W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là phỏt triển của GSM để cung cấp cỏc khả năng cho thế hệ ba. W-CDMA sử dụng cụng nghệ DS-CDMA băng rộng và mạng lừi được phỏt triển từ GSM và GPRS. W-CDMA cú thể cú hai giải phỏp cho giao diện vụ tuyến: ghộp song cụng phõn chia theo tần số (FDD: Frequency Divison Duplex) và ghộp song cụng phõn chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex). Cả hai giao diện này đều sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA). Giải phỏp thứ nhất sẽ được triển khai rộng rói cũn giải phỏp thứ hai chủ yếu sẽ được triển khai cho cỏc ụ nhỏ (micro và pico).
Giải phỏp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai súng mang phõn cỏch nhau 190 MHz: đường lờn cú băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz, đường xuống cú băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 MHz. Mặc dự 5 MHz là độ rộng băng danh định, ta cũng cú thể chọn độ rộng băng từ 4.4 MHz đến 5 MHz với nấc tăng là 200 kHz. Việc chọn độ rộng băng đỳng đắn cho phộp ta trỏnh được nhiễu giao thoa, nhất là khi băng tần 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thỏc khỏc.
Giải phỏp TDD sử dụng cỏc tần số nằm trong dải 1900 MHz đến 1920 MHz và từ 2010 Mhz đến 2025 Mhz; ở đõy dường lờn và đường xuống sử dụng chung một băng tần.
Giao diện khụng gian của W-CDMA hoàn toàn khỏc với GSM và GPRS, W- CDMA sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chớp là 3,84 Mchip/s. Trong W-CDMA, mạng truy nhập vụ tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Cỏc phần tử của UTRAN rất khỏc với cỏc phần tử của mạng truy nhập vụ tuyến ở GSM. Vỡ thế khả năng sử dụng lại cỏc BTS và BSC của GSM là rất hạn chế. Một số nhà sản xuất cũng đó cú kế hoạch nõng cấp cỏc GSM BTS cho W-CDMA. Đối với cỏc nhà sản xuất này cú thể chỉ thỏo ra một số bộ thu phỏt GSM từ BTS và thay vào đú cỏc bộ thu phỏt mới cho W-CDMA. Một số rất ớt nhà sản xuất cũn lập kế hoạch xa hơn. Họ chế tạo cỏc BSC đồng thời cho cả GSM và W-CDMA. Tuy nhiờn đa phần cỏc nhà sản xuất phải thay thế BSC trong GSM bằng RNC (Radio Network Controller) mới cho W-CDMA.
W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trỳc của mạng GSM, GPRS hiện cú cho mạng của mỡnh. Kiến trỳc mạng lừi của phỏt hành 3 GPP 1999 được xõy dựng trờn cơ sở
kiến trỳc mạng lừi của GSM/ GPRS. Tuy nhiờn cần phải nõng cấp mạng lừi để cú thể hỗ trợ được cỏc giao diện mới của mạng truy nhập vụ tuyến, tuy nhiờn khụng cần thiết phải cú một kiến trỳc mạng hoàn toàn mới.
Cỏc phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN cú thể được nõng cấp từ mạng hiện cú để hỗ trợ đồng thời W-CDMA và GSM.
Hệ thống thụng tin di động thế hệ 3(3rd Generation) được xõy dựng theo tiờu chuẩn IMT2000. cú 2 chuẩn đang được triển khai là:WCDMA(phỏt triển từ GSM) và CDMA2000 MX(phỏt triển từ CDMA IS95).
4.7. Mụ hỡnh tham khảo mạng W-CDMA
4.7.1. Cấu trỳc mạng cơ sở W-CDMA trong 3 GPP 1999
Hỡnh 4.1 Kiến trỳc mạng trong 3GPP phỏt hành 1999
Hỡnh 3.1 cho thấy cấu trỳc mạng cơ sở W-CDMA trong 3GPP 1999 (tập tiờu chuẩn đầu tiờn cho UMTS).
Mạng lừi gồm cỏc trung tõm chuyển mạch di động (MSC: Mobile Switching Center) và cỏc nỳt hỗ trợ chuyển mạch gúi phục vụ ( SGSN: Serving General Packet Radio Service Support node). Cỏc kờnh thoại và số liệu chuyển mạch gúi được kết nối với cỏc mạng ngoài qua cỏc trung tõm chuyển mạch kờnh và nỳt chuyển mạch gúi cổng:GMSC (khụng được chỉ ra ở hỡnh 4) và GGSN. Để kết nối trung tõm chuyển mạch kờnh với mạng ngoài cần cú thờm phần tử làm chức năng tương tỏc mạng (IWF=Interworking Function). Ngoài cỏc trung tõm chuyển mạch kờnh và nỳt
chuyển mạch gúi, mạng lừi cũn chứa cỏc cơ sở dữ liệu cần thiết cho cỏc mạng di động như: HLR, AUC và EIR.
Khỏc với ở GSM, cỏc BSC trong mạng W-CDMA nối với nhau, trong mạng truy nhập vụ tuyến của UMTS (UTRAN) cú cả giao diện giữa cỏc RNC. Giao diện này là Iur cú tỏc dụng hỗ trợ tớnh di động giữa cỏc RNC và chuyển giao giữa cỏc nỳt B nối với cỏc RNC khỏc nhau. Bỏo hiệu Iur hỗ trợ chuyển giao.
UTRAN được nối đến mạng lừi qua giao diện Iu. Tất cả cỏc giao diện ở UTRAN của 3GPP phỏt hành 1999 đều được xõy dựng trờn cơ sở ATM. ATM được chọn vỡ nú cú khả năng hỗ trợ nhiều loại dịch vụ khỏc nhau (chẳng hạn tốc độ bit khả biến cho cỏc dịch vụ trờn cơ sở gúi và tốc độ bit khụng đổi cho cỏc dịch vụ chuyển mạch kờnh). Mặt khỏc mạng lừi sử dụng cựng một kiến trỳc cơ sở như kiến trỳc của GSM/GPRS, nhờ vậy cụng nghệ mạng lừi hiện cú cũng cú thể hỗ trợ cụng nghệ truy nhập vụ tuyến mới. Chẳng hạn cũng cú thể nõng cấp mạng lừi hiện cú để hỗ trợ UTRAN sao cho một MSC cú thể nối đến cả UTRAN RNC và GSM BSC.
Trong thực tế cỏc tiờu chuẩn UMTS cho phộp hỗ trợ chuyển giao cứng từ UMTS đến GSM và ngược lại. Đõy là một yờu cầu rất quan trọng vỡ cần phải cú thời gian để triển khai rộng khắp UMTS nờn sẽ cú khoảng trống trong vựng phủ của UMTS và vỡ thế thuờ bao UMTS phải cú khả năng nhận được dịch vụ ở vựng phủ của GSM. Nếu UTRAN và GSM BSS được nối đến cỏc MSC khỏc nhau, chuyển giao giữa cỏc hệ thống đạt được bằng cỏch chuyển giao giữa cỏc MSC. Nếu giả thiết rằng nhiều chức năng của MSC/VLR giống nhau đối với UMTS và GSM, MSC cần phải cú khả năng hỗ trợ đồng thời cả hai kiểu dịch vụ. Tương tự SGSN phải cú khả năng hỗ trợ đồng thời kết nối Iu-PS đến RNC và Gb đến GPRS BSC.
