Báo cáo Nghiên cứu quy trình chuyến đổi lên mạng thông tin di động thế hệ 3 sử dụng công nghệ CDMA

g tương tự nhau. Tất cả các tổ chức này đều hướng tới mục tiêu chung là xây dựng mạng thông tin di động 3G. Đồng thời các tổ chức này đều có mối quan hệ hợp tác để giải quyết các vấn đề kết nối liên mạng và chuyển vùng toàn cầu. Hai tổ chức OHG và MWIF đưa ra các chuẩn để phát triển khả năng roaming và ghép nối giữa các mạng lõi 2G: GSM-MAP và ANS41. Mạng lõi ANSI-41 được sử dụng bởi các hệ thống giao diện vô tuyến AMPS, IS-136 và IS-95. Mạng lõi GSM-MAP được sử dụng bởi các hệ thống giao diện vô tuyến GSM. Cả 2 mạng lõi này đều sẽ phát triển lên 3G và luôn được liên kết hoạt động với nhau. Sự xuất hiện của 3 tổ chức OHG , 3G.IP và MWIP cho thấy nỗ lực để xây dựng một mạng lõi chung IP mặc dù điều đó chỉ trở thành hiện thực khi hệ thống 3,5G và 4G được xây dựng. Công việc chuẩn hoá và xây dựng tiêu chuẩn cho ANSI-41 được thực hiện bởi Uỷ ban TR.45.2 của TIA và quá trình phát triển mạng này lên 3G đang được thức hiện trong các nhóm xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật của 3GPP2. Mạng lõi dựa trên ANSI-41 sẽ được sử dụng bởi các mạng truy nhập vô tuyến dựa trên cdma2000. Công việc xây dựng tiêu chuẩn GSM đang được tiến hành bởi các uỷ ban SMG của ETSI và được làm cho phù hợp với yêu cầu của Mỹ trong T1P1.5. Mối quan hệ này vẫn giữ nguyên đối với cả việc chuẩn hoá 3G. Phát triển GSM lên 3G được thực hiện bởi 3GPP và được làm hài hoà với các yêu cầu của Mỹ trong T1P1. Mạng lõi dựa trên GSM-MAP sẽ được sử dụng bởi mạng truy nhập vô tuyến dựa trên UTRA. Như vậy 2 tổ chức chịu trách nhiệm chính trong việc xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 3G là 3GPP và 3GPP2. Hai tổ chức này có nhiệm vụ hình thành và phát triển các kỹ thuật ở các lĩnh vực riêng nhằm thoả mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật của hệ thống thông tin di động 3G thống nhất. Phần tiếp theo sẽ đề cập tới 2 tổ chức này. 3GPP Năm 1998, các cơ quan phát triển tiêu chuẩn SDO khu vực đã đồng ý thành lập một tổ chức chịu trách nhiệm tiêu chuẩn hoá UMTS, được đặt tên là 3GPP ( 3rd Generation Partnership Project). Các thành viên sáng lập nên 3GPP bao gồm : ETSI- European Telecommunication Standard Institute- của Châu Âu ARIB- Association of Radio Industry Board- của Nhật Bản TTA- Telecommunication Technology Association- của Hàn Quốc T1 của Bắc Mỹ TTC- Telecommunication Technology Committee- của Nhật Bản CWTS- China Wireless Telecommunication Standard group - của Trung Quốc. Ngoài ra còn có các đối tác về tư vấn thị trường là: 3G.IP của Mỹ GSA của Anh GSM Association của Ireland IPv6 Forum của Anh UMTS Forum của Mỹ 3G Americas của Mỹ 3GPP còn có một số quan sát viên là các tổ chức phát triển tiêu chuẩn khu vực có đủ tiềm năng để trở thành thành viên chính thức trong tương lai. Các quan sát viên hiện tại là: TIA – Telecommunications Industries Association -của Mỹ TSACC- Telecommunications Standards Advisory Council of Canada -của Canada ACIF- Australian Communication Industry Forum - của Úc Các thành viên của 3GPP đã thống nhất rằng, công nghệ truy nhập vô tuyến là hoàn toàn mới và dựa trên WCDMA (Wideband CDMA), các thành phần của mạng sẽ được phát triền trên nền tảng của các mạng thông tin di động thế hệ 2 đã có với nguyên tắc tận dụng cao nhất có thể. Vì mạng lõi dựa trên mô hình GSM đã chứng tỏ được hiệu quả trong sử dụng thực tế, các đầu cuối 3G cũng sẽ mang một card tháo lắp được để mang thông tin liên quan đến thuê bao và các chức năng cụ thể của nhà cung cấp dịch vụ theo cách giống như GSM sử dụng SIM. 3GPP được chia thành các nhóm tiêu chuẩn kỹ thuật (TSG – Technical Specification Group) chịu trách nhiệm về từng lĩnh vực nhất định như sau: TSG-SA: về dịch vụ và kiến trúc TSG-CN: về tiêu chuẩn hoá mạng lõi TSG-T: về thiết bị đầu cuối TSG-GERAN: về mạng truy nhập cho GSM và 2,5G TSG-RAN: về mạng truy nhập cho 3G Các nhóm kỹ thuật trên được quản lý bởi một nhóm phối hợp hoạt động dự án PCG (Project Co-ordination Group). Cấu trúc chức năng được trình bày trong hình 2.2 . Hình 1.2 Cấu trúc chức năng của PCG và TSG trong 3GPP Các tiêu chuẩn dành cho 3G mà 3GPP xây dựng được phát triển dựa trên giao diện vô tuyến GSM-MAP và UTRA WCDMA. Khái niệm UTRA bao gồm cả các chế độ hoạt động FDD và TDD để hỗ trợ một cách hiệu quả các nhu cầu dịch vụ UMTS khác nhau về các dịch vụ đối xứng và không đối xứng. Trong quá trình đánh giá UTRA trong ETSI SMG2, việc khảo sát được tập trung vào chế độ FDD. Khái niệm TD-CDMA được chấp thuận dùng cho chế độ TDDm chứa đựng hài hoà các tham số giữa FDD và TDD. Các tham số của UTRA được trình bày trong bảng 1.1 Đề xuất WCDMA của ARIB bao gồm cả 2 chế độ hoạt động, FDD và TDD. Chế độ FDD của đề xuất này khá giống với chế độ FDD của ETSI UTRA. Tuy nhiên, chế độ TDD được thiết kế gần giống với chế độ FDD, nhưng chấp nhận một số đặc trưng riêng biệt như công nghệ điều khiển công suất vòng mở và phân tập phát. Sau quyết định vào tháng 1 năm 1998 cảu ETSI SMG, hệ thống truy nhập được đổi tên là TD-CDMA thay cho tên WCDMA trước đây, bởi vì một số nét đặc trưng của TDMA đã được kết hợp vào để tận dụng những ưu điểm về công nghệ của TD-CDMA (Bảng 1.2) Bảng 1.1 Các tham số cơ bản của UTRAFDD và TDD, ARIB WCDMA FDD và TDD ETSI UTRA ARIB WCDMA FDD TDD FDD TDD Ph­¬ng ph¸p ®a truy nhËp WCDMA TD-CDMA WCDMA TD-CDMA Tèc ®é chip 3,84 Mcps 3,84 Mcps 3,84 (1,024/7,68/15,36) Mcps 3,84 (1,024/7,68/15,36) Mcps Kho¶ng c¸ch sãng mang 5MHz 5MHz 5(1,25/10/20)MHz 5 (1,25/10/20) MHz §é dµi khung 10ms 10ms 10ms 10ms Sè lÇn ®iÒu khiÓn c«ng suÊt trong mét khe thêi gian 15 15 15 15 Kho¶ng thêi gian mét khe thêi gian Kh«ng tån t¹i 625ms Kh«ng tån t¹i 625ms §iÒu chÕ sè liÖu (DL/UL) QPSK QPSK QPSK/BPSK QPSK/BPSK §iÒu chÕ tr¶i phæ (DL/UL*) QPSK QPSK QPSK/QPSK QPSK/QPSK HÖ sè tr¶i phæ 4-512 1,2,4,8,16 2-512 2-512 D¹ng xung hµm cos n©ng r= 0,22 hµm cos n©ng r= 0,22 hµm cos n©ng r= 0,22 hµm cos n©ng r= 0,22 *DL/UL - ®­êng xuèng/®­êng lªn 2.3 3GPP2 3GPP2 được thành lập vào cuối năm 1998, với 5 thành viên chính thức là tổ chức phát triển sau tiêu chuẩn sau: ARIB- Association of Radio Industry Board- của Nhật Bản CWTS- China Wireless Telecommunication Standard -của Trung Quốc TIA- Telecommunication Industry Association – Của Bắc Mỹ TTA- Telecommunication