Hành trình từ GSM lên 3g

Lời nói đầu Mạng GSM với u điểm bật nh: dung lợng lớn, chất lợng kết nối tốt, tính bảo mật cao, có chỗ đứng vững thị trờng viễn thông giới Khi vấn đề Internet toàn cầu mạng riêng khác phát triển quy mô mức độ tiện ích xuất nhu cầu dịch vụ truyền số liệu lúc, nơi Ngời sử dụng có nhu cầu dịch vụ nh: truyền số liệu tốc độ cao, điện thoại có hình, truy cập Internet tốc độ cao từ máy di động dịch vụ truyền thông đa phơng tiện khác Thông tin di động GSM sử dụng công nghệ số nhng hệ thống băng hẹp, hỗ trợ tốc độ số liệu cao 9,6 kbit/s đợc xây dựng chế chuyển mạch kênh nên không đáp ứng đợc dịch vụ Các nhà khai khác GSM buộc phải nâng cấp mạng để đáp ứng nhu cầu ngời sử dụng Đối với nhà khai thác GSM, có đợc việc nâng cấp thẳng lên công nghệ W-CDMA với giải pháp chi phí chấp nhận đợc Quá trình nâng cấp trình phức tạp, yêu cầu phần tử mạng với máy đầu cuối Do vậy, vấn đề cần cân nhắc khía cạnh kinh tế kỹ thuật cho việc nâng cấp, buộc nhà khai thác phải suy tính Chính vậy, GPRS lựa chọn nhà khai thác GSM nh bớc chuẩn bị sở hạ tầng kỹ thuật để tiến lên 3G Việt Nam hai mạng di động lớn VinaPhone MobiFone mạng Viettel mạng GSM Mạng VinaPhone MobiFone tiến hành triển khai GPRS thành công tiến hành triển khai EDGE Em chọn đề tài Hành trình từ GSM lên 3G với mục đích để nắm vững giải pháp kỹ thuật mà mạng GSM triển khai trình phát triển lên 3G Đồng thời tìm hiểu tiêu chuẩn 3G GSM W-CDMA để tiếp cận công nghệ này.Với mong muốn tiếp cận đợc trình phát triển lên 3G mạng di động GSM đợc vào làm việc mạng di động GSM Việt Nam Chơng I: Mạng thông tin di động GSM Giới thiệu GSM (Global System for Mobile Communication) - Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM tiêu chuẩn điện thoại số toàn châu Âu ETSI (European Telecommunication Standard Institute - Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu) quy định Giao tiếp vô tuyến GSM dựa công nghệ TDMA (Đa truy nhập phân chia theo thời gian) kết hợp với FDMA (Đa truy nhập phân chia theo tần số) châu Âu hệ thống GSM hoạt động tần số 900 MHz nh tần số 1800 MHz Bắc Mỹ, GSM sử dụng tần số 1900 MHz Mạng GSM hỗ trợ truyền thoại với tốc độ bit 13 kbit/s truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s Cấu trúc hệ thống GSM Hệ thống GSM chia thành nhiều hệ thống con: Hệ thống chuyển mạch SS (Switching Subsystem), hệ thống trạm gốc BSS (Base Station Subsystem), hệ thống khai thác bảo dỡng mạng (OMC - Operations & Maintenance Center) Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống GSM 2.1 Hệ thống trạm gốc BSS Hệ thống BSS đợc chia thành hai khối chức chính: Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller), có khối thích ứng tốc độ chuyển đổi mã TRAU (Transcoder Rate Adaptor Unit) Các BTS thực chức thu phát vô tuyến trực tiếp đến thuê bao di động MS thông qua giao diện vô tuyến Um BTS gồm thiết bị thu, phát, anten, khối xử lý tín hiệu BTS đợc coi modem vô tuyến phức tạp BSC đài điều khiển trạm gốc BSC quản lý giao diện vô tuyến BTS với MS thông qua lệnh điều khiển Đó lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến quản lý chuyển giao Vai trò BSC quản lý kênh quản lý chuyển giao BSC ấn định kênh vô tuyến toàn thời gian thiết lập gọi giải phóng kênh kết thúc gọi BSC thực trình chuyển giao (Handover) BTS Một BSC quản lý hàng chục BTS TRAU có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thoại thành luồng số tốc độ 64 kbit/s để truyền từ BSC đến MSC TRAU tiếp nhận khung số liệu 16 kbit/s từ giao diện Abis BTS BSC, định dạng lại thông tin luồng số liệu thành dạng A-TRAU để truyền giao diện A BSC MSC TRAU thờng đợc đặt vị trí với BSC 2.2 Hệ thống chuyển mạch SS Tổng đài di động MSC (Mobile Switching Center) thực chức chuyển mạch cho thuê bao di động thông qua trờng chuyển mạch MSC quản lý việc thiết lập gọi, điều khiển cập nhật vị trí thủ tục chuyển giao MSC Việc cập nhật vị trí thuê bao cho phép tổng đài di động MSC nhận biết đợc vị trí thuê bao di động qúa trình tìm gọi trạm di động MS MSC có tất chức tổng đài cố định nh tìm đờng, định tuyến, báo hiệu, Điều khác biệt tổng đài mạng cố định (PSTN, ISDN, ) MSC MSC thực xử lý cho thuê bao di động, thực chuyển vùng Cell Chức tổng đài MSC việc kết nối với phần tử mạng di động kết nối với phần tử mạng khác nh mạng điện thoại cố định PSTN, mạng ISDN, mạng truyền số liệu PSPDN, CSPDN mạng di động mặt đất công cộng PLMN khác MSC thực chức gọi MSC cổng (GMSC) Các GMSC làm thêm nhiệm vụ chuyển đổi giao thức để phù hợp với loại mạng Tổng đài cổng cung cấp dịch vụ kết nối từ mạng di động đến mạng khác (di động cố định) GMSC phục vụ thông tin từ mạng khác vào mạng GSM từ mạng GSM mạng khác, trớc hết gọi đợc định tuyến đến GMSC MS đâu, sau GMSC hỏi HLR thông tin MS HLR (Home Location Register) - Bộ đăng ký thờng trú: chứa đầy đủ thông tin liên quan đến việc đăng ký dịch vụ vị trí thuê bao HLR tích hợp MSC đứng độc lập VLR (Visitor Location Register) - Bộ đăng ký tạm trú Là đăng ký liệu khách, chứa thông tin vị trí thời thuê bao di động vùng phục vụ Thông thờng sở liệu VLR đợc tích hợp MSC Ngoài SS có khối đăng ký nhận dạng thiết bị EIR đợc sử dụng để quản lý máy di động Mục đích ngăn không cho máy di động lạ đợc sử dụng mạng, chống việc truy nhập trái phép(lấy cắp, nghe thông tin) thiết bị khác EIR quản lý số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (Số nhận dạng trạm di động theo phần cứng) máy di động Số nhận dạng phần cứng thuê bao đợc nhận thực nhờ EIR 2.3 Trạm di động MS Trạm di động MS thực hai chức năng: - Thiết bị vật lý để giao tiếp thuê bao di động với mạng qua đờng vô tuyến - Đăng ký thuê bao: Mỗi thuê bao phải có thẻ gọi Simcad để truy nhập vào mạng Về cấu trúc MS gồm hai phần là: Mobile Equipment (ME) Subscriber Identity Module (SIM) SIM thành phần để nhận dạng thuê bao trình MS hoạt động mạng Còn ME phận để xử lý công việc chung nh thu, phát, báo hiệu 2.4 Hệ thống khai thác bảo dỡng mạng (OMC) Một hệ thống GSM thờng bao gồm nhiều trung tâm chuyển mạch MSC, điều khiển trạm gốc BSC trạm thu phát gốc BTS đợc lắp đặt nhiều vị trí khác vùng diện tích lớn OMC hệ thống có nhiệm vụ giám sát toàn mạng GSM nhằm phục vụ công tác khai thác bảo dỡng mạng Cấu trúc địa lý mạng: Hình 1.2 Cấu trúc địa lý mạng Vùng GSM gồm nhiều quốc gia có mạng di động theo tiêu chuẩn GSM Vùng GMSC: Bao gồm quốc gia vùng địa lý rộng Các mạng vùng phủ chồng lấn lên nhau, liên kết với qua cửa cổng (GMSC) Một mạng GSM đợc chia nhiều vùng phục vụ vùng một vài MSC quản lý Các thuê bao di chuyển vùng không cần cập nhật lại vị trí đến HLR mà thay đổi vị trí VLR (Khi MS chuyển từ vùng định vị sang vùng định vị khác vùng phục vụ) Một vùng phục vụ đợc phân thành nhiều vùng định vị vùng định vị thờng đợc quản lý BSC Khi có tín hiệu tìm gọi thuê bao đợc phát vùng định vị Khi thuê bao dịch chuyển từ vùng định vị sang vùng định vị khác phải cập nhật lại vị trí VLR Một vùng định vị bao gồm nhiều cell (ô) ô đợc phủ sóng BTS Khi thuê bao dịch chuyển từ ô sang ô khác vùng định vị không cần cập nhật lại vị trí ghi VLR, nhng phải thực điều khiển chuyển giao Nh cấu trúc địa lý hệ thống GSM cấu trúc phân lớp tiện lợi cho việc quản lý, định tuyến gọi Quá trình xử lý tín hiệu số biến đổi vào sóng vô tuyến Hình 1.3 Xử lý tín hiệu số biến đổi vào sóng vô tuyến MS máy phát, tiếng từ micro qua lọc thông dải 0,3 ữ 3,4 kHz đa vào A/D Tại A/D tiến hành lấy mẫu (8000 mẫu/s), sử dụng 13 bit để mã hoá tơng ứng tốc độ 8000 x 13 = 104 kbit/s Tín hiệu 13 bit, 8000 mẫu/s đợc chia khoảng 160 mẫu/20ms (chia 8000 mẫu/s thành 50 đoạn) đa vào mã hoá tiếng Sau mã hoá tiếng dòng số 260 bit/20ms (tốc độ 13 kbit/s), 260 bit đợc phân cấp theo tầm quan trọng đợc mã hoá kênh, sau mã hoá kênh, tín hiệu đợc ghép xen, mật mã hoá, lập khuôn cụm sau tín hiệu đợc điều chế vào sóng mang dải tần GSM máy thu tiến hành giải điều chế, cân Viterbi Bộ cân có khả xây dựng mô hình kênh truyền sóng thời điểm để giảm tỉ lệ lỗi bit ảnh hởng pha đinh nhiều tia đờng truyền vô tuyến Bộ cân đa thông tin đến cho giải mã kênh để hiệu chỉnh lỗi Sau tín hiệu đợc giải mật mã, giải ghép xen, giải mã hoá kênh, giải mã tiếng, qua D/A tới loa Giao diện vô tuyến (Um) Trong hệ thống GSM giao diện vô tuyến giao diện phức tạp quan trọng Giao diện vô tuyến GSM 900 bao gồm hai băng tần song công 25 MHz cho đờng lên đờng xuống (Uplink Downlink) dải băng tần 890 - 915 MHz cho hớng lên 935 - 960 MHz cho hớng xuống Trong hệ thống GSM, công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA đợc ứng dụng cho sóng mang có độ rộng băng tần 200 kHz Trong băng tần 25 MHz chia làm 124 dải thông tần, tơng ứng 124 cặp kênh Bắt đầu từ 890,2 MHz với dải thông tần kênh vật lý 200 KHz (25MHz/125 kênh) dải tần bảo vệ biên 200 KHz, tách biệt song công 45 MHz tần số lên tần số xuống Kênh số 125 kênh đợc dùng làm dải phòng vệ Khi băng 900 hết dùng băng 900 mở rộng: lên (882 ữ 915)MHz, xuống (927 ữ 960) MHz Băng 1800: lên (1710 ữ 1785) MHz, xuống (1805ữ1880) MHz MS đợc chế tạo để làm việc 124 tần số tần số mở rộng Về mặt thời gian sóng mang đợc ghép vào khe thời gian với thời gian 577às cho khe thời gian tuân theo công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Mỗi khe thời gian kênh vật lý Một chu kỳ nhắc lại khe thời gian đợc gọi khung TDMA Một khung có độ lâu x 577 = 4,616 ms Để thời gian thu, phát ms không đồng thời kênh đờng lên đờng xuống đặt lệch khe thời gian Nhờ giảm ảnh hởng máy phát đến máy thu việc chuyển thu, chuyển phát đơn giản hơn, có thời gian xử lý tín hiệu điều khiển (của MS) Thông tin báo hiệu số liệu ngời sử dụng đợc bảo vệ chống lỗi giao diện vô tuyến Um thực cách sử dụng mã xoắn chèn chéo Sử dụng điều chế khoá dịch pha tối thiểu Gauss (Gaussian Minmum Shift Keying) giao diện vô tuyến 5.1 Tổ chức kênh vô tuyến - Kênh vật lý: Dây xoắn, cáp đồng trục, khe thời gian Đây kênh thực đo kiểm, quản lý tham số cụ thể nh băng thông, độ suy hao, Trong GSM, khe thời gian đợc coi kênh vật lý Tổng số kênh vật lý hệ thống GSM 124 kênh kênh có khe thời gian, đợc 124 x = 992 kênh vật lý - Kênh logic: kênh ảo, kênh logic truyền tin tức phục vụ chức định Các kênh logic đợc đặt vào kênh vật lý để truyền đi, nhiều kênh logic đợc truyền kênh vật lý Trong mạng GSM có nhiều kênh logic, kênh truyền đồng bộ, tìm gọi, báo hiệu kênh ảo, truyền sử dụng kênh vật lý để truyền 5.2 Các loại kênh logic (Dữ liệu điều khiển) Hình 1.4 Cấu trúc kênh logic giao diện vô tuyến Kênh liệu: TCH (Traffic Channel) toàn tốc 22,8 kbit/s, TCH bán tốc 11,4 kbit/s, gọi kênh lu thông (lu lợng) Các kênh điều khiển: Các kênh báo hiệu điều khiển đợc chia thành ba loại: kênh điều khiển quảng bá, chung dành riêng Kênh quảng bá BCH - Kênh hiệu chỉnh tần số (FCCH: Frequency Correction Channel) kênh mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho trạm MS Đó kênh đờng xuống từ điểm đến đa điểm - Kênh điều khiển đồng SCH (Synchironization Channel) kênh mang thông tin để đồng bít, đồng khe thời gian, khung thời gian cho MS giúp MS nhận dạng ô quản lý (BTS) mã nhận dạng ô Đó kênh đờng xuống, từ điểm đến đa điểm - Kênh điều khiển quảng bá (BCCH: Broad Casting Control Channel) kênh phát quảng bá thông tin chung ô Đây kênh đờng xuống từ điểm đến đa điểm Kênh điều khiển chung (CCCH: Common Control Channel) - Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel): Kênh kênh đờng xuống từ điểm đến điểm, dùng để tìm gọi trạm di động Trong thời gian tín hiệu tìm gọi phát cụm giả (tín hiệu giả) - Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH: Random Access Channel) sử dụng để MS yêu cầu đợc dành kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel) MS nhận đợc PCH loại kênh đờng lên từ điểm đến điểm - Kênh cho phép truy nhập (AGCH: Access Grant Channel): sử dụng để BTS trả lời cho kênh RACH MS đồng ý cho thuê bao truy nhập mạng sau chuẩn bị cấp phát kênh điều khiển riêng (SDCCH) để làm thủ tục truy nhập Kênh điều khiển dành riêng (DCCH: Dedicated Control Channel) - Kênh điều khiển riêng SDCCH: Dùng để MS làm thủ tục truy nhập mạng với BTS Kênh đợc sử dụng dành riêng cho báo hiệu với MS SDCCH đợc sử dụng cho thủ tục cập nhật trình thiết lập gọi trớc ấn định kênh TCH SDCCH đợc sử dụng cho đờng xuống lẫn đờng lên - Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Assoctated Control Channel): Sử dụng để thực trình điều khiển thời gian gọi nh điều khiển công suất, điều khiển đồng bộ, kênh đờng lên, đờng xuống từ điểm đến điểm - Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH: Fast Assocrated Control Channel) Trong trờng hợp đặc biệt ngời ta sử dụng kênh lu thông để truyền tín hiệu báo hiệu, điều khiển (nhận biết nhanh gọi khẩn 10 Hình 3.25 Thủ tục thiết lập gọi W-CDMA UMTS Thủ tục để thiết lập thoại sở W - CDMA UMTS đợc cho hình 3.25 (Bỏ qua truyền tin NBAP) Quá trình bắt đầu yêu cầu truy nhập từ UE Yêu cầu truy nhập đợc phát kênh truyền tải RACH kênh truyền tải CPCH Bản tin đợc phát yêu cầu để thiết lập kết nối RRC (điều khiển tài nguyên vô tuyến), trớc thực giao dịch báo hiệu hay thiết lập vật mang Yêu cầu kết nối RRC bao gồm lý yêu cầu kết nối RNC trả lời tin Thiết lập kết nối RRC Bản tin đợc phát kênh logic CCCH (thờng đợc truyền kênh truyền tải FACH) Nếu kênh truyền tải DCH đợc cấp phát, tin thiết lập kết nối RRC mã ngẫu nhiên để UE sử dụng đờng lên Cần lu ý DPCCH liên kết với DPDCH PPCCH chứa TFCI, TFCI chứa thông tin hệ số trải phổ SF(Spectrum Factor) cho phép UTRAN xác định đợc mã định kênh cho DPDCH Nếu RNC không ấn định môt kênh DCH báo hiệu tiếp tục đợc phát FACH đờng xuống PACH hay CPCH đờng lên UE trả lời RNC tin kết nối RRC hoàn thành Bản tin đợc mang kênh logic DCCH đờng lên Sau UE phát môt tin cho mạng lõi Bản tin đợc phát tin Truyền trực tiếp khởi đầu, cha có thiết lập quan hệ báo hiệu trực tiếp UE mạng lõi Bản tin thị cho RNC mạng lõi cần thiết lập quan hệ báo hiệu nối UE mạng lõi RNC đặt tin truyền trực tiếp khởi đầu vào tin UE khởi đầu RANAP(Radio Access Network Applocation part: Phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) RANAP giao thức báo hiệu Iu, gửi tin đến mạng lõi Trong trờng hợp tin đợc gửi đến MSC Việc chọn MSC hay SGSN phụ thuộc vào thông tin tiêu đề tin Truyền khởi đầu phát từ UE Tiếp theo, MSC khởi đầu thủ tục bảo an Thủ tục bắt đầu nhận thực nguyên tắc hiệu lệnh - trả lời giống nh GSM có 99 điểm khác UE mạng nhận thực lẫn Nghĩa mạng không phát số ngẫu nhiên đến UE để nhận đợc trả lời mà phát thẻ nhận dạng mạng (AUTN: Authentication Token Network) đợc tính toán độc lập mạng HLR để so sánh với AUTN đợc tính toán độc lập UE SIM UE phát yêu cầu nhận thực cách phát tin truyền trực tiếp RANAP giao thức RRC Nếu nhận thực thành công, UE phát trả lời tin trả lời nhận thực để MSC kiểm tra Bản tin đợc mang cách sử dụng khả truyền trực tiếp RANAP RRC Sau mạng lõi khởi đầu thủ tục mã hoá MSC gửi tin Lệnh chế độ bảo mật RRC đến UE UE trả lời MSC tin RANAP Hoàn thành chế độ bảo mật Tại thời điểm này, thông tin thiết lập gọi thực nh: Số điện thoại bị gọi đợc gửi tin Thiết lập từ UE đến MSC cách sử dụng báo hiệu truyền trực tiếp Nếu xử lý đợc gọi này, MSC trả lời tin Đang tiến hành gọi Sau RNC cần thiết lập vật mang truy nhập vô tuyến (RAB) để truyền tải luồng tiếng thực ngời sử dụng RAB vật mang UE mạng lõi để truyền tải số liệu ngời sử dụng Tiếng số liệu gói RAB đợc đặt hay nhiều vật mang vô tuyến giao diện vô tuyến Mỗi RAB có số nhận dạng riêng để sử dụng trình báo hiệu UE mạng Mạng lõi phát yêu cầu thiết lập RAB thông qua tin yêu cầu ấn định RAB RANAP Trên sở thông tin yêu cầu ấn định RAB, NRC thiết lập vật mang vô tuyến cho UE lập lại cấu hình vật mang UE hoạt động RNC sử dụng tin RRC Thiết lập vật mang vô tuyến Lập lại cấu hình vật mang vô tuyến để hớng dẫn UE sử dụng vật mang lập lại cấu hình UE trả lời tin Thiết lập vật mang vô tuyến hoàn thành tin Lập lại cấu hình vật mang vô tuyến hoàn thành Đến lợt RNC trả lời MSC tin RANAP: hoàn thành ấn định RAB Khi có đờng dẫn vật mang từ UE đến MSC 100 Phần lại trình thiết lập gọi hoàn toàn giống nh thiết lập gọi GSM Phần lại bao gồm: Các tin báo chuông, kết nối xác nhận kết nối đợc truyền báo hiệu truyền trực tiếp Cần lu ý kiến trúc phát hành GPP 1999, dịch vụ tiếng chuyển mạch kênh Tuy nhiên tiếng thực đợc đóng gói để truyền giao diện vô tuyến đợc đóng gói để truyền giao diện IuB Iu, nên cần thiết lập vật mang thời gian có gọi 10.Các phiên số liệu gói W - CDMA UMTS Từ quan điểm mạng, dịch vụ gói kiến trúc phát hành GPP 1999 chủ yếu sử dụng chế giống nh chế đợc sử dụng để truyền số liệu cho số liệu GPRS Tuy nhiên có nhiều điểm khác Một điểm khác dễ nhận thấy giao diện Gb GPRS (giữa SGSN BSC) đợc thay giao diện IuPS, sử dụng giao thức