Kỹ thuật trải phổ trong mạng thông tin di động WCDMA

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 3G ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương ti

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn : ths nguyÔn thÞ minh

Sinh viên thực hiện : bïi hoµng lÞch

Mã số sinh viên : 0851085156

NGHỆ AN - 01/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Bùi Hoàng Lịch Số hiệu sinh viên:0851085156 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Minh Cán bộ phản biện: ThS Tạ Hùng Cường 1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

(Ký, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii

DANH SÁCH HÌNH VẼ iii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU iv

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 Lịch sử phát triển thông tin đi động 1

1.1.1 Hệ thống thông di động thứ nhất 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ hai 3

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thứ ba 5

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thứ tư 7

1.2 Hướng phát triển của WCDMA 8

Kết luận chương 1 9

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THỨ BA WCDMA 10

2.1 Giới thiệu về hệ thống WCDMA 10

2.2 Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA 11

2.3 Cấu trúc hệ thống WCDMA 16

2.3.1 Cấu trúc mạng WCDMA 16

2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 19

2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS 22

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA 29

3.1 Cấu trúc của một thiết bị thu phát vô tuyến số 29

3.2 Khái niệm về trải phổ 30

3.3 Hệ thống thông tin trải phổ 32

3.4 Các phương pháp trải phổ 34

3.5 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS 35

3.5.1 Hệ thống DSSS – BPSK 38

3.5.2 Hệ thống DSSS – QPSK 41

3.6 Áp dụng DSSS cho WCDMA 44

3.7 Các đặc tính của DS-CDMA 46

3.7.1 Đa truy nhập 46

3.7.2 Nhiễu đa đường 47

3.7.3 Nhiễu băng hẹp 47

3.7.4 Xác suất phát hiện thấp 47

3.8 Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA 48

3.9 Trải phổ và điều chế đường lên 49

3.10 Trải phổ và điều chế đường xuống 52

Kết luận chương 3 57

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả 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 hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ thấp Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)… WCDMA là nhánh công nghệ 3G được phát triển dựa trên cơ sở hệ thống thông tin di động 2G GSM

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA được đánh giá là sự lựa chọn tối ưu cho hệ thống truy nhập vô tuyến ITM-2000 Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tính đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin di động thế hệ ba Tốc độ truyền số liệu của WCDMA là khá lớn và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp đã mở rộng dải tần tới 5MHz đã

phần nào đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng Vì vậy em đã chọn đề tài: “Kỹ

thuật trải phổ trong mạng thông tin di động WCDMA” Nội dung đồ án bao

gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về sự phát triển của thông tin di động

Chương 2: Công nghệ thông tin di động thứ ba WCDMA

Chương 3: Kỹ thuật trải phổ trong WCDMA

Em xin chân thành cảm ơn Th.s Nguyễn Thị Minh, và các thầy cô giáo trong

khoa đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Sinh Viên thực hiện

Bùi Hoàng Lịch

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về mạng thông tin di động WCDMA Hệ thống thông tin di động này cung cấp các dịch vụ đa phương tiện như truyền dữ liệu tốc độ cao, truy cập internet giống như mạng không dây Trong mạng thông tin di động WCDMA sử dụng trải phổ trực tiếp DSSS Kỹ thuật trải phổ giúp mạng thông tin di động 3G có những ưu điểm hơn hẳn so với các thế hệ di động trước là khả năng đa truy nhập, khả năng chống nhiễu đa đường, nhiễu băng hẹp và tính bảo mật

ABSTRACT

This thesis was studied an overview of mobile communication network WCDMA This mobile communication systems providing multimedia services as transmission high-speed data, wireless internet access like The mobile communication network system WCDMA using spread spectrum direct as DSSS Spread spectrum techniques help 3G mobile communication network has advantages compared to the previous generation of mobile multi-access capabilities, resistance

to multi-path interference, narrowband interference and security

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang

1.1 Lịch sử phát triển thông tin đi động 1

1.1.1 Hệ thống thông di động thứ nhất 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ hai 3

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thứ ba 5

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thứ tư 7

1.2 Hướng phát triển của WCDMA 8

Kết luận chương 1 9

2.1 Giới thiệu về hệ thống WCDMA 10

2.2 Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA 11

2.3 Cấu trúc hệ thống WCDMA 16

2.3.1 Cấu trúc mạng WCDMA 16

2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 19

2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS 22

3.1 Cấu trúc của một thiết bị thu phát vô tuyến số 29

3.2 Khái niệm về trải phổ 30

3.3 Hệ thống thông tin trải phổ 32

3.4 Các phương pháp trải phổ 34

3.5 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS 35

3.5.1 Hệ thống DSSS – BPSK 38

3.5.2 Hệ thống DSSS – QPSK 41

3.6 Áp dụng DSSS cho WCDMA 44

3.7 Các đặc tính của DS-CDMA 46

3.7.1 Đa truy nhập 46

3.7.2 Nhiễu đa đường 47

3.7.3 Nhiễu băng hẹp 47

3.7.4 Xác suất phát hiện thấp 47

3.8 Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA 48

3.9 Trải phổ và điều chế đường lên 49

3.10 Trải phổ và điều chế đường xuống 52

Kết luận chương 3 57

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Trang

1.1 Lịch sử phát triển thông tin đi động 1

1.1.1 Hệ thống thông di động thứ nhất 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ hai 3

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thứ ba 5

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thứ tư 7

1.2 Hướng phát triển của WCDMA 8

Kết luận chương 1 9

2.1 Giới thiệu về hệ thống WCDMA 10

2.2 Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA 11

2.3 Cấu trúc hệ thống WCDMA 16

2.3.1 Cấu trúc mạng WCDMA 16

2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 19

2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS 22

3.1 Cấu trúc của một thiết bị thu phát vô tuyến số 29

3.2 Khái niệm về trải phổ 30

3.3 Hệ thống thông tin trải phổ 32

3.4 Các phương pháp trải phổ 34

3.5 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS 35

3.5.1 Hệ thống DSSS – BPSK 38

3.5.2 Hệ thống DSSS – QPSK 41

3.6 Áp dụng DSSS cho WCDMA 44

3.7 Các đặc tính của DS-CDMA 46

3.7.1 Đa truy nhập 46

3.7.2 Nhiễu đa đường 47

3.7.3 Nhiễu băng hẹp 47

3.7.4 Xác suất phát hiện thấp 47

3.8 Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA 48

3.9 Trải phổ và điều chế đường lên 49

3.10 Trải phổ và điều chế đường xuống 52

Kết luận chương 3 57

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

1G 1st Generation Là hệ thống thông tin di động

thứ nhất2G 2nd Generation Là hệ thống thông tin di động

thứ hai3G 3rd Generation Là hệ thống thông tin di động

thứ ba3GPP Third Generation Partnership

ACCH Associated Control Chanels Kênh điều khiển liên kết

AMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại di động tiên

tiếnATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không

đồng bộAuC Authentication Center Trung tâm nhận thực

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng báBCH Broadcast Chanel Kênh quảng bá

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế dịch pha nhị phân

BS Base Station Trạm gốc

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Tranceiver Station Trạm gốc vô tuyến

CCCH Common Control Chanel Kênh điều khiển chung

CDMA Code Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CM Communication Management Quản lý thông tin

CN Core Network Mạng lõi

CS Circuit-Switched Chuyển mạch kênh

CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CTCH Common Traffic Channel Kênh lưu lượng chung

DCH Dedicated Transport Channel Kênh truyền tải dùng chungDCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dùng chungDPCCH Dedicated Physical Control Chanel Kênh điều khiển vật lý riêngDSCH Downlink Shared Channel Kênh dùng chung đường xuống

DS Direct Sequence Chuỗi trải phổ trực tiếp

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuốngDTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dùng chungEDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

Cải thiện tốc độ số liệu cho phát triển GSM

EIR Equipment Identify Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

ETSI European Telecommunications

Đa truy nhập phân chia tần số

FER Frame Error Rate Tỷ lệ lỗi khung

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuốngFHSS Frequency Hopping/Spread

bản

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications-2000

Viễn thông di dộng quốc tế 2000

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IS-95 Interim Standard-95 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDMA của MỹMC-

CDMA

Multi-Carrier CDMA Phần ứng dụng di động

WCDMA đa sóng mang

ME Mobile Equipment Thiết bị di động

MS Mobile Station Trạm di động

MSC Mobile Switching Service Center Trung tâm chuyển mạch dịch

vụ di độngNMT Nordic Mobile Telephone system Hệ thống điện thoại di động

Bắc ÂuOFDM Orthorgonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

NSS Network and Switching Subsystem Hệ thống chuyển mạch

PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển nhắn gọiPCH Paging Channel Kênh nhắn gọi

PCS Persional Communication System Hệ thống thông tin cá nhânPDCH Packet Data Channel Kênh số liệu gói

PDP Packet Data Protocol Giao thức số liệu gói

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công

cộngPSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PS Packet-switched Chuyển mạch gói

PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh gói chung vật lý

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế dịch pha cầu phương

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiênRNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyếnRNS Radio Network Subsystem Phân hệ mạng vô tuyến

RRC Radio Resource control Điều khiển tài nguyên vô tuyếnSGSN Serving GPRS Support Node Nút mạng hỗ trợ dịch vụ GPRSSMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SCH Synchronisation Channel Kênh đồng bộ

TACS total Access Communications

thời gian

UE User Equipment Thiết bị người dùng

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu

UTRAN UMTS Terresrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

WAP Wireless Application Protocol Thủ tục ứng dụng vô tuyếnWCDMA Wideband Code Division Multiple

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Lịch sử phát triển thông tin đi động

Trong quá trình phát triển của xã hội loài người, thông tin liên lạc luôn là một nhu cầu hết sức cần thiết và đóng một vai trò qua trọng trong đời sống xã hội Để đáp ứng nhu cầu này, khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin đã đưa ra nhiều hình thức liên lạc ngày càng tiện nghi hơn và chất lượng tốt hơn

