Lời nói đầu 10 15 Ngày với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật ngời có nhiều phơng thức khác để trao đổi thông tin Khi mà hệ thông thông tin sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mà CDMA với tên gọi IS-95 đời có nhiều nhợc điểm nhng coi hệ thống CDMA đà thoả mÃm đợc phần nhu cầu củacon ngời Nó đảm bảo sáccủa thông tin với kết nối đợc liên tục yêu cầu bí mật thông tin đợc đáp ứng Do đồ án em trình bày hệ thống thông tin di động có sử dụng kỹ thuật ®a truy nhËp theo m· CDMA nh sau Víi sù cố gắng thân áp dụng kiến thức đà đợc học nh tài liệu sư dơng cïng víi sù tËn t©m híng dÉn cđa thầy giáo Đào Đức kính đến em đà hoàn thành xong đồ án Nhng với khoảng thời gian hạn hẹp đồ án em chắn tránh khỏi sai sót, em momg đợc đạo thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn Hà nội, ngày tháng năm 2006 Sinh viên thực 20 Nguyễn Văn Thụy 25 CHƯƠNG I Tổng quan thông tin di động I tổng quan hệ thống thông tin di động 10 15 I.1 lịch sử phát triển thông tin di động Điện thoại di động đời từ năm 1920, đố điện thoại di động đợc sử dụng nh phơng tiện thông tin đơn vị cảnh sát Mỹ Mặc dù khái miệm tổ ong, kỹ thuật trải phổ, điều chế số công nghệ vô tuyến đại khác đà đợc biết đến 50 năm trớc đây, dịch vụ điện thoại di động mÃi đến đầu năm 1960 suất dạng sử dụng đợc sửa đổi thích ứng hệ thống điều vận Các hệ thông điện thoại di động tiện lợi dung lợng thấp so víi c¸c hƯ thèng hiƯn Ci cïng, c¸c hƯ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) đà xuất vào năm 1980 Cuối năm 1980 ngời ta nhận thấy hệ thống tổ ong tơng tự đáp ứng đợc nhu cầu ngày tăng vào kỷ sau nh không loại bỏ đợc hạn chế cố hữu hệ thống - 20 Phân bố tần số hạn chế, dung lợng thấp - Tiếng ồn khó chịu nhiễu xảy máy di động chuyển dịch môi trờng pha đinh đa tia - Không đáp ứng đợc dịch vụ hấp dẫn khách hàng - Không cho phép giảm đáng kể giá thành thiết bị di dộng sở hạ tầng 25 Không đảm bảo tính bí mật gọi - Không tơng thích hệ thống khác nhau, đặc biệt Châu Âu, làm cho thuê bao sử dụng đợc máy di động nớc khác Giải pháp để loại bỏ hạn chế phải chuyển sang sư dơng kü tht th«ng tin sè cho th«ng tin di động với kỹ thuật đa truy nhập 30 35 Hệ thống thông tin di động số sử duụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) giới đợc đời Châu Âu có tên gọi GSM Ban đầu hệ thống đợc gọi Nhóm đặc trách động theo tên gọi nhóm đợc CEPT Hội nghị quan quản lý viễn thông bu Châu Âu cử để nghiên cứu tiêu chuẩn Sau để tiện cho việc thơng mại hoá GSM đợc gọi Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM đợc phát triển từ năm 1982khi nớc bắc ÂU gửi đề nghị đến CEPT để qui ®Þnh mét dÞch vơ viƠn 10 15 20 25 30 35 thông chung châu ÂU băng tần 900 Mhz Lúc đầu vào năm 1982-1985 ngời ta bàn luận việc nên xây dựng hệ thống số hay tơng tự Năm 1985 hệ thống số đợc định Bớc chọn lựa giải pháp băng rộng hay băng hẹp Năm 1986 kiểm tra trờng đà đợc