Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS kiến trúc phân lớp, các kênh, mã trải phổ

DANH MỤC HÌNH VẼHình 1 : Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 11G lên thế hệ 4 4GHình 2 : Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP Hình 3 : Lộ trình tăng tốc

MỤC LỤC

2, Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G-WCDMA UMTS 11

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 : Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1(1G ) lên thế hệ 4 (4G)Hình 2 : Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 3 : Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

Hình 4 : Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

Hình 5 : Kiến trúc phân lớp giao thức trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTSHình 6 : Các kênh LoCH, TrCH và sắp xếp các kênh LoCH lên các kênh TrCH

Hình 7 : Tổng kết các kiểu kênh vật lý

Hình 8 : Các kênh vật lý và sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

Hình 9 : Tổng kết các kênh trong 2 mặt phẳng CP và UP

Hình 10 : Ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

Hình 11 : Chuyển đổi giữ các kênh truyền tải và kênh vật lý

Hình 12 : Cây mã OVSF

Hình 13 : Phân cấp mã ngẫu nhiên hoá

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

WCDMA : Wideband Code Division Multiple Access - Đa truy cập phân mã băng rộng

UMTS : Universal Mobile Telecommunications System - Hệ thống thông tin di động toàn

cầuCDMA : Code Division Multi Access - Đa truy nhập phân chia theo mãGSM : Global System for Mobile Telecommucations - Hệ thống thông tin di động toàn

cầu

AMPS : Advanced Mobile Phone System - Hệ thống thoại di động tiên tiếnTACS : Total Access Communication System - Tổng số truy cập hệ thống truyền

thông

IMT : International Mobile Telecommnications - Viễn thông di động quốc tế

IEEE : Institute of Electrical and Electtronics Engineers - Viện kỹ nghệ điện và điện tử

WiMAX : Worldwide Interoperability for Microwave Access - Tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho việc

kết nối internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn

3GPP : Third Generation Parnership Project - Đề án của các đối tác thế hệ ba

GPS : Global Positioning System - Hệ thống xác định vị trí dựa trên

vị trí

WLAN : Wireless local area network - Mạng cục bộ (LAN) gồm các máy

tính liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến

RAN : Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến - Mạng truy nhập vô tuyến

UTRAN : UMTS Terrestrial Radio Network - Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

của UMTS

PSTN : Public Switched Telephone Network - Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộngPLMN : Public Land Mobile Network - Mạng di động công cộng mặt đất

GMSC : Gateway Mobile Switching Center - Định tuyến thiết lập cuộc gọi

GGSN : Gateway GPRS Support Node - Nút hỗ trợ cổng nối GPRS

TDMA : Time Division Multi Access - Đa truy nhập phân chia theo thời

gianGERAN : GSM EDGE Radio Access Network - Mạng truy nhập vô tuyến dưa trên

công nghệ EDGE của GSM

USIM : UMTS Subscriber Identity Module - Module nhận dạng thuê bao

UMTS

EIR : Equipment Identity Register - Bộ ghi nhận dạng thiết bị

GPRS : General Packet Radio Service - Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

PDPC : Packet Data Convergence Protocol - Giao thức hội tụ số liệu gói

BMC : Broadcast/Multicast Control - Điều khiển quảng bá/đa phương

PCCH : Paging Control Channel - Kênh điều khiển tìm gọi

DPDCH : Dedicated Physical Data Channel - Kênh vật lý số liệu riêng

DPCCH : Dedicated Physical Control Channel - Kênh vật lý điều khiển riêngPRACH : Physical Random Access Channel - Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiênPCPCH : Physical Common Packet Channel - Kênh vật lý gói chung

P-CCPCH : Primary Common Control Physical Channel - Kênh vật lý điều khiển chung sơ

cấpS-CCPCH : Secondary Common Control Physical Channel - Kênh vật lý điều khiển chung thứ

cấp

PDSCH : Physical Downlink Shared Channel - Kênh vật lý chia sẻ đường xuốngAICH : Acquisition Indication Channel - Kênh chỉ thị bắt

AP-AICH : Access Preamble Acquisition Indicator Channel - Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhậpCD/CA-

ICH

: CPCH Collision Detection/ Channel Assignment

Indicator Channel

- Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh

CSICH : CPCH Status Indicator Channel - Kênh chỉ thị trạng thái CPCH

doanh vô tuyến

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

√ Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ của các hệ thống thông tin di động

√ Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động

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 đã được ITU chấp 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

Trong bài tiểu luận này, nhóm em lựa chọn đề tài “Giao diện vô tuyến của hệ thống 3G WCDMA UMTS” Bài tiểu luận sẽ tập trung đi sâu tìm hiểu về các kiến trúc phân lớp, các kênh

I, Hệ thống thông tin di động 3G-WCDMA UMTS

1, Sơ lược về lịch sử phát triển

AMPS: Advanced Mobile Phone System

TACS: Total Access Communication System

GSM: Global System for Mobile Telecommucations

WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access

EVDO: Evolution Data Only

IMT: International Mobile Telecommnications

IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers

WiFi: Wireless Fidelitity

WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access

LTE: Long Term Evolution

UMB: Untra Mobile Broadband

Hình 1 Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1(1G ) lên thế hệ 4 (4G)

Hình 2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 3 Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (Third Generation) Đã có rất nhiều người nhầm lẫn một cách vô ý hoặc hữu ý giữa hai khái niệm 3G

và UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems).

Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh ) 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ định

vị toàn cầu (GPS); E-mail

Thế hệ mạng 3G được nhà mạng Verizon (Mỹ) giới thiệu lần đầu tiên năm 2002, hiện vẫn được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với tốc độ trung bình 1,5 Mbps Cuộc cách mạng 3G mang đến những bước tiến vượt bậc về tốc độ, cho phép sử dụng các ứng dụng video, đồ họa và thoại

như xem các video phát trực tiếp, họp qua mạng, mặc dù các dịch vụ này bị hạn chế ít nhiều bởi tốc độ truyền tải chưa cao Một trong số các vấn đề của 3G chính là chuẩn hóa một giao thức mạng toàn cầu đơn nhất, thay vì một loại các chuẩn được triển khai khác nhau theo nhà mạng và

Về mặt lý thuyết, 3G đạt tốc độ trung bình 2Mpbs, nhưng có khi chỉ ở mức 145 Kbps

Do có nhận thức rõ về tầm quan trọng của các hệ thống thông tin di động mà ở châu Âu, ngay khi quá trình tiêu chuẩn hoá GSM chưa kết thúc người ta đã tiến hành dự án nghiên cứu RACE 1043 với mục đích chính là xác định các dịch vụ và công nghệ cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cho năm 2000 Hệ thống 3G của châu Âu được gọi là UMTS Những người thực hiện dự án mong muốn rằng hệ thống UMTS trong tương lai sẽ được phát triển từ các hệ thống GSM hiện tại Ngoài ra người ta còn có một mong muốn rất lớn là hệ thống UMTS sẽ có khả năng kết hợp nhiều mạng khác nhau như PMR, MSS, WLAN… thành một mạng thống nhất

có khả năng hỗ trợ các dịch vụ số liệu tốc độ cao và quan trọng hơn đây sẽ là một mạng hướng dịch vụ

2, Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G-WCDMA UMTS

Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM Trên đường phát triển đến mạng toàn

IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói Hình 1.4 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi

Hình 4 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến

BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc

BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc

RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc

CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh

PS: Packet Switch: chuyển mạch gói

SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin

Server: máy chủ

PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi

là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS) 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 dưa trên công nghệ EDGE của GSM) Tài liệu chỉ xét

đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3G WCDMA UMTS

Vì TTDĐ 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh Ngoài ra TTDĐ 3G cũng được sử dụng cho các dịch vụ tiếng Nói chung TTDĐ 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông đa phương tiện Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ QoS ở W-CDMA được phân loại như sau:

+ Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (thoại chẳng hạn) + Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ (phân phối

truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming)

+ Loại tương tác (Interactive, nrt): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỷ lệ lỗi thấp

(trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn)

+ Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được thực hiện trên nền cơ sở

(e-mail, tải xuống file: Video Download)

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5 Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói) Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được truyền trên miền PS R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền

CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP

+ WCDMA UMTS R3:

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố định và Internet Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là

"luôn luôn kết nối" đến Internet UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.8) UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module) UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi trường nhà)

HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị)

+ WCDMA UMTS R4:

Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào

Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway) MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server

+ WCDMA UMTS R5:

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện IP (hình 1.11) Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu

II, Giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS

còn giải pháp thứ hai chủ yếu sẽ được triển khai cho các ô nhỏ (Micro và Pico) Hiện nay mới chỉ

có WCDMA/FDD được triển khai phổ biến rộng khắp toàn quốc

Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190 MHz: đường lên có băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz, đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 Mhz Mặc dù 5 MHz là độ rộng băng danh định, ta cũng có thể chọn độ rộng băng từ 4,4 MHz đến 5 MHz với nấc tăng là 200 KHz Việc chọn độ rộng băng đúng đắn cho phép ta tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác

Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và từ 2010 MHz đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần

Giao diện vô tuyến của W-CDMA/FDD (để đơn giản ta sẽ bỏ qua ký hiệu FDD nếu không xét đến TDD) hoàn toàn khác với GSM và GPRS, W-CDMA sử dung phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps Trong WCDMA mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vô tuyến của GSM Vì thế khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế Một số nhà sản xuất cũng đã có kế hoạch nâng cấp các GSM BTS cho WCDMA Đối với các nhà sản suất này có thể chỉ tháo ra một số bộ thu phát GSM từ BTS và thay vào đó các bộ thu phát mới cho WCDMA Một số rất ít nhà sản suất còn lập kế hoạch xa hơn Họ chế tạo các BSC đồng thời cho cả GSM và WCDMA Tuy nhiên đa phần các nhà sản suất phải thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA

W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM, GPRS hiện có cho mạng của mình Các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng cấp từ mạng hiện có để hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM

Giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD được xây dựng trên ba kiểu kênh: kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý Kênh logic được hình thành trên cơ sở đóng gói các thông tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh truyền tải Nhiều kênh truyền tải được ghép chúng vào kênh vật lý Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập CDMA kết hợp với FDMA/FDD Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và một mã trải phổ Ngoài ra kênh vật lý đường lên còn được đặc trưng bởi góc pha Trong phần dưới đây ta trước hết ta xét kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến sau đó ta sẽ xét giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD, sau đó sẽ xét các kênh này

2 Kiến trúc phân lớp trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS

Để đi sâu tìm hiểu thêm thì đầu tiên ta xét qua mô hình kiến trúc phân lớp giao thức trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS

Hình 5 Kiến trúc phân lớp giao thức trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS

Giao diện vô tuyến được chia thành 3 lớp giao thức:

- Lớp vật lý (L1): Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến như điều chế và mã hóa, trải phổ v.v

- Lớp liên kết nối số liệu (L2): Lập khuôn số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp

Lớp 3-Lớp mạng và RLC được chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C-Plane)

và mặt phẳng người sử dụng (U-Plane) PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U Trong mặt phẳng

C lớp 3 bao gồm RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) kết cuối tại