CÁC CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG SAU 3G

CÁC CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG SAU 3G

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II

_

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HỆ ĐÀO TẠO: VĂN BẰNG HAI

Mục lục

1.1 Nửa đầu thập kỷ 1990: Viễn thông chủ yếu là thoại 3 1.2 Từ 1995 đến 2000: sự cất cánh của viễn thông di động và Internet 3 1.3 Từ 2000 đến 2005: Dot Com suy sụp, xuất hiện Web 2.0 và Mobile Internet 4 1.4 Từ 2005 đến nay: thoại di động phủ sóng toàn cầu, VoIP và Mobile

Chương 2: Tổng quan các kiến trúc Sau 3G

2.2.3 Giao tiếp vô tuyến và mạng truy nhập vô tuyến 22

2.3.4 Sắp đặt lịch truyền, điều chế và mã hóa, HARQ 36

2.4 HSPA+ và những cải tiến khác: Cạnh tranh với LTE 40

2.4.3 Khả năng truyền gói liên tục (Continuos Packet Connectivity) 41 2.4.4 Các trạng thái Enhanced Cell-FACH, Enhanced Cell/URA-PCH 44 2.4.5 Cải tiến mạng vô tuyến: Một đường hầm duy nhất (One-tunnel) 46

3.2.2 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy nhập vô tuyến 50

3.2.4 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng 52 3.2.5 Chuyển qua chuyển lại giữa những công nghệ vô tuyến khác nhau 52 3.2.6 Thuật ngữ “thiết lập cuộc gọi gói” trở thành lịch sử 52

3.3.8 Hướng xuống và hướng lên: Các kênh truyền tải và kênh điều khiển

dành riêng, và việc ánh xạ chúng vào kênh vật lý dùng chung 60 3.3.9 Hướng xuống: Các kênh điều khiển ở tầng vật lý 60 3.3.10: Hướng lên: Các kênh điều khiển ở tầng vật lý 61 3.3.11 Cấp phát lịch truyền linh động và cấp phát lịch truyền lâu dài 61

3.4.1 Tìm kiếm mạng và quảng bá các thông tin hệ thống 68

4.3 Giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của WiMAX cố định 802.16d 78

4.4.1 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 81

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, các mạng thoại tổ ong (cellular telephone network1, hay ngắn gọn hơn: cellular network) đã biến đổi thành những mạng truy cập chuyển gói rất mạnh mẽ, phục vụ cho cả truyền thoại lẫn truy cập Internet Các mạng 3.5G hiện tại, chẳng hạn như UMTS/HSDPA

và CDMA 1xEvDO, giờ đây đã cung cấp những thông lượng lên đến vài Mbps cho những người dùng riêng rẽ, và khả năng truy cập di động vào Internet từ các thiết bị cầm tay và máy tính xách tay không còn được xem là thấp hơn một mối nối kết DSL hoặc cáp nữa Thế nhưng, yêu cầu về băng thông và dung lượng vẫn không ngừng tăng lên do bởi lượng người dùng gia tăng trong các mạng ấy và do những ứng dụng đòi hỏi cao về băng thông chẳng hạn như truyền phim ảnh

và truy cập Internet di động từ máy tính xách tay Vì vậy, các nhà chế tạo mạng và các nhà điều hành mạng viễn thông cần tìm ra những phương cách nào đó để làm tăng dung lượng và hiệu năng làm việc trên các mạng của họ, trong khi vẫn giữ giá thành thấp hay thậm chí còn giảm đi Trong quá khứ, sự tiến hóa của mạng truyền thông không dây chủ yếu liên quan đến việc thiết

kế các mạng truy nhập có dải tần cao hơn và thông lượng lớn hơn Khi chúng ta tiến đến thời kỳ các kiến trúc mạng Sau 3G2, giờ đây có một sự tiến hóa còn nhanh hơn nữa ở các mạng lõi, và quan trọng nhất là ở các thiết bị và ứng dụng dành cho người dùng Sự tiến hóa này tiếp tục những xu hướng công nghệ vốn đã “đụng trần” trong thế giới mạng Internet “đường truyền cố định” hiện nay Các hệ thống điện thoại chuyển kênh đang được thay thế bởi các công nghệ VoIP, còn Web 2.0 thì khuyến khích người dùng trở thành những nhà sáng tạo nội dung và chia

sẻ thông tin của mình với toàn thế giới Trong tương lai, các mạng không dây broadband sẽ có một ảnh hưởng rất quan trọng đối với xu hướng này, bởi lẽ điện thoại di động và máy tính xách tay là những công cụ lý tưởng để sáng tạo và tiêu thụ nội dung Phàn lớn các điện thoại di động

và máy tính xách tay hiện nay đều đã được trang bị những máy ảnh số tiên tiến, và khả năng quay phim chụp ảnh của chúng ngày càng tốt hơn

Mặt khác, chúng ta đang chứng kiến các công nghệ mobile broadband ngày càng trở nên

tương đồng về mặt giao tiếp vô tuyến (air interface) và kiến trúc nối mạng (networking

architecture); chúng đang được hội tụ thành một kiến trúc mạng dựa trên IP cùng với công nghệ

giao tiếp vô tuyến dựa trên OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access _ Đa truy

cập phân tần trực giao) Mặc dù sự tiến hóa về kiến trúc mạng chưa đạt đến mức hội tụ đầy đủ

và thực sự, nhưng các loại mạng truy cập không dây ở những giai đoạn khác nhau của quá trình tiến hóa này đamg được thiết kế để đáp ứng việc truyền các dịch vụ đa phương tiện ở khắp nơi thông qua việc nối kết liên mạng

1

“Cellular” có căn ngữ là “cell”, còn cell ở đây có nghĩa là ngăn, ô, hoặc lỗ tổ ong Gọi như vậy là vì, các

cell trong mạng được mô hình bằng những hình lục giác sắp kế cận nhau để tái sử dụng tần số ở những vùng cách xa nhau theo nguyên tắc đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) Cách sắp xếp này giống cách sắp xếp các lỗ hay ngăn trong cấu trúc của tổ ong (cellular construction of a beehive)

Tuy các xu hướng tiến hóa công nghệ này đã và đang diễn ra, có rất ít tài liệu mô tả chúng về mặt kỹ thuật, nhất là ở Việt Nam Luận văn này cố gắng mô tả sự tiến hóa của những công nghệ truyền thông không dây từ 3G trở về sau Nó tập trung bàn về sự tiến hóa của truyền thông di động 3G và Sau 3G, như được xây dựng bởi tổ chức chuẩn hóa 3GPP (3rd Generation Partnership Project), lưu ý đến sự tiến hóa về kỹ thuật truy cập vô tuyến và mạng truy nhập Luận văn này bao gồm bốn chương Chương 1 điểm qua lịch sử tiến hóa của các mạng di động trong quá khứ, rồi liệt kê những xu hướng tiến hóa đang nổi lên hiện nay Chương 2 bàn sâu về các công nghệ truy cập vô tuyến hậu duệ của công nghệ GSM phổ biến hiện nay: UMTS, HSPA và HSPA+ Chương 3 bàn tiếp về các thế hệ cải tiến của HSPA: LTE và LTE-Advanced Cuối cùng, chương 4 bàn về công nghệ WiMAX với hai phiên bản đã được triển khai cho tới nay: 802.16d và 802.16e

Do khuôn khổ luận văn có hạn mà các lĩnh vực đề cập lại quá rộng lớn và mới mẻ, nên chúng tôi không dám bàn sâu vào một số khía cạnh kỹ thuật nền tảng trong các công nghệ, ví dụ như nền tảng lý thuyết của các phương thức điều chế và mã hóa, chi tiết về hệ thống báo hiệu số 7 (SS-7) vốn vẫn còn được dùng trong UMTS, chi tiết về các tầng giao thức trong các hệ thống mạng, và nguyên lý chi tiết của OFDM và OFDMA, chi tiết kỹ thuật của truyền MIMO, v.v

Do kiến thức còn hạn chế, luận văn này chắc chắn không tránh khỏi nhiều thiếu sót Xin cảm

ơn thầy Phạm Thanh Đàm đã tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian làm luận văn này Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Khoa Viễn Thông 2 đã giảng dạy, cung cấp kiến thức và giúp đỡ động viên để tôi có thể hoàn thành được luận văn này

Xin cảm ơn những người thân trong gia đình tôi, cảm ơn những người bạn thân thiết đã giúp

đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất

Phạm Hoàng Dũng

Chương 1:

Sự phát triển từ 2G qua 3G lên 4G

Trong 15 năm vừa qua, truyền thông qua đường dây cố định và không dây cũng như Internet

đã phát triển có thể nói là rất nhanh nhưng cũng có thể nói là rất chậm, tùy theo người ta quan sát lĩnh vực này như thế nào Để đánh giá khái quát về những sự phát triển cho đến hiện tại và trong tương lai trong lĩnh vực này, chương này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về những sự kiện chính đã giúp định hình ba lĩnh vực truyền thông này trong một thập kỷ rưỡi vừa qua Tuy phần lớn những sự phát triển mô tả dưới đây đã diễn ra ở những nước công nghệ cao nhất, nhưng những yếu tố địa phương và chính sách điều chỉnh của mỗi quốc gia đã làm giảm đi hay tăng lên tốc độ xảy ra các sự kiện ấy Vì vậy, khoảng thời gian đó có thể được phân chia thành một số giai đoạn, và những mốc thời gian cụ thể sẽ được cung cấp tùy theo mỗi quốc gia được xét

1.1 Nửa đầu thập kỷ 1990: Viễn thông chủ yếu là thoại

Mười lăm năm trước, vào năm 1993, việc truy cập Internet chưa phổ biến rộng khắp, và hầu hết những người dùng nó đều đang nghiên cứu hoặc làm việc tại các trường đại học hay trong một vài công ty chọn lọc trong ngành IT Vào lúc đó, toàn bộ các trường đại học được nối kết với Internet ở một tốc độ truyền là 9.6 Kbit/s Nhiều người trong số họ có máy tính tại nhà riêng, nhưng việc quay số nối vào mạng của nhà trường chưa được áp dụng rộng rãi Các mạng diễn đàn chuyên đề (bulletin board) chẳng hạn như Fidonet3 đã được sử dụng rộng rãi bởi lượng người dùng ít ỏi “online” được vào lúc đó

Vì thế, có thể nói rằng viễn thông 15 năm trước chủ yếu chỉ là thoại, xét theo quan điểm thị trường đại chúng Một tạp chí trực tuyến về viễn thông đã cung cấp một số hình ảnh thú vị về giá

cả dịch vụ viễn thông vào lúc đó, khi các công ty viễn thông độc quyền vẫn còn hiện diện ở hầu hết các nước châu Âu Ví dụ, một cuộc gọi “đường dài nội địa” 10 phút ở Đức trong giờ làm việc, bị tính tiền là 3,25 Euro (nhưng vẫn còn rẻ hơn so với giá cả thoại đường dài ở Việt Nam vào lúc đó)

Về phía truyền thông không dây, các mạng tương tự thế hệ đầu lúc đó đã có mặt được vài năm rồi, nhưng chi phí sử dụng chúng đắt hơn nhiều, và các thiết bị di động kềnh càng và có giá không với tới nổi, trừ các nhà doanh nghiệp Vào năm 1992, các mạng GSM đầu tiên đã được triển khai ở một số nước châu Âu, nhưng chỉ một số ít người chú ý đến các mạng này

1.2 Từ 1995 đến 2000: sự cất cánh của viễn thông di động và Internet

Khoảng năm 1998, các công ty viễn thông độc quyền đã cáo chung ở nhiều nước châu Âu Lúc đó, nhiều nhà cung cấp dịch vụ vốn đã chuẩn bị từ trước cho sự kiện này nhanh chóng nhảy

3

FidoNet ( www.fidonet.org) là một mạng máy tính toàn cầu, được dùng để liên lạc giữa các hệ thống diễn

đàn chuyên đề (bulletin board system _ BBS) bằng các giao thức FTP và Telnet Nó được nhiều người biết đến nhất

vào đầu những năm 1990, trước khi xuất hiện những khả năng truy cập dễ dàng và phải chăng vào Internet Mạng này đến nay vẫn tiếp tục hoạt động, nhưng đã thu hẹp lại khá nhiều, chủ yếu là do sự đóng cửa của nhiều BBS

vào thay thế, và giá cả đã hạ xuống nhanh chóng trong vài tuần lễ và vài tháng đầu sau khi qui định mới (bãi bỏ viễn thông độc quyền) có hiệu lực Kết quả là, giá cả của cuộc gọi đường dài nội địa 10 phút nhanh chóng rơi xuống chỉ còn một phần nhỏ của giá lúc đầu Xu hướng này đến nay vẫn tiếp tục, và chi phí một cuộc gọi như thế hiện nay chỉ khoảng vài xu ở Mỹ Hơn nữa, những cuộc gọi đường dài liên quốc gia ở châu Âu và thậm chí liên lục địa đến nhiều nước, như

Mỹ và những nước công nghiệp hóa khác chẳng hạn, cũng được tính với giá tương tự

Cũng khoảng thời điểm đó, ngành viễn thông đã đạt đến một cột mốc quan trọng Khoảng 5 năm sau khi các mạng di động GSM đầu tiên được triển khai, bảng giá các cuộc gọi điện thoại di động cũng như giá cả điện thoại di động đã đạt đến một mức khuyến khích được sự chấp nhận rộng rãi của thị trường đại chúng Trong khi vào những năm đầu của GSM, việc sử dụng điện thoại di động đã được coi là xa xỉ và chủ yếu chỉ phục vụ nhu cầu làm ăn của các doanh nhân, thì vào cuối thập kỷ đó, việc chấp nhận của đại chúng đã tăng lên đến chóng mặt, và điện thoại di động đã nhanh chóng biến đổi từ một thiết bị giá cao dành cho doanh nhân thành một công cụ truyền thông không thể thiếu được đối với phần lớn người dân ở các nước tiên tiến

Công nghệ truyền tín hiệu số trên đường dây cố định cũng đã phát triển ở một mức độ nhất định trong khoảng thời gian này, và các modem với tốc độ 30–56 Kbit/s đã dần dần được chấp nhận bởi các sinh viên và những người dùng máy tính khác để truy cập Internet thông qua trường đại học hoặc thông qua các nhà cung cấp dịch vụ quay số Internet tư nhân Khoảng thời điểm này, truyền thông dựa trên văn bản cũng bắt đầu phát triển, và các trình duyệt Web đua nhau xuất hiện, có thể hiển thị được các trang Web với nội dung đồ họa Ngoài ra, e-mail cũng đã vượt qua cái mục tiêu giáo dục ban đầu của nó Nội dung trên Internet vào lúc đó chủ yếu được công

bố bởi những hãng thông tấn lớn và các tổ chức IT, và rất giống một mô hình phân phối từ trên xuống (top-down), trong đó người dùng chủ yếu là người tiêu thụ chứ không phải người cung cấp thông tin Ngày nay, mô hình này được gọi là Web 1.0

Tuy các cuộc thoại qua các mạng di động đã nhanh chóng thành công, song truy cập Internet

di động lúc ấy vẫn đang là những bước đi chập chững Lúc đó, các mạng GSM chỉ cho phép truyền dữ liệu với tốc độ từ 9.6 đến 14.4 Kbit/s qua các đường nối kết chuyển kênh Tuy nhiên khi ấy chỉ có một số ít người sử dụng dữ liệu di động, chủ yếu là do chi phí cao và thiếu thốn các ứng dụng và thiết bị Tuy vậy, cuối thập kỷ đó người ta đã thấy những ứng dụng truyền dữ liệu

di động đầu tiên, chẳng hạn như các trình duyệt Web và email di động trên các thiết bị như PDA (Personal Digital Assistants) chẳng hạn, vốn có thể truyền thông tin qua lại với các điện thoại di động thông qua các cổng hồng ngoại

1.3 Từ 2000 đến 2005: Dot Com suy sụp, xuất hiện Web 2.0

và Mobile Internet

Sự phát triển vẫn tiếp tục và thậm chí còn tăng tốc trong cả ba lĩnh vực truyền thông này, bất chấp sự suy sụp Dot Com (tức các trang Web) vào năm 2001, vốn đã làm cho cả hai ngành công nghiệp viễn thông và Internet rơi vào một giai đoạn suy thoái trong vài năm Mặc cho thời kỳ đình đốn này, đã có nhiều bước phát triển quan trọng mới xảy ra trong thời gian này

Một trong những bước đột phá chính trong thời gian này là sự trỗi dậy mạnh mẽ của truy cập Internet thông qua DSL và các modem truyền hình cáp Những kiểu truy cập này đã nhanh chóng thay thế các đường nối kết bằng modem quay số bởi vì chúng trở nên có giá cả phải chăng

và cung cấp những tốc độ kết nối 1 MBit/s và cao hơn So sánh với những đường nối kết bằng modem quay số 56 Kbit/s, thời gian tải xuống các trang Web có nội dung đồ họa và các file lớn

đã được cải thiện rất nhiều Vào cuối thời kỳ này, đa số người dùng ở nhiều quốc gia đã có được khả năng truy cập Internet băng rộng, cho phép họ xem được các trang Web phức tạp hơn thế nhiều Ngoài ra, những dạng truyền thông mới như Blog và Wiki đã xuất hiện, nhanh chóng cách mạng hóa sự mất cân bằng giữa người tạo và người tiêu thụ nội dung Đột nhiên, người dùng

không còn chỉ là người tiêu thụ nội dung nữa mà đồng thời cũng là người tạo ra nội dung cho toàn thế giới thưởng thức Đây là một trong những đặc điểm chính của cái được gọi với tính chất đại chúng là Web 2.0

Trong thế giới truyền thoại đường dây cố định, giá cả cho các cuộc gọi quốc nội và quốc tế tiếp tục sụt giảm Vào cuối khoảng thời gian này, đã có những nỗ lực đầu tiên sử dụng Internet

để truyền đi các cuộc thoại Những người đầu tiên chấp nhận hình thức này đã khám phá ra công dụng của Internet telephony và thực hiện những cuộc gọi điện thoại qua Internet thông qua các đường kết nối DSL hoặc modem cáp của họ Những chương trình độc quyền như Skype đột nhiên cho phép người dùng gọi cho bất kỳ thuê bao Skype nào trên thế giới miễn phí, với chất lượng thoại cực tốt trong nhiều trường hợp Tuy nhiên, đối với chuyện này thì “miễn phí” là một khái niệm tương đối thôi, bởi vì cả hai bên tham gia cuộc gọi đều phải trả tiền truy cập Internet, nên các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông vẫn hưởng lợi từ những cuộc gọi này nhờ cước phí hàng tháng cho các mối nối kết DSL và modem cáp Thêm vào đó, nhiều công ty mới thành lập

đã bắt đầu cung cấp dịch vụ thoại tương tự cho các hãng chuyển đổi dữ liệu thoại qua giao thức

