Tìm hiểu lộ trình phát triển và cấu trúc mạng 3g WCDMA

Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu CHƯƠNG I. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 3G 1.1. Chặng đường phát triển của mạng 3G. Sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ số liệu mà IP đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp viễn thông di động. Thông tin di động thứ hai mặc dù sử dụng công nghệ số, nhưng vì băng thông hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng được các dịch vụ mới này. Trong bối cảnh đó ITU (International Telecommunication Union: Liên minh viễn thông quốc tế) đã đưa ra tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba với tên gọi IMT - 2000. IMT - 2000 (International Mobile Telecommunication: Viễn thông điện thoại quốc tế) đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện thông tin. Mục đích của IMT - 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới, nhưng cũng đồng thời phải đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. Thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT - 2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001. Các hệ thống 3G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: Tiếng, số liệu tốc độ bít thấp và bít cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc ở cả các phương tiện công cộng lẫn tư nhân. Các tiêu chí xây dựng IMT - 2000 như sau: • Sử dụng dải tần quốc tế quy định 2GHz như sau: - Đường lên: 1800MHz - 2025MHz - Đường xuống: 2110MHz - 2200MHz. • Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến. - Tích hợp các thông tin hữu tuyến và vô tuyến. - Tương tác cho mọi loại viễn thông. • Sử dụng các phương tiện khai thác khác nhau: Trong công sở, ngoài đường trên xe, vô tuyến, vệ tinh. • Có thể hổ trợ các dịch vụ như: - Chuyển mạng quốc tế - Đảm bảo dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho tiếng, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói. Chặng đường phát triển của mạng 3G, là một chặng đường phát triển khá nhanh chóng, các thế hệ từ 1G, 2G, 3G đã tiếp nối nhau phát triển, phù hợp với điều SVTH: Phan Quốc Văn Trang 1 Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu kiện của nền kinh tế. Hình1.1 dưới đây mô tả chặng đường phát triển của thế hệ thông tin di động. Hình 1.1. Chặng đường phát triển của mạng 3G AMPS: Analog Mobile Phone System. GSM: Global System For Mobile. WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access. 3G: Third Generation. Hình 1.2. Lịch trình phát triển của mạng 3GPP Tốc độ truyền trong các hệ thống được thể hiện bởi hình sau: SVTH: Phan Quốc Văn Trang 2 Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu Hình 1.3. Tốc độ truyền trong các hệ thống di động 1.1.1.Công nghệ vô tuyến thế hệ thứ nhất. Thế hệ đầu tiên của mạng thông tin di động dựa trên công nghệ truyền tín hiệu analog. Hệ thống analog, đã từng được triển khai ở Bắc Mĩ và được biết đến với AMPS (Analog Mobile Phone Systems), nó hoạt động ở dải tần 800MHz. Hệ thống di động đầu tiên được triển khai vào những năm 1981 ở Thuỷ Điển, Đan Mạch, Nauy và Phần Lan sử dụng công nghệ NMT (Nordic Mobile Telephony) hoạt động ở dải tần 450MHz. Phiên bản sau NMT hoạt động ở dải tần 900MHz và được biết đến với tên gọi NMT900. Năm 1985, Anh đã giới thiệu công nghệ TACS (Total Access Communication Systems). Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất đã giải quyết hạn chế về dung lượng, mặc dù chỉ là hệ thống về tương tự, sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh và chỉ được thiết kế cho truyền tiếng. 