Khi các ngành thông tin quãng bá bằng vô tuyến phát triển mạnh mẽ thì ý tường điện thoại vô tuyến cũng ra đời, đây là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại di động đầu tiên được thử nghiệm ở ST louis, bang Missouri của Mỹ Và sau đó giới thiệu trên 25 thành phố của Mỹ Mỗi hệ thống dùng bộ anten công suất lớn đặt cao phủ sóng toàn thành phố (bán kính 50km), kỹ thuật FM, truyền bán song công, ở băng tần 150MHz, độ rộng kênh truyền là 120KHz Đây chưa phải là hệ thống tế bào, tần số chưa được dùng lặp lại nên số người phục vụ rất ít

Năm 1950, độ rộng kênh thu hẹp lại còn 60KHz, dẫn đến số kênh sử dụng tăng gấp đôi

Năm 1960, độ rộng kênh chỉ còn 30Khz, hiệu suất phổ tần tăng gấp 4 lần.Năm 1950 đến 1960, xuất hiện tổng đài tự động, dịch vụ IMTS (song công tự động quay số, tự động chọn kênh) Tuy nhanh chóng bị bảo hòa bởi nhu cầu của người sử dụng do chất lượng kém hay bị bận Dịch vụ ITMS hiện đang còn ở Mỹ song hiệu suất sử dụng phổ kém so với điện thoại tế bào hiện nay

Cũng trong thời gian này, lý thuyết mạng tế bào ra đời (AT&T được ra dự án điện thoại năm 1968) Tuy nhiên công nghệ điện tử lúc đó chưa đáp ứng được

Năm 1983, ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến AMPS Đánh dấu sự ra đời điện thoại tế bào thế hệ thứ nhất Ủy ban viễn thông liên bang Mỹ (FCC) đã phân cho dịch vụ này một dải tần 400MHz trên khoảng tần số 800MHz (ứng với 660 kênh song công rộng 2 x 30 KHz = 60 KHz) Phổ tần này được phân đều cho 2 nhà cung cấp để tạo sự cạnh tranh

Năm 1989, trước yêu cầu của tăng trưởng mạnh mẽ của người sử dụng FCC phân thêm cho dịch vụ 10MHz phổ tần nữa (ứng với 166 kênh song công) Hệ thống điện thoại tế bào hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần số,

kỹ thuật đa truy cập theo tần số (FDMA)

Năm 1991, hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn Í-54 trên cơ sở hạ tầng AMPS Hỗ trợ 3 người sử dụng trên 1 kênh 30KHz, kỹ thuật điều chế ( ח4 DQPSK) /Khi kỹ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6 lần (kết hợp với kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA và tồn tại song song với AMPS trên cùng một cơ sở hạ tầng) Đây là thời điểm đánh dấu sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (ở Châu Âu là hệ GSM)

Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ phát triển bởi công

ty QUALCOM theo tiêu chuẩn IS-95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần 1.25 MHz, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Có nhiều ưu điểm hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỷ số SNR thấp hơn, về giá thành có tính canh tranh hơn

Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng như được đặt ra từ những năm 90 Từ năm 1995, chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 180 -> 2100MHz, hứa hẹn sự phát triển mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)

1.1.1 Hệ thống thông di động thứ nhất

1G (1st Generation): Là hệ thống thông tin di động thứ nhất với tín hiệu sóng analog, sử dụng công nghệ FDMA, được giới thiệu trên thị trường vào thập niên 80 Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được

sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được

sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem - hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh

Khái niệm về cellular bắt đầu từ cuối năm 40 tại phòng thí nghiệm Bell của AT&T Nhưng đến đầu những năm 70 AT&T mới đưa ra dự án điện thoại tế bào Và cho đến năm 1983, ra đời dịch vụ AMPS do AT&T và MOTOLAR của Mỹ Đánh dấu sự ra đời hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Với kỹ thuật tương tự,

phương pháp điều tần FM để điều chế tiếng nói trên băng tần 800MHz với độ rông phổ là 40MHz Để sử dụng hiệu quả nguồn tần số có giới hạn thì toàn bộ vùng dịch

vụ được chia thành các miền nhỏ kề nhau gọi là tế bào (cell) Mỗi tế bào dịch vụ cung cấp một tần số nhất định và có một anten trung tâm, với công suất phát phù hợp

để quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bào khác Khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại tần số

Hệ thống thông tin di động thứ nhất chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và

sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự đê mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Ở đây, băng thông của hệ thống được chia thành các băng có độ rộng Wch Giữa các kênh kề nhau có một khoảng bảo vệ để tránh chồng phổ do sự không ổn định của tần số sóng mang Khi một người dùng gửi yêu cầu gửi tới BS, BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và giành riêng cho người dùng đó trong suốt thời gian gọi Tuy nhiên, ngay khi cuộc gọi kết thúc kênh được ấn định lại cho người khác sử dụng

Đặc điểm:

- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS – Advanced Mobile Phone System

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người về cả dung lượng lẫn tốc độ Vì các khuyết điểm trên mà người ta đưa ra

hệ thông thông tin di động thứ hai ưu điểm hơn thế hệ thứ nhất về cả dung lượng và dịch vụ được cung cấp

