Tóm tắt: Trong lộ trình phát triển, các mạng GPRS/EDGE và tiếp theo là UMTS được triển khai trên nền mạng GSM truyền thống nhằm đem lại thêm tài nguyên vô tuyến để cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, và tăng chất lượng dịch vụ thoại. Quá trình phát triển này đòi hỏi dung lượng mạng truyền dẫn (backhaul) phải được mở rộng để truyền tải lưu lượng lớn hơn từ trạm gốc (BS) đến trung tâm chuyển mạch (MSC). Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn của UMTS dựa trên công nghệ truyền dẫn IP hoặc ATM, trong khi của mạng GSM truyền thống dựa trên công nghệ TDM. Vậy yêu cầu đặt ra là cần phải nâng cấp mạng TDM của GSM. Việc xây dựng hai mạng riêng biệt cho GSM và UMTS là không hiệu quả, đặc biệt khi các nhà khai thác di động hy vọng UMTS sẽ dần thay thế GSM, và như vậy mạng truyền dẫn GSM dần dần sẽ bị xoá bỏ. Bài báo này xem xét một giải pháp sử dụng cùng một mạng truyền dẫn có thể hỗ trợ cho cả UMTS và GSM với GPRS/EDGE. Giải pháp này làm giảm yêu cầu dung lượng cần truyền dẫn của mạng backhaul bằng việc sử dụng phương pháp nén tiên tiến cho lưu lượng thoại GSM, lưu lượng dữ liệu và phương pháp ghép lưu lượng thoại và dữ liệu của cả hai mạng GSM và UMTS.
1. Giới thiệu
Các nhà khai thác di động đều đã có một kế hoạch thực thi để nâng cấp mạng GSM của mình lên công nghệ EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution) và/hoặc tiến tới UMTS. Trong lộ trình đó cần phải từng bước đưa vào cấu trúc mạng UMTS nhằm xây dựng một mạng GSM/UMTS tích hợp hiệu quả. Với tốc độ phát triển nhanh của thuê bao cũng như lưu lượng dữ liệu như hiện nay (cả EDGE và UMTS) thì tăng dung lượng mạng là vấn đề rất quan trọng mang tính chất sống còn đổi với các nhà khai thác. Hệ thống truyền dẫn hữu tuyến chiếm phần lớn chi phí vận hành của hầu hết nhà khai thác. Mạng truyền dẫn GSM/GPRS cơ bản dựa trên công nghệ chuyển mạch kênh TDM, trong khi UMTS đòi hỏi một mạng truyền dẫn mới dựa trên IP hoặc ATM.
Bài báo này mô tả tiến trình phát triển của mạng truyền dẫn GSM/UMTS để hỗ trợ EDGE và UMTS, nghiên cứu một cấu trúc tối ưu với trọng tâm là các kỹ thuật nhằm làm giảm sự lãng phí tài nguyên dải thông trên mạng truyền dẫn GSM để tiết kiệm dải thông, tối ưu mạng truyền dẫn di động GSM.
2. Hướng phát triển mạng truy nhập vô tuyến
Mạng truy nhập vô tuyến (RAN) là một phần của mạng di động tế bào, cung cấp các kết nối từ thiết bị đầu cuối của người sử dụng đến mạng lõi thông qua giao diện vô tuyến bằng một mạng truyền dẫn thường được gọi là mạng backhaul di động (xem hình 1).
2.1 Mạng GSM/GPRS
Mạng truyền dẫn trong hệ thống GSM bao gồm các đường truyền giữa mạng lõi GSM và các phần từ mạng hệ thống trạm gốc BSS (Base Station System): BSC (Base Station Controller) và BTS (Base Transceiver Station)
Kết nối giữa BTS và BSC được thực hiện thông quan giao diện Abis, trong khi kết nối giữa BSC và mạng lõi thông qua giao diện A (hình 2).
Quá trình phát triển từ GSM lên 2,5G (GSM pha 2+) được thực hiện bằng cách đưa vào phân hệ GPRS (General Packet Radio Services) nhằm cung cấp các dịch vụ dữ liệu di động chuyển mạch gói, mà theo đó tất cả dữ liệu khi được gửi đi đều bị chia thành các gói nhỏ. Những gói này sau đó được gửi đi một cách riêng rẽ thông qua mạng GPRS với theo các đường khác nhau. Khi đến đích các gói cần được sắp xếp lại. Chính vì lí do này cần phải thêm chức năng mới cho các phân tử mạng GSM để sử dụng hiệu quả giao diện vô tuyến. Bốn kiểu mã hoá (CS1 đến CS4) cung cấp các khả năng: một người có thể sử dụng nhiều hơn một khe thời gian và nhiều hơn một người có thể sử dụng cùng một khe thời gian.
Tuỳ vào kiểu mã hoá và số lượng khe thời gian được sử dụng mà tốc độ tối đa theo lý thuyết có thể lên đến 171.2 kbit/s. Tốc độ thực tế khi triển khai thường đạt khoảng 40 kbit/s, với tốc độ này có thể truy cập Internet. Để cung cấp các dịch vụ GPRS, các phần tử của mạng BSS đã được nâng cấp cần phải được kết nối với hệ thống mạng lõi GPRS. Điều này được thực hiện thông qua giao diện A hiện tại hoặc giao diện Gb.
2.2 Nâng cấp lên EDGE
EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) là một bước phát triển tiếp theo trong trong xu hướng phát triển mạng GSM/GPRS tiến tới 3G. EDGE giới thiệu một phương pháp điều chế mới, 8-PSK (8-Phase Shift Keying), có khả năng hỗ trợ tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao hơn, tăng dung lượng mạng. Cũng giống như GPRS, EDGE cũng có cấu trúc khe thời gian và dải thông sóng mang giống như GSM. EDGE sử dụng chung các phần tử mạng với GPRS. EGPRS cung cấp các dịch vụ dữ liệu gói sử dụng cấu trúc GPRS và kiểu mã hoá và phương pháp điều chế EDGE mới. Để chuyển sang cấu trúc này đòi hỏi phải có một số thay đổi về phần cứng, cũng như cách thích nghi trong cấu trúc báo hiệu ở phía BSS. Có chín kiểu điều chế và mã hoá mới xuất hiện trong cấu trúc EDGE, đó là: MCS-1 đến MCS-9. Trên lý thuyết EGPRS có thể đạt tốc độ tối đa bằng 473.6 kbit/s. Với tốc độ này có thể cung cấp nhiều dịch vụ cao cấp hơn, như dịch vụ video thời gian thưc, truyền hình hội nghị. Kết nối lưu lượng EDGE được thực hiện thông qua giao diện Gb, được cấp phát trên giao diện Abis. Điều này góp phần tối ưu hoá đường truyền backhaul. (xem hình 4).
2.3 Mạng truy nhập UMTS
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) xuất hiện phân hệ truy nhập vô tuyến mới cho các dịch vụ 3G. Dựa trên kỹ thuật truy nhập vô tuyến Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), UTRAN có dải thông rộng hơn, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn cho phép truyền dẫn tốc độ cao trên giao diện vô tuyến. Trong cấu trúc UTRAN xuất hiện phần tử Nút B, tương đương với vai trò của BTS trong cấu trúc 2G, và RNC, đương đương với BSC trong cấu trúc 2G. RNC kết nối với mạng lõi UMTS thông qua một giao diện mới là giao diện Iu. Cấu trúc mạng mới bao gồm hai miền, miền truy nhập vô tuyến GSM/EDGE (GERAN) cung cấp dịch vu chuyển mạch kênh (CS), và miền truy nhập UTRAN cung cấp các dịch vụ chuyển mạch gói. Mục đích có cấu trúc GERAN là để tương thích ngược với cấu trúc GSM/GPRS cũ thông qua giao diện A và Gb (hình 5). Như vậy trong cấu trúc này đòi hỏi có một mạng truyền dẫn mới cho UTRAN. Hướng quan tâm nhất đối với hầu hết các mạng GSM hiện nay là phát triển tiến tới cấu trúc GSM/GPRS tích hợp, và hiệu quả đầu tư và hiệu quả mạng backhaul là quan trọng nhất.
3. Xem xét tính hiệu quả của mạng Backhaul
Tất cả các nhà khai thác dịch vụ di động khi thiết kế và xây dựng mạng truyền dẫn cho các dịch vụ di động đều phải tính toán kỹ lưỡng chi phí mua trang thiết bị và các điều kiện phát sinh. Hầu hết hiện này, các nhà khai thác thường thuê các đường truyền E1, E3 hoặc STM-1 cho các tuyến truyền dẫn từ các ILEC (Incumbent Local Exchange Carriers). Chi phí thuê đường truyền này chiếm một phần rất lớn trong tổng chi phí vận hành. Lưu lượng thoại và dữ liệu tăng đồng nghĩa với dung lượng mạng truyền dẫn phải tăng lên, mà vì vậy chi phí thuê kênh truyền cũng tăng lên.
3.1 Cấu trúc mạng
Hiện nay hầu hết các mạng di động vẫn sử dụng cấu trúc "hình sao” cho mạng backhaul, trong đó mỗi BTS được nối thẳng tới BSC bằng các đường E1. Khi mỗi đường E1 được dùng cho một BTS xác định thì mỗi bộ thu-phát TRX (Transmitter-Receiver) của BTS phải được ấn định một số kênh xác định trên một luồng E1 đã cho. Ưu điểm của cấu trúc sao là dễ dàng triển khai lắp đặt và bảo dưỡng, đặc biệt trong thời gian đầu khi mạng mới triển khai. Tuy nhiên khi số lượng thuê bao tăng, thì chi phí mở rộng mạng cao. Đa số các mạng di động đều được thiết kế và định cỡ trên cơ sở số liệu trong trường hợp xấu nhất, đó là giờ cao điểm, khi nhu cầu lưu lượng ở mức cao nhất. Để đáp ứng yêu cầu về dung lượng, các TRX được ấn định cho mỗi BTS theo mức độ sử dụng trong giờ cao điểm. Ở những khu vực có mật độ cao hơn thì cần trang bị nhiều TRX hơn cho mỗi trạm BTS, và cần nhiều băng thông truyền dẫn hơn để đáp ứng nhu cầu truyền dẫn lưu lượng đó. Ở những khu vực khác, mật độ thấp hơn thì cần phải đảm bảo yêu cầu về vùng phủ, và các nhà khai thác phải thêm các trạm BTS để cung cấp vùng phủ cho tất cả các khu vực (ngoại ô, nông thôn) mặc dù ở một số khu vực hiệu quả sử dụng rất thấp. Điều này dẫn tới tình trạng các kênh lưu lượng của một hệ thống hiếm khi được sử dụng tối đa, và dẫn đến lãng phí tài nguyên mạng.
3.2 Công nghệ truyền dẫn TDM
Một vấn đề khác cần được quan tâm đó là hiệu quả của việc sử dụng công nghệ chuyển mạch TDM cho mạng backhaul. Do ghép kênh cố định của các kết nối TDM cho mỗi và tất các các kênh trên giao diện vô tuyến mà không cần biết có mang thông tin hay không, nên kênh phải được ấn định trên giao diện giao diện Abis. Do đó các nhà khai thác không có cách nào để tận dụng dung lượng còn dư thừa ở những đường truyền rỗi để chia tải cho các đường truyền bận hơn. Kết quả là nhà khai thác vẫn phải thuê thêm luồng E1 cho những BTS ở những khu vực mật độ cao, trong khi băng thông backhaul tới những BTS ở những khu vực mật độ thấp vẫn bị lãng phí.
4. Cải thiện hiệu quả của mạng backhaul
Rõ ràng bước phát triển tiếp theo hướng tới 3G là mạng GSM/EDGE/UMTS kết hợp, trong đó mạng GSM/EDGE sẽ đáp ứng yêu cầu về vùng phủ, trong khi mạng UMTS đáp ứng yêu cầu về dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho những khu vực đông dân cư. Release 99, cũng như Release 4 và 5 UMTS đều yêu cầu công nghệ truyền dẫn là IP hoặc ATM. Do đó, có một cách lựa chọn là xây dựng một mạng backhaul mới bên cạnh mạng backhaul TDM truyền thống. Dĩ nhiên, lựa chọn này là kém hiệu quả và tốn nhiều chi phí đầu tư của các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động. Một giải pháp tốt hơn đó là tích hợp các phần tử mạng backhaul 3G vào trong mạng backhaul 2G truyền thống, tạo ra một mạng backhaul 2G/3G thống nhất và hiệu quả.
4.1 Mạng backhaul 2G/3G kết hợp dựa trên công nghệ ATM
Công nghệ truyền dẫn ATM mở ra một giải pháp tích hợp cho cả thoại và dữ liệu, đảm bảo QoS. Lớp thích ứng ATM 2 (AAL2 - ATM Adaptation Layer 2) được thiết kế để tăng hiệu quả khi truyền thoại nhạy cảm với trễ qua mạng ATM. AAL2 có thể chuyển mạch để làm đầy các tế bào nhanh hơn bằng cách ghép nhiều kênh thoại vào một tế bào ATM. Các dịch vụ dữ liệu như FR (Frame Relay) được sắp xếp hiệu quả vào Lớp thích ứng ATM 5 (AAL5 - ATM Adaptation Layer 5), trong khi các dịch vụ dữ liệu và thoại chuyển mạch kênh TDM truyền thống được hỗ trợ bởi AAL1 CES (Circuit Emulation Service).
4.2 Ghép kênh chéo qua ATM (IMA - Inverse Multiplexing over ATM)
Các đường E1 và E3 thường hay được sử dụng cho mạng truyền dẫn backhaul. Sự khác biệt về dải thông giữa E1 (2 Mbit/s) và E3 (34 Mbit/s) là rất lớn, trong khi các nhà khai thác thường yêu cầu dải thông lớn hơn nhiều lần dải thông của một luồng E1, nhưng nhỏ hơn dải thông của một luồng E3 (thường rất đắt). IMA có thể khắc phục được vấn đề này đó là cung cấp một giải pháp mà theo đó nhiều tuyến E1 song song được ghép thành một kết nối vật lý có dải thông theo yêu cầu. Đó có thể coi là giải pháp cộng dải thông. IMA cũng rất linh hoạt tránh được các hiện tượng ngắt quãng dịch vụ. Nếu một trong những luồng E1 thành phần bị lỗi, việc truyền dẫn vẫn không bị gián đoạn miễn là còn ít nhất một luồng E1 hoạt động. Điều này dẫn đến làm giảm dải thông bị lãng phí trong khi độ tin cậy của dịch vụ toàn bộ mạng lại tăng lên.