tổ chức Paris, hÃng đà đua tài với giải pháp Tháng năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đà đợc lựa chọn đồng thời 13 nớc đà đăng ký vào biên ghi nhớ thực quy ®Þnh, nh vËy ®· më mét thÞ trêng di động số có tiềm lớn Tất hÃng khai th¸c ký MoU høa sÏ cã mét hƯ thèng GSM vận hành vào 1/7/1991 Một số nớc đà công bố kết phủ sóng vùng rộng lớn từ đầu, số nớc khác bắt đầu phục vụ bên xung quanh thủ đô Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM đợc đa vào từ năm 1993, đợc công ty VMS GPC khai thác hiệu Mỹ hệ thống AMPS tơng tự sử dụng phơng thức FDMA đợc triển khai vào năm 1980, vấn đề dung lợng đà phát sinh thị trờng di động nh: New york, Los Angeles… Mü ®· cã chiÕn l Mü đà có chiến l ợc nâng cấp hệ thống thành hệ thông số: chuyển tới hệ thống TDMA đợc liên hiệp công nghiệp viễn thông TIA ký hiệu IS-54 Cuối năm 1980 việc trở lên rõ ràng IS-54đà gây thất vọng.Việc khảo sát khách hàng đà cho thấy chất lợng AMPS tốt Rất nhiều hÃng Mỹ lạnh nhạt với TDMA AT&T hÃng lớn sử dụng TDMA HÃng đà phát triển phiên mới: IS -136, đợc gọi amps số (D-AMPS) Nhng không giống nh IS - 54, GSM đà đạt đợc thành công Có lẽ thành công chỗ nhà phát triển hệ thống GSM đà dám thực hi sinh lớn để tìm kiếm thị trờng Châu Âu Châu họ không thực tơng thích giao diện vô tuyến GSM AMPS Nh hÃng Ericsson Nokia trở thành hÃng dẫn đầu sở hạ tầng vô tuyến số bỏ lại hÃng Motorola Lucent Tình trạng đà tạo hội cho nhà nghiên cứu mỹ tìm phơng án thông tin di động số Để tìm kiếm thông tin di động số ngời ta nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mà (CDMA) Công nghệ sử dụng kỹ thuật trải phổ trớc đà có ứng dụng chủ yếu quân Đợc thành lập vào năm 1985, Qualcom, sau đợc gọi thông tin Qualcom đà phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động đà nhận đợc nhiều phát minh lĩnh vực Lúc đầu công nghệ đợc đón nhận cách dè dặt quan niệm tuyền thông vô tuyến thoại đòi hỏi kênh vô tuyến riêng Đến công nghệ đà trở thành công nghệ thống trị Bắc Mỹ Qualcom đà đa phiên CDMA đợc gọi IS-95 Các mạng CDMA thơng mại đà đợc đa vào khai thác hàn Quốc Hồng Công CDMA đà đợc mua đa vào thử nghiệm Achentina , Braxin Chile, Trung quốc Đức ,Thái Lan , pê ru, Philippin, Ixaren, Nhật Bản Tổng Công Ty Bu Chính Viễn thông Việt Nam đà có kế hoạch thử nghiệm CDMA Nhật vào năm 1993, NTT đa tiêu chuẩn thông tin di động số nớc JPD(Japanese Personal Digital Cellular System - HƯ thèng tỉ ong sè cđa NhËt B¶n ) 10 Để tăng thêm dung lợng cho hệ thông thông tin di động, tần số hệ thống đợc chuyển từ vùng 800-900Mhz vào vùng 1,8-1,9Ghz Một số nớc đà đa vào sử dụng hai tần số 15 Song song với phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên, hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nôi hạt sử dụng máy cầm tay không dây số đợc nghiên cứu phát triển Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin DECT (Digital Enhanced Cordless Telecomunications - Viễn thông không dây số tăng cờng) Châu Âu PHS (Personal Handyphone System - Hệ thống máy điện thoại cầm tay cá nhân) Nhật Bản đà đợc đa vào thơng mại 20 Ngoài hệ thống thông tin di động mặt đất, hệ thống thông tin di động vệ tinh: Global Iridium đợc đa vào thơng mại năm 1998 Nh kết hợp hệ thống thông tin di động nói tạo lên hệ thống thông tin di động cá nhân PSC cho phép cá nhân thông tin thời điểm nơi mà họ cần thông tin 25 Để đáp ứng nhu cầu ngày tăng khách hàng dịch vụ viễn thông tiến tới hệ thông thông tin di động hệ đợc gọi hệ thông thông tin di động băng rộng 30 Việt Nam, GPC VMS khai thác mạng thông tin di động số Vinaphone Mobiphone theo tiêu chuẩn GSM Công ty SPT liên doanh với công ty SLD dự kiến đa vào khai thác hệ thống thông tin di dộng theo tiêu chuẩn IS-2000 vào cuối năm2001 35 Ngoài để đáp ứng dịch vụ mơi dịch vụ truyền số liệu, hÃng khai thác dịch vụ thông tin di động Việt Nam nghiên cứu chuyển dần sang thông tin di dộng hệ ba Trớc mắt công nghệ thông tin di động hệ 2,5 đợc đa vào sử dụng hai nhà khai thác mạng Vinaphone Mobiphone đà đa vào mạng họ công nghệ WAP GPRS, SPT sử dụng từ đầu tiêu chuẩn IS - 2000 Các công nghệ cho phép tăng dung lợng truy nhập lên đến 144kbps truy nhập trực tiếp vào mạng Internet I.2 Giới thiệu tổng quan CDMA 10 15 Cho dù nghiên cứu CDMA nhiều năm trớc, nhng kiện quan trọng cho việc ứng dụng CDMA vào thông tin di động mặt đất Đại hội toàn thể lần thứ 14 cuả hội Đồng t vấn Vô tuyến Quốc tế (CCIR) tổ chức vào tháng năm 1978 TOKYO (Nhật Bản) Hội nghị đà xem sét kỹ thuật trải phổ nh kỹ thuật then chốt đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động mặt đất dung lợng lớn Kể từ gặp đà có nhiều nghiên cứu ứng dụng trải phổ thông tin di động mặt đất Phòng nghiên cứu vô tuyến, Bộ bu viễn thông nhật (ngày phòng nghiên cứu thông tin ) đà phát triển hệ thống thực nghiệm cho chuỗi trải phổ trực tiếp DS/SS (Direct Sequence/Spread Sprectrum) nhẩy tần FH (Frequency Hopping) vào năm 1981 thực thí nghiệm vào năm 1981-1986 Kết c¸c thÝ nghiƯm cho thÊy: - Mét m¸y thu Rake tổ hợp đờng trực tiếp đờng tia trễ cách hiệu điều kiện pha đinh chọn tần - Nhẩy tần nhanh FFH có tính chống pha đinh chọn tần cao kỹ thuật có hiệu cao nhiều kết hợp với kỹ thuật sửa lỗi trớc (FEC) 20 Tuy nhiên kết cha thúc đẩy đợc vịêc sử dụng trải phổ vào thông tin di động mặt đất : - Công nghệ thiết bị non trẻ để tạo thiết bị điều khiển công suất nhanh, điều cần thiết để giảm ảnh hởng hiệu ứng không mong mn c¸c hƯ thèng DS/SS 25 - Khã cã thể sản suất đợc tổng hợp FFH - Dung lỵng hƯ thèng sư dơng kü tht trải phổ đợc ớc đoán thấp so với hệ thống chia ô FM tơng tự sử dụng Kết là, phần lớn kỹ s thông tin di động mặt đất kết thúc nghiên cứu hệ thống CDMA vào thập kỷ 80 30 Tuy nhiên vào cuối năm 1980 Qualcomm Inc đa hệ thống DS/ CDMA làm tăng dung lợng hệ thống lên 10 đến 20 lần so với hệ thống điện thoại di