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ hai

2G : Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên Ra đời vào đầu nhưng năm 1990, chuẩn GSM của Châu Âu và IS-54 (tồn tại song song với AMPS) của Mỹ và ngay sau đó là chuẩn IS-

95 cho phương pháp đa truy nhập CDMA Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai dựa trên kỹ thuật phân chia theo mã thời gian TDMA và kỹ thuật đa truy cập phân

chia theo mã CDMA, truyền dẫn song công theo tần số TDD, điều chế QPSK, FSK…

Hệ thống thông tin di động thứ hai theo mã IS-95 được phát triển ở Mỹ Hệ thống này sử dụng lại băng tần 824MHz – 849MHz cho tuyến lên và 869MHz – 894MHz cho tuyến xuống, dùng 20 kênh có độ rộng mỗi kênh là 1.25MHz Hệ thống thông tin di động GSM ra đời và sử dụng rộng rãi ở Châu Âu, băng tần sử dụng gồm hai dải tần: 890MHz – 915MHz cho tuyến lên và 935MHz – 960MHz cho tuyến xuống Dải tần này được chia nhỏ ra thành các giải con rông 200KHz (gọi là kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN hay kênh vật lý) Mỗi kênh vật lý chia thành

8 khe thời gian (Time Slot) ứng với 8 kênh dịch vụ Về lý thuyết số kênh vật lý trên dải tần 25MHz là 25000/200=125 kênh Tổng số kênh lưu lượng là 125x8=1000 kênh, nghĩa là phục vụ đồng thời 1000 thuê bao mà chưa sử dụng lại tần số

Ưu điểm của hệ thống thông tin di động thứ hai:

Hệ thống thông tin di động thứ hai ra đời giải quyết những hạn chế của thế hệ trước Do sử dụng kỹ thuật số mà có nhưng ưu điểm sau:

- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn

- Mã hóa tín hiệu thoại với tốc độ bit càng thấp cho phép nhiều kênh vào dòng bit tốc độ chuẩn

- Áp dụng kỹ thuật mã hóa kênh và mã hóa nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số

- Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI và chống nhiễu ACI hiệu quả sẽ làm tăng dung lượng hệ thống

- Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục nên làm cho việc sử dụng hiệu quả hơn

- Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu dễ dàng xử lý bằng phương pháp số

- Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn

Nhược điểm:

Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nhược điểm sau:

- Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là hạn chế nên các dịch vụ ứng dụng cũng bị hạn chế (không dáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai)

- Tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai là không thống nhất Do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng, mặc dù cả hai hệ thống này đều có thể coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định về cả tần số và các khe thời gian trong băng tần Do đó việc chuyển giao toàn cầu chưa được thực hiện.

Vì vậy mà yêu cầu một hệ thống thông tin di động thứ 3 (3G) ra đời là một điều tất yếu

có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ 3 gọi

là hệ thống thông tin di động băng rộng

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được

đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những năm 2000 Các hệ thống này đều

sử dụng công nghệ WCDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông di động thế hệ thứ ba

Công nghệ 3G được chia làm 2 dòng chuẩn:

• UMTS (W-CDMA)

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động sử dụng GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam) UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE

FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm 2001, được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên Tuy là dựa trên công nghệ W-CDMA, nhưng công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS.

• CDMA 2000

Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 Các đề xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 - một tổ chức độc lập với 3GPP Và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV

CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liệu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU

Yêu cầu đối với hệ thống thông di động thế hệ thứ 3:

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiểu khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ 2

Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

- 384 Kbit/s đối với vùng phủ sóng rộng

- 2 Mbit/s đối với vùng phủ sóng địa phương

Các tiêu chí để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba:

- Sử đụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

+ Đường lên: 1885-2025 MHz

+ Đường xuống: 2110-2200 MHz

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các lại hình thông tin vô tuyến:+ Tích hợp các mạng thông tin hưu tuyến và vô tuyến

+ Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn

- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh

- Có khả năng truyền tải đa phương tiện

- Tăng phương thức truyền tải không đối xứng Do các dịch vụ số liệu mới

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như sau:

+ Môi trường nhà ảo trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.

+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

+ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đông thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

- Chất liệu thoại tương đương với chất lượng thoại hữu tuyến

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

- Hiệu suất phổ tần cao hơn

- Tính bảo mật cao

So sánh với thế hệ thống di động thứ nhất và thứ hai thì thế hệ di động thứ ba

đa dịch vụ đa phương tiện rộng khắp toàn cầu Một trong những đặc điểm của nó là

có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi đều thực hiện được Mỗi thuê bao

di động đều được gán cho một mã sô cá nhân, khi tắt máy ở bất kỳ nào, ở bất kỳ quốc gia nào đều có thể được xác định chính xác vị trí của thuê bao đó Hệ thống thông tin di động thứ ba này thõa mãn cho người dùng những dịch vụ đa phương tiện như truyền dữ liệu tốc độ cao, truy cập internet giống như mạng không dây… Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thông tin di động thứ ba có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh gọi thoại