4.3 Phối hợp truy nhập
Những thiết bị truy nhập ATM, như cổng phương tiện đa dịch vụ Lucent PacketStar (PSAX) đem đến khả năng tập hợp truy nhập cho một số lượng lớn các luồng E1 TDM, dễ dàng cho các kết nối của giao diện Abis, từ các BTS đến các BSC và hơn nữa là tới MSC. Khi các Nút B và RNC được triển khai thì giao diện Iub và Iu có thể được cùng nối tới các thiết bị phối hợp hợp ATM. Các cổng đa dịch vụ PSAX có khả năng tận dụng các giao diện TDM như là một lớp vật lý cho các tuyến truyền dẫn ATM (xem hình 6). Việc sử dụng ATM qua cùng giao diện TDM tạo ra một kênh vật lý hội tụ, giúp cho dải thông sử dụng ít hơn tổng dải thông cần thiết cho mỗi kênh riêng rẽ. Phương pháp này có thể được xem xét để giảm dải thông cần thiết cho tất cả các giao diện truy nhập như Abis, A, Gb, Iub, Iu.
4.4 Lọc kênh (Channel grooming)
Một biện pháp tối ưu dải thông cho mạng backhaul khác có thể được thực hiện bằng cách phát chọn lựa chỉ những kênh E0 hoạt động trên mạng backhaul. Luồng E1 TDM thường có một số kênh E0 hoạt động và một số kênh E0 không hoạt động phụ thuộc vào thời điểm sử dụng. Dù E0 có hoạt động hay không thì chúng vấn chiếm một dải thông nhất định. PSAX có thể loại bỏ những kênh E0 không sử dụng này. E0 grooming có thể tạo ra hiệu quả phân tập cho các nhà khai thác GSM làm giảm nguy cơ bị lỗi của các luồng E1.
5. Tối ưu dải thông mạng backhaul GSM
Mặc dù GSM đã áp dụng các kỹ thuật mã hóa thoại để giảm tốc độ bít nhưng không phải không còn khả năng tận dụng dải thông. Một phương pháp nữa để tiết kiệm dải thông cho mạng backhaul mà không phải nén chất lượng thoại, đó là nén hoặc loại bỏ thông tin thừa khi truyền thông tin thoại trên giao diện Abis và Ater.
5.1 Sắp xếp kênh thoại trên giao diện Abis /Ater
Giao diện Abis/Ater kết nối TDM bằng các luồng E1 với 32 khe thời gian E0 (hoặc kênh), sử dụng để truyền dẫn cả báo hiệu và lưu lượng tải. 32 kênh này mỗi kênh có tốc độ là 64 kbit/s. Như vậy tổng cộng thông lượng của một luồng E1 là 2.048 Mbps. Các kênh GSM được mã hóa với các tốc độ khác nhau, thông thường là 8 và 16 kbit/s. Trong hầu hết các trường hợp, trên giao diện Abis/Ater thường sử dụng ghép kênh 4:1, theo đó các kênh con 16 kbit/s được sắp xếp vào một kênh E0 64 kbit/s.
Như đã qui định trong tiêu chuẩn GSM, kênh có thể mang thông tin hoặc có thể ở trạng thái nghỉ. Khi thông tin được truyền đi trên giao diện Abis hoặc Ater, nó được truyền dưới dạng các khung với chiều dài cố định là 320 bit (20 ms, 16 kbit/s). Những khung này được gọi là TRAU và chúng mang thông tin thoại, dữ liệu, báo hiệu và điều khiển. Về cơ bản chúng ta có thể chia các khung TRAU thành những loaoị như sau: Khung cho dịch vụ thoại - theo kiểu mã hoá thoại được sử dụng: Khung cho thoại bán tốc và toàn tốc (HR và FR), cho toàn tốc cải tiến (EFR) và chô đa tốc thích ứng (AMR); Khung O&M; Khung dữ liệu và Khung thoại nghỉ. Khi kiểu mã hoá thoại là FR, EFFR hoặc AMR thì các kênh lưu lượng 16 kbit/s được sử dụng. Đối với kiểu mã hoá bán tốc HR thì các kênh lưu lượng 8 kbit/s được sử dụng. Chúng được ghép lại một cách có qui tắc trong những đôi dây để tạo nên kênh 16 kbit/s và kênh này sau đó được sắp xếp trên giao diện Abis. (Hình 7)
5.2 Các phương pháp nén thoại GSM
Các kênh rỗi hoặc các khung thoại rỗi có đặc điểm chung là đều có thể bị loại bỏ ra khỏi những đường truyền dẫn thoại trong mạng backhaul. Điều này có thể dẫn đến một biện pháp giảm tối đa dải thông dư thừa, tiết kiệm chi phí cho các nhà khai thác. Lucent PSAX là một cổng phương tiện đa dịch vụ, hiện đã thương mại hoá, áp dụng hai kỹ thuật nén:
1. Nén kênh rỗi GSM và
2. Nén khung thoại rỗi GSM.
Œ Nén kênh rỗi GSM
Bất kể khi nào không có lưu lượng truyền đi qua giao diện vô tuyến (ví dụ kênh không được ấn định cho cuộc gọi nào, các khung lớp 2 đang được thu, ...), thì một kênh sẽ được coi là rỗi. Trong trường hợp đó, "kênh rỗi” sẽ được gán cho kênh đó trên giao diện Abis. Đặc tính nén kênh rỗi của PSAX phát hiện "kênh rỗi” và loại bỏ chúng khỏi luồng dữ liệu được truyền đi qua giao diện Abis/Ater.
Sử dụng PSAX, truyền dẫn trong mạng RAN được thực hiện bằng ATM do vậy lưu lượng GSM phải được truyền đi trên các tuyến ATM giữa các hệ thống PSAX. Ghép kênh tĩnh ATM được mở rộng với đặc tính nén sẽ tiết kiệm đáng kể dải thông backhaul, trong trường hợp lý tưởng có thể tiết kiệm được 80%. Điều này giúp các nhà khai thác tối thiểu hoá số luồng E1 sử dụng mạng backhaul.
Nén khung thoại rỗi GSM
Theo nguyên tắc một cuộc gọi thông thường thì một người nói 50 % thời gian, trong khi 50% thời gian còn lại là khoảng lặng để nghe người kia nói. Thông tin thoại có thể được truyền đi bằng các khung thoại FR, EFR hoặc AMR, nhưng trong thời gian lặng không có thông tin nào được truyền đi, do đó những khung thoại nghỉ sẽ được tạo ra và truyền đi thay vì các khung FR hoặc EFR. Những khung thoại nghỉ không mang thông tin hữu ích cấn chiếm một dải thông như những khung thoại mang thông tin FR hay EFR. PSAX do các khung thoại nghỉ và nén những khung này lại khi chung được truyền đi trên trung kế ATM và khôi phục lại chúng ở đầu kia của mạng ATM trên giao diện Abis. Điều này góp phần tiến kiệm dải thông truyền dẫn.
Ž Xem xét giảm dải thông truyền dẫn
Mức độ tiết kiệm dải thông của hai giải pháp này thực tế như thế nào phụ thuộc vào cấu trúc mạng, số lượng giao diện E1 được ghép lại với nhau, loại trạm gốc (độ thị mật độ cao, thành phố, nông thôn hay đường giao thông), loại lưu lượng trên mạng và hành vi thoại của người sử dụng ảnh hưởng đến phần trăm khung rỗi. Góp phần làm giảm lãng phí trên giao diện Abis, các phương pháp nén khung thoại nghỉ và kênh nghỉ GSM có ảnh hưởng quan trọng. Lưu lượng Abis không được cấp phát cố định theo các khe thời gian trên giao diện TDM, nó được truyền đi bằng VBR (Variable Bit Rate) ATM AAL2 trên mạng backhaul. Điều này giúp làm giảm dải thông so do có ghép kênh thống kê. Ưu điểm của statistical multiplexing thể hiện rất rõ trong trường hợp ghép lưu lượng trên toàn bộ một vùng. Một vùng thông thường có BTS nằm ở cả khu vực thương mại mật độ cao, khu thành phố, nông thôn và đường giao thông, với các phân bố theo ngày, theo thời gian trong năm, theo trạm gốc không giống nhau. Kết quả thực tế đối với việc ghép lưu lượng vùng cho thấy PSAX đạt được mức tiết kiệm trung bình khoảng 40% so với phương pháp tối ưu tốt nhất với công nghệ TDM.