Trong hầu hết sản phẩm của cỏc nhà sản xuất, nhiều phần tử mạng đang được nõng cấp để hỗ trợ đồng thời GSM/GPRS và UMTS. Cỏc phần tử mạng này gồm MSC/VLR, HLR, SGSN và GGSN. Đối với nhiều nhà sản xuất, cỏc trạm gốc được triển khai cho GSM/GPRS đó được thiết kế để cú thể nõng cấp chỳng hỗ trợ cho cả GSM và UMTS. Đối với một số nhà sản xuất BSC được nõng cấp để hoạt động như cả hai GSM BSC và UMTS RNC. Tuy nhiờn cấu hỡnh này rất hiếm. Yờu cầu cỏc giao diện và cỏc chức năng khỏc nhau (như chuyển giao mềm) của UMTS RNC chứng tỏ rằng cụng nghệ của nú hoàn toàn khỏc với GSM BSC. Vỡ thế thụng thường ta thấy cỏc UMTS RNC và cỏc GSM BSC tỏch biệt.
4.7.2. Kiến trỳc mạng phõn bố của 3 GPP phỏt hành 4
Hỡnh 4.2 Kiến trỳc mạng phõn bố của 3GPP phỏt hành 4
Phỏt hành 3GPP 4 tạo ra tăng cường đỏng kể cho kiến trỳc mạng lừi. Sự khỏc nhau cơ bản giữa phỏt hành 1999 và phỏt hành 4 là ở chỗ khi này mạng lừi là mạng phõn bố. Về nguyờn tắc, MSC được chia thành cỏc phần nhờ vậy cú thể triển khai theo cỏch phõn bố như cho ở hỡnh. ở kiến trỳc này, MSC được chia thành MSC Server và cổng cỏc phương tiện MGW(Media Gateway).
MSC chứa tất cả cỏc phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động cú ở một MSC tiờu chuẩn. Tuy nhiờn nú khụng chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và cú thể đặt xa MSC Server. MGW khụng chứa cỏc phần mềm núi trờn mà chỉ cú nhiệm vụ thiết lập điều khiển và giải phúng cỏc luồng phương tiện (cỏc luồng tiếng) dưới sự điều khiển của MSC Server. MGW nhận cỏc cuộc gọi từ RNC và định tuyến cỏc cuộc gọi này đến nơi nhận trờn cỏc đường trục gúi. Số liệu gúi từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trờn mạng đường trục IP.
Bỏo hiệu điều khiển cỏc cuộc gọi chuyển mạch kờnh được thực hiện trực tiếp giữa RNC và MSC Server, cũn đường truyền phương tiện cho cỏc cuộc gọi chuyển mạch kờnh được thiết lập giữa RNC và MGW. Trong quỏ trỡnh RNC được kết nối, hai thực thể này đúng vai trũ thiết bị vật lý giống như trong trường hợp RNC kết nối với một MSC truyền thống. MGW nhận cỏc cuộc gọi từ RNC và định tuyến cỏc cuộc gọi này đến nơi nhận trờn một đường trục gúi. Thụng thường đường trục gúi này được xõy dựng trờn cơ sở IP, vỡ thế lưu lượng đường trục là tiếng trờn nền IP (VoIP). Lưu lượng số liệu gúi từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trờn
mạng đường trục IP. Nếu vựng PS cũng sử dụng đuờng trục IP thỡ chỉ cần một đường trục IP duy nhất bờn trong mạng lừi và như vậy cú thể tiết kiệm đỏng kể giỏ thành cho nhà khai thỏc mạng.
Khi cuộc gọi cần được định tuyến đến một mạng khỏc, mạng PSTN chẳng hạn, sẽ cú một cổng cỏc phương tiện khỏc (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC Server). MGW này chuyển đổi tiếng được đúng gúi thành PCM tiờu chuẩn để đưa đến PSTN. Để thớ dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vụ tuyến được truyền tại tốc độ 12,2 kbit/s thỡ tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbit/s ở MGW giao tiếp với PSTN. Truyền tải kiểu đúng gúi này cho phộp tiết kiệm đỏng kể độ rộng băng tần nhất là khi cỏc MGW cỏch xa nhau. Như vậy việc chuyển đổi mó chỉ thực hiện tại điểm kết nối với PSTN và ở mạng đường trục gúi chỉ cần truyền tiếng ở độ rộng băng tần nhỏ hơn, điều này cho phộp giảm giỏ thành của mạng. Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả chức năng của GMSC Server.
