Để phân biệt các đặc tính vật lý của giao tiếp vô tuyến với đường truyền luận lý, thiết kế UMTS đưa ra ba tầng kênh truyền khác nhau. Hình 2.6 cho thấy các kênh ở những tầng khác nhau ở hướng xuống, còn trong Hình 2.7 là các kênh ở những tầng khác nhau ở hướng lên.
Các kênh luận lý: tầng kênh trên cùng được hình thành bởi các kênh luận lý. Các kênh này được dùng để phân biệt những loại dòng dữ liệu nào phải được truyền qua giao tiếp vô tuyến, chúng không chứa thông tin gì về cách truyền dữ liệu cả. Chuẩn UMTS qui định các kênh luận lý sau:
Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast Control CHannel): kênh này được tất cả các UE ở trạng thái Idle theo dõi nhằm nhận được thông tin hệ thống tổng quát từ mạng. Thông tin được phân phối qua kênh này bao gồm những thứ như cách thức truy nhập mạng, những mã nào được dùng bởi các cell kế cận, LAC (Location Area Code), mã nhận diện cell, và nhiều thông số khác. Các thông số này được nhóm vào các thông điệp khối thông tin hệ thống (System Information Block _ SIB) để giúp UE giải mã những thông tin ấy và để tiết kiệm thông lượng của giao tiếp vô tuyến.
Hình 2.6: Các kênh luận lý, vận chuyển, và vật lý ở hướng xuống.
Hình 2.7: Các kênh luận lý, vận chuyển, và vật lý ở hướng lên.
Kênh điều khiển nhắn tin PCCH (Paging Control CHannel): kênh này được dùng để thông báo với người dùng là có các cuộc gọi hoặc thông điệp SMS gửi tới hay không. Các thông điệp nhắn tin cũng được dùng cho các cuộc gọi chuyển gói là có dữ liệu đến từ mạng hay không sau khi tất cả các kênh vật lý dành cho một UE đã được giải phóng do thời gian thụ động (inactive) của nó đã dài. Nếu UE nhận được một thông điệp nhắn tin, trước hết nó phải báo cáo thông tin của cell nào đang phục vụ nó về cho mạng. Sau đó mạng sẽ thiết lập lại một đường truyền RRC luận lý (sẽ giải thích ở mục 2.2.3.3. bên dưới) với UE, rồi những dữ liệu đợi trong mạng mới được phân phối đến UE.
Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control CHannel): kênh này được dùng cho tất cả các thông điệp gửi từ và đến từng UE (hai chiều) nào muốn thiết lập một đường truyền mới
CCCH DTCH DCCH
RACH DCH
với mạng. Điều này là cần thiết những lúc như người dùng muốn thực hiện một cuộc gọi thoại, gửi một thông điệp SMS, hoặc thiết lập một kênh để truyền dữ liệu chuyển gói.
Kênh điều khiển dành riêng DCCH (Dedicated Control CHannel): trong khi ba loại kênh nói trên là các kênh chung, được nhiều UE trong cell quan sát cùng lúc, thì kênh DCCH chỉ vận chuyển dữ liệu cho một UE duy nhất thôi. Mỗi kênh DCCH được dùng cho những việc chẳng hạn như vận chuyển các thông tin để quản lý tính di động (Mobility Management _ MM) và các giao thức điều khiển cuộc gọi (Call Control _ CC) đối với các dịch vụ chuyển kênh, các thông điệp quản lý tính di động gói (Packet Mobility Management _ PMM) và quản lý phiên (Session Management _ SM) đối với các dịch vụ chuyển gói gửi từ và đến MSC và SGSN.
