS cũng yêu cầu dòng điều khiển đểđược đưa vào để tránh tràn bộ đệm. Trong cách này, dưới điều kiện kỹ thuật vô tuyến tốt hơn, người sử dụng có nhiều tài nguyên Iub hơn. Nguyên lý hoạt động điều khiển dòng được chỉ ra trong hình 2.8.