MGW cú khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN cú thể chuyển nội hạt, nhờ vậy cú thể tiết kiệm đỏng kể đầu tư. Để làm thớ dụ ta xột trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B. Giả sử thuờ bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt. Nếu khụng cú cấu trỳc phõn bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi cú MSC) để đấu nối với thuờ bao PSTN tại chớnh thành phố A. Với cấu trỳc phõn bố, cuộc gọi cú thể được điều khiển tại MSC thành phố B nhưng đường truyền cỏc phương tiện ở thành phố A, nhờ vậy giảm yờu cầu truyền dẫn.
HSS và HLR cú chức năng tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trờn cơ sở truyền tải gúi trong khi HLR sử dụng giao diện trờn cơ sở bỏo hiệu số 7. Ngoài ra cũn cú cỏc giao diện giữa SGSN với HSS/HLR và giữa GGSN với HSS/HLR (khụng chỉ ra trờn hỡnh).
Rất nhiều giao thức được sử dụng bờn trong mạng lừi là cỏc giao thức trờn cơ sở gúi sử dụng IP hoặc ATM. Tuy nhiờn mạng phải giao tiếp với cỏc mạng khỏc qua việc sử dụng cỏc cổng phương tiện. Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với cỏc mạng SS7 tiờu chuẩn. Giao diện này được thực hiện thụng qua cổng SS7 (SS& GW). Đõy là cổng mà ở một phớa nú hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trờn đường truyền tải SS7 tiờu chuẩn, ở phớa kia nú truyền tải cỏc bản tin ứng dụng SS7 trờn mạng gúi. Cỏc thực thể MSC Server, GMSC Server và HSS liờn lạc với cổng SS7 bằng cỏch
sử dụng cỏc giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang cỏc bản tin SS7 ở mạng IP.
4.7.3. Kiến trỳc mạng đa phƣơng tiện IP của 3GPP
Hỡnh 4.3 Kiến trỳc mạng đa phƣơng tiện IP của 3GPP
Bước phỏt triển tiếp theo của UMTS là kiến trỳc mạng đa phương tiện IP. Bước phỏt triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mụ hỡnh cuộc gọi. ở đõy cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trờn toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cựng. Cú thể coi kiến trỳc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu.
Từ hỡnh 3.3 ta thấy tiếng và số liệu khụng cần cỏc giao diện cỏch biệt, chỉ cú một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện. Trong mạng lừi giao diện này kết cuối tại SGSN và khụng cú MGW riờng. CSCF quản lý việc thiết lập, duy trỡ và giải phúng cỏc phiờn đa phương tiện đến và từ người sử dụng. Nú bao gồm cỏc chức năng như biờn dịch và định tuyến, CSCF hoạt động như một đại diện Server.
SGSN và GGSN là cỏc phiờn bản tăng cường của cỏc nỳt được sử dụng ở GPRS và UMTS phỏt hành 1999 và 4. Điểm khỏc biệt nhau duy nhất là ở chỗ cỏc nỳt này khụng chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gúi mà cả dịch vụ
chuyển mạch kờnh. Chức năng tài nguyờn đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghị được sử dụng để hỗ trợ cỏc tớnh năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phớa và dịch vụ hội nghị.
Cổng bỏo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng bỏo hiệu SS7 để đảm bảo tương tỏc SS7 với cỏc mạng tiờu chuẩn ngoài như PSTN. Cổng bỏo hiệu chuyển mạng (R- SGW) là một nỳt đảm bảo tương tỏc bỏo hiệu với cỏc mạng di động hiện cú sử dụng
SS7 tiờu chuẩn. Trong nhiều trường hợp T-SGW và R-SGW cựng tồn tại trờn cựng một nền tảng.