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thứ tư

4G, là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho phép truyền tải

dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện vật lý lý tưởng tới 1-1.5Gbit/s Cách đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens (Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật),đã ký thõa thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí cao cấp cho điện thoại di động, một thế hệ thứ tư trong kết nôi di động – đó chính là nền tảng 4G Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lại của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100Mbit/s khi di chuyển và tới 1Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lênh các hình ảnh, video clips chất lượng cao Mạng điện thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc độ tải là 384Kbit/s và truyền dữ liệu lên với tốc độ 129Kbit/s NTT DoCoMo cũng hi vọng trong vòng 2010 – 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh

Khi di chuyển và tới 1Gbit/s khi đứn yên, cũng như cho phép sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao Mạng điện thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc độ 384Kbit/s và chuyển dữ liệu lên với tốc độ 129Kbit/s NTT DoCoMo cũng hi vọng trong vòng 2010 - 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải nghiệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa

từ chính chiếc điện thoại di động của mình

Các đặc điểm của 4G:

- Cải tiến về dịch vụ dữ liệu: tốc độ bit, 20 – 100 Mbit/s

- Phương thức điều chế: OFDM, MC-CDMA

- Xu hướng kết hợp mạng lõi IP + mạng truy nhập di động (3G) và truy nhập

vô tuyến WIMAX &WIFI

1.2 Hướng phát triển của WCDMA

Hệ thống thông tin di động thứ tư là một công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004 Mặc dù 3GPP đã phát triển HSPA để tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps), nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di động Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của WIMAX cũng như nhu cầu cung cấp dịch vụ băng thông rộng ngày càng cao, 3GPP buộc phải phát triển 4G để có thể đứng vững

4G hứa hẹn sẽ cho tốc độ dữ liệu truyền trên kênh xuống (downlink) lớn hơn

100 Mbps và trên kênh lên (uplink) lớn hơn 50 Mbps Giống như WIMAX, 4G dựa trên nền gói IP do đó sẽ không còn chuyển mạch kênh như trong các thế hệ 2G, 3G hiện tại Kiến trúc mạng của 4G sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng 4G vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 4G mà không cần thay đổi toàn

bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có 4G sử dụng công nghệ đa truy cập OFDMA cho kênh xuống và SC-FDMA cho kênh lên và nó vẫn dựa trên công nghệ ăng-ten MIMO để đạt tốc độ truyền dự liệu cao như mong muốn

Thế hệ thứ 3 (3G) với tên dọi IMT-2000 khẳng định được tính ưu việt của nó

so với các thế hệ trước cũng như đáp ứng kịp thời các nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng về tốc độ bit thông tin di động Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 IMT-2000 là 2 hệ thống WCDMA và CDMA2000

Hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) là một thế hệ mới đang được nghiên cứu để đưa vào sử dụng Hệ thống này cải tiến về các dịch vụ dữ liệu, tốc độ lên tới 20-100Mbit/s Sử dụng phương thức điều chế OFDM và MC-CDMA

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THỨ BA WCDMA

2.1 Giới thiệu về hệ thống WCDMA

Cuối năm 1977, hai tổ chức tiêu chuẩn là ETSI của Châu Âu và ARIB của Nhật Bản đã thỏa thuận cùng liên kết xây dựng một tiêu chuẩn chung đáp ứng các yêu cầu đặt ra của IMT-2000, đó là tiêu chuẩn WCDMA, WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), gọi là đa truy cập phân mã băng rộng, là một kỹ thuật đa truy cập dựng trong mạng 3G (UMTS và FOMA) dựa trên công nghệ

CDMA (đa truy cập theo mã) hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo hình WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz -

2170 MHz

W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA 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 bit thấp và trung bình

W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz

- Lớp vật lý mềm dẻo để tích 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

Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi trường làm việc khác nhau

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch

vụ mới như: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác

Các tham số chính của WCDMA được liệt kê ở bảng sau:

Bảng 2.1 Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMABăng thông chuẩn 5MHz

Phương thức ghép kênh Phân chia tần số/phân chia thời gian

Tốc độ chip 3.84 Mcps

Độ dài khung 10ms

Điều khiển trải phổ QPSK cân bằng (đường xuống)

Dual channel QPSK (đường lên)Trải phổ phức hợp

Điều chế dữ liệu QPSK (đường xuống)

BPSK (đường lên)Điều chế nhất quán Sử dụng kênh pilot dành riêng hoặc được dồn kênh theo thời

gian (ở đường lên và đường xuống); không sử dụng kênh pilot chung đường xuống

Đa tốc độ Trải phổ theo nhiều hệ số và nhiều mã

Hệ số trải phổ 4-256 (đường lên) và 4-512 (đường xuống)

Điều khiển công suất Mạch vòng mở và vòng kín nhanh (1,6Khz)

Trải phổ đường xuống Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân kênh,

chuỗi Gold 218 để phân biệt ô và phân biệt người sử dụng

Trải phổ đường lên Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân biệt,

chuỗi Gold 241 để phân biệt người sử dụng (kênh I và kênh Q dịch thời gian với nhau)