6. Lựa chọn mạng backhaul
Những nhà khai thác di động GSM đã có giấy phép triển khai UMTS phải quyết định hướng phát triển mạng backhaul của mình. Việc lựa chọn hướng nâng cấp mạng backhaul rất quan trọng, vì nếu định hướng không đúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của mạng và điều này sẽ ảnh hưởng đến doanh thu. Có ít nhất bốn hướng phát triển, và mỗi hướng đều có những ưu nhược điểm của nó:
1. Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho Iub
2. Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với các phân đoạn E1
3. Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS ATM "tiêu chuẩn”
4. Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với PSAX
6.1 Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho Iub
Đây có thể coi là cách làm đơn giản nhất, nhưng cũng là giải pháp rất tốn kém. Những dịch vụ mới và hấp dẫn của UMTS sẽ dần thay thế các dịch vụ GSM, và lưu lượng mạng backhaul UMTS ngày một tăng, từng bước thay thế mạng backhaul không hiệu quả và cạn kiệt tài nguyên của mạng GSM. Tuy nhiên, cách tiếp cận này yêu cầu nhiều dung lượng giao tiếp trên RNC điều này dẫn đến những chi phí đầu tư không hiệu quả. Với những đường kết nối trực tiếp bằng E1, dung lượng của giao diện RNC bằng tổng dung lượng của các giao diện Nút B. Nếu tính tải của mạng thông thường tại giờ cao điểm là 40 % dung lượng thiết kế của trạm gốc (tính trung bình cho các mô hình lưu lượng của các trạm gốc ở khu thương mại, thành phố, nông thôn và đường giao thông), thì RNC có tới 60 % dung lượng giao diện không sử dụng trong trường hợp này.
Ưu điểm:
- Không ảnh hưởng đến mạng backhaul GSM hiện tại.
- Dễ dàng triển khai
Nhược điểm:
- Rất lãng phí dải thông
- "Khai tử” GSM; không có doanh thu từ những khách hàng di chuyển từ GSM sang UMTS – dung lượng dư thừa của mạng backhaul GSM không được tái sử dụng cho mạng UMTS
- Lãng phí giao diện RNC (thông thường khoảng 60%)
6.2 Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với các phân đoạn E1
Theo cách này, chuyển mạch ATM sẽ sử dụng cho cả lưu lượng GSM và UMTS qua các phân đoạn E1 từ các khu vực có lưu lượng thấp. Những khu vực trạm gốc UMTS và GSM có dung lượng cao hơn thì sử dụng các luồng E1 riêng rẽ.
Ưu điểm:
- Những phân đoạn của các luồng E1 không được sử dụng cho mạng GSM sẽ được sử dụng cho lưu lượng UMTS.
- Giao diện ATM STM-1 ATM trên RNC có thể được sử dụng để tối ưu dung lượng giao diện RNC.
Nhược điểm:
- Không áp dụng được cho những khu vực có mật độ cao, có các trạm gốc GSM và UMTS có dung lượng lớn.
- Với tốc độ phát triển của lưu lượng UMTS thì dung lượng của các phân đoạn E1 trở lên không hiệu quả
- Không có lợi thể của ghép kênh thống kê
6.3 Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS ATM
Tất cả lưu lượng của GSM và UMTS đều được truyền thông qua một mạng backhaul ATM, trong đó lưu lượng GSM được truyền qua lớp AAL1 như CES còn lưu lượng UMTS được truyền qua AAL2.
Ưu điểm:
- Cùng một mạng backhaul ATM sử dụng cho cả GSM và UMTS.
- Một mạng backhaul duy nhất sẽ làm đơn giản hóa mạng quản lý, tối ưu chi phí vận hành
- Tận dụng được ưu điểm của ghép kênh thống kê cho lưu lượng của UMTS
Nhược điểm:
- Các kênh GSM được truyền thông qua lớp AAL1 như CES, chiếm băng thông nhiều hơn khoảng 13% so với các kênh TDM, nên việc tăng dung lượng các đường kênh thuê riêng là điều tất yếu.
- Không thể nghép kênh thông kê ATM cho lưu lượng UMTS và GSM – dải thông cho GSM được phân bổ cố định cho các kênh ATM CES
6.4 Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với PSAX
Sử dụng các đặc tính nén thoại GSM trong PSAX, thoại GSM được truyền thông qua AAL2. Thêm AAL2 đối với dịch vụ thoại UMTS và AAL5 đối với dịch vụ dữ liệu GSM/UMTS, việc sử dụng PSAX trong mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS cho phép tận dụng ưu điểm của ghép kênh thống kê, đảm bảo tính tối ưu cao nhất cho dải thông truyền dẫn của mạng backhaul.
Ưu điểm:
- Một mạng bachhaul ATM duy nhất cho cả GSM và UMTS sẽ làm đơn giản hóa mạng quản lý, tối ưu chi phí vận hành
- Statistical multiplexing of GSM and UMTS channels ensures substantial reduction of required transmission bandwidth
- Khả năng nén thoại GSM càng góp phần tiết kiệm dải thông
- Giả quyết hiệu qua vấn đề "khai tử GSM”
- Thuận lợi cho tương lai – truyền dẫn IP trong cấu trúc 3GPP Rel5
7. Kết luận
Các nhà khai thác dịch vụ di động hiện nay đang có xu hướng xây dựng mạng UMTS và khẩn trương nâng cấp mạng GSM hiện tại lên GPRS và EDGE và việc bắt buộc phải làm là tối ưu mạng backhaul để đảm bảo dung lượng cần thiết đáp ứng lưu lượng thoại dữ liệu ngày càng tăng.
Triển khai công nghệ ATM vào trong cấu trúc mạng backhaul hiện tại là giải pháp nhằm xây dựng một mạng backhaul kết hợp cho cả GSM và UMTS, trong đó khối quan trong nhất chính là cổng phương tiện đa dịch vụ PSAX. PSAX cung cấp giải pháp xây dựng một mạng kết hợp cho nhiều giao diện khác nhau.
Giải pháp chọn lọc kênh E0 đưa ra để lựa chọn chỉ phát trên kênh GSM hoạt động và IMA qua các luồng E1 đảm bảo tính linh động của hệ thống tránh hiện tượng gián đoạn dịch vụ, và hơn nữa tối ưu dải thông cho mạng backhaul. Các thuật toán nén kênh rỗi GSM và nén khung thoại rỗi GSM được sử dụng để loại bỏ hiện tượng các khung và kênh rỗi được truyền đi trên giao diện Abis và Ater. Những phương pháp này giúp thông tin giao diện Abis và Ater được truyền đi như là lưu lượng Tốc độ bít thay đổi (Variable Bit Rate) qua mạng ATM, đây là cơ sở cho giải pháp ghép thống kê ATM. Ghép thống kê thoại GSM, thoại UMTS, dữ liệu GPRS/EDGE và UMTS được xem xét để tiết kiệm dải thông cho mạng backhaul.
Tất cả các giải pháp ở trên đưa ra nhằm mục đích chuyển dần mạng truyền dẫn của GSM sang UMTS, tận dụng hạ tầng hiện có, tránh lãng phí tài nguyên và giảm chi phí đầu tư cho các nhà khai thác dịch vụ di động.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Timo Halonen, Javier Romero and Juan Melero, "GSM, GPRS and EDGE Performance – Evolution Towards 3G/UMTS”, Second Edition, John Wiley & Sons, 2003.
