giao diện vô tuyến trong hệ thống utms

KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 MÔN THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỀ TÀI: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG UTMS SINH VIÊN: LÊ THANH TÙNG VŨ VĂN VÕ LỜI NÓI ĐẦU Ngày này thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,6 tỷ tính đến cuối năm 2008. Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera,MP3 và PDA. Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày các trở nên phổ biến này, nhu cầu 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết.ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba với tên gọi IMT-2000 để đạt được các mục tiêu chính sau đây: Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập internet nhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ này. Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện nay. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và CDMA-2000 đ ã đ ư ợ c IT U ch ấ p thuận và đã được đưa vào hoạt động. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin động thế hệ ba BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 1 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 Để phục vụ việc học tập môn thông tin di động nhóm em nhận đề tài nghiên cứu về giao diện vô tuyến của hệ thống UTMS. Bài bào cáo của em gồm các phần chính: ◊ Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA ◊ Chương 2: Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống WCDMA ◊ Chương 3: Giao diện vô tuyến của mạng WCDMA UMTS BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 2 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA 1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN THẾ HỆ 4G Trong quá trình phát triển của mình, các công nghệ thông tin di động được chia thành các thế hệ: Thứ nhất, thứ hai, thứ ba và thứ tư; được viết tắt là 1G, 2G, 3G và 4G. 1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Hệ thống thông tin di động thế hệ một (1G) sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người sử dụng. Đa truy nhập phân chia theo tấn số là phương thức truy nhập mà trong đó mỗi kênh dành cho người sử dụng được cấp phát một tần số cố định, không trùng với các kênh người dùng khác nhờ phân chia phổ tần số thành nhiều đoạn riêng biệt. Một số hệ thống FDMA điển hình là: -Hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone Servise – Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng trên toàn nước Mỹ. - NMT (Nordic Mobile Telephone System – Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu) - TACS (Total Access Communication System – Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ) Tuy nhiên, thông thường các công nghệ 1G thường được triển khai tại một số nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế. Không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 3 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 dùng về dung lượng và tốc độ. Chính vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ hai được đưa ra giới thiệu. 1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai -Khác với thế hệ thứ nhất, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) được thiết kế để triển khai quốc tế, các thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương thích, khả năng chuyển mạch phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên các kênh vô tuyến. -Hệ thống 2G sử dụng hai phương pháp đa truy nhập: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). -Một số hệ thống trong mạng 2G điển hình là: GSM (Global for System Mobile Communications - Hệ thống thông tin di động toàn cầu), cdma One, ngoài ra còn một số hệ thống khác đó là: iDEN, D-AMPS, GPRS (2,5G), HSCSD và WiDEN. 1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba - Để đáp ứng yêu cầu phát triển dung lượng mạng, tốc độ (tốc độ dịch chuyển dữ liệu) và những ứng dụng đa phương tiện, chuẩn 3G bắt đầu được đưa ra. Những hệ thống trong chuẩn này là sự phát triển tuyến tính của hệ thống 2G, chúng dựa vào hai cơ sở hạ tầng chính cùng tồn tại song song đó là những node chuyển mạch kênh và những node chuyển mạch gói. * Một hệ thống thông tin di động là 3G nếu nó đáp ứng một số yêu cầu được ITU đề ra như sau: - Hoạt động trong một trong số các tần số được ấn định cho các dịch vụ 3G. - Phải cung cấp các dịch vụ số liệu mới cho người sử dụng bao gồm cả các dịch vụ đa phương tiện, độc lập với các công nghệ ở giao diện vô tuyến. BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 4 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 - Phải hỗ trợ truyền dẫn số liệu di động tại 144 kbps cho người sử dụng di động tốc độ cao và truyền dẫn số liệu lên đến 2 Mbps cho người sử dụng cố định hoặc tốc độ thấp. - Phải cung cấp các dịch vụ số liệu gói. - Đảm bảo tính độc lập của mạng lõi với giao diện vô tuyến. Một số hệ thống 3G: UMTS (WCDMA), CDMA2000&1xEV-DO, iS865, TD-SCDMA; 3,5G: UMTS (HSPA). 