1.1.2. Công nghệ vô tuyến thế hệ thứ hai. Thế hệ thứ hai của thông tin di động dựa trên công nghệ truyền dẫn tín hiệu số băng thấp. Công nghệ vô tuyến 2G thông dụng nhất được biết đến là GSM (Global Systems Mobile for Communication). Các hệ thống GSM được triển khai lần đầu tiên vào những năm 1991 và hiện nay vẫn còn khoảng trên 140 nước và vùng lãnh thổ sử dụng công nghệ này. GSM kết hợp sử dụng cả hai công nghệ FDMA và TDMA. Các hệ thống GSM đầu tiên sử dụng phổ tần 25MHz ở dải tần 900MHz. FDMA được sử dụng để chia băng tần 25MHz thành 124 kênh tần số vô tuyến (độ rộng mỗi kênh là 200kHz). Với mỗi tần số lại sử dụng khung TDMA với 8 khe thời gian. Ngày nay các hệ thống GSM sử dụng băng tần 900MHz và 1800MHz trên toàn thế giới (ngoại trừ Mỹ hoạt động trên băng tần 1.9GHz). SVTH: Phan Quốc Văn Trang 3 Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu Cùng với GSM, có một công nghệ tương tự được gọi là PDC (Personal Digital Communications), sử dụng công nghệ TDMA nổi lên ở Nhật. Từ đó một số hệ thống sử dụng công nghệ TDMA được triển khai khắp thế giới gần 90 triệu người sử dụng. Trong khi GSM được phát triển ở châu Âu thì CDMA được phát triển ở Bắc Mỹ. CDMA sử dụng công nghệ trải phổ và được phát triển trên 30 nước, với ước tính trên khoảng 44 triệu thuê bao. Trong khi GSM và các hệ thống sử dụng hệ thống TDMA khác trở thành công nghệ vô tuyến 2G vượt trội, công nghệ CDMA cũng đã nổi lên với chất lượng thoại rõ hơn, ít nhiễu hơn, giảm rớt cuộc gọi, dung lượng hệ thống và độ tin cậy cao hơn. Các mạng di động 2G trên đây vẫn chủ yếu sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh. Các mạng di động sử dụng công nghệ số và có thể cung cấp một số dịch vụ ngoài thoại như fax hay bản tin ngắn có tốc độ tối đa 9,6kbps, nhưng vẫn chưa thể duyệt web và các ứng dụng đa phương tiện khác. Hình vẽ sau thể hiện tổng quan về ba công nghệ TDMA, CDMA và FDMA. Tần số Tần số Tần số Thời gian Thời gian Mã Thời gian (a) (b) (c) Hình 1.4. Các phương pháp đa truy nhập. Hệ thống GSM được chia thành hệ thống trạm gốc BSS (Base Station Subsystems) và hệ thống chuyển mạch SS. Mỗi hệ thống nói trên chứa một số khối chức năng, ở đó thực hiện tất cả chức năng của hệ thống. Các khối chức năng được thực hiện bởi các phần cứng khác nhau. SVTH: Phan Quốc Văn Trang 4 SS HLR AuC EIR MSC VLR ISDN PSPD N CSPD N PSTN PLM N BSS BSC BTS OSS MS Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu Hình 1.5.Hệ thống GSM 1.1.2.1. Phân hệ trạm gốc (BSS: Base Station Subsystem). Hệ thống được thực hiện như là một hệ thống gồm nhiều ô vô tuyến cạnh nhau để đảm bảo vùng phủ của vùng phục vụ. Mỗi ô có một trạm thu phát góc (BTS) làm việc ở tập hợp các kênh vô tuyến. Các kênh này làm việc khác so với các kênh của các ô kế cận để tránh nhiễu giao thoa. BTS được điều khiển bởi bộ điều khiển của BSC. Các BSC được phục vụ bởi trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động MSC. Một BSC có thể điều khiển nhiều BTS. BSS nối với MS thông qua giao diện vô tuyến và cũng nối đến SS. Bộ phận TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit: Khối chuyển đổi mã thích ứng tốc độ) thực hiện mã hoá và giải mã đồng thời điều chỉnh tốc độ cho việc truyền số liệu. • BTS (Base Transceiver Station: Trạm thu phát gốc): Một BTS bao gồm các thiết bị thu, an ten và khối xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Có thể coi BTS là các model vô tuyến phức tạp có thêm một số chức năng. Một bộ phận quan trong khác là TRAU, đây là thiết bị ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, ở đây cũng thực hiện tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng nó cũng có thể đặt xa BTS, trong nhiều trường hợp nó có thể được đặt giữa BSC mà MSC. SVTH: Phan Quốc Văn Trang 5 Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu • BSC (Base Station Control: Điều khiển trạm gốc): BSC có nhiệm vụ điều khiển tất cả các giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover). Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của SS. Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể. Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao (Handover). 1.1.2.2. Phân hệ chuyển mạch (SS: Switching Subsystem). Trong GSM thì SS là một mạng thông minh. SS quản lý giao diện của người sử dụng trong mạng của GSM với người sử dụng của mạng khác, bao gồm: • Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Service Switching Centre): Thực hiện chức năng chuyển mạch, nhiệm vụ chính của MSC là thiết lập cuộc gọi đến người sử dụng trong mạng GSM. Một mặt MSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài. MSC giao tiếp với mạng ngoài là MSC cổng. Việc giao tiếp với mạng ngoài là để đảm bảo thông tin cho người sử dụng GSM, đòi hỏi cổng thích ứng. MSC thường là tổng đài lớn điều khiển trạm gốc (BSC). • Chức năng tương tác IWF (Inter Working Function): Là cổng giao tiếp cho người sử dụng mạng GSM với mạng ngoài. Để kết nối MSC với mạng ngoài khác cần phải thích ứng với các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng này. Các chức năng này được gọi là các chức năng tương tác bao gồm một thiết bị để giao tiếp với giao thức và truyền dẫn. Nó cho phép kết nối với các mạng như PSPDN (Packet Switch Public Data Network: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói) hay CSPDN (Chanel Swicth Public Data Network: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh). IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng của MSC hay của thiết bị riêng, trong trường hợp hai giao tiếp MSC và IWF được để mở. • MSC cổng (GMSC: Gateway MSC): SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR. Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng được gọi là GMSC mà không cần biết đến hiện SVTH: Phan Quốc Văn Trang 6 Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu thời thuê bao đang ở đâu. Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí các thuê bao ở thời điểm hiện thời (HLR tạm trú). 1.1.2.3.Phân hệ khai thác và hổ trợ (OSS: Operation Support Subsystem). Hệ thống khai thác và hổ trợ được nối đến tất cả các thiết bị ở hệ thống chuyển mạch và được nối đến BSC. Nó cung cấp ít tốn kém cho khách hàng để bảo dưỡng và khai thác tại chổ. OSS có các tính năng chính như sau: - Mô hình mạng logic được máy tính mã hoá. - Các khai thác định hướng theo hành động. - Các chức năng quản lý điều khiển theo thực đơn. - Các phương tiện thu thập số liệu và xử lý. Mục đích chính của OSS là đảm bảo theo dõi tổng quan về hệ thống và hổ trợ các hoạt động bảo dưỡng của các cơ quan khác và bảo dưỡng khác nhau. 1.1.3. Lộ trình nâng cấp lên 3G. Sự bùng nổ của mạng Internet đã có những ảnh hưởng to lớn đến nhu cầu của các dịch vụ vô tuyến băng rộng. Tuy nhiên, tốc độ của các hệ thống vô tuyến của chuyển mạch kênh tương đối thấp. Vì thế, GSM đã phát triển dựa trên chuyển mạch gói và tăng tốc truyền số liệu lên tới 384kbps. Các hệ thống 2G+ dựa trên các công nghệ HSCSD (High Speed Circuit Switched Data): Truyền dữ liệu chuyển mạch tốc độ cao, GPRS (Genaral Packet Radio Service): Dịch vụ gói vô tuyến chung, EDGE (Echanced Data Rates for Global Evolution: Công nghệ di động được nâng cấp từ GSM cho phép truyền số liệu). • HSCSD là một bước tiến dài tiến tới mạng di động 3G băng rộng công nghệ chuyển mạch kênh này cải tiến tốc độ đạt tới 57.6kbps bằng cách kết hợp 4 khe thời gian 14.4kbps. SVTH: Phan Quốc Văn Trang 7 Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu • GPRS là bước trung gian cho phép GSM cung cấp các dịch vụ Internet. Công nghệ này sử dụng chuyển mạch gói và được thiết kế để sử dụng song song với 2G GSM. Ngoài các thành phần cơ bản có trong mạng GSM như BSS, MS & MSC, mạng GPRS còn có mạng di động mặt đất PLMN (Public Land Mobile Network), điểm hổ trợ dịch vụ SGSN (Serving GPRS Support Node: Một phần tử trong mạng lõi của GPRS) và điểm hổ trợ GPRS cổng GGSN (Gateway GPRS Support Node: Một Gateway giữa mạng GPRS/UMTS với mạng ngoài (như Internet) trong cấu trúc của tế bào mạng). Chuyển vùng được điều tiết qua PLMN. SGSN lấy các thông tin về người sử dụng từ HLR (Home Localtion Register) để quản lý và thực hiện cuộc gọi. GGSN cung cấp các kết nối với mạng ngoài