Về nguyên tắc, femtocell cũng giống nhƣ UMA/GAN ngoại trừ việc femtocell sử dụng băng tần cấp phép 2G/3G thay vì băng tần không phép nhƣ WiFi hay Bluetooth. Do vậy, giải pháp UMA/GAN có thể đƣợc mở rộng đế hỗ trợ giải pháp femtocell bằng cách tích thêm các chức năng của FGW vào
trong bộ điều khiển GANC. Hƣớng giải pháp này rất phù hợp cho những nhà cung cấp mạng đã triển khai hạ tầng GAN/UMA để cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng của công nghệ HSPA (High Speed Packet Access).
Nhìn chung công nghệ UMA cho phép thực hiện các dịch vụ GSM /GPRS trên các băng tần không cấp phép (sử dụng cho Bluetooth và WiFi). UMA đã đƣợc 3GPP chuẩn hóa với tên gọi là công nghệ GAN (Generic Access Network). UMA/GAN đề nghị một thực thể mới gọi là GANC (GAN controller), hay UNC (UMA Network Controller) để thực hiện các chức năng giống nhƣ một bộ điều khiển trạm gốc BSC trong GSM. GAN định nghĩa một giao diện Up mới giữa GANC và thiết bị di động UE.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Kiến trúc đƣợc kết nối. Tuy nhiên các liên lạc giữa femtocell và FGW sẽ đƣợc thực hiện trên giao diện Up của giải pháp UMA. Chồng giao thức báo hiệu của giải pháp này đƣợc minh họa ở hình 2.7 dƣới đây.
Hình 2.7. Giao thức dựa trên UMA/GAN 2.4.3. Kiến trúc dựa trên IMS
Kiến trúc IMS đƣợc phân thành 3 lớp : lớp ứng dụng, lớp điều khiển (hay còn gọi là lớp IMS hay IMS lõi) và lớp vận tải (hay lớp ngƣời dùng).
- Lớp dịch vụ bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ thuê bao thƣờng trú HSS (Home Subscriber Server).
- Lớp điều khiển bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi. - Lớp vận tải bao gồm thiết bị ngƣời dùng UE (User Equipment), các mạng truy nhập kết nối vào mạng lõi IP. Hai thực thể chức năng NASS và RACS định nghĩa bởi TISPAN có thể đƣợc xem nhƣ thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển ở trên.
Tại thời điểm hiện tại, kiến trúc cuối cùng của IMS chƣa đƣợc thống nhất. Tuy nhiên về cơ bản nó sẽ vẫn dựa trên các thành phần nhƣ miêu tả trong hình 2.8 Một điểm đáng lƣu ý là kiến trúc IMS là một kiến trúc chức năng, tức là các thực thể đƣợc định nghĩa dựa theo các chức năng của chúng. Điều này có nghĩa là chúng có thể đƣợc thiết kế trên cùng một thiết bị phần cứng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Lớp dịch vụ:
Máy chủ ứng dụng AS (Application Server) là nơi chứa đựng và vận hành các dịch vụ IMS. AS tƣơng tác với S-CSCF thông qua giao thức SIP để cung cấp dịch vụ đến ngƣời dùng. Máy chủ VCC (Voice Call Continuity), đang đƣợc phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP, là một ví dụ về máy chủ ứng dụng AS. AS có thể thuộc mạng thƣờng trú hay thuộc một mạng thứ ba nào đó. Nếu AS là một phần của mạng thƣờng trú, nó có thể giao tiếp trực tiếp với HSS thông qua giao thức DIAMETER để cập nhật thông tin về hồ sơ ngƣời dùng (user profiles). AS có thể cung cấp các dịch vụ nhƣ quản lý sự hiện diện (presence) của ngƣời dùng trên mạng, quản lý quá trình hội thảo trực tuyến, tính cƣớc trực tuyến…
Máy chủ quản lý thuê bao thƣờng trú HSS (Home Subscriber Server) có thể xem nhƣ là một cải tiến của bộ đăng ký định vị thƣờng trú HLR (Home Location Register). HSS là một cơ sở dữ liệu lƣu trữ thông tin của tất cả khách hàng thuê bao. Nó chứa đựng các thông tin nhƣ nhận dạng ngƣời dùng, tên của S-CSCF gán cho ngƣời dùng, hồ sơ roaming, thông số xác nhận thực cũng nhƣ thông tin về dịch vụ thuê bao. Trong trƣờng hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị ngƣời dùng SLF (Subscriber location Function) sẽ đƣợc thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của ngƣời dùng tƣơng ứng.
Lớp lõi IMS:
Chức năng của lõi IMS là quản lý việc tạo lập phiên liên lạc và dịch vụ đa phƣơng tiện. Các chức năng của nó bao gồm:
CSCF (Call Session Control Function) có nhiệm vụ thiết lập, theo dõi, hỗ trợ và giải phóng các phiên đa phƣơng tiện cũng nhƣ quản lý những tƣơng tác dịch vụ của ngƣời dùng. CSCF đƣợc phân ra 3 loại : Serving-CSCF, Proxy-CSCF và Interogating-CSCF.
Proxy-CSCF (P-CSCF) là một proxy SIP. Sở dĩ gọi là proxy vì nó có thể nhận các yêu cầu dịch vụ, xử lý nội bộ hoặc chuyển tiếp yêu cầu đến các bộ phận khác trong hệ thống IMS. Đây là điểm kết nối đầu tiên giữa hạ tầng IMS và ngƣời dùng IMS/SIP. Một vài hệ thống mạng có thể dùng SBC (Session Border Controller)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
để thực hiện chức năng này. Để kết nối với hệ thống IMS, ngƣời dùng trƣớc tiên phải đăng ký với P-CSCF trong mạng mà nó đang kết nối. Địa chỉ của P-CSCF đƣợc truy cập thông qua giao thức DHCP hoặc sẽ đƣợc cung cấp khi ngƣời dùng tiến hành thiết lập kết nối PDP.
(Packet Data Protocol) trong mạng thông tin di động gói tế bào. Chức năng của P-CSCF bao gồm:
P-CSCF nằm trên đƣờng truyền của tất cả các thông điệp báo hiệu trong hệ thống IMS. Nó có khả năng kiểm tra bất kỳ thông điệp nào. P-CSCF có nhiệm vụ đảm bảo chuyển tải các yêu cầu từ UE đến máy chủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng nhƣ những thông điệp phản hồi từ máy chủ SIP về UE.
P-CSCF xác thực ngƣời dùng và thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết bị IMS của ngƣời dùng. Nó còn có vai trò ngăn cản các tấn công nhƣ spoofing, replay để đảm bảo sự bảo mật và an toàn cho ngƣời dùng.
P-CSCF cũng có thể nén và giải nén các thông điệp SIP để giảm thiểu khối lƣợng thông tin báo hiệu truyền trên những đƣờng truyền tốc độ thấp.
P-CSCF có thể tích hợp chức năng quyết định chính sách PDF (Policy Decision Function) nhằm quản lý và đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phƣơng tiện.
Lớp vận tải:
Ở đây, chúng ta tạm xem NASS và RACS là 2 thành phần thuộc lớp vận tải. Vài trò của 2 thành phần này đƣợc miêu tả dƣới đây:
NASS (Network Attachment Subsystem): Chức năng chính của NASS bao gồm: Cung cấp một cách linh hoạt địa chỉ IP cũng nhƣ các thông số cấu hình khác cho UE (sử dụng DHCP)
Xác nhận thực ngƣời dùng trƣớc và trong quá trình cấp phát địa chỉ IP Cấp phép cho mạng truy nhập dựa trên hồ sơ mạng
Quản lý định vị ngƣời dùng
Hỗ trợ quá trình di động và roaming của ngƣời dùng.
RACS (Resource & Admission Control Functionality) bao gồm 2 chức năng chính là: chức năng quyết định chính sách dịch vụ (S-PDF) và chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập (A-RACF).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
S-PDF (Serving Policy Decision Function), dƣới yêu cầu của các ứng dụng, sẽ tạo ra các quyết định về chính sách (policy) bằng việc sử dụng các luật chính sách và chuyển những quyết định này tới A-RACF. S-DPF cung cấp một cách nhìn trừu tƣợng về các chức năng truyền tải với nội dung hay các dịch vụ ứng dụng. Bằng cách sử dụng S-DPF, việc xử lý tài nguyên sẽ trở nên độc lập với việc xử lý dịch vụ.
A-RACF (Access Resource and admission Control Function) nhận các yêu cầu về tài nguyên QoS từ S-PDF. A-RACF sẽ sử dụng thông tin QoS nhận đƣợc từ S-PDF để quyết định chấp nhận hay không chấp nhận kết nối. A-RACF cũng thực hiện chức năng đặt trƣớc tài nguyên và điều khiển các thực thể NAT/Firewall.
Giải pháp này nhằm kết nối femtocell trực tiếp với mạng lõi IMS (IP Multimedia Subsystem). Một giải pháp thay thế trong cùng hƣớng này là dùng softwitch trong đó các femtocell đƣợc kết nối với các softwitch thông qua giao diện SIP (Session Initiation Protocol). Việc kết nối trực tiếp với IMS lõi mang lại nhiều lợi ích nhƣ: giảm tải lƣu lƣợng cho mạng lõi di động vì lƣu lƣợng từ các femtocell sẽ không phải đi qua mạng lõi, giảm thời gian truyền tải vì giảm số nút mạng mà một gói thông tin phải đi qua. Cuối cùng, đây một giải pháp dài hạn để cung cấp dịch vụ đa phƣơng tiện của IMS trong tƣơng lai.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.9. Bộ nhớ dựa trên IMS/SIP
Có nhiều cách để tích hợp hàng nghìn femtocells với mạng lõi di động. Mỗi giải pháp có những điểm mạnh và những điểm yếu riêng, có sức hấp dẫn riêng đối với từng nhóm nhà cung cấp dịch vụ. Trong mọi trƣờng hợp, phần cứng của femtocell sẽ không thay đổi, chỉ có phần mềm và giao diện báo hiệu mà femtocell phải hỗ trợ là thay đổi
Để đảm bảo sự chuyển giao liên tục từ femtocell đến macrocell, mạng lõi di động và mạng lõi IMS sẽ phải phối hợp các thông điệp quản lý di động và điều khiển quản lý tài nguyên một cách riêng biệt trên mạng vận tải báo hiệu, đồng thời đảm bảo sự liền mạch của cuộc gọi. Khi chuyển giao từ macrocell sang femtocell, MSC đóng vai trò là điểm neo. Báo hiệu chuyển giao đƣợc khởi tạo trên mạng IMS thông qua CSCF.
2.5. Những nguyên tắc tổ chức hệ thống tế bào nhỏ
Về tổ chức hệ thống tế bào nhỏ trong phần này luận văn sẽ làm rõ thuộc tính của femtocell, bao gồm nhƣ: một số nền tảng lịch sử, các giải pháp tế bào nhỏ có thể lựa chọn, có hiệu lực đối với vùng phủ trong nhà và dung lƣợng cần thiết, và sự kết hợp duy nhất các hệ số tạo nên femtocell về mặt kỹ thuật có thể thực hiện đƣợc.
2.5.1. Nguyên tắc tế bào
Nét đặc trƣng của các hệ thống vô tuyến tế bào là một số lƣợng không hạn chế lƣu lƣợng có thể đƣợc phục vụ bởi một số lƣợng hạn chế băng thông phổ tần. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách tái sử dụng phổ làm mật độ tăng lên nhƣ số lƣợng thuê bao trong một vùng đã cho tăng lên và bởi sự bảo đảm rằng nhiễu phát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ra đƣợc kiểm soát và quản lý nhằn ngăn ngừa sự tổn hại đến các dịch vụ đƣợc trải nghiệm bởi các khách hàng
Biện pháp cơ bản nhất thực hiện tái sử dụng phổ một cách dễ ràng là trực tiếp tái sử dụng tần số tại trạm gốc bảo đảm một khoảng cách phù hợp nhằn giảm tối thiểu nhiễu lẫn nhau.
Thực tế, các phƣơng pháp sử dụng để tái sử dụng phổ trong các hệ thống nhƣ hiện nay là tinh vi hơn, và thế giới thực là không cƣ trú với các vùng phủ lục giác đó, nhƣng nguyên lý vẫn áp dụng và duy trì vô cùng mạnh, bởi sự cho phép của các nhà điều hành lập kế hoạch và tối ƣu tái sử dụng tần số trong băng thông đƣợc cấp phép của họ mà không cần nhờ đến một sự trợ giúp, một sự điều chỉnh nào.
Để tăng cho các dịch vụ di động (Tốc độ bít) theo băng rộng và tăng dung lƣợng phổ có giá trị từ một phổ tần và số tế đã cho, nhiều nghiên cứu và phát triển nên sự cải thiện định dạng tín hiệu phát và trên công nghệ trong các máy phát, máy thu cho phép hiệu suất phổ tần hệ thống (bit/giây/HZ) tăng đáng kể
Chỉ riêng nhƣ vậy sẽ không đủ cho việc phát triển các yêu cầu về lƣu lƣợng, mặc dù điều đó là rất lớn lao nhƣng nó không trở nên sát với các yêu cầu khách hàng, mà đƣợc tăng lên bởi cấp độ rất lớn
Ví dụ: sự chuyển tiếp cho các hệ thống di động thứ 3 và thứ 4 đƣợc mong đợi cho việc tăng hiệu suất phổ tần từ 2 đến 5 lần và phải mất khoảng một thập kỷ để hoàn thành.
2.5.2. Các kiểu tế bào và tại sao lại có femtocell?
Tế bào đƣợc phát triển theo hƣớng các tế bào nhỏ hơn khi nổi lên của femtocell.
Megacell: Loại tế bào cực lớn này cung cấp bởi hệ thống vệ tinh cho các thuê bao di động, chúng có một vùng phủ cực rộng với mật độ thuê bao thâp vừa phải.
