4.3.1 Các mạng liên quan
Mục đích của sự liên kết hai công nghệ truy nhập là đưa ra các dịch vụ rộng khắp tới người sử dụng di động. Đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào vấn đề liên kết mạng giữa WLAN và mạng cellular. Trong các tài liệu mạng không đồng nhất, chúng ta có thể thấy các kiến nghị về việc sử dụng thiết bị đầu cuối với khả năng giao tiếp kép, sẽ cho phép người sử dụng chuyển kết nối từ một
mạng truy nhập vô tuyến này sang mạng khác mà không mất tin. ý tưởng được
đưa ra là bắt cả hai giao tiếp vô tuyến khác nhau cùng hoạt động trong một thiết bị. Tuy nhiên thực tế là có nhiều giao tiếp tích cực sẽ làm tăng sự tiêu thụ nguồn năng lượng của thiết bị, do đó làm giảm thời gian hoạt động của thiết bị và gây ra các vấn đề về nhiễu và các hiệu ứng vật lý khác. Trong phần này chúng ta chỉ xem xét trường hợp các thiết bị chỉ có một giao tiếp vô tuyến được tích cực tại một thời điểm.
Mạng liên kết UMTS -WLAN hiện tại đang được nghiên cứu trong 3GPP. Cho đến bây giờ WLAN vẫn là mục đích chính của quá trình mở rộng mạng truy nhập 3GPP. Quá trình chuyển giao trong một hệ thống không nằm trong những nghiên cứu gần đây. Trong khi đó công nghệ Unlicensed Mobile Access (UMA) bao gồm quá trình chuyển giao trong suốt giữa 2G và mạng không dây công cộng hoặc mạng riêng trong băng tần không cần cấp phép như WiFi, Bluetooth gần đây được quan tâm như 3GPP.
5.3.1.1 Cấu trúc mạng WiMAX
Kiến trúc mạng Wi MAX có thể được mô tả như hình 5.4 Có 4 thành phần chính trong kiến trúc này là PSS, RAS ACR và mạng lõi của WiMAX. PSS giao
tiếp với RAS sử dụng công nghệ truy nhập WiMAX. PSS cũng cung cấp chức năng của quá trình xử lý MAC, Mobile IP, xác thực, tái truyền tin và chuyển giao. RAS cung cấp giao tiếp vô tuyến cho PSS và quan tâm đến việc quản lý tài nguyên vô tuyến, hỗ trợ QoS và điều khiển quá trình chuyển giao. ACR đóng vai trò cốt yếu trong dịch vụ dựa trên IP bao gồm định tuyến gói tin IP, an ninh, QoS và điều khiển chuyển giao, và tác nhân ngoài (Forgein Agent) trong mobile IP. ARC cũng tương tác với AA Server cho quá trình xác thực và tính cước người sử dụng. Để có thể cung cấp sự di động cho PSS, ACR sẽ cung cấp sự chuyển giao giữa RAS trong khi mobile IP cung cấp chuyển giao giữa các ACR.
Hình 4.4: Kiến trúc mạng WiMAX
5.3.1.2 Cấu trúc mạng UMTS
UMTS cung cấp dịch vụ dữ liệu gói cho các ứng dụng dữ liệu và dịch vụ chuyển mạch kênh cho các ứng dụng thoại. Mạng GPRS ban đầu được thiết kế cho mạng GSM, được tích hợp trong UMTS để cung cấp dịch vụ dữ liệu gói. Trong UMTS mạng của các RNC và các nút Bs tạo thành mạng truy nhập RAN ( còn được gọi là UTRAN)
Mạng của một RNC và các nút B gọi là RNS. Mỗi nút B hình thành lên một nhóm các trạm base station và một nhóm các nút B được kết nối với một mạng đơn RNC. Mạng lõi gói (CN) gồm SGSN và GGSN. Trong mạng RAN, RNC nhận gói tin hướng xuống từ SGSN và chuyển sang các khung radio trước khi chuyển tới nút B. ở hướng lên RNC nhận các khung radio từ nút B và chuyển thành gói tin IP trước khi chuyển chúng tới SGSN. RNC quản lý nguồn radio của nút B và thiết lập Radio Access Bearer (RABs). Mạng lõi sẽ được kết nối với Internet thông qua GGSN. SGSN quản lý trạng thái di động của các nút di động, thiết lập phiên dữ liệu và kiểm soát RAB được thiết lập thông qua RNC. Gói tin IP được truyền thông qua GTP tunnel giữa GGSN và SGSN và giữa SGSN và RNC. GTP tunnel sử dụng giao thức UDP do đó IP được sử dụng cho việc truyền gói tin trong GPRS.
Node B Node B RNC Node B Node B RNC RNS RNS lur lub UTRAN USIM ME Cu UE MSC/ VLR GMSC SGSN GGSN HLR Uu lu lu-CS lu-PS lu-BC CN CS ext PS ext Hình 4.5: Kiến trúc mạng UMTS
4.3.2 Kiến trúc liên mạng WiMAX- UMTS 4.3.2.1 Mô tả kiến trúc 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