Công nghệ w CDMA và giải pháp nâng cấp mạng GSM lên w CDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGÔ XUÂN CƯỜNG CÔNG NGHỆ W_CDMA VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG GSM LÊN W_CDMA CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.TRẦN VĂN CÚC Hà Nội – Năm 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi Ngô Xuân Cường, học viên lớp cao học ĐT1, khóa 2008 – 2010 Thầy hướng dẫn TS.Trần Văn Cúc Tôi xin cam đoan toàn nội dung trình bày luận văn kết tìm hiểu nghiên cứu riêng tôi, trình nghiên cứu đề tài “Công nghệ WCDMA giải pháp nâng cấp mạng GSM lên WCDMA” Các kết liệu nêu luận văn hoàn toàn trung thực rõ ràng Mọi thông tin trích dẫn tuân theo luật sở hữu trí tuệ liệt kê rõ ràng tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung viết luận văn Hà Nội, Ngày tháng 10 năm 2010 Người cam đoan Ngô Xuân Cường Mục Lục LỜI CAM ĐOAN Mục Lục .3 Bảng tra cứu từ viết tắt Lời giới thiệu .13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 15 1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động 15 1.2 Các đặc tính 18 1.3 Xu phát triển mạng thông tin di động 18 1.4 Cấu trúc chung hệ thống thông ti di động 24 1.5 Thông tin di động hệ ba (3G) .32 CHƯƠNG GIẢI PHÁP GPRS TRÊN MẠNG GSM 51 2.1.Kiến trúc mạng GPRS 51 2.1.1 Node GSN 52 2.1.2 Mạng Backbone 55 2.1.3 Cấu trúc BSC GPRS .56 2.2.Cấu trúc liệu GPRS .57 2.3.Các giải pháp nâng cấp lên GPRS cho mạng GSM Việt Nam 59 2.3.1.Giải pháp hãng Alcatel (Pháp) .59 2.3.2.Giải pháp hãng Ericson (Thụy Điển) 60 2.3.3.Giải pháp hãng Motorola (Mỹ) 61 2.3.4.Giải pháp hãng Siemen (Đức) 62 2.4.EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) 62 2.4.1.Tổng quan 62 2.4.2.Kỹ thuật điều chế EDGE 63 2.4.3.Giao tiếp vô tuyến .64 2.4.4.Các kế hoạch cần thực áp dụng EDGE mạng GSM 65 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA .69 3.1.Cấu trúc mạng W-CDMA 70 3.1.1 Giao diện vô tuyến UTRAN – CN, IU 74 3.1.2 Giao diện vô tuyến RNC – RNC, IUr 75 3.1.3 Giao diện vô tuyến RNC – Node B, IUb 76 3.2.Các giải pháp kỹ thuật W-CDMA 76 3.2.1.Mã hóa 76 3.2.2.Điều chế BIT/SK QPSK 79 3.3.1.Giới thiệu 82 3.3.2.Nguyên lý trải phổ DSSS 83 3.3.3.Mã trải phổ 84 3.4.Truy nhập gói 86 3.4.1.Tổng quan truy nhập gói W-CDMA 86 3.4.2.Lưu lượng số liệu gói 86 3.4.3.Các phương pháp lập biểu gói 87 3.5.Quy hoạch mạng WCDMA .89 3.5.1 Suy hao đường truyền trình truyền lan tín hiệu 89 3.5.2 Mô hình tính suy hao đường truyền 89 3.5.3 Dung lượng kết nối vô tuyến .96 3.5.4 Suy giảm đường truyền lớn cho phép 98 3.5.5.Tối ưu mạng 99 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUY HOẠCH MẠNG W_CDMA .100 4.1 Lưu đồ tính toán 100 4.1.1.Lưu đồ thuật toán tổng quát 100 4.1.2.Lưu đồ thuật toán chi tiết 101 4.2 Kết chương trình 103 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 Bảng tra cứu từ viết tắt A ACCH Associated Control Channels Kênh điều khiển liên kết AI Acquisition Indicator Chỉ thị bắt AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động AS Access Stratum Tầng truy nhập B BCCH Broadcast Control Channel Kênh quảng bá điều khiển BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BER Bit Error Ratio Tỷ số bit lỗi BSC Base Station Controler Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm vô tuyến gốc BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân C CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập chia theo mã C/I Carrier to Interference ratio