Technology Association- Của Hàn Quốc TTC- Telecommunication Technology Council- của Nhật Bản Ngoài ra tổ chức này còn có một số các đối tác tư vấn thị trường như: CDG- The CDMA Development Group MWIF- Mobile Wireless Internet Forum IPv6 Forum Có thể nhận thấy rằng thành phần tham gia 2 cơ quan chuẩn hoá 3GPP và 3GPP2 về cơ bản là giống nhau, chỉ khác ở điểm 3GPP có sự tham gia của ETSI. Vì vậy dễ dàng suy ra về cơ bản, cấu trúc tổ chức, nguyên lý hoạt động của 2 cơ quan này gần giống nhau. Sự khác nhau chủ yếu của 2 cơ quan này nằm ở con đường để phát triển lên hệ thống 3G. Về cấu trúc chức năng, trước hết 3GPP2 có một ban chỉ đạo dự án- PCS (Project Steering Commitee). PSC sẽ quản lý toàn bộ công tác tiêu chuẩn hoá theo các nhóm kỹ thuật –TSG. 3GPP2 hiện nay có 4 nhóm TSG, bao gồm: TSG-A: nghiên cứu về các hệ thống giao diện mạng truy nhập TSG-C: về CDMA2000 TSG-S: về các khía cạnh dịch vụ và hệ thống TSG-X: về hoạt động liên kết các hệ thống. Ta có thể thấy công việc chính của công việc chính của 3GPP2 chính là xây dựng tiêu chuẩn hoá CDMA2000. CDMA2000 cung cấp một con đường phát triển lên 3G bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn TIA/EIA-95B hiện có, bao gồm: TIA/EIA-95B: các tiêu chuẩn trạm di động và giao diện vô tuyến. IS-707: tiêu chuẩn cho các dịch vụ số liệu(dạng gói, không đồng bộ và fax) IS-127: tiêu chuẩn cho bộ mã hoá thoại tốc độ 8,5Kbps EVRC IS-733: tiêu chuẩn cho bộ mã hoá thoại tốc độ 13kbps IS-637: tiêu chuẩn cho dịch vụ nhắn tin ngắn (SMS- Short Message Service) IS-638: quản lý các tham số và việc kích hoạt qua không gian (hỗ trợ việc cấu hình và kích hoạt dịch vụ của các trạm di động qua giao diện vô tuyến). IS-97 và IS-98: các tiêu chuẩn dành cho các hoạt động ở mức tối thiểu Cấu trúc kênh TIA/EIA-95 cơ bản. Các tiêu chuẩn mở rộng cho các cấu trúc kênh TIA/EIA-95B cơ bản bổ trợ, lớp ghép kênh và báo hiệu để hỗ trợ các kênh phát quảng bá (Kênh hoa tiêu , kênh tìm gọi, kênh đồng bộ) IS-634A: không chịu sự thay đổi quan trọng nào khi dùng cho CDMA2000; cấu trúc phân lớp của CDMA2000 dần dần tích hợp với cấu trúc thành phần của IS-634A. TIA/EIA-41D: không cần thay đổi nhiều khi sử dụng cho CDMA2000; cấu trúc phân tầng của CDMA2000 tạo ra khả năng dễ tích hợp với các dịch vụ giá trị gia tăng. Các tiêu chuẩn của 3GPP2 được phát triển theo các pha sau đây: Pha 0: toàn bộ các tiêu chuẩn đã được các SDO hoàn thiện Pha 1: chủ yếu là các chỉ tiêu kỹ thuật cho Release 1 để kế thừa toàn bộ phần 2G IS-95A và IS-95B. Hoàn thiện vào năm 2000. Pha 2: bắt đầu từ giữa năm 2001 nhằm hỗ trợ khả năng IP Multimedia, phiên bản đầu tiên hoàn thiện trong năm 2002, các phiên bản sau trong năm 2003. Pha 3: thêm các chức năng theo hướng mạng lõi IP. Hiện nay giai đoạn này được khởi động. Ngoài ra, hiện nay CDMA2000 1xEV của 3GPP2 đã được ITU chính thức chấp thuận 3G. 2.3 Mối quan hệ giữa 3GPP và 3GPP2 và ITU 3GPP và 3GPP2 hợp tác lần đầu nhằm giải quyết vấn đề kết nối liên mạng, chuyển vùng toàn cầu, tập trung vào 3 khía cạnh chính: Truy nhập vô tuyến Thiết bị đầu cuối Mạng lõi Hoạt động hợp tác này chủ yếu thông qua OGH và các nhóm ad hoc có sự tham gia của cả 2 bên 3GPP và 3GPP2. Hiện nay, IETF là một trong các nhân tố mới để cùng với 3GPP và giải quyết hướng mạng lõi chung toàn IP.Mới đây, sau khi nghiên cứu HSDPA (3GPP) và 1xEV-DO (3GPP2), cả hai tổ chức này đang tiếp tục nỗ lực theo hướng mạng lõi IP chung qua các cuộc họp năm 2002. ITU chịu trách nhiệm phối hợp sự hoạt động của các tổ chức tiêu chuẩn hoá, cụ thể là 2 đơn vị chịu trách nhiệm trực tiếp: ITU-T SSG- Special Study Group ITU-R WP8F- Working Party 8F. Trong đó, ITU-T SSG có 3 nhóm làm việc với 7 vấn đề, giải quyết 90% công tác chuẩn hoá về mạng (Network Aspects), tập trung vào các mảng: Giao diện NNI Quản lý di động Yêu cầu giao thức Phát triển giao thức Ngược lại, ITU-R WP8F có trách nhiệm giải quyết 90% công tác chuẩn hoá về giao diện vô tuyến tập trung vào các nhiệm vụ : Các chỉ tiêu toàn diện của một hệ thống IMT-2000 Tiếp tục chuẩn hoá toàn cầu bằng cách kết hợp với các cơ quan tiêu chuẩn SDO và các Project (3GPP và 3GPP2) Xác định mục tiêu sau IMT-2000:3,5G và 4G Tâp trung vào phần mạng mặt đất (tăng tốc độ dữ liệu, mạng theo hướng IP) Phối hợp với ITU-R WP8P về vệ tinh, với ITU-T và ITU-D về các vấn đề liên quan. Vai trò của từng thành phần trong mối quan hệ giữa các tổ chức này có thể rút gọn như sau: 3GPP và 3GPP2: đảm bảo phát triển công nghệ và các chỉ tiêu giao diện vô tuyến cho toàn cầu; Các tổ chức tiêu chuẩn khu vực –SDO: làm thích ứng các tiêu chuẩn chung cho từng khu vực. Kết quả là sự xuất hiện của các tiêu chuẩn IMT-2000 trên cơ sở chỉ tiêu kỹ thuật của 3GPP và 3GPP2. ITU-T và ITU-R: đảm bảo khả năng tương thích và roaming toàn cầu với các chỉ tiêu. Cụ thể rõ việc phân công và trách nhiệm qua ITU-R.M 1457 và ITU-T Q.REF. Hiện nay, cả 3GPP, 3GPP2, ITU và IETF tiếp tục phối hợp chặt chẽ để giải quyết mạng lõi chung IP theo các công nghệ 3,5G và 4G. Tình hình chuẩn hoá 2,5G và 3G 3.1 Mở đầu Hiện nay, các bộ tiêu chuẩn công nghệ 2,5G về cơ bản đã được hoàn thiện. cụ thể như sau: 3GPP đã hoàn thiện chỉ tiêu kỹ thuật GPRS, từ đó các tổ chức chuẩn hoá khu vực đã có bộ tiêu chuẩn kỹ thuật GPRS. Một số các nước thuộc nhóm công nghệ này như Châu Âu, Hồng Kông, Nhật Bản đã biên soạn hoặc chấp nhận nguyên vẹn chuẩn cho phù hợp với điều kiện công nghệ của mình. 3GPP2 đã hoàn thiện các chỉ tiêu kỹ thuật CDMA2000 1xEV-DO. Các tổ chức chuẩn hóa khu vực của các nước có công nghệ IS-95A hoặc IS-95B hầu hết đã có tiêu chuẩn áp dụng nguyên vẹn công nghệ 2,5G. Với công nghệ 3G, tình hình chuẩn hoá phức tạp hơn với 3 mảng chính sau đây: Công nghệ truy nhập vô tuyến Mạng lõi Giao diện với các hệ thống khác 3.2 Chuẩn hoá công nghệ truy nhập vô tuyến Trên thế giới hiện đang tồn tại nhiều công nghệ thông tin di động 2G khác nhau với số vốn đầu tư tương đối lớn. Việc xây dựng một hệ thống thông tin di động tiên tiến hơn luôn đòi hỏi phải chú ý tới vấn đề lợi nhuận kinh tế, có nghĩa là các hệ thống thông tin di động mới phải tương thích ngược với các hệ thống 2G hiện có, để tận dụng sự đầu tư về cơ sở hạ tầng của các hệ thống cũ. Như vậy, mục tiêu phát triển đến một tiêu chuẩn duy nhất cho IMT-2000 là không thể đạt được. Trên thực tế, ITU đã chấp nhận sư tồn tại song song