IP bằng cách sử dụng giao thức SIP (Session Initiation Protocol) đã chuẩn hóa để truyền tải các cuộc thoại qua Internet Các thiết bị media gateway bảo đảm rằng những thuê bao như vậy có thể liên lạc với nhau qua các số điện thoại bằng đường dây cố định thông thường, và có thể gọi đến bất kỳ điện thoại tương tự nào trên thế giới Những hình thức truyền thông đường dài mới nổi này cũng khiến Internet được sử dụng một cách tích cực để truyền đi những cuộc thoại quốc tế,

và vì thế đã giúp cho chi phí thoại thấp hơn

Năm 2001, dịch vụ GPRS (General Packet Radio Service) đã lần đầu tiên được đưa vào các mạng GSM công cộng Khi những điện thoại di động có khả năng GPRS đầu tiên nhanh chóng xuất hiện sau đó, việc truy cập Internet di động đã trở nên khả thi trong thực tế đối với đông đảo người dùng hơn Trước đó, truy cập Internet di động chỉ có thể thực hiện được thông qua những cuộc gọi dữ liệu chuyển kênh Tuy nhiên, tốc độ truyền dữ liệu, thời gian thiết lập cuộc gọi, và việc nhất thiết phải duy trì kênh truyền ngay cả trong những quãng thời gian không tích cực cũng không thích hợp cho hầu hết các ứng dụng Internet Những vấn đề này, cùng với những màn hình hiển thị nhỏ và đơn sắc của các điện thoại di động và phần mềm di động trong thời kỳ “thơ ấu” này của nó khiến cho những dịch vụ Internet không dây lúc đầu (WAP 1.0) chưa bao giờ trở nên phổ biến Đến năm 2005, các thiết bị đã “trưởng thành” hơn, những màn hình màu độ phân giải cao đã được đưa vào các điện thoại di động tầm trung, và các trình duyệt Web di động WAP 2.0 cùng các chương trình khách e-mail di động dễ dùng kết hợp với GPRS thành một tầng vận chuyển chuyển gói, cuối cùng đã cho phép truy cập Internet di động đi vào thị trường đại chúng Nhưng cho dù có những tiến bộ này, thì những mức giá và cuộc đấu tranh giữa những khu vực truy cập mở và đóng (lát nữa sẽ bàn kỹ hơn) đã làm giảm đáng kể sự phát triển Internet di động

Từ đây về sau, trong tài liệu này chúng tôi sẽ dùng các thuật ngữ “truy cập di động vào Internet” và “truy cập Internet di động” thay vì thuật ngữ “Internet di động” Đó là vì thuật ngữ sau khiến người đọc lầm tưởng rằng có thể có một sự phân biệt giữa “Internet đường dây cố định” và “Internet di động” Tuy đúng là một số dịch vụ được “cắt may” riêng để dùng trên các thiết bị điện thoại di động, thậm chí còn hưởng lợi từ và tận dụng tính di động của người dùng, nhưng xu hướng chung là ngày càng có nhiều ứng dụng, dịch vụ, và nội dung được cung cấp và hữu ích cho cả các thiết bị di động nhỏ nhắn lẫn các thiết bị cầm tay lớn hơn hoặc cố định

Một cột mốc quan trọng nữa đối với truy cập Internet không dây trong khoảng thời gian này

là, các mạng 3G đã bắt đầu được đưa vào hoạt động ở nhiều nước vào các năm 2004 và 2005 Trong khi GPRS có tốc độ truyền gần với modem quay số, thì UMTS đã nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 384 Kbit/s trong thực tế, và sử dụng chúng có vẻ cũng nhanh như sử dụng DSL vậy Nhưng chế độ giá cả của các nhà cung cấp dịch vụ mạng cũng làm cho sự chấp nhận rộng rãi 3G phải chậm lại vài năm

1.4 Từ 2005 đến nay: thoại di động phủ sóng toàn cầu, VoIP

và Mobile Broadband bắt đầu phổ biến

Từ 2005 đến nay, tỉ lệ dân chúng ở các nước công nghiệp hóa truy cập Internet thông qua các đường nối kết băng rộng DSL hoặc cáp đã tiếp tục gia tăng Ngoài ra, nhiều nhà cung cấp dịch

vụ mạng đã bắt đầu triển khai ADSL2+, và các modem mới cho phép tốc độ tải xuống vượt quá

15 Mbit/s đối với những người dùng sống gần các tổng đài Những đường VDSL và cáp quang triển khai đến trạm phân phối hoặc đến tận nhà thuê bao còn cung cấp những tốc độ truyền lớn hơn nữa Kể từ năm 2005, một hướng phát triển khác ngày càng gia tăng là Voice over IP (VoIP) thông qua một cổng điện thoại trên router DSL hoặc modem cáp Điều này đang làm cho mạng điện thoại tương tự truyền thống đi đến chỗ cáo chung, và các nhà cung cấp dịch vụ thoại đường dây cố định nhìn thấy lượng khách hàng của họ ngày cảng sụt giảm

Vào đầu năm 2009 này, lượng người dùng điện thoại di động trên toàn thế giới đã đạt đến 3 tỉ Thế có nghĩa là gần như cứ hai người trên địa cầu thì có một người sở hữu một điện thoại di động, một mức phát triển mà năm năm trước hiếm có ai tiên đoán được Năm 2007, các nhà cung cấp dịch vụ mạng đã đăng ký mỗi phút 1000 thuê bao mới Phần lớn sự tăng trưởng này là nhờ

sự triển khai các mạng GSM/GPRS 2G và 2.5G ở các thị trường đang nổi lên Do sự cạnh tranh toàn cầu giữa các nhà cung cấp, các thành phần thiết bị mạng cũng hạ đến mức có thể triển khai được các mạng không dây ở những nước có mức thu nhập trên đầu người rất thấp Một yếu tố quan trọng khác đóng góp vào sự tăng trưởng chóng mặt này là sự xuất hiện ngày càng nhiều các điện thoại di động GSM giá cực rẻ, không đến 50 USD Chỉ trong vài năm, các mạng di động đã thay đổi hình thức hoạt động và truy cập thông tin cho những những chủ doanh nghiệp nhỏ như tài xế tắc-xi và người buôn bán nhỏ ở các thị mới nổi Các mạng GSM giờ đây có mặt ở hầu hết mọi nơi trên thế giới

Ở các nước công nghiệp hóa, các mạng 3G tiếp tục phát triển, và năm 2006 chứng kiến những cuộc nâng cấp mạng đầu tiên từ UMTS lên HSDPA (High Speed Data Packet Access) Thời gian đầu, điều này cho phép nâng tốc độ truyền dữ liệu của người dùng lên đến mức từ 1 đến 3 Mbit/s Với các thiết bị đầu cuối di động cao cấp, tốc độ chắc chắn còn cao hơn nữa Hiện nay, những tốc độ truyền cao như vậy chủ yếu chỉ có ích khi phối hợp với các máy tính xách tay cung cấp Internet băng rộng cho người dùng hầu như ở mọi nơi, nhưng sau này chắc chắn HSDPA cũng sẽ rất có ích cho những ứng dụng di động một khi việc tải xuống các file ghi âm bài thuyết trình (podcast), âm nhạc và phim ảnh trên các thiết bị di động trở thành nhu cầu phổ biến của quần chúng

Hình 1.1: Tỉ lệ doanh thu truyền dữ liệu di động của vài hãng dịch vụ viễn thông năm 2007

Tuy các mạng 3G đã xuất hiện vài năm rồi, việc người dùng chấp nhận chúng vẫn còn chậm chạp cho tới khoảng 2006/2007, khi các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động cuối cùng mới đưa

ra những bảng giá hấp dẫn Giá hạ xuống 40 đến 50 Euro hoặc thấp hơn cho phí thuê bao truy cập Internet băng rộng không dây và dung lượng tải hàng tháng khoảng chừng 5 GBytes Như thế là quá đủ cho mọi thứ ngoại trừ chia sẻ file qua mạng và truyền tải phim ảnh số lượng lớn Các nhà cung cấp cũng bắt đầu đưa ra những gói thuê bao nhỏ hơn trong phạm vi từ 6 đến 15 Euro một tháng nếu người dùng thỉnh thoảng mới truy cập Internet bằng máy tính xách tay Hiện nay đã có hãng cung cấp những gói với giá tương tự như vậy cho thuê bao duyệt Web và email không giới hạn trên điện thoại di động Giá cả và mức độ sẵn dùng 3G hiện nay vẫn khác biệt tùy theo quốc gia Vào năm 2006, doanh thu truyền dữ liệu di động riêng ở Mỹ đã đạt đến 15,7 tỉ đô

la, trong số đó 50 đến 60 phần trăm là doanh thu từ các dịch vụ cao hơn SMS Ở một số nước, doanh thu truyền dữ liệu di động giờ đây chiếm khoảng 20 đến 30 phần trăm tổng doanh thu của nhà cung cấp dịch vụ viễn thông (xem Hình 1.1)

Trong khi việc roaming dữ liệu không dây vẫn còn đang dọ dẫm những bước đầu tiên, thì ở nhiều nước khả năng truy cập Internet không dây thông qua các SIM card trả trước đã được cung cấp ở những mức giá tương đương với giá dành cho thuê bao trả sau Đây đúng là một bước tiến quan trọng khác, bởi vì nó mở ra cánh cửa truy cập Internet bất kỳ lúc nào và bất kỳ đâu cho những người dùng sáng tạo chẳng hạn như sinh viên, loại người thích dùng SIM trả trước hơn là trả sau hàng tháng Ngoài ra, nó khiến những người thường xuyên đi công tác xa thấy thuận tiện hơn (những người này trước đây không có khả năng truy cập Internet trên đường đi trừ khi ở các hotspot không dây tại các sân bay và khách sạn)

1.5 Tương lai – Nhu cầu đối với các hệ thống Sau 3G

Khi nhìn vào tương lai, câu hỏi chính đặt ra cho các nhà cung cấp dịch vụ và cung cấp thiết bị mạng là khi nào và tại sao người dùng cần đến các mạng không dây Sau 3G (Beyond 3G, viết tắt

là B3G) Mười mấy năm trước, điện thoại là ứng dụng đầu tiên được di động hóa Vài năm sau

đó thì SMS (Short Message Service) trở thành ứng dụng truyền dữ liệu di động đầu tiên vào được thị trường đại chúng Đến nay thì những mạng điện thoại di động đơn giản nhất cũng có khả năng truyền SMS do bởi yêu cầu thấp về băng thông của nó Có thể xem SMS chính là dịch

vụ tiên phong của những dịch vụ truyền dữ liệu khác như e-mail di động, duyệt Web di động, viết blog di động, Push to Talk (PTT, tức dịch vụ dùng điện thoại di động như máy bộ đàm), tin nhắn tức thời di động, và nhiều dịch vụ khác nữa Những ứng dụng như vậy trở thành hiện thực

là nhờ sự xuất hiện các mạng không dây truyền các gói dữ liệu theo giao thức IP và các thiết bị

di động ngày càng mạnh mẽ Đến nay thì dung lượng của các mạng 3G và 3.5G vẫn đủ cho yêu cầu về bandwidth của các ứng dụng này và số lượng người dùng hiện có Nhưng đã có thể thấy

rõ là trong tương lai không xa, một số xu hướng sẽ làm tăng yêu cầu về bandwidth:

 Mức độ sử dụng mạng không dây ngày càng tăng: do giá cả ngày càng hạ, ngày càng có nhiều người sử dụng các ứng dụng không dây cần truy cập mạng

 Nội dung đa phương tiện: tuy những nỗ lực đầu tiên di động hóa Web chỉ đạt được các trang Web chủ yếu là văn bản, nhưng nội dung đồ họa ngày càng trở nên phổ biến hơn Một hình ảnh có thể nói thay cho hàng nghìn từ ngữ, nhưng nó cũng làm tăng lượng dữ liệu cần được truyền đi cho mỗi trang Web Việc tải xuống âm nhạc và phim ảnh cũng đang trở nên phổ biến hơn, làm tăng hơn nữa yêu cầu về bandwidth

 Các mạng xã hội di động: tương tự như trong Internet đường dây cố định, có một dòng ứng dụng mới đang thay đổi cách thức con người sử dụng Internet Trong quá khứ, người dùng chủ yếu chỉ tiêu thụ nội dung Ngày nay thì các blog, podcast, các site chia sẻ hình ảnh và các cổng truyền tải phim đang định hình lại Internet, bởi vì người dùng không còn chỉ tiêu thụ nội dung nữa mà nay đã dùng mạng để chia sẻ những ý tưởng, hình ảnh và

phim ảnh của họ với người khác Ví dụ, những ứng dụng như Shozu và Lifeblog cho phép người dùng tải hình ảnh, phim ảnh và các bài viết blog từ các thiết bị di động lên Web Việc truyền hình ảnh, podcast và phim ảnh sẽ làm tăng gấp bội lượng dữ liệu mà người dùng gửi và nhận qua Internet

 Voice over IP: thế giới thoại đường dây cố định đang nhanh chóng chuyển sang hướng VoIP Nhiều khả năng là chỉ khoảng năm năm nữa, nhiều mạng thoại chuyển kênh đường dây cố định hiện nay sẽ chuyển hoàn toàn sang truyền thoại dựa trên IP Tương tự như vậy,

về phương diện truy cập mạng, nhiều người dùng sẽ sử dụng VoIP như dịch vụ thoại chính của họ, ví dụ như qua các mạng DSL hoặc TV cáp Hiện nay đã có thể thấy những động thái chuyển dịch này rồi, bởi vì thị trường thoại chuyển kênh đang chịu áp lực ngày càng tăng do sự sụt giảm số lượng thuê bao Kết quả là, nhiều nhà cung cấp dịch vụ thoại đường dây cố định không còn đầu tư vào công nghệ chuyển kênh nữa Có thể quan sát thấy một

xu hướng tương tự trong các mạng không dây Tuy nhiên, ở đây sự chuyển dịch chậm hơn nhiều, đặc biệt là do yêu cầu bandwidth cao hơn để truyền các cuộc thoại qua một đường truyền chuyển gói Chủ đề này sẽ được bàn kỹ hơn trong mục 1.6

 Sự thay thế cho đường dây cố định: trong khi lượng thông thoại ngày càng tăng thì doanh thu ngày càng giảm ở cả các mạng đường dây cố định lẫn không dây do cước thuê bao ngày càng giảm Vì vậy ở nhiều nước, các nhà cung cấp dịch vụ không dây đang cố gắng kềm giữ hoặc tăng doanh thu bình quân trên mỗi thuê bao bằng cách chào mời khả năng truy cập Internet cho máy PC, máy tính xách tay và các thiết bị di động trên các mạng UMTS/HSDPA hoặc CDMA của họ Như vậy là họ bắt đầu cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ DSL và cáp Muốn cạnh tranh thành công, họ cũng phải tăng thêm băng thông trên mạng của mình

 Sự cạnh tranh từ những nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây khác: ở một số nước, các nhà cung cấp dịch vụ khác đã và đang chào mời khả năng truy cập Internet không dây broadband bằng các mạng WiFi hoặc WiMAX/802.16 Những nhà cung cấp dịch vụ như thế cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ UMTS và CDMA truyền thống vẫn đang hoạt động trong thị trường này

 Internet băng rộng không phải chỉ có được thông qua những ổ cắm trên tường: ngày nay, rất nhiều người đã dùng các thiết bị điểm truy cập (access point) WiFi để xây dựng

“lãnh địa” Internet băng rộng của mình Vì vậy, Internet băng rộng hầu như luôn bao quanh họ Trong tương lại, người ta sẽ không chỉ dùng những lãnh địa như vậy cho máy tính để bàn và xách tay, mà còn cho các thiết bị nhỏ hơn, như điện thoại di động có sẵn khả năng WiFi chẳng hạn Những thiết bị nhỏ hơn này cũng sẽ thay đổi cách thức chúng ta tiếp nhận những lãnh địa Internet như thế Không còn cần thiết phải ngồi ở một chỗ riêng biệt, như trước máy tính chẳng hạn, thì mới truyền thông (bằng VoIP, e-mail, nhắn tin tức thời), lấy thông tin xuống từ hoặc gửi thông tin lên Web (tranh ảnh, các trang blog, phim ảnh, v.v ) Khi khu vườn băng rộng của cá nhân không còn nữa, các thiết bị di động sẽ chuyển sang dùng mạng tổ ong Trong tương lai, các mạng tổ ong sẽ mở rộng ra cả những khu vực

mà hiện nay chúng chưa phủ sóng, và thông lượng khả dụng của chúng sẽ tăng lên để đáp ứng số lượng người dùng tăng thêm và số lượng ứng dụng được nối kết thông qua chúng Việc chuyển qua chuyển lại giữa những lãnh địa Internet cá nhân tại nhà và mạng tổ ong rộng lớn hơn bên ngoài sẽ trở nên vô hình (tức người dùng sẽ không nhận ra sự chuyển dịch đó) khi các dịch vụ và thiết bị cho mạng tổ ong phát triển thêm

Một số công nghệ không dây hiện đang được xây dựng hoặc đang trong giai đoạn triển khai ban đầu, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu tương lai này: LTE (Long Term Evolution) của 3GPP, HSPA+ và WiMAX Tất cả các công nghệ này sẽ được bàn kỹ hơn trong Chương 2 Câu hỏi đặt

ra là trong bối cảnh như vậy, những công nghệ nào là 3G hiện nay, và công nghệ nào được xem

là 4G trong tương lai?

