Giải pháp nâng cấp mạng thông tin di động gsm lên 3g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ========== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G Người hướng dẫn: KS TẠ HÙNG CƯỜNG Sinh viên thực hiện: TRẦN THANH PHÚC Lớp: 47K - ĐTVT VINH, 5/2011 GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G LỜI NĨI ĐẦU Trao đổi thơng tin nhu cầu thiết yếu người xã hội ngày Bắt đầu từ hệ thống thông tin di động hệ đời vào năm 1946 phục vụ dịch vụ thông tin thoại Sau hệ thống thơng tin di động số hệ (2G) đời với mục tiêu chủ yếu hỗ trợ dịch vụ thoại truyền số liệu tốc độ thấp Hệ thống thông tin di động hệ (3G) đời nhằm thỏa mãn nhu cầu người dịch vụ số liệu tốc độ cao như: Điện thoại thấy hình, video streaming, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)… Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động hệ thứ ba triển khai vào cuối năm 2009 3G thực đạt nhiều thành công nhờ công nghệ CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000 Xuất phát từ đóng góp quan trọng mạng 3G mà em chọn đề tài nghiên cứu 3G Đề tài “Giải pháp nâng cấp mạng thơng tin di động GSM lên 3G” gồm có chương: Chương 1: Tổng quan thông tin di động 3G Chương 2: Hệ thống thông tin di động GSM giải pháp nâng cấp lên 3G Chương 3: Mạng W-CDMA, kỹ thuật trải phổ giao diện vô tuyến Trong trình thực đồ án em nhận giúp đỡ tận tình KS Tạ Hùng Cường Mặc dù có nhiều cố gắng việc hoàn thành đồ án với thời gian trình độ có hạn nên đồ án cịn có nhiều thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp dẫn thêm từ thầy bạn Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy Tạ Hùng Cường giúp em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Trần Thanh Phúc NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tìm hiểu giải pháp nâng cấp mạng GSM lên 3G Nội dung đồ án gồm phần Phần nêu tổng quan mạng 3G bao gồm lịch sử phát triển mạng thông tin di động, cần thiết phải nâng cấp mạng thông tin di động lên 3G tiêu chuẩn để nâng cấp mạng Phần phần đồ án, nêu lên giải pháp thực nâng cấp mạng GSM lên 3G Phần nêu lên cấu trúc hệ thống 3G W-CDMA, kỹ thuật trải phổ giao diện vơ tuyến Solution blueprints to learn a GSM network upgrade to 3G Contents scheme includes three parts Part summarizes the 3G network covers the historical development of mobile communication networks, the need for network upgrades to 3G mobile communication standards and to upgrade the network Part is part of the scheme, setting out measures to implement GSM network upgrade to 3G Section raised structure 3G W-CDMA system, spread spectrum technology and its wireless interface NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN .2 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Chương TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 16 1.1 Quá trình phát triển hệ thống thông tin di động 3G 16 1.1.1 Lịch sử phát triển 16 1.1.2 Các hướng phát triển mạng thông tin di động lên 3G 20 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ 3G 24 1.2.1 Tiêu chuẩn IMT-2000 25 1.2.2 Phân bố tần số cho IMT-2000 31 1.2.3 Mơ hình tổng quát cho mạng IMT-2000 32 1.2.4 Các dịch vụ ứng dụng thông tin di động hệ ba 35 2.1 Giới thiệu chung 38 2.2 Cấu trúc mạng GSM 39 2.2.1 Trạm di động 39 2.2.2 Phân hệ trạm gốc 40 2.2.3 Phân hệ chuyển mạch 41 2.2.4 Đa truy nhập GSM 42 2.3 Sự phát triển mạng GSM lên 3G 43 2.3.1 Hệ thống GSM nâng cấp