1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư Việc triển khai tại một số nước đã chỉ ra một vài vấn đề mà 3G chưa giải quyết được hoặc mới chỉ giải quyết được một phần là: Sự khó khăn trong việc tăng liên tục băng thông và tốc độ dữ liệu để thỏa mãn nhu cầu ngày càng đa dạng các dịch vụ đa phương tiện, các dịch vụ khác nhau với nhu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) và băng thông khác nhau. - Sự giới hạn của giải phổ sử dụng. - Dù có sự thỏa thuận về các khả năng chuyển vùng toàn cầu nhưng do tồn tại những chuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trong việc chuyển vùng (roaming) giữa các môi trường dịch vụ khác biệt trong các băng tần số khác nhau. - Thiếu cơ chế chuyển tải “liền mạch” giữa đầu cuối với đầu cuối khi mở rộng mạng con di động với mạng cố định. Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G, để hướng tới mục tiêu tạo ra một mạng di động có khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại, truyền dữ liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia tại mọi nơi, mọi lúc; do vậy mạng di động thế hệ thứ tư (4G) đã được đề xuất nghiên cứu và hứa hẹn những bước triển khai đầu tiên. Cơ sở hạ tầng cho 4G sẽ chỉ là gói (all-IP) BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 5 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 - Những kỹ thuật đang được xem xét như pre-4G là Wimax, WiBro, iBurst, 3GPP Long Term Evolution và 3GPP2 Ultra Mobile Broadband. 1.2 KIẾN TRÚC CHUNG MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1.2.1 Công nghệ WCDMA WCDMA (Wideband CDMA) là một công nghệ phát triển của GSM để tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu bằng cách sử dụng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ thứ ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bít thấp và trung bình. BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 6 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 * Một số đặc điểm của WCDMA: - Là hệ thống đa truy nhập 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 dữ liệu 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 được cung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác. - Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD. Trong mô hình FDD sóng mang 5 Mhz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hình TDD sóng mang 5 Mhz chia sẻ 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 triển các 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 tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dung lượng của mạng. - Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang. - Hệ số tái sử dụng bằng 1. - Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến. 1.2.2 Tổng quan hệ thống UMTS -Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được xây dựng với mục đích cung cấp cho một mạng di động toàn cầu với các dịch vụ phong phú bao gồm thoại, nhắn tin, internet và dữ liệu băng rộng. BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 7 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 - Tại Châu Âu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đã được tiêu chuẩn hóa bởi học viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI: European Telecommunications Standard Institute) phù hợp với tiêu chuẩn ITM-2000 của ITU (InternationalTelecommunication Union). - Hệ thống có tên là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). UMTS được xem là hệ thống kế thừa của hệ thống GSM, nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển của các dịch vụ di động và ứng dụng internet với tốc độ truyền dẫn lên tới 2 Mbps và cũng cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu. - UMTS được phát triển bởi Third Generation Partnership Project (3GPP) là dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩn hóa (SDO) như: ETSI (Châu Âu), ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và CWTS (Trung Quốc). - Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dùng cho hệ thống UMTS: + 1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD (Frequency Division Duplex: Ghép kênh theo tần số) đường lên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5MHz. + 1900 ÷ 1920 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD (Time Division Duplex: Ghép kênh theo tần số), khoảng cách kênh là 5MHZ. + 1980 ÷ 2010 MHz và 2170 ÷ 2200 MHz: Đường xuống và đường lên vệ tinh. BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 8 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 1.2.3 Kiến trúc chung của một mạng WCDMA Mạng thông tin di động thế hệ ba ban đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh để truyền dữ liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trong quá trình phát triển đến sử dụng toàn mạng IP, chuyển mạch kênh dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ số liệu và thời gian thực cuối cùng sẽ được chuyển trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. 1.2.3.1 Thiết bị người sử dụng Thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment): Thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 9 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 1.2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN:UMTSTerestrialRadioAccess Network): Có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến. Kiến trúc ban đầu của mạng 3G có thể sử dụng hai kiểu mạng truy nhập vô tuyến. Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA được gọi là UTRAN. Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến dựa trên công nghệ EDGE của GSM). 1.2.3.3 Mạng lõi Mạng lõi (CN: Core Network): Thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu. Mạng lõi là kết hợp của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói được thể hiện bằng nhóm các đơn vị chức năng logic (hình 1.3). Trong thực thế các miền chức năng này đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Như chức năng BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 10 [...]... truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn Các giao diện vô tuyến - Giao diện Cu: Là giao diện chuẩn cho các card thông minh Trong UE đây là giao diện kết nối giữa USIM và UE - Giao diện Uu: Là giao diện vô tuyến mà UE truy nhập vào phần cố định của mạng Giao diện này nằm giữa nút B và thiết bị đầu cuối - Giao diện Iu: Là giao diện kết nối UTRAN và CN Một CN có thể kết nối với nhiều UTRAN,... gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng PS và CS của mạng lõi - Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết - Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN * Hai thành phần của UTRAN là bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và node B Bộ điều khiển mạng vô tuyến Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network... được đăng ký 1.3.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Netwok): Là mạng liên kết giữa người sử dụng và mạng lõi Nó bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem), trong một RNS gồm một RNC và gồm một hay nhiều nút B (node B) UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện: Giao diện Iu giữa UTRAN và mạng lõi (CN)... UTRAN, nhưng với mỗi UTRAN thì chỉ có thể kết nối với một điểm truy nhập CN - Giao diện Iur: Đây là giao diện giữa RNC với RNC Giao diện này có các tính năng cơ bản sau: + Di động giữa các RNC + Lưu thông kênh riêng + Lưu thông kênh chung + Quản lý tài nguyên toàn cục - Giao diện Iub: Giao diện Iub nối nút B với RNC Đây là một giao diện mở 1.3.2 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R4 BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG... tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (ví dụ là IP) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 22 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 hiệu số 7 Ngoài ra còn có các giao diện giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS không được chỉ ra trên hình vẽ Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ sở... nguyên vô tuyến - Cấp phát kênh - Thiết lập điều khiển công suất - Điều khiển công suất vòng hở - Điều khiển chuyển giao - Phân tập Macro - Mật mã hóa - Báo hiệu quảng bá BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 15 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 Node B Trong hệ thống UMTS, trạm gốc được gọi là node B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện. .. hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP Cả dữ liệu tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt, chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết... mới của hệ thống được đưa ra Các phần tử chính trong mạng lõi: SGSN (Serving GPRS Support Node): Là nút chính của miền chuyển mạch gói Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông qua giao diện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: Thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao * Số liệu thuê bao lưu trong SGSN... năm 2000 của 3GPP Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống UMTS và GSM Cả UTRAFDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 30 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 CHƯƠNG 2 - CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA 2.1 SƠ... phát hành này của mạng BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG 30 KHOA ĐIỆN TỬ LỚP: ĐH ĐIỆN TỬ 1-K1 CHƯƠNG 2 - CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA 2.1 SƠ ĐỒ MÁY THU – PHÁT VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WCDMA Máy phát Sơ đồ khối của máy phát vô tuyến trong WCDMA (hình 2.1) Lớp vật lý bổ sung CRC cho từng khối truyền tải (TB: Transport Block) là đơn vị số liệu gốc cần xử lý nhận được từ lớp MAC(MediumAccess Control: . chuẩn. Các giao diện vô tuyến - Giao diện Cu: Là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong UE đây là giao diện kết nối giữa USIM và UE - Giao diện Uu: Là giao diện vô tuyến mà UE. về giao diện vô tuyến của hệ thống UTMS. Bài bào cáo của em gồm các phần chính: ◊ Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA ◊ Chương 2: Các kỹ thuật sử dụng trong hệ. Chính vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ hai được đưa ra giới thiệu. 1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai -Khác với thế hệ thứ nhất, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai