4.3.2.1 Mô tả kiến trúc
Trước hết sẽ mô tả sự khác biệt giữ mạng liên kết UMTS-WLAN và UMTS-WiMAX. Mạng WLAN trong các vùng hot-spot hình thành lên các microcells trong các UMTS macrocell. Sự di động giữa UMTS và WLAN có thể dẫn tới sự chuyển giao trùng lặp hoàn toàn. Như vậy thời gian được yêu cầu cho việc chuyển từ UMTS sang WLAN có thể có trễ lớn. Hơn nữa khi thiết bị di động được kết nối với WLAN nó có thể duy trì PDP context (Packet Data Protocol) của UMTS ngay lập tức nhờ đó nó có thế kết nối lại ngay với UMTS mà không cần kích hoạt lại PDP context. Trái ngược lại sự di động giữa UMTS và WiMAX được xem là có một phần chuyển giao trùng lặp vì phạm vi của WiMAX là tương đương phạm vi phủ sóng của UMTS.
Tiếp theo, quá trình chuyển giao sẽ được thực hiện nhanh chóng để duy trì kết nối cụ thể khi tốc độ di động cao. Để cho phép sự di động giữa hai mạng truy nhập UMTS và WiMAX, sẽ đưa ra giải pháp với một số điều kiện sau: những thay đổi về cơ sở hạ tầng tồn tại trong mạng là nhỏ nhất, thời gian thực thi là ngắn. Bằng việc sử dụng IP như một giao thức liên kết phổ biến, các thiết bị di động có thể nối với nhiều mạng mà không bị giới hạn bởi công nghệ truy nhập khác nhau. Điều này đạt được bằng cách sử dụng cơ chế Mobile IP ẩn trong các công nghệ lớp dưới khác nhau. Kiến trúc liên mạng giữa UMTS và WiMAX như hình 5.6 dựa trên kiến trúc liên mạng của chuẩn 3GPP.
Hình 4.6: Kiến trúc liên mạng WiMAX-UMTS
Các thuê bao di động là các nút di động có thể giao tiếp với cả hai mạng UMTS và WiMAX. Tuy nhiên các nút này chỉ nối với một mạng truy nhập tại một thời điểm. Do đó quá trình chuyển giao giữa UMTS WiMAX sẽ là chuyển giao cứng.
Mạng truy nhập WiMAX cung cấp các dịch vụ truy nhập cho các MS. Sự di động bên trong mạng WiMAX được quản lý bởi WiMAX Home Agent (HA) được đặt giữa cổng ASN và WAG. WiMAX HA không nhất thiết phải được gộp trong mạng lõi 3GPP để cho phép nó độc lập với hệ thống 3GPP. Foreign Agents (FA) được đặt trong cổng ASN và được xem như là local FA trong kiến trúc liên mạng. WiMAX AN được kết nối với UMTS thông qua WAG tới 3GPP AAA server để dùng trong quá trình xác thực WiMAX. WAG là cổng mà thông qua nó dữ liệu chuyển từ/ tới mạng WiMAX AN được định tuyến để cung cấp các dịch vụ 3GPP cho MS.
Chức năng của WAG bao gồm bắt buộc định tuyến gói tin thông qua PDG, thực thi các thông tin về tài khoản và lọc gói tin. Chức năng chính của PDG là
định tuyến gói tin nhận được từ/gửi đi từ PDN tới/từ MS và thực hiên chức năng của FA.
Sự di động trong mạng UMTS được quản lý bởi những cơ chế di động của chính nó và chức năng của FA sẽ được thực hiện trong GGSN. Để cho phép chuyển giao dọc giữa hai công nghệ HA sẽ được đặt trong PDN và quản lý FAs của cả hai mạng WiMAX và UMTS.
4.3.2.2 Quản lý IP
Trong mạng WiMAX mỗi lần thiết bị di động thay đổi cổng ASN nó sẽ đạt được một địa chỉ local IP mới thông qua DHCP server. ASN GW có thể biết địa chỉ IP mới này mà cũng có thể hỏi DHCP server về địa chỉ HA của WiMAX vì nó đóng vai trò như một DHCP chuyển tiếp.
ASN GW sau đó sẽ thông tin cho BS đang phục vụ về địa chỉ IP mới của MS và gửi đăng ký Mobile IP cho WiMAX HA. Một đường hầm IP có thể được sử dụng để truyền gói tin IP giữa WiMAX HA và FA. Mỗi lần thiết bị chuyển kết nối tới mạng UMTS nó sẽ khởi đầu thủ tục kích hoạt PDP context. Địa chỉ từ xa được cung cấp bởi HA hoặc một thực thể bên ngoài trong PDN sẽ được giữ nguyên và sẽ được thông báo cho GGSN thông qua PDP context kích hoạt. Địa chỉ IP từ xa là một địa chỉ home toàn cầu được sử dụng để thông báo về địa chỉ bên ngoài và các nút tương ứng. Nó có thể là địa chỉ IP tĩnh hoặc động lấy được từ HA hay một mạng bên ngoài khác khi thiết bị di động lần đầu tiên kết nối với mạng, được khám phá và được đăng ký với HA. PDG/GGSN sẽ chịu trách nhiệm chuyển tiếp địa chỉ IP từ xa của MS tới MS.
4.3.4 Thủ tục chuyển giao
Để giảm khoảng thời gian ngắt quãng khi chuyển giao, chúng ta sẽ chỉ ra thủ tục chuyển giao. Trước khi dời bỏ mạng đang phục vụ các thiết bị bắt đầu chuẩn bị một điểm gắn kết mới trong mạng đang hướng tới. Để giảm sự mất mát tin trong quá trình chuyển giao, FA cũ sẽ thông báo cho HA về sự di chuyển của
MS để HA có thể tạo một bộ đệm dữ liệu và chuyển chúng tới MS ngay khi HA nhận được MIP mới từ MS.
4.3.4.1 Chuyển giao từ mạng truy nhập WiMAX đến UTRAN
Trước khi quá trình chuyển giao bắt đầu, thiết bị di động được nối với dịch vụ 3GPP thông qua mạng truy nhập WiMAX. Khi MS vào vùng chuyển giao, MS sẽ đo chất lượng tín hiệu từ các cell UMTS kế cận. Nếu điều kiện cho phép chuyển giao dọc, quyết đinh chuyển giao dọc sẽ được đưa ra. Mạng UTRAN đang hướng tới sẽ được thông báo về sự chuyển giao sắp xảy ra từ mạng WiMAX thông qua thông điệp yêu cầu HO được chuyển thông qua mạng lõi. MS sẽ thực hiện thủ tục gắn kết GPRS với UTRAN. Điều kiện quản lý di động sẽ được thực hiện ở MS và SGSN. Việc đăng ký MIP giữa HA và GGSN/FA mới sẽ được cập nhật sau khi PDP context được kích hoạt giữa GGSN và MS. Chi tiết của thủ tục chuyển giao này được mô tả ở hình 5.7
1. Trạm BS gửi thông điệp quảng cáo về topo mạng theo chu kỳ để thông báo cho MS của các trạm BS kế cận trong WiMAX và nút Bs. Một phương pháp khác, là MS quét các kênh khác nhau để tìm ra topo của người hàm xóm, tuy nhiên đây không phải là giải pháp tốt.
Trong phần nghiên cứu này chúng ta coi như đã tồn tại sự thỏa thuận giữa các nhà vận hành mạng WiMAX và UMTS. Do đó các Nút B của UMTS có thể chuyển các thông tin cho MS của cell WiMAX kế cận.
2. Dựa trên sự quảng cáo về topo mạng, MS sẽ thực hiện đồng bộ và đo tín hiệu. Biện pháp chuyển trạng thái trong một hệ thống có thể dựa trên sự suy giảm tín hiệu đo được hoặc dựa trên sự cần thiết chuyển đổi giữa hai công nghệ truy nhập để hỗ trợ yêu cầu QoS cao hơn, và chi phí thấp hơn. Vì WiMAX hoạt động trong mô hình TDD, trong suốt khoảng thời gian một khung hướng xuống, chỉ có một vài ký hiệu OFDM được thông báo tới thiết bị di động.
Vì vậy thời gian duy trì có thể được sử dụng để đo tín hiệu các cell của hàng xóm. Chú ý rằng để đo đạc cẩn thận trên các cell UMTS các thông tin như mã scrambling, tần số sóng mang sẽ được gộp trong thông điệp quảng cáo mạng.
3. Sau bước đo đạc tín hiệu MS sẽ gửi báo cáo về các thông số này cho BS. Bản thông báo này sẽ chứa mức độ chất lượng tín hiệu của các cell UMTS ứng cử.
4. Trạm BS WiMAX sẽ khởi đầu thủ tục chuyển giao bằng cách công bố về UMTS đích thông qua yêu cầu chuyển giao (HO). PDG sẽ thực hiện yêu cầu
DNS để biết về địa chỉ của GGSN sẽ phục vụ APN của MS hiện tại. Khi PDG lựa
chọn được một GGSN trong một loạt các danh sách GGSN từ quá trình yêu cầu DNS và gửi yêu cầu HO tới cái đã được chọn. Nếu PDG không nhận bất kỳ sự đáp lại nào từ GGSN trong một khoảng thời gian nhất định, nó sẽ lựa chọn một GGSN khác trong dách sách tìm thấy và gửi lại thông điệp yêu cầu HO.