Cơ quan chịu trách nhiệm phân loại các mạng không dây là ITU (International

Telecommunication Union) ITU phân loại các mạng viễn thông di động quốc tế (international

mobile telecommunication _ IMT) như sau:

 Các hệ thống IMT-2000: tức những hệ thống mà ta gọi là 3G hiện nay, ví dụ như UMTS

và CDMA2000 Danh sách tất cả các hệ thống 2000 được liệt kê trong khuyến nghị

ITU-R M.1457-6

 Các hệ thống Enhanced IMT-2000: sự phát triển của các hệ thống IMT-2000 (tức Sau 3G),

ví dụ như HSPA, CDMA 1xEvDo và những thế hệ phát triển hơn nữa của chúng trong tương lai

 Các hệ thống IMT-Advanced: các hệ thống thuộc loại này được xem là hệ thống 4G Hiện nay vẫn chưa có định nghĩa rõ ràng nào về các đặc tính của các hệ thống IMT-Advanced (4G) trong tương lai Khuyến nghị ITU-R M.1645 cung cấp một vài gợi ý đầu tiên, nhưng vẫn để ngỏ khái niệm ấy:

It is predicted that potential new radio interface(s) will need to support data rates of up to approximately 100 Mbit/s for high mobility such as mobile access and up to approximately 1 Gbit/s for low mobility such as nomadic/local wireless access, by around the year 2010 [ .] These data rate figures and the relationship to the degree of mobility [ .] should be seen as targets for research and investigation of the basic technologies necessary to implement the framework Future system specifications and designs will be based on the results of the research and investigations

Khi so sánh với các đặc tả hiện nay của WiMAX với các yêu cầu kỹ thuật này, rõ ràng WiMAX không đủ tư cách để được xem là một chuẩn 4G IMT-Advanced, bởi vì tốc độ truyền

dữ liệu của nó còn thấp hơn khá nhiều, ngay cả trong những điều kiện lý tưởng (WiMAX cố định chỉ có tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 70 Mbps, WiMAX di động còn thấp hơn)

Chuẩn hậu duệ của chuẩn UMTS do 3GPP xây dựng, gọi là LTE, cũng khó mà đáp ứng những yêu cầu này Ngay cả trong một hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) bốn-đường-truyền, tốc độ truyền dữ liệu ở dải tần sóng mang 20 MHz cũng không thể vượt quá 326 Mbit/s (Ngay cả con số này cũng đã được tính ở khả năng tối đa rồi, bởi vì việc đặt bốn ăng-ten vào trong một thiết bị nhỏ hoặc trên mái nhà trong thực tế không hề đơn giản)

Có lẽ cũng nên so sánh các hệ thống 4G tương lai này với quá trình phát triển của các hệ thống 3G hiện nay Quá trình phát triển của UMTS là một ví dụ tiêu biểu Với HSDPA và HSUPA, tốc độ truyền của người dùng giờ đây đã vượt mức dự đoán lúc đầu 2 Mbit/s dành cho các hệ thống IMT-2000 Thế nhưng quá trình phát triển của các hệ thống này vẫn chưa dừng lại Những ấn bản chuẩn mới xây dựng Release 7 và 8 trong 3GPP được gọi là HSPA+, vốn bao gồm

cả công nghệ MIMO và những công nghệ cải tiến khác, cũng đưa công nghệ UMTS cải tiến này đến một mức dung lượng và băng thông như đang được chỉ định cho LTE trên dải tần sóng mang

5 MHz HSPA+ rõ ràng cũng không phải là một hệ thống 4G IMT-Advanced, bởi vì nó chỉ cải tiến về mặt công nghệ vô tuyến so với các hệ thống 3G IMT-2000 hiện nay thôi Vì vậy, HSPA+

được xếp loại là một “hệ thống IMT-2000 nâng cao” (Enhanced IMT-2000 system)

Để đáp ứng những yêu cầu trông đợi của IMT-Advanced, các cơ quan soạn thảo chuẩn WiMAX và LTE đã bắt đầu những nỗ lực đầu tiên để cải tiến hơn nữa các công nghệ của họ Về phía WiMAX, nhóm công tác 802.16m đang tiến hành chuẩn hóa một kỹ thuật giao tiếp vô tuyến nhanh hơn trước Về phía LTE, một chương trình làm việc tương tự được đặt tên là LTE+ hoặc Enhanced LTE cũng bắt đầu khởi động

Những nghiên cứu hiện nay chỉ ra rằng những yêu cầu về tốc độ truyền được mô tả trong ITU-R M.1645 chỉ có thể đạt được ở dải tần 100 MHz hoặc hơn nữa Đây là một thách thức thực

sự, xét theo quan điểm kỹ thuật cũng như do sự thiếu thốn các dải tần cao này Vì vậy, không chắc lắm là những yêu cầu này có còn được giữ nguyên trong định nghĩa cuối cùng về 4G IMT-Advanced hay không

Trong thực tế, vài công nghệ mạng khác nhau sẽ cùng có mặt và phát triển trong tương lai để đáp ứng yêu cầu về mặt băng thông và dung lượng Cũng có thể một sự kết hợp các hệ thống vô tuyến khác nhau, như LTE cùng với WiFi chẳng hạn, sẽ được dùng để thỏa mãn yêu cầu về dung lượng

Từ quan điểm người dùng và quan điểm dịch vụ thì công nghệ mạng nào được coi là 3.5G, 3.9G hay 4G cũng không thành vấn đề Cho nên tài liệu này dùng thuật ngữ “công nghệ Sau 3G” hay B3G để chỉ tất cả các công nghệ mà có khả năng thỏa mãn yêu cầu dung lượng trong tương lai, bao gồm các công nghệ được xây dựng mới hoàn toàn cũng như phát triển từ các hệ thống hiện tại

1.6 Tất cả các hệ thống này đều dựa trên IP

Tuy về mặt mạng vô tuyến (giao tiếp với thuê bao), khó đoán trước được tập hợp những công nghệ 4G hay 3G phát triển nào sẽ được dùng trong tương lai, nhưng tương lai của các mạng lõi

cố định và di động lại dễ tiên đoán hơn nhiều Một trong những đặc điểm chính của các mạng 3G

là việc hậu thuẫn cho cả các dịch vụ chuyển kênh lẫn các dịch vụ chuyển gói Trong các mạng di động trước 3G, bộ phận chuyển kênh của mạng lõi cùng với các dịch vụ chuyển kênh của mạng giao tiếp vô tuyến được thiết kế để chuyên vận chuyển các cuộc thoại (đơn thuần tiếng cũng như

có cả hình) Việc điều khiển dịch vụ phụ thuộc hoàn toàn vào MSC (Mobile Switching Center), thành phần chính của một mạng chuyển kênh Bởi vì các thuê bao có thể chuyển vùng (roaming) tùy ý trong một mạng di động, nên cần có một cơ sở dữ liệu để theo dõi vị trí hiện tại của thuê bao cùng với thông tin về thuê bao, đó là HLR (Home Location Register) Để thiết lập một cuộc gọi, điện thoại di động phải luôn liên lạc với MSC Tiếp đến, MSC sử dụng số điện thoại đích để tra vấn HLR về vị trí của thuê bao đích Sau đó, cuộc gọi được gửi chuyển tiếp đến MSC này, rồi MSC báo với thuê bao đích về cuộc gọi đến Quá trình này được gọi là báo hiệu (signaling) Một

đường truyền chuyển kênh (circuit-switched channel) được thiết lập giữa hai thuê bao ấy thông

qua ma trận chuyển mạch (switching matrix) của MSC, còn các tín hiệu báo hiệu cần thiết cho cuộc gọi được truyền trên một mạng báo hiệu độc lập, bởi vì đường truyền chuyển kênh kia chỉ vận chuyển tín hiệu thoại thôi

Trong những kiểu thiết kế mạng gần đây, các MSC được tách ra thành hai thành phần: một là MSC Call Server chịu trách nhiệm xử lý chuyện báo hiệu, còn thành phần kia là một media gateway, chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp cuộc gọi thoại, như được minh họa trong Hình 1.2 Thay vì dùng những kênh nối cố định, các media gateway sử dụng các đường nối kết ATM chuyển gói hoặc IP để gửi chuyển tiếp cuộc gọi Điều này loại bỏ sự cần thiết phải vận chuyển

dữ liệu thoại qua các đường truyền chuyển kênh trong mạng lõi

Tuy cách giải quyết này rất thích hợp để vận chuyển các cuộc gọi thoại với một dải tần cố định và những yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ, nhưng nó hoạt động không tốt đối với việc truy cập Internet Trong Internet, tất cả dữ liệu đều được vận chuyển trong các gói dữ liệu Hơn nữa, các gói dữ liệu chỉ được trao đổi giữa hai thiết bị đầu cuối (endpoint) khi có một đường nối kết được thiết lập, nhưng đường nối kết này hay thay đổi Ví dụ tiêu biểu là một phiên duyệt Web, trong đó một người dùng ghé đến vài trang Web, thậm chí nhiều khi cùng một lúc ghé đến nhiều trang Khi một trang Web được truyền đi, nó muốn sử dụng càng nhiều thông lượng hiện có càng tốt chứ không phải bị giới hạn ở một kênh chuyển kênh vốn được thiết kế để vận chuyển những luồng dữ liệu thoại hoặc hình số hóa băng hẹp Các đường nối kết Internet nhiều khi cũng chạy

không tải (tức không vận chuyển dữ liệu gì cả) trong một thời gian dài Trong thời gian này, tốt nhất là tài nguyên mạng nên trao cho những người dùng khác Điều này cũng không thể thực hiện được đối với một đường truyền chuyển kênh, bởi vì khi đã được thiết lập thì nó là một kênh dành riêng (exclusive channel), cung cấp một thông lượng không đổi giữa hai bên tham gia, bất

kể họ có tạm ngừng nói giữa cuộc gọi hay không

Hình 1.2: Hệ thống chuyển kênh với các thành phần mạng xử lý những phần việc chuyên biệt

Vì những lý do này, các mạng 3G đều chứa một thành phần mạng lõi riêng để gửi chuyển tiếp các gói dữ liệu thay vì chuyển kênh, như được minh họa trong Hình 1.3 Mạng giao tiếp vô tuyến phục vụ cả mạng chuyển kênh và mạng chuyển gói, và khi người dùng di động cần phục vụ thì tùy theo họ cần một đường truyền chuyển kênh hay một đường truyền chuyển gói, một kiểu đường truyền thích hợp sẽ được thiết lập qua không trung Một số hệ thống mạng, như UMTS chẳng hạn, còn cho phép các thiết bị dùng đồng thời các đường truyền kênh và gói, cho nên người dùng có thể thực hiện một cuộc gọi trong khi đang kết nối Internet và đang truyền dữ liệu

Hình 1.3: Kiến trúc đôi chuyển kênh và chuyển gói tiêu biểu của các mạng 3G Thành phần

HLR không được trình bày ở đây

Trong mạng lõi, mỗi kênh dành riêng vận chuyển một cuộc thoại hoặc truyền dữ liệu IP với tốc độ không đổi

Trong mạng vô tuyến, các đường truyền chuyển kênh được dùng cho các cuộc gọi

Dữ liệu thoại và báo hiệu không được vận chuyển qua IP

Các mạng đường dây cố định truyền thống sử dụng một kiến trúc phân đôi tương tự như vậy

để đồng thời thực hiện được cuộc gọi thoại và truy cập Internet Từ khi dịch vụ DSL trở nên phổ biến, dịch vụ thoại tương tự và DSL sử dụng cùng một đường truyền vật lý dẫn đến nhà khách hàng Vì thế, người ta dùng một splitter để phân tách tín hiệu thoại analog khỏi tín hiệu DSL, bởi

vì chúng hoạt động ở những dải tần khác nhau Ở tổng đài, người ta dùng một splitter tương tự như vậy để kết nối đường dây thuê bao với tổng đài chuyển kênh để chuyển tiếp các cuộc gọi

thoại và với một bộ tách kênh truy cập DSL (DSL Access Multiplexer _ DSLAM) để kết nối Internet Sau đó các tổng đài điện thoại được nối với nhau thông qua các đường truyền chuyển kênh, còn các DSLAM thì nối kết với một mạng lõi chuyển gói Tuy nhiên sau đó không lâu, người ta còn nghĩ ra một cách giải quyết khác hẳn để vận chuyển các cuộc gọi thoại qua các đường kết nối Internet Thay vì nối điện thoại tương tự với splitter, thiết bị truy cập DSL được trang bị một jack cắm dành cho điện thoại Thiết bị truy cập DSL số hóa tín hiệu thoại rồi gửi nó

đi dưới dạng các gói IP qua đường dây DSL Trong nhiều trường hợp, người ta dùng một SIP Server dựa trên giao thức IP và RTP (Real Time Transport Protocol) để thay cho tổng đài điện thoại chuyển kênh địa phương Cách giải quyết này có vài ưu điểm:

 Chỉ cần một loại mạng lõi duy nhất, bởi vì các tổng đài chuyển kênh và mạng chuyển kênh giữa giữa chúng không còn cần thiết nữa

 Sử dụng một mạng IP để truyền các cuộc gọi thoại sẽ giúp các công ty cung cấp dịch vụ Internet nào không phải công ty điện thoại dễ cung cấp các dịch vụ thoại hơn, bởi vì bộ phận điều khiển mạng không còn cần phải được đặt tại tổng đài địa phương nữa Nhà cung cấp dịch

vụ có thể kết hợp các dịch vụ thoại với các dịch vụ khác Bởi vì khi đường truyền có thông lượng lớn hơn, người dùng có thể sử dụng nó cho mục đích khác, ví dụ như trao đổi ảnh với người khác trong khi đang tham gia cuộc thoại, hoặc đưa thêm phim ảnh vào một thời điểm nào đó trong khi trò chuyện

Trong khi xu hướng chuyển sang VoIP đã và đang diễn ra trong các mạng đường dây cố định, thì các mạng không dây vẫn chưa theo kịp Ở đây, mọi sự diễn ra chậm hơn nhiều vì một số lý

do Lý do chính là các mạng di động 3G không có thông lượng cần thiết để hậu thuẫn VoIP, vốn đòi hỏi một tốc độ truyền cao hơn so với các cuộc gọi chuyển kênh Sự chênh lệch này gần đây

đã được giảm thiểu phần nào bởi việc trình làng các mạng 3.5G, nhưng chỉ các mạng Sau 3G (Enhanced IMT-2000 và IMT-Advanced) mới có đủ thông lượng và một mạng giao tiếp vô tuyến được tối ưu hóa để hậu thuẫn VoIP ở quy mô lớn

Chương 2:

Tổng quan các kiến trúc mạng Sau 3G

Các hệ thống UMTS, HSPA và HSPA+

2.1 Tổng quan

Như đã nói ở Chương 1, xu hướng chung phát triển trong viễn thông là chuyển dịch tất cả các ứng dụng sang một giao thức truyền chung, đó là IP Lợi ích to lớn của cách tiếp cận này là các ứng dụng không còn đòi hỏi một công nghệ mạng riêng nữa, mà sẽ vận hành được trên những loại mạng khác nhau Điều này quan trọng bởi vì, một ứng dụng có thể vận hành tốt nhất trên một mạng tổ ong vào một lúc nào đó, nhưng vào những lúc khác thì dùng các công nghệ không dây tại gia hoặc mạng văn phòng như WiFi chẳng hạn sẽ thuận tiện hơn và rẻ hơn Số lượng ngày càng tăng của các thiết bị đa-vô-tuyến (multiradio device, tức thiết bị có nhiều cách giao tiếp vô tuyến khác nhau) ủng hộ xu hướng này Hiện nay đã có, và trong tương lai sẽ có nhiều hơn nữa, công nghệ không dây được triển khai song song nhau, Điều này là cần thiết, bởi vì việc triển khai một mạng công nghệ mới cần một lượng thời gian đáng kể, và thường thì lúc đầu chỉ

có một số ít thiết bị hậu thuẫn nó Do đó các công nghệ mạng khác nhau cần được triển khai không chỉ song song nhau mà còn cùng một chỗ nữa Ngoài ra, khi xuất hiện các công nghệ mới, các công nghệ mạng hiện có cũng tiếp tục phát triển để cung cấp hiệu năng cải thiện trong khi công nghệ mới chưa được triển khai xong hay chỉ đang trong quá trình triển khai Vì những lý do

ấy, chương này sẽ khảo sát một số công nghệ Sau 3G khác nhau, nhấn mạnh vào các công nghệ

có thị phần lớn nhất Ở đây, thuật ngữ “mạng Sau 3G” được dùng để chỉ các mạng tổ ong mà cung cấp những tốc độ truyền cao hơn các mạng UMTS ban đầu (Release 99), vốn có tốc độ truyền dữ liệu từ 384 Kbit/s đến 2Mbps cho mỗi người dùng

Trong thế giới mạng tổ ong, chuẩn UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) với thế hệ cải tiến HSPA (High-speed Packet Access) của nó hiện đang là hệ thống Sau 3G được triển khai rộng rãi nhất Vì thế hệ thống này (và thế hệ tương lai HSPA+ của nó) sẽ được đề cập trước

Chương kế tiếp tập trung bàn về công nghệ hậu duệ của HSPA và HSPA+, vốn thường được gọi là Long Term Evolution (LTE) Trong các tài liệu về chuẩn, LTE được gọi là EPS (Evolved Packet System) và được phân thành hai thành phần: EPC (Evolved Packet Core) và E-UTRAN (Enhanced-UMTS Terrestrial Radio Access Network)

Tuy LTE chủ yếu đáp ứng nhu cầu của các nhà cung cấp dịch vụ mạng không dây hiện nay, nhưng nó cũng thu hút sự quan tâm lớn từ những công ty mới trong việc xây dựng những mạng không dây để truy cập Internet Nhiều công ty như vậy lại bị hấp dẫn bởi chuẩn WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), đặc biệt là với kiểu giao tiếp không trung 802.16e (tức WiMax di động) WiMAX rất giống với LTE, nhưng được thiết kế mới hoàn toàn chứ không cần tương thích ngược với các thế hệ trước Vì thế, nó thích hợp hơn với nhu cầu của các công ty mới Do nghĩ rằng cả LTE lẫn WiMAX sẽ giành được thị phần lớn, chúng tôi sẽ bàn

về cả hai công nghệ này để cho thấy những điểm tương đồng và khác biệt giữa chúng

2.2 UMTS

2.2.1 Giới thiệu

Những phác thảo đầu tiên của các tài liệu chuẩn UMTS được giới thiệu cho các tổ công tác của 3GPP vào cuối năm 1999, nhưng những công trình nghiên cứu khả thi về hệ thống này đã bắt đầu sớm hơn nhiều Một vài mạng UMTS đã được ra mắt công chúng vào năm 2003, nhưng mãi tới cuối năm 2004, khi các điện thoại di động UMTS thỏa đáng (về giá cả và chức năng) được tung ra thị trường và các mạng UMTS được triển khai ra nhiều thành phố, thì những người chấp nhận đầu tiên mới đủ khả năng và thực sự sử dụng UMTS Quá trình từ khi có bộ đặc tả đầu tiên cho đến khi có những cuộc triển khai đầu tiên mất đến năm năm, đó là điều không bình thường, và có lẽ do tính phức tạp của nó Có lẽ cũng nên xem xét điều này khi khảo sát những công nghệ mạng mới nổi lên như LTE và WiMAX, vốn cũng đang ở giai đoạn chuyển tiếp giữa lúc chuẩn hóa và lúc triển khai

Hình 2.1: Kiến trúc của mạng chung GSM/UMTS

2.2.2.1 Trạm cơ sở (base station)

UTRAN bao gồm hai thành phần con: Base Station (trạm cơ sở) và Radio Network Controller (bộ điều khiển mạng vô tuyến) Các trạm cơ sở (được gọi là NodeB trong các tài liệu về chuẩn

của 3GPP) nằm ở rìa ngoài của mạng, liên lạc với các thiết bị di động qua không trung Ở các

thành phố, mỗi trạm cơ sở thường phủ sóng một vùng (area) với bán kính khoảng 1 Km, đôi khi

ít hơn, tùy theo mật độ dân cư và yêu cầu về thông lượng Để gia tăng lượng dữ liệu và số lượng cuộc gọi thoại đồng thời trên mỗi trạm cơ sở, vùng phủ sóng của mỗi trạm thường được chia ra

thành hai hoặc ba phân vùng (sector), hoặc ô (cell) như được gọi trong các chuẩn Mỗi phân

vùng có ăng-ten định hướng và thiết bị thu phát của riêng nó Như vậy, một NodeB với ba sector bao gồm ba cell riêng rẽ Nếu một người dùng đi quanh một trạm cơ sở như vậy trong thời gian một cuộc thoại đang diễn ra hoặc trong khi dữ liệu đang được truyền tải, anh ta hoặc chị ta sẽ lần

lượt được phục vụ bởi từng cell của trạm ấy Trong suốt thời gian ấy, mạng vô tuyến sẽ chuyển

giao (hand-over hoặc hand-off) mối nối kết của anh ta từ cell này sang cell kế cận khi thấy điều

kiện tín hiệu vô tuyến xấu đi Như vậy, về mặt kỹ thuật thì sự chuyển giao giữa các cell của cùng một trạm cơ sở có rất ít sự khác biệt với sự chuyển giao giữa các cell của các trạm cơ sở khác nhau Tình huống này và những tình huống quản lý tính di động khác sẽ được bàn kỹ hơn trong mục 2.2.3 Hệ thống kết nối vô tuyến giữa các thiết bị di động và trạm cơ sở còn được gọi là “air

interface” (tạm dịch: giao tiếp vô tuyến4) Các “điện thoại di động”, “thiết bị đầu cuối” (terminal), hoặc “thiết bị di động” (theo cách gọi thông thường) sử dụng mạng UMTS được gọi

là các UE (User Equipment _ thiết bị người dùng) hoặc MS (Mobile Station _ Trạm Di động)

trong chuẩn này

Hiện nay, các trạm cơ sở UMTS được nối với mạng lõi thông qua một hoặc nhiều kênh truyền E1 (theo chuẩn của châu Âu) tốc độ 2.048 Kbit/s và T1 (theo chuẩn của Bắc Mỹ) tốc độ 1.544 Kbit/s Mỗi kênh truyền E1 hoặc T1 luận lý được mang trên một cặp đường cáp đồng vật lý Một giải pháp thay cho cáp đồng là dùng một đường nối vi ba, vốn có thể mang vài kênh E1 luận lý Nhiều nhà cung cấp dịch vụ UMTS thích dùng cách đó hơn, bởi vì họ không cần phải trả phí thuê bao hàng tháng cho chủ của hạ tầng cơ sở cáp đồng Để sử dụng hết dung lượng giao tiếp vô tuyến của một trạm cơ sở UMTS nhiều cell, cần đến vài kênh E1 Giao thức được dùng trên những kênh truyền này là ATM (Asynchronous Transfer Mode), một công nghệ truyền tải mạnh

mẽ, được sử dụng rộng rãi ở nhiều mạng viễn thông cố định cũng như không dây khắp thế giới hiện nay Hình 2.2 minh họa một tủ trạm cơ sở (base station cabinet) tiêu biểu đặt tại lề đường Trong thực tế, các trạm cơ sở thường được lắp đặt trên các mái nhà phẳng gần ăng-ten, bởi vì nhiều khi không có chỗ trống trên mặt đất, và bởi vì cách này làm giảm đáng kể chiều dài (và vì thế, cả chi phí) cho hệ thống cáp nối giữa tủ trạm cơ sở và ăng-ten

Khi công nghệ phát triển, việc dùng các kênh E1 qua cáp đồng sẽ trở nên khó khăn hơn bởi vì

số lượng đường cáp dẫn đến một trạm cơ sở có giới hạn thôi, và quan trọng hơn nữa, tăng số lượng cáp thì phí thuê cáp hằng tháng sẽ cao Vì thế, các nhà cung cấp dịch vụ mạng đã bắt đầu dùng một số công nghệ truyền thay thế khác để nối kết các trạm cơ sở vào mạng lõi:

4

Newton’s Telecom Dictionary (20th Edition) định nghĩa “air interface” như sau: Air interface is a cellular

industry term It refers to the system that ensures compatibility between equipment (cell phones) and the base stations It involves the specification of channel frequencies and widths, modulation, power and power sensitivity levels, and data framing The system also selects which radio channels are employed during a call Air interface is the standard operating system of a mobile network A four-layer protocol stack which ensures compatibility between terminal equipment and base stations, or hubs, through the development of a standard In terms of the OSI Reference Model, the layers include the Physical (PHY), the Media Access Control (MAC) layer, the Data Link Control (DLC) layer, and the Network layer The PHY layer specifies radio characteristics such as channel frequencies and widths, modulation schemes, power and power sensitivity levels, and data framing The MAC layer, which cuts across the PHY and DLC layers, specifies the procedures by which the wireless terminal and the base station negotiate selection of the radio channel to be employed The DLC layer specifies the manner in which the frames are sequenced, and the mechanism used to ensure their integrity during transmission The Network layer specifies the mechanism used to identify and authenticate the wireless terminal to the base station Air interface are specified for technologies such as AMPS (Advanced Mobile Phone System), CDMA (Code Division Multiple Access), DECT (Digital European Cordless Telecommunications), GSM (Global System for Mobile Communications), PCS (Personal Telecommunications Services), and PWT (Personal Wireless Telecommunications), and TDMA (Time Division Multiple Access)

Hình 2.2: Một tủ trạm cơ sở GSM hoặc UMTS tiêu biểu

 Đường nối vi ba dung lượng cao (như đã nói ở trên): một đường nối vi ba duy nhất có thể được dùng để vận chuyển vài kênh truyền E1 vật lý Các thiết bị vi ba gần đây nhất có khả năng đạt tốc độ vượt quá 50 Mbit/s

 Đường cáp quang: nhiều nhà cung cấp đường dây cố định hiện đang triển khai các cáp quang bổ sung, đặc biệt là ở những vùng đô thị đông đúc, để cung cấp khả năng truy cập Internet tốc độ rất cao cho các doanh nghiệp và tư gia Loại đường nối này cũng lý tưởng để kết nối các trạm cơ sở vào phần còn lại của hạ tầng còn lại của một mạng không dây Tuy nhiên, trong thực tế chỉ có một lượng nhỏ trạm cơ sở đã triển khai có sử dụng cáp quang kéo tới tủ mà thôi, có lẽ do chi phí cáp quang còn cao

 ADSL/VDSL: một giải pháp thay thế khả thi cho trực tiếp sử dụng cáp quang là nối các trạm cơ sở vào một mạng truyền dẫn quang thông qua các đường nối VDSL tốc độ cao T-Mobile ở Đức là một trong các nhà cung cấp dịch vụ đầu tiên chọn giải pháp này Trong một

số trường hợp, trạm cơ sở vẫn cần ít nhất một kênh E1 để đồng bộ hóa trạm đó với phần còn lại của mạng và để vận chuyển các cuộc gọi thoại

 Ethernet: một giao thức truyền tải đang trở nên rất được ưa chuộng hiện nay trong các mạng truy nhập vô tuyến là IP trên Ethernet Điều này được phản ảnh trong các kiểu thiết kế mới dành cho trạm cơ sở UMTS/HSPA Các thiết kế này có thể dùng các đường truyền E1 dựa trên ATM hoặc đường truyền Ethernet sử dụng giao thức IP Đường truyền Ethernet này dùng mạch giao tiếp cáp cặp xoắn chuẩn 100Base-TX với tốc độ truyền 100 Mbit/s vốn thường được dùng với các thiết bị IT khác như PCs và máy tính xách tay, hoặc dùng mạch giao tiếp cáp quang Trong trường hợp dùng hệ thống cáp đồng, thường cần đến thiết bị bổ sung để vận chuyển các khung (frame) Ethernet qua những khoảng cách xa hơn, bởi vì chuẩn 100Base-TX hạn chế chiều dài đường cáp ở mức 100 m thôi

2.2.2.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến (Radio Network Controller _ RNC)

Thành phần con thứ hai của UTRAN là bộ điều khiển mạng vô tuyến (Radio Network Controller _ RNC) Nó đảm trách những công việc quản lý và điều khiển sau đây:

 Thiết lập các đường nối kết vô tuyến (radio connection), còn được gọi là thiết lập kênh

truyền tải (bearer establishment) Việc lựa chọn các đặc tính kênh truyền tải, như thông lượng

tối đa chẳng hạn, dựa trên dung lượng vô tuyến mà kênh đó có thể có, loại tải cần truyền

(thoại hay dữ liệu), những yêu cầu về chất lượng dịch vụ, và những chọn lựa thuê bao của người dùng

 Quản lý tính di động (mobility management) trong khi một đường truyền tải vô tuyến được thiết lập, tức là kiểm soát sự chuyển giao phục vụ giữa các cell khác nhau và các trạm

cơ sở khác nhau của mạng

 Kiểm soát quá tải (overload control) trong mạng và trên đường truyền vô tuyến Trong những trường hợp mà số người dùng muốn truyền tải nhiều hơn tài nguyên (số kênh truyền tải, thông lượng) khả dụng, RNC có thể chặn lại những yêu cầu thiết lập kênh truyền tải mới

để phòng ngừa những kênh đã được thiết lập bị suy yếu hoặc rớt Thay vì vậy, RNC cũng có thể giảm thiểu thông lượng của các kênh đã được thiết lập Ví dụ, có thể một yêu cầu lập kênh truyền dữ liệu mới từ một thuê bao nào đó sẽ bị mạng chặn lại nếu tải trong cell bao quanh thuê bao đó đã đạt đến giới hạn, nhưng nếu thuê bao đó yêu cầu một cuộc thoại mới thì mạng

có thể giảm thông lượng trên một kênh dữ liệu đang có để cho phép cuộc thoại đó được thiết lập Trong thực tế, việc chặn sự thiết lập một kênh để truyền dữ liệu rất hiếm khi xảy ra, bởi

vì hầu hết các nhà điều hành mạng đều giám sát chặt việc sử dụng mạng của họ và tháo gỡ những chỗ tắc nghẽn, ví dụ như bằng cách lắp đặt những bộ thu phát bổ sung ở một trạm cơ

sở, bằng cách tăng dung lượng backhaul giữa trạm cơ sở và RNC, hoặc bằng cách lắp đặt các trạm cơ sở bổ sung để làm giảm kích thước vùng phủ sóng và vì vậy giảm số lượng người dùng của mỗi trạm

2.2.2.3 Trung tâm chuyển kênh di động (Mobile Switching Center _ MSC)

Nhìn sang bên phải Hình 2.1, ta có thể thấy rằng các RNC được nối với các nút cổng nối (gateway) nằm giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi Trong UMTS, có hai thực thể mạng lõi độc lập với nhau: mạng lõi chuyển kênh và mạng lõi chuyển gói Góc trên bên phải Hình 2.1 cho thấy MSC, là đơn vị trung ương của mạng lõi chuyển kênh Nó xử lý các cuộc gọi thoại và hình, đồng thời phụ trách việc gửi chuyển tiếp các tin nhắn SMS thông qua mạng vô tuyến đến các thuê bao Như đã nói trong Chương 1, chuyển mạch kênh nghĩa là một đường truyền dành riêng được thiết lập cho mỗi cuộc gọi giữa hai thuê bao thông qua MSC, và đường truyền này được giữ không đổi trong khi cuộc gọi đó đang diễn ra Các mạng di động lớn thường có vài MSC, mỗi cái chịu trách nhiệm một khu vực địa lý khác nhau Tất cả các RNC nằm trong khu vực của một MSC được nối kết với MSC đó Mỗi MSC trong mạng chịu trách nhiệm về việc quản lý tất cả những người dùng của mạng trong khu vực của nó và việc thiết lập các đường truyền chuyển kênh cho các cuộc gọi đến và đi Khi một UE yêu cầu thiết lập một cuộc thoại, RNC ở vùng có thuê bao đó gửi chuyển tiếp yêu cầu ấy đến MSC nối với nó Kế đến, MSC này kiểm tra xem người dùng đó có được phép thực hiện một cuộc gọi đi không, nếu có thì ra lệnh cho RNC thiết lập một kênh truyền tải vô tuyến thích hợp Cùng lúc đó, nó thông báo cho bên được gọi về yêu cầu thiết lập cuộc gọi này hoặc, nếu bên được gọi ấy nằm ở một khu vực khác hoặc mạng khác, thiết lập một đường truyền chuyển kênh đến MSC phụ trách khu vực đó hoặc mạng đó Nếu bên gọi ở trong cùng mạng với bên được gọi, UE của họ có thể liên hệ thẳng với MSC phụ trách bên được gọi Nhưng trong nhiều trường hợp, bên được gọi không ở trong cùng mạng hoặc không phải là một thuê bao di động Trong trường hợp như vậy, một đường truyền

chuyển kênh sẽ được thiết lập với một GMSC (Gateway MSC _ MSC Cổng nối), được minh họa

ở phía trên bên phải trong Hình 2.1 Tùy theo số điện thoại của bên được gọi, GMSC này sẽ gửi chuyển tiếp cuộc gọi ấy đến một mạng điện thoại cố định hoặc di động bên ngoài Trong thực tế, các thiết bị MSC thường phục vụ luôn các thuê bao di động và đóng luôn vai trò GMSC

Để MSC quản lý được các thuê bao và thông báo cho họ về các cuộc gọi đến, các UE phải đăng ký với MSC khi chúng được bật lên Vào đầu quá trình đăng ký, UE gửi đi IMSI

(International Mobile Subscriber Identity _ Mã số Nhận diện Thuê bao Quốc tế) của nó, vốn

được lưu trên card SIM của máy, đến MSC Nếu IMSI đó không có sẵn trong cơ sở dữ liệu VLR

(Visitor Location Register) của MSC từ một yêu cầu đăng ký trước đó, thì MSC sẽ tra cứu cơ sở

dữ liệu người dùng chính của mạng HLR (Home Location Register) để biết thông tin thuê bao (subscription information) và thông tin xác minh (authentication information) của người dùng Thông tin xác minh được dùng để xác minh tính hợp lệ của yêu cầu đăng ký và để thiết lập một đường truyền mã hóa để trao đổi các thông điệp báo hiệu Sau đó, thông tin xác minh cũng được dùng trong suốt quá trình thiết lập một cuộc gọi thoại hoặc hình để mã hóa đường tiếng của cuộc gọi Chú ý rằng, sự trao đổi các thông điệp này không dựa trên giao thức IP mà dựa trên một

chồng giao thức báo hiệu ngoại băng gọi là SS7 (Signaling System Number 7) Ngoại băng

(out-of-band) nghĩa là các thông điệp đó được trao đổi trong đường truyền dành riêng cho báo hiệu, khác với đường truyền chuyển kênh được dùng để vận chuyển dữ liệu thoại và hình

2.2.2.4 Thẻ SIM

Một thành phần quan trọng trong các mạng UMTS, mặc dù nó rất nhỏ, là thẻ SIM (Subscriber Identity Module) Nó cho phép việc thuê bao mạng tách rời với UE, vì vậy người dùng có thể mua thẻ SIM và UE riêng biệt với nhau Do đó, có thể dùng một thẻ SIM với nhiều thiết bị, hoặc dùng nhiều thẻ SIM với chỉ một thiết bị Điều này khuyến khích sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ mạng, bởi vì người dùng có thể đổi từ mạng này sang mạng khác nhanh chóng nếu giá cả mạng cũ không còn cạnh tranh nữa Khi đi ra nước ngoài, người dùng cũng có thể mua và

sử dụng một thẻ SIM trả trước tại nơi đến để tránh phải trả phí roaming Việc tách rời chuyện thuê bao mạng khỏi các UE còn có một lợi ích nữa là, người dùng không còn bắt buộc phải mua các UE từ một nhà cung cấp dịch vụ mạng nữa, mà cũng có thể mua từ những cửa hàng độc lập,

ví dụ như các cửa hàng điện tử và cửa hàng điện thoại di động mà bán SIM thuê bao cho vài nhà cung cấp dịch vụ mạng cùng lúc Điều này kích thích sự cạnh tranh giá cả các thiết bị di động, điều sẽ không xảy ra nếu người dùng phải mua thiết bị từ một nguồn cung cấp duy nhất

2.2.2.5 Short Message Service Center (SMSC)

Có một dịch vụ truyền dữ liệu đã phổ biến từ lâu trước khi xuất hiện các công nghệ truy cập

Internet không dây tốc độ cao hiện nay, đó là SMS (Short Messaging Service _ dịch vụ nhắn tin

ngắn), được dùng để gửi các thông điệp văn bản giữa các người dùng di động với nhau Bởi vì

dịch vụ này có từ giữa thập kỷ 1990, nên nó là một phần không thể thiếu của mạng lõi chuyển

kênh GSM/UMTS Các thông điệp văn bản SMS được vận chuyển theo kiểu trữ tạm rồi chuyển

tiếp (store and forward) Khi một thuê bao gửi đi một thông điệp văn bản, thông điệp đó được

gửi qua kênh báo hiệu, vốn có mục đích chính là vận chuyển các thông điệp dành cho việc thiết

lập cuộc gọi và quản lý tính di động, đến SMSC (Short Messaging Service Center _ Trung tâm

Dịch vụ Nhắn tin Ngắn) SMSC lưu trữ thông điệp đó rồi tra vấn cơ sở dữ liệu HLR để tìm xem

MSC nào hiện đang phụ trách thuê bao đích Sau đó, nó gửi chuyển tiếp thông điệp đó, cũng trong một kênh truyền SS-7, đến MSC kia Khi nhận được thông điệp văn bản đó, MSC kia định

vị thuê bao đích bằng cách gửi đi một thông điệp nhắn tin (paging message) chứ không phải

chính thông điệp văn bản đó Điều này là cần thiết, bởi vì trong nhiều trường hợp, thuê bao đích

tuy nối vào mạng nhưng không phải đang trong trạng thái tích cực (active) khi thông điệp văn

bản gửi tới nó, và vì thế MSC không biết cell nào hiện đang phục vụ thuê bao đó Trên giao tiếp

vô tuyến, tin nhắn được gửi đi trên một kênh quảng bá (broadcast channel) mà tất cả các thiết bị

nối vào mạng đều nghe thấy được Vì thế UE của thuê bao đích có thể nhận thông điệp nhắn tin

đó và gửi một câu trả lời đến MSC mặc dù không đang trong trạng thái truyền thông tích cực với mạng Sau đó MSC xác minh thuê bao ấy, kích hoạt chế độ mã hóa rồi chuyển giao thông điệp

văn bản đến đích Trong trường hợp thuê bao đích không tiếp cận được (unreachable, tức ngoài

vùng phủ sóng hoặc đang tắt máy), việc chuyển giao thông điệp tạm thời không thực hiện được,

và SMSC sẽ tạm trữ thông điệp đó cho đến khi lại tiếp cận được thuê bao ấy

2.2.2.6 Các Điểm kiểm soát dịch vụ (Service Control Point _ SCP)

Các thành phần không bắt buộc phải có, nhưng rất quan trọng, trong các mạng lõi chuyển kênh là các cơ sở dữ liệu và hệ thống luận lý kiếm soát tích hợp trên các SCP (Service Control

Point _ Điểm kiểm soát dịch vụ) Ví dụ như, cần có một SCP để cung cấp các dịch vụ thoại trả

trước, vốn cho phép người dùng nạp tiền cho một tài khoản bằng phiếu trả tiền trước rồi sử dụng lượng tiền có trong tài khoản đó để thực hiện các cuộc gọi thoại và gửi các tin nhắn SMS Đối với mỗi cuộc gọi thoại hoặc SMS như vậy, MSC sẽ yêu cầu sự cho phép từ hệ thống luận lý kiểm soát dịch vụ trả trước trên một SCP Khi đó SCP ấy sẽ kiểm tra và sửa đổi số dư trên tài khoản của người dùng đó và cho phép hoặc từ chối yêu cầu ấy Các MSC liên lạc với các SCP thông qua các kênh báo hiệu SS-7 Khi một người dùng trả trước di chuyển (roam) ra nước ngoài, các MSC ở nước ngoài cũng cần liên lạc với SCP trong mạng nội địa của người dùng Bởi

lẽ có nhiều nhà chế tạo MSC, nên chuẩn CAMEL (Customized Applications for Mobile Enhanced Logic) đã qui định một mô hình và giao thức tương tác chung giữa các MSC và SCP

Để cung cấp dịch vụ thực tế, thường thì các MSC chỉ cần nối với các SCP bằng các kênh báo hiệu Tuy vậy một số dịch vụ, như dịch vụ trả trước chẳng hạn, cũng đòi hỏi phải có một hệ thống giao tiếp để cho phép người dùng kiểm tra dư số của họ và nạp tiền cho tài khoản của họ Trong thực tế có vài khả năng thực hiện hệ thống giao tiếp này Hầu hết các nhà điều hành mạng

sử dụng một dạng thẻ cào và một hệ thống thoại tự động cho mục đích này Vì thế, thường thì cũng cần có các mạch thoại giữa các cổng thoại tương tác có kiểm soát của SCP và các MSC Ngoài ra, hầu hết các dịch vụ trả trước cũng cho phép người dùng nạp tiền hoặc kiểm tra số dư tài khoản của họ thông qua các mã ngắn (ví dụ như *100#); như thế không cần thiết lập một cuộc gọi thoại mà chỉ cần gửi các mã ngắn đó đến SCP thông qua một kênh báo hiệu SS-7

2.2.2.7 Hệ thống tính cước (billing)

Ngoài hệ thống tính cước của các người dùng trả trước, vốn được thực hiện tức thời trên các SCP, mạng lõi còn cần các thiết bị khác nữa để thu thập thông tin tính cước từ các MSC dành cho các thuê bao trả sau Đây là trách nhiệm của các server tính cước (billing server), không

được minh họa trong Hình 2.1 Thực chất, server tính tiền thu thập các bản ghi chi tiết cuộc gọi

(Call Detail Records _ CDR) từ các MSC và SMSC trong mạng rồi lắp ghép lại thành một hóa đơn tính tiền hàng tháng cho mỗi người dùng căn cứ theo bảng giá được chọn Các bản ghi chi tiết cuộc gọi chứa những thông tin chẳng hạn như mã nhận diện của bên gọi, mã nhận diện của bên được gọi, ngày tháng và thời gian của cuộc gọi và mã nhận diện của cell khởi đầu cuộc gọi Thông tin về vị trí cũng cần thiết, bởi vì các cuộc gọi được thiết lập từ các mạng nước ngoài trong khi người dùng đang roaming được tính cước khác với các cuộc gọi khởi đầu từ mạng nội địa Một số nhà cung cấp dịch vụ mạng cũng dùng thông tin vị trí cho việc tính cước dựa theo khu vực (zone-based billing), tức là họ đưa ra giá cước gọi rẻ hơn cho người dùng khi họ ở nhà hoặc tại nơi làm việc Một cách tính cước phổ biến khác nữa là tính giá cước rẻ hơn vào những khoảng thời gian nhất định Hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ mạng kết hợp nhiều phương án tính cước vào một bảng giá, và liên tục thay đổi các phương án ấy Điều này đòi hỏi một dịch vụ tính cước dựa trên qui luật mềm dẻo, uyển chuyển

2.2.2.8 Mạng lõi chuyển gói

Các thành phần của mạng UMTS được đề cập từ đầu tới giờ đã được thiết kế cho truyền tải chuyển kênh Để thông luồng với các dịch vụ trên Internet, vốn dựa trên chuyển gói, mạng UMTS cần một phương thức tiếp cận khác Đây là lý do một mạng chuyển gói được bổ sung thêm cho hạ tầng mạng lõi chuyển kênh Như có thể thấy trong Hình 2.1, RNC nối với cả mạng lõi chuyển kênh lẫn mạng lõi chuyển gói Thậm chí, các thiết bị UMTS có khả năng thiết lập các đường truyền chuyển kênh và chuyển gói cùng một lúc Vì thế, người dùng có thể thiết lập một cuộc gọi thoại trong khi cùng lúc đó đang sử dụng thiết bị của mình như một modem cho máy

PC, hoặc để tải xuống những nội dung như một podcast chẳng hạn về UE của mình, mà không cần ngắt đường truyền với Internet để cuộc gọi thoại diễn ra Một lợi ích khác của việc được nối với cả mạng chuyển kênh lẫn mạng chuyển gói là, các phiên nhắn tin tức thời sẽ không bị ngắt khi thiết lập một cuộc gọi thoại

Trước khi một UE có thể trao đổi dữ liệu với một mạng chuyển gói bên ngoài như Internet, nó phải thực hiện hai việc Đầu tiên, UE đó cần nối (attach) vào mạng lõi chuyển gói UMTS và thực hiện thủ tục xác minh Điều này thường được thực hiện sau khi UE đó bật lên và sau khi nó đã đăng ký với mạng lõi chuyển kênh Sau đó, UE đó có thể ngay lập tức, hoặc vào một thời điểm nào đó sau này, yêu cầu cấp phát một địa chỉ IP từ mạng lõi chuyển gói Quá trình này được gọi

là thiết lập một cuộc gọi dữ liệu (establishing a data call) hoặc thiết lập một bối cảnh PDP

(establishing a Packet Data Protocol) Kiểu nói “thiết lập một cuộc gọi dữ liệu” thật đáng chú ý, bởi vì nó ám chỉ rằng việc thiết lập một đường truyền với Internet hoặc một mạng chuyển gói khác cũng tương tự như việc thiết lập một cuộc gọi thoại vậy Xét theo quan điểm tín hiệu thì hai hoạt động này thực sự giống nhau Tuy nhiên, hai loại đường truyền đó được thiết lập dựa trên hai yêu cầu rất khác nhau Trong khi các cuộc gọi thoại cần một đường truyền có độ trễ và thông lượng không đổi, giữ nguyên trong khi cuộc gọi đó diễn ra, thì các cuộc gọi dữ liệu chỉ yêu cầu

có một đường nối kết vật lý trong khi các gói được truyền đi Trong những khoảng thời gian không có dữ liệu nào được truyền, kênh dành cho đường nối kết đó hoặc bị sửa đổi hoặc bị giải phóng hoàn toàn, nhưng đường truyền luận lý của cuộc gọi dữ liệu ấy được giữ nguyên để việc truyền dữ liệu có thể được tiếp tục bất kỳ lúc nào Hơn nữa, địa chỉ IP của UE được giữ không đổi cho dù không có tài nguyên nào được cấp phát trên giao tiếp vô tuyến Trong UMTS, việc tách rời chuyện nối với mạng lõi chuyển gói khỏi chuyện thiết lập một đường truyền dữ liệu có ý nghĩa khi nhìn từ khía cạnh lịch sử và thực tế Đại đa số các thiết bị di động hiện nay chủ yếu được dùng cho truyền thoại, vốn không cần đường truyền Internet nào cả Vì thế, các thiết bị di động đó có thể thực hiện bổn phận chính của nó mà không cần thiết lập một cuộc gọi dữ liệu nào

cả Nhưng tất cả các loại mạng di động khác được bàn trong chương này chỉ dựa vào một mạng lõi chuyển gói thôi, và mạng lõi chuyển gói này cũng được dùng cho các cuộc gọi thoại Cho nên, việc nối với mạng và việc yêu cầu cấp phát một địa chỉ IP đều là một phần không thể thiếu của cùng một thủ tục, và khái niệm “cuộc gọi dữ liệu” không còn là một phần riêng của thiết kế

hệ thống nữa

2.2.2.9 Serving GPRS Support Node (SGSN)

Mạng lõi chuyển gói của UMTS, giống như mạng lõi chuyển kênh, cũng được phỏng theo GSM với chỉ một vài sửa đổi Đây là lý do khiến nút cổng nối của mạng lõi chuyển gói nối với mạng truy nhập vô tuyến vẫn được gọi là SGSN (Serving GPRS Support Node) GPRS là dạng

viết tắt của General Packet Radio Service (dịch vụ vô tuyến truyền gói tổng quát), và là cái tên

ban đầu của dịch vụ chuyển gói được trình làng trong các mạng GSM Giống như MSC, SGSN chịu trách nhiệm quản lý thuê bao và tính di động của họ Để cho phép người dùng di chuyển giữa các vùng phủ sóng của các RNC khác nhau, SGSN theo dõi vị trí của người dùng và sẽ thay đổi tuyến đường mà các gói IP gửi đến từ mạng lõi khi họ thay đổi vị trí Các SGSN được nối với các RNC thông qua các đường truyền ATM Bởi lẽ các RNC nhiều khi kiểm soát đến hàng trăm cell và ở khá xa một SGSN, nên người ta dùng các kênh cáp quang để nối giữa chúng với nhau Trong thực tế, một RNC được nối với một SGSN thông qua một hoặc nhiều kênh quang OC-3 với tốc độ mỗi kênh là 155 Mbit/s (3 x 51.8 Mbit/s) hoặc một kênh quang OC-12 với tốc

độ 622 Mbit/s (12 x 51.8 Mbit/s) Bên trên tầng ATM, IP được dùng làm giao thức vận chuyển SGSN cũng có một đường báo hiệu nối với HLR của mạng, vốn ngoài những dữ liệu cần thiết cho mạng chuyển kênh còn chứa thông tin thuê bao dành cho mạng chuyển gói Thông tin này bao gồm những thứ như: người dùng được phép sử dụng các dịch vụ chuyển gói hay không, những thiết định chất lượng dịch vụ của họ chẳng hạn như tốc độ truyền tối đa mà mạng cấp cho

họ và các điểm truy cập Internet nào họ được phép dùng Thông tin này còn cho thấy người dùng

có một hợp đồng trả trước hay không, trong trường hợp nào SGSN phải liên hệ với một SCP trả trước rồi mới cấp phát một đường kết nối mà họ yêu cầu

2.2.2.10 Gateway GPRS Support Node (GGSN)

Tại biên của mạng lõi chuyển gói có các GGSN (Gateway GPRS Support Node) nối kết mạng lõi chuyển kênh của mạng không dây UMTS với Internet Mục đích chính của chúng là che dấu tính di động của người dùng khỏi các router trên Internet Điều này là cần thiết bởi vì các IP router gửi chuyển tiếp các gói dựa trên địa chỉ IP đích và một routing table Cứ mỗi gói gửi đến, mỗi router trên Internet đều tra cứu routing table của nó rồi gửi chuyển tiếp gói ấy đến router kế tiếp thông qua cổng xuất được chỉ định trong routing table Cuối cùng, các gói dữ liệu gửi đến các thuê bao không dây UMTS sẽ được đưa đến GGSN Ở đây, cơ chế routing khác hẳn Bởi lẽ các RNC và SGSN có thể thay đổi bất kỳ lúc nào do tính di động của thuê bao, cho nên một cơ

sở dữ liệu tĩnh chứa bước nhảy (hop) kế tiếp dựa trên địa chỉ IP như routing table của các IP router trên Internet là không thích hợp Thay vì vậy, GGSN có một bảng cơ sở dữ liệu liệt kê địa chỉ IP của SGSN nào hiện chịu trách nhiệm đối với một thuê bao có địa chỉ IP đã biết Như thế thì, gói IP từ Internet gửi đến thuê bao đó sẽ được GGSN đưa vào trong một gói IP rồi gửi đến

địa chỉ đích là địa chỉ của SGSN ấy Nguyên tắc này được gọi là tunneling (tạm dịch: truyền

xuyên hầm), bởi vì mỗi gói IP gửi đến thuê bao đều được gói trong một gói IP khác gửi đến

SGSN chịu trách nhiệm phục vụ thuê bao đó Tại SGSN, gói IP ban đầu được khôi phục lại, và lại được truyền xuyên hầm đến RNC, rồi đến UE của thuê bao Chiều truyền ngược lại, từ thuê bao ra Internet, cũng tương tự như vậy

Hình 2.3: Việc truyền xuyên hầm gói IP trong một mạng lõi chuyển gói

Hình 2.3 cho thấy một khâu tunneling một gói IP theo chiều từ SGSN ra GGSN trong mạng lõi truyền gói của UMTS hoạt động như thế nào trong thực tế Ở đây mạng nối giữa SGSN và GGSN là mạng Ethernet, nên chồng giao thức là Ethernet ở tầng 2 rồi đến IP ở tầng 3 Tại máy GGSN, khung Ethernet được tháo ra, để lộ gói IP được giao thức GPRS Tunneling Protocol (GTP) bao bọc Địa chỉ nguồn và đích của gói IP bao bọc là địa chỉ của máy SGSN và GGSN của mạng ấy Tiếp đến, phần mào đầu (header) của gói IP bao bọc ấy được tước ra ra để có được

gói IP gốc Sau đó, giao thức IP gửi gói ấy ra Internet Trong gói gốc này, địa chỉ nguồn và đích

là địa chỉ của máy thuê bao và một host trên Internet (là một Web server trong ví dụ này)

Ngoài việc truyền xuyên hầm, GGSN còn chịu trách nhiệm cấp phát địa chỉ IP cho các thuê bao Trong suốt thời gian thiết lập đường truyền, SGSN thẩm tra yêu cầu của thuê bao bằng thông tin từ HLR, rồi yêu cầu cung cấp một địa chỉ IP từ quỹ địa chỉ của mạng di động, sau đó thiết lập đường hầm từ SGSN sang GGSN Trong thực tế, có hai loại địa chỉ IP Nhiều nhà cung cấp dịch vụ mạng di động sử dụng các địa chỉ IP riêng tư (private IP address), vốn không có giá trị bên ngoài mạng ấy Điều này cũng tương tự như việc dùng các địa chỉ IP riêng tư trong các mạng tại gia, ở đó router DSL hoặc cáp cấp phát các địa chỉ IP riêng tư cho tất cả các thiết bị trong mạng tại gia Đối với thế giới Internet bên ngoài, mạng đó được đại diện bởi một địa chỉ IP duy nhất, và router DSL hoặc cáp phải dịch (translate) các địa chỉ IP bên trong cùng với các số hiệu cổng TCP và UDP tương ứng ra thành các địa chỉ IP bên ngoài cùng với các số hiệu cổng

TCP và UDP mới Quá trình này được gọi là NAT (Network Address Translation _ Dịch Địa chỉ

Mạng) Nếu các địa chỉ IP riêng tư được dùng trong các mạng không dây, quá trình giống vậy

cũng được thực hiện bởi GGSN Các nhà cung cấp mạng di động áp dụng cách này được hưởng lợi là, họ chỉ cần một lượng địa chỉ IP công cộng (vốn hiện nay ngày càng cạn kiệt) ít hơn số lượng thuê bao nhiều Những nhà cung cấp dịch vụ mạng khác thì mặc định sử dụng các địa chỉ

IP công cộng cho các thuê bao của mình Đối với các thuê bao thì đây là một lợi thế, bởi vì họ có thể được các máy trên Internet tiếp cận trực tiếp, điều này cần cho những ứng dụng như hosting một Web server hoặc các ứng dụng điều khiển máy tính ở xa (remote desktop control) Tuy nhiên, cần lưu ý rằng có một địa chỉ IP công cộng cũng có những bất lợi, đặc biệt là đối với các thiết bị di động, bởi vì các gói không mong muốn từ Internet công cộng gửi đến có thể nhanh

chóng làm cạn pin của nó Trong thực tế, một thuê bao có thể có vài biên dạng (profile, tức tập

hợp các đặc điểm riêng) nối kết, được gọi là các APN (Access Point Name) Vì thế nhà cung cấp dịch vụ mạng có thể chọn những thuê bao và ứng dụng nào sẽ dùng địa chỉ IP riêng tư hay công cộng

2.2.2.11 Nối kết liên mạng với GSM

Góc dưới bên trái của Hình 2.1 minh họa một mạng vô tuyến GSM, vốn cũng được nối kết với mạng lõi chuyển kênh và mạng lõi chuyển gói của UMTS Tùy theo nhà cung cấp dịch vụ mạng, mạng vô tuyến GSM đó có thể được nối với cùng các MSC và SGSN của mạng UMTS hay với các MSC và SGSN riêng Có thể thực hiện điều này bởi vì chức năng của các thành phần này rất tương tự đối với GSM và UMTS Tuy nhiên, các đường nối với các mạng vô tuyến 2G và 3G thì khác nhau Trong đường truyền giữa SGSN và mạng truy nhập vô tuyến 3G thì ATM được dùng làm giao thức vận chuyển cấp thấp, trong khi đường truyền giữa SGSN và mạng vô tuyến 2G thì dựa trên giao thức Frame Relay Trong một phiên bản mới hơn của chuẩn GSM, người ta cũng chỉ định dùng một đường truyền dựa trên IP giữa SGSN và mạng truy nhập vô tuyến 2G, tuy nhiên đến giờ điều đó chưa được áp dụng rộng rãi Các MSC thì nối kết với mạng truy nhập vô tuyến GSM thông qua những đường truyền chuyển kênh

2.2.3 Giao tiếp vô tuyến và mạng truy nhập vô tuyến

2.2.3.1 Nguyên lý CDMA

Các hệ thống vô tuyến 2G như GSM là dựa trên các khe thời gian và các kênh truyền trên những tần số sóng mang khác nhau (kết hợp TDMA và FDMA), cho nên chỉ một trạm cơ sở thôi cũng có thể phục vụ nhiều người dùng đồng thời Tuy phương thức truyền này rất thích hợp để truyền các cuộc thoại chuyển kênh, nhưng đối với truyền dữ liệu chuyển gói thì nó không mềm dẻo uyển chuyển, bởi vì dải tần của kênh GSM chỉ có 200 KHz, và vì mỗi lúc chỉ có thể cấp phát

có một lượng hạn chế dải tần cho mỗi người dùng thôi Vì thế đối với các hệ thống 3G như UMTS, người ta đã quyết định dùng một phương thức truyền khác làm giao tiếp vô tuyến Một

công nghệ truyền thay thế đã khắc phục những hạn chế của một dải tần hẹp và đã được hiểu rõ vào cuối những năm 1990, khi công trình xây dựng chuẩn UMTS bắt đầu, đó là CDMA (Code Division Multiple Access) Thay vì dùng dải tần kênh hẹp 200 KHz như trong GSM, các kênh W-CDMA (Wideband CDMA) được dùng trong UMTS có dải tần đến 5 MHz Hơn nữa, thay vì cấp phát các khe thời gian, tất cả người dùng liên lạc với trạm thu phát cùng một lúc nhưng sử

dụng một mã khác nhau Các mã này còn được gọi là mã trải (spreading code), bởi vì mỗi bit được biểu diễn trên giao tiếp vô tuyến bởi một từ mã (codeword) Mỗi đơn vị nhị phân của từ mã được gọi là một chip (để phân biệt rõ với bit) Để có được tốc độ truyền 384 kbit/s, mỗi bit được

mã hóa thành tám chip, như vậy độ dài của mã trải là 8 Các mã được dùng bởi những người dùng khác nhau để truyền đồng thời phải trực giao về mặt toán học với nhau Trạm cơ sở có thể phân biệt các cuộc truyền đồng thời từ các UE bằng cách áp dụng giải thuật ngược lại với giải thuật được dùng trong các UE, như được minh họa trong Hình 2.4, và nhờ biết các mã được dùng bởi mỗi UE