Chuyển giao Chuyển giao mềm

Chuyển giao giữa các tần số

2.2 Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA

Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế, các hệ thống 2G sẽ được chuyển đổi từng bước lên thế hệ 3G Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này ở hình 2.1

Hình 2.1 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA

D

A

Ký hiệu:

* HSCSD: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao

* GPRS: Dịch vụ vô tuyến gói chung

* EDGE: Số liệu gói tốc độ cao GSM

* WCDMA: Đa truy nhập phân chia theo bảng mã băng rộng

Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là đảm bảo chất lượng dịch vụ số tốt liệu tốt hơn Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu: chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switched) và chuyển mạch gói (PS: packet Switched) như sau:

* Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch kênh đảm bảo:

* Dịch vụ bản tin ngắn SMS

* Số liệu dị bộ cho tốc độ 14,4 Kbps

* Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4 Kbps

* Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch gói đảm bảo:

* Chứa cả chế độ dịch vụ kênh

* Dịch vụ Email, Internet

* Sử dụng các chức năng IWF/PDSN như:

- Cổng vào cho mạng số liệu gói

- IWF/PDSN có thể đặt tại MSC hay BSC độc lập

Để thực hiện kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụng giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP: wireless Application Protoncol)

Giai đoạn tiếp theo để tăng tốc độ số liệu có thể sử dụng công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) và EDGE Bước trung gian này được gọi là thế hệ 2,5G

1) Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD

HSCSD là một dịch vụ cho phép tăng tốc độ dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh hiện nay 9,6 Kbps (hay cải tiến 14,4 Kbps) của GSM Để tăng tốc độ số liệu, người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn Có thể kết hợp động từ

1 đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ số liệu cực đại là 64Kbps cho một người sử dụng Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến 8x14,1 Kbps, như vậy có thể đạt đến tốc độ trên 100Kbps

Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ở IWF (Internetworking Function: Chức năng kết nối mạng) của tổng đài MSC và ở chức năng TAF (Terminal Adaption Function: Chức năng thích ứng đầu cuối) của MS Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này Kênh tốc độ cao chứa một số kênh con ở giao diện vô tuyến Các kênh tốc độ cao chứ một số kênh con ở giao diện vô tuyến Các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng số ở IWF và TAF (hình 2.2).

Hình 2.2 Cấu trúc hệ thống HSCSD

Ký hiệu:

* PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

* ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ

* PDN: Mạng số liệu công cộng

* MS: Trạm di động

* BTS: Trạm thu phát gốc

* BSC/TRAU: Bộ điều khiển trạm gốc/ Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ

* MSC: Trung tâm chuyển mạch di động

* IWF: Chức năng kết nối mạng

Một tính năng đặc biệt của HSCSD là hỗ trợ các kết nối đối xứng (số khe phát

ở đường xuống bằng khe phát ở đường lên đối với một người sử dụng) và không đối xứng (số khe phát ở đường xuống nhiều hơn số khe phát ở đường lên)

HSCSD sử dụng điều chế 8-PSK cho phép đạt được tốc độ truyền số liệu cao hơn Tuy nhiên, do sử dụng cơ chế chuyển mạch kênh nên hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất kém Bởi khi một người sử dụng yêu cầu các khe thời gian, các khe này chỉ dành duy nhất cho người sử dụng đó, không được chia sử cho người dùng khác kể cả khi không có số liệu truyền trên đó HSCSD chỉ được sử dụng ở những mạng có nhu cầu cao về truyền dữ liệu nhanh nên khả năng triển khai là hạn chế

2) Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS

GPRS là dịch vụ số liệu gói tốc độ cao hơn cho GSM, GPRS khác HSCSD ở chỗ nhiều người sử dụng có thể cùng sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến, vì thế hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất cao Một MS ở chế độ GPRS chỉ dành được tài nguyên vô tuyến khi nó có số liệu cần phát Khi không có dữ liệu để phát, tài nguyên vô tuyến được dùng cho những người sử dụng khác Nhờ vậy mà băng tần được sử dụng rất hiệu quả Cấu trúc mạng GPRS được mô tả ở hình 3.3

Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ đến 115 Kbps Tuy nhiên, đây là tốc độ đỉnh, nếu nhiều người sử dụng thì tốc độ sẽ thấp hơn Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho lưu lượng chuyển mạch kênh, nên việc đưa dịch vụ chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị cho mạng (hình 2.3) Mạng GPRS kết nối với các mạng số liệu công cộng như mạng IP/X-25 Nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) và nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN) thực hiện thu và phát các gói số liệu giữa các MS và các thiết bị đầu cuối số liệu cố định của mạng số liệu công cộng (PDN) Các nút GGSN còn cho phép phát thu các gói số liệu đến các MS

3) Số liệu tốc độ cao GSM( EDGE)

Cấu trúc EDGE nói chung giống như GPRS Tuy nhiên, ở đây có sử dụng chức năng thay đổi cơ chế điều chế (Ví dụ như thay đổi 8 - PSK) sang GMSK, 16 QAM, ) cho tốc độ bít mềm dẻo và có thể cao hơn so với ở GPRS