5. GGSN sau đó sẽ gửi thông điệp yêu cầu HO tới SGSN sẽ phục vụ các nút B được chỉ ra. Để có thể khôi phục lại địa chỉ của SGSN đang phục vụ một nút B nào đó, chúng ta cho rằng server DNS hay Home Location Register (HLR) lưu trữ những thông tin định tuyến này.
6. Mạng RAN đích sẽ thiết lập các nguồn thông tin bao gồm nguồn radio cho MS. Bước này nhằm mục đích kiểm tra xem nút B UMTS ứng cử có thể chấp nhận sự chuyển giao của MS với mức QoS đưa ra hay không.
7. Nút B mà cho phép sự chuyển giao của MS sẽ gửi thông điệp hỗ trợ HO tới ASN GW có chức năng quyết định chuyển giao.
8. Sau khi nhận được thông điệp hỗ trợ chuyển giao, ASN GW lựa chọn cell UMTS tốt nhất và gửi lại câu lệnh HO cho MS. Thông điệp này bao gồm sự giới thiệu về nút B mới và các thông tin yêu cầu để thiết lập một kết nối mới. Tại quá trình trao đổi này có thể sẽ phải yêu cầu một số lượng lớn thông tin và sẽ thêm trễ vào quá trình chuyển giao, do vậy người ta thường thích sử dụng cơ chế cấu hình trước. Điều này có nghĩa là một số lượng tham chiếu tương ứng với một tập các thông số UTRAN được xác định trước sẽ được thêm vào câu lệnh chuyển giao. MS sẽ lấy những thông tin cấu hình vô tuyến trước. Trong suốt khoảng thời gian kết nối tạm thời, MS có thể cấu hình lại kết nối cho phù hợp.
9. Ngay sau đó ASN GW gửi thông điệp khẳng định sự thành công của quá trình chuyển giao, bao gồm nhận dạng nút B mới tới PDG/FA. Nguồn vô tuyến được cấp phát trong mạng WiMAX sẽ được giải phóng.
10. Sau khi nhận được thông điệp xác nhận sự chuyển giao. PDG/FA sẽ gửi thông điệp cập nhật tới HA để thông báo về sự di chuyển của MS. HA sẽ dừng việc gửi gói tin cho MS thông qua PDG/FA này và sẽ dùng bộ đệm để chứa tin cho đến khi nó nhận được một MIP mới từ mạng đích UMTS.
11. MS thực hiện thủ tục gắn kết với mạng UTRAN. Thủ tục gắn kết sẽ bao gồm việc truy nhập vào SGSN, xác thực với AAA Server và cập nhật về vị trí. 12. Sau khi thực hiện gắn kết GPRS thành công, MS sẽ bắt đầu kích hoạt PDG context thông qua đó MS sẽ thông báo về địa chỉ IP từ xa (địa chỉ home toàn cầu của nó) tới GGSN.
13. Sau khi kết nối được thiết lập giữa GGSN/FA mới và MS, GGSN/FA mới này sẽ thực hiện đăng ký MIP với HA bao gồm địa chỉ IP từ xa của MS và địa chỉ của chính GGSN/FA đó. Dữ liệu sẽ được chuyển tới MS thông qua một nút B và thủ tục chuyển giao hoàn thành.
4.3.4.2 Chuyển giao từ UTRAN tới mạng truy nhập WiMAX
Trước khi quá trình chuyển giao bắt đầu, MS nằm trong mạng UMTS. Khi MS di chuyển sang vùng chung giữa hai mạng, nó có thể đo về chất lượng tín hiệu từ các trạm BS xung quanh. Khi mạng quyết định chuyển giao sang mạngWiMAX, MS sẽ thiết lập kết nối với mạng truy nhập WiMAX, thực hiện
xác thực và cập nhật việc đăng ký MIP v.v…. Sơ đồ chuyển giao từ cell UMTS
tới cell WiMAX được mô tả như hình 5.8
Hình 4.8: Thủ tục chuyển giao từ UMTS sang WiMAX
1.UTRAN sẽ chịu trách nhiệm phát hiện nhu cầu chuyển giao và quá trình đo đạc các thông số trong hệ thống lúc ban đầu bằng cách gửi đi các thông điệp kiểm soát sự đo đặc này tới MS. Thông điệp này chứa các thông tin về người
hàng xóm WiMAX, các dạng mô hình đã được nén, v.v…
2. Trong khi MS sử dụng dạng mô hình FDD, để thực hiện được việc đo đạt các thông số ở các cell WiMAX, nó phải sử dụng mô hình nén. Chú ý rằng
việc đo đạt tại cell WiMAX được thực hiện ở phần mào đầu của mỗi khung WiMAX.