của 5 họ công nghệ khác nhau: IMT-MC (IMT-Multi Carrier): CDMA2000 IMT-DS (IMT- Direct Sequence): WCDMA –FDD IMT-TC () :WCDMA-TDD IMT-SC (IMT- Single Carrier): TDMA một sóng mang, còn gọi là UWC-136 và EDGE IMT-FT (IMT-): DECT Các họ công nghệ này có nền tảng công nghệ khác nhau và được các cơ quan tổ chức tiêu chuẩn hoá khác nhau thực hiện các việc xây dựng chuẩn được trình bày trong hình 3.2 Hình 1.3 Các họ công nghệ được ITU-R chấp nhận Trong năm 2002, ITU-R đã chấp thuận 7 loại công nghệ cụ thể, mà thực chất thuộc 5 họ công nghệ trên: CDMA đa sóng mang (cdma2000) CDMA1x-EV CDMA TDD (UTRA) CDMA TDD (TD-SCDMA) W-CDMA (UTRA - FDD) UWC-136 (FDD) FDMA/TDMA: DECT Các công nghệ trên bao gồm: Hai tiêu chuẩn TDMA: SC-TDMA (UWC-136) và MC-TDMA (DECT) Ba tiêu chuẩn CDMA : MC-CDMA (cdma2000 ), DS- CDMA (WCDMA) và CDMA-TDD (bao gồm TD-SCDMA và UTRA-TDD) Ta xét các tiêu chuẩn TDD với các đặc điểm sau: TDD có thể sử dụng các nguồn tài nguyên tần số khác nhau và không cần cặp tần số TDD phù hợp với truyền dẫn bất đối xứng về tốc độ giữa đường lên và đường xuống, đặc biệt với các dịch vụ dữ liệu dạng IP TDD hoạt động ở cùng tần số cho đường lên và đường xuống, phù hợp cho việc sử dụng các kỹ thuật mới như anten thông minh Chi phí thiết bị hệ thống TDD thấp hơn, có thể thấp hơn từ 20 đến 50% so với các hệ thống FDD. Tuy nhiên, hạn chế chính của hệ thống TDD là tốc độ di chuyển và diện tích phủ sóng. Các hệ thống TDD chỉ thích hợp với việc triển khai cho các dịch vụ đa phương tiện trong các khu vực mật độ cao và có yêu cầu cao về dung lượng thoại, dữ liệu và các dịch vụ đa phương tiện trong các khu vực tập trung thuê bao lớn. TD-SCDMA là công nghệ do Trung Quốc đề xuất, còn UTRA-TDD được xem là phần bổ sung cho UTRA-FDD tại những vùng có dung lượng rất cao. Hơn nữa các công nghệ này chưa có sản phẩm thương mại. Trên thực tế chỉ có 2 tiêu chuẩn quan trọng nhất đã có sản phẩm thương mại và có khả năng được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới là WCDMA(FDD) và cdma2000. WCDMA được phát triển trên cơ sở tương thích với giao thức của mạng lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm tới 65% thị trường thế giới. Còn cdma2000 nhằm tương thích với mạng lõi IS-41, hiện chiếm 15% thị trường. Quá trình phát triển lên 3G cũng sẽ tập trung vào 2 hướng chính này, có thể được tóm tắt trong hình vẽ sau: Hình 1.4 Quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính 3.3 Phân tích hai nhánh công nghệ chính tiến lên 3G 3.3.1 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA WCDMA là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G của IMT-2000 được phát triển chủ yếu ở Châu Âu với mục đích cho phép các mạng cung cấp khả năng chuyển vùng toàn cầu và để hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại, dịch vụ đa phương tiện. Các mạng WCDMA được xây dựng dựa trên cơ sở mạng GSM, tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của các nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển từ GSM lên CDMA qua các giai đoạn trung gian, có thể được tóm tắt trong sơ đồ sau đây: Hình 1.5 : Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA 3.3.1.1 GPRS GPRS (General Packet radio Service) là một hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, nhưng vẫn là hệ thống 3G nếu xét về mạng lõi. GPRS cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên tới 171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cường đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM. Công việc tích hợp GPRS vào mạng GSM đang tồn tại là một quá trình đơn giản. Một phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động. Phân hệ trạm gốc chỉ cần nâng cấp một phần nhỏ liên quan đến khối điều khiển gói (PCU- Packet Control Unit) để cung cấp khả năng định tuyến gói giữa các đầu cuối di động các nút cổng (gateway). Một nâng cấp nhỏ về phần mềm cũng cần thiết để hỗ trợ các hệ thống mã hoá kênh khác nhau. Mạng lõi GSM được tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộng bằng cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu và gateway mới, được gọi là GGSN (Gateway GPRS Support Node) và SGSN (Serving GPRS Support Node). GPRS là một giải pháp đã được chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi. 3.3.1.2 EDGE EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) là một kỹ thuật truyền dẫn 3G đã được chấp nhận và có thể triển khai trong phổ tần hiện có của các nhà khai thác TDMA và GSM. EDGE tái sử dụng băng tần sóng mang và cấu trúc khe thời gian của GSM, và được thiết kế nhằm tăng tốc độ số liệu của người sử dụng trong mạng GPRS hoặc HSCSD bằng cách sử dụng các hệ thống cao cấp và công nghệ tiên tiến khác. Vì vậy, cơ sở hạ tầng và thiết bị đầu cuối hoàn toàn phù hợp với EDGE hoàn toàn tương thích với GSM và GRPS. 3.3.1.3 WCDMA hay UMTS/FDD WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một công nghệ truy nhập vô tuyến được phát triển mạnh ở Châu Âu. Hệ thống này hoạt động ở chế độ FDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS- Direct Sequence Spectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84Mcps bên trong băng tần 5MHz. Băng tần rộng hơn và tốc độ trải phổ cao làm tăng độ lợi xử lý và một giải pháp thu đa đường tốt hơn, đó là đặc điểm quyết định để chuẩn bị cho IMT-2000. WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói hoạt động ở mức hiệu quả cao nhất. Hơn nữa WCDMA có thể hỗ trợ các tốc độ số liệu khác nhau, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ. Chuẩn WCDMA hiện thời sử dụng phương pháp điều chế QPSK, một phương pháp điều chế tốt hơn 8-PSK, cung cấp tốc độ số liệu đỉnh là 2Mbps với chất lượng truyền tốt trong vùng phủ rộng. WCDMA là công nghệ truyền dẫn vô tuyến mới với mạng truy nhập vô tuyến mới, được gọi là UTRAN, bao gồm các phần tử mạng mới như RNC (Radio Network Controller) và NodeB (tên gọi trạm gốc mới trong UMTS) Tuy nhiên mạng lõi GPRS/EDGE có thể được sử dụng lại và các thiết bị đầu cuối hoạt động ở nhiều chế độ có khả năng hỗ trợ GSM/GPRS/EDGE và cả WCDMA. 