động cải tiến (AMPS) Bởi việc tăng dung lợng hệ thống nh hấp dẫn cho hệ thống chia ô nh hệ thống thông tin cá nhân tơng lai, nhiều kỹ s đà bắt đầu nghiên cứu phát triển hệ thống CDMA Khi Qualcomm Inc đa hƯ thèng DS/CDMA, phÇn lín mäi ngêi nghi ngê khả tăng dung lợng hệ thống lên 10 20 lần, hệ thống trải phổ đợc đánh giá không hiệu việc tăng dung lợng hệ thống Các đặc điểm chỉnh giúp nâng cao dung lợng hệ thống là: - Sự đời mạch tích hợp mật độ cao LSI( large scale Integration) điều khiển công suất nhanh với dải động 80dB Mà chập với tỷ lệ mà thấp mà trực giao đợc tổ hợp cách hiệu với kỹ thuật DS/SS để cải thiện độ nhạy máy thu - Chuyển giao mềm mềm hơn, loại kỹ thuật phân tập, đợc sử dụng để cải thiện độ nhậy máy thu nh làm giảm đỉnh xuất thời gian ngắn nhiễu kênh(CCI) việc bù pha đinh sâu - 10 Các mà hoá thoại tốc độ biến đổi đợc sử dụng làm giảm nhiễu kênh thoại tín hiệu, làm giảm CCI - - 15 Phân bố theo sector đợc sử dụng để giảm CCI Vì thế, dung lợng cao hệ thống Qualcomm đợc cho có thích hợp hiệu kỹ thuật DS/SS kỹ thuật khác theo chiến lợc sau: - Loại bỏ nguyên nhân làm hạn chế dung lợng hệ thống điều khiển công suất nhanh,bộ mà hoá thoại tốc độ biến đổi chia ô thành sector phần chiến lợc 20 25 30 35 - Cải thiện độ nhậy máy thu để cải tiến dung lợng hệ thống Mà chập hệ số nhỏ chuyển giao mềm mềm phần chiến lợc Ngoài cải tiến kỹ thuật này, đời DS/CDMA kết kỹ thuật thiết bị đợc phát triển gần đặc biệt mạch tích hợp rÊt lín VLSI( very large scale integration) vµ xư lý tÝn hiƯu sèDSP (Digital signal brocessing) Khi so s¸nh c¸c thiết bị xử lý chung tâm (CPU) năm 1980 với năm 1990 thấy năm 1980 CPU 16 bit, đến năm 1990 đà 64 bit, nhanh gấp 50 lần Với khả nhớ tơng tự nh Năm 1990, dung lợng nhớ gấp 50 lần so với năm 1980 DSP, năm 1980 DSP cha đời, nhng năm 1990 đà có DSP dấu phảy động Công nghệ DSP lực đẩy mạnh cho việc ứng dụng TDMA CDMA cho hệ thống chia ô thực tế chip DSP có thĨ thùc hiƯn c¸c sư lý c¸c tÝn hiƯu phøc tạp, nh cân thích ứng, máy thu Rake, mà hoá thoại, Mỹ đà có chiến lVới tảng kỹ thuật lịch sử, vào năm 1985 ủy ban thông tin liên lạc liên bang mỹ( FCC) đà cấp phép cho việc ứng dựng trải phổ vào thiết bị sử dụng nghành công nghiệp, khoa học Y tế: vô tuyến thông dụng cho cảnh sát Sau vào năm1993, Hiệp hội công nghiệp viễn thông chấp nhận đề nghị hệ thống DS/ CDMA Qualcomm Inc làm chuẩn tạm thời cho hệ thống chia ô số I.3 Cấu trúc chung mô hình hệ thông thông tin di dộng I.3.1 Mô hình tham khảo hệ thông thông tin di ®éng 10 15 Mét hƯ thèng th«ng tin di ®éng bao gåm nhiỊu phÇn tư vËt lý, chóng cã thĨ phần tử riêng rẽ hay đặt với phấn tử lôgic khác Tuy nhiên phần tử phải tơng tác với để kết hợp hoạt động Để tơng tác tin phải đợc phát giao diện hai phần tử Nếu hai phận chức tách biệt giao diện đợc chuẩn hoá nhà cung cấp dịch vụ mua sản phẩm từ nhà sản xuất khác Tuy nhiên cha đảm bảo hoạt động tốt tiêu chuẩn liên