Để thích nghi được với những yêu cầu thông lượng khác biệt của những người dùng khác nhau, hệ thống có thể dùng vài độ dài mã trải khác nhau cùng một lúc Đối với các cuộc gọi thoại, vốn chỉ cần tốc độ truyền 12.2 Kbit/s, UMTS sử dụng độ dài mã trải là 128 Thế có nghĩa

là mỗi bit được biểu diễn trên giao tiếp vô tuyến bởi 128 chip, và đến 128 người dùng có thể gửi các dòng dữ liệu thoại của họ đồng thời trong điều kiện lý tưởng Trong thực tế, số lượng cuộc gọi thoại đồng thời cho mỗi cell nhỏ hơn do sự can nhiễu từ các cell kế cận và những lỗi truyền

do những điều kiện truyền tín hiệu không lý tưởng Vì thế, nếu muốn 128 cuộc truyền đồng thời, cần có một tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise _ S/N) cao hơn Hơn nữa, một số mã được để dành cho các kênh thông tin hệ thống quảng bá gửi đến tất cả các thiết bị trong cell, như sẽ được bàn chi tiết hơn bên dưới Trong thực tế, người ta ước lượng rằng mỗi cell UMTS có thể dung chứa đến 60 cuộc gọi đồng thời, loại trừ số thuê bao đang sử dụng cell đó để truy cập Internet chuyển gói

Hình 2.4: Các dòng dữ liệu truyền đồng thời của hai người dùng đến cùng một trạm cơ sở

Để tăng tốc độ truyền dữ liệu của UMTS vượt quá 384 kbit/s, người ta xây dựng các chuẩn HSPA và HSPA+ Các chuẩn này cho phép mỗi UE sử dụng đồng thời nhiều mã trải, ngoài những điểm tăng cường khác Điều này sẽ được bàn chi tiết hơn trong các mục bên dưới

2.2.3.2 Kiến trúc kênh vô tuyến UMTS

Trong các mạng Ethernet có dây thường được dùng trong các môi trường tại gia và doanh nghiệp hiện nay, việc nhận ra mạng rồi gửi các gói qua nó là điều đơn giản đối với các thiết bị Ngay khi cáp mạng được cắm vào, card mạng hiểu ngay cách thức truyền các gói qua đường cáp,

và cũng bắt đầu truyền ngay khi nó nhận ra không có thiết bị nào khác đang gửi dữ liệu đi cả Nhưng trong các mạng không dây, mọi chuyện phức tạp hơn Trước hết, ở mỗi nơi thường có vài mạng cùng hiện diện một lúc, cho nên thiết bị cần lấy thông tin về việc mạng nào thuộc nhà cung cấp dịch vụ mạng nào Ngoài ra, các thiết bị cần nhận ra các cell kế cận để có thể nhanh chóng phản ứng với việc thay đổi mức tín hiệu khi người dùng di chuyển Bởi vì việc giữ cho bộ thu

mở lên suốt ngày suốt đêm rất không hiệu quả về mặt tiêu thụ điện năng, cho nên cũng cần có sẵn một cơ chế cho phép thiết bị ngắt điện đi trong những lúc có rất ít hoặc không có dữ liệu nào được truyền đi, và chỉ định kỳ thức dậy để kiểm tra xem có dữ liệu mới hay không Đối với các cuộc gọi thoại, còn một điều quan trọng hơn nữa là bảo đảm một mức chất lượng dịch vụ nào đó

để ngăn không cho mạng bị rớt trong những trường hợp quá tải Vì những lý do này, đường truyền vô tuyến của UMTS được phân ra thành một số kênh tần số riêng Việc truy cập và các kênh tần số này được kiểm soát bởi mạng, và thuê bao có thể bị mạng từ chối cung cấp kênh tần

số trong trường hợp quá tải

2.2.3.2.1 Mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển

GSM, UMTS, và những hệ thống truyền thông không dây khác phân biệt hai loại dòng dữ liệu truyền trong mạng Trong UMTS, các dòng dữ liệu này được phân chia thành hai mặt phẳng (plane) khác nhau: mặt phẳng người dùng (user plane) và mặt phẳng điều khiển (control plane)

Dữ liệu chạy trong mặt phẳng người dùng là loại dữ liệu được trao đổi trực tiếp và dễ hiểu giữa người dùng và mạng, như dữ liệu thoại và các gói IP chẳng hạn Mặt phẳng điều khiển thì chịu trách nhiệm về tất cả dữ liệu báo hiệu trao đổi giữa người dùng và mạng Như vậy, mặt phẳng điều khiển được dùng cho dữ liệu báo hiệu và để trao đổi các thông điệp để thiết lập cuộc gọi hoặc các thông điệp cập nhật vị trí chẳng hạn Hình 2.5 cho thấy việc phân chia mặt phẳng người dùng với mặt phẳng điều khiển, cũng như một số ví dụ về các giao thức được dùng trong các mặt phẳng đó

Hình 2.5: Mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển

2.2.3.2.2 Kênh luận lý, kênh vận chuyển, và kênh vật lý

Để phân biệt các đặc tính vật lý của giao tiếp vô tuyến với đường truyền luận lý, thiết kế UMTS đưa ra ba tầng kênh truyền khác nhau Hình 2.6 cho thấy các kênh ở những tầng khác nhau ở hướng xuống, còn trong Hình 2.7 là các kênh ở những tầng khác nhau ở hướng lên

Các kênh luận lý: tầng kênh trên cùng được hình thành bởi các kênh luận lý Các kênh này

được dùng để phân biệt những loại dòng dữ liệu nào phải được truyền qua giao tiếp vô tuyến, chúng không chứa thông tin gì về cách truyền dữ liệu cả Chuẩn UMTS qui định các kênh luận lý sau:

 Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast Control CHannel): kênh này được tất cả các

UE ở trạng thái Idle theo dõi nhằm nhận được thông tin hệ thống tổng quát từ mạng Thông tin được phân phối qua kênh này bao gồm những thứ như cách thức truy nhập mạng, những

mã nào được dùng bởi các cell kế cận, LAC (Location Area Code), mã nhận diện cell, và

nhiều thông số khác Các thông số này được nhóm vào các thông điệp khối thông tin hệ thống

(System Information Block _ SIB) để giúp UE giải mã những thông tin ấy và để tiết kiệm thông lượng của giao tiếp vô tuyến

Hình 2.6: Các kênh luận lý, vận chuyển, và vật lý ở hướng xuống

Hình 2.7: Các kênh luận lý, vận chuyển, và vật lý ở hướng lên

 Kênh điều khiển nhắn tin PCCH (Paging Control CHannel): kênh này được dùng để thông báo với người dùng là có các cuộc gọi hoặc thông điệp SMS gửi tới hay không Các thông điệp nhắn tin cũng được dùng cho các cuộc gọi chuyển gói là có dữ liệu đến từ mạng hay không sau khi tất cả các kênh vật lý dành cho một UE đã được giải phóng do thời gian thụ động (inactive) của nó đã dài Nếu UE nhận được một thông điệp nhắn tin, trước hết nó phải báo cáo thông tin của cell nào đang phục vụ nó về cho mạng Sau đó mạng sẽ thiết lập lại một đường truyền RRC luận lý (sẽ giải thích ở mục 2.2.3.3 bên dưới) với UE, rồi những dữ liệu đợi trong mạng mới được phân phối đến UE

 Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control CHannel): kênh này được dùng cho tất

cả các thông điệp gửi từ và đến từng UE (hai chiều) nào muốn thiết lập một đường truyền mới

CCCH DTCH DCCH

RACH DCH

PRACH DPDCH DPCCH

với mạng Điều này là cần thiết những lúc như người dùng muốn thực hiện một cuộc gọi thoại, gửi một thông điệp SMS, hoặc thiết lập một kênh để truyền dữ liệu chuyển gói

 Kênh điều khiển dành riêng DCCH (Dedicated Control CHannel): trong khi ba loại kênh nói trên là các kênh chung, được nhiều UE trong cell quan sát cùng lúc, thì kênh DCCH chỉ vận chuyển dữ liệu cho một UE duy nhất thôi Mỗi kênh DCCH được dùng cho những việc chẳng hạn như vận chuyển các thông tin để quản lý tính di động (Mobility Management _ MM) và các giao thức điều khiển cuộc gọi (Call Control _ CC) đối với các dịch vụ chuyển kênh, các thông điệp quản lý tính di động gói (Packet Mobility Management _ PMM) và quản

lý phiên (Session Management _ SM) đối với các dịch vụ chuyển gói gửi từ và đến MSC và SGSN

 Kênh vận chuyển dữ liệu dành riêng DTCH (Dedicated Traffic CHannel): kênh này được dùng để truyền dữ liệu người dùng giữa mạng và một người dùng duy nhất Dữ liệu người dùng có thể là những thứ như một tín hiệu thoại số hóa hoặc các gói IP của một đường truyền

chuyển gói Nếu một kênh DTCH truyền một cuộc gọi thoại, nó bắt buộc phải ánh xạ (map)

kênh này lên một kênh vật lý dành riêng nào đó Nhưng nếu kênh DTCH đó truyền dữ liệu của một đường truyền chuyển gói thì nó cũng có thể được ánh xạ lên một kênh vật lý chung (common) hoặc dùng chung (shared) Vì vậy, như có thể thấy trong Hình 2.6, một DTCH có thể được ánh xạ không chỉ lên một kênh vận chuyển và vật lý dành riêng mà còn lên một kênh vật lý chung hoặc dùng chung nữa

Ghi chú: Trong UMTS Release 99, hầu hết các đường truyền chuyển gói IP sẽ luôn luôn

được vận chuyển qua một kênh vật lý dành riêng Bằng cách này, tốc độ truyền dữ liệu dành cho từng người dùng có thể đạt đến 384 Kbit/s ở hướng xuống Các kênh vật lý chung/dùng chung (ví dụ như kênh FACH được giới thiệu bên dưới) chỉ được dùng nếu người dùng đã thụ động một thời gian dài, hoặc nếu người dùng chỉ thỉnh thoảng mới gửi hoặc nhận những lượng dữ liệu nhỏ

 Kênh vận chuyển dữ liệu chung CTCH (Common Traffic CHannel): kênh này được dùng cho thông tin quảng bá trong cell Trong GSM, cơ chế nhu vậy cũng đã được dùng, ví dụ như bởi Vodafone ở Đức, để thông báo cho những thuê bao của các mạng đường dây điện thoại cố định về các mã khu vực nào được dùng trong phạm vi cell hiện tại có thể được gọi từ điện thoại di động để có bảng giá cước rẻ hơn

Các kênh vận chuyển: các kênh tầng giữa này chuẩn bị các khung dữ liệu (frame) hướng

xuống để truyền qua giao tiếp vô tuyến bằng cách phân chia chúng ra thành các phần nhỏ hơn, được bao bọc vào trong các khung RLC/MAC thích hợp hơn để truyền qua giao tiếp vô tuyến Phần mào đầu RLC/MAC, vốn được đặt ở trước mỗi khung, chứa những thông tin quan trọng sau đây (ngoài những thứ khác ra):

 Chiều dài của khung (10, 20, 40, hoặc 80 ms);

 Kiểu cơ chế kiểm tra tính toàn vẹn (CRC checksum);

 Dạng thức mã hóa kênh để phát hiện lỗi (error detection) và sửa lỗi (error correction);

 Cách điều chỉnh tốc độ cho khớp (rate matching) nếu tốc độ của kênh vật lý và các tầng bên trên không khớp;

 Thông tin điều khiển để phát hiện truyền không liên tục (Discontinuous Transmission _ DTX) nếu đầu bên kia không có dữ liệu nào để gửi trong một thời gian nhất định

Tất cả các đặc tính này được kết hợp vào trong cái gọi là dạng thức vận chuyển (transport

format) Tuy nhiên việc mã hóa kênh trong thực tế chỉ được thực hiện trên tầng vật lý của

Node-B Điều này rất quan trọng, bởi vì việc mã hóa kênh bao gồm cả việc bổ sung các bit phát hiện lỗi và sửa lỗi vào dòng dữ liệu, vốn có thể là một lượng phụ phí (overhead) khổng lồ

Các kênh luận lý được ánh xạ lên những kênh vận chuyển sau đây:

 Kênh quảng bá BCH (Broadcast CHannel): là phiên bản kênh vận chuyển của kênh luận lý BCCH

 Kênh dành riêng DCH (Dedicated CHannel): kênh vận chuyển này kết hợp dữ liệu từ các kênh luận lý DTCH và DCCH Kênh này có mặt trong cả hướng lên lẫn hướng xuống, bởi vì

dữ liệu được trao đổi theo cả hai chiều

 Kênh nhắn tin PCH (Paging CHannel): là phiên bản kênh vận chuyển của kênh luận lý PCCH

 Kênh truy cập tùy ý RACH (Random Access CHannel): là phiên bản kênh vận chuyển của kênh luận lý hai chiều CCCH theo hướng lên Kênh này được các UE dùng để gửi các thông điệp yêu cầu đường truyền RRC đến mạng nếu chúng muốn thiết lập một đường truyền dành riêng với mạng (ví dụ như thiết lập một cuộc gọi thoại) Ngoài ra, kênh này còn được các UE dùng để gửi dữ liệu gói của người dùng (ở trạng thái Cell-FACH, xem mục 2.2.3.3 bên dưới) nếu không có kênh dành riêng DCH nào được thiết lập giữa UE và mạng Tuy nhiên, cần lưu

ý rằng kênh này chỉ thích hợp cho những lượng dữ liệu nhỏ mà thôi

 Kênh truy cập chuyển tiếp FACH (Forward Access CHannel): kênh này được mạng dùng

để gửi các thông điệp thiết lập đường truyền RRC đến các UE nào đã báo qua kênh RACH rằng chúng muốn thiết lập một đường truyền với mạng Thông điệp này chứa những thông tin báo cho UE về cách truy nhập mạng Nếu mạng vừa cấp phát một kênh dành riêng, thông điệp này sẽ chứa những thông tin như mã trải nào sẽ được dùng ở hướng lên và hướng xuống Kênh FACH này cũng có thể được mạng dùng để gửi dữ liệu người dùng cho UE nếu không

có kênh dành riêng DCH nào được cấp phát cho một cuộc truyền dữ liệu Khi đó UE ở trong trạng thái Cell-FACH, như được mô tả trong mục 2.2.3.3 bên dưới Ở hướng lên, dữ liệu được truyền qua kênh RACH

Các kênh vật lý: các kênh tầng dưới cùng này chịu trách nhiệm cung cấp một phương tiện

truyền vật lý cho một hoặc nhiều kênh vận chuyển Chúng cũng chịu trạch nhiệm mã hóa kênh, tức bổ sung các bit dự phòng và phát hiện lỗi vào dòng dữ liệu

Chuẩn cũng đề xuất những sản phẩm trung gian giữa kênh vận chuyển và kênh vật lý, gọi là

kênh vận chuyển mã hóa hỗn hợp (Composite Coded Transport CHannel _ CCTrCH), và là sự

kết hợp của vài kênh vận chuyển với một hoặc nhiều kênh vật lý Bước trung gian này được đề xuất bởi vì không chỉ có thể ánh xạ vài kênh vận chuyển lên một kênh vật lý duy nhất (ví dụ như kênh PCH và FACH lên kênh S-CCPCH) mà còn có thể ánh xạ vài kênh vật lý lên một kênh vận chuyển duy nhất (ví dụ như kênh DPDCH và DPCCH lên kênh DCH)

Trong các mạng UMTS, một kênh vật lý được biểu diễn bởi một mã trải nhất định Danh sách sau đây cung cấp một cái nhìn tổng thể về những kênh vật lý quan trọng nhất theo hướng tải xuống (downlink, tức từ mạng đến UE) và hướng tải lên (uplink, tức từ UE đến mạng) Tất cả các kênh vật lý này đều được truyền đồng thời:

 P-CCPCH (Primary Common Control Physical CHannel): kênh vật lý điều khiển chung

chính, truyền tải kênh điều khiển quảng bá luận lý, vốn được giám sát bởi tất cả các UE trong

khi chúng không có một mối nối kết tích cực nào được thiết lập với mạng Thông tin được phát tán thông qua kênh này bao gồm mã số nhận diện cell, cách thức truy cập mạng, những

mã trải nào được dùng cho các kênh khác trong cell, những mã nào được dùng cho các cell kế cận, các bộ định thời để truy cập mạng, v.v

 S-CCPCH (Secondary Common Control Physical CHannel): kênh vật lý điều khiển chung

phụ, phục vụ vài mục đích, và vì vậy mang một số kênh luận lý khác nhau Trước hết, nó

truyền tải các thông điệp nhắn tin mà mạng báo cho các UE để gửi các cuộc gọi tới, các tin nhắn SMS, hoặc khi các gói dữ liệu tiếp tục đến sau một thời gian dài trầm lắng (thụ động) Kênh này cũng được dùng để phân phối các gói IP và các thông điệp điều khiển đến các thiết

bị, tức chỉ giao nhận những lượng dữ liệu nhỏ vào một thời điểm đặc biệt, và vì vậy không cần phải đặt thiết bị vào một trạng thái tích cực hơn

 PRACH (Physical Random Access CHannel): kênh vật lý truy cập tùy ý, chỉ có ở hướng

lên và là kênh duy nhất mà các UE được phép dùng để truyền mà không cần sự cho phép trước của mạng Mục đích của nó là cho phép UE yêu cầu thiết lập một đường truyền để thực hiện một cuộc gọi thoại, để phản ứng lại một thông điệp nhắn tin, hoặc để gửi đi một thông điệp SMS Nếu một cuộc gọi thoại đã được thiết lập rồi và UE chỉ gửi hoặc nhận một lượng

dữ liệu nhỏ thôi, kênh này cũng có thể được dùng để kết hợp với kênh S-CCPCH gửi các gói

IP hướng xuống Tuy nhiên, tốc độ truyền theo cả hai chiều của nó rất thấp và thời gian khứ

hồi (round trip delay time) lớn (khoảng chừng 200 ms) Vì vậy mạng thường cấp phát những

kênh vật lý khác, chuyên dành cho những cuộc truyền dữ liệu chuyển gói ngay khi nó nhận ra hoạt động mạng được hồi phục từ một UE nào đó