3.3.2 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ cdma2000. Hệ thống cdma2000 gồm một số nhánh hoặc giai đoạn phát triển khác nhau để hỗ trợ các dịch vụ phụ được tăng cường. Nói chung cdma2000 là một cách tiếp cận đa sóng mang cho các sóng có độ rộng n lần 1,25MHz hoạt động ở chế độ FDD. Nhưng công việc chuẩn hoá đựơc tập trung vào giải pháp một sóng mang đơn 1,25MHz (1x) với tốc độ chip gần giống IS-95. cdma2000 được phát triển từ các mạng IS-95 của hệ thống thông tin di động 2G, có thể mô tả quá trình phát triển trong hình vẽ sau: Hình 1.6 : Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh cdma2000. 3.3.2.1 IS-95B. IS-95B, hay cdmaOne được coi là công nghệ thông tin di động 2,5G thuộc nhánh phát triển cdma2000, là một tiêu chuẩn khá linh hoạt cho phép cung cấp dịch vụ số liệu tốc độ lên đến 115Kbps 3.3.2.2 cdma2000 1xRTT Giai đoạn đầu của cdma2000 được gọi là 1xRTT hay chỉ là 1xEV-DO, được thiết kế nhằm cải thiện dung lượng thoại cua IS-95B và để hỗ trợ khả năng truyền số liệu ở tốc độ đỉnh lên tới 307,2Kbps. Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối thương mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ số liệu đỉnh lên tới 153,6kbps. Những cải thiện so với IS-95 đạt được nhờ đưa vào một số công nghệ tiên tiến như điều chế QPSK và mã hoá Turbo cho các dịch vụ số liệu cùng với khả năng điều khiểm công suất nhanh ở đường xuống và phân tập phát. 3.3.2.3 cdma2000 1xEV-DO 1xEV-DO, được hình thành từ công nghệ HDR (High Data Rate) của Qualcomm, được chấp nhận với tên này như là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G vào tháng 8 năm 2001 và báo hiệu cho sự phát triển của giải pháp đơn sóng mang đối với truyền số liệu gói riêng biệt. Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là chia các dịch vụ thoại và dịch vụ số liệu tốc độ cao vào các sóng mang khác nhau. 1xEV-DO có thể được xem như một mạng số liệu “xếp chồng”, yêu cầu một sóng mang riêng. Để tiến hành các cuộc gọi vừa có thoại, vừa có số liệu trên cấu trúc “xếp chồng” này cần có các thiết bị hoạt động ở 2 chế độ 1x và 1xEV-DO. 3.3.2.4 cdma2000 1xEV-DV Trong công nghệ 1xEV-DO có sự dư thừa về tài nguyên do sự phân biệt cố định tài nguyên dành cho thoại và tài nguyên dành cho số liệu. Do đó, CDG, nhóm phát triển CDMA, khởi đầu pha thứ ba của cdma2000 đưa các dịch vụ thoại và số liệu quay về chỉ dùng một sóng mang 1,25MHz và tiếp tục duy trì sự tương thích ngược với 1xRTT. Tốc độ số liệu cực đại của người sử dụng lên tới 3,1Mbps tương ứng với kích thước gói dữ liệu3940bit trong khoảng thời gian 1,25ms. Mặc dù kỹ thuật truyền dẫn cơ bản được định hình, vẫn có nhiều đề xuất công nghệ cho các thành phần chưa được quyết định kể cả tiêu chuẩn cho đường xuống của 1xEV-DV. 3.3.2.5 cdma2000 3x(MC- CDMA ) cdma2000 3x, hay 3xRTT, đề cập đến sự lựa chọn đa sóng mang ban đầu trong cấu hình vô tuyến cdma2000 và được gọi là MC-CDMA (Multi carrier) thuốc IMT-MC trong IMT-2000. Công nghệ này liên quan đến việc sử dụng 3 sóng mang 1x để tăng tốc độ số liệu và được thiết kế cho dải tần 5MHz (gồm 3 kênh 1,25Mhz). Sự lựa chọn đa sóng mang này chỉ áp dụng được trong truyền dẫn đường xuống. Đường lên trải phổ trực tiếp, giống như WCDMA với tốc độ chip hơi thấp hơn một chút 3,6864Mcps (3 lần 1,2288Mcps) 3.4 Kết luận Như vậy, trên thế giới hiện đang tồn tại các công nghệ khác để xây dựng hệ thống thông tin di động 3G. Các nước khi lựa chọn các công nghệ 3G có thể căn cứ theo ITU-R M.1457 để xác định các chỉ tiêu chủ yếu của họ công nghệ truy nhập vô tuyến và xây dựng tiêu chuẩn trên cơ sở tập hợp biên soạn hoặc áp dụng nguyên vẹn theo các tiêu chuẩn của SDO sao cho phù hợp với điều kiện của mình. II. Mạng vô tuyến 3G sử dụng công nghệ cdma2000 1. Giới thiệu chung hệ thống 3G cdma2000 Mặc dù có nhiều hệ thống và một số chuẩn được đánh giá là đủ tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3, IS-2000 là một chuẩn quan trọng của 3G. Giữa thập kỷ 90, hiệp hội viễn thông quốc tế đã bắt đầu phát triển mô hình các chuẩn và hệ thống cung cấp các dịch vụ vô thông dụng đến người sử dụng. Tiếp đó, nhóm Viễn thông di động quốc tế-2000 (IMT-2000), một phân nhóm của ITU, đưa ra một tập hợp các yêu cầu về chỉ tiêu cho 3G. Các yêu cầu về chỉ tiêu của hệ thống vô tuyến 3G, đối với cả hai loại dữ liệu chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh, có các đặc điểm sau: Tốc độ dữ liệu nhỏ nhất trong môi trường xe cộ là 144Kbps Tốc độ dữ liệu nhỏ nhất trong môi trường đi bộ là 384Kbps Tốc độ dữ liệu nhỏ nhất trong môi trường picocell và indoor cố định là 3Mbps Hơn nữa, trong tất cả các môi trường, hệ thống phải hỗ trợ các tốc độ giống nhau cho cả đường lên và đường xuống (Trường hợp tốc độ dữ liệu đối xứng), đồng thời cũng hỗ trợ các tốc độ dữ liệu khác nhau cho cả đường lên và đường xuống (trường hợp tốc độ dữ liệu bất đối xứng). Một vài hê thống và chuẩn như Hệ thống điện thoại di động chung (UMTS) được thực hiện trong phạm vi 3G mới ( ở Châu Âu). Trong khi đó các hệ thống và các chuẩn khác như IS-2000 lại có thể đưa ra các dịch vụ 3G trong phạm vi đã được sử dụng ở hệ thống di động 2G (như ở Bắc Mỹ). Trường hợp thứ 2 quan tâm đến sự đầu tư đã được triển khai trong các lĩnh vực mà được coi là có ích và cần thiết . Sự hiệu chỉnh trong việc đánh giá các ưu điểm công nghệ cao từ những năm 2000 đã nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đầu tư cho cơ sở hạ tầng dự tính trước, đồng thời quan tâm đến yêu cầu thị trường cho các dịch vụ này. Sự cân nhắc này là một nguyên nhân tại sao IS-2000 lại trở nên phổ biến trong việc triển khai giai đoạn đầu cho 3G. Thêm vào đó, IS-2000 lại tương thích với các hệ thống IS-95 2G đang tồn tại. Sự tương thích ngược này đem lại cho IS-2000 2 ưu điểm quan trọng. Thứ nhất, IS-2000 có thể hỗ trợ sử dụng lại các thiết bị cơ sở hạ tầng sẵn có của IS-95 và vì thế chỉ đòi hỏi một sự đầu tư thêm để cung cấp các dịch vụ 3G. Thứ hai, vì IS-2000 đại diện cho sự tiến hoá một cách tự nhiên từ những cái đã có sẵn, nên sự rủi ro cũng thấp hơn khi thực hiện chuyển đổi lên 3G. 2. Kiến trúc giao thức 2.1 Kiến trúc phân lớp của giao thức Một sự khác biệt về kiến trúc giữa chuẩn IS-2000 và IS-95 là IS-2000 chỉ ra rõ ràng chức năng của 4 lớp khác nhau. Các lớp này là: Lớp vật lý, lớp điều khiển truy nhập đường truyền, lớp điều khiển kết nối báo hiệu và lớp trên cùng. Lớp vật lý (Lớp 1): Lớp vật lý đáp ứng cho việc truyền và nhận các bit qua đường truyền dẫn vật lý. Khi đường truyền vật lý là môi trường không trung, lớp vật lý sẽ phải chuyển đổi các bit thành dạng sóng (chẳng hạn như: điều chế để truyền qua không trung). Ngoài điều chế, lớp vật lý cũng thực hiện chức năng mã hoá để thực hiện chức năng điều khiển lỗi ở mức bit và mức khung. Phân lớp điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) (Lớp 2): Phân lớp MAC điều khiển truy nhập của các lớp cao hơn vào đường truyền vật lý được chia sẻ trong số các người sử dụng khác nhau. Về điểm này, MAC thực hiện chức năng tương tự như một thực thể MAC điều khiển trong mạng LAN. Tuy nhiên,lớp điều khiển truy nhập đường truyền trong LAN điều khiển các máy tính khác nhau truy nhập đến các bus, còn phân lớp MAC của IS-2000 điều khiển truy nhập của các người sử dụng khác nhau (thoại tốc độ thấp và số liệu tốc độ cao) đến giao diện vô tuyến dùng chung. Phân lớp điều khiển truy nhập kết nối báo hiệu(LAC) (Lớp2): Phân lớp LAC là đáp ứng cho độ tin cậy của báo hiệu (hay tràn) các thông điệp trao đổi. Quay lại vấn đề đường truyền vô tuyến luôn xảy ra lỗi, các thông điệp thông tin được nhận (và được chấp nhận ) có nhiều lỗi. Mặt khác, khi mà thông điệp báo hiệu cung cấp chức năng điều khiển quan trọng , thì các thông điệp này phải được truyền và nhận với độ tin cậy cao. Phân lớp LAC thực thi một tập hợp các chức năng để đảm bảo truyền tin cậy các thông điệp báo hiệu. Lớp trên cùng (Lớp 3): Lớp trên cùng thực hiện điều khiển toàn thể hệ thống IS-2000. Nó thực hiện việc điều khiển này bằng cách đóng vai trò như là một điểm xử lý tất cả và tạo ra các thông điệp báo hiệu mới. Thông điệp thông tin (cả thoại và số liệu) đều được truyền qua lớp 3. Đối với chuẩn IS-95 mô tả không rõ ràng và tách biệt các chức năng của mỗi lớp. Tuy nhiên, trong IS-95 các chức năng được thực hiện bởi các lớp thực sự tồn tại. Chẳng hạn, truy nhập di động IS-95 một cách logic là một chức năng của phân lớp MAC, nhưng các thuộc tính của nó lại được gộp lại thành một chức năng khác trong một chuẩn đơn. Ta thấy rằng kiến trúc phân lớp không đựơc dùng trong IS-95 mà được IS-2000 sử dụng. Kiến trúc phân lớp được sử dụng trong chuẩn IS-2000 vì nó mạng lại cho hệ thống sự phù hợp với kiến trúc 3G được vạch ra trong IMT-2000. Mô hình IMT-2000 tìm kiếm một mạng khác kết hợp các dịch vụ cung cấp đến người dùng, các mức và khả năng mở rộng của sự kết hợp này được tổ chức rõ ràng hơn nếu được xem xét từ góc độ kiến trúc phân lớp.Chức năng phân lớp được xác định đúng sẽ cung cấp tính modul cho hệ thống. Miễn là một lớp vẫn thực hiện chức năng của nó và cung cấp các dịch vụ yêu cầu, việc thực hiện chuyên biệt các chức năng của nó có thể được hiệu chỉnh hoặc thay thế mà không yêu cầu sự thay đổi các lớp bên trên và dưới của nó. Hình 2.1 chỉ ra cấu trúc của kiến trúc phân lớp sử dụng trong IS-2000. Không mất tính tổng quát, hình vẽ này được chỉ ra từ góc độ của trạm di động, cũng có thể vẽ một hình tương tự từ phối cảnh của trạm gốc bằng việc đảo lại hướng mũi tên và thay đổi việc sắp xếp của vài đối tượng. Ta thấy rằng cấu trúc các lớp chỉ ra ở hình 2.1 tương tự với mô hình tham chiếu liên kết hệ thống mở (OSI). Hinh 2.1 Kiến trúc giao thức sử dụng trong chuẩn IS-2000 (Cấu trúc này được chỉ ra từ góc độ của trạm di động) 2.1 Các thành phần khác của kiến trúc giao thức Ngoài các lớp riêng ra, các thành phần khác của kiến trúc giao thức cũng được mô tả như sau: Các kênh vật lý: Các kênh vật lý là các đường dẫn giao tiếp giữa lớp vật lý và phân lớp ghép kênh chung/riêng. Các kênh vật lý được ký hiệu bằng chữ hoa. Trong cách ký hiệu, chữ cái đầu tiên và dấu gạch ngang giữa hoặc dành cho đường xuống(F-) hoặc dành cho đường lên (R-)và 2 chữ cái cuối cùng(CH) viết tắt của từ “kênh”. Chẳng hạn như R-ACH là viết tắt của kênh truy nhập đường lên và F-FCH là ký hiệu của kênh truy nhập cơ bản đường xuống. Một danh sách các kênh vật lý và các ký hiệu của chúng được trình bày trong bảng 1.1. Chú ý rằng, các kênh vật lý kế thừa IS-95 được đánh dấu hoa thị*. Kênh logic: Các kênh lôgic là các đường dẫn thông tin giữa các phân lớp ghép kênh chung/riêng và các thực thể lớp cao hơn. Ta có thể hiểu rằng các kênh logic như là việc mang các đơn vị logic của thông tin người dùng hoặc thông tin báo hiệu trong khi kênh vật lý được hiểu như là các phương tiện vận tải vật lý vận chuyển các thông tin người dùng và thông tin báo hiệu qua không trung. Các kênh logic được ký hiệu bởi chữ thường. Chữ cái đầu tiên và dấu gạch ngang ký hiệu hoặc cho kênh đường xuống (f-) hoặc cho kênh đường lên(r-) và 2 chữ cái cuối cùng (ch) là ký hiệu của “kênh”. Chẳng hạn, r-csch là ký hiệu của báo hiệu kênh chung đường lên, còn f-dtch là ký hiệu kênh lưu lượng riêng đường xuống. Một danh sách tên các kênh logic và ký hiệu của chúng được chỉ ra trong Bảng 2.1 và bảng 2.2 Bảng 2.1 Ký hiệu các kênh vật lý trong chuẩn IS-2000 Đường xuống Đường lên Ký hiệu kênh Tên kênh Ký hiệu kênh Tên kênh F-SCH Kênh bổ sung đường xuống R-SCH Kênh bổ sung đường lên F-SCCH Kênh mã bổ sung đường xuống R-SCCH Kênh mã bổ sung đường lên F-FCH* Kênh cơ bản đường xuống R-FCH* Kênh cơ bản đường lên F-DCCH Kênh điều khiển riêng đường xuống R-DCCH Kênh điều khiển riêng đường lên F-PCH* Kênh tìm gọi F-QPCH Kênh tìm gọi nhanh R-ACH* Kênh truy nhập R-EACH Kênh truy nhập tăng cường F-CCCH Kênh điều khiển chung đường xuống R-CCCH Kênh điều khiển chung đường lên F-BCCH Kênh điều khiển quảng bá F-CPCCH Kênh điều khiển công suất chung F-CACH Kênh phân công chung F-SYNCH* Kênh đồng bộ F-PICH* Kênh hoa tiêu đường xuống R-PICH Kênh hoa tiêu đường lên F-TDPICH Kênh hoa tiêu truyền phân tập F-APICH Kênh hoa tiêu phụ F-ATDPICH Kênh hoa tiêu truyền phân tập phụ Bảng 2.2 Ký hiệu các kênh logic ở chuẩn IS-2000 Đường lên Đường xuống Ký hiệu kênh Tên kênh Ký hiệu kênh Tên kênh f-csch Kênh báo hiệu chung đường xuống r-csch Kênh báo hiệu chung đường lên f-dsch Kênh báo hiệu riêng đường xuống r-dsch Kênh báo hiệu riêng đường lên f-dtch Kênh lưu lượng riêng đường xuống r-dtch Kênh lưu lượng riêng đường lên 3. Tốc độ trải phổ 1 và tốc độ trải phổ 3 Không mất tính tổng quát, quyển sách này sẽ tập trung vào Tốc độ trải phổ 1 (được coi là 1x) của IS-2000. Tốc độ trải phổ 1 được định nghĩa là sử dụng 1 lần tốc độ chíp của IS-95 (1.2288Mcps). Xem hình 1.2. Chuẩn IS-2000 cũng hỗ trợ tốc độ trải phổ (được gọi là 3x). Tốc độ trải phổ 3 được sử dụng khi yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn. Tốc độ trải phổ 3 có 2 lựa chọn thực hiện: Trải