Giao diện không khí là giao diện vô tuyến giữa MS và BTS. Giao diện này được so sánh khác nhiều với các giao diện khác, bởi vì giao tiếp vô tuyến là giao diện mở rất nhạy cảm với sự xâm nhập từ ngoài hơn là với cable, nhưng đổi lại được băng thông
lớn. Giao thức lớp 2 trên giao diện Um được gọi là LAPDm (LAPD mobile). Đây là một cải tiến của LAPD. Sự khác nhau giữa LAPD và LAPDm là chổ phát hiện và sữa lỗi ở Um được thực hiện ở chức năng lớp 1. Một điểm khác nhau nữa là các khung LAPD có thể dài hơn nhiều so với các bản tin của LAPDm vì khung của LAPDm phải hiệu chỉnh để đặt vừa các cụm (burst).
Hình 2.20: Các lớp giao thức của giao diện Air
Lớp 1: Lớp vật lý
Lớp thấp nhất của giao diện vô tuyến cung cấp các chức năng cần thiết để truyền các luồng bit trên các kênh vật lý ở môi trường vô tuyến, bao gồm các phần tử được định nghĩa cho truyền dẫn trên kênh vô tuyến như: tần số, khe thời gian, nhảy tần. Ở giao diện này các bản tin được gửi đi liên quan đến ấn định các kênh vật lý (thâm nhập ngẫu nhiên) cũng như các thông tin hệ thống vật lý như các kết quả đo kiểm. Lớp này có các chức năng như:
• Mã hoá kênh để sửa lổi FEC
• Mã hoá kênh để phát hiện lỗi
• Sắp xếp các kênh lô gic lên các kênh vật lý
• Mật mã hoá
• Chon ô ở chế độ rỗi
• Thiết lập các kênh vật lý riêng
• Đo cường độ trường của các kênh riêng và cường độ trường của trạm BTS xung quanh
• Thiết lập định trước thời gian và công suất theo sự điều khiển của mạng Cũng như dữ liệu người dùng các bản tin báo hiệu được truyền qua giao diện Abis giữa BTS với BSC, giao diện A giữa BSC với MSC trên đường dây số với tốc độ dữ liệu 2048Kbps(1544Kbps ở USA) hay 64Kbps (ITU G703, G704, G732).
Giao diện với lớp 3, đây là một giao diện trực tiếp, RR thông qua những bản tin giao thức nguyên thuỷ MPH (là những bản tin giữa những giao thức trong một điểm báo
hiệu được thông qua những yếu tố giao diện được tiêu chuẩn hoá như là bản tin request, respose thông qua thông tin từ giao thức lớp cao tới giao thức lớp thấp và indications, confirmation thông qua thông tin trong hướng đối diện ), những thay đổi bên lớp RR liên quan tới chức năng như gán kênh và kết quả đo kiểm tra kênh, việc đo ở đây là do lớp 1 đảm nhiệm đo chất lượng báo hiệu của kênh BCCH các trạm BTS lân cận và chất lượng báo hiệu của chính BTS đang phục vụ. Thông tin đo lường được đưa tới lớp 3 trong cơ sở dịch vụ đo lường lớp 3.
Trong chế độ rổi, lớp 1 lựa chọn Cell (BTS) với chất lượng báo hiệu tốt nhất hoạt động cùng cơ sở lớp con RR trên dịch vụ của BCCH/CCCH.
Thủ tục báo hiệu điểm - điểm
GSM định nghĩa và phân biệt hai kiểu vận hành của một trạm di động: kiểu rổi và kiều dò tìm (hình 2.21).
Ở kiểu rỗi trạm di động có thể tắt nguồn (trạng thái NULL) hoặc dò tìm đo BCCH với chất lượng tốt nhất (trạng thái SEARCHING BCH) hoặc đồng bộ hoá BCCH của trạm cơ sở đặc biệt và sẵn sàng để thực hiện thủ tục truy cập ngẫu nhiên trên RACH để yêu cầu kênh dò tìm BCH trạng thái.
Hình 2.21: Sơ đồ trạng thái lớp vật lý của trạm di động
TUNING DCH trạng thái của kiểu dò tìm, trạm di động thực hiện kênh vật lý và cố gắng đồng bộ nó với kết quả cuối cùng truyền tới DCH trạng thái. Ở trạng thái này, MS sẵn sàng để thiết lập kênh logic và chuyển mạch chúng, Trạng thái truyền của lớp 1 được điều khiển bởi cơ sở dịch vụ MPH của giao diện RR.
Giao diện với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) thông qua các hàm PH nguyên thuỷ. Và giao diện với các khối chức năng khác trong MS và trong mạng qua kênh TCHs.
Hình 2.22: Giao diện của lớp vật lý với các lớp trên
Điểm truy cập dịch vụ (SAP: Service Access Point) của lớp này được định nghĩa như là các cổng (Gates) truyền thông mà qua đó lớp này cung cấp dịch vụ cho lớp cao hơn (lớp 2). Tồn tại các cổng khác nhau cho các bản tin ngắn và cho các bản tin của lớp đường truyền. Trong GSM, SAP được định nghĩa giữa lớp vật lý và lớp liên kết giữ liệu cho các kênh BCCH, PCH+AGCH, RACH, SDCCH, SACCH và FACCH. SAP được điều khiển bởi lớp con RR của lớp 3 (lớp quản lý, thiết lập và giải phóng kênh), xa hơn bởi thủ tục điều khiển trong lớp liên kết. Điều khiển SAP lớp 1 bởi RR bao gồm: hoạt động, không hoạt động, cấu hình, định tuyến, không kết nối của lớp vật lý và kênh logic.
Lớp 1 định nghĩa cấu trúc khung riêng cho truyền dẫn của bản tin báo hiệu thực hiện như khung LAPDm tại SAP của kênh logic tương ứng hình 3.23.
Hình 2.23: Cấu trúc khung dử liệu LAPDm
Khung RACH chứa đựng một loại tiêu đề giao thức mang mức công suất nguồn và giá trị tăng thời gian định thời. Tiêu để này bị bỏ sót trong kênh logic khác (FACCH, SDCCH, CCCH, BCCH) và chứa LAPDm PDU.
Lớp 2: lớp liên kết dữ liệu
Mục đích chính của giao thức lớp 2 là cung cấp kết nối liên kết tới tổng đài báo hiệu giữa MS, BTS, MSC, VLR, HLR, và mạng SSN07. Trong GSM, có 3 kiểu giao thức lớp 2 được sử dụng như trong hình 1 đó là: LAPDm(giao thức truy cập cho kênh báo hiệu) trên giao diện Um, LAPD trên giao diện A-bis và MTP-2 cho các giao diện A,B,C,D của kênh báo hiệu.
LAPDm được xây dựng trên cơ sở giao thức LAPD của ISDN. Tuy nhiên có một vài thay đổi cho phù hợp với môi trường truyền dẫn vô tuyến và để đạt được hiệu suất cao hơn trong việc tiết kiêm phổ tần. Không sử dụng các bit kiểm tra tổng vì mã hoá kênh ở lớp 1 đã thực hiện chức năng này. Do vậy sự hoạt động của lớp này là hoàn toàn được đồng bộ. Một số khung điều khiển khác như SABM và UA có thể mang thông tin lớp 3 nhờ vậy tiết kiệm thời gian và phổ. Thủ tục này được gọi là Pigg-Backing (cõng nhau). Các bản tin LAPD có thể dài tới 249 byte vì thế chúng được phân đoạn cho phù hợp với cấu trúc Bust.
Chức năng chi tiết của lớp 2 LAPDm được cho như sau:
• Thiết lập và giải phóng kết nối báo hiệu của lớp 2
• Hợp kênh và phân kênh của một vài kết nối báo hiệu lớp 2 trên một kênh điều khiển chuyên biệt và phân biệt rõ giữa chúng bởi bao gồm sự khác nhau của SAPI (Service Access Point Identifiers).
• Ánh xạ của dịch vụ khối dữ liệu báo hiệu lớp 2 trên giao thức khối dữ liệu.
• Sự đánh số của giao thức khối dữ liệu modul 8 để bảo trì thứ tự liên tục
• Tìm kiếm và sữa lỗi
• Điều khiển luồng
Sự thiết lập và giải phóng của kết nối lớp 2 trùng với sự định xứ, giải phóng và thay đổi của kênh vô tuyến chuyên biệt. Kết nối báo hiệu lớp 2 thường xuyên được thiết lập và giải phóng chính vì thế mà thời gian tồn tại của một kết nối là ngắn. LAPDm là giao thức liên kết dữ liệu cho kênh báo hiệu tại giao diện không khí. Nó tương tự HDLD và cung cấp 2 kiểu vận hành (hoạt động):
• Vận hành không nhận biết (không xác nhận)
• Vận hành nhận biết (xác nhận)
Cả hai kiểu đều được sử dụng trên kênh DCCH còn kênh CCCHs thì chỉ hoạt động không nhận biết là được dùng.
Vận hành không xác nhận, dữ liệu được truyền trong khung UI không có sự xác nhận, đây là điều khiển không hướng hay sữa lỗi đúng L2. Kiểu vận hành này không cho phép tất cả các kênh báo hiệu, ngoại trừ RACH được truy cập trong kiêu truy cập không dành riêng hay bảo vệ. Việc truyền một bản tin không xác nhận sử dụng dịch vụ của lớp 3 hàm ý cho việc truyền thông tin là không nhận biết bởi lớp liên kết dữ liệu (lớp 2), vì vậy kiểm tra lổi là không cần thiết phải cung cấp. Truyền và nhận bản tin ở đây sử dụng dịch vụ nguyên thuỷ của liên kết dữ liệu đó là: DL_DATA_REQUEST và DL_DATA_INDICATION.