Tỷ số sóng mang nhiễu CCCH Common Control Chanel Kênh điều khiển chung CCPCH Common Control Physical Chanel Kênh vật lý điều khiển chung CPCC Common Power Control Chanel Kênh điều khiển công suất chung CPCH Common Packet Chanel Kênh gói chung CPICH Common Pilot Chanel Kênh hoa tiêu chung CR Chip Rate Tốc độ chip (tương đương với tốc độ trải phổ kênh) CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh D DCA Dynamic Chanel Allocation Phân bổ kênh động DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng DPCCH Dedicated Physical Control Chanel Kênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Chanel Kênh vật lý riêng DPDCH Dedicated Physical Data Chanel Kênh số liệu vật lý riêng DTCH Dedicated Traffic Chanel Kênh lưu lượng riêng DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối số liệu DSCH Downlink Shared Chanel Kênh dùng chung đường xuống E EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution Tăng tốc độ truyền dẫn… ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện Tiêu chuẩn viễn thông châu Âu F FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh FACH Forward Access Chanel Kênh truy nhập đường xuống FAUSCH Fast Uplink Signalling Chanel Kênh báo hiệu đường lên nhanh FCCCH Forward Common Control Chanel Kênh điều khiển chung đường xuống FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số FDD Frequency Division Duplex Ghép kênh song công phân chia theo tần số FDMA Frequence Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FDCCH Forward Dedicated Control Chanel Kênh điều khiển riêng đường xuống FSK Frequency Shift Keying Khoá điều chế dịch tần G GOS Grade Of Service Cấp độ phục vụ GSM Global System for Mobile Communication Thông tin di động toàn cầu GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung H Handover Chuyển giao HH Hard Handoff Chuyển giao cứng HSCSD Hight Speed Circuit Switched Data Hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ cao I IMT-2000 International Mobile Telecommunication Tiêu chuẩn thông tin di động toàn cầu IMSI International Mobile Subscriber Identity Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IP Internet Protocol Giao thức Internet IS-54 Interim Standard 54 Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA Mỹ (do AT&T đề xuất) IS-136 Interim Standard 136 Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến Mỹ (AT&T) IS-95A Interim Standard 95A Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến Mỹ (Qualcomm) ISDN Integrated Servive Digital Network Mạng số đa dịch vụ ITU-R International Mobile Telecommunication Union Radio Sector Liên minh viễn thông quốc tế - phận vô tuyến IWF InterWorking Function Chức tương tác mạng L LAC Link Access Control Điều khiển truy nhập liên kết LAI Location Area Indentify Nhận dạng vùng vị trí LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic LR Location Registration Đăng ký vị trí M ME Mobile Equipment Thiết bị di động MS Mobile Station Trạm di động MTP Message Transfer Part Phần truyền tin MSC Mobile Service Switching Center Tổng đài di động N NAS Non-Access Stratum Tầng không truy nhập Node B Là nút logic kết cuối giao diện IuB với RNC NSS Network and Switching Subsystem Hệ thống chuyển mạch O ODMA Opportunity Driven Multiplex Access Đa truy cập theo hội OM Operation and Management Khai thác bảo dưỡng P PAGCH Paging and Access Kênh chấp nhận truy cập nhắn tin PCCC Parallel Concatenated