kết không bao hàm đợc tất khía cạnh khai thác Phần trình bày phận chức giao diện đà đợc chuẩn hoá phận Mô hình tham khảo hệ thông thông tin di động đợc cho hình 1.2 ISDN SS PSPDN AUC VLR Phân vùng chuyển mạch HLR CSPDN EIR MSC PSTN OSS BSS PLMN BSS BSS BSC BTS BTS Phân vùng trạm gốc MS Truyền dẫn tin tức Kết nối gọi truyền dẫn tin tức Hình 1.2 Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động 10 15 20 25 Các phần tử mô hình tham khảo nh sau: Trạm di động , MS MS (Mobile Station)là thiết bị mà ngời sử dụng thờng xuyên nhìn thấy hệ thống MS thiết bị đặt ô tô hay thiết bị sách tay thiết bị cầm tay Loại thiết bị nhỏ cầm tay thiết bị trạm di động phổ biến Ngoài việc chứa chức vô tuyến chung sử lý cho giao diện vô tuyến MS phải cung cÊp c¸c giao diƯn cho ngêi sư dơng (nh loa, dàn hiển thị, bàn phím để quản lý gọi) giao diện với số thiết bị khác (máy tính cá nhân, Fax Mỹ đà có chiến l) Hiện ng ời ta cố gắng sản xuất thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động Trạm thu phát gốc, BTS Một trạm BTS (Base Tranceiver Station) bao gồm thiết bị phát thu, anten sử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Có thể coi BTS modem vô tuyến phức tạp có thêm số chức khác Một phận quan trọng BTS TRAU (Transcoder/ Adapter Rate Unit- khối chuyển đổi mà tốc độ ) TRAU thiết bị mà trình mà hoá giải mà tiếng đặc thù riêng cho hệ thống thông tin di động đợc tiến hành, đợc thực thích ứng tốc độ trờng hợp chuyển số liệu TRAU lµ mét bé phËn cđa BTS, nhng cịng cã thĨ đặt xa BTS chí nhiều trờng hợp đợc đặt BSC MSC Bộ ®iỊu khiĨn tr¹m gèc, BSC BSC (Base Station Controller) có nhiệm vụ quản lý tất giao diện vô tuyến thông qua lệnh điều khiển từ xa BTS MS Các lệnh chủ yếu lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC đợc nối víi BTS cßn phÝa nèi víi MSC Trong thùc tế BSC tổng đài nhỏ có khả tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu quản lý kênh giao diện vô tuyếnvà chuyển giao Một BSC trung bình quản lý tới vài trăm chục BTS phụ thuộc vào lu lợng BTS BTS kết hợp chung với BSC vào trạm gốc 10 15 20 25 30 35 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động, MSC hệ thống thông tin di dộng chức chuyển mạch đựơc thực MSC (Mobile Serveices Switching Center), nhiƯm vơ chÝnh cđa MSC lµ ®iỊu phèi viƯc thiÕt lËp cc gäi ®Õn c¸c ngêi sử dụng mạng thông tin di dộng Một mặt MSC giao diện với BSC, mặt khác giao diện với mạng MSC làm nhiệm vụ giao diện với mạng đợc gọi MSC cổng (GMSC: Gate MSC) Việc giao diện với mạng để đảm bảo thông tin cho ngời sử dụng mạng thông tin di động đòi hỏi cổng thích ứng IWF(IWF: Inter Working Funtion- Các chức tơng tác) Mạng thông tin di động cần giao diện với mạng để sử dụng khả truyền tải mạng cho việc truyền tải số liệu ngời sử dụng báo hiệu phần tử mạng Chẳng hạn mạng thông tin di động sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số (CCS No 7), mạng đảm bảo hoạt động