 DPDCH và DPCCH (Dedicated Physical Data CHannel và Dedicated Physical Control CHannel): sau khi một UE đã liên lạc được với mạng thông qua kênh truy cập tùy ý PRACH, mạng thường quyết định thiết lập một đường liên lạc đầy đủ với UE đó Trong trường hợp một cuộc gọi thoại, mạng sẽ cấp phát một kênh dành riêng Trên giao tiếp vô tuyến, kênh đó

sử dụng một mã trải dành riêng, được cấp phát bởi mạng Lúc trước, các mạng UMTS cũng dùng các kênh dành riêng để truyền dữ liệu chuyển gói, nhưng hiện nay tốc độ của những

kênh như vậy (còn được gọi là kênh truyền tải _ bearer) bị giới hạn ở mức 384 Kbit/s Chỉ

một số ít người dùng có thể nhận cùng lúc một kênh như vậy trong một cell Một nhược điểm khác của việc dùng một kênh dành riêng cho các đường truyền chuyển gói là, mạng phải thường xuyên cấp phát lại các mã trải cho những người dùng khác nhau Điều này là cần thiết, bởi vì hầu hết các cuộc truyền chuyển gói thường truyền dữ liệu dồn dập, và vì thế chỉ yêu cầu một kênh truyền thông lượng cao trong một thời gian giới hạn thôi Để dùng lại mã trải cho những người dùng khác, mạng cần thay đổi độ dài mã trải của một kênh dữ liệu dành riêng ngay khi nó không được dùng đầy đủ nữa, hay thậm chí ánh xạ đường truyền đang sử dụng kênh riêng ấy vào một kênh điều khiển chung (P-CCPCH hoặc S-CCPCH) để cấp phát tài nguyên của kênh riêng ấy cho những người dùng khác Trong thực tế, điều này tạo ra một phụ phí báo hiệu (signaling overhead) cao mà người dùng lại thấy tốc độ truyền không cao Vì vậy, người ta đã quyết định rằng cần một phương thức cải tiến, cung cấp những tốc độ truyền cao hơn và mềm dẻo uyển chuyển hơn cho những cuộc truyền dữ liệu dồn dập Kết quả của quá trình cải tiến này ngày nay được gọi là HSPA (High-Speed Packet Access), mà nhiều người còn gọi là 3.5G Chuẩn này sẽ được bàn trong mục 2.3

2.2.3.3 Các trạng thái RRC (Radio Resource Control)

Để tiết kiệm điện và để chỉ cấp phát tài nguyên cho các UE khi cần thiết, một kênh vật lý nối

nó với RNC của mạng có thể đi vào một trong các trạng thái kiểm soát tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Control _ RRC) như sau:

 Trạng thái rỗi (Idle): trong trạng thái này, các thiết bị không truyền thông tích cực với mạng Ở đây, chúng chỉ định kỳ lắng nghe kênh nhắn tin để biết có các cuộc gọi thoại hoặc hình và các tin nhắn SMS gửi tới hay không

 Trạng thái Cell-FACH: nếu một UE nào đó muốn liên hệ với mạng, nó chuyển từ trạng thái Idle sang trạng thái Cell-FACH (Cell-Forward Access Channel) Ở trạng thái này, UE đó

gửi các thông điệp điều khiển của nó qua kênh truy cập tùy ý PRACH về mạng, và mạng trả lời bằng kênh truy cập chuyển tiếp FACH, vốn được gửi qua kênh vật lý S-CCPCH đã mô tả

ở trên Yêu cầu về điện năng cũng tăng lên, bởi vì giờ đây UE cần giám sát hướng xuống để xem có thông điệp điều khiển nào gửi đến hay không

 Trạng thái Cell-DCH: sau khi mạng quyết định thiết lập một đường truyền thoại hoặc dữ liệu, UE được hướng dẫn sử dụng một kênh dành riêng, và vì thế nó chuyển sang trạng thái Cell-DCH (Cell Dedicated CHannel) Nếu thiết bị đó có khả năng HSPA, thì mạng sẽ chọn

một kênh dùng chung (shared channel) cho nó thay vì kênh dành riêng, như sẽ được bàn chi

tiết hơn bên dưới Tuy nhiên, xét theo quan điểm kiểm soát tài nguyên vô tuyến thì thiết bị đó vẫn được xem là đang ở trạng thái Cell-DCH Thời gian trễ khứ hồi ở trạng thái Cell-DCH là

từ 160 ms với một kênh truyền dành riêng UMTS cho đến 120 ms với một kênh truyền HSPA Trong trường hợp một kênh dữ liệu chuyển gói, mạng có thể quyết định chuyển thiết

bị trở lại trạng thái Cell-FACH nếu tính tích cực của nó, tức lượng dữ liệu được truyền đi, giảm thiểu Sau khi tính tính cực lại tăng lên, mạng sẽ chuyển kênh truyền đó về lại trạng thái Cell-DCH Đối với những khoảng thời gian thụ động dài hơn trong phiên truyền dữ liệu đó, mạng thậm chí có thể quyết định đặt UE đó về lại trạng thái Idle để giảm tiêu thụ điện năng của UE để giảm tải xử lý quản lý cho mạng Cho dù ở trạng thái Idle, UE vẫn có thể tiếp tục lại việc gửi các gói IP vào bất kỳ lúc nào thông qua kênh PRACH Tuy nhiên, có một độ trễ đáng chú ý khi chuyển đến một trạng thái tích cực hơn Tùy theo nhà sản xuất mạng vô tuyến, thời gian khứ hồi ban đầu có thể từ 2 đến 4 giây

 Các trạng thái Cell-PCH và URA-PCH: ngay cả khi ở trạng thái Cell-FACH, UE vẫn đòi hỏi một lượng điện năng đáng kể để lắng nghe kênh truy cập chuyển tiếp RACH mặc cho tính tích cực tối tiểu của nó Do độ trễ đáng kể khi từ trạng thái Idle chuyển sang tiếp tục truyền dữ liệu, nên có hai trạng thái nữa được chỉ định, nằm giữa trạng thái Idle và trạng thái Cell-FACH, đó là Cell-PCH và URA-PCH Trong các trạng thái này, UE chỉ cần định kỳ lắng nghe kênh thông điệp nhắn tin thôi, trong khi kênh luận lý giữa mạng vô tuyến và UE vẫn được giữ nguyên Nếu kênh đó tích cực trở lại, đường truyền có thể nhanh chóng được tiếp tục Sự khác biệt giữa hai trạng thái này là, ở trạng thái Cell-PCH UE phải báo cáo những thay đổi của cell cho mạng, bởi vì thông điệp nhắn tin chỉ được gửi tới một cell mà thôi, còn khi ở trạng thái URA-PCH thì UE có thể di chuyển (roam) giữa vài cell thuộc cùng một khu vực routing mà không cần báo cáo sự thay đổi cell cho mạng, bởi vì thông điệp nhắn tin được gửi đến tất cả các cell thuộc khu vực routing đó Tuy nhiên, trong thực tế chỉ có một ít nhà cung cấp dịch vụ mạng tận dụng hai trạng thái bổ sung này

2.2.3.4 Quản lý tính di động trong mạng vô tuyến đối với các kênh dành riêng

Một tác vụ quan trọng trong các mạng di động là xử lý tính di động của người dùng Ở trạng thái Cell-DCH, trạm cơ sở chủ động giám sát đường truyền giao tiếp vô tuyến từ và đến các UE,

và điều chỉnh công suất phát của trạm cơ sở và công suất phát của UE mỗi giây 1500 lần Trong các hệ thống CDMA, những sự điều chỉnh công suất rất nhanh như vậy là cần thiết, bởi vì trạm

cơ sở phải nhận được các cuộc truyền của tất cả các UE ở cùng mức công suất, bất kể chúng ở rất gần hay rất xa trạm Ở chiều từ mạng về UE nếu dùng được càng ít công suất phát thì càng tốt, bởi vì công suất phát của trạm cơ sở bị giới hạn Trong thực tế, các cuộc truyền đến và đi khỏi các UE gần trạm cơ sở chỉ cần một lượng công suất phát nhỏ, còn các UE ở xa hoặc bên trong các tòa nhà cần nhiều công suất phát hơn Việc điều chỉnh công suất phát thường xuyên như vậy cũng có nghĩa là, cùng với dữ liệu người dùng, UE phải không ngừng báo cáo cho mạng thông tin về mức độ tốt mà nó nhận được dữ liệu người dùng Sau đó mạng xử lý thông tin này

và ra lệnh cho UE, theo cùng nhịp độ khẩn trương đó, là nó nên tăng, giữ nguyên, hay giảm công suất phát hiện tại Vì mục đích này, luôn có một kênh điều khiển dành riêng được thiết lập bên

cạnh một kênh truyền dữ liệu dành riêng Trong khi nội dung của kênh truyền dữ liệu dành riêng được chỉ định ở các tầng cao hơn của chồng giao thức, là các tầng mà cuối cùng sẽ trích xuất ra một gói thoại hoặc một gói IP, thì thông tin được vận chuyển trong kênh điều khiển này nằm trong chồng phần mềm vô tuyến và không lộ ra với các ứng dụng tầng cao hơn

Khi một người dùng di chuyển, đến một lúc nào đó họ sẽ rời khỏi vùng phủ sóng của một trạm cơ sở Trong khi một kênh dữ liệu (DCH) được thiết lập, RNC chịu trách nhiệm điều chỉnh sao cho dữ liệu gửi đến UE được truyền đến một cell thích hợp hơn Quyết định chuyển cell này dựa trên chất lượng nhận sóng của cell hiện thời và các cell kế cận, vốn được đo bởi UE và gửi đến mạng Trong các mạng dựa trên CDMA như UMTS chẳng hạn, có hai loại chuyển giao

(handover) khác nhau Loại thứ nhất được gọi là chuyển giao cứng (hard handover) Khi mạng

phát hiện rằng có một cell thích hợp hơn cho một UE nào đó, nó chuẩn bị cell mới cho thuê bao

có UE ấy, rồi sau đó ra lệnh cho UE ấy chuyển đổi sang cell mới Kế tiếp UE sẽ ngắt đường truyền với cell hiện tại rồi dùng những thông số chuyển giao mà mạng gửi cho, bao gồm thông tin về tần số và các mã trải của cell mới, để thiết lập một đường truyền Do đó chuyển giao cứng

còn được gọi là chuyển giao ngắt-trước-khi-làm (break-before-make handover), tức đường

truyền cũ bị cắt đi trước khi đường truyền mới được thiết lập

Loại chuyển giao thứ hai là chuyển giao mềm (soft handover), vốn là loại chuyển giao thường

được sử dụng nhất trong các mạng CDMA Chuyển giao mềm tận dụng sự kiện là các cell kế cận

nhau truyền trên cùng tần số với cell hiện tại Vì vậy, có thể thực hiện một cuộc chuyển giao

làm-trước-khi-ngắt (make-before-break handover), tức là UE liên lạc với nhiều cell cùng một

lúc UE sẽ đi vào trạng thái chuyển giao mềm khi mạng gửi thông tin điều khiển để ra lệnh cho

nó lắng nghe nhiều mã trải ở hướng xuống Mỗi mã trải đại diện cho một đường truyền của một cell khác biệt, và UE kết hợp các tín hiệu nó nhận từ các cell khác biệt ấy Ở hướng lên, UE tiếp tục sử dụng chỉ một mã trải duy nhất cho một kênh dành riêng Tất cả các cell tham gia vào cuộc chuyển giao mềm đều được RNC chỉ thị phải mã hóa dữ liệu gửi bằng mã này rồi gửi nó đến RNC Vì vậy trong suốt quá trình chuyển giao mềm, RNC tiếp nhận đến vài phiên bản của dòng

dữ liệu tải lên của người dùng Điều này giúp bảo đảm rằng các gói được tiếp nhận đúng đắn và không cần truyền lại Những cell có liên quan trong một chuyển giao mềm đối với một kênh

dành riêng được gọi là nhóm tích cực (active set) Mỗi nhóm tích cực có thể có đến tối đa là sáu

cell tham gia Tuy nhiên trong thực tế, hầu hết các mạng đều hạn chế số lượng cell trong nhóm tích cực là hai hoặc ba thôi Nếu không làm vậy, lợi ích của nhiều đường truyền mà có thể kết hợp với cả mạng lẫn UE sẽ bị đe dọa bởi dung lượng bổ sung cần có trong cả mạng vô tuyến lẫn trên giao tiếp vô tuyến Để cải thiện dung lượng của mạng, khoảng 30–40% của tất các kênh dành riêng trong một mạng vô tuyến được đặt ở trạng thái chuyển giao mềm, cho dù người dùng không di chuyển

Hình 2.8 cho thấy chuyển giao mềm và chuyển giao cứng được thực hiện như thế nào trong trường hợp không phải tất cả các cell đều được nối kết với cùng một RNC Trong ví dụ này, dữ liệu tải lên và tải xuống được thu thập và phân phối bởi hai RNC, nhưng chỉ một trong hai RNC

đó, gọi là Serving-RNC (S-RNC, tức RNC phục vụ), liên lạc với mạng lõi thôi RNC còn lại, gọi

là Drift-RNC (D-RNC, tạm dịch: RNC trôi giạt), thì liên lạc với S-RNC

Nếu người dùng di chuyển sâu hơn vào trong khu vực được phủ sóng bởi NodeB 2 và NodeB

3, UE của người dùng đó vào một thời điểm nào đó sẽ mất liên lạc với NodeB 1 Lúc đó, không còn cần có sự dính líu của RNC đang điều khiển NodeB 1 nữa, vì thế S-RNC hiện tại liền yêu cầu SGSN thăng cấp Drift-RNC hiện tại thành S-RNC mới

Nếu đường giao tiếp (tùy chọn) giữa các RNC không hiện diện thì một cuộc chuyển giao mềm như minh họa trong Hình 2.8 không thể xảy ra Trong trường hợp này, cần có một cuộc chuyển giao cứng khi UE di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của NodeB 1 và vào vùng phủ sóng của hai NodeB còn lại Hơn nữa, việc chuyển đổi RNC phục vụ phải được thực hiện cùng lúc đó,

điều này làm phức tạp thêm thủ tục chuyển giao và có khả năng làm tăng khoảng thời gian mà không có dữ liệu nào được trao đổi giữa UE đó và mạng

Hình 2.8: Chuyển giao mềm với vài RNC

Nếu người dùng di chuyển giữa các vùng được điều khiển bởi hai SGSN khác nhau thì cần thay đổi luôn SGSN phục vụ Phức tạp hơn nữa, các cuộc chuyển giao cũng có thể diễn ra khi cả hai đường truyền chuyển kênh và chuyển gói đều tích cực Trong trường hợp như vậy, không chỉ cần thay đổi các RNC mà còn phải thay đổi cả SGSN và MSC nữa Điều này đòi hỏi các mạng lõi chuyển kênh và chuyển gói cần cộng tác chặt chẽ hơn Tuy thường thì các tình huống chuyển giao trong thực tế chỉ dính dáng đến các cell được kiểm soát bởi cùng một RNC thôi, nhưng người ta cũng thực hiện tất cả các phương án chuyển giao khác

Bởi vì các mạng 3G/3.5G lúc trước không có vùng phủ sóng rộng bằng các mạng GSM 2G hiện có, và ngày nay thường thì vùng phủ sóng của nó cũng không rộng bằng và khả năng xuyên tường cũng yếu hơn GSM, cho nên khả năng chuyển vùng các đường truyền đang tích cực từ chúng sang các mạng GSM rất quan trọng Điều này đã, và nay vẫn, đặc biệt quan trọng đối với các cuộc gọi thoại Vì thế, các UE có khả năng UMTS hiện nay không chỉ tìm kiếm các cell 3G/3.5G kế cận, mà có thể còn được mạng ra lệnh tìm kiếm các cell GSM nữa Trong khi một kênh dành riêng đang được thiết lập, điều này rất khó thực hiện, bởi vì trong chế độ truyền chuẩn mực thì UE gửi và nhận liên tục Đối với các cell nằm tại rìa của vùng phủ sóng, RNC có thể

kích hoạt một chế độ truyền nén (compressed transmission mode) Chế độ truyền nén này khắc

phục những chênh lệnh về thông lượng trong giao tiếp vô tuyến giữa 2G và 3G/3.5G, cho phép

bộ thu sóng của UE điều chỉnh lại để phù hợp với tần số của các cell GSM kế cận, nhận tín hiệu của chúng, đồng bộ hóa với chúng, rồi quay trở lại cell UMTS để tiếp tục truyền và báo cáo kết quả của việc đo đạc tín hiệu của các cell GSM kế cận về cho mạng Sau đó, dựa vào các số liệu

đo đạc này, mạng có thể ra lệnh cho UE thực hiện một cuộc chuyển giao cứng Inter-RAT Radio Access Technology) với GSM Trong suốt một cuộc gọi thoại đến, người dùng thường không hay biết gì về một sự chuyển giao cứng như vậy Tuy nhiên, một đường truyền dữ liệu UMTS khi được chuyển giao qua mạng GSM/GPRS/EDGE sẽ chậm hơn đáng kể so với bình thường

(Inter-2.2.3.5 Quản lý tính di động của mạng vô tuyến trong các trạng thái Idle, Cell-FACH và Cell/URA-PCH

Khi người dùng di chuyển và UE của họ đang trong trạng thái Idle hoặc Cell/URA-PCH, tức

là không có cuộc gọi thoại nào được thiết lập và kênh truyền vật lý của một cuộc gọi dữ liệu đã

được gỡ bỏ sau một giai đoạn thụ động, UE đó có thể tự quyết định chuyển sang một cell có tín

hiệu tốt hơn Vùng phủ sóng của các cell được nhóm lại thành các vùng vị trí (location area), và

các UE chuyển sang cell khác chỉ cần liên hệ với mạng để báo cáo vị trí mới của chúng khi chọn lựa một cell nào đó ở vùng vị trí mới của chúng Thế có nghĩa là các thông điệp nhắn tin phải được quảng bá ở tất cả các cell thuộc một vùng vị trí Trong thực tế, một vùng vị trí chứa khoảng

20 đến 30 trạm cơ sở, đó là một sự cân bằng thỏa đáng giữa việc giảm lượng thông điệp cập nhật

vị trí và việc tăng phụ phí của việc gửi đi các thông điệp nhắn tin vào tất cả các cell của một vùng vị trí

Ở trạng thái Cell-FACH, vốn được dùng nếu UE đi vào một giai đoạn tích cực thấp hơn (ví dụ như, nó chỉ gửi hoặc nhận vài gói IP rời rạc), thì những thay đổi về cell cũng được kiểm soát bởi

UE chứ không phải bởi mạng Ở đây, một sự chuyển dịch hiệu quả từ cell này sang cell khác được cho là không đủ quan trọng để biện minh cho việc gia tăng công suất xử lý của mạng và mức tiêu thụ điện năng cao hơn trong UE