Convolutional Code Mã xoắn móc nối song song PCCH Paging Contrlo Chanel Kênh điều khiển tìm gọi PCH Paging Channel Kênh nhắn tin PCPCH Physical Common Packet Chanel Kênh gói chung vật lý PCS Personal Communication Services Dịch vụ thông tin cá nhân PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PSTN Public Switched Telephone Network Mạng chuyển mạch thoại công cộng 10 D : Chỉ số EIRP trạm di động (D = A - C ) A : Công suất trạm di động C : Tổn hao thể O : Độ nhạy trạm gốc thu (O = K – M + N) K : Tổng số nhiễu tạp âm ảnh hưởng (K = I + J) I : Công suất tạp âm trạm gốc thu (I = G + 10ln(H)) G : Mật độ tạp âm trạm gốc thu (G = E + F) E : Mật độ tạp âm nhiệt F : Hệ số tạp âm trạm gốc thu H,L : Tốc độ Chip tốc độ bit J: Độ dự trữ nhiễu M : Độ lợi xử lý (M = 10ln(H/L)) N : Eb/N0 Cần thiết (Độ dự trữ cần thiết Angten phát BS) P : Độ lợi Angten trạm gốc Q : Tổn hao cáp Anten trạm gốc R : độ dự trữ fading log chuẩn (phụ thuộc vào xác suất vùng phủ) S : Tổn hao xe T : Độ lợi chuyển giao mềm U: Độ dự trữ fading nhanh(dùng vào việc điều khiển công suất) 105 106 4.2.3 Tính kích thước Cell : Hầu hết công cụ truyền sóng sử dụng dạng biến đổi mô hình Hata Mô hình Hata quan hệ thực nghiệm rút từ báo cáo kỹ thuật Okumura cho phép sử dụng kết vào công cụ tính toán Suy hao đường truyền sóng hai anten đẳng hướng Lp (dB) tính sau : • Vùng thành phố Lp= 69,55+26,16.lgfc –13,28.lghb – a(hm) + (44,9-6,55.lghb).lgR (dB) Trong :fc : Tần số hoạt động (MHz) Lp : Suy hao cho phép 107 hb : Chiều cao anten trạm gốc (m) hm: Chiều cao anten trạm di động (m) a(hm) : Hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB) R : Bán kính ô (Km) Phạm vi áp dụng cho mô hình Hata : hb 200m hm 10m R 20Km Hệ số hiệu chỉnh a(hm) tính sau: Đối với thành phố lớn : a(hm) = 8,29.(lg1,54hm)2 - 1,1 (dB) với fc 200MHz a(hm) = 3,2.(lg11,75hm)2 - 4,97 (dB) với fc 400MHz Đối với thành phố nhỏ trung bình : a(hm) = (1,1.lgfc – 0,7).hm –(1,56.lgfc –0,8) (dB) Như bán kính ô tính : • Vùng ngoại ô Với vùng ngoại ô hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố : 108 Lno = Lp + (dB) • Vùng nông thôn Với vùng nông thôn hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố : Lnt = Lp + 4,78.(lgfc)2 - 19,33.(lgfc) + 40,49 (dB) Mô hình Walfsch – Ikegami Mô hình sử dụng để đánh giá suy hao đường truyền môi trường thành phố cho hệ thống thông tin di động tổ ong Mô hình chứa phần tử : suy hao không gian tự (Lf), suy hao mái nhà tượng nhiễu xạ, tán xạ (Lrts), suy hao nhiều chắn (nhiều dãy phố) (Lms) Suy hao đường truyền sóng gồm thành phần : Lcp = Lf + Lrts + Lms Với suy hao không gian tự xác định sau : Trong : fc : Tần số hoạt động R : Bán kính cell Suy hao mái nhà tượng nhiễu xạ, tán xạ tính : Trong : L0 : Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc định hướng đường phố 109 W : Độ rộng phố : Góc đến so với trục phố hr : Chiều cao mái nhà hm : Chiều cao anten trạm di động hm = hr - hm (m); hb = hb - hr (m) Thành phần suy hao nhiều chắn Lms : Trong :b: Khoảng cách dãy nhà chắn đường truyền sóng (m) , hb độ cao anten BS Lbsh : Thông số hiệu chỉnh phụ thuộc chiều cao anten BS so với mái , ka : Hệ số hiệu chỉnh anten thấp kd : Hệ số hiệu chỉnh nhiễu xạ nhiều chắn với thành phố lớn kf : Hệ số hiệu chỉnh nhiễu xạ phụ thuộc tần số với thành phố trung bình Như bán kính cell tính theo mô hình Walf – Ikegami : 110 Mô hình Hata bỏ qua ảnh hưởng độ rộng phố, nhiễu xạ phố suy hao tán xạ mô hình Walf – Ikegami có xét đến ảnh hưởng nên bán kính cell tính theo mô hình Hata lớn so với mô hình Walf suy hao cho phép 111 4.2.4 Tính dung lượng kênh : Trong thông tin di động hệ ba, thuê bao chia nguồn tài nguyên giao diện vô tuyến nên phân tích chúng riêng rẽ Các thuê bao ảnh hưởng lẫn nên công suất phát buộc phải thay đổi, thay đổi lại gây thay đổi khác toàn trình dự tính phải thực lặp công suất phát ổn định Ngoài công suất phát, thông số khác tốc độ MS, dạng kênh đa đường, tốc độ bit kiểu dịch vụ sử dụng đóng vai trò quan trọng việc quy hoạch mạng di động hệ ba 112 Trong trình quy hoạch hệ thống GSM, độ nhạy BS ngưỡng vùng phủ coi không đổi cho trạm quy hoạch chi tiết chủ yếu tập trung lên quy hoạch vùng phủ Trong W-CDMA độ nhạy BS phụ thuộc vào số lượng người sử dụng tốc độ bit tất ô, mang đặc thù ô, dịch vụ Vì vậy, ta cần phân tích dung lượng quy hoạch nhiễu chi tiết Trong hệ thống W-CDMA, nhiễu giao thoa từ ô khác ảnh hưởng lớn đến dung lượng ô Nếu số người sử dụng ô xung quanh ô đặ thù giảm, nhiễu giao từ ô xung quang giảm dung lượng ô đặc tăng Khái niệm dung lượng mềm CDMA để phân biệt với dung lượng cứng GSM Nếu dung lượng bị chặn cứng, nghĩa bị giới hạn phần cứng tính dung lượng Erlang theo mô hình Erlang B Nếu dung lượng cực đại bị giới hạn nhiễu giao diện vô tuyến dung lượng xác định theo dung lượng mềm, tồn giá trị cố định cho dung lượng cực đại.Để tính toán dung lượng, ta sử dụng số định nghĩa sau : - Đơn vị lưu lượng Erlang : Một đơn vị lưu lượng Erlang mạch thông tin hoạt động - Cấp phục vụ (GOS) : Đại lượng biểu thị số % gọi không thành công hệ thống tiêu hao hệ thống đợi GOS số % thuê bao thực gọi trở lại - Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao : Giả thiết hệ thống mà thuê bao không gọi lại gọi không thành công - Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu đợi : Giả thiết hệ thống mà thuê bao kiên trì gọi lại thành công 113 Lưu lượng thuê bao A tính theo công thức sau : Trong : A : Lưu lượng thuê bao n : Số trung bình gọi T : Thời gian trung bình gọi (s) Theo số liệu thống kê mạng di động n = 1, T = 210s Trong mạng WCDMA, dung lượng mổi ô phụ thuộc vào hệ số tải ô η Vì mạng WCDMA hổ trợ việc truyền không đối xứng đường lên đường xuống nên dung lượng đường lên đường xuống khác Vì ta cần tính cho dung lượng đường lên đường xuống Hệ số tải ô ảnh hưởng đến độ dự trữ nhiểu giao thoa tính công thức suy hao đường truyền : MT = dB MT: Độ dự trữ nhiễu giao thoa : Hệ số tải đường lên Để tính toán số kênh trung bình ô đường lên ta dùng công thức: : Hệ số nhiễu từ ô khác K: Số kênh trung bình ô 114 : Tỷ số tín hiệu nhiễu v : Hệ số tích cực tiếng v = 0,67 : với dịch vụ thoại v = : với dịch vụ số liệu Ở đường xuống số kênh trung bình ô lớn đường lên có tham gia hệ số trực giao ( ) số kênh tính theo công thức: : Hệ số tải đường xuống Để tính toán ta chọn: Sau tính K tra bảng Erlang B ta dung lượng chặn cứng (Cp) Hiệu suất sử dụng trung kế : Hp= Cp/k Ta có tổng số kênh góp chung (bao gồm kênh ô kênh gây nhiễu từ ô khác): Tp = K(1+ ) Tra bảng Erlang B với Tp ta dung lượng chung (Cc) Dung lượng chặn mềm là: Cm = Cc/(1+ Vậy dung lượng mềm là: ) Cml = (Cm / Cp) – 115 Vì dung lượng đường xuống lớn đường lên nên ta chon giới hạn cố thuê bao phục vụ đường lên Số thuê bao phục vụ ô: Tpv = Cm / A Ơ đường xuống tính tương tự 116 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trước bùng nổ nhu cầu