MGW thực hiện tương tỏc với cỏc mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương tiện. MGW ở kiến trỳc mạng của phỏt hành 3GPP5 cú chức năng giống như ở phỏt hành 4. MGW được điều khiển bởi chức năng cổng điều khiển cỏc phương tiện (MGCF).
Điểm đỏng lưu ý là kiến trỳc này thể hiện sự bổ sung thờm cho mạng lừi chứ khụng thay đổi mạng lừi hiện cú (mạng phỏt hành 4). Phỏt hành 3GPP 5 đưa vào một vựng mạng lừi mới để bổ sung cho cỏc vựng CS và PS, đú là vựng đa phương tiện IP (IM: IP Multimedia). Vựng mới này cho phộp mang cả thoại và số liệu qua IP trờn toàn tuyến nối đến mỏy cầm tay.
Như vậy UTRAN bõy giờ cú thể kết nối đến ba vựng của mạng lừi logic khỏc nhau: vựng CS, vựng PS và vựng đa phương tiện IP(IM). Khi UE muốn sử dụng cỏc dịch vụ của mạng lừi, nú phải chỉ ra vựng mà nú muốn. Lưu ý rằng mặc dự vựng IM là vựng mới, nú vẫn sử dụng cỏc dịch vụ của vựng PS. Vựng này sử dụng SGSN, GGSN, Gn, Gi, ... là cỏc nỳt và giao diện thuộc vựng PS. Tất cả lưu lượng IM đều là gúi và được truyền tải qua cỏc nỳt của vựng PS như SGSN và GGSN. Kiến trỳc IM cho phộp xử lý tiếng và gúi một cỏch thống nhất trờn đường truyền từ UE đến nơi nhận ở đõy xảy ra sự hoà nhập hoàn toàn của tiếng và số liệu, vỡ thế tiếng chỉ là một dạng số liệu cú cỏc yờu cầu QoS riờng. Sự hoà nhập này cho phộp phỏt triển nhiều dịch vụ tiờn tiến mới.
4.7.4. Kiến trỳc mạng di động toàn IP phỏt hành 2000
Hỡnh 4.4 Kiến trỳc mạng di động toàn IP phỏt hành 2000
Hỡnh 4.4 mụ tả kiến trỳc mạng toàn IP trong 3GPP phỏt hành 2000. Kiến trỳc này được xõy dựng trờn cỏc cụng nghệ gúi và điện thoại IP cho đồng thời cỏc dịch vụ thời gian thực và khụng thời gian thực. Kiến trỳc cho phộp hỗ trợ chuyển mạng toàn cầu và tương hợp với cỏc mạng ngoài như: Cỏc mạng thụng tin di động thế hệ hai hiện cú, cỏc mạng số liệu cụng cộng và cỏc mạng VoIP đa phương tiện khỏc.
Kiến trỳc gồm cỏc phần như sau: Mạng vụ tuyến, mạng GPRS, điều khiển cuộc gọi, cỏc cổng đến cỏc mạng ngoài, dịch vụ.
Phần mạng vụ tuyến bao gồm thiết bị liờn quan đến người sử dụng di động, đường truyền vụ tuyến và mạng truy cập vụ tuyến (RAN: Radio Access Network).
Mạng lừi của kiến trỳc toàn IP được thiết kế để nhà khai khỏc cú thể sử dụng cả cỏc mạng truy nhập khỏc như ERAN. ERAN được định nghĩa như là một GSM BSS phỏt triển để hỗ trợ cỏc sơ đồ điều chế EDGE trờn băng tần 200 KHz và cỏc dịch vụ gúi thời gian thực.
Phần mạng GPRS cú cỏc GSN để đảm bảo quản lý di động và cỏc dịch vụ tớch