RANAP Thay đổi có nghĩa IP đợc sử dụng SGSN RNC Nh mạng IP đợc thiết lập từ SGSN đến RNC Thiết lập dịch vụ gói W- CDMA giống nh GPRS: thông qua tích cực PDD context với tên điểm nhập (APN), tiêu chuẩn QoS, 101 Kết luận Trên toàn nội dung Đồ án tốt nghiệp em với đề tài Hành trình từ GSM lên 3G Trong nội dung Đồ án tốt nghiệp em trình bày cách tổng quan hành trình từ GSM lên 3G mạng W-CDMA Mặc dù thân cố gắng đợc giúp đỡ tận tình thầy giáo hớng dẫn PGS-TS Nguyễn Quốc Trung Song trình độ hiểu biết thân nhiều hạn chế, thời gian chuẩn bị ngắn, nguồn tài liệu không nhiều, nên không tránh khỏi thiếu sót Vậy thân em mong nhận đợc bảo thêm thầy giáo hớng dẫn, góp ý thầy cô giáo khoa Điện tử-Viễn thông nh bạn sinh viên, để em khắc phục thiếu sót để hoàn thiện thêm kiến thức Em xin chân thành cám ơn thầy giáo hớng dẫn PGS-TS Nguyễn Quốc Trung tận tình bảo cho em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Trần Hùng 102 Tài liệu tham khảo TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động GSM, Trung tâm thông tin Bu điện, Nhà xuất Bu điện, 1999 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình thông tin di động hệ ba, Học viện Công nghệ Bu Viễn thông, Nhà xuất Bu điện, 2004 3.TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động hệ (Tập 1), Học viện Công nghệ Bu Viễn thông, Nhà xuất Bu điện, 2001 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động hệ (Tập 2), Học viện Công nghệ Bu Viễn thông, Nhà xuất Bu điện, 2002 TS Nguyễn Phơng Loan KS Bùi Thanh Sơn, Hành trình từ GSM lên 3G giải pháp GPRS, Nhà xuất Bu điện, 2002 6.Sổ tay giới thiệu W-CDMA Chỉ dẫn mạng dịch vụ (Biên dịch hiệu đính: phòng khcn ptm), Nhà xuất Bu điện, 2002 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ đa truy nhập vô tuyến, Học viện Công nghệ Bu Viễn thông, Nhà xuất Bu điện, 2004 Mục lục Lời nói đầu 103 Chơng I: Mạng thông tin di động GSM .2 Giới thiệu 2 Cấu trúc hệ thống GSM .2 2.1 Hệ thống trạm gốc BSS .3 2.2 Hệ thống chuyển mạch SS 2.3 Trạm di động MS Trạm di động MS thực hai chức năng: 2.4 Hệ thống khai thác bảo dỡng mạng (OMC) Cấu trúc địa lý mạng: Quá trình xử lý tín hiệu số biến đổi vào sóng vô tuyến Giao diện vô tuyến (Um) 5.1 Tổ chức kênh vô tuyến 5.2 Các loại kênh logic (Dữ liệu điều khiển) .9 5.3 Mã hoá kênh điều chế 11 5.4 Tổ chức khung GSM .12 5.5 Truyền kênh logic kênh vật lý .12 Mô tả trình thiết lập gọi mạng GSM 12 6.1 Trạm di động (MS) thực gọi: 12 6.2 MS nhận gọi 14 Dịch vụ số liệu GSM: .17 Bảo mật GSM 17 8.1 Đánh số nhận dạng thuê bao vùng mạng 17 8.2 Nhận thực thuê bao 18 Ví dụ việc sử dụng số nhận dạng thuê bao vùng mạng 19 Chơng II: Phát triển GSM đến hệ 2,5 24 Mở đầu 24 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM hệ hai sang W-CDMA hệ ba .24 2.1.Công nghệ Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) 25 2.1.1 Cấu trúc hệ thống HSCSD 26 2.1.1.1.Chức thích ứng đầu cuối (TAF: Terminal Adapter Function) 27 2.1.1.2 Máy di động đầu cuối giao diện vô tuyến 27 2.1.1.3 Trạm thu phát gốc BTS 27 2.1.1.4 Giao diện Abis 27 2.1.1.5 Bộ chuyển đổi mã/ thích ứng tốc độ (TRAU:Transcoder/Rate Adaptor Unit) .27 2.1.1.6 Giao diện A 27 2.1.1.7 Trung tâm chuyển mạch di động MSC khối chức phối hợp IWF (Interworking Unit) 28 2.2 Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) 28 2.2.1.Mở đầu 28 2.2.2.Cấu trúc mạng GPRS 29 104 2.2.3 Giao diện giao thức mạng GPRS 34 2.2.3.1 Mặt phẳng truyền dẫn: .34 2.2.3.2 Mặt phẳng báo hiệu 35 2.2.4 Cấu trúc đa khung giao diện vô tuyến GPRS .36 2.2.5 Các kênh logic GPRS .36 2.2.5.1 Kênh điều khiển quảng bá kiểu gói (PBCCH): .36 2.2.5.2 Kênh điều khiển chung gói ( PCCCH: Packet Common Control Channel) .36 2.2.5.3 Các kênh lu lợng số liệu gói (PDTCH: Packet Data Traffic Channel) .37 2.2.5.4 Các kênh điều khiển dành riêng gói (PDCCH: Packet Dedicated Control Channel) 37 2.2.6 Các kịch lu lơng GPRS .38 2.2.6.1 Nhập mạng GPRS 40 2.2.6.2 Nhập mạng GPRS/GSM kết hợp 44 2.2.7 Thiết lập PDP Context ( phiên số liệu gói) .45 2.3 Tốc độ số liệu tăng cờng để phát triển GSM (EDGE) .45 2.3.1 Kiến trúc mạng EDGE .46 2.3.1.1 Điều chế 46 2.3.1.2 Các kênh logic giao diện vô tuyến 47 