Kiểu dịch vụ không xác nhận cung cấp dịch vụ bảo vệ. Dữ liệu được truyền trong khung I với xác nhận dương. Bảo vệ lỗi thông qua truyền ARQ và điều khiển định hướng là đặc biệt và tích cực trong kiểu này. Dịch vụ này được cung cấp tới lớp mạng bởi chế độ hoạt động đa khung. Khối bản tin nhận hoặc truyền sẻ lại được thay đổi một lần nữa giữa lớp 2 và lớp 3 bằng giá trị trung bình nguyên thuỷ DL_DATA_REQUEST và DL_DATA_INDICATION.
Trong LAPDm, các điểm kết nối (CEP: Connection End Poit) của kết nối L2 được dán nhãn với nhận dạng kết nối liên kết dữ liệu (DLCI: Data Link Connection Identifier) bao gồm các phần tử:
- Nhận dạng điểm truy cập dịch vụ lớp 2 (SAPI: Service Access Point Identifer) được truyền trong tiêu đề của khung giao thức L2.
- Nhận dạng kênh vật lý được kết nối tại lớp 2 hoặc được thiết lập là nhận dạng điểm cuối kết nối (CEPI: Connection End Point Identifer) lớp 2. CEPI được quản lý và không kết nối tới mổi lớp 2.
Khi một bản tin lớp 3 được truyền, bên gửi chọn lựa SAP và CEP thích hợp. Khi đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU: Service Data Uinit) được chuyển giao tại SAP, lựa chọn CEP được gửi tới lớp 2 lớp 2 CEPI tưng thích có thể được xác nhận từ nhận dạng kệnh vật lý / logic và SAPI trong tiêu đề của khung.
Giá trị SAPI đặc biệt được lưu trữ cho hai chức năng sau: SAPI = 0 cho báo hiệu (CM, MM, RR)
SAPI = 3 cho SMS
Giá trị SAPI phục vụ bản tin báo hiệu riêng từ định hướng gói dữ liệu người dùng (bản tin SMS). Giá trị một SPAI mới cần thiết các chức năng có thể định nghĩa được, giải thích trong cho chuẩn GSM trong tương lai.
Hình 2.25: Các kênh logic, kiểu vận hành và SAPI lớp 2
Một LAPDm được thiết lập mỗi kênh vật lý / logic thích hợp. Kênh / SAPI kết hợp duy nhất thiết lập con của giao thức LAPDm được cần như vận hành không xác nhận.
Việc phân đoạn khung LAPD để có khung LAPDm là thích hợp với một khối vật lý dài 23 octets. LAPDm cho phép thủ tục liên kết dữ liệu như chức năng của lớp 2 truyền thông điểm - điểm tương tự cơ sở dịch vụ giữa lớp liền kề. Mặt khác thủ tục lớp 2 là thủ tục phân biệt (Distribution Procedure) và thủ tục truy cập ngẫu nhiên (RA: Random Access). Thủ tục phân biệt cần thiết nếu nhiều SAP liên kết với kênh vật lý / logic. Nó cho phép phân biệt các khung lớp 2 nhận được trên một kênh truy cập ngẫu nhiên RACH. Nó giải quyết truyền lại điều khiển ngẫu nhiên của bus truy cập ngẫu nhiện. Nhưng nó cho phép bảo vệ lỗi trên RACH theo một phương duy nhất.
Hình 2.26: Các kiểu định dạng khung LAPDm
Hình 2.26 là các kiểu định dạng khác nhau của khung dữ liệu giao thức sử dụng cho truyền thông điểm - điểm lớp 2 giữa MS và BTS. Định dạng khung A và khung B được sử dụng trên kênh SACCH, FACCH, SDCCH phụ thuộc vào nơi khung thông tin có trường kiểu B hoặc không phải kiểu A, ở đây khung A không có trường thông tin. Định dạng khung B sử dụng trên CCCHs nó có trường thông tin.
Trái với HDLC, LAPDm không có cờ chỉ thị bắt đầu hay kết thúc một khung. Số lớn nhất của octet N201 trên trường thông tin phụ thuộc vào kiểu kênh logic. Kết thúc của trường thông tin cho bởi đọ dài một giá trị N201 it hơn quy định, khung đó phải bổ sung với các bit làm đầy để đủ chiều dài khung. Trong trường hợp một kênh SACCH, ví dụ ở đây là tiện ích một gói LAPDm chiều dài cố định là 21 octet. Bao gồm trường cho điều khiển công suất truyền và tăng định thời, một khối SẠCCH lớp 1 dài 23 octets. Trường địa chỉ có thể có độ dài thay đổi, tuy nhiên sử dụng cho kênh điều khiển nó gồm một octet (hình 2.27).