[2]. ETSI TS 101 087 V8.10.0 (2005-11), "Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Base Station System (BSS) equipment specification; Radio aspects”
[3]. Don Zelmer," GPRS, EDGE, & GERAN - Improving the performance of GSM & TDMA Wireless by Packet Capabilities”, SUPERCOMM 2001, Atlanta, Georgia, June 2001
[4]. Furuskar, A., Mazur, S., Muller, F., Olofsson, H., "EDGE: Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution," IEE Personal Communications, June 1999.
[5]. Evolution Toward Third Generation Wireless Networks, http://www.cs.wustl.edu/~jain/cis788-99/ftp/3g_wireless/index.html#Section2.0
Các nhà khai thác di động đều đã có một kế hoạch thực thi để nâng cấp mạng GSM của mình lên công nghệ EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution) và/hoặc tiến tới UMTS. Trong lộ trình đó cần phải từng bước đưa vào cấu trúc mạng UMTS nhằm xây dựng một mạng GSM/UMTS tích hợp hiệu quả. Với tốc độ phát triển nhanh của thuê bao cũng như lưu lượng dữ liệu như hiện nay (cả EDGE và UMTS) thì tăng dung lượng mạng là vấn đề rất quan trọng mang tính chất sống còn đổi với các nhà khai thác. Hệ thống truyền dẫn hữu tuyến chiếm phần lớn chi phí vận hành của hầu hết nhà khai thác. Mạng truyền dẫn GSM/GPRS cơ bản dựa trên công nghệ chuyển mạch kênh TDM, trong khi UMTS đòi hỏi một mạng truyền dẫn mới dựa trên IP hoặc ATM.
Bài báo này mô tả tiến trình phát triển của mạng truyền dẫn GSM/UMTS để hỗ trợ EDGE và UMTS, nghiên cứu một cấu trúc tối ưu với trọng tâm là các kỹ thuật nhằm làm giảm sự lãng phí tài nguyên dải thông trên mạng truyền dẫn GSM để tiết kiệm dải thông, tối ưu mạng truyền dẫn di động GSM.
2. Hướng phát triển mạng truy nhập vô tuyến
Mạng truy nhập vô tuyến (RAN) là một phần của mạng di động tế bào, cung cấp các kết nối từ thiết bị đầu cuối của người sử dụng đến mạng lõi thông qua giao diện vô tuyến bằng một mạng truyền dẫn thường được gọi là mạng backhaul di động (xem hình 1).
2.1 Mạng GSM/GPRS
Mạng truyền dẫn trong hệ thống GSM bao gồm các đường truyền giữa mạng lõi GSM và các phần từ mạng hệ thống trạm gốc BSS (Base Station System): BSC (Base Station Controller) và BTS (Base Transceiver Station)
Kết nối giữa BTS và BSC được thực hiện thông quan giao diện Abis, trong khi kết nối giữa BSC và mạng lõi thông qua giao diện A (hình 2).
Quá trình phát triển từ GSM lên 2,5G (GSM pha 2+) được thực hiện bằng cách đưa vào phân hệ GPRS (General Packet Radio Services) nhằm cung cấp các dịch vụ dữ liệu di động chuyển mạch gói, mà theo đó tất cả dữ liệu khi được gửi đi đều bị chia thành các gói nhỏ. Những gói này sau đó được gửi đi một cách riêng rẽ thông qua mạng GPRS với theo các đường khác nhau. Khi đến đích các gói cần được sắp xếp lại. Chính vì lí do này cần phải thêm chức năng mới cho các phân tử mạng GSM để sử dụng hiệu quả giao diện vô tuyến. Bốn kiểu mã hoá (CS1 đến CS4) cung cấp các khả năng: một người có thể sử dụng nhiều hơn một khe thời gian và nhiều hơn một người có thể sử dụng cùng một khe thời gian.
Tuỳ vào kiểu mã hoá và số lượng khe thời gian được sử dụng mà tốc độ tối đa theo lý thuyết có thể lên đến 171.2 kbit/s. Tốc độ thực tế khi triển khai thường đạt khoảng 40 kbit/s, với tốc độ này có thể truy cập Internet. Để cung cấp các dịch vụ GPRS, các phần tử của mạng BSS đã được nâng cấp cần phải được kết nối với hệ thống mạng lõi GPRS. Điều này được thực hiện thông qua giao diện A hiện tại hoặc giao diện Gb.
2.2 Nâng cấp lên EDGE
EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) là một bước phát triển tiếp theo trong trong xu hướng phát triển mạng GSM/GPRS tiến tới 3G. EDGE giới thiệu một phương pháp điều chế mới, 8-PSK (8-Phase Shift Keying), có khả năng hỗ trợ tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao hơn, tăng dung lượng mạng. Cũng giống như GPRS, EDGE cũng có cấu trúc khe thời gian và dải thông sóng mang giống như GSM. EDGE sử dụng chung các phần tử mạng với GPRS. EGPRS cung cấp các dịch vụ dữ liệu gói sử dụng cấu trúc GPRS và kiểu mã hoá và phương pháp điều chế EDGE mới. Để chuyển sang cấu trúc này đòi hỏi phải có một số thay đổi về phần cứng, cũng như cách thích nghi trong cấu trúc báo hiệu ở phía BSS. Có chín kiểu điều chế và mã hoá mới xuất hiện trong cấu trúc EDGE, đó là: MCS-1 đến MCS-9. Trên lý thuyết EGPRS có thể đạt tốc độ tối đa bằng 473.6 kbit/s. Với tốc độ này có thể cung cấp nhiều dịch vụ cao cấp hơn, như dịch vụ video thời gian thưc, truyền hình hội nghị. Kết nối lưu lượng EDGE được thực hiện thông qua giao diện Gb, được cấp phát trên giao diện Abis. Điều này góp phần tối ưu hoá đường truyền backhaul. (xem hình 4).
2.3 Mạng truy nhập UMTS
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) xuất hiện phân hệ truy nhập vô tuyến mới cho các dịch vụ 3G. Dựa trên kỹ thuật truy nhập vô tuyến Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), UTRAN có dải thông rộng hơn, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn cho phép truyền dẫn tốc độ cao trên giao diện vô tuyến. Trong cấu trúc UTRAN xuất hiện phần tử Nút B, tương đương với vai trò của BTS trong cấu trúc 2G, và RNC, đương đương với BSC trong cấu trúc 2G. RNC kết nối với mạng lõi UMTS thông qua một giao diện mới là giao diện Iu. Cấu trúc mạng mới bao gồm hai miền, miền truy nhập vô tuyến GSM/EDGE (GERAN) cung cấp dịch vu chuyển mạch kênh (CS), và miền truy nhập UTRAN cung cấp các dịch vụ chuyển mạch gói. Mục đích có cấu trúc GERAN là để tương thích ngược với cấu trúc GSM/GPRS cũ thông qua giao diện A và Gb (hình 5). Như vậy trong cấu trúc này đòi hỏi có một mạng truyền dẫn mới cho UTRAN. Hướng quan tâm nhất đối với hầu hết các mạng GSM hiện nay là phát triển tiến tới cấu trúc GSM/GPRS tích hợp, và hiệu quả đầu tư và hiệu quả mạng backhaul là quan trọng nhất.