2.4.Giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP) 48 Chơng III: Mạng thông tin di động W-CDMA (3G) 50 Mở đầu 50 2.Tổng quát công nghệ ATM giao thức TCP/IP 51 2.1.Công nghệ ATM 52 2.2.Giao thức TCP/IP .53 Mô hình tham khảo mạng W-CDMA .55 3.1 Cấu trúc mạng sở W-CDMA GPP 1999 55 3.2 Kiến trúc mạng phân bố GPP phát hành .57 3.3 Kiến trúc mạng đa phơng tiện IP 3GPP 59 3.4 Kiến trúc mạng di động toàn IP phát hành 2000 .62 Các kỹ thuật xử lý số truyền dẫn vô tuyến số hệ thống thông tin di động hệ ba 64 4.1.Sơ đồ khối thiết bị thu phát vô tuyến số hệ thống thông tin di động hệ ba 64 4.2 Mã hoá kiểm soát lỗi đan xen 65 4.2.1 Mã vòng .65 4.2.2 Mã xoắn .66 4.2.3.Mã hoá Turbo 66 4.2.4 Đan xen W-CDMA 67 4.3 Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp (DSCDMA) 67 4.3.1 Nguyên lý DS-CDMA .67 105 4.3.2 Đồng mã 69 4.4 Điều khiển công suất chuyển giao 69 4.4.1 Điều khiển công suất 69 4.4.2 Chuyển giao mềm mềm 70 4.4.2.1 Chuyển giao mềm 70 .71 4.4.2.2.Chuyển giao mềm .71 4.4.3 Chuyển giao cứng 71 Lớp vật lý W-CDMA 72 5.1 Mở đầu 72 5.2 Trải phổ ngẫu nhiên hoá kênh vật lý 72 5.3.Các mã định kênh 74 5.4 Các kênh vật lý đờng lên đờng xuống 77 5.4.1 - Các kênh vật lý đờng lên 77 5.4.1.1 Ghép kênh mã I - Q điều chế cho kênh vật lý đờng lên 78 5.4.1.2 Sơ đồ trải phổ điều chế kênh vật lý đờng lên 79 5.4.1.3 Sơ đồ điều chế sóng mang cho kênh vật lý đờng lên 81 5.4.2 Các kênh vật lý đờng xuống .82 5.4.2.1 Trải phổ đờng xuống ngẫu nhiên hoá đờng xuống cho kênh vật lý trừ kênh SCH .82 5.4.2.2 Điều chế đờng xuống 84 5.4.2.3.Các kênh truyền tải xếp chúng lên kênh vật lý 84 Hoạt động kênh vật lý 87 7.Cấu trúc mạng W-CDMA UMTS .90 7.1 Cấu trúc tổng quát .90 7.2 Các phần tử mạng W-CDMA UMTS giao diện 90 7.2.1.UE (User Equipment-Thiết bị ngời sử dụng) 92 7.2.2 Nút B: 92 7.2.3 Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC): .92 7.2.4 Các phần tử mạng lõi: .92 7.2.5.Các loại giao diện: 93 7.3 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS, UTRAN 94 Giao diện vô tuyến (Uu) 96 Thiết lập gọi W - CDMA UMTS 98 10.Các phiên số liệu gói W - CDMA UMTS .101 Kết luận 102 Tài liệu tham khảo 103 Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp .108 108 106 Thuật ngữ viết tắt A/D Analog /Digital Bộ chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành số AGC Automatic Gain Control Tự điều khuếch AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập AICH Acquisition Indication Channel Kênh thị bắt ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSIC Basic Station Identity Code Mã nhận dạng trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CD/CA-ICH Collision Detection/ Channel Assignment Indicator Channel Kênh thị ấn định kênh/ phát xung đột CD/CA-ICH Collision Detection/Channel Asignment Indicator Channel Kênh thị ấn định kênh/ Phát xung đột CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CN Core Network Mạng lõi CPCH Common Physical Channel Kênh vật lý chung CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CRC Cyclic Redundancy Check Mã dịch vòng CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh 107 CSCF Call State Control Function Chức điều khiển trạng thái gọi CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh thị trạng thái CPCH CSPDN Circuit Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh D/A Digital/Analog Bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tơng tự DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng DPCH Downlink Physical Channel Kênh vật lý đờng xuống DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh vật lý số liệu riêng DRNC Drift Radio Network Controller DS SS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA Direct Sequence- Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đờng xuống EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cờng để phát triển GSM EIR Equipment Identity Register Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị ETSI European Telecommunication Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu FACCH Fast Assocrated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh Bộ điều khiển mạng vô tuyến trôi chuỗi trực tiếp 108 FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đờng xuống GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng GMSC Gateway Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạnh dịch vụ di động cổng GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức xuyên đờng hầm GPRS HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thờng trú HSCSD High Speed Circuit Switched Data Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Dịch vụ thuê bao thờng trú (Đăng ký thờng trú) IF Intermediate Frequency Trung tần IMSI International Mobile Station Identity Nhận dạng trạm di động quốc tế IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ IWF Interworking Function Chức tơng tác mạng LAI Location Area Identity Nhận dạng vùng định vị MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian MCC Mobile Country Code Mã nớc ME Mobile Equipment Thiết bị di động 109 MGCF Media Gateway Control Function Chức điều khiển cổng phơng tiện MGW Media Gateway Cổng phơng tiện MNC Mobile Network Code Mã mạng MRF Multimedia Resuorce Function Chức tài nguyên đa phơng tiện MS Mobile Station Trạm di động Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạnh dịch vụ di động Mobile Station Identity Number Số nhận dạng trạm di động MSC MSIN MSRN Mobile Station Random Number Số lu động trạm di động MT Mobile Terminal Máy di động OMC Operation and Management Center Hệ thống khai thác bảo dỡng mạng PACCH Packet Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết gói PAGCH Packet Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập gói PCCCH Packet Common Control Channel Kênh điều khiển chung gói P-CCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCH Paging Channel Kênh tìm gọi PCPCH PCU Physical Common packet Channel Packet Control Unit Kênh vật lý gói chung Khối điều khiển liệu gói 110 PDN Packet Data Network Mạng liệu gói PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh vật lý chia sẻ đờng xuống PDTCH Packet Data Traffic Channel Các kênh lu lợng số liệu gói PICH Paging Indicator Channel Kênh thị tìm gọi PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đất PN Pseudo Noise Giả tạp âm PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập vật lý ngẫu nhiên PRACH Packet Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên gói PS Packet Switch Chuyển mạch gói PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha PSPDN Packet Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc RAB Radio Access Bearer Vật mang truy nhập vô tuyến RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RANAP Radio Access Network Application Part Phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (cao tần) 111 RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RSC Recursive Systematic Convolutional Bộ mã hoá xoắn hệ thống hồi quy R-SGW Roaming Signaling Gateway Cổng báo hiệu chuyển mạng S-CCPCH Secondary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp SCH Synchronous Channel Kênh đồng SF Spreading Factor Hệ số trải phổ SGSN Serving GPRS Support Note Điểm hỗ trợ GPRS phục vụ Tổng đài di động có cổng cho dịch SMS-GMSC Short Message Service GatewayMobile Switching center vụ tin ngắn SMS-IWMSC Short Message Service Interworking Mobile Switching center Tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ SRNC Bộ điều khiển mạng vô tuyến phục vụ Serving Radio Network Controller tin ngắn TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối TMSI Tempoary Mobile Station Identity Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời TRAU Transcoder Rate Adaptor Unit Khối thích ứng tốc độ chuyển đổi mã T-SGW Transport Signaling Gateway Cổng báo hiệu truyền tải UE User Equipment Thiết bị ngời sử dụng 112 UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UPCH Uplink Physical Channel Kênh vật lý đờng lên USIM UMTS subscriber Identity Module Mô-đun nhận dạng thuê bao UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú VoIP Voice Over IP Tiếng IP W-CDMA Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập vô tuyến phân chia theo Access mã băng rộng 113 [...]