truyền thông không dây số lượng, chất lượng loại hình dịch vụ, công nghệ GSM phát triển để hỗ trợ đáp ứng Tuy nhiên, tốc độ mạng GSM thời chậm không đáp ứng được, điều đòi hỏi nhà khai thác phải có công nghệ truyền thông không dây nhanh tốt Việc sử dụng hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) nâng tốc độ liệu mạng GSM lên đến 57.6KBps, nhiên công nghệ chưa đáp ứng thích đáng yêu cầu mặt kỹ thuật Giải pháp GPRS, EDGE mạng GSM sau nâng cấp lên W-CDMA giải pháp khả thi thích hợp với nước phát triển nước ta tận dụng sở hạ tầng mạng GSM đồng thời có quỹ đầu tư để tiến lên 3G Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS tạo tốc độ cao chủ yếu nhờ vào kết hợp khe thời gian, nhiên kỹ thuật dựa phương thức điều chế GMSK nên hạn chế tốc độ truyền Giải pháp dịch vụ vô tuyến gói chung nâng cao EDGE khắc phục hạn chế cách thay phương thức điều chế GMSK 8PSK, điều giúp nâng cao tốc độ mạng GPRS lên đến lần Khó khăn chủ yếu liên quan đến kỹ thuật vô tuyến máy đầu cuối việc thay đổi kỹ thuật điều chế Tuy nhiên EDGE hoạt động dựa trên sở chuyển mạch kênh chuyển mạch gói hạn chế tốc độ 384KBps nên khó khăn việc ứng dụng dịch vụ đòi hỏi việc chuyển mạch linh động tốc độ truyền liệu lớn Lúc giải pháp đưa nâng cấp lên hệ thống WCDMA Việc nâng cấp hệ thống thông tin di động lên hệ ba đáp ứng yêu cầu Trong tương lai, mà công nghệ 3G không đáp ứng yêu cầu công nghệ thông tin di động hệ tư giải pháp với tốc độ lên tới 34Mbps Điểm mấu chốt 117 thông tin di động hệ tư thay đổi phương pháp đa truy cập kinh điển phương pháp đa truy cập cho hiệu suất cao phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), đa truy cập phân chia theo hội (ODMA) Trong khuôn khổ đề tài em tìm hiểu tổng quát giải pháp nâng cấp mạng GSM lên W-CDMA Do có nhiều chuẩn nâng cấp nhiều giải pháp nâng cấp tập đoàn viễn thông khác nên đề tài đưa bước lộ trình nâng cấp kiến trúc hệ thống kỹ thuật vô tuyến số sở lý thuyết mà sâu vào giải pháp chi tiết 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, CDMAONE CDMA 2000 NXB Bưu Điện, Hà Nội, 2003 [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động hệ ba NXB Bưu Điện, Hà Nội, 2001 [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ ứng dụng NXB Bưu Điện, Hà Nội, 2000 [4] TS Đặng Đình Lâm TS Chu Ngọc Anh, Hệ thống thông tin di động 3G xu phát triển NXB Bưu Điện, Hà Nội, 2003 Tiếng Anh [5] Lucent Technologies, CDMA 2000 Evolution 2003 [6] CDMA RF System Engineering,(1998), Artech House [7] Global Engineering Documents-USA, (1999), TIA/EIA-95-B [8] Keiji Tachikwa, (2002), W-CDMA Mobile Communications System, John Wiley & Sons LTD [9] NEC , (2001) , Radio Network Planning For CDMA Systems [10] NEC , (2001), W-CDMA introduction [11] Trang web www.IMT-2000.org, (2002), IMT-2000 Project [12] Trang web www.siemems.com 119 ... Giải pháp GPRS cho mạng GSM Việt Nam CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA Giới thiệu công nghệ thông tin di động hệ W-CDMA Các giải pháp kỹ thuật nâng cấp mạng GPRS & EDGE lên W-CDMA CHƯƠNG... 2: GIẢI PHÁP GPRS TRÊN MẠNG GSM Giới thiệu dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) dịch vụ vô tuyến gói chung nâng cao (EDGE) Các giải pháp kỹ thuật bước tiến triển từ GSM sang GPRS hiệu đạt Giải pháp. .. 2.1.2 Mạng Backbone 55 2.1.3 Cấu trúc BSC GPRS .56 2.2.Cấu trúc liệu GPRS .57 2.3.Các giải pháp nâng cấp lên GPRS cho mạng GSM Việt Nam 59 2.3.1 .Giải pháp hãng