3. Xem xét tính hiệu quả của mạng Backhaul
Tất cả các nhà khai thác dịch vụ di động khi thiết kế và xây dựng mạng truyền dẫn cho các dịch vụ di động đều phải tính toán kỹ lưỡng chi phí mua trang thiết bị và các điều kiện phát sinh. Hầu hết hiện này, các nhà khai thác thường thuê các đường truyền E1, E3 hoặc STM-1 cho các tuyến truyền dẫn từ các ILEC (Incumbent Local Exchange Carriers). Chi phí thuê đường truyền này chiếm một phần rất lớn trong tổng chi phí vận hành. Lưu lượng thoại và dữ liệu tăng đồng nghĩa với dung lượng mạng truyền dẫn phải tăng lên, mà vì vậy chi phí thuê kênh truyền cũng tăng lên.
3.1 Cấu trúc mạng
Hiện nay hầu hết các mạng di động vẫn sử dụng cấu trúc "hình sao” cho mạng backhaul, trong đó mỗi BTS được nối thẳng tới BSC bằng các đường E1. Khi mỗi đường E1 được dùng cho một BTS xác định thì mỗi bộ thu-phát TRX (Transmitter-Receiver) của BTS phải được ấn định một số kênh xác định trên một luồng E1 đã cho. Ưu điểm của cấu trúc sao là dễ dàng triển khai lắp đặt và bảo dưỡng, đặc biệt trong thời gian đầu khi mạng mới triển khai. Tuy nhiên khi số lượng thuê bao tăng, thì chi phí mở rộng mạng cao. Đa số các mạng di động đều được thiết kế và định cỡ trên cơ sở số liệu trong trường hợp xấu nhất, đó là giờ cao điểm, khi nhu cầu lưu lượng ở mức cao nhất. Để đáp ứng yêu cầu về dung lượng, các TRX được ấn định cho mỗi BTS theo mức độ sử dụng trong giờ cao điểm. Ở những khu vực có mật độ cao hơn thì cần trang bị nhiều TRX hơn cho mỗi trạm BTS, và cần nhiều băng thông truyền dẫn hơn để đáp ứng nhu cầu truyền dẫn lưu lượng đó. Ở những khu vực khác, mật độ thấp hơn thì cần phải đảm bảo yêu cầu về vùng phủ, và các nhà khai thác phải thêm các trạm BTS để cung cấp vùng phủ cho tất cả các khu vực (ngoại ô, nông thôn) mặc dù ở một số khu vực hiệu quả sử dụng rất thấp. Điều này dẫn tới tình trạng các kênh lưu lượng của một hệ thống hiếm khi được sử dụng tối đa, và dẫn đến lãng phí tài nguyên mạng.
3.2 Công nghệ truyền dẫn TDM
Một vấn đề khác cần được quan tâm đó là hiệu quả của việc sử dụng công nghệ chuyển mạch TDM cho mạng backhaul. Do ghép kênh cố định của các kết nối TDM cho mỗi và tất các các kênh trên giao diện vô tuyến mà không cần biết có mang thông tin hay không, nên kênh phải được ấn định trên giao diện giao diện Abis. Do đó các nhà khai thác không có cách nào để tận dụng dung lượng còn dư thừa ở những đường truyền rỗi để chia tải cho các đường truyền bận hơn. Kết quả là nhà khai thác vẫn phải thuê thêm luồng E1 cho những BTS ở những khu vực mật độ cao, trong khi băng thông backhaul tới những BTS ở những khu vực mật độ thấp vẫn bị lãng phí.
4. Cải thiện hiệu quả của mạng backhaul
Rõ ràng bước phát triển tiếp theo hướng tới 3G là mạng GSM/EDGE/UMTS kết hợp, trong đó mạng GSM/EDGE sẽ đáp ứng yêu cầu về vùng phủ, trong khi mạng UMTS đáp ứng yêu cầu về dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho những khu vực đông dân cư. Release 99, cũng như Release 4 và 5 UMTS đều yêu cầu công nghệ truyền dẫn là IP hoặc ATM. Do đó, có một cách lựa chọn là xây dựng một mạng backhaul mới bên cạnh mạng backhaul TDM truyền thống. Dĩ nhiên, lựa chọn này là kém hiệu quả và tốn nhiều chi phí đầu tư của các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động. Một giải pháp tốt hơn đó là tích hợp các phần tử mạng backhaul 3G vào trong mạng backhaul 2G truyền thống, tạo ra một mạng backhaul 2G/3G thống nhất và hiệu quả.
4.1 Mạng backhaul 2G/3G kết hợp dựa trên công nghệ ATM
Công nghệ truyền dẫn ATM mở ra một giải pháp tích hợp cho cả thoại và dữ liệu, đảm bảo QoS. Lớp thích ứng ATM 2 (AAL2 - ATM Adaptation Layer 2) được thiết kế để tăng hiệu quả khi truyền thoại nhạy cảm với trễ qua mạng ATM. AAL2 có thể chuyển mạch để làm đầy các tế bào nhanh hơn bằng cách ghép nhiều kênh thoại vào một tế bào ATM. Các dịch vụ dữ liệu như FR (Frame Relay) được sắp xếp hiệu quả vào Lớp thích ứng ATM 5 (AAL5 - ATM Adaptation Layer 5), trong khi các dịch vụ dữ liệu và thoại chuyển mạch kênh TDM truyền thống được hỗ trợ bởi AAL1 CES (Circuit Emulation Service).
4.2 Ghép kênh chéo qua ATM (IMA - Inverse Multiplexing over ATM)
Các đường E1 và E3 thường hay được sử dụng cho mạng truyền dẫn backhaul. Sự khác biệt về dải thông giữa E1 (2 Mbit/s) và E3 (34 Mbit/s) là rất lớn, trong khi các nhà khai thác thường yêu cầu dải thông lớn hơn nhiều lần dải thông của một luồng E1, nhưng nhỏ hơn dải thông của một luồng E3 (thường rất đắt). IMA có thể khắc phục được vấn đề này đó là cung cấp một giải pháp mà theo đó nhiều tuyến E1 song song được ghép thành một kết nối vật lý có dải thông theo yêu cầu. Đó có thể coi là giải pháp cộng dải thông. IMA cũng rất linh hoạt tránh được các hiện tượng ngắt quãng dịch vụ. Nếu một trong những luồng E1 thành phần bị lỗi, việc truyền dẫn vẫn không bị gián đoạn miễn là còn ít nhất một luồng E1 hoạt động. Điều này dẫn đến làm giảm dải thông bị lãng phí trong khi độ tin cậy của dịch vụ toàn bộ mạng lại tăng lên.
4.3 Phối hợp truy nhập
Những thiết bị truy nhập ATM, như cổng phương tiện đa dịch vụ Lucent PacketStar (PSAX) đem đến khả năng tập hợp truy nhập cho một số lượng lớn các luồng E1 TDM, dễ dàng cho các kết nối của giao diện Abis, từ các BTS đến các BSC và hơn nữa là tới MSC. Khi các Nút B và RNC được triển khai thì giao diện Iub và Iu có thể được cùng nối tới các thiết bị phối hợp hợp ATM. Các cổng đa dịch vụ PSAX có khả năng tận dụng các giao diện TDM như là một lớp vật lý cho các tuyến truyền dẫn ATM (xem hình 6). Việc sử dụng ATM qua cùng giao diện TDM tạo ra một kênh vật lý hội tụ, giúp cho dải thông sử dụng ít hơn tổng dải thông cần thiết cho mỗi kênh riêng rẽ. Phương pháp này có thể được xem xét để giảm dải thông cần thiết cho tất cả các giao diện truy nhập như Abis, A, Gb, Iub, Iu.
