giải pháp nâng cấp mạng gsm lên thành wcdma (3g)

với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bịthông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụđòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cả cá

MỤC LỤC

Trang Lời nói đầu

Các từ viết tắt

1.1 Giới thiệu chương 6

1.2 Thành phần của mạng GSM 6

1.3 Kiến trúc địa mạng GSM 11

1.4 Kỹ thuật vô tuyến số trong GSM 12

1.5 Quá trình xử lý tín hiệu thoại trong mạng GSM 16

1.6 Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN MẠNG UMTS/WCDMA 2.1 Giới thiệu chương 21

2.2 Giới thiệu về công nghệ WCDMA 21

2.3 Cấu trúc mạng W-CDMA 22

2.4 Các giao diện vô tuyến 25

2.5 Các kỹ thuật sử dụng trong WCDMA 26

CHƯƠNG 3 NÂNG CẤP MẠNG GSM LÊN WCDMA 3.1 Giới thiệu chương 32

3.2 Lộ trình nâng cấp GSM lên WCDMA 32

3.3 Mạng GPRS 33

3.3.1Kiến trúc mạng GPRS 33

3.3.2Mạng Backbone 35

3.3.3Cấu trúc BSC trong GPRS 36

3.3.4Cấu trúc dữ liệu GPRS 37

3.4EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) 38

3.4.1Giới thiệu EDGE 38

3.4.2Kỹ thuật điều chế trong EDGE 38

3.4.3Giao tiếp vô tuyến 39

3.5Kết luận chương 3: 41

CHƯƠNG 4 QUY HOẠCH MẠNG GSM 4.1Giới thiệu chương 43

4.2Khái niêm lưu lượng trong mạng GSM 43

4.3Mô hình truyền sóng vô tuyến 46

4.4Quy hoạch Cell 51

4.5Quy hoạch tần số 56

4.6Kết luận chương 58

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Hình 1-1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM 12

Hình 1-2 Kiến trúc địa lí trong GSM 17

Hình 1-3 Phân bố cell trong GSM 18

Hình 1-4 Phân loại kênh logic 21

Hình 1-5 Quá trình phát và thu tín hiệu tại MS và BTS 22

Hình 1-6 Mã hóa tín hiệu thoại 23

Hình 2-1 cấu trúc mạng UMTS/WCDMA 29

Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK 33

Hình 2-3 Dạng sóng tín hiệu DS/SS 35

Hình 2-4 Kĩ thuật trải phổ DS/SS trong miền tấn số 36

Hình 2-5a Sơ đồ trải phổ DS/SS 37

Hình 2-5b Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu 37

Hình 3-1 các giai đoạn nâng cấp GSM lên WCDMA 38

Hình 3.2 Cấu trúc mạng GPRS 40

Hình 3-4 Cấu trúc dữ liệu GPRS 43

Hình 4-1 Lưu lượng: cần truyền, được truyền, nghẽn 49

Hình 4-2 Xác suất nghẽn GoS 50

Hình 4-3 Các đại lượng trong mô hình Walfish–Ikegami 53

Hình 4-4 Orientation angle 54

Hình 4-5: Lori vesus orientation angle 54

Hình 4-6 Additional rays 55

Hình 4-7 Omni (3600) Cell site 57

Hình 4-8 Sector hóa 1200 57

Hình 4-9 Phân chia Cell 58

Hình 4-10 Các Omni (3600) Cells ban đầu 59

Hình 4-11 Giai đoạn 1 :Sector hóa 59

Hình 4-12 Tách chia 1:3 thêm lần nữa 60

Hình 4-13 Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3) 60

Hình 4-14 Nhiễu đồng kênh với cell lục giác 61

Hình 4-15 Sơ đồ tính C/I 62

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay ,trong mạng viễn thông quốc tế nói chung và mạng viễn thông ViệtNam nói riêng ngày càng phát triển ,cùng với sự phát triền của xã hội thì mạng thôngtin di động có những đóng góp quan trọng không thể thiếu vào hệ thống thông tin liênlạc toàn cầu ,kết nối con người với con người… đáp ứng mọi nhu cầu thông tin ,dịch

vụ phong phú da dạng của xã hội

Thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất vớicon số thuê bao đã đạt đến 3,6 tỷ tính đến cuối năm 2008 Trao đổi thông tin là nhu cầuthiết yếu trong xã hội hiện tại Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con ngườikhả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự,các hệ thống thông tin di động số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hổ trợdịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ thấp Hệ thống thông tin di động động 2G đánhdấu sự thành công của công nghệ GSM Trong tương lai, nhu cầu các dịch vụ số liệu

sẻ ngày càng tăng và có khả năng vượt quá nhu cầu thông tin thoại Hệ thống thông tin

di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm đáp ứng các nhu cầu các dịch vụ số liệu tốc độ caonhư: điện thoại thấy hình, video streamming, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phươngtiện (MMS)…

