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 cực phiờn cho cỏc đầu cuối di động. HSS cung cấp chức năng HLR cho mạng GPRS.
CSCF, MGCF, R-SGW, T-SGW và MRF bao gồm cỏc chức năng điều khiển cuộc gọi và bỏo hiệu để truyền cỏc dịch vụ di động thời gian thực.
Lý lịch của người sử dụng được lưu ở HSS. Bỏo hiệu đến mạng IP đa phương tiện chỉ giao diện qua CSCF, cũn vật mang được giao diện trực tiếp với GGSN. MRF giao diện trực tiếp với tất cả cỏc phần tử mạng cho cỏc phương tiện mang và với CSCF cho bỏo hiệu. MRF cung cấp cỏc chức năng trộn, ghộp, xử lý và tạo lập.
Kết nối với cỏc mạng ngoài như PLMN, PDN, cỏc mạng VoIP đa phương tiện, cỏc mạng thế hệ hai hiện cú (GSM và TDMA) được hỗ trợ bởi cỏc phần tử chức năng GGSN, MGCF, MGW, R-SGW và T-SGW. Cỏc mạng PLMN cũng giao diện với cả vật mang và bỏo hiệu qua cỏc phần tử GPRS tương ứng của chỳng. Bỏo hiệu đến cỏc mạng di động hiện cú được giao diện qua R-SGW, CSCF, MGCF, T-SGW và HSS, cũn vật mang được giao diện từ và tới mạng PLMN hiện cú qua MGW. Bỏo hiệu chuyển mạch kờnh hiện cú được giao diện qua CSCF, MGCF và T-SGW cũn vật mang được giao diện từ và tới mạng PSTN hiện cú qua MGW.
4.8. Cỏc kỹ thuật xử lý và truyền dẫn số trong hệ thống WCDMA
4.8.1.Sơ đồ khối của một thiết bị thu phỏt vụ tuyến số trong hệ thống thụng tin di động thế hệ ba:
Hỡnh 4.5 Sơ đồ khối mỏy phỏt (a) và mỏy thu vụ tuyến (b)
Hỡnh 4.5 cho thấy sơ đồ khối của mỏy phỏt và mỏy thu vụ tuyến trong W- CDMA. Lớp vật lý bổ sung CRC cho từng khối truyền tải (TB: Transport Block) là đơn vị số liệu gốc cần xử lý nhận được từ lớp MAC (Medium Access Control - Điều
kờnh và đan xen. Số liệu sau đan xen được bổ sung thờm cỏc bit điều khiển cụng suất phỏt TPC(Transmit Power Control), được sắp xếp lờn cỏc nhỏnh I và Q của QPSK và được trải phổ hai lớp (trải phổ và ngẫu nhiờn hoỏ). Chuỗi chip sau ngẫu nhiờn hoỏ được giới hạn trong băng tần 5 MHz bằng bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai (hệ số dốc bằng 0,22) và được biến đổi thành tương tự bằng bộ biến đổi D/A để đưa lờn điều chế vuụng gúc cho súng mang. Tớn hiệu trung tần (IF) sau điều chế được biến đổi nõng tần vào súng vụ tuyến (RF) trong băng tần 2 GHz, sau đú được đưa lờn khuếch đại trước khi chuyển đến ăng ten để phỏt vào khụng gian.
Tại phớa thu, tớn hiệu thu được khuếch đại bằng bộ khuếch đại tạp õm nhỏ, sau đú được đưa vào tầng trung tần (IF) thu rồi được khuếch đại tuyến tớnh bởi bộ khuếch đại AGC. Sau khuếch đại AGC, tớn hiệu được giải điều chế để được cỏc thành phần I và Q. Cỏc tớn hiệu tương tự của cỏc thành phần này được biến đổi thành số tại bộ biến đổi A/D sau đú tớn hiệu qua bộ lọc Nyquist cosin tăng căn hai và được phõn chia theo thời gian vào một số thành phần đường truyền cú cỏc thời gian trễ truyền súng khỏc nhau. Sau giải trải phổ cho cỏc thành phần này, chỳng được kết hợp lại bởi bộ kết hợp mỏy thu RAKE, tớn hiệu tổng được giải đan xen, giải mó kờnh, được phõn thành cỏc khối truyền tải TB và được phỏt hiện lỗi. Cuối cựng chỳng được đưa đến lớp cao hơn.