bước lên hệ ba 43 2.3.2 Giải pháp nâng cấp 44 2.4 Giới thiệu chung tầng trung gian 46 2.4.1 Số liệu chuyển mạch tốc độ cao - HSCSD 46 2.4.2 Dịch vụ vơ tuyến gói chung - GPRS 48 2.4.3 Tốc độ liệu nâng cao cải tiến cho GSM - EDGE 51 2.4.4 Hệ thống thông tin di động hệ W-CDMA 52 3.1 Cấu trúc hệ thống WCDMA 56 3.1.1 Thiết bị người sử dụng UE 57 3.1.2 Mạng lõi - CN 58 3.1.3 Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) 59 NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G 3.1.4 Các mạng giao diện 61 3.1.5 Cấu trúc phân lớp W-CDMA 64 3.2 Các giải pháp kỹ thuật W-CDMA 67 3.2.1 Sơ đồ khối chung thiết bị thu phát vô tuyến số 67 3.2.2 Điều chế 69 3.3 Trải phổ W-CDMA 72 3.3.1 Khái quát kỹ thuật trải phổ 72 3.3.2 Khái niệm hệ thống thông tin trải phổ 74 3.3.3 Mã PN 76 3.3.4 Các phương thức trải phổ 78 3.3.5 Nguyên lí kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 80 3.4 Công nghệ CDMA băng rộng 83 3.5 Giao diện vô tuyến 86 3.5.1 Các kênh truyền tải xếp chúng lên kênh vật lý 87 KẾT LUẬN 93 NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THƠNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình phát triển lên 3G theo hướng sử cơng nghệ WCDMA [1] 21 Hình 1.2 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA2000 [1] 21 Hình 1.3 Lộ trình phát triển hệ thông tin di động 23 Hình 1.4 Lịch trình nghiên cứu đưa vào khai thác mạng W-CDMA 25 Hình 1.5 Phân bố tần số cho IMT-2000 số nước 32 Hình 1.6 Mơ hình tổng qt cho mạng IMT-2000 [3] 33 Hình 1.7 Các đề xuất mạng truy cập vô tuyến 35 Hình 2.1 Cấu trúc mạng GSM 39 Hình 2.2 Các giai đoạn phát triển từ hệ thống GSM sang WCDMA 46 Hình 2.3 Cấu trúc mạng GSM cung cấp HSCSD 47 Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống GPRS 49 Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống GPRS có sử dụng EDGE 52 Hình 2.6 Cấu trúc hệ thống W-CDMA theo 3GPP phiên 99 54 Hình 2.7 Cấu trúc hệ thống W-CDMA theo 3GPP phiên 55 Hình 3.1 Cấu trúc chi tiết hệ thống W-CDMA 56 Hình 3.2 Cấu trúc UE 57 Hình 3.3 Cấu trúc mạng lõi CN 58 Hình 3.4 Cấu trúc mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) 60 Hình 3.5 Sơ đồ khối cấu trúc tổng quan mạng UMTS phát triển từ GSM 64 Hình 3.6 Cấu trúc phân lớp W-CDMA 64 Hình 3.7 Sơ đồ khối tổng quát thiết bị vô tuyến số hệ thống thông tin di động số 67 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK 70 Hình 3.9 Khoảng cách hai tín hiệu BPSK 70 Hình 3.10 Mơ hình hệ thống thông tin trải phổ 74 Hình 3.11 Khả loại trừ nhiễu 76 Hình 3.12 Bộ tạo chuỗi PN chiều dài cực đại (M=5, N=31) 77 Hình 3.13 Hàm tự tương quan liên tục 78 Hình 3.14 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) [3] 80 Hình 3.15 Các chức phần phát hệ thống DS-CDMA 82 Hình 3.16 Các chức phần thu hệ thống DS-CDMA 82 Hình 3.17 Hệ thống búp hướng anten 85 Hình 3.18 Sắp xếp kênh truyền tải lên kênh vật lý 91 NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT A ACCH Associated control channel Kênh điều khiển liên kết AICH Acquisition indicator channel Kênh thị bắt ACIR Adjacent channel interference ration Tỷ số nhiễu kênh lân cận AS Access stratum Tầng truy nhập ARQ Automatic repeat request Yêu cầu phát lại tự động ATM Asynchronous transfer mode Chế độ truyền dị ALOHA VSAT Random Acess Scheme AuC Authentication Centre Kỹ thuật truy nhập ngẫu nhiên mạng VSAT Trung tâm nhận thực BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Chanel Kênh quảng bá BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BSS Base Station System Phân hệ trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc (trong GSM) B NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G C CACH Common Assignment Chanel Kênh ấn định chung CAICH Kênh thị gán kênh CPCH CCCH CPCH Chanel Assignment Indicator chanel Common Control Chanel CCPCH Common Control Physical Chanel Kênh vật lý điều khiển chung CN Core Network Mạng lõi CPICH Common Pilot Chanel Kênh hoa tiêu chung CPCH Common Packet Chanel Kênh gói chung CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư thừa CRNC Controlling RNC CS Circuit Switched Bộ RNC phụ trách điều khiển Chuyển mạch kênh CSMACD D Carrier Sense Multiple Access with Phương thức truy nhập đa sóng Collision Detection mang kết hợp phát va chạm DCH Dedicated Channel Kênh dành riêng DPCH Dedicated Physical Chanel Kênh vật lý dành riêng DPCCH Dedicated Physical Control Chanel DPDCH Dedicated Physical Data Chanel Kênh vật lý điều khiển dành riêng Kênh vật lý liệu dành riêng DTCH Dedicated Traffic Chanel Kênh lưu lượng dành riêng DHO Diversity Handover Chuyển giao phân tập NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC Kênh điều khiển chung SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G E Enhanced Data Rates for GSM Evolution Equipment Identity Register Tốc độ bit tăng cường sử dụng cho nhánh tiến hóa GSM Thanh ghi nhận dạng thiết bị Equivalent Isotropic Radiated Power European Telecommunications Standards Instutute Công suất xạ đẳng hướng tương đương Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FBI Feedback Information Thông tin phản hồi FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA FEC Frequency Division Multiple Access Forward Error Correction Đa truy nhập phân chia theo tần số Mã sửa sai đường xuống FER Frame Error Rate Tỷ lệ lỗi khung GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GMSC Gateway MSC MSC cổng GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói chung GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu EDGE EIR EIRP ETSI F G H NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G HDR Header Mào đầu HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú HSDPA High Speed Downling Packet Access HSUPA High Speed Uploading Packet Access Handover Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Chuyển giao HO I International Electrotechnical Commission IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000 IN Intelligent Network Ủy ban kỹ thuật điện tử quốc tế IS-95 North American Version of the CDMA Standard International telecommunication union ITU Recommendation Working Group 8F UMTS Interface Between 3G MSC/SGSN and RNC UMTS Interface Between RNC and BS UMTS Interface Between RNCs Một phiên CDMA Bắc Mỹ L1 Layer - Radio Physical Layer Lớp vật lý L2 Layer - Radio Data Link Layer Lớp liên kết liệu IEC ITU ITU-R WP8F Iu Iub Iur Tiêu chuẩn viễn thông di động quốc tế 2000 Mạng thông minh Hiệp hội viễn thơng quốc tế Nhóm làm việc 8F tổ chức ITU Giao diện UMTS 3G MSC/SGSN với RNC Giao diện UMTS RNC với BS Giao diện UMTS RNC L NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G độ rộng băng nhiễu W Như vậy, trình lọc độ rộng băng tần tín hiệu sử dụng để loại bỏ công suất nhiễu SNR số liệu băng gốc (SNR)Băng gốc = A0 B A0 A w   N     SNR  RF N0 B N0 N0 