Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Tổng quan về các hệ thống thông tin di động thế hệ ba 1.1. Giới thiệu chung 1.1.1. Lịch sử phát triển của thông tin di động Vô tuyến di động đã đợc sử dụng gần 78 năm. Mặc dù các khái niệm tổ ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và các công nghệ vô tuyến hiện đại khác đã đợc biết đến hơn 50 trớc đây, dịch vụ điện thoại di động mãi đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện ở các dạng sử dụng đợc và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận. Các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lợng rất thấp so với các hệ thống hiện nay cuối cùng các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào những năm 1980. Cuối những năm 1980 ngời ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tơng tự không thể đáp ứng đợc nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu nh không loại bỏ đ- ợc các hạn chế cố hữu của các hệ thống này. (1) Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lợng thấp. (2) Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xẩy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi tr- ờng pha đinh đa tia. (3) không đáp ứng đợc các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng. (4) Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng. (5) Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi. (6) Không tơng thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng đợc máy di động của mình ở nớc khác. Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹthuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật đa thâm nhập mới. Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới đợc ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM. GSM đợc phát triển từ năm 1982 khi các nớc Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần 900 MHz. Năm 1985 hệ thống số đợc quyết định. Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã đợc lựa chọn. ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM đợc đa vào từ năm 1993. ở Mỹ khi hệ thống AMPS tơng tự sử dụng phơng thức FDMA đợc triển khai vào giữa những năm 1980, các vấn đề dung lợng đã phát sinh ở các thị trờng di động chính nh: New York, Los Angeles và Chicago. Mỹ đã có chiến lợc nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: chuyển tới hệ thống TDMA đợc ký hiệu là IS- 54. Việc khảo sát khách hàng cho thấy chất lợng của AMPS tốt hơn. Rất nhiều hãng của Mỹ lạnh nhạt với TDMA, AT &T là hãng lớn duy nhất sử dụng TDMA. Hãng này đã phát triển ra một phiên bản mới: IS - 136, còn đợc gọi là AMPS số (D-AMPS). Nhng không giống nh IS - 54, GSM đã đạt đợc các thành công ở Mỹ. Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là công nghệ đa thâm nhập phân chia theo mã (CDMA). Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ trớc đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự. Đợc thành lập vào năm 1985, Qualcom đã phát phiển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận đợc nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ, Qualcom đã đa ra phiên bản CDMA đầu tiên đợc gọi là IS - 95 A. Các mạng CDMA thơng mại đã đợc đa vào khai thác tại Hàn Quốc và Hồng Kông. CDMA cũng đã đợc mua hoặc đa vào thử nghiệm ở Argentina, Brasil, Chile, Trung Quốc, Germany, Irael, Peru, Philippins, Thailand và mới đây ở Nhật. Tổng công ty Bu chính Viễn thông Việt Nam cũng đã có kế hoạch thử nghiệm CDMA. ở Nhật vào năm 1993 NTT đa ra tiêu chuẩn thông tin di động số đầu tiên của nớc này: JPD (Japannish personal Digital Cellular System). Song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng đợc nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) của Châu Âu và PHS (Personal Handy Phone System) của Nhật cũng đã đợc đa vào thơng mại. Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất, các hệ thống thôg tin di động vệ tinh: Global Star và Iridium cũng đợc đa vào thơng mại trong năm 1998. Hiện nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các khách hàng viễn thông về cả dịch vụ viễn thông mới các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba. Hiện nay có hai tiêu chuẩn đã đợc chấp thuận cho IMT-2000 đó là: W-CDMA và cdma2000. W-CDMA đợc phát triển lên từ GSM thế hệ 2 và cdma2000 đợc phát triển lên từ IS-95 thế hệ 2. ở thế hệ này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đ- ợc gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng. 1.1.2. Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin di động Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp dịch vụ nh mạng điện thoại cố định thông thờng, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù cho mạng di động để đảm bảo thông tin mọi nơi mọi lúc. Các mạng thông tin di động phải đảm bảo các đặc tính sau: 1. Sử dụng hiệu quả băng tần đợc cấp phát để đạt đợc dung lợng cao do hạn chế của dải tần vô tuyến sử dụng cho thông tin di động. 2. Đảm bảo chất lợng truyền dẫn yêu cầu. 3. Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất. 4. Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sang vùng phủ khác. 5. Cho phép phát triển các dịch vụ mới nhất là các dịch vụ phi thoại. 6. Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế (International Roaming). 7. Các thiết bị cầm tay gọn nhẹ và tiêu tốn ít năng lợng. 1.1.3. Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng dựa trên cơ sở tiêu chuẩn chung IMT-2000. Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000: Sử dụng dải tần quy định quốc tế nh sau: Đờng lên: 1885-2025 MHz. Đờng xuống: 2110-2200 MHz. Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến: Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Tơng tác với mọi loại dịch vụ viển thông. Sử dụng các môi trờng khai thác khác nhau: Trong công sở. Ngoài đờng. Trên xe. Vệ tinh. Có thể hỗ trợ dịch vụ nh: Môi trờng ảo. Đảm bảo các dịch vụ đa phơng tiện. Dễ dàng hổ trợ các dịch vụ mới xuất hiện. Môi trờng hoạt động của IMT-2000 đợc chia thành 4 vùng: Vùng 1: Trong nhà, ô picô, R b 2Mbps. Vùng 2: thành phố,ô micro, R b 384kbps. Vùng 3: ngoại ô, ô macro, R b 144 kbps. Vùng 4: Toàn cầu, R b =9,6 kbps. Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ ở IMT-2000 Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết Dịch vụ di động Dịch vụ di động Di động dịch vụ/di động cá nhân/ di động đầu cuối Dịch vụ thông tin định vị Dịch vụ theo dõi di động/dịch vụ theo dõi di động thông minh Dịch vụ viễn thông Dịch vụ âm thanh -Dịch vụ âm thanh chất lợng cao (16-64 kbps) -Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps) -Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps) Dịch vụ số liệu -Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình(64-144 kbps) -Dịch vụ số liêu tốc độ tơng đối cao(384-2 Mbps) -Dịch vụ số liệu tốc độ cao (2 Mbps) Dịch vụ đa ph- ơng tiện -Dịch vụ video (384 kbps) -Dịch vụ hình chuyển động (384 kbps-2Mbps) -Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực (2 Mbps) Dịch vụ I nternet Dịc vụ Internet đơn giản Dịch vụ thâm nhập Wed (384kbps-2 Mbps) Dịch vụ Internet thời gian thực Dịch vụ Internet (384 kbps-2 Mbps Dịch vụ Internet đa phơng tiện Dịch vụ Wedsite đa phơng tiện thời gian thực (2 Mbps) Bảng 1.2. So sánh các thông số giao diện vô tuyến ở hai tiêu chuẩn này W-CDMA cdma-2000 Sơ đồ đa thâm nhập DS-CDMA băng rộng CDMA đa sóng mang Độ rộng băng tần 5/10/15/20 1,25/5/10/15/20 Tốc độ chip(Mcps) 1,28/3,84/7,68/11,52/15,36 1,2288/3,6864/11,0592/14,7456 Đồng bộ giữa các BTS Dị bộ/đồng bộ Đồng bộ Độ dài khung 10 ms 5/20 ms §iÒu chÕ DL/DX QPSK/BPSK QPSK/BPSK Tr¶i phæ DL/DX QPSK/OCQPSK(HPSK) QPSK/OCQPSK(HPSK) Vocoder CS-ACELP/(ARM) EVRC,QCELP(13 kbps) Tæ chøc tiªu chuÈn 3GPP/ETSI/ARIB 3GPP2/TIA/TTA/ARIB mô hình tổng quát của mạng IMT2000 đợc cho ở hình 1.1 U IM M ạ n g t h â m n h ậ p + P h á t q u ả n g b á th ô n g tin th â m n h ậ p h ệ th ố n g + P h á t v à t h u v ô tu y ế n + Đ iề u k h iể n t h â m n h ậ p v ô t u y ế n M ạ n g l õ i + Đ i ề u k h i ể n c u ộ c g ọ i + Đ iề u k h iể n c h u y ể n m ạ c h d ịc h v ụ + Đ iề u k h iể n t à i n g u y ê n q u y đ ịn h + Q u ả n lý d ịc h v ụ + Q u ả n lý v ị t r í + Q u ả n lý n h ậ n t h ự c V ù n g t h iế t b ị đ ầ u c u ố i V ù n g m ạ n g t h â m n h ậ p V ù n g m ạ n g lõ i V ù n g c á c d ịc h v ụ ứ n g d ụ n g H ìn h 1 . 1 : M ô h ì n h m ạ n g I M T - 2 0 0 0 C á c d ịc h v ụ ứ n g d ụ n g T E d i đ ộ n g T E d i đ ộ n g T E d i đ ộ n g T E d i đ ộ n g U IM Kí hiệu: TE= thiết bị đầu cuối UI= Giao diện ngời sử dụng Các dạng máy đầu cuối bao gồm: Thoại cầm tay: Tiếng: 8/16/32 kbps. Cửa số liệu. ảnh tĩnh. Hình ảnh xách tay. Thoại có hình chất lợng cao. Đầu cuối giống nh may TV. Đầu cuối kết hợp TV và máy tính. TV cầm tay có khả năng thu đợc MPEG. Đầu cuối số liệu gói. PC vở ghi có cửa thông tin cho phép: Điện thoại thấy hình. Văn bản, hình ảnh, thâm nhập cơ sở dữ liệu video. Đầu cuối PDA. PDA tốc độ thấp. PDA tốc độ cao hoặc trung bình. PDA kết hợp với sách điện tử bỏ túi. Máy nhắn tin hai chiều. Sách điện tử bỏ túi có khả năng thông tin. 1.1.4. Tổng kết quá trình tiến hóa của hệ thống thông tin di động thế hệ ba Ta xét tổng kết các nền tảng công nghệ chính của hệ thống thông tin di động từ thế hệ một đến thế hệ ba và quá trình tiến hóa của các nền tảng này đến nền tảng của thế hệ ba. Để tiến tới thế hệ ba có thể thế hệ hai phải trải qua một giai đoạn trung gian, giai đoạn này đợc gọi là thế hệ 2.5. Bảng 1.3. Tổng kết một số nét chính của các nền tảng công nghệ thông tin di động từ thế hệ một đến thế hệ ba Thế hệ thông tin di động Hệ thống Dịch vụ chung Chú thích Thế hệ 1 (1G) Thế hệ 2 (2G) Trung gian (2.5G) Thế hệ ba (3G) AMPS, TACS, NMT GSM, IS-136, IS-95 GPRS, EDGE, cdma2000-1x cdma2000, WCDMA Tiếng thoại Chủ yếu cho dịch vụ tiếng và bản tin ngắn Trớc hết là dịch vụ tiếng có đa thêm các dịch vụ gói Các dịch vụ tiếng và số liệu gói đợc thiết kế để truyền tiếng và số liệu đa phơng tiện. Là nền tảng thực sự của thế hệ ba FDMA, tơng tự TDMA hoặc CDMA, số, băng hẹp (8-13 kbps) TDMA, CDMA, sử dụng trồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, tăng cờng truyền số liệu cho thế hệ hai CDMA, CDMA kết hợp với TDMA, băng rộng, sử dụng trồng lấn lên hệ thống hai hiện có nếu không sử dụng phổ tần mới H×nh 1.2 ChØ ra qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng tõ thÕ hÖ 1 ®Õn thÕ hÖ 3 TACS GSM (900) NMT(900) GPRS WCDMA GPRS IS-136 (1900) IS-95 (J-STD-008) (1900) EDGE IS-95 CDMA (800) CDMA2000 1x CDMA2000 MC 2 G AMPS SMR IDEN (800) 3G 2.5 G 1 G GSM(1800) GSM(1900) IS-136 TDMA (800) H×nh 1.2. Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng tõ thÕ hÖ 1 ®Õn thÕ hÖ 3 [...]... hệ thống thông tin di động 1.2.1 Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động (TTDĐ) đợc cho ở hình 1 .3 C TE2 TE2 RV TE1 TE2 R A-bis MS Um Trạm gốc BTS BSC TAP Rm TE2 TE2 Sm TE1 PSPDN Rx DCE ISDN TA PSTN W LMN Các mạng ngoài AUC MT2 MT0 S VLR HLR Quản lý di động EIR D H MSC OS AUX IWF PI AI MI DI G F MSC DMI E I I A O L Rm C B X MT1 Các VLR khác Hình 1 .3. .. thu thập các dữ liệu tính cớc * Các mạng ngoài: Các mạng thông tin bao gồm mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN, mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN Mạng di động công cộng mặt đất PLMN và mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói PSPDN 1.2 2 Cấu trúc địa