Hình 2.27: Đinh dạng và kiểu khung LAPDm
Trường địa chỉ:
Bit 1 là bit mở rông EA được đặt bằng ‘1’. Trong tương lai nó có thể sử dụng bit ‘0’ cho dung lượng địa chỉ nhiều octet. Bit 2 bit C/R (Command/Response) cờ lệnh/ trả lời. MS sẻ gửi một lệnh với bit C/R là ‘0’ còn BTS trả lời với bit C/R là ‘1’. Ba bit SAPI xác định tiến trình mức 3 nếu sử dụng 3 bit zero “000”. SAPI là “011” thì xác định và trình diễn truyền của bản tin SMS. Hai bit LPD (Link Protocol Discriminator) được sử dụng để xác định một khuyến nghị đặc biệt của LAPDm được sử dụng, ở trường hợp này LPD = 00. LPD = 01 được sử dụng cho giao thức liên kết dữ liệu cho SMSCB. Bít 8 dành riêng cho tương lai.
Trường điều khiển:
Trường điều khiển Control sử dụng cho điều khiển thông tin như: kiểu khung, sự sắp xếp của khung và sự nhận biết khung. Trong LAPDm, mã hoá của trường điều khiển với số thứ tự gửi và nhận mô tả biểu đồ trạng thái thủ tục giao thức hoặc nét riêng liên quan tới HDLC. Chi tiết trường điều khiển được thể hiện trong hình 2.27.
Trường này mang theo một dãy số và xác định kiểu của khung, không có C/R. Đối với khung I thì bao gồm cả hai bộ đếm N(R) và N(S) còn đối với khung giám sat S thì chỉ có bộ đếm N(R). Kiểu định dạng của trường điều khiển:
- Truyền thông tin không đánh số (định dạng khung I). Định dạng khung I là được sử dụng để thực thi và truyền thông tin giữa thực thể lớp 3. Mỗi khung I có một số thứ tự gửi N(R).
- Chức năng giám sát (khung S). Định dạng khung S là cho chức năng điều khiển giám sát liên kết dữ liệu như nhận biết khung I.
- Truyền thông tin không đánh số và chức năng điều khiển (khung U). Định dạng khung U được sử dụng để cung cấp chức năng điều khiển liên kết dữ liệu và không xác nhận thông tin truyền.
Trường chỉ thi độ dài:
Trường chỉ thị độ dài xác định dộ dài khung, nó quản lý việc nhồi bit. Một vài thông số bổ sung được yêu cầu tại giao diện dịch vụ lớp 3. Chi tiết trường chỉ thị độ dài thể hiện trong hình 2.27.
Bit mở rộng EL bit này luôn được đặt bằng “1”. Tương lai có thể sử dụng bit 0 để chỉ dẫn một độ dài nhiều octet. Bit 1 bit M sử dụng để chỉ báo khi thêm dữ liệu. Khi bit này được dật bằng 0 có nghĩa là không có khung nào được thêm vào tiếp theo. Và ngược lại khung trình diện là khung trước của dữ liệu. 6 bit còn lại chỉ thị độ dài thực tế của trường thông tin. Giá trị mảng là từ 0 đến N201.
Trường thông tin:
Cả 3 định dạng khung của trường thông tin mang dữ liệu báo hiệu chiều dài của trường phụ thuộc thông tin trong đó. Giới hạn chiều dài cuả trường là N201 = 23 octet.
Sự khác nhau giữa LAPD và LAPDm:
Dưới đây là các đặc điểm khác nhau giữa LAPD và LADPm:
Khung LAPDm chỉ tồn tại định dạng module 8. Do đó trường điều khiển của nó luôn có chiều dài là 1 octet. N(S) và N(R) trong mảng từ 0 tới 7.
Trường địa chỉ của LAPDm chỉ dài 1 octet và không bao gồm TEI. Lý do là khi một kênh được ấn định rồi, kết nối trong giao diện Air luôn luôn là kết nối điểm - điểm. Ví dụ một vài người dùng có thể sử dụng đồng thời cùng lúc. Trên giao diện này không tồn tại kiểu kết nối điểm – đa điểm nên không có TEI như trong LAPD.
Khung LAPDm không tồn tại FCS, bởi vì việc mã kênh và ghép xen của lớp 1 đả đảm bảo việc bảo mật rồi.
Khung LAPDm không có trương flag để nhận dạng điểm bắt đầu và kết thúc của một khung. Chức năng đó được cung cấp trên giao diện Air bởi lớp 1, đặc biệt bởi từng đoạn burst.