Đến nay, mạng thông tin di động không ngừng vươn lên và mở rộng hơn nữa đểđáp ứng mọi nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao ,cũng như chất lượng dịch vụcũng đòi hỏi ngày càng tốt hơn… với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bịthông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụđòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera, MP3 vàPDA….nên em quyết định chọn đề tài này

Nội dung đồ án gồm 4 chương :

Chương 1 trình bày tổng quan về mạng GSM , các thành phần mạng GSM ,kiếntrúc mạng ,kỹ thuật vô tuyến số , quá trình xử lí tín hiệu thoại…

Chương 2 trình bày tổng quan mạng UMTS/WCDMA , giới thiệu công nghệ ,cấu trúc mạng , giao diện vô tuyến ,các kĩ thuật sử dụng trong WCDMA

Chương 3 lộ trình nâng câp GSM lên WCDMA , tổng quan mạng GPRS ,EDGE

Chương 4 trình bày quy hoạch mạng GSM , mô hình truyền sóng vô tuyến , quyhoạch cell , tần số

Mặc dù đã cố gắng trong quá trình tìm hiểu và làm đồ án ,nhưng do thời gian cóhạn , đồ án chưa thể đi sâu vào nhiều khía cạnh kĩ thuật khác , còn có nhiều thiếu sót ,mong các thầy cô chỉ bảo , giúp đỡ

Qua đây em xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo TS Nguyễn Văn Cường đã

trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án chuyên ngành viễn thông này

Sinh viên thực hiện

Võ Thanh Sơn

BẢNG TRA TỪ VIẾT TẮT

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộBSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Base Station Subsystem Phân hệtrạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo phân mã

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ dữ liệu cao

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợcổng GPRS

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụvô tuyến gói chung

GSM Global System for Mobile Communications Hệthống GSM

HLR Home Location Register Bộ đăng ký vị trí thường trú

MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch gói

công cộng RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗtrợphục vụGPRS

SMS Short Message Service Dịch vụnhắn tin ngắn

TCP Trasmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền

TDD Time Division Duplex Song công phân thời

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệthống thông tin di động UMTSVLR Visitor Location Register Bộ đăng ký vị trí tạm trú

WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng vô tuyến WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân mã băng rộng

Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG GSM1.1 Giới thiệu chương

Mạng thông tin di động toàn cầu GSM mặc dầu đã được ứng dụng nhiều tuy nhiên

để hiểu rõ thật không đơn giản Ở một chừng mực nào đó ta phải hiểu chức năng của

ba hệ thống cơ bản thuộc phần cứng mạng gồm: Hệ thống chuyển mạch , hệ thống trạmgốc , trung tâm vận hành và bảo dưởng , sau đó là cấu trúc địa lý mạng gồm cell, nhómcell, vùng dịch vụ MSC/VLR… tiếp theo là các liên kết vô tuyến và các quá trình xử lýtín hiệu thoại và cuối cùng là các thủ tục đăng nhập mạng

1.2 Thành phần của mạng GSM

Sơ đồ mô hình của hệ thống GSM được mô ta như hình 1.1 dưới đây

Hình 1-1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM Mạng thông tin di động công cộng mặt đất PLMN theo chuẩn GSM được chiathành 4 phân hệ chính sau:

di động MS Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc sốnhận dạng cá nhân PIN.