lý của hệ thống thông tin di động Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải đợc tổ chức theo một cấu trúc địa lý nhất định để... viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào đó phải đợc thực hiện thông qua tổng đài cổng Các vùng mạng di động đợc đại di n bằng tổng đài cổng GMS Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều đợc định tuyến đến GMSC Tổng đài này làm việc nh một tổng đài trung kế vào cho mạng GSM/PLMN Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di động GMSC cho phép hệ thống. .. đợc yêu cầu thông qua trao đổi thông tin Các quy luật trao đổi này đợc chỉ định ở các điểm tham chiếu, nơi mà các luồng thông tin chuyển qua giao di n giữa các thực thể Những quy luật này đợc gọi là giao thức báo hiệu Sự phân biệt giữa giao di n và giao thức là rất quan trọng, giao di n đại di n cho một điểm tiếp xúc giữa hai thực thể liền kề nhau và thông thờng nó mang thông tin thuộc về các cặp thực... phần của vùng phục vụ MSC/VLR mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do và không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR quản lý vị trí này Có thể nói vùng định vị là vị trí cụ thể nhất của trạm di động mà mạng cần thiết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nó ở vùng định vị này thông báo tìm sẽ đợc phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách... Các trạm di động bị gọi 1.2.2.2 Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR Một mạng thông tin di động đợc phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này đợc phục vụ bởi MSC/VLR (hình 1.4) Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đờng truyền qua mạng sẽ đợc nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động cần gọi ở mỗi vùng phục vụ MSC/VLR thông tin về thuê... khảo của hệ thống thông tin di động * Trạm di động, MS MS (Mobile Station) có thể là một thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị xách tay hoặc thiết bị cầm tay Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao di n vô tuyến MS còn phải cung cấp các giao di n với ngời sử dụng ( nh: micro, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao di n với một số thiết bị khác (nh: Giao di n với... và chuyển giao * Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động, MSC Nhiệm vụ chính của MSC điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các ngời sử dụng mạng thông tin di động Một mặt MSC giao di n với BSC, mặt khác nó giao di n với mạng ngoài MSC làm nhiệm vụ với mạng ngoài đợc gọi là MSC cổng (GMSC: Gate MSC) Việc giao di n với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho các ngời sử dụng các khả năng truyền tải của... thuê bao AUC (Authetication Center) quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựa trên khoá bí mật này AUC có thể đợc đặt trong HLR Quản lý thiết bị di động, EIR Quản lý thiết bị di động đợc thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equipmet Identity Rigister) EIR lu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR đợc nối đến MSC qua đờng báo hiệu để... cuối ,TE (Terminal Equipment) thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng di động: Fax, máy tính * Kết cuối trạm di động, MT (Mobility Terminal) thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao di n vô tuyến * Bộ thích ứng đầu cuối, TAF ( Terminal Adepter Function) làm việc nh một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di động * Trạm thu phát gốc, BTS Một BTS (Base station Transceiver . nền tảng công nghệ thông tin di động từ thế hệ một đến thế hệ ba Thế hệ thông tin di động Hệ thống Dịch vụ chung Chú thích Thế hệ 1 (1G) Thế hệ 2 (2G) Trung. biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đ- ợc gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng.