2.3.1 UE (User Equipment)
Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN.
Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN bao gồm hai hay nhiều phân hệ mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem) kết nối tới mạng lõi trên giao diện IU và kết nối với nhau trên giao diện Iur .Mỗi một RNS bao gồm các nút B (Node B) và một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC ,mỗi RNC có thể nối với một hay nhiều Node B .Các Node B được kết nối với RNC thông qua giao diện Iub và các RNC được kết nối với nhau thông qua giao diện Iur.
UTRAN có các đặc tính chính sau :
-Quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.
+Đảm bảo tính chung Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi.
+Đảm bảo tính chung nhất với GSM
+Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN. -Chức năng của các phần tử trong hệ thống con mạng vô tuyến
+Nút B để chuyển đổi dòng dữ liệu giữa các giao diện Iub và Uu .Chức năng chủ yếu của nút B là thực hiện xử lý lớp vật lý của giao diện vô tuyến (mã hóa kênh ,đan xen ,thích ứng tốc độ ,trải phổ ,điều khiển công suất …) .Ngài ra nút B còn tham gia khai thác và quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong về phần chức năng thì nó giống như trạm gốc GSM.
+Bộ điều khiển mạng vô tuyến của (RNC) : RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thường là với một MSC và một SGSN) qua giao diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc ngẽn cho các ô của mình. Khi một
Node BNode B Node BNode B RNCRNC Node BNode B Node BNode B RNCRNC RNS RNS Iub Iur UTRAN MSC/VLR GGSN CN IU CS IU PS UU USIM ME CU UE Hình 2.3 Cấu trúc UTRAN
MS UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng bịêt
+RNC phục vụ (Serving RNC) : SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cả đường nối IU để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ mạng lõi. SRNC cũng là kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến. Nó 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 sử dụng để MS kết nối với UTRAN.
RNC trôi (Drif RNC) : DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các ô được MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và 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. Một UE có thể không có hoặc có một hay nhiều DRNC.
2.3.3 Mạng lõi CN.
Các phần tử của mạng lõi CN thực hiện các chức năng liên quan đến chuyển mạch định tuyến và kết nối số liệu .Chức năng cụ thể của từng phần tử như sau :
• HLR (Bộ định vị thường trú ) là một cơ sở dữ liệu được đặt tại hệ thống chủ của người sử dụng để lưu bản sao chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng .Lý lịch dịch vụ này bao gồm :Thông tin được phép về các dịch vụ ,các vùng không được phép chuyển mạng và thông tin về các dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi ,số lần chuyển hướng cuộc gọi … Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu trong HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao .HLR thường là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạng nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao.
• MSC/VLR (Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động /bộ ghi định vị tạm trú ) :Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nó .Chức năng của MSC là sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh ,chức năng của VLR là lưu trữ văn bản sao lưu về lý lịch của người sử dụng khách cũng như vị trí chính xác hơn của UE trong hệ thống
đang phục vụ .Phần mạng được truy nhập qua MSC/VLR thường được gọi là vùng chuyển mạch kênh CS.
• GMSC (Gateway MSC ) :Là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS PLMN và mạng CS bên ngoài (CS ext) .GMSC trên thực tế thường được tích hợp vào cùng MSC/VLR.
• SGSN (Serving GPRS Support Node) :Điểm hỗ trợ GPRS đang phục vụ SGSN trong W-CDMA UMTS khác với SGSN trong GPRS ở giao diện với RNC .Các giao diện IU PS được đưa vào W-CDMA UMTS để tăng cường cho Gb là giao diện nối giữa BSS và SGSN trong GPRS .Giao diện IU PS có khả năng hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực .Một điểm khác giữa 2,5G và 3G SGSN là chức năng nén và mật mã ,2.5G SGSN tối ưu có sự sử dụng đoạn nối vô tuyến bằng cách nén tiêu đề TCP/IP còn ở 3G người sử dụng :GTP-U Tunnel giữa GGSN và SGSN và một Tunnel khác giữa SGSN và RNC còn ở GPRS chỉ có một Tunnel giữa GGSN và SGSN.
GGSN (Gateway SGSN) :GGSN là điểm neo cho UE và có thể được coi như là một Router mặc định .Việc chọn GGSN dựa trên APN (Access Point Name :tên điểm truy nhập) .Khi UE yêu cầu thiết lập một PDP context ,APN được đặt vào yêu cầu .Trên cơ sở yêu cầu APN ,SGSN hỏi DSN để xác định GGSN đích để chuyển yêu cầu .Trả lời DSN xác định GGSN và PDP context được thiết lập với GGSN này .GGSN trong W-CDMA UMTS giống với GGSN trong GPRS .Nhưng cần lưu ý ,khác với GPRS GGSN có thể hỗ trợ một PDP context cho một người sử dụng ,nó cũng có khả năng ấn định một địa chỉ IP cho nhiều PDP context của một UE ,điều này là không thể trong GPRS.
