RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thường với một MSC và SGSN) qua giao diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển Node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc nghẽn cho các cell của mình.
Khi một kết nối UE – UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt:
- RNC phục vụ (Serving RNC): thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một Node B nào đó được UE sử dụng để kết nối với UTRAN.
- RNC trôi (Drift RNC): là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các cell được UE sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở phân tập vĩ mô. DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ định tuyến số liệu giữa các giao diện Iub và Iur. UE có thể không có hoặc có một hay nhiều DRNC.
1.5.2.2 Node B
Chức năng chính của Node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ,… Nó cũng thực hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng nó giống như trạm gốc của GSM.
1.5.2.3 Các chức năng điều khiển của UTRAN
o Phát quảng bá thông tin hệ thống.
o Thiết lập các kênh mạng báo hiệu và truy cập ngẫu nhiên.
o Quản lý kênh mang vô tuyến.
o Các chức năng an toàn trong mạng UTRAN.
o Xử lý cơ sở dữ liệu.
1.5.3 Cấu trúc mạng lõi theo tiêu chuẩn 3GPP R99
Hình 1.4 Cấu trúc mạng lõi theo tiêu chuẩn 3GPP R99
3GPP R99 là hệ tiêu chuẩn UMTS đầu tiên, trong đó thể hiện một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng với mạng lõi (CN) được nâng cấp từ GSM. Mạng lõi sử dụng hạ tầng GSM và phần mở rộng GPRS để sử dụng cho các dịch vụ gói. Mạng lõi được chia thành ba khối chức năng:
Khối chức năng chuyển mạch kênh (CN CS) gồm hai phần tử mạng cơ bản:
Trung tâm chuyển mạch di động (MSC/VLR).
Trung tâm chuyển mạch di động cổng (GMSC).
MSC/VLR chịu trách nhiệm cho các hoạt động quản lý kết nối chuyển mạch kênh, quản lý di động như: cập nhật vị trí, tìm gọi và các chức năng bảo mật. Ngoài ra còn chứa các bộ chuyển mã, đây là điểm khác biệt so với hệ thống GSM truyền thống.
GMSC phụ trách kết nối với các mạng bên ngoài, thiết lập đường kết nối đến các MSC/VLR đang phục vụ mà tại đó có thể tìm thấy thuê bao cần tìm.
Khối chức năng chuyển mạch gói (CN PS) gồm hai phần tử mạng cơ bản:
Nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN).
SGSN hỗ trợ thông tin chuyển mạch gói tới mạng truy cập vô tuyến. Chức năng chủ yếu của SGSN liên quan đến việc quản lý di động: cập nhật khu vực định tuyến, đăng ký vị trí, tìm gọi và điều khiển cơ chế bảo mật trong chuyển mạch gói.
GGSN duy trì kết nối tới các mạng chuyển mạch gói khác như mạng Internet, thực hiện quản lý phiên.
Khối thanh ghi chứa thông tin địa chỉ và nhận thực cho cả CS và PS bao gồm:
Thanh ghi thường trú (HLR): chứa các dữ liệu cố định về thuê bao.
Trung tâm nhận thực (AuC): là cơ sở dữ liệu tạo ra các vector nhận thực.
Thanh ghi chỉ thị thiết bị (EIR): duy trì các thông tin chỉ thị liên quan đến phần cứng của UE.
Ngoài các thanh ghi trong khối thanh ghi, còn có thêm thanh ghi tạm trú (VLR), được coi như một phần chức năng của MSC phục vụ. VLR tham gia vào các thủ tục như: cập nhật vị trí, tìm gọi và các hoạt động bảo mật.
1.5.4 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA
Các giao thức giữa các phần tử trong mạng W-CDMA được chia thành hai phần chính: tầng không truy nhập và tầng truy nhập. Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức:
- Lớp vật lý (L1).
- Lớp kết nối số liệu (L2). - Lớp mạng (L3).
Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC, RLC, PDCP và BMC.
Lớp 3 và RLC được chia thành hai phần: phần điều khiển (C) và phần người sử dụng (U). PDCP và BMC chỉ có ở phần U.
Các thủ tục giao diện vô tuyến thực hiện chức năng thiết lập, duy trì và giải phóng kết nối vô tuyến trong mạng UTRA. Chúng thực hiện các chức năng của các lớp 1÷3 trong mô hình OSI tương ứng.
Hình 1.5 Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến
Lớp cao nhất là lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC tương ứng với lớp mạng. Giao diện giữa các lớp và các phân lớp được thực hiện thông qua các điểm truy cập dịch vụ (SAP). Các kênh truyền dẫn được truyền qua các điểm truy cập dịch vụ giữa lớp vật lý và phân lớp điều khiển truy cập trung gian (MAC) để thực hiện việc giao tiếp giữa lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu (L2). Các kênh lôgic thực hiện giao tiếp trong L2 giữa các phân lớp MAC và RLC. Còn các kênh vật lý được truyền bên trong lớp vật lý.
1.5.5 Các loại kênh trong UTRAN
UTRAN bao gồm các kênh logic, kênh vật lý và kênh truyền tải.