1.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS

BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông quagiao diện vô tuyến Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệchuyển mạch SS Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấunối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảodưỡng OSS Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm :

1.2.2.1 Trạm vô tuyến gốc BTS

Một BTS bao gồm các thiết bị thu /phát tín hiệu sóng vô tuyến, anten và bộ phận

mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM vàthiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến Mỗi BTS tạo ramột hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào

1.2.2.2 Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU

Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh

vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn (64 Kb/s) trướckhi chuyển đến tổng đài TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếngđặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trongtrường hợp truyền số liệu TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể được đặtcách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC và MSC

1.2.2.3 Khối điều khiển trạm gốc BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển

từ xa Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao.Một phía BSC được nối với BTS , còn phía kia nối với MSC của phân hệ chuyển mạch

SS Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC làgiao diện Abis

1.2.3 Phân hệ chuyển mạch NSS

NSS trong GSM là một mạng thông minh NSS quản lý giao diện giữa người sử dụng mạng GSM với người sử dụng mạng viễn thông khác, nó bao gồm :

1.2.3.1 Trung tâm chuyển mạch di động MSC

Tổng đài di động MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một sốcác bộ điều khiển trạm gốc BSC MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính,nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao củaGSM, một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao tiếp với mạng ngoàiqua tổng đài cổng GMSC

Chức năng chính của tổng đài MSC

 Tương tác mạng IWF : qua GMSC

1.2.3.4 Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR

EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng diđộng quốc tế IMEI và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị Một ME sẽ có sốIMEI thuộc một trong ba danh sách sau:

vụ đã đăng ký

 Nếu ME thuộc danh sách xám tức là có nghi vấn và cần kiểm tra Danh sách xámbao gồm những ME có lỗi (lỗi phần mềm hay lỗi sản xuất thiết bị) nhưng khôngnghiêm trọng tới mức loại trừ khỏi hệ thống

những ME đã thông báo mất máy

1.2.3.5 Khối trung tâm nhận thực AuC

AuC được nối đến HLR, chức năng của AuC là cung cấp cho HLR các tần sốnhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật Đường vô tuyến cũng đượcAuC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt chotừng thuê bao Cơ sở dữ liệu của AuC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi thuêbao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấpdịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép

1.2.4 Phân hệ khai thác và hỗ trợ (OSS)

Hệ thống khai thác và hỗ trợ được nối đến tất cả các thiết bị ở hệ thống chuyểnmạch và nối đến BSC Nó cung cấp hỗ trợ ít tốn kém cho khách hàng để đảm bảo côngtác bảo dưỡng khai thác tại chỗ OSS có các tính năng chính như sau :

Mục đích chính của OSS là đảm bảo theo dõi tổng quan hệ thống và hỗ trợ các hoạtđộng bảo dưỡng của các cơ quan khai thác và bảo dưỡng khác nhau.

1.3 Kiến trúc địa mạng GSM

Trong mọi mạng điện thoại, kiến trúc địa lý là nền tảng quan trọng để xây dựngquy trình kết nối cuộc thoại đến đúng đích Với mạng di động điều này càng quan trọnghơn do người dùng luôn luôn thay đổi vị trí nên kiến trúc phải có khả năng theo dõiđược vị trí của thuê bao Kiến trúc địa lí trong GSM được biểu diễn như hình 1-2

Hình 1-2 Kiến trúc địa lí trong GSM

1.3.1 Vùng mạng - tổng đài vô tuyến cổng GMSC

Các đường truyền giữa mạng GSM/PLMN và mạng PSTN/ISDN khác hay cácmạng PLMN khác sẽ ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế Tất cả các cuộc gọivào mạng GSM/PLMN sẽ được định tuyến đến một hay nhiều GMSC GMSC làm việcnhư một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN Đây là nơi thực hiện chức năng hỏiđịnh tuyến cuộc gọi cho các cuộc gọi kết cuối di động Nó định tuyến các cuộc gọi đếnđích nhận cuối cùng của chúng là các thuê bao di động bị gọi

1.3.3 Vùng định vị

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị Vùng định vị

là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR mà ở đó trạm di động có thể di chuyển tự do

mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định

vị này Trong vùng định vị một thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm thuêbao di động bị gọi Vùng định vị có thể có một số ô và phụ thuộc một hay vài BSCnhưng nó chỉ phụ thuộc một MSC/VLR

1.3.4 Cell

Vùng định vị được chia thành một số ô Ô là vùng bao phủ vô tuyến được mạng định danh bằng nhận dạng ô toàn cầu CGI Trạm di động tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC

Error: Reference source

1.4 Kỹ thuật vô tuyến số trong GSM

1.4.1 Phương pháp đa truy cập trong GSM

Hiện nay, GSM sử dụng 2 phương pháp truy cập kênh vật lý :

số khác nhau

thời gian khác nhau

GSM sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy cập là FDMA và TDMA Dải tần

890 – 915MHz được sử dụng cho đường lên và 935 – 960MHz cho đường xuống(GSM 900)

Truyền dẫn vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm Burst (chứa 156 bit:là một đơn vị phát của GSM) Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian 577μs ở trong s ở trong một kênh tần số có độ rộng 200 Khz nói trên Mỗi một kênh tần số cho phép tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ TS0 đến TS7

1.4.2 Giao tiếp vô tuyến

Giao tiếp vô tuyến là khái niệm chỉ cấu trúc truyền dẫn giữa trạm di động và trạm thu phát gốc Mỗi kênh được đặc trưng bởi một tần số (sóng mang) gọi là kênh tần số RFCH (Radio chanel) cho mỗi hướng thu phát và được gán cho một khung thời gian trong TDMA để truyền dẫn thông tin theo hai hướng Như vậy ta có tổng số kênh ở GSM 900 là 124 tần số sóng mang cùng với 8 khe cho ra 992 kênh

Một cặp RFCH (thu và phát) tại một khe thời gian được gọi là một kênh vật lý Một kênh nhìn theo quan điểm nội dung tin tức được gọi là kênh logic Các kênh logic được sắp xếp lên các kênh vật lý theo một nguyên tắc nhất định

1.4.3 Kênh vật lý

Kênh vật lý tổ chức theo quan niệm truyền dẫn Đối với TDMA GSM, kênh vật

lý là một khe thời gian ở một tần số sóng mang vô tuyến được chỉ định

Dải tần số: 890  915 MHz cho đường lên uplink

935  960 MHz cho đường xuống downlink

Dải thông tần của một kênh vật lý là 200KHz Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng200KHz (mỗi biên 100KHz)

Ful (n) = 890,0 MHz + (0,2 MHz) * n

Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz (1.1) Với 1  n  124

Các kênh từ 1 ÷ 124 được gọi là các kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN(Absolute Radio Frequency Channel Number) Kênh 0 là dải phòng vệ.

Vậy GSM 900 có 124 tần số bắt đầu từ 890,2MHz Mỗi dải thông tần là một khungTDMA có 8 khe thời gian Như vậy, số kênh vật lý ở GSM 900 là sẽ 992 kênh

Hệ thống GSM nguyên thủy được mở rộng mỗi bằng tần thêm 10 MHz (tươngđương 50 kênh tần số) thì được gọi là EGSM :

Dải tần số: 880  915 MHz dành cho đường uplink

925  960 MHz dành cho đường downlink

Dải thông tần của một kênh vật lý là 200KHz Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng200KHz (mỗi biên 100KHz)

Ful (n) = 880 MHz +(0,2 MHz)*n

Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz (1.2) Với 1  n  174

Các kênh từ 1 ÷ 174 được gọi là các kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN Kênh

0 là dải phòng vệ

DCS 1800 có số kênh tần số tăng gấp 3 lần so với GSM 900

Dải tần số: 1710  1785 MHz dành cho đường uplink

1805  1880 MHz dành cho đường downlink

Ful (n) = 1710MHz + (0,2 MHz)*(n - 511)

Fdl (n) = Ful (n) + 95 MHz (1.3) Với 512  n  885

1.4.4 Kênh logic

Kênh logic được tổ chức theo quan điểm nội dung tin tức, các kênh này được đặt

vào các kênh vật lý Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS vàMS

Có thể chia kênh logic thành hai loại tổng quát: các kênh lưu lượng TCH và các kênhbáo hiệu điều khiển CCH

Hình 1-4 Phân loại kênh logic

a Kênh lưu lượng TCH có hai loại TCH/F (Bm) và TCH/H (Lm)

b Kênh điều khiển CCH (Dm)

BCH bao gồm BCCH, SCH, FCCH

xuống, để yêu cầu thiết lập kênh riêng hoặc tìm gọi MS Bao gồmRACH, PCH, AGCH

xuống, dùng để trao đổi bản tin báo hiệu, phục vụ cập nhật vị trí, đăng ký

và thiết lập cuộc gọi, phục vụ bảo dưỡng kênh Kênh DCCH gồm:SDCCH, SACCH, FACCH

1.5 Quá trình xử lý tín hiệu thoại trong mạng GSM

Hình 1-5 Quá trình phát và thu tín hiệu tại MS và BTS

1.5.1 Chuyển đổi A/D

Biến đổi tín hiệu thoại tương tự từ microphone sang tín hiệu PCM đều 13

bit/mẫu, tần số lấy mẫu 8 kHz để đưa đến bộ mã hoá

1.5.2 Mã hoá tín hiệu tiếng nói

Để có thể cho ra tín hiệu tiếng nói 13kbps, bộ mã hoá tiếng nói này dựa trênnguyên lý mã hoá phân tích - bằng cách -tổng hợp (Analysis -by-synthesis) thông quaviệc sử dụng phương pháp mã hoá dự đoán tuyến tính kích thích xung đều RPE-LPC.Sau đó tín hiệu này được đưa đến bộ mã hoá kênh

1.5.3 Mã hoá kênh

Mã hoá kênh truyền thêm các bit dư vào vòng dữ liệu, để bên thu có thể pháthiện và sửa lổi bit sinh ra trong quá trình truyền Thuật toán mã hoá tiếng nói đưa ramột khối 260 bits mỗi 20ms.(tương ứng tốc độ 13kps)

Bộ mã hoá kênh thêm 3 bits parity vào mỗi 50 bít rất quan trọng (mã hoákhối) tạo thành 53 bít , 53 bít này cộng thêm 132 bít quan trọng và 4 bít đuôi tiếp tụcđược mã hoá chập thành 378 bít (bộ mã chập với tỷ lệ 1/2 ) Sau đó 378 bit này cộngvới 78 bit còn lại thành khung tiếng nói 456 bit mỗi 20ms tương ứng 22.8kbps.Khungtiếng nói 456 bit này tiếp tục được đan xen.Error: Reference source not found Hình1-6 Mã hóa tín hiệu thoại

1.5.4 Tạo loạn

Các lỗi bit thường xuất hiện thành chùm lỗi.Nhưng mã hoá kênh chỉ phát hiện

và sửa lỗi các bit đơn và các chùm lỗi ngắn.Phương pháp đan xen được sử dụng để loại

bỏ vấn đề này bằng cách tách các bit liên tiếp và truyền một cách không liên tiếp

Sau khi lập mô hình kênh ta sẽ phải tạo ra tất cả các chuỗi bit có thể có rồi đưachúng qua mô hình kênh chuỗi đầu vào mà từ đó nhận được chuỗi đầu ra giống nó nhấtgọi là chuỗi nguyên thuỷ hay chuỗi phát Theo quy định của GMS, một bộ cân bằngcần có khả năng xử lý một tín hiệu phản xạ trễ đến 14,8 micro giây tương ứngvới thờigian của 4bit Lúc này tín hiệu phản xạ lợi dụng để đạt hiệu quả thu cao hơn Vậy vớicác tín hiệu phản xạ trễ dưới 15s nó cho ta thêm năng lượng để cải tạo tín hiệu thu Trên thực tế độ dài chuỗi N thường lớn lên phải được thực hiện nhiều so sánh vàmất nhiều thời gian tính toán gây một sự chậm trễ không cho phép Để khắc phục khókhăn này người ta phải sử dụng đến thuật toán Viterbi mà ở đó không cần phải thử tất

cả các chuỗi Nguyên lý là khi tính toán ta loại bỏ các tổ hợp không có khả năng là tínhiệu vào nhờ đó giảm được số lượng tính toán cần thiết

1.5.7 Điều chế

tối ưu Kênh

GSM sử dụng phương pháp điều chế khóa dịch pha cực tiểu Gauss GMSK Phươngpháp điều chế này thỏa mãn được các yêu cầu đặt ra :

kênh lân cận nhỏ hơn 60 – 80 dB trong các kênh yêu cầu Điều này là cần thiết để tránhnhiễu các kênh lân cận gây ra trong quá trình truyền lan

trường cũng như tạp âm nhiệt và nhiễu Vì thế yêu cầu công suất máy phát phải thấp

cải thiện hiệu quả tầng mang nhiều tần số : Yêu cầu này cần thiết để cho phép thâmnhập bất cứ kênh vô tuyến nào được ấn định Bộ tổng hợp tần số khóa pha với tần sốtrung tâm có thể lập trình được thường được sử dụng cho mục đích này

với bộ lọc thông dải vuông Gaussian.GMSK cung cấp một băng thông hẹp hơn MSKbình thường ,nhưng sức chống nhiễu tốt hơn

GMSK là phương pháp điều chế băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha,thực hiện bằng cách nối dây chuyền một bộ lọc Gauss và bộ điều chế MSK MSKchính là phương pháp điều chế FSK liên tục (CPFSK) trong trường hợp hệ số điều chếbằng 0.5

FSK là phương pháp điều tần, nó biến đổi thông tin thành các tín hiệu tần sốtrong sóng mạng, sau đó truyền đi Có thể sử dụng bộ VCO để thực hiện FSK

Để thiết lập một cuộc gọi đi hay nhận một cuộc gọi đến cần phải tiến hành

nhiều thủ tục báo hiệu khác nhau và cần sử dụng nhiều kênh truyền cho cả đường lên

và đường xuống Mạng GSM có hai loại kênh truyền cơ bản được sử dụng đó là kênhlưu lượng TCH –Traffic Channel và kênh điều khiển CCH-Control Channel

Kênh lưu lượng dùng để mang âm thoại và dữ liệu TCH sử dụng 26 khung đakhung (nghĩa là một nhóm 26 khung TDMA)

Kênh điều khiển có thể truy cập ở cả chế độ nghỉ và chế độ dành riêng Cáckênh điều khiển sử dụng ở chế độ nghỉ trao đổi thông tin báo hiệu cần thiết để chuyểnqua chế độ dành riêng Di động đã ở trong chế độ dành riêng giám sát các trạm gốcxung quanh để trao tay (handover) và các thông tin khác

Khi một thuê bao không ở trạng thái gọi, nó sẽ quét 21 kênh thiết lập trên tổng số 416kênh Sau đó nó chọn một kênh mạnh nhất và khóa ở kênh này Sau 60s quá trình tựđịnh vị được lặp lại

Khi thuê bao bật lên, thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển Sau đó,thiết bị đo cường độ của tín hiệu từ các kênh và ghi lại Cuối cùng chuyển sang kết nốivới kênh có tín hiệu mạnh nhất

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 đã tìm hiểu một cách tổng thể về mạng GSM như :cấu trúc mạng , các

kỹ thuật vô tuyến số trong GSM, về các thủ tục đăng nhập hệ thống

Từ đó nhận ra rằng Mạng GSM ngoài những ưu điểm mà nó mang lại, thì còn ẩnchứa nhiều hạn chế mà trong đó có 2 yếu tố rất quan trọng đó là tốc độ thông tin mớichỉ đạt 9.6kbps Và mạng mới chỉ dừng lại ở mức đáp ứng nhu cầu về thông tinthoại.Cho nên Việc nâng cấp mạng GSM lên 3G là điều tất yếu Nhưng có nhiều conđường để tiến tới 3G Đối với Việt Nam chúng ta có thể lựa chọn con đường thích hợp

đó là nâng cấp từng bước GSM/GPRS/EDGE/WCDMA.

Không phủ nhận hoàn toàn cở sở hạ tầng sẵn có , từ đó tiết kiệm chi phí khá lớn,

và còn vì chúng ta không thể tiến thẳng lên 3G ngay đựơc vì vấn đề cấp phép về phổtần

Chương 2 TỔNG QUAN MẠNG UMTS/WCDMA2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ giới thiệu về hệ thống thông tin di động UMTS/WCDMATìm hiểu cấu trúc mạng ,các giao diện vô tuyến , cũng như các kĩ thuật sử dụng trongWCDMA để đáp ứng nhu cầu ngày cao của người sử dụng mà các thế hệ mạng trướckhông có được Trong hệ thống thoong tin di động thứ 3 , các kênh cũng được mởrộng so với mạng GSM , và cũng được đề cập trong chương này

2.2 Giới thiệu về công nghệ WCDMA

Thế hệ di động thứ nhất là hệ thống di động tương tự Hệ thống số, GSM, PDC, CDMAOne(IS-95), là thế hệ di động thứ hai Những hệ thống với ứng dụng của truyền thông tiếng nói Nhưng khi số khách hàng tăng lên, những ứng dụng đòi hỏi dung lượng cao lớn hơn thì các thế hệ này không đáp ứng được Do đó, thế hệ di động thứ 3

đã ra đời, với thiết kế để phục vụ truyền thông đa phương tiện

WCDMA có các đặc điểm cơ bản:

Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit cao(lên đến 2 Mbps)

Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc độ dữliệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập

Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục Mỗi người sử dụng cung cấp mộtkhung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ có thể thay đổi từkhung này đến khung khác

Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD Trong mô hình FDD sóng mang 5MHz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hình TDD sóng mang 5MHz chia xẻ theo thời gian giữa đường lên và đường xuống

WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát triểncác trạm gốc vừa và nhỏ.

WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênh hoa tiêu, do

đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ

WCDMA được thiết kế dễ dàng nâng cấp hơn các hệ thống CDMA như tách sóng đangười sử dụng, sử dụng anten thông minh để nâng cao dung lượng và vùng phủ

WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dunglượng của mạng

Lớp vật lý mềm dẻo dễ thích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang

Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến

Hệ thống không cho phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiệncho các kỹ thuật chống nhiễu các môi trường làm việc khác nhau

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độbit lên đến 2 Mbps Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và khôngđối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm Với khả năng đó, các hệ thốngthông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dễ dàng các dịch vụ mới như: điện thoạithấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác

W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này chophép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM

2.3.2 Mạng vô tuyến mặt đất UTRAN

Mạng vô tuyến mặt đất UTRA bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS

(Radio Network Subsystem) Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC vàcác node B

- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.

- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN

2.3.2.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC

Là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của UTRAN RNCđiều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc ngẽn cho các ô củamình Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì cácRNC này sẽ có hai vai trò logic riêng bịêt

nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng dụngmạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ mạng lõi SRNC cũng là kết cuối báohiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến Nó thực hiện xữ lý số liệu truyền từ lớp kếtnối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến SRNC cũng là CRNC của một node Bnào đó được sử dụng để MS kết nối với UTRAN

các ô được MS sử dụng Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân tập vĩ

mô DRNC không thực hiện xữ lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ địnhtuyến số liệu giữa các giao diện IUb và IUr Một UE có thể không có hoặc cómột hay nhiều DRNC

2.3.2.2 Node B

Thực hiện xử lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích

như điều khiển công suất vòng trong Về phần chức năng nó giống như trạm gốc củaGSM.

2.3.3 Mạng lõi CN

Sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GSM/GPRS

2.3.4 Các mạng ngoài

- Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh

- Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói

2.4 Các giao diện vô tuyến

Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng

mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic Cấu trúc giao diện được xây dựngtrên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với nhau, điều này cho phépthay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần còn lại

2.4.1 Giao diện UTRAN – CN, I U

kiểu : Iu CS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh và Iu PS để kết nốiUTRAN với chuyển mạch gói

2.4.2 Giao diện RNC – RNC, I Ur

này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trong quá trình phát triển

chức năng sau :

- Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC

- Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng

- Hỗ trợ kênh lưu lượng chung

- Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu

2.4.3 Giao diện RNC – Node B, I Ub

từng kiểu kênh truyền tải Các chức năng chính của IUb :

- Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến đầutiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng

- Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vô tuyến

- Xử lý các kênh riêng và kênh chung

- Xữ lý kết hợp chuyển giao

- Quản lý sự cố kết nối vô tuyến

2.5 Các kỹ thuật sử dụng trong WCDMA

2.5.1 Mã hóa kênh

2.5.1.1 Mã vòng

Mã vòng là loại mã được sử dụng rộng rãi trên các kênh truyền nối tiếp bit để phát

hiện lỗi trong mã vòng , một tập bit kiểm tra được tính toán cho mỗi khung tin dựa vào nội dung khung , sau đó được gắn thêm vào đuôi khung để truyền đi bên thu thực hiện tính toán tương tự như bên phát để phát hiện lỗi Các bít kiểm tra được gọi là dãy kiểm tra khung FCS [4]

2.5.1.2 Mã xoắn

Mã xoắn cũng có n đầu ra, k đầu vào như mã khối (n,k) nhưng n đầu ra của mã

xoắn phụ thuộc không chỉ vào k đầu vào tại thời gian đó mà còn phụ thuộc vào m khối bản tin trước đó Mã xoắn (n,k,m) được xây dựng bởi mạch dãy Mạch này dùng thanh ghi dịch m bit làm bộ nhớ, các đầu ra của các phần tử nhớ được cộng với nhau theo quyluật nhất định để tạo nên chuổi mã , sau đó các chuổi này được ghép xen với nhau để tạo nên chuổi mã đầu ra