2.4 Giao diện của W-CDMA Giao diện Iu Giao diện Iu
Giao diện IU là một giao diện mở có chức năng kết nối UTRAN với CN. Iu có hai kiểu : Iu CS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh và Iu PS để kết nối UTRAN với chuyển mạch gói.
Hình 2.4 Cấu trúc giao thức IU CS
IU CS sử dụng phương thức truyền tải ATM trên lớp vật lý là kết nối vô tuyến, cáp quang hay cáp đồng. Có thể lựa chọn các công nghệ truyền dẫn khác nhau như SONET, STM-1 hay E1 để thực hiện lớp vật lý.
- Control Plane :Ngăn xếp giao thức phía điều khiển gồm RANAP trên đỉnh giao diện SS7 băng rộng và các lớp ứng dụng là phần điều khiển kết nối báo hiệu SCCP, phần truyền bản tin MTP3-b, và lớp thích ứng báo hiệu ATM cho các giao diện mạng –mạng ( SAAL-NNI gồm SSCF ,SSCOP ,AAL5) .Lớp SSCF và SSCOP được thiết kế để vận chuyển báo hiệu trong mạng ATM ,quản lý kết nối báo hiệu ,AAL5 giúp phân đoạn dữ liệu tới những cell ATM.
- Transport Network Control Plane :Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải gồm các giao thức báo hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630) và lớp thích ứng Q.2150 ở đỉnh các giao thức SS7 băng rộng.
- User Plane :Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng gồm một kết nối AAL2 được dành trước cho từng dịch vụ CS riêng.
• Cấu trúc IU PS
Hình 2.5 Cấu trúc giao thức IU PS
Phương thức truyền tải ATM được áp dụng cho cả phía điều khiển và phía người sử dụng.
- Control Plane :Ngăn xếp giao thức phía điều khiển IU PS là chứa RANAP và vật mang báo hiệu SS7.Ngoài ra cũng có thể định nghĩa vật mang báo hiệu IP ở ngăn xếp này .Vật mang báo hiệu trên cơ sở IP bao gồm :M3UA ( có SS7 MTP3 User Adaption Layer) ,SCTP (Simple Control Transmission Protocol) ,IP (Internet Protocol) và ALL5 chung cho cả hai tuỳ chọn ,SCTP có chức năng vận chuyển báo hiệu trong Internet.
- Transport Network :Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải IU PS là không hiệu quả với IU PS. Các phần tử thông tin sử dụng để đánh địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 giống như các phần tử thông tin được sử dụng trong CS.
- User Plane :Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng Iu PS là luồng số liệu gói được ghép trên một hay nhiều kết nối ảo AAL5 PVC (Permanent Virtual Connection). Phần người sử dụng giao thức tunneling GPRS là cung cấp nhiều nhận dạng cho từng luồng dữ liệu gói riêng .Mỗi luồng số liệu sử dụng truyền tải không kết nối thông UDP và đánh địa chỉ IP.
• Giao diện RNC – RNC, IUr
IUr là giao diện vô tuyến giữa các bộ điều khiển mạng vô tuyến. Lúc đầu giao diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trong quá trình phát triển tiêu chuẩn nhiều tính năng đã được bổ sung và đến nay giao diện IUr phải đảm bảo 4 chức năng sau :
- Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC. - Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng.
- Hỗ trợ kênh lưu lượng chung.
- Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu.
• Giao diện RNC – Node B, IUb
Giao thức IUb định nghĩa cấu trúc khung và các thủ tục điều khiển trong băng cho các từng kiểu kênh truyền tải. Các chức năng chính của IUb :
- Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng.
- Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vô tuyến. - Xử lý các kênh riêng và kênh chung.
- Xử lý kết hợp chuyển giao. - Quản lý sự cố kết nối vô tuyến
2.5.Cấu trúc phân kênh của WCDMA
Cũng như trong các hệ thống thông tin di động thế hệ hai, các kênh thông tin trong WCDMA được chia ra làm hai loại tuỳ thuộc vào quan điểm nhìn nhận. Theo quan điểm truyền dẫn ta sẽ có các kênh vật lý còn theo quan điểm thông tin ta sẽ có các kênh truyền tải.
Lớp vật lý ảnh hưởng lớn đến sự phức tạp của thiết bị về mặt đảm bảo khả năng xử lý băng tần cơ sở cần thiết ở trạm gốc và trạm đầu cuối. Trên quan điểm các hệ thống thông tin di động thế hệ ba là các hệ thống băng rộng, vì vậy không thể thiết kế lớp vật lý chỉ cho một dịch vụ thoại duy nhất mà cần đảm bảo tính linh hoạt cho các dịch vụ tương lai.
2.5.1 Kênh vật lý
Kênh vật lý đường lên gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) và một kênh điều khiển vật lý (DPCCH).
a. Kênh vật lý riêng đường lên
Kênh điều khiển vật lý (DPCCH)
Kênh điều khiển vật lý đường lên được sử dụng để mang thông tin điều khiển lớp vật lý. Thông tin này gồm : các bit hoa tiêu để hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quán, các lệnh điều khiển công suất (TCP : Transmit Control Power), thông tin hồi tiếp (FBI : Feedback Information) và một chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI).