tơng tác phần tử hay nhiều mạng thông tin di động MSC thích hợp cho vùng đô thị ngoại ô có dân c vào khoảng triệu ngời (với mật độ thuê bao trung bình) Để kết nối MSC với mạng khác cần phải thích ứng đặc điểm truyền dẫn mạng thông tin di động với mạng Các thích ứng đợc gọi chức tơng tác(IWF) IWF bao gồm thiết bị để thÝch øng giao thøc vµ trun dÉn Nã cho phÐp kết nối với mạng: PSPDN (Packet Switched Piblic Data Network- Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói) hay CSPDN (Circuit Switched Public Data Network- Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh), tồn mạng khác đơn PSTN (Public Switched Telephone Network- Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng ) hay ISDN (Integrated Services Digital network- mạng số liên kết đa dịch vụ) IWF đợc thực chức MSC hay thiết bị riêng trờng hợp giao tếip MSC IWF đợc mở Bộ ghi dịch thờng trú, HLR Ngoài MSc mạng thông tin di động bao gồm cở sở liệu Các thông tín liên quan đến việc cung cấp dịch vụ viễn thông đợc lu giữ HLR (Home Location Register) không phụ thuộc vào vị trí thời thuê bao HLR chứa thông tin liên quan đến vị trí thời thuê bao Thờng HLR máy tính đứng riêng khả chuyển mạch có khả quản lý hàng trăm ngàn thuê bao Một chức HLRlà nhận dạng trung tâm nhận thực AUC, nhiệm vụ trung tâm quản lý an toàn số liệu thuê bao đợc phép 10 15 Bộ ghi định vị tạm trú, VLR VLR (Visitor Location Register) sở liệu thứ mạng thông tin di động Nó đợc nối với hay nhiều MSC có nhiệm vụ lu giữ tạm thời số lợng thuê bao thuê bao nằm vùng phục vụ MSC tơng ứng đồng thời lu giữ số liệu vị trí thuê bao nói mức độ xác HLR Các chức VLR thờng đợc liên kết với chức MSC Khai thác bảo dỡng mạng Hệ thống khai thác OS ( Operration system) thực khai thác bảo dỡng tập chung mạng thông tin di động 20 25 30 35 Khai thác hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi mạng nh: tải hệ thống, mức độ chặn, số lợng chuyển giao (hand over) hai ô Mỹ đà có chiến l, nhờ nhà khai thác giám sát đ ợc toàn chất lợng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng kịp thời sư lý c¸c sù cè khai th¸c cịng bao gåm thay đổi cấu hình để giảm đề xuất thiện thời Để chuẩn bị tăng lu lợng tơng lai, tăng vùng phủ Việc thay đổi mạng thực mền qua báo hiệu ( chẳng hạn thay đổi thông số chuyển giao để thay đổi biên giới tơng đối hai ô) thực cứng đòi hỏi can thiệp trờng( chẳng hạn bổ xung thêm dung lợng truyền dẫn hay lắp đặt trạm mới) hệ thống viễn thông đại khai thác thực máy tính đợc tập chung trạm Bảo dỡng có nhiệm vụ phát định vị sửa chữa cè háng hỗc Nã cã mét sè quan hƯ víi khai thác thiết bị mạng viễn thông đại có khả tự phát số cố hay dự báo cố thông qua tự kiểm tra.Trong nhiều trờng hợp ngời ta dự phòng cho thiết bị để thiết bị cố thay thiết bị dự phòng Sự thay thực tự động việc giảm nhẹ cố thực ngời khai thác điều khiển từ xa Bảo dỡng bao gồm hoạt động trờng nhằm thay thiết bị bị sù cè