4.8.2. Mó hoỏ kiểm soỏt lỗi và đan xen.
Trong thụng tin di động, ba dạng mó hoỏ kiểm soỏt lỗi được sử dụng là - Mó khối tuyến tớnh hay cụ thể là mó vũng
- Mó xoắn - Mó Turbo
Trong đú mó vũng được sử dụng để phỏt hiện lỗi cũn hai mó cũn lại được sử dụng để sửa lỗi và thường được gọi là mó kờnh. Mó Turbo chỉ được sử dụng ở cỏc hệ thống thụng tin di động thế hệ ba khi tốc độ bit cao.
4.8.2.1. Mó vũng.
Mó vũng cho phộp kiểm tra dư vũng (CRC =Cyclic Redundancy check) hay chỉ thị chất lượng khung ở cỏc bản tin. Mó vũng là một tập con của mó khối tuyến tớnh . Bộ mó hoỏ được đặc trưng bằng đa thức tạo mó. Cứ k bit vào thỡ bộ tạo mó cho ra một từ mó n bit, trong đú n-k bit là cỏc bit CRC được bổ sung vào k bit đầu vào. Bộ mó này cú tỉ lệ mó là r=k/n .ở mó này từ mó được rỳt ra từ hai đa thức : đa thức tạo
mó g(D) bậc n-k và đa thức bản tin a(D), trong đú D là toỏn tử trễ. Từ mó được tớnh toỏn như sau:
- Nhõn đa thức bản tin a(D) với D n-k.
- Chia tớch a (D).Dn-k nhận được ở trờn cho đa thức tạo mó để được phần dư b (D). - Kết hợp phần dư với tớch trờn ta được đa thức từ mó
c(D)= a(D).Dn-k + b(D)
Cỏc đa thức tạo mó được sử dụng ở hệ thống thụng tin di động thế hệ ba để tớnh toỏn cỏc CRC cú thể là: gCRC24(D) = D24 + D23+ D6+D 5+ D +1 gCRC16(D) = D16+ D12+ D5 +1 gCRC12(D) = D12 + D11+ D3 + D2+D +1 gCRC8(D) = D8 + D7+ D4 + D3 + D + 1 4.8.2.2. Mó xoắn.
ở mó xoắn một khối n bớt mó được tạo ra khụng chỉ phụ thuộc vào k bit bản tin đầu vào mà cũn phụ thuộc vào cỏc bit bản tin của cỏc khối trước đú. Mó xoắn được xỏc định bằng cỏc thụng số sau:
- Tỷ lệ mó: r = k/n
- Độ dài hữu hạn k (phụ thuộc vào số phần tử nhớ của thanh ghi dịch tạo nờn bộ mó hoỏ).
Một bộ mó hoỏ xoắn gồm một thanh ghi dịch tạo thành từ cỏc phần tử nhớ, cỏc đầu ra của cỏc phần tử nhớ được cộng với nhau theo một qui luật nhất định để tạo nờn cỏc chuỗi mó, sau đú cỏc chuỗi này được ghộp xen với nhau tạo chuỗi mó đầu ra.
4.8.2.3.Mó hoỏ Turbo.
Bộ mó hoỏ Turbo gồm hai bộ mó hoỏ xoắn hệ thống hồi quy RSC1, RSC2 và một bộ đan xen bờn trong.
Đan xen được thực hiện trờn nguyờn tắc là luồng ký hiệu phỏt được viết vào một ma trận nhớ gồm cỏc hàng và cỏc cột theo trỡnh tự phỏt, sau đú được đọc ra từ ma trận này theo cỏc địa chỉ được xỏc định bởi một qui định nào đú để đảm bảo việc hoỏn vị vị trớ cỏc ký tự.
4.8.3. Đa truy nhập phõn chia theo mó trải phổ chuỗi trực tiếp (DSCDMA).
Hệ thống thụng tin di động thế hệ ba được xõy dựng chủ yếu trờn cụng nghệ CDMA. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS SS) là kỹ thuật xử lý số quan trọng được sử dụng cho hệ thống thụng tin di động CDMA.Trong phần này ta sẽ xột nguyờn lý chung của kỹ thuật này.
4.8.3.1. Nguyờn lý DS-CDMA
a) Mỏy phỏt
b)Mỏy thu
Hỡnh 4.6 Mụ hỡnh hệ thống DS-CDMA