4.4 Lọc kênh (Channel grooming)
Một biện pháp tối ưu dải thông cho mạng backhaul khác có thể được thực hiện bằng cách phát chọn lựa chỉ những kênh E0 hoạt động trên mạng backhaul. Luồng E1 TDM thường có một số kênh E0 hoạt động và một số kênh E0 không hoạt động phụ thuộc vào thời điểm sử dụng. Dù E0 có hoạt động hay không thì chúng vấn chiếm một dải thông nhất định. PSAX có thể loại bỏ những kênh E0 không sử dụng này. E0 grooming có thể tạo ra hiệu quả phân tập cho các nhà khai thác GSM làm giảm nguy cơ bị lỗi của các luồng E1.
5. Tối ưu dải thông mạng backhaul GSM
Mặc dù GSM đã áp dụng các kỹ thuật mã hóa thoại để giảm tốc độ bít nhưng không phải không còn khả năng tận dụng dải thông. Một phương pháp nữa để tiết kiệm dải thông cho mạng backhaul mà không phải nén chất lượng thoại, đó là nén hoặc loại bỏ thông tin thừa khi truyền thông tin thoại trên giao diện Abis và Ater.
5.1 Sắp xếp kênh thoại trên giao diện Abis /Ater
Giao diện Abis/Ater kết nối TDM bằng các luồng E1 với 32 khe thời gian E0 (hoặc kênh), sử dụng để truyền dẫn cả báo hiệu và lưu lượng tải. 32 kênh này mỗi kênh có tốc độ là 64 kbit/s. Như vậy tổng cộng thông lượng của một luồng E1 là 2.048 Mbps. Các kênh GSM được mã hóa với các tốc độ khác nhau, thông thường là 8 và 16 kbit/s. Trong hầu hết các trường hợp, trên giao diện Abis/Ater thường sử dụng ghép kênh 4:1, theo đó các kênh con 16 kbit/s được sắp xếp vào một kênh E0 64 kbit/s.
Như đã qui định trong tiêu chuẩn GSM, kênh có thể mang thông tin hoặc có thể ở trạng thái nghỉ. Khi thông tin được truyền đi trên giao diện Abis hoặc Ater, nó được truyền dưới dạng các khung với chiều dài cố định là 320 bit (20 ms, 16 kbit/s). Những khung này được gọi là TRAU và chúng mang thông tin thoại, dữ liệu, báo hiệu và điều khiển. Về cơ bản chúng ta có thể chia các khung TRAU thành những loaoị như sau: Khung cho dịch vụ thoại - theo kiểu mã hoá thoại được sử dụng: Khung cho thoại bán tốc và toàn tốc (HR và FR), cho toàn tốc cải tiến (EFR) và chô đa tốc thích ứng (AMR); Khung O&M; Khung dữ liệu và Khung thoại nghỉ. Khi kiểu mã hoá thoại là FR, EFFR hoặc AMR thì các kênh lưu lượng 16 kbit/s được sử dụng. Đối với kiểu mã hoá bán tốc HR thì các kênh lưu lượng 8 kbit/s được sử dụng. Chúng được ghép lại một cách có qui tắc trong những đôi dây để tạo nên kênh 16 kbit/s và kênh này sau đó được sắp xếp trên giao diện Abis. (Hình 7)
5.2 Các phương pháp nén thoại GSM
Các kênh rỗi hoặc các khung thoại rỗi có đặc điểm chung là đều có thể bị loại bỏ ra khỏi những đường truyền dẫn thoại trong mạng backhaul. Điều này có thể dẫn đến một biện pháp giảm tối đa dải thông dư thừa, tiết kiệm chi phí cho các nhà khai thác. Lucent PSAX là một cổng phương tiện đa dịch vụ, hiện đã thương mại hoá, áp dụng hai kỹ thuật nén:
1. Nén kênh rỗi GSM và
2. Nén khung thoại rỗi GSM.
Œ Nén kênh rỗi GSM
Bất kể khi nào không có lưu lượng truyền đi qua giao diện vô tuyến (ví dụ kênh không được ấn định cho cuộc gọi nào, các khung lớp 2 đang được thu, ...), thì một kênh sẽ được coi là rỗi. Trong trường hợp đó, "kênh rỗi” sẽ được gán cho kênh đó trên giao diện Abis. Đặc tính nén kênh rỗi của PSAX phát hiện "kênh rỗi” và loại bỏ chúng khỏi luồng dữ liệu được truyền đi qua giao diện Abis/Ater.
Sử dụng PSAX, truyền dẫn trong mạng RAN được thực hiện bằng ATM do vậy lưu lượng GSM phải được truyền đi trên các tuyến ATM giữa các hệ thống PSAX. Ghép kênh tĩnh ATM được mở rộng với đặc tính nén sẽ tiết kiệm đáng kể dải thông backhaul, trong trường hợp lý tưởng có thể tiết kiệm được 80%. Điều này giúp các nhà khai thác tối thiểu hoá số luồng E1 sử dụng mạng backhaul.
Nén khung thoại rỗi GSM
Theo nguyên tắc một cuộc gọi thông thường thì một người nói 50 % thời gian, trong khi 50% thời gian còn lại là khoảng lặng để nghe người kia nói. Thông tin thoại có thể được truyền đi bằng các khung thoại FR, EFR hoặc AMR, nhưng trong thời gian lặng không có thông tin nào được truyền đi, do đó những khung thoại nghỉ sẽ được tạo ra và truyền đi thay vì các khung FR hoặc EFR. Những khung thoại nghỉ không mang thông tin hữu ích cấn chiếm một dải thông như những khung thoại mang thông tin FR hay EFR. PSAX do các khung thoại nghỉ và nén những khung này lại khi chung được truyền đi trên trung kế ATM và khôi phục lại chúng ở đầu kia của mạng ATM trên giao diện Abis. Điều này góp phần tiến kiệm dải thông truyền dẫn.
Ž Xem xét giảm dải thông truyền dẫn
Mức độ tiết kiệm dải thông của hai giải pháp này thực tế như thế nào phụ thuộc vào cấu trúc mạng, số lượng giao diện E1 được ghép lại với nhau, loại trạm gốc (độ thị mật độ cao, thành phố, nông thôn hay đường giao thông), loại lưu lượng trên mạng và hành vi thoại của người sử dụng ảnh hưởng đến phần trăm khung rỗi. Góp phần làm giảm lãng phí trên giao diện Abis, các phương pháp nén khung thoại nghỉ và kênh nghỉ GSM có ảnh hưởng quan trọng. Lưu lượng Abis không được cấp phát cố định theo các khe thời gian trên giao diện TDM, nó được truyền đi bằng VBR (Variable Bit Rate) ATM AAL2 trên mạng backhaul. Điều này giúp làm giảm dải thông so do có ghép kênh thống kê. Ưu điểm của statistical multiplexing thể hiện rất rõ trong trường hợp ghép lưu lượng trên toàn bộ một vùng. Một vùng thông thường có BTS nằm ở cả khu vực thương mại mật độ cao, khu thành phố, nông thôn và đường giao thông, với các phân bố theo ngày, theo thời gian trong năm, theo trạm gốc không giống nhau. Kết quả thực tế đối với việc ghép lưu lượng vùng cho thấy PSAX đạt được mức tiết kiệm trung bình khoảng 40% so với phương pháp tối ưu tốt nhất với công nghệ TDM.