Kênh vận chuyển dữ liệu dành riêng DTCH (Dedicated Traffic CHannel): kênh này được dùng để truyền dữ liệu người dùng giữa mạng và một người dùng duy nhất. Dữ liệu người dùng có thể là những thứ như một tín hiệu thoại số hóa hoặc các gói IP của một đường truyền chuyển gói. Nếu một kênh DTCH truyền một cuộc gọi thoại, nó bắt buộc phải ánh xạ (map)
kênh này lên một kênh vật lý dành riêng nào đó. Nhưng nếu kênh DTCH đó truyền dữ liệu của một đường truyền chuyển gói thì nó cũng có thể được ánh xạ lên một kênh vật lý chung (common) hoặc dùng chung (shared). Vì vậy, như có thể thấy trong Hình 2.6, một DTCH có thể được ánh xạ không chỉ lên một kênh vận chuyển và vật lý dành riêng mà còn lên một kênh vật lý chung hoặc dùng chung nữa.
Ghi chú: Trong UMTS Release 99, hầu hết các đường truyền chuyển gói IP sẽ luôn luôn được vận chuyển qua một kênh vật lý dành riêng. Bằng cách này, tốc độ truyền dữ liệu dành cho từng người dùng có thể đạt đến 384 Kbit/s ở hướng xuống. Các kênh vật lý chung/dùng chung (ví dụ như kênh FACH được giới thiệu bên dưới) chỉ được dùng nếu người dùng đã thụ động một thời gian dài, hoặc nếu người dùng chỉ thỉnh thoảng mới gửi hoặc nhận những lượng dữ liệu nhỏ.
Kênh vận chuyển dữ liệu chung CTCH (Common Traffic CHannel): kênh này được dùng cho thông tin quảng bá trong cell. Trong GSM, cơ chế nhu vậy cũng đã được dùng, ví dụ như bởi Vodafone ở Đức, để thông báo cho những thuê bao của các mạng đường dây điện thoại cố định về các mã khu vực nào được dùng trong phạm vi cell hiện tại có thể được gọi từ điện thoại di động để có bảng giá cước rẻ hơn.
Các kênh vận chuyển: các kênh tầng giữa này chuẩn bị các khung dữ liệu (frame) hướng xuống để truyền qua giao tiếp vô tuyến bằng cách phân chia chúng ra thành các phần nhỏ hơn, được bao bọc vào trong các khung RLC/MAC thích hợp hơn để truyền qua giao tiếp vô tuyến. Phần mào đầu RLC/MAC, vốn được đặt ở trước mỗi khung, chứa những thông tin quan trọng sau đây (ngoài những thứ khác ra):
Chiều dài của khung (10, 20, 40, hoặc 80 ms);
Kiểu cơ chế kiểm tra tính toàn vẹn (CRC checksum);
Dạng thức mã hóa kênh để phát hiện lỗi (error detection) và sửa lỗi (error correction);
Cách điều chỉnh tốc độ cho khớp (rate matching) nếu tốc độ của kênh vật lý và các tầng bên trên không khớp;
Thông tin điều khiển để phát hiện truyền không liên tục (Discontinuous Transmission _ DTX) nếu đầu bên kia không có dữ liệu nào để gửi trong một thời gian nhất định.
Tất cả các đặc tính này được kết hợp vào trong cái gọi là dạng thức vận chuyển (transport
B. Điều này rất quan trọng, bởi vì việc mã hóa kênh bao gồm cả việc bổ sung các bit phát hiện lỗi và sửa lỗi vào dòng dữ liệu, vốn có thể là một lượng phụ phí (overhead) khổng lồ.
Các kênh luận lý được ánh xạ lên những kênh vận chuyển sau đây:
Kênh quảng bá BCH (Broadcast CHannel): là phiên bản kênh vận chuyển của kênh luận lý BCCH.
Kênh dành riêng DCH (Dedicated CHannel): kênh vận chuyển này kết hợp dữ liệu từ các kênh luận lý DTCH và DCCH. Kênh này có mặt trong cả hướng lên lẫn hướng xuống, bởi vì dữ liệu được trao đổi theo cả hai chiều.
Kênh nhắn tin PCH (Paging CHannel): là phiên bản kênh vận chuyển của kênh luận lý PCCH.