+ Mạng truy nhập vô tuyến RAN ( Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

là UTRAN) Mạng này thiết lập tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến Mã hóa, điều chế, ghép kênh…

+ Mạng lõi (CN): Thực hiện các chức năng chuyển mạch và đinh tuyến cuộc gọi và kết nối dữ liệu đến các mạng ngoài

+ Thiết bị người sử dụng (UE): Giao tiếp với người sử dụng và giao diện vô tuyến Theo các đặc tả thì trong quan điểm chuẩn hóa, thì cả UE và UTRAN đều bao gồm giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới Ngược lại việc định nghĩa mạng lõi (CN) được kế thừa từ GSM Điều này mang lại cho hệ thống có công nghệ truy nhập vô tuyến mới có một nền tảng mang tính toàn cầu là công nghệ mạng lõi đã có sẵn, như vậy sẽ thúc đẩy quãng bá của nó, mang lại ưu thế cạnh tranh

Các thành phần mạng WCDMA trong hình

Hình 2.5 Các phần tử của mạng UMTS

Ký hiệu:

* Mạng truy nhập UTRAN

* Mạng lõi CN

* USIM (User Sim Card): Thẻ sim Card của người sử dụng

* MS (Mobile Station): Máy di động

* MSC (Mobile Server Swiching Center): Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động

* VLR (Visitor Location Register): Bộ ghi định vị tạm trú

* SGSN (Servicing GPRS (General Packet Radio Service) Suport Node): Điểm hỗ trợ GPRS (Dịch vụ vô tuyến gói chung) đang phục vụ

* GMSC (Gateway GPRS Suport Node): Nút hỗ trợ GPRS cổng

* HLR (Home Location Register): Bộ ghi định vị thường trú

* UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

* CN (Core Network): Mạng lõi

Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN ) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN ), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W- CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ

sở công nghệ GSM

WCDMA gồm:

* UE (User Equipment): Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp

người sử dụng với hệ thống UE gồm hai phần :

- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.

* UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô

tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử :

- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó) RN C còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN

* CN(core net work)

- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này bao gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register):

Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ

- GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài

- SGSN (Serving GPRS): Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS)

- GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói

* 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

* Các giao diện vô tuyến

- Giao diện CU: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.

- Giao diện UU: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của

hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

- Giao diện IU: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện IUr: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện IUb: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC IUb được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn

2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

2.3.2.1 Các khuyến nghị

EISI đã công bố các yêu cầu đối với UTRAN:

* UTRA phải hỗ trợ tốc độ số liệu cao, ít nhất là 384 Kbps trong vùng phủ sóng lớn và 2Mbps trong nhà hoặc vùng phủ sóng tầng thấp (phủ sóng nhiều lớp)

* UTRA cũng phải hỗ trợ các dịch vụ ở mức độ linh hoạt cao như các dịch vụ chuyển mạch gói hoặc chuyển mạch kênh Phải hỗ trợ nhiều tốc độ truyền Đa dịch

vụ trên một kết nối cũng là một dịch vụ cần phải hỗ trợ

* UTRA phải mạnh hơn GSM về mặt dung lượng

UTRA phải cung cấp các chức năng để hỗ trợ hai chế độ cùng tồn tại song song với GSM

WCDMA Trong đó ARIB ở Nhật Bản cũng xây dựng một hệ thống 3G tương tự UMTS ở Châu Âu với giao diện vô tuyến cũng có hai chế độ là WCDMA và TD/CDMA cũng sử dụng công nghệ WCDMA làm nền tảng Do đó ta có thể hiểu UTRA FDD ở Châu Âu và WWCDMA ở Nhật là một, băng tần sử dụng là băng tần kép có đường lên và đường xuống có hai dải tần số khác nhau phân chia tần số Cũng như vậy UTRA TDD ở Châu Âu và TD/CDMA ở Nhật là một, sử dụng băng tần đơn có đường lên và xuống cùng băng tần nhưng được phân chia theo khe thời gian.

Trong chế độ FDD, cặp sóng mang 5 MHz được sử dụng cho đường lên và đường xuống như sau: đường lên sử dụng dải tần số từ 1920 MHz đến 1980 MHz Đường xuống sử dụng dải tần số từ 2110 MHz đến 2170 MHz, khoảng phân cách giữa đường lên và đường xuống là 190MHz Mặc dù sóng mang 5MHz là sóng mang danh định nhưng chúng ta có thể sử dụng sóng mang từ 4,4 MHz đến 5 MHz

để sử dụng từng bước sóng mang 200 kHZ

Trong chế độ TDD, một số tần số đã được định nghĩa: 1900 MHz đến 1920 MHz và 2010 MHz đến 2025 MHz Một sóng mang cho trước được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống Do vậy, không tồn tại khoảng phân cách giữa đường lên

Đó chính là ưu điểm của chế độ UTRA TDD và TD/CDMA Tuy nhiên do kỹ thuật của hai chế độ này phức tạp hơn nên có thể chưa được triển khai ngay trong pha 1

dụng cao hơn so với các ứng dụng ngày nay đang sử dụng trên mạng di động Đa dạng tốc độ truyền số liệu cũng được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp trải phổ động và tương thích năng lượng truyền sóng.