phổ trực tiếp(DS) và Kỹ thuật đa sóng mang (MC). Trên đường xuống, tốc độ trải phổ 3 sử dụng lựa chọn MC bằng cách sử dụng 3 sóng mang RF riêng rẽ, mỗi lần trải phổ sử dụng tốc độ chíp là 1.2288Mcps. Trong trường hợp này, dữ liệu người sử dụng được ghép trên 3 sóng mang RF tách biệt được nhận bởi máy di động. Trên đường lên, tốc độ trải phổ 3 sử dụng lựa chọn DS. Lựa chọn DS cho phép máy di động có thể trải phổ trực tiếp dữ liệu của nó trên một băng thông rộng hơn sử dụng tốc độ chíp là 3.6864Mcps. (Xem hình 1.3). Để kết hợp với các hệ thống 3G khác như UMTS, tín hiệu trải phổ tốc độ 3 có thể có khoảng bảo vệ là 625kHz cho mỗi hướng, dẫn đến tổng băng thông RF là 5MHz. Sự lựa chọn cho liên kết đường lên và đường xuống được có trong chuẩn để giảm độ phức tạp bộ nhận của máy di động. Độc giả phải chú ý, cấu hình trạng thái ở trên có nghĩa là bộ nhận của máy di động chỉ phải nhận và giải điều chế các sóng mang 1x và không phải nhận và giải điều chế bất cứ sóng mang 3x nào. Một máy di động cũng có thể tình cờ nhận tốc trải phổ 1.(Xem hình 1.4). Sự sắp xếp đặc biệt này tận dụng thực tế tốc độ dữ liệu yêu cầu cho luồng xuống thông thường cao hơn yêu cầu của luồng lên. Chọn lựa băng thông rộng hơn như là 6x, 9x, 12x là sự cân nhắc cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao hơn. Cho đến tận khi hệ thống 3G được quan tâm, tốc độ trải phổ 3 làm thoả mãn các yêu cầu về chỉ tiêu chất lượng hướng tới của IMT-2000 Hình 2.2 Tốc độ trải phổ 1. Một tốc độ chip là 1.2288Mcps chiếm một băng thông RF là 1.25MHz Hình 2.3 Tốc độ trải phổ 3 Hình 2.4 Tốc độ trải phổ 3 trên đường xuống và tốc độ trải phổ 1 trên đường lên Cần chú rằng sự nỗ lực ban đầu của họ các chuẩn IS-2000 là để tiến đến các tốc độ dữ liệu cao hơn sử dụng băng thông rộng hơn (như là 3x…12x). Tuy nhiên, xu hướng hiện nay là một trong số các giải pháp triển khai tốc độ dữ liệu cao là sử dụng băng thông 1.25MHz (ví dụ 1xEV-DO). Có vài ưu điểm của việc sử dụng các giải pháp như 1xEV-DO, một trong số chúng là bộ điều khiển không dây có thể cắt ra các sóng mang 1.25MHz dành riêng và tối ưu cho dữ liệu tốc độ cao. 2. Kiến trúc mạng 2.1 Giới thiệu Phần trên đã tập trung đề cập các lớp giao thức. Phần này sẽ giới thiệu kiến trúc của mạng vô tuyến hỗ trợ IS-2000 và chỉ ra mối quan hệ giữa lớp giao thức và các phần tử của mạng kết cuối vô tuyến; mặc dù IS-2000 quản lý giao tiếp giữa các trạm gốc và máy di động, nhưng các giao thức và các lớp giao thức khác quản lý giao tiếp giữa các phần tử khác nhau trong mạng. Phần này bắt đầu đề cập đến mạng 2G và phát triển thêm các phần tử mạng để tạo nên mạng 3G điển hình. Các giao thức được sử dụng trong các phần khác nhau của mạng cũng được nêu ra. Mục đích của phần này đưa ra một mô hình kiến trúc mạng kết hợp với hệ thống IS-2000. 2.2 Mạng 2G Một mạng 2G đưa ra cả hai dịch vụ: truyền thoại chuyển mạch kênh và dịch vụ số liệu chuyển mạch gói. Hình 2.5 mô tả kiến trúc của mạng vô tuyến 2G điển hình. 2.2.1 Các phần tử của mạng Hai phần tử cơ bản của mạng di động là: Trạm di động (MS) và Trạm gốc (BTS). Ngoài ra, mạng 2G còn có các phần tử khác là: Bộ điều khiển trạm gốc (Base station controller- BSC): Phần tử này điều khiển một nhóm các BTS gắn với nó. Trung tâm chuyển mạch di động(Mobile switching center -MSC): MSC chuyển mạch lưu lượng người dùng được truyền nhận giữa MS và mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN) hay giữa MS và MSC khác. Bộ định vị thường trú (Home location register-HLR): Đây là cơ sở dữ liệu chứa các thông tin về thuê bao. Bộ định vị tạm trú (Visitor location register-VLR): Đây là cơ sở dữ liệu lưu trữ các thông tin về thuê bao của một số người dùng đang “hoạt động” trong một MSC cụ thể. Trung tâm nhận thực (Authentication-AC): AC kiểm tra các xác nhận của người dùng trước khi công nhận cung cấp dịch vụ cho người dùng đó. Nó thực hiện bằng cách xử lý các đáp ứng nhận thực được gửi bởi người sử dụng. Chức năng tương tác (Interworking function – IWF): Trong mạng vô tuyến 2G, IWF là một phần tử hỗ trợ dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh. Hình 2.5 Một mạng 2G điển hình. Phần in đậm là phần cung cấp dịch vụ dữ liệu gói Một chức năng quan trọng khác được thực hiện bởi BSC là quản lý di động, chức năng này sẽ định hướng chuyển giao xuất hiện khi máy di động di chuyển từ 1 BTS này đến BTS kế tiếp. Một chức năng quan trọng khác của BSC là chức năng chuyển đổi mã. Chức năng này chuyển đổi giữa dạng thoại sử dụng trên giao diện vô tuyến (như là mã hoá/ giải mã tốc độ biến đổi tăng cường hay EVRC) và dạng thoại sử dụng trong PSTN (như là điều chế xung mã hay PCM). Như đã nói, HLR là một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin thuê bao. Đối với mỗi thuê bao, HLR giữ các thông tin về thuê bao của thuê bao đó như là một số xác nhận thuê bao di động quốc tế (IMSI) và một sóng mang khoảng cách xa dành riêng. Để tránh vấn đề liên quan đến lặp dữ liệu, thông thường chỉ có một HLR cho một mạng vô tuyến. Mặt khác, VLR là một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin về thuê bao của những người dùng mà hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC; những người dùng này có thể là từ mạng khác và cả trong mạng thường trú. Như vậy, một VLR thông thường xác định một MSC.Việc sử dụng của VLR được ưu tiên vì nếu không có VLR, thì MSC sẽ phải truy vấn HLR bất cứ khi nào có một yêu cầu truy nhập. Để cung cấp các dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh, mạng vô tuyến 2G sử dụng chức năng IWF. Thủ tục IWF chuyển đổi từ một dạng truyền dẫn này đến dạng truyền dẫn khác và ngược lại. Chẳng hạn như , dữ liệu tốc độ thấp tạo ra từ MS là được chuyển mạch (kênh) qua MSC đưa đến IWF. IWF chuyển đổi luồng dữ liệu PCM (sử dụng bởi MSC) thành tín hiệu âm chuông modem có thể truyền qua PSTN. Sau đó một kênh riêng trên PSTN truyền âm chuông modem đến đơn vị cung cấp dịch vụ Internet (ISP), là bộ phận cuối cùng hỗ trợ kết nối với mạng Internet. 2.2.2 Các giao thức Như trong hình2.5, một mạng vô tuyến 2G bao gồm các giao diện khác nhau giữa các phần tử mạng khác nhau. Sự trao đổi thông tin qua lại trên giao diện này thông thường được quản lý bởi một số chuẩn, việc sử dụng các chuẩn này là tuỳ ý. Các chuẩn chính như sau: IS-95: Các chuẩn này quản lý giao diện (vô tuyến) giữa các MS và BSC trong mạng vô tuyến CDMA 2G. IS-634: Đây là một phiên bản 2G gồm đặc tả thao tác giữa các phần (IOS) định nghĩa các giao diện giữa các BSC và MSC. Nó cũng định nghĩa làm thế nào các BSC có thể kết hợp với nhau để hỗ trợ quản lý sự di động và chuyển giao của MS từ BSC này sang BSC khác. IS-41: Chuẩn này định nghĩa giao diện giữa các MSC, HLR, VLR, và AC. Nó cũng định nghĩa làm thế nào các MSC các hãng cung cấp thiết bị khác nhau có thể kết nối được với nhau để có sự thao tác giữa các MSC này. 2.3 Mạng 3G Một mạng vô tuyến 3G phù hợp với việc cung cấp dịch vụ thoại chuyển mạch kênh, dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh, và dịch vụ số liệu chuyển mạch gói. Hình 2.6 mô tả kiến trúc của mạng vô tuyến 3G điển hình. 2.3.1 Các phần tử của mạng. Hình 2.6 Một mạng vô tuyến 3G điển hình. Phần in đậm là phần cung cấp dịch vụ dữ liệu gói Ngoài các phần tử tương tự như mạng 2G, mạng vô tuyến 3G còn có một số sự bổ sung quan trọng mà mục đích của chúng là cung cấp các dịch vụ số liệu chuyển mạch gói. Các phần tử bổ sung này bao gồm: Nút dịch vụ dữ liệu gói (Packet data serving node -PDSN): Trong một mạng 3G, PDSN là một phần tử cho phép các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói. Bộ nhận thực, cấp phép, và thanh toán (Authentication, authorization, accounting-AAA ): AAA là một máy chủ đưa ra các dịch vụ nhận thực, cấp phép và thanh toán cho các nút dịch vụ dữ liệu gói PDSN, chúng đưa ra các dịch vụ kết nối mạng dữ liệu gói cho người sử dụng di động. BSC trong mạng vô tuyến 3G không chỉ hỗ trợ quản lý di động và chuyển đổi mã, mà nó còn định hướng lưu lượng thoại/số liệu chuyển mạch kênh đến các MSC và lưu lượng số liệu chuyển mạch gói đến PDSN. Để cung cấp các dịch vụ số liệu chuyển mạch gói, mạng vô tuyến 3G sử dụng PDSN, bộ phận cần thiết như là một bộ định tuyến IP để định tuyến lưu lượng số liệu người dùng đến một mạng số liệu gói công cộng (chẳng hạn như Internet). Với quan điểm như vậy, PDSN trong chuyển mạch gói tương tự như MSC trong chuyển mạch kênh. Nếu như MSC chuyển lưu lượng chuyển mạch kênh giữa MS và mạng chuyển mạch kênh (như PSTN), thì PDSN chuyển lưu lượng chuyển mạch gói giữa MS và mạng chuyển mạch gói (như mạng Internet). Bộ AAA thực hiện một chức năng quan trọng là nhận thực. Khi một MS yêu cầu dịch vụ số liệu chuyển mạch gói, nó phải phải trải qua ít nhất 2 mức nhận thực. Đầu tiên, MS phải được thông qua nhận thực kết nối vô tuyến thông thường, quá trình nhận thực này được duyệt bởi trung tâm nhận thực (AC) sử dụng các thông tin thuê bao (ví dụ như IMSI) chứa trong HLR. Nếu quá trình nhận thực này thành công, thì MS sẽ được gán cho một kết nối vô tuyến và thực hiện tiếp nhận thực dịch vụ số liệu gói.Quá trình nhận thực này được thực hiện bởi phần AAA và có thể chỉ là các yêu cầu người sử dụng đưa ra số tài khoản và password. Nếu quá trình nhận thực này cũng thành công, thì MS được cấp dịch vụ số liệu gói. Ngoài ra, AAA thực hiện chức năng thanh toán. Chẳng hạn, đối với mỗi MS thì bộ phận AAA tập hợp các thông tin về quá trình sử dụng dịch vụ số liệu gói của MS đó. Bộ AAA sẽ chuyển các thông tin này đến các ứng dụng tính cước để người sử dụng có thể được tính toán cho các dịch vụ. Chú ý rằng việc sử dụng bộ AAA không phải chỉ có độc nhất trong mạng vô tuyến 3G. Trên thực tế , bộ AAA là một phần tử luôn cần thiết thường được sử dụng bởi nhà cung cấp các dịch vụ mạng gói. 2..3.2 Các giao thức Mạng vô tuyến 3G chỉ ra trong hình 2.6 bao gồm các giao diện giữa các thành phần của mạng được bổ sung để cung cấp các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói. Việc định nghĩa các giao diện này thông thường được quản lý bởi một số chuẩn. Các chuẩn chính là: IS-2000: Các chuẩn này quản lý giao diện (không trung) giữa MS và BSC trong mạng vô tuyến CDMA 3G. IS-2001: Đây là phiên bản 3G của đặc tả thao tác giữa các phần(IOS), nó định nghĩa giao diện giữa BSC và PDSN. Nó cũng định nghĩa giao diện BSC và MSC và giao diện giữa các BSC cho việc quản lý sự di động. IS-41: Chuẩn này sử dụng trong mạng vô tuyến 2G, cũng được sử dụng trong mạng vô tuyến 3G. Nó định nghĩa các giao diện giữa các MSC, HLR, VLR và AC đồng thời giữa các MSC với nhau. Hình 2.7 đưa ra một góc nhìn khác của các giao thức khác nhau sử dụng trong một mạng vô tuyến 3G. Các giao thức được đưa ra tuỳ thuộc các lớp mà chúng hoạt động. Để cho dễ hiểu, chỉ đưa ra một phần liên quan đến dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói. Một chuẩn bổ sung được chỉ ra trong hình 12.3 là: ISS-707: Chuẩn này đưa ra giao thức liên kết vô tuyến (RLP), được sử dụng để phân phát và nhận dữ liệu gói người dùng. RLP là giao thức lớp 2 được thiết kế một cách đặc biệt cho hoạt động trên giao diện không trung. Hình 2.7 chỉ ra rằng đối với một phiên dữ liệu gói cụ thể, PDSN tạo ra và duy trì một phiên logic với MS. Phiên logic này được duy trì sử dụng giao thức điểm-tới-điểm (PPP). Mặt khác, tại mức cao hơn, PDSN và MS trao đổi dữ liệu sử dụng giao thức PPP. PPP là phương pháp de facto truyền nhiều hoặc ít hơn các khối dữ liệu qua các kết nối điểm -tới- điểm. Chẳng hạn như, giao thức PPP thường sử dụng kết nối kiểu quay số giữa các máy tính cá nhân và các ISP vì đường dây điện thoại là liên kết điểm -tới -điểm. Dung lượng của PDSN đôi khi được coi là một số các kết nối PPP đồng thời mà nó có thể duy trì được. Hình 2.7 Các lớp giao thức sử dụng cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói Tại các mức tiếp theo, PDSN (một bộ định tuyến IP) định tuyến các gói IP giữa các MS(một client) và máy chủ; PDSN đã sử dụng giao thức IP. Sau đó tại lớp vận tải, giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP) hay giao thức gói dữ liệu người dùng (UDP) đáp ứng việc phân phát dữ liệu đầu cuối- đến- đầu cuối (từ MS đến máy chủ và ngược lại). Trong giao thức TCP, một kết nối TCP được thiết lập giữa MS và máy chủ. Kết nối TCP được coi là kênh ảo xuất hiện trong lớp ứng dụng như là một kênh điểm-tới-điểm. Mặt khác, UDP là giao thức kiểu không kết nối mà mỗi gói được xử lý một cách riêng biệt và hoạt động trên mạng theo cách riêng của chúng. 