6. Lựa chọn mạng backhaul
Những nhà khai thác di động GSM đã có giấy phép triển khai UMTS phải quyết định hướng phát triển mạng backhaul của mình. Việc lựa chọn hướng nâng cấp mạng backhaul rất quan trọng, vì nếu định hướng không đúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của mạng và điều này sẽ ảnh hưởng đến doanh thu. Có ít nhất bốn hướng phát triển, và mỗi hướng đều có những ưu nhược điểm của nó:
1. Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho Iub
2. Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với các phân đoạn E1
3. Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS ATM "tiêu chuẩn”
4. Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với PSAX
6.1 Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho Iub
Đây có thể coi là cách làm đơn giản nhất, nhưng cũng là giải pháp rất tốn kém. Những dịch vụ mới và hấp dẫn của UMTS sẽ dần thay thế các dịch vụ GSM, và lưu lượng mạng backhaul UMTS ngày một tăng, từng bước thay thế mạng backhaul không hiệu quả và cạn kiệt tài nguyên của mạng GSM. Tuy nhiên, cách tiếp cận này yêu cầu nhiều dung lượng giao tiếp trên RNC điều này dẫn đến những chi phí đầu tư không hiệu quả. Với những đường kết nối trực tiếp bằng E1, dung lượng của giao diện RNC bằng tổng dung lượng của các giao diện Nút B. Nếu tính tải của mạng thông thường tại giờ cao điểm là 40 % dung lượng thiết kế của trạm gốc (tính trung bình cho các mô hình lưu lượng của các trạm gốc ở khu thương mại, thành phố, nông thôn và đường giao thông), thì RNC có tới 60 % dung lượng giao diện không sử dụng trong trường hợp này.
Ưu điểm:
- Không ảnh hưởng đến mạng backhaul GSM hiện tại.
- Dễ dàng triển khai
Nhược điểm:
- Rất lãng phí dải thông
- "Khai tử” GSM; không có doanh thu từ những khách hàng di chuyển từ GSM sang UMTS – dung lượng dư thừa của mạng backhaul GSM không được tái sử dụng cho mạng UMTS
- Lãng phí giao diện RNC (thông thường khoảng 60%)
6.2 Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với các phân đoạn E1
Theo cách này, chuyển mạch ATM sẽ sử dụng cho cả lưu lượng GSM và UMTS qua các phân đoạn E1 từ các khu vực có lưu lượng thấp. Những khu vực trạm gốc UMTS và GSM có dung lượng cao hơn thì sử dụng các luồng E1 riêng rẽ.
Ưu điểm:
- Những phân đoạn của các luồng E1 không được sử dụng cho mạng GSM sẽ được sử dụng cho lưu lượng UMTS.
- Giao diện ATM STM-1 ATM trên RNC có thể được sử dụng để tối ưu dung lượng giao diện RNC.
Nhược điểm:
- Không áp dụng được cho những khu vực có mật độ cao, có các trạm gốc GSM và UMTS có dung lượng lớn.
- Với tốc độ phát triển của lưu lượng UMTS thì dung lượng của các phân đoạn E1 trở lên không hiệu quả
- Không có lợi thể của ghép kênh thống kê
6.3 Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS ATM
Tất cả lưu lượng của GSM và UMTS đều được truyền thông qua một mạng backhaul ATM, trong đó lưu lượng GSM được truyền qua lớp AAL1 như CES còn lưu lượng UMTS được truyền qua AAL2.
Ưu điểm:
- Cùng một mạng backhaul ATM sử dụng cho cả GSM và UMTS.
- Một mạng backhaul duy nhất sẽ làm đơn giản hóa mạng quản lý, tối ưu chi phí vận hành
- Tận dụng được ưu điểm của ghép kênh thống kê cho lưu lượng của UMTS
Nhược điểm:
- Các kênh GSM được truyền thông qua lớp AAL1 như CES, chiếm băng thông nhiều hơn khoảng 13% so với các kênh TDM, nên việc tăng dung lượng các đường kênh thuê riêng là điều tất yếu.
- Không thể nghép kênh thông kê ATM cho lưu lượng UMTS và GSM – dải thông cho GSM được phân bổ cố định cho các kênh ATM CES
6.4 Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với PSAX
Sử dụng các đặc tính nén thoại GSM trong PSAX, thoại GSM được truyền thông qua AAL2. Thêm AAL2 đối với dịch vụ thoại UMTS và AAL5 đối với dịch vụ dữ liệu GSM/UMTS, việc sử dụng PSAX trong mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS cho phép tận dụng ưu điểm của ghép kênh thống kê, đảm bảo tính tối ưu cao nhất cho dải thông truyền dẫn của mạng backhaul.
Ưu điểm:
- Một mạng bachhaul ATM duy nhất cho cả GSM và UMTS sẽ làm đơn giản hóa mạng quản lý, tối ưu chi phí vận hành
- Statistical multiplexing of GSM and UMTS channels ensures substantial reduction of required transmission bandwidth
- Khả năng nén thoại GSM càng góp phần tiết kiệm dải thông
- Giả quyết hiệu qua vấn đề "khai tử GSM”
- Thuận lợi cho tương lai – truyền dẫn IP trong cấu trúc 3GPP Rel5
7. Kết luận
Các nhà khai thác dịch vụ di động hiện nay đang có xu hướng xây dựng mạng UMTS và khẩn trương nâng cấp mạng GSM hiện tại lên GPRS và EDGE và việc bắt buộc phải làm là tối ưu mạng backhaul để đảm bảo dung lượng cần thiết đáp ứng lưu lượng thoại dữ liệu ngày càng tăng.
Triển khai công nghệ ATM vào trong cấu trúc mạng backhaul hiện tại là giải pháp nhằm xây dựng một mạng backhaul kết hợp cho cả GSM và UMTS, trong đó khối quan trong nhất chính là cổng phương tiện đa dịch vụ PSAX. PSAX cung cấp giải pháp xây dựng một mạng kết hợp cho nhiều giao diện khác nhau.
Giải pháp chọn lọc kênh E0 đưa ra để lựa chọn chỉ phát trên kênh GSM hoạt động và IMA qua các luồng E1 đảm bảo tính linh động của hệ thống tránh hiện tượng gián đoạn dịch vụ, và hơn nữa tối ưu dải thông cho mạng backhaul. Các thuật toán nén kênh rỗi GSM và nén khung thoại rỗi GSM được sử dụng để loại bỏ hiện tượng các khung và kênh rỗi được truyền đi trên giao diện Abis và Ater. Những phương pháp này giúp thông tin giao diện Abis và Ater được truyền đi như là lưu lượng Tốc độ bít thay đổi (Variable Bit Rate) qua mạng ATM, đây là cơ sở cho giải pháp ghép thống kê ATM. Ghép thống kê thoại GSM, thoại UMTS, dữ liệu GPRS/EDGE và UMTS được xem xét để tiết kiệm dải thông cho mạng backhaul.
Tất cả các giải pháp ở trên đưa ra nhằm mục đích chuyển dần mạng truyền dẫn của GSM sang UMTS, tận dụng hạ tầng hiện có, tránh lãng phí tài nguyên và giảm chi phí đầu tư cho các nhà khai thác dịch vụ di động.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Timo Halonen, Javier Romero and Juan Melero, "GSM, GPRS and EDGE Performance – Evolution Towards 3G/UMTS”, Second Edition, John Wiley & Sons, 2003.
[2]. ETSI TS 101 087 V8.10.0 (2005-11), "Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Base Station System (BSS) equipment specification; Radio aspects”
[3]. Don Zelmer," GPRS, EDGE, & GERAN - Improving the performance of GSM & TDMA Wireless by Packet Capabilities”, SUPERCOMM 2001, Atlanta, Georgia, June 2001
[4]. Furuskar, A., Mazur, S., Muller, F., Olofsson, H., "EDGE: Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution," IEE Personal Communications, June 1999.
[5]. Evolution Toward Third Generation Wireless Networks, http://www.cs.wustl.edu/~jain/cis788-99/ftp/3g_wireless/index.html#Section2.0
Đăng nhận xét