d Dữ liệu chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh

Các dịch vụ gói đưa ra khả năng luôn luôn “trực tuyến - online” đối với các ứng dụng không cần chiếm một kênh riêng biệt Đồng thời việc tính cước cho các dịch vụ này dựa trên tổng số byte số liệu trao đổi qua mạng chứ không tính tiền theo thời gian kết nối UTRAN có một chế độ tối ưu gói Nó hỗ trợ truyền nhanh các gói đột xuất, truyền trên kênh riêng khi lưu lượng gói lớn và liên tục

e Chuyển giao mềm

Đối với mạng GSM, MS chỉ có thể được nối tới một trạm thu phát (cell) tại một thời điểm Trong khi MS chuyển động khi đang đàm thoại, chức năng chuyển giao handover sẽ nối máy di động tới trạm phát thích hợp nhất Còn đối với UTRAN, UE có thể đồng thời được kết nối tới nhiều trạm thu phát Nó được gọi là chuyển giao mềm (Soạt Handover) Trong trường hợp UE được kết nối tới nhiều hơn một cell của cùng một trạm thì được gọi là chuyển giao mềm hơn (Softer Handover)

2.3.2.3 Cấu trúc truy nhập UTRAN

Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem) kết nối tới mạng lõi trên giao diện Iu và kết nối với nhau trên giao diện Iur Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Networlk Controller) và một hay nhiều Nút B (No de B) Các RNC được kết nối với nhau thông qua giao diện Iur, còn các nút B dược kết nối với RNC thông qua giao diện Iub

Sau đây ta xem xét chức năng của các phần tử trong bộ điều khiển mạng vô tuyến:

- Nút B : có chức năng chuyển đổi dòng dữ liệu giữa hai giao diện Iub và Iiu nên chức năng chính của nút B là thực hiện xử lý lớp vật lý của giao diện vô tuyến (mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ ) Ngoài ra, nút B còn tham gia khai thác và quản lý tài nguyên vô tuyến

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC): là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN RNC giao diện với mạng lõi và kết cuối

giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa UE và UTRAN) RNC là điểm thâm nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi, chẳng hạn như quản lý tất cả các kết nối đến UE

Nó đóng vai trò như BSC

RNC điều khiển một nút B cho trước được xem như RNC điều khiển (CRNC) CRCN chịu trách nhiệm điều khiển tải và ứ nghẽn cho các ô của mình Khi một kết nối UE-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC thì các RNC tham

dự vào kết nối này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt Đó là:

- RNC phục vụ SRNC (Service RNC): đối với một UE thì SRNC thực hiện kết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và cả báo hiệu RANAP (Radio Access Network Application) tương ứng từ/tới mạng lõi SRNC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến: giao thức báo hiệu giữa UE và UTRAN Nó xử lý số liệu lớp 2 từ/tới giao diện vô tuyến SRNC cũng là CRNC của một nút B nào đó được UE sử dụng để kết nối với UTRAN

- RNC trôi hay RNC kề cận DRNC (Drift RNC): là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các ô được UE sử dụng Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phõn chia ở phân tập vĩ mô DRNC không thực hiện xử lý lớp 2 đối với số liệu tới 1 từ giao diện vô tuyến mà chỉ định tuyến số liệu trong suốt giữa các giao diện Iub và Iur Một UE có thể có nhiều DRNC

Lưu ý: một RNC vật lý có chlà tất cả các chức năng của CRNC, SRNC, DRNC

2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS

Phát hành của hệ thống UMTS không được phát hành hàng năm như hệ thống GSM Phát hành đầu tiên của hệ thống UMTS là 3GPP Release 1999, sau đó là phát hành 3GPP Release 2000 được chia thành 3GPP Release 4 và 3GPP Release 5

Kiến trúc mạng ở 3GPP Release 99 được thể hiện như hình vẽ:

Hình 2.3 Kiến trúc mạng UMTS ở 3GPP Release 1999

Kiến trúc mạng UMTS 3GPP Release 1999: Đây có thể nói là tập tiêu chuẩn đầu tiên cho hệ thống UMTS được đưa ra cuối năm 1999

Từ hình vẽ 2.3 ta thấy kiến trúc mạng 3G Release 99 cũng không khác gì nhiều so với kiến trúc mạng GSM, nhưng trong kiến trúc mạng này ta có thể thấy được là nó có hỗ trợ thêm các node là: SGSN, GGSN và GMSC,…Cụ thể như sau:

Mạng lõi gồm các MSC, SGSN, GGSN, GMSC và các phần tử khác chứa các

cơ sở dữ liệu cần thiết của mạng thông tin di động như: HLR, AUC, VLR,…Còn mạng truy nhập vô tuyến UTRAN thì ta có thể xem trong hai khía cạnh tức là giai đoạn đầu ta vừa triển khai mạng 3G, còn hệ thống GSM sẽ vẫn còn tồn tại Vậy ta thấy được cả hai bộ phận bao gồm: RNC và BSC Các giao diện mạng UTRAN của

Gn GTP/IP