như internet. BTS thu và phát tín hiệu qua giao diện vô tuyến, cung cấp các kết nối số liệu và thoại với MS. BSC định tuyến các phiên giao dịch dữ liệu với PLMN qua liên kết Frame Reley (FR) và các cuộc gọi thông thường tới MSC. MSC sẽ chuyển mạch các cuộc gọi tới các mạng chuyển mạch kênh như PSTN (Public Switched Telephone Network) hay ISDN (Integrated Services Digital Network: Mạng số đa dịch vụ). MSC điều tiết VLR để lưu giữ thông tin của thuê bao chuyển mạng. Đối với các phiên giao dịch dữ liệu, nó được BSC định tuyến tới SGSN, sau đó nó được chuyển tới PSDN (Packet Data Network) qua GGSN hoặc tới thuê bao khác. Hình 1.6. Cấu trúc mạng GPRS SVTH: Phan Quốc Văn Trang 8 Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu Hình vẽ 1.6 chỉ ra giao thức được sử dụng ở BTS, BSC, GGSN, SGSN và các máy cầm tay khác. SNDCP (Sub Network Dependent Convergence Protocol): Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng con, giao thức này nằm giữa LLC và lớp mạng. SNDCP cũng cung cấp khác như nén, phân đoạn dồn các bản tin lớp mạng vào một kết nối ảo đơn nhất. LLC (Logical Link Control): Giao thức điều khiển kết nối logic, đây là giao thức lớp liên kết dữ liệu cho GPRS hoạt động như Link Access Protocol – D (LAPD). GTP (GPRS Tunnel Protocol): Giao thức truyền đường hầm GPRS. GTP hoạt động trên TCP/UDP (Tranmission Control Protocol/ Use Datagram Protocol) qua IP (Internet Protocol). Dung xoa’ Hình 1.7.Các giao thức sử dụng ở GPRS BSSGP (Base Station System GPRS Protocol): Giao thức GPRS hệ thống trạm góc. Giao thức này xử lý định tuyến và thông tin QoS (Quality of Service) cho SVTH: Phan Quốc Văn Trang 9 Đồ án tốt nghiệp  GVHD: KS. Nguyễn Thị Kim Thu BSS (Base Station System). BSSGP sử dụng giao thức lõi Frame Relay Q.922 làm cơ chế hoạt động. GMM/SM (GPRS Mobility Management): Giao thức quản lý lưu động GPRS. Giao thức này hoạt động trên mặt phẳng báo hiệu của GPRS, quản lý các yếu tố lưu động như: Chuyển vùng, nhận thực, chọn thuật toán mã hoá và duy trì PDP context. Network Service: Giao thức dịch vụ mạng. Giao thức này quản lý hội tụ của các lớp con hoạt động giữa BSSGP và khung Relay Q.922 bằng cách ánh xạ các yêu cầu dịch vụ BSSGP tới các dịch vụ Frame Relay thích hợp. BSSAP+: Giao thức cho phép tìm gọi đối với kết nối thoại từ MSC qua SGSN, do đó tối ưu hóa tìm gọi cho thuê bao di động. BSSAP+ cũng có chức năng định vị và định tuyến cập nhật cũng như cảnh báo cho MS. SCCP, MTP2, MTP3: Là giao thức sử dụng để hổ trợ cho MAP và BSSAP+ trong các mạng chuyển mạch kênh PLMN. Mobile Aplication Part (MAP): Hổ trợ báo hiệu giữa SGSN/GGSN và HLR/Auc/EIR. •EDGE: Sử dụng các hệ thống điều chế nhiều trạng thái hơn GPRS/GSM cho phép cung cấp tốc độ có thể lên tới 48kbps trên mỗi khe thời gian tương ứng của GSM. Với việc phân bố khe thời gian động, EDGE có thể cung cấp tốc độ tối đa theo lý thuyết là 384kbps (thậm chí là 473kbps trong tương lai khi sử dụng công nghệ điều chế 16QAM). Do vậy nó cung cấp hầu hết các dịch vụ 3G, đây là lý do mà đôi khi EDGE được xem là mạng 2.75G. EDGE có được sử dụng nhiều hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Thời gian, nhu cầu về các dịch vụ tốc độ cao của người sử dụng, mức độ sẵn sàng của các thiết bị đầu cuối có khả năng EDGE và giá thành. Về thời gian thì sự phát triển của EDGE và UMTS trong cùng một khung thời gian. Thực tế các tiêu chuẩn của EDGE được thực hiện trong khuôn khổ của đề án 3GPP (Third Generation Partnership Project: Đề án của các đối tác thế hệ thứ 3) và là một bộ phận của tập tiêu chuẩn SVTH: Phan Quốc Văn Trang 10 . Kim Thu CHƯƠNG I. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 3G 1.1. Chặng đường phát triển của mạng 3G. Sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ số. trợ WAP có tốc độ thu và phát số liệu lên tới 171,2Kbps. 1.1.4. So sánh giữa mạng 2G và mạng 3G. Như ta đã biết giữa mạng 2G và mạng 3G có nhiều điểm tương