2.4 Giao thức IP đơn giản Mạng vô tuyến 3G chỉ ra trước đó trong hình 12.2 phù hợp với giao thức IP đơn giản. Hình12.4 minh hoạ làm thế nào một gói IP được trao đổi giữa MS(client) và máy chủ trên mạng Internet. Để cho dễ hiểu , thì chỉ có phần liên quan đến các dịch vụ số liệu chuyển mạch gói được trình bày trong hình 12.4. Một MS đang ở trong PDSN thường trú có địa chỉ IP là M, và máy chủ trên Internet có địa chỉ IP là S. Việc đưa ra 2 địa chỉ này, các gói IP có thể trao đổi giữa MS và máy chủ. Đặc biệt, một gói từ MS đến máy chủ sẽ mang địa chỉ nguồn của nó (M) và địa chỉ đích là S, và một gói từ máy chủ đến MS sẽ có điạ chỉ nguồn là S và địa chỉ đích là M. Hình 2.8 Trao đổi gói IP giữa MS và máy chủ. Phần in đậm mô tả đường đi của gói IP Điều gì sẽ xảy ra khi MS di chuyển từ PDSN thường trú của nó đến một PDSN khác trong khi các dịch vụ vẫn đang hoạt động? Các kết nối vô tuyến vẫn đang được thiết lập bởi IOS và IS-2001 đã chỉ ra việc chuyển giao giữa các BSC và MSC được thiết lập như thế nào. Nhưng kết nối dịch vụ sẽ bị cắt. Một gói đi từ MS đến máy chủ sẽ vấn tới được đích của nó (vì các gói có đích đúng là S), nhưng một gói từ máy chủ đến MS sẽ không tới được MS (vì gói không có địa chỉ đích M đúng). Điều đó là đúng vì khi MS không còn ở trong PDSN thường trú, thì PDSN không thể phân phát các gói đến MS. Xem hình 2.9 2..5 Giao thức IP di động Hình 2.9 Nếu một MS di chuyển đến một PDSN khác, thì kết nối dịch vụ bị cắt. Để hỗ trợ IP di động, hai thành phần mạng cần bổ sung là: Tác nhân thường trú (HA): Đây là một bộ định tuyến cùng với các bộ cấp dịch vụ bên ngoài cung cấp các chức năng IP di động. Nhìn từ góc độ của MS, HA là một bộ định tuyến cư trú trong mạng IP thường trú của MS (phục vụ bởi PDSN thường trú của MS đó). Khi MS chuyển từ PDSN thường trú, thì HA của MS sẽ chuyển các gói đó (dự tính cho MS) đến MS. Để làm được như vậy HA của MS phải biết được đâu là PDSN mà MS hiện đang cư trú. Tác nhân ngoài (FA): Đây là một bộ định tuyến khác mà kết hợp với HA cung cấp các chức năng IP. FA thông thường đi cùng với PDSN. Khi một MS “ghé thăm” một mạng IP bên ngoài (phục vụ bởi một PDSN khác), FA trên mạng ngoài này nhận các gói được chuyển từ HA của MS và phân phát chúng đến MS (MS này hiện đang ở trong mạng ngoài). Hình 2.10 Trong IP di động, HA chuyển gói đến vị trí hiện tại của MS. Hình 2.10 chỉ ra IP di động hoạt động như thế nào. Khi MS chuyển từ PDSN thường trú đến PDSN ngoài, một gói được gửi từ MS sẽ đến được máy chủ vì gói có chứa địa chỉ đích hợp lệ S. Mặt khác, khi máy chủ gửi một gói đến MS thì máy chủ vẫn sử dụng địa chỉ IP của MS là M. Gói đó được chuyển đến mạng IP thường trú của MS và bị chặn bởi HA của MS. Sau đó HA sẽ định tuyến cho gói đó đến FA của mạng IP bên ngoài (mà MS đang ở trong mạng này). Sau đó FA trên mạng ngoài nhận gói và chuyển chúng đến MS. Để HA của MS có thể chuyển các gói đến đúng chỗ, HA phải biết địa chỉ IP hiện tại của MS trên mạng ngoài. Địa chỉ IP tạm thời này là T, được gán cho MS ngay khi nó di chuyển đến mạng IP ngoài. Thực tế, mô hình IP di động yêu cầu 2 chức năng: Đăng ký MS với FA: Khi một MS di chuyển đến một mạng ngoài, nó cần phải đăng ký. FA trên mạng ngoài tạo ra một địa chỉ tạm thời cho MS. Đăng ký của FA với HA: Sau khi FA tạo một địa chỉ tạm thời cho MS, FA cần đăng ký địa chỉ IP tạm thời của MS cho HA của MS. Như vậy, HA mới biết được nơi sẽ định tuyến lại các gói đến cho MS. Hình 2.11 Các lớp giao thức sử dụng trong IP di động Câu hỏi hỏi đặt ra là tại sao lại không chọn phương pháp chỉ để máy chủ biết được địa chỉ IP tạm thời (T) của MS.Với cách này máy chủ có thể gửi các gói trực tiếp đến địa chỉ IP (T) trên mạng ngoài mà MS đang ở đó thay vì phải hỏi HA của MS để chuyển các gói. Câu trả lời như sau: Cần phải thực hiện các giải pháp di động mà đảm bảo trong suốt với tất cả các máy chủ trong một phạm vi rộng trên Internet. Trong mô hình IP di động không đòi hỏi thực hiện thêm bất cứ công việc nào như là thay đổi địa chỉ của MS từ M sang T trong một phiên dịch vụ. Khi một MS có khả năng duy trì địa chỉ IP của nó khi di chuyển, thì máy chủ coi như không thấy được sự di chuyển của MS. Thực tế trong mô hình IP di động máy chủ hoàn toàn không nhận thấy sự di chuyển của MS (các máy di động khách ). Tính trong suốt này rất có giá trị đối với máy chủ khi nó không cần quan tâm đến sự thay đổi địa chỉ IP. Tính trong suốt có trong IP di động cũng cho phép cùng một máy chủ có thể phục vụ không chỉ MS trong mạng vô tuyến mà còn phục vụ cả các máy khách cố định chính thống. Hình 2.11 đưa ra mô hình các lớp giao thức của IP di động. Hình vẽ này tương tự như hình vẽ 2.7. Tuy nhiên có 2 sự khác biệt. Thứ nhât, HA trong mô hình này tương thích với việc định tuyến các từ máy chủ đến FA của mạng ngoài, sau đó FA lần lượt chuyển các gói đến MS. Thứ 2, IP di động trong mô hình này sử dụng giữa MS và PDSN/FA, giữa PDSN và HA. Từ góc độ của máy chủ, thì máy chủ vẫn sử dụng giao thức IP chuẩn và không thay đổi gì. Hình 2.12 Một mạng vô tuyến 3G điển hình hỗ trợ IP di động. Phần in đậm là phần cung cấp dịch vụ dữ liệu gói Chú ý rằng trong cả 2 hình vẽ 2.10 và 2.11, HA và FA được chỉ ra từ góc độ của một MS cụ thể. Trong trường hợp này, MS này vừa di chuyển từ PDSN của nó đến PDSN bên ngoài. Từ góc độ của MS này, HA đang ở trong mạng IP thường trú của nó và FA đang hoạt đọng ở trong mạng IP ngoài. Nhìn chung, bất kỳ mạng IP nào đều có cả HA và FA, trong đó FA phục vụ các MS ở mạng ngoài di chuyển đến mạng đó và HA phục vụ các MS của mạng đó và hiện đang di chuyển ở các mạng khác. Hình 2.12 chỉ ra kiến trúc của mạng vô tuyến 3G điển hình hỗ trợ IP di động. Việc nhận ra rằng IP di động không chỉ duy nhất sử dụng để hỗ trợ tính di động IP trong các mạng vô tuyến là rất quan trọng. Thực tế, nó có thể sử dụng để hỗ trợ bất cứ mạng nào mà trong đó có di động IP (như khi một thực thể di động ví dụ như máy tính xách tay di chuyển từ mạng IP thường trú của nó đến một mạng IP bên ngoài). 2.6 Kết luận Phần này đưa ra một sự giới thiệu khái quát về kiến trúc mạng hỗ trợ IS-2000. Chúng ta đã xem xét các thành phần của mạng và các giao thực vận hành trong cả mạng 2G và 3G, đồng thời đã giới thiệu cả 2 giao thức IP đơn giản và IP di động. Có rất nhiều chi tiết được đưa vào trong mạng, đặc biệt là trong phần chuyển mạch gói của mạng và các giao thức của nó. Chính điều đó thể hiện sự khác biệt về kiến trúc mạng của 3G so với 2G, cũng có nghĩa là các dịch vụ và chất lượng của dịch vụ trong mạng 3G được tốt hơn hẳn ở trong mạng 2G.