2.2.3.6 Quản lý tính di động trong mạng lõi chuyển gói

Trong mạng lõi chuyển gói, SGSN chịu trách nhiệm theo dõi vị trí và tính khả tiếp cận (reachability) của các UE Đường truyền giữa SGSN và RNC ở trạng thái PMM-Detached (PMM là dạng viết tắt của Packet Mobility Management) nghĩa là UE không được đăng ký với mạng, và vì vậy không được cấp địa chỉ IP nào Đường truyền đó ở trạng thái PMM-Connected nếu UE có một đường truyền báo hiệu nối với SGSN (ví dụ như trong thời gian cập nhật vị trí,

để báo cáo vị trí mới của nó), và UE cũng được cấp phát một đường truyền IP, tuy nhiên SGSN chỉ biết RNC nào hiện đang chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp gói cho UE đó chứ không cần biết

mã nhận diện của cell có UE đó Kiến thức này không cần thiết, bởi vì SGSN chỉ gửi chuyển tiếp gói dữ liệu đến RNC thôi, rồi RNC chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp nó đến cell hiện có UE đó Ngoài ra, SGSN không biết là kênh truyền vô tuyến đến UE đó đang ở trạng thái Cell-FACH, Cell-DCH, Cell-PCH hay URA-PCH Thông tin này không cần thiết, bởi vì chính RNC mới chịu trách nhiệm quyết định giữ UE ở những mức yêu cầu chất lượng dịch vụ nào của một đường truyền và lượng dữ liệu được truyền tải với UE đó Chú ý rằng, đường truyền giữa SGSN và RNC cũng đi vào trạng thái PMM-Connected trong những khoảng thời gian ngắn trong khi thiết lập những cuộc trao đổi thông tin báo hiệu, như thông tin cập nhật vị trí chẳng hạn, cho dù không

có đường truyền IP nào được thiết lập

Nếu RNC đặt kênh vô tuyến ở trạng thái Idle, nó cũng thông báo với SGSN rằng nó không còn tiếp cận trực tiếp với UE nữa Khi đó SGSN sẽ điều chỉnh trạng thái điều khiển của nó thành PMM-Idle Đối với SGSN, điều đó có nghĩa là nếu sau này nó nhận một gói IP gửi đến UE đó,

nó cần thông báo với UE trước đã Sau đó các gói IP gửi tới UE đó sẽ được trữ tạm (buffer) tại SGSN cho tới khi UE hồi đáp và SGSN đã thiết lập một kênh báo hiệu với UE đó

Hình 2.9 cho thấy những trạng thái khác biệt của mạng vô tuyến và của mạng lõi chuyển gói,

và chúng có liên quan với nhau như thế nào trong thời gian một đường truyền dữ liệu chuyển gói được thiết lập

Khi di chuyển từ trái sang phải trong hình đó, ta có thể thấy rằng nút càng ở sâu trong mạng thì nó càng ít có thông tin về trạng thái di động hiện thời của UE và trạng thái của kênh vô tuyến nối với UE Chú ý rằng, trạng thái của đường truyền nối giữa SGSN và RNC cũng là PMM-Idle khi UE đã nối liên lạc với mạng lõi chuyển gói sau khi bật điện lên nhưng chưa thiết lập được một đường truyền dữ liệu

Các trạng thái quản lý tính di động vô tuyến cũng áp dụng khi UE liên lạc với mạng lõi chuyển kênh Trong suốt một cuộc gọi thoại hoặc hình qua MSC, kênh vô tuyến nối RNC với

UE ở trong trạng thái Cell-DCH Kênh vô tuyến ấy cũng được đặt ở trạng thái Cell-DCH hoặc

Cell-FACH trong khi trao đổi các thông điệp báo hiệu, ví dụ như trong một cuộc cập nhật vị trí với MSC và SGSN chẳng hạn

Hình 2.9: Các trạng thái quản lý tính di động của mạng vô tuyến và mạng lõi chuyển gói dành

cho một đường truyền chuyển gói tích cực

2.3 HSPA (HSDPA và HSUPA)

Ngay sau khi có những mạng UMTS được triển khai đầu tiên, người ta thấy rõ rằng việc sử dụng các kênh dành riêng trên giao tiếp vô tuyến để truyền dữ liệu chuyển gói đã quá thiếu uyển chuyển về nhiều mặt Bởi vì theo đặc tả, tốc độ truyền dữ liệu cao nhất có thể đạt được là 384 Kbit/s với một độ dài mã trài là 8 Điều này hạn chế số lượng người đồng thời có thể dùng một đường truyền tải như vậy ở mức tám theo lý thuyết và ở mức hai hoặc ba trong thực tế, bởi vì một số mã trải đã được yêu cầu cấp phát cho các kênh quảng bá của cell và cho các cuộc gọi thoại của các thuê bao khác rồi Do bản chất dồn dập của nhiều ứng dụng chuyển gói, kênh truyền có thể hiếm khi được dùng đầy đủ bởi một UE nào đó, và vì thế nhiều dung lượng đường truyền không được dùng đến Có thể chống lại điều này phần nào bằng cách trước hết cấp phát những độ dài mã không lớn lắm cho kênh truyền của người dùng, rồi sau đó chỉ nâng cấp kênh truyền khi nó phát hiện rằng kênh truyền đã được sử dụng đầy đủ trong một thời gian nào đó (ví

dụ như, trong thời gian tải xuống một file) Ngoài ra, các mã trải ngắn đã nhanh chóng được thay thế bởi các mã trải dài hơn sau khi RNC thấy rõ rằng dung lượng đường truyền không còn được

sử dụng đầy đủ nữa Cho dù có những cơ chế này, mức độ sử dụng hiệu quả dung lượng đường truyền vẫn còn khá thấp Hệ quả là, các nhà sản xuất thiết bị đã bắt đầu làm việc để đưa ra một loạt yêu cầu kỹ thuật cải tiến cho chuẩn UMTS Chuẩn cải tiến ấy ngày nay được gọi là HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) Đặc tả kỹ thuật của HSDPA bắt đầu được soạn ra từ năm 2001, nhưng mãi đến cuối năm 2006 mới có các mạng và thiết bị hậu thuẫn HSDPA đầu tiên trong thực tế Sau khi việc chuẩn hóa HSDPA đã diễn ra tốt đẹp, nhiều yêu cầu kỹ thuật cải tiến khác cũng đã được định ra cho hướng lên Tập hợp các yêu cầu kỹ thuật cải tiến này được gọi là HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) Kết hợp với nhau, HSDPA và HSUPA giờ đây được gọi là HSPA

Các tiểu mục sau đây được tổ chức như sau: trước hết là một cái nhìn tổng quát về những điểm tăng cường ở hướng xuống, sau đó sẽ bàn đến những cải thiện hiệu năng cho hướng lên

2.3.1 Các kênh dùng chung (shared channel)

Để cải thiện mức độ sử dụng giao tiếp vô tuyến, khái niệm kênh dùng chung (shared channel)

đã được đưa vào (hay đúng ra là đưa vào lại) HSDPA đưa vào một loại kênh truyền gọi là

HS-PDSCH (High-Speed Physical Downlink Shared Channel), trong đó vài UE có thể dùng nó hầu như đồng thời, bởi vì nó được phân ra thành vài khe thời gian (timeslot) Như thế mạng có thể nhanh chóng phản ứng với những yêu cầu thay đổi bandwidth của một UE bằng cách thay đổi số lượng khe thời gian được cấp cho UE đó Vì vậy, không còn cần phải cấp phát các mã trải hoặc sửa đổi độ dài của mã trải để thay đổi lượng bandwidth được cấp phát nữa Các khe thời gian HS-PDSCH được cấp cho các thiết bị thông qua kênh HS-SCCH (High-Speed Shared Control CHannel) Kênh này phải được theo dõi bởi tất cả các UE mà RNC phụ trách chúng đã được mạng ra lệnh là dùng một kênh dùng chung Kênh HS-PDSCH dùng độ dài mã trải cố định là 16, còn kênh HS-SCCH dùng độ dài mã trải là 256

2.3.2 Đa mã trải

Để gia tăng tốc độ truyền, các UE có thể lắng nghe nhiều kênh dùng chung tải xuống tốc độ

cao Các thiết bị HSDPA thuộc nhóm (category) 6 có thể lắng nghe đến năm kênh tải xuống tốc

độ cao đồng thời, còn các thiết bị thuộc category 8 thì lắng nghe đến mười kênh như vậy Cũng

có thể dùng nhiều kênh tải xuống tốc độ cao để truyền tải dữ liệu đến vài UE đồng thời Vì mục đích này, mạng có thể chỉ định đến bốn kênh điều khiển dùng chung đồng thời ở hướng xuống,

và vì vậy, đến bốn UE có thể nhận được dữ liệu trên một hoặc nhiều kênh dùng chung đồng thời Hình 2.10 cho thấy dữ liệu người dùng được vận chuyển qua mạng vô tuyến như thế nào, và thiết bị người dùng HSDPA phải giải mã đồng thời những kênh nào trong khi nó ở trạng thái Cell-DCH Mạng lõi gửi các gói dữ liệu người dùng đến RNC theo một kênh DTCH (Dedicated Traffic Channel) Tại đó, RNC đóng gói lại dữ liệu vào một kênh HS-DSCH (High-Speed Downlink Shared Channel) rồi gửi chuyển tiếp nó cho NodeB phụ trách khu vực của người dùng Ngoài ra, RNC còn gửi thông tin điều khiển đến UE của người dùng thông qua một kênh DCCH (Dedicated Control Channel) Kênh này không được dùng chung giữa các thuê bao Người dùng cũng có thể thiết lập hoặc nhận một cuộc gọi thoại trong khi một cuộc truyền dữ liệu HSDPA đang diễn ra Trong trường hợp này, RNC sử dụng thêm một kênh dành riêng để gửi chuyển tiếp kênh thoại chuyển kênh đến người dùng

Hình 2.10: Tổng quan về các kênh truyền HSDPA hướng xuống

Tại trạm cơ sở (NodeB), dữ liệu đến qua kênh HS-DSCH được trữ tạm trong một thời gian ngắn rồi được truyền đến UE của người dùng qua một hoặc vài kênh HS-PDSCH Mỗi kênh HS-PDSCH sử dụng một mã trải có độ dài là 16, nghĩa là về lý thuyết có thể sử dụng đến 15 kênh HS-PDSCH đồng thời trong một cell Tuy nhiên trong thực tế, NodeB sử dụng đồng thời từ 5 kênh đến 10 kênh HS-PDSCH đối với các UE thuộc nhóm 8, vì các dịch vụ như thoại và truyền

dữ liệu chuyển gói UMTS cũng cần thông lượng Ngoài 5–10 kênh dùng chung này này, UE phải

có khả năng giám sát đến bốn kênh điều khiển dùng chung hướng xuống tốc độ cao (HS-SCCH)

để nhận những sự cấp phát khe thời gian cho các kênh dùng chung Cuối cùng, UE phải giải mã thông tin điều khiển gửi đến nó trên kênh DPCCH (Dedicated Physical Control Channel), và có thể cả dòng dữ liệu thoại đến trên kênh DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) nữa

Ở hướng lên, một UE có khả năng HSDPA cũng phải gửi một số kênh dữ liệu khác nhau, mỗi kênh bằng một mã trải khác biệt Kênh đầu tiên là kênh điều khiển chung HSDPA, vốn được dùng để báo đã tiếp nhận đúng các gói dữ liệu tải xuống Ngoài ra, cần có một kênh dành riêng

để vận chuyển các gói IP hướng lên Cần thêm một kênh nữa để truyền hoặc hồi đáp những lệnh cấp phát tài nguyên vô tuyến từ RNC (như một lệnh chuyển cell chẳng hạn) và cho hướng lên của một cuộc gọi thoại đang diễn ra Cuối cùng, UE cần gửi thông tin điều khiển (chất lượng nhận sóng của kênh dành riêng cho hướng xuống) đến NodeB Việc sử dụng đa mã trải như vậy giúp UE có khả năng gọi thoại và truyền dữ liệu được cùng lúc

2.3.3 Điều chế cấp cao hơn

Để tăng hơn nữa tốc độ truyền, HSDPA đưa ra một phương thức điều chế có cấp hoặc bậc (order) cao hơn để cải thiện thông suất (throughput5) cho những thiết bị mà nhận các cuộc truyền của trạm cơ sở với chất lượng tốt Chuẩn UMTS cơ bản sử dụng phương thức điều chế QPSK (Quadrature/Quaternary Phase Shift Keying), phương thức này mã hóa hai phần tử thông tin cơ bản (chip) trong mỗi bước truyền HSDPA giới thiệu kiểu điều chế 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation), mã hóa đến bốn chip trong mỗi bước truyền Bởi vì có thể mã hóa 16 giá trị bằng bốn đơn vị nhị phân (24 = 16), nên phương thức điều chế này được gọi là 16-QAM PSK (phase shift keying) là cách điều chế khóa dịch pha, trong đó pha của tín hiệu được thay đổi theo qui luật của tín hiệu dữ liệu, còn tần số và biên độ của sóng mang không đổi Vì dòng

dữ liệu là chuỗi số nhị phân, nên hệ thống PSK cần tối thiểu hai trạng thái pha BPSK (hay PSK) cần 2 trạng thái pha để biểu diễn hai trạng thái của một bit (0 và 1) Trong QPSK (hay 4-PSK), 4 trạng thái pha được dùng để biểu diễn bốn khóa mã Gray hai bit (00, 01, 11, 10)

2-QAM (quadrature amplitude modulation) là cách điều chế khóa theo biên độ Nó vận chuyển

đi hai dòng bit số bằng cách thay đổi (điều chế) biên độ của hai sóng mang theo kiểu điều chế số khóa dịch biên độ (amplitude-shift keying _ ASK) Hai sóng mang này, thường là hình sin, lệch pha với nhau 900 và vì vậy được gọi là các sóng mang hoặc thành phần trực giao (quadrature) Các sóng sau khi điều biến được cộng lại, và dạng sóng kết quả là một sự kết hợp của cả PSK lẫn ASK QAM dùng một số nhất định (ít nhất là 2) pha và một số nhất định (ít nhất là 2) biên độ Trong QAM, các điểm trên biểu đồ chùm sao thường được sắp xếp trên một lưới hình vuông cách đều nhau về phương ngang và phương đứng, hoặc các vòng tròn đồng tâm (tâm là gốc tọa độ) Vì dữ liệu viễn thông số thường là nhị phân, nên số điểm trong lưới này thường là lũy thừa của 2 (2, 4, 8 ), phổ biến nhất là 16-QAM, 64-QAM, 128-QAM and 256-QAM Tín hiệu 16-QAM là sự tổng hợp hai tín hiệu điều chế ASK 4-mức có sóng mang trực pha nhau (kênh I và

5

Lượng dữ liệu, hoặc lượng dữ liệu hữu dụng, có thể được xử lý hay vận chuyển qua một hệ thống (một cell chẳng hạn) hoặc phần tử hệ thống (một thiết bị người dùng chẳng hạn) khi làm việc ở khả năng tối đa của nó Thông suất được đo bằng số đơn vị dữ liệu trên mỗi đơn vị thời gian, chẳng hạn như số bit, số byte, số khối, số khung mỗi giây Nếu xét theo nghĩa sau thì các phụ phí (overhead) như dữ liệu báo hiệu hoặc điều khiển làm giảm lượng payload truyền được cho nên làm giảm thông suất Như vậy thông suất luôn thấp hơn thông lượng (bandwidth)

kênh Q) Nhiều khi, các bộ điều chế PSK được thiết kế bằng cách dùng nguyên lý QAM nhưng không thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang, cho nên QPSK còn được gọi không chính thức là 4-QAM

Biểu đồ chùm sao (constellation diagram) của QPSK và 16-QAM được minh họa trong Hình 2.11

Hình 2.11: Biểu đồ chùm sao của QPSK (bên trái) và 16-QAM (bên phải)

Phương thức điều chế 16-QAM làm tăng gấp đôi thông lượng đạt được so với QPSK trong điều kiện nhận sóng tốt Kết hợp với việc sử dụng 10 kênh dùng chung hướng xuống đồng thời, tốc độ truyền hướng xuống tối đa về lý thuyết là 7.2 Mbit/s Trong thực tế, tốc độ truyền dao động trong phạm vi từ 1.5 đến 2.5 Mbit/s đối với những thiết bị có khả năng gom được 5 kênh dùng chung (tức thuộc category 6) và 4.5 Mbit/s đối với những thiết bị có khả năng gom được 10 kênh dùng chung (tức thuộc category 8)

Ghi chú: Giống như GSM và GPRS, mạng vô tuyến UMTS được thiết kế để chia dữ liệu

thành những khung dữ liệu (frame) nhỏ để gửi qua giao tiếp vô tuyến Điều này có ưu điểm là trong trường hợp thất thoát gói hoặc gián đoạn đường truyền, chỉ cần truyền lại một lượng byte nhỏ thôi Tùy theo hệ số trải (độ dài mã trải), kích thước khung này thay đổi Ví dụ, đối với một kênh 384 kbit/s có TTI (transmission time interval) là 10 ms, mỗi khung dữ liệu chứa 480 Bytes

dữ liệu Đối với kênh 64 kbit/s với TTI là 20 ms, khung chỉ chứa 160 Bytes Đối với các cuộc gọi thoại có TTI là 20 m và tốc độ dữ liệu là 12.2 kbit/s, mỗi khung chỉ chứa 30 Bytes TTI là 10ms nghĩa là mỗi giây có 100 TTI, cho nên tốc độ truyền của kênh là:

480 Bytes/TTI * 8 bits/Byte * 100 TTI = 384 kbit/s

Các thiết bị HSDPA thuộc category 6 hậu thuẫn cả QPSK và 16-QAM, khung dữ liệu có TTI

là 2 ms nên mỗi giây truyền được 500 khung, nên được tốc độ truyền tối đa có thể đạt như sau:

7298 bits/TTI (phân phối qua 5 kênh HS-PDSCH) * 500 TTI = 3.6 Mbit/s

Tức là mỗi kênh HS-PDSCH có tốc độ 720 kbit/s với độ dài mã trải là 16

2.3.4 Sắp đặt lịch truyền, điều chế và mã hóa, HARQ

Các kênh HS-DSCH đã được thiết kế sao cho có thể cấp phát những kênh khác nhau cho những người dùng khác nhau cùng một lúc Mạng quyết định là đối với mỗi khung dữ liệu cần cấp phát những kênh nào cho người dùng nào Vì thế, như đã minh họa ở trên, các kênh HS-SCCH được dùng để thông báo với các UE là chúng cần nhận dữ liệu dành cho mình trên những

kênh HS-DSCH nào Việc bố trí này được gọi là scheduling (tạm dịch: sắp đặt lịch truyền)

Tốc độ truyền càng cao thì việc phát hiện các lỗi truyền và phản ứng với chúng nhanh hết cỡ

càng trở nên quan trọng Mặc khác, các giao thức phụ thuộc kênh nối (connection-oriented