2.5.1.3 Mã Turbo

Mã Turbo chỉ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba khi hoạt

mã hóa turbo thực chất là bộ mã xoắn móc nối song song PCCC (Parallel Concatenated

Convolutional Code) với các bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái được sử dụng

2.5.2 Điều chế BPSK và QPSK

2.5.2.1 Điều chế BPSK

và s2(t) được sử dụng để biểu diễn các giá trị nhị phân Ta có

Trong đó : T b : Độ rộng băng thông.

E b : Năng lượng của một bit.

 t : Góc pha thay đổi theo tín hiệu điều chế  là góc pha ban đầu  t i 1  , 0 t T b,i  1 , 2

2.5.2.2 Điều chế QPSK

Tín hiệu điều chế QPSK có dạng:

Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK

Tín hiệu nhị phân R

b = 1/T

c b

f T

b

E

2 cos

2

NRZ

T t i

t f T

E t

QPSK

; 0 , 0

0 , 4 1 2

2 cos 2 )

(2.2)Trong đó

E b : Năng lượng một bit T b : Thời gian một bit.

E = 2E b : Năng lượng tín hiệu phát đi trên một ký hiệu.

T = 2T b : Thời gian của một ký hiệu f c : Tần số sóng mang

Biến đổi lượng giác ta có phương trình dạng tương đương như sau :

T t t f i

T

E t

QPSK

; 0 , 0

0 , 2 cos 4 1 2 cos 2

Q

T t t f T

t Q

0 , 2 sin 2

4 1 2 sin 2

Q

i E

Trong thê hệ di động thứ 3, để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truycập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cậpCDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ

Có ba kiểu hệ thống trải phổ cơ bản:

oTrải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence Spreading Spectrum)

oTrải phổ kiểu nhảy tần (FH/SS: Frequency Hopping Spreading Spectrum)

oTrải phổ nhảy thời gian (TH/SS: Time Hopping Spreading Spectrum)

Trong W-CDMA với băng tần 5MHz thì chỉ tồn tại duy nhất phương thức trải phổ

đến kỹ thuật trải phổ DS/SS

2.5.3.1 Trải phổ DS/SS ở máy phát

chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản tin

Tín hiệu sau khi nhân có tốc độ bằng tốc độ chip Dạng sóng của các tín hiệukhi =15 như sau :

Hình 2-3 Dạng sóng tín hiệu DS/SSTrong hệ thống thông tin trải phổ , độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng,thông thường hàng trăm lần trước khi được phát Do đó, WCDMA có thể chốnglại các nhiễu cố ý và vô ý, hạn chế và làm giảm hiệu ứng đa đường truyền, chia sẻcùng dãy tần số với nhiều người sử dụng và có tính bảo mật cao

Hình 2-4 Kĩ thuật trải phổ DS/SS trong miền tấn số

2.5.3.2 Giải trải phổ DS/SS ở máy thu

Xét một hệ thống gồm K người sử dụng được xây dựng trên cơ sở

CDMA, thì sau trải phổ các người sử dụng này sẽ phát vào không gian tập các tín hiệunhư sau:

(2.6)

Ta xét qua trình xử lý tín hiệu này tại một máy thu k Nhiệm vụ của máy thu này

kênh vì trong hệ thống CDMA chúng được phát trên cùng một tần số với xk) Nhân

(2.7)

Thành phần thứ nhất trong (2.2) chính là tín hiệu hữu ích, còn thành phần thứhai là nhiễu của các người sử dụng còn là nhiễu của các người sử dụng khác đựơc gọi

là MAI Để loại bỏ thành phần thứ, hai máy thu sử dụng bộ lọc tương quan trong miềnthời gian kết hợp với bộ lọc tần số trong miền tần số như hình

Xét quá trình giải trải phổ và lọc ra tín hiệu hữu ích tại máy thu k trong một hệthống CDMA có K người sử dụng với giả thiết công suất phát từ K máy phát như nhautại đầu vào máy thu k Hình 2.5b phổ của tín hiệu này sau giải trải phổ tại máy thu k

Hình 2-5a Sơ đồ trải phổ DS/SS