3. Sau khoảng thời gian đo đạt, MS gửi thông báo về kết quả có được tới mạng. Báo cáo này chức các thông số chỉ ra mức tín hiệu của các trạm phát sóng WiMAX kế cận.
4. RNC sẽ bắt đầu thủ tục chuyển giao bằng cách thông báo cho trạm BS đích về vị trí của thiết bị sẽ thực hiện chuyển giao. Thông điệp yêu cầu HO gồm có APN của MS, nhận dạng BS ứng cử, mức độ yêu cầu QoS của ứng dụng hiện
tại v.v… sẽ được gửi đến GGSN. GGSN sẽ thực hiện yêu cầu DNS để biết về địa
chỉ của PDG đang phục vụ APN hiện tại của MS. GGSN lựa chọn một PDG trong danh sách có được và gửi tới nó thông điệp yêu cầu HO. Nếu GGSN không nhận được bất kỳ thông điệp nào đáp lại từ PDG sau một khoảng thời gian nhất định, nó sẽ gửi thông điệp yêu cầu HO tới PDG khác trong danh sách. Thông điệp yêu cầu HO sẽ được chuyển tới trạm BS có khả năng dựa trên các thông tin định tuyến ở PDG. Mục đích của bước này là kiểm tra liệu trạm BS đích có thể chấp nhận sự chuyển giao với mức độ QoS như yêu cầu hay không.
5. Trạm BS của WiMAX cung cấp sự chuyển giao sẽ chuyển HO để hỗ trợ RNC.
6. RNC sẽ lựa chọn trạm BS WiMAX đích tốt nhất trong số các trạm BS được hỗ trợ và gửi câu lệnh HO tới MS. Thông điệp này bao gồm tất cả các thông tin yêu cầu cho việc thiết lập kết nối để lựa chọn một BS WiMAX đích.
7. Ngay sau đó RNC gửi thông điệp xác nhận HO. Thiết bị di động sẽ không kết nối với UMTS mà bắt đầu kết nối với BS WiMAX.
8. Sau khi nhận được thông điệp xác nhận chuyển giao, GGSN/FA gửi thông điệp cập nhật MIP tới HA để thông báo về sự di chuyển của MS. HA sau đó sẽ dừng việc gửi các gói tin tới MS thông qua GGSN/FA và dùng bộ đệm lối vào để chứa các gói tin cho đến khi nó nhận được MIP mới từ mạng WiMAX.
9. Dựa trên các thông tin trong thông điệp yêu cầu HO, trạm BS của WiMAX sẽ cung cấp cơ hội ranging khởi đầu mà không có cạnh tranh tới MS bằng cách thay thế Fast Ranging Information Element trong UL-MAP. Thông tin này sẽ hữu ích cho việc thiết lập kết nối RAN của MS. Nếu không MS sẽ phải
thực hiện thủ tục ranging ban đầu theo cách thông thường như vậy sẽ mất nhiều thời gian.
10. MS bắt đầu việc thiết lập kết nối bằng cách trao đổi Ranging Request (RNGREQ)/Ranging Response (RNG-RSP) với trạm BS WiMAX đích.
11. Trong mạng truy nhập WiMAX, MS sẽ thực hiện yêu cầu DHCP để có được địa chỉ IP mới. Trong hoàn cảnh này, chúng ta mô tả thủ tục cấp phát địa chỉ dựa trên cơ chế IPv4. Nếu sử dụng IPv6, việc cấp địa chỉ sẽ được thực hiện bởi cơ chế Stateless Address Autoconfiguration mà không có sự hiện diện của DHPC server. Thông qua thủ tục này, ASN GW cũng biết được địa chỉ của WiMAX HA mà đang phục vụ cho quá trình đăng ký MIP trong bước tiếp theo.
12. MS thực hiện việc đăng ký MIP để liên kết địa chỉ nội bộ của nó với phần quản lý địa chỉ.
13. MS thực hiện phân giải DNS đối với địa chỉ của PDG. MS sử dụng APN để chỉ ra dịch vụ mạng muốn truy nhập. Yêu cầu DNS sẽ được chuyển tới ASN GW mà đang thực hiện chuyển yêu cầu này tới DNS Server. MS sẽ lựa chọn PDG phù hợp trong số danh sách PDG được đưa ra trong thông điệp đáp lại DNS. Chú ý rằng việc lựa chọn PDG ở đây rất khác so với việc lựa chọn PDG bởi GGSN trong bước yêu cầu hay hỗ trợ HO.
14. MS sẽ thiết lập đường hầm đầu cuối với PDG đã chọn sử dụng giao thức IKEv2. Thông qua quá trình này, MS sẽ báo cho PDG về địa chỉ IP từ xa hay địa chỉ cục bộ. Mỗi lần thay đổi mạng ASN, thuê bao sẽ có một địa chỉ IP