Thông số k xác định số bit trên khe của DPDCH/DPCCH đường lên. Mỗi khung có độ dài 10ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip ứng với 666μs, tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất. Như vậy độ rộng khe gần bằng với độ rộng khe ở GSM (577μs). Các bit FBI được sử dụng khi sử dụng phân tập phát vòng kín ở đường xuống. Có tất cả 6 cấu trúc khe cho DPCCH đường lên. Có các tuỳ chọn sau : 0, 1 hay hai bit cho FBI và có hoặc không các bit TFCI. Các bit hoa tiêu và TPC luôn luôn có mặt và số bit của chúng được thay đổi để luôn sử dụng hết khe DPCCH.
Kênh số liệu vật lý riêng DPDCH
Kênh truyền số liệu cho người sử dụng, tốc độ số liệu của DPDCH có thể thay đổi theo khung. Thông thường đối với các dịch vụ số liệu thay đổi, tốc độ số liệu của kênh DPDCH được thông báo trên kênh DPCCH. DPCCH được phát liên tục và thông tin về tốc độ trường được phát bằng với chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI), là thông tin DPCCH về tốc độ số liệu ở khung DPDCH hiện hành. Nếu giải mã TCFI không đúng thì toàn bộ khung số liệu bị mất. Tuy nhiên độ tin cậy của TCFI cao hơn số liệu nên ít khi xảy ra mất TCFI.
Hoa tiêu TFCI FBI TCP
Npilot bit NTFCI bit NFBI bit NTPC bit
Số liệu Ndata bit
Tkhe = 2560 chip, 10.2k bit (k = 0…6)
Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14
Một khung vô tuyến : Tf = 10ms DPDCH
DPCCH
b. Kênh vật lý chung đường lên
Kênh truy cập ngẫu nhiên PRACH
Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) được sử dụng để mang RACH. - Phát RACH : Phát truy nhập ngẫu nhiên dựa vào phương pháp ALOHA theo phân khe với chỉ thị bắt nhanh. Cứ hai khung thì có 15 khe truy nhập và khoảng cách giữa chúng là là 5120 chip. Các lớp cao cung cấp thông tin về khe truy nhập sử dụng ở hiện thời.
- Phần tiền tố của RACH : Phần tiền tố của cụm truy nhập ngẫu nhiên gồm 256 lần lặp một chữ ký.
Kênh truy nhập #0
#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14 #0
Khung vô tuyến 10ms Khung vô tuyến 10ms 5120 chip
Phát truy cập ngẫu nhiên Kênh truy nhập #1
Kênh truy nhập #7 Kênh truy nhập #8 Kênh truy nhập #14
Hình 2.7. Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng
Phát truy cập ngẫu nhiên Phát truy cập ngẫu nhiên Phát truy cập ngẫu nhiên
- Phần bản tin của RACH : Khung vô tuyến phần bản tin 10ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip. Mỗi khe gồm hai phần : phần số liệu mang thông tin lớp 2 và phần điều khiển mang thông tin lớp 1. Cả hai phần được phát đồng thời. Phần số liệu gồm 10.2k bit với k = 0, 1, 2, 3. Phần điều khiển gồm 8 bit hoa tiêu để hỗ trợ sự đánh giá cho tách sóng nhất quán và hai bit TFCI . Tổng số bit TFCI trong bản tin truy nhập ngẫu nhiên là 30. Giá trị của TFCI tương ứng với một khuôn dạng truyền tải nhất định của bản tin truy nhập hiện thời.
Kênh gói chung PCPCH
Kênh gói chung vật lý được sử dụng để mang CPCH. PCPCH thực chất là sự mở rộng của RACH. Sự khác nhau cơ bản so với RACH là kênh này có thể dành
Tiền tố Tiền tố Tiền
tố Tiền tố Tiền tố Phần bản tin Phần bản tin 4096 chip 4096 chip
10ms (Một khung vô tuyến)
20ms (Hai khung vô tuyến) Hình 2.8. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên
Tiền tố
Số liệu Ndata bit
Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14
Khung vô tuyến phần bản tin TRACH = 10 Hoa tiêu Npilot bit
Tslot = 2560 chip, 10.2k bit (k=0..3)
Số liệu
Điều khiển
trước nhiều khung và có sử dụng điều khiển công suất.
- Phát CPCH : Phát CPCH dựa trên nguyên tắc DSMA – CD (DSMA – Collision Detection) với chỉ thị bắt nhanh. Phát truy nhập ngẫu nhiên CPCH gồm một hay nhiều tiền tố truy nhập (AP : Access Preamble) dài 4096 chip, một tiền tố phát hiện tranh chấp (CDP : Collisiion Detection Preamble) dài 4096 chip, một tiền tố điều khiển công suất (PCP : Power Control Preamble) dài từ 0 đến 8 khe và một bản tin có độ dài khả biến Nx10ms.
- Phần tiền tố truy nhập CPCH : Phần tiền tố truy nhập ngẫu nhiên CPCH tương