Kênh truy cập tùy ý RACH (Random Access CHannel): là phiên bản kênh vận chuyển của kênh luận lý hai chiều CCCH theo hướng lên. Kênh này được các UE dùng để gửi các thông điệp yêu cầu đường truyền RRC đến mạng nếu chúng muốn thiết lập một đường truyền dành riêng với mạng (ví dụ như thiết lập một cuộc gọi thoại). Ngoài ra, kênh này còn được các UE dùng để gửi dữ liệu gói của người dùng (ở trạng thái Cell-FACH, xem mục 2.2.3.3. bên dưới) nếu không có kênh dành riêng DCH nào được thiết lập giữa UE và mạng. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng kênh này chỉ thích hợp cho những lượng dữ liệu nhỏ mà thôi.
Kênh truy cập chuyển tiếp FACH (Forward Access CHannel): kênh này được mạng dùng để gửi các thông điệp thiết lập đường truyền RRC đến các UE nào đã báo qua kênh RACH rằng chúng muốn thiết lập một đường truyền với mạng. Thông điệp này chứa những thông tin báo cho UE về cách truy nhập mạng. Nếu mạng vừa cấp phát một kênh dành riêng, thông điệp này sẽ chứa những thông tin như mã trải nào sẽ được dùng ở hướng lên và hướng xuống. Kênh FACH này cũng có thể được mạng dùng để gửi dữ liệu người dùng cho UE nếu không có kênh dành riêng DCH nào được cấp phát cho một cuộc truyền dữ liệu. Khi đó UE ở trong trạng thái Cell-FACH, như được mô tả trong mục 2.2.3.3. bên dưới. Ở hướng lên, dữ liệu được truyền qua kênh RACH.
Các kênh vật lý: các kênh tầng dưới cùng này chịu trách nhiệm cung cấp một phương tiện truyền vật lý cho một hoặc nhiều kênh vận chuyển. Chúng cũng chịu trạch nhiệm mã hóa kênh, tức bổ sung các bit dự phòng và phát hiện lỗi vào dòng dữ liệu.
Chuẩn cũng đề xuất những sản phẩm trung gian giữa kênh vận chuyển và kênh vật lý, gọi là
kênh vận chuyển mã hóa hỗn hợp (Composite Coded Transport CHannel _ CCTrCH), và là sự
kết hợp của vài kênh vận chuyển với một hoặc nhiều kênh vật lý. Bước trung gian này được đề xuất bởi vì không chỉ có thể ánh xạ vài kênh vận chuyển lên một kênh vật lý duy nhất (ví dụ như kênh PCH và FACH lên kênh S-CCPCH) mà còn có thể ánh xạ vài kênh vật lý lên một kênh vận chuyển duy nhất (ví dụ như kênh DPDCH và DPCCH lên kênh DCH).
Trong các mạng UMTS, một kênh vật lý được biểu diễn bởi một mã trải nhất định. Danh sách sau đây cung cấp một cái nhìn tổng thể về những kênh vật lý quan trọng nhất theo hướng tải xuống (downlink, tức từ mạng đến UE) và hướng tải lên (uplink, tức từ UE đến mạng). Tất cả các kênh vật lý này đều được truyền đồng thời:
P-CCPCH (Primary Common Control Physical CHannel): kênh vật lý điều khiển chung chính, truyền tải kênh điều khiển quảng bá luận lý, vốn được giám sát bởi tất cả các UE trong
khi chúng không có một mối nối kết tích cực nào được thiết lập với mạng. Thông tin được phát tán thông qua kênh này bao gồm mã số nhận diện cell, cách thức truy cập mạng, những mã trải nào được dùng cho các kênh khác trong cell, những mã nào được dùng cho các cell kế cận, các bộ định thời để truy cập mạng, v.v....
S-CCPCH (Secondary Common Control Physical CHannel): kênh vật lý điều khiển chung
phụ, phục vụ vài mục đích, và vì vậy mang một số kênh luận lý khác nhau. Trước hết, nó
truyền tải các thông điệp nhắn tin mà mạng báo cho các UE để gửi các cuộc gọi tới, các tin nhắn SMS, hoặc khi các gói dữ liệu tiếp tục đến sau một thời gian dài trầm lắng (thụ động). Kênh này cũng được dùng để phân phối các gói IP và các thông điệp điều khiển đến các thiết bị, tức chỉ giao nhận những lượng dữ liệu nhỏ vào một thời điểm đặc biệt, và vì vậy không cần phải đặt thiết bị vào một trạng thái tích cực hơn.
PRACH (Physical Random Access CHannel): kênh vật lý truy cập tùy ý, chỉ có ở hướng
lên và là kênh duy nhất mà các UE được phép dùng để truyền mà không cần sự cho phép trước của mạng. Mục đích của nó là cho phép UE yêu cầu thiết lập một đường truyền để thực hiện một cuộc gọi thoại, để phản ứng lại một thông điệp nhắn tin, hoặc để gửi đi một thông điệp SMS. Nếu một cuộc gọi thoại đã được thiết lập rồi và UE chỉ gửi hoặc nhận một lượng dữ liệu nhỏ thôi, kênh này cũng có thể được dùng để kết hợp với kênh S-CCPCH gửi các gói IP hướng xuống. Tuy nhiên, tốc độ truyền theo cả hai chiều của nó rất thấp và thời gian khứ
hồi (round trip delay time) lớn (khoảng chừng 200 ms). Vì vậy mạng thường cấp phát những
kênh vật lý khác, chuyên dành cho những cuộc truyền dữ liệu chuyển gói ngay khi nó nhận ra hoạt động mạng được hồi phục từ một UE nào đó.
DPDCH và DPCCH (Dedicated Physical Data CHannel và Dedicated Physical Control CHannel): sau khi một UE đã liên lạc được với mạng thông qua kênh truy cập tùy ý PRACH, mạng thường quyết định thiết lập một đường liên lạc đầy đủ với UE đó. Trong trường hợp một cuộc gọi thoại, mạng sẽ cấp phát một kênh dành riêng. Trên giao tiếp vô tuyến, kênh đó sử dụng một mã trải dành riêng, được cấp phát bởi mạng. Lúc trước, các mạng UMTS cũng dùng các kênh dành riêng để truyền dữ liệu chuyển gói, nhưng hiện nay tốc độ của những kênh như vậy (còn được gọi là kênh truyền tải _ bearer) bị giới hạn ở mức 384 Kbit/s. Chỉ
một số ít người dùng có thể nhận cùng lúc một kênh như vậy trong một cell. Một nhược điểm khác của việc dùng một kênh dành riêng cho các đường truyền chuyển gói là, mạng phải thường xuyên cấp phát lại các mã trải cho những người dùng khác nhau. Điều này là cần thiết, bởi vì hầu hết các cuộc truyền chuyển gói thường truyền dữ liệu dồn dập, và vì thế chỉ yêu cầu một kênh truyền thông lượng cao trong một thời gian giới hạn thôi. Để dùng lại mã trải cho những người dùng khác, mạng cần thay đổi độ dài mã trải của một kênh dữ liệu dành riêng ngay khi nó không được dùng đầy đủ nữa, hay thậm chí ánh xạ đường truyền đang sử dụng kênh riêng ấy vào một kênh điều khiển chung (P-CCPCH hoặc S-CCPCH) để cấp phát tài nguyên của kênh riêng ấy cho những người dùng khác. Trong thực tế, điều này tạo ra một phụ phí báo hiệu (signaling overhead) cao mà người dùng lại thấy tốc độ truyền không cao. Vì vậy, người ta đã quyết định rằng cần một phương thức cải tiến, cung cấp những tốc độ truyền cao hơn và mềm dẻo uyển chuyển hơn cho những cuộc truyền dữ liệu dồn dập. Kết quả của quá trình cải tiến này ngày nay được gọi là HSPA (High-Speed Packet Access), mà nhiều người còn gọi là 3.5G. Chuẩn này sẽ được bàn trong mục 2.3.