Một vệ tinh đơn lẻ trong một quỹ đạo thấp sẽ chủ yếu bao phủ một vùng có đƣờng kính 1000km, hầu hết các hệ thống làm việc các băng L và S (từ 1 đến 4 GHz) cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ thấp, còn các hoạt động ở băng tần cao nhƣ bằn ka( từ 26 đến 40 GHz)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Microcell: Loại tế bảo nhỏ này đƣợc thiết kế cho mật độ lƣu lƣợng cao trong các vùng đô thị và ngoại ô đối với các thuê bao ở cả ngoài trời và bên trong các toà nhà. Các ăng ten trạm gốc đƣợc đặt gần sát dƣới nóc của toà nhà. Độ dài tế bào vào khoảng 500 mét, đƣợc hoạt động ở băng tần VHF và UHF.
Macoro: Là loại tế bào lớn đƣợc thiết kế cung cấp bởi các dịch vụ di
động( cả thoại và dữ liệu, đặc biệt là ngoài trời cho các môi trƣờng nông thôn, ngoại ô. Chúng gần nhƣ chi phối cho các các mạng di động ngày nay. An ten của trạm gốc đƣợc bố trí cao hơn các toà nhà xung quanh, tạo nên một tế bào có bán kính khoảng 500 mét tới vài trục KM, băng tần chủ yếu là VHF và UHF(từ 30 MHz đến 3GHz)
Picocell: Là loại tế bào rất nhỏ chúng đƣợc thiết kế đối với mật độ lƣu lƣợng rất lớn hoặc ứng dụng có tốc độ dữ liệu cao trong các môi trƣờng trong nhà. Các thuê bao có thể là di động hoặc là cố định
Vùng phủ đƣợc xác định bởi hình dạng và các đặc điểm của căn phòng, chất lƣợng dịch vụ cúng nhƣ sự can nhiễu xung quanh.
Cả Microcell và Picocell đều sử dụng các tiền tố vay mƣợn từ các tiền tố sử dụng để chỉ các khối lƣợng nhỏ trong các đơn vị SI, ở đó Micro biểu thị 10-6
và pico biểu thị 10-12 . Nano với giá trị 10-9
đã đƣợc sử dụng nhƣ một thuật ngữ cho một sản phẩm riêng biệt
Femtocell biểu thị 10-15
, đƣợc mêu tả để truyền đạt một cách sáng tỏ rằng femtocell hoạt động trong một phạm vi thậm chí còn nhỏ hơn cả picocell. Không có bất cứ điều gì hệ trọng khi đề xuất attocell(10-18
), zeptocell(10-21) hoặc yactocell (10-24).
2.5.3. Các hiệu quả cho phổ tần
Các dịch vụ bổ xung thêm từ các hệ thống không dây tăng lên rất nhanh chóng, trong khi đó phổ tần thi không tăng lên đƣợc. Sự cung cấp phổ tần đƣợc tăng lên tới một số giới hạn bởi quyền lực của nhà điều hành mở ra các băng tần mới và loại bỏ sự cản trở ở một trong các băng hiện thời, nhƣng toàn bộ số lƣợng là không thể tăng đủ nhanh đối với điều đó chỉ băng giải pháp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ngoài ra còn có một số cách để đo đạc hiệu suất phổ nếu coi hiệu suất phổ nhƣ một giá trị mật độ thuê bao có thể đồng thời truy nhập thông lƣợng dữ liệu đã cho hoặc tổng thông lƣợng có giá trị trên một vùng nào đó, thì chúng ta có thể biểu diễn hiệu suất phổ theo bit trên giây trêm Hz trên km2
hoặc theo công thức sau. Tổng thông lƣợng dữ liệu
Hiệu suất phổ =
Phổ sử dụng x đơn vị diện tích
Thông lƣợng dữ liệu trên tế bào x Số tế bào =
Phổ sử dụng x Đơn vị diện tích Tổng thông lƣợng dữ liệu trên tế bào =
Phổ sử dụng
= (Hiệu suất điều chế và mã hoá) x (Mật độ tế bào)
Nhƣ vậy cho thấy 2 cách cơ bản để tăng hiệu suất phổ. Có thể tăng hiệu suất điều chế và mã hoá của hệ thống, nghĩa là khả năng của nó chuyển một tốc độ bít trong một phổ tần đã cho trong mỗi tế bào hoặc chúng ta có thể tăng mật độ tế bào trong hệ thống lên. Hầu hết sự chú ý cho đến bây giờ là tăng hiệu suất điều chế và mã hoá lên mỗi công nghệ không dây đƣa ra đều hoàn thành các lợi ích đáng kể trên mỗi công nghệ trƣớc đó. Tuy nhiên cơ hội để thực hiện điều này bị giảm đi theo thời gian. Không giống nhƣ định