... BSC trên đờng báo hiệu vô tuyến Yêu cầu mã hoá: Quá trình nhận thực đợc hoàn thành (đợc thực hiện với các thuật toán và mã khoá dùng trong GSM là A3, A4, A8 và ki), MSC sẽ gửi đến BSC một lệnh yêu cầu mã hoá quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC Hoàn thành quá trình mã hoá: MS trả lời hoàn thành quá trình mã hoá bằng cách gửi bản tin Hoàn thành chế độ mã hoá (Ciphering Mode Complete) 15 Bản tin... cao từ máy di động và các dịch vụ truyền thông đa phơng tiện khác Các nhu cầu trên là vợt ra ngoài khả năng của mạng GSM Các nhà khai thác GSM trên thế giới đang từng bớc nâng cấp mạng GSM để đáp ứng nhu cầu của ngời sử dụng mạng Đối với các nhà khai thác việc loại bỏ hẳn công nghệ đang dùng để tiếp cận ngay mạng 3G là việc không khả thi về mặt kinh tế Vì vậy họ phải chọn giải pháp là nâng cấp mạng GSM. .. tâm chuyển mạch BSC trên đờng báo hiệu vô tuyến Yêu cầu mã hoá: Sau quá trình nhận thực đợc hoàn thành (quá trình nhận thực đợc thực hiện với các thuật toán và khoá bảo mật dùng trong GSM là A 3, A4, A8 và ki), MSC sẽ gửi đến BSC một lệnh yêu cầu mã hoá quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC (Ciphering Mode: Chế độ mã hoá) Quá trình này đợc thiết lập hay không là phụ thuộc vào BSC và MSC thiết lập... thời đáp ứng nhu cầu của ngời sử dụng cũng nh chuẩn bị cơ sở hạ tầng kỹ thuật sau đó mới tiến lên 3G 2 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM thế hệ hai sang W-CDMA thế hệ ba Để đáp ứng đợc các dịch vụ mới đồng thời đảm bảo tính kinh tế hệ thống thông tin di động thế hệ hai sẽ đợc chuyển đổi từng bớc sang thế hệ ba Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này nh sau: HSCSD = High Speed... giao diện này là đảm bảo truyền xuyên các gói từ một SGSN cũ đến một SGSN mới khi xảy ra cập nhật định tuyến trong thời gian một phiên số liệu gói Quá trình chuyển hớng các gói từ một SGSN này đến một SGSN khác rất ngắn đúng bằng thời gian mà SGSN mới và SGSN thiết lập PDP context giữa chúng Quá trình này khác với chuyển giao giữa các MSC ở GSM ở trờng hợp GSM, MSC đầu tiên vẫn duy trì vai trò MSC neo... lập hay không là phụ thuộc vào BSC và MSC thiết lập chế độ mã hoá là ON hay OFF Nếu chế độ mã hoá là ON thì thuật toán A5.2 và ki đợc sử dụng 13 Hoàn thành quá trình mã hoá: MS trả lời hoàn thành quá trình mã hoá bằng cách gửi bản tin thực hiện xong quá trình mã hoá (Ciphering Mode Complete) MS thiết lập cuộc gọi: Trạm di động MS gửi bản tin thiết lập cuộc gọi trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập... tin xác nhận kết nối đợc gửi trả lại tổng đài di động MSC để đi đến tổng đài của máy chủ gọi Thiết lập cuộc gọi thành công: 16 Kết nối cuộc gọi đợc thiết lập và cuộc thoại đợc tiến hành 7 Dịch vụ số liệu trong GSM: Số liệu cũng nh thoại trong GSM sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh Tiêu chuẩn GSM đã định nghĩa đầy đủ các chức năng đấu nối với các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN, mạng số liên... liệu GSM- ISDN là cách kết nối toàn trình (end to end hay còn gọi là từ đầu cuối đến đầu cuối) Trong kết nối hoàn toàn số ISDN, không có kết nối Modem đã làm giảm đáng kể thời gian thiết lập cuộc gọi Sự phát triển thêm nhiềm hơn các ứng dụng thông minh trong mạng GSM đang diễn ra trong lĩnh vực công nghiệp phần mềm Tuy nhiên, một vài ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền số liệu cao làm cho hệ thống GSM không... thực thuê bao thay cho MSC/VLR trong hệ thống GSM SGSN sẽ nhận bộ ba thông số nhận thực từ HLR/AUC - Trung tâm nhận thực AUC (Authentication User Centrer) cung cấp bộ ba thông số nhận thực dành cho việc nhận thực và thực hiện mã hoá đờng truyền Thủ tục nhận thực trong GPRS và GSM là nh nhau, chỉ có quá trình mã hoá đờng truyền là thay đổi so với hệ thống GSM, sự thay đổi này không tác động gì đến AUC,... năng truyền số liệu trên mạng GSM bằng cách cấp phát nhiều khe thời gian hơn cho ngời sử dụng Để thực hiện đợc nhiệm vụ này, tiêu chuẩn GSM đã đợc sửa đổi chẳng hạn nh mã hoá kênh 14,4 kbit/s thay thế cho mã hoá kênh 9,6 kbit/s dùng để hỗ trợ cho truyền số liệu Bốn kênh 14,4 kbit/s đợc kết hợp thành một kênh 57,6 kbit/s Với việc sử dụng công nghệ HSCSD máy điện thoại GSM và các thiết bị di động có