Hình 1.6 Các loại kênh trong UTRAN
1.5.6 Kỹ thuật trải phổ
Trong W-CDMA, sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps.
Trong W-CDMA, để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5 MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Trong các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt.
Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum), độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả. Nhưng trong môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ.
Một hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu:
Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin.
Hình 1.7 Tín hiệu trải phổ
Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau:
Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum).
Trải phổ kiểu nhảy tần (FHSS: Frequency Hopping Spreading Spectrum ).
Trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time Hopping Spreading Spectrum).
Ở máy phát, bản tin được trải phổ bởi mã giả ngẫu nhiên. Mã giả ngẫu nhiên phải được thiết kế để có độ rộng băng lớn hơn nhiều so với độ rộng băng của bản tin. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát.
Trong hệ thống DS/SS tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách nén phổ. Trong các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh được xung đột. Như vậy, FH và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột, trong khi đó DS là kiểu hệ thống lấy trung bình.
1.6 Quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống W-CDMA
Tín hiệu băng hẹp chưa trải phổ Tín hiệu băng rộng đã được trải phổ R W Tần số (Hz) M ật đ ộ cô ng s uấ t ( W /H z)
1.6.1 Mục đích chung của quản lý tài nguyên vô tuyến
Việc quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) trong mạng di động 3G có nhiệm vụ cải thiện việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến. Các mục đích của công việc quản lý tài nguyên vô tuyến RRM có thể tóm tắt như sau:
- Đảm bảo QoS cho các dịch vụ khác nhau. - Duy trì vùng phủ sóng đã được hoạch định. - Tối ưu dung lượng hệ thống.
Trong các mạng 3G, việc phân bố tài nguyên và định cỡ quá tải của mạng không còn khả thi nữa do các nhu cầu không dự đoán trước và các yêu cầu khác nhau của các dịch vụ khác nhau. Vì thế, quản lý tài nguyên bao gồm hai phần: cấu hình tài nguyên vô tuyến và tái cấu hình.
• Cấu hình tài nguyên vô tuyến có nhiệm vụ phân phát nguồn tài nguyên một cách hợp lý cho các yêu cầu mới đang đưa đến hệ thống để cho mạng không bị quá tải và duy trì tính ổn định. Tuy nhiên, nghẽn vẫn có thể xuất hiện trong mạng 3G vì sự di chuyển của người sử dụng.
• Tái cấu hình tài nguyên vô tuyến có nhiệm vụ cấp phát lại nguồn tài nguyên trong mạng khi tải tăng lên hoặc tắt nghẽn bắt đầu xuất hiện. Chức năng này có nhiệm vụ đưa hệ thống bị quá tải trở về lưu lượng tải mục tiêu một cách nhanh chóng và có thể điều khiển được.
1.6.2 Các chức năng của quản lý tài nguyên vô tuyến
Quản lý tài nguyên vô tuyến có thể chia thành các chức năng: điều khiển công suất, chuyển giao, điều khiển thâm nhập và điều khiển tải. Hình 1.8 thể hiện các vị trí điển hình của RRM trong mạng W-CDMA.
1.6.2.1 Điều khiển công suất (Power Control)
Điều khiển công suất là một công việc quan trọng trong tất cả các hệ thống di động bởi các vấn đề về pin và các lý do an toàn, nhưng trong các hệ thống CDMA, điều khiển công suất là cần thiết bởi vì đặc điểm giới hạn nhiễu của CDMA.
Trong các hệ thống GSM, chỉ áp dụng điều khiển công suất chậm (tần số xấp xỉ 2 Hz). Trong IS-95, điều khiển công suất nhanh với tần số 800 KHz được hỗ trợ ở đường lên, nhưng ở đường xuống, một vòng điều khiển công suất tương đối chậm (xấp xỉ 50 Hz) điều khiển công suất truyền. Trong W-CDMA, điều khiển công suất nhanh với tần số 1,5 KHz được sử dụng ở cả đường lên và đường xuống. Điều khiển công suất nhanh khép kín là một vấn đề quan trọng của hệ thống W-CDMA.
1.6.2.2 Điều khiển chuyển giao (Handover Control)
Chuyển giao là một phần cần thiết của các hệ thống thông tin di động tế bào. Tính di động là nguyên nhân gây ra sự thay đổi về chất lượng liên kết và mức độ nhiễu trong hệ thống thông tin di động tế bào, yêu cầu khi một người sử dụng cụ thể thay đổi trạm gốc phục vụ nó. Sự thay đổi này được gọi là chuyển giao.
1.6.2.3 Điều khiển thâm nhập (Admission Control)
Nếu tải giao tiếp không gian được phép tăng quá mức thì vùng phủ sóng của cell sẽ giảm xuống dưới giá trị mong muốn (còn được gọi là “tế bào thở”) và QoS của các kết nối đang tồn tại sẽ không thể đảm bảo. Lý do của hiện tượng “tế bào thở” là vì đặc tính giới hạn nhiễu của hệ thống CDMA. Do đó, trước khi nhận một kết nối mới, điều khiển thâm nhập cần phải kiểm tra rằng việc nhận kết nối mới đó sẽ không hy sinh đi vùng phủ sóng mục tiêu hoặc QoS của các kết nối đã tồn tại. Điều khiển thâm nhập sẽ chấp nhận hoặc từ chối một yêu cầu để thiết lập một đường bao truy xuất vô tuyến trong mạng truy xuất vô tuyến. Chức năng của điều khiển thâm nhập được đặt ở RNC, nơi mà có thể thu được thông tin tải của nhiều cell.
Giải thuật điều khiển thâm nhập ước tính sự tăng lên của tải để thiết lập đường bao trong mạng truy xuất vô tuyến. Ước tính tải được đưa vào trong cả hai hướng lên và xuống. Đường bao yêu cầu chỉ có thể được chấp nhận nếu điều khiển thâm nhập trong cả hai hướng chấp nhận nó, ngược lại nó sẽ bị từ chối bởi nhiễu thêm vào mạng là quá mức.
Hình 1.9 Đường cong tải
Nhìn chung, các chiến lược điều khiển thâm nhập có thể được chia thành 2 loại đó là: chiến lược điều khiển thâm nhập dựa trên công suất băng rộng và chiến lược điều khiển thâm nhập dựa vào thông lượng.
Người sử dụng mới không được chấp nhận nếu mức nhiễu tổng thể mới tạo ra cao hơn giá trị mức ngưỡng Ithreshold:
+ Từ chối: Itotal-old + ∆I > Ithreshold
+ Chấp nhận: Itotal-old + ∆I < Ithreshold
Giá trị ngưỡng giống với độ tăng nhiễu đường lên lớn nhất và có thể được thiết lập bởi việc quy hoạch mạng vô tuyến.
Trong chiến lược điều khiển thâm nhập dựa vào thông lượng, người sử dụng mới không được thu nhận truy nhập vào mạng vô tuyến nếu toàn bộ tải mới gây ra cao hơn giá trị ngưỡng:
+ Từ chối: ηtotal-old + ∆L > ηthreshold
+ Chấp nhận: ηtotal-old + ∆L < ηthreshold
(1.1)
Cần lưu ý rằng chiến lược điều khiển thâm nhập được áp dụng riêng rẽ cho hướng lên và hướng xuống, các chiến lược điều khiển thâm nhập khác nhau có thể được sử dụng trong mỗi hướng.
1.6.2.4 Điều khiển tải (điều khiển tắc nghẽn)
Một nhiệm vụ quan trọng của chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến là đảm bảo cho hệ thống không bị quá tải và duy trì tính ổn định. Nếu hệ thống được quy hoạch một cách hợp lý, và công việc điều khiển thâm nhập hoạt động tốt, các tình huống quá tải sẽ bị loại trừ. Tuy nhiên, trong mạng di động sự quá tải ở một nơi nào đó là không thể tránh khỏi vì các tài nguyên vô tuyến được ấn định trước trong mạng. Khi quá tải được xử lý bởi điều khiển tải, hay còn gọi là điều khiển tắc nghẽn, hoạt động điều khiển này sẽ trả lại cho hệ thống tải mục tiêu, được vạch ra trong quá trình quy hoạch mạng, một cách nhanh chóng và có khả năng điêu khiển được. Các công việc điều khiển tải để giảm bớt hoặc cân bằng tải được liệt kê như sau:
• Từ chối các lệnh công suất tới trên đường xuống nhận từ MS.
• Giảm tỷ số Ec/N0 mong muốn hướng lên được sử dụng bởi điều khiển công suất nhanh hướng lên.
• Thay đổi kích cỡ vùng chuyển giao mềm để phục vụ nhiều user hơn.
• Chuyển giao đến một sóng mang W-CDMA khác (inter-frequency handover).
• Chuyển giao đến mạng chồng lấp khác (mạng W-CDMA hoặc GSM khác).
• Giảm tốc độ bit của người sử dụng thời gian thực, ví dụ: mã hóa thoại AMR.
• Giảm thông lượng của lưu lượng dữ liệu gói (các dữ liệu phi thời gian thực).
KHz, cung cấp quyền ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau. Giải pháp thứ 3, thay đổi kích thước vùng chuyển giao mềm đặc biêt hữu dụng trong mạng giới hạn hướng xuống.
Các thao điều khiển tải khác thì chậm hơn. Chuyển giao inter-frequency và chuyển giao inter-system có thể khắc phục tình trạng quá tải bằng cách cân bằng tải. Giải pháp cuối cùng là ngắt các user sử dụng dịch vụ thời gian thực (như thoại hay dữ liệu chuyển mạch kênh) để giảm tải. Giải pháp này chỉ được sử dụng khi tải của toàn bộ mạng vẫn rất lớn ngay cả khi cá giải pháp điều khiển tải khác đã được sử dụng để giảm quá tải. Giao diện vô tuyến W-CDMA và yêu cầu tăng của lưu lượng phi thời gian thực trong mạng 3G đem lại nhiều sự lựa chọn các giải pháp xử lý tình trạng quá tải. Vì vậy, việc giảm tải bằng cách ngắt các User sử dụng dịch vụ thời gian thực hiếm khi xảy ra.
CHƯƠNG II
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG W-CDMA