B Một độ lợi xử lý N = W/B = tỷ số tốc độ chip/ tốc độ ký hiệu gọi hệ số trải phổ (SF) thể mức độ chống nhiễu băng rộng đạt nhờ sử dụng trình trộn (nhân) lọc (tương quan) Nếu thu bị trễ tín hiệu cần thu (tức thành phần sóng hiệu ứng nhiều tia), q trình trộn sóng trải phổ máy thu không làm giảm độ rộng băng tần tín hiệu hàm tương quan dạng sóng trải phổ có thuộc tính mong muốn định thỏa mãn bới chuỗi giả ngẫu nhiên Như vậy, hệ thống trải phổ DS thu độ lợi xử lý chống nhiễu tượng nhiều tia từ tín hiệu cần thu chống tượng jamming nhiễu tia từ thuê bao khác Khả hệ thống trải phổ DS để tách tín hiệu cần thu khử nhiễu tượng nhiều tia khai thác kỹ thuật thu gọi “rake”, kỹ thuật thu tia sóng đến máy thu qua nhiều đường khác (multipath) sử dụng mạch phát chuỗi PN có thời gian trễ khác nhau, xếp lại tia sóng theo thời gian sau kết hợp chúng để thu độ lợi phân tập Cấu hình chức máy phát thu vơ tuyến: - Các chức phần phát Các chức phần phát mô tả Sau mã hóa, gắn mã sửa lỗi xử lý đan xen, tín hiệu thoại số liệu đựợc điều chế phần trải phổ Sau tín hiệu điều chế trực giao gửi sóng mang phát đến máy phát NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 81 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THƠNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G Hình 3.15 Các chức phần phát hệ thống DS-CDMA - Các chức phần thu Tín hiệu thu giải điều chế trực giao sau biến đổi tần số loại bỏ tạp âm Tiếp theo, tín hiệu thu đưa đến phần xử lý tổng hợp quét (rake synthesizing), sửa lỗi giả xen kẽ, sau đến phần giải mã kênh để thu lại tín hiệu ban đầu Hình 3.16 Các chức phần thu hệ thống DS-CDMA * Các đặc tính DS-CDMA - Đa truy nhập: Nếu nhiều người sử dụng kênh thời điểm có nhiều tín hiệu DS chùm lên thời gian tần số Máy thu giải điều chế quán để giải điều chế mã Thao tác tập trung cơng suất tín hiệu người sử dụng quan tâm băng tần thông tin Nếu tương quan mã người sử dụng quan tâm mã người sử dụng khác nhỏ việc giải điều chế đưa phần nhỏ cơng suất tín hiệu nhiễu băng tần thông tin NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 82 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G - Nhiễu đa đường: Nếu dãy mã có hàm tự tương quan lý tưởng hàm tương quan ngồi khoảng [0,Tc] vơi Tc thời gian tồn chip Nghĩa nhận hai tín hiệu: tín hiệu mong muốn tín hiệu trễ khoảng lớn 2Tc việc giải điều chế quán xem tín hiệu nhiễu mang phần cơng suất nhỏ nhiễu vào băng tần thông tin - Nhiễu băng hẹp: Niệc nhân nhiễu băng hẹp có tín hiệu thu với mã băng rộng làm trải phổ nhiễu băng hẹp Vì vậy, cơng suất nhiễu băng hẹp băng tần thông tin giảm với hệ số độ tăng ích Gp - Xác suất phát thấp: Do tín hiệu dãy mã trực tiếp sử dụng tồn phổ tín hiệu thời điểm nên mật độ công suất nhiễu truyền dẫn (W/hz) thấp Vì khó phát * Ưu nhược điểm DS-CDMA + Ưu điểm DS-CDMA: - Việc mã hố liệu đơn giản thực nhân - Bộ tạo sóng mang đơn giản có sóng mang phát - Có thể thực việc giải điều chế quán tín hiệu trải phổ + Nhược điểm DS-CDMA: - Khó đồng tín hiệu mã nội tín hiệu thu - Do nhược điểm kết hợp với đặc điểm băng tần liên tục khơng lớn sẵn có nên băng tần trải phổ bị hạn chế 10-20 Mhz - Người sử dụng gần BS phát mức công suất lớn nhiều so với người sử dụng xa Vì th bao truyền dẫn tồn băng tần cách liên tục nên người sử dụng gần BS gây nhiễu lớn cho người sử dụng xa BS Hiệu ứng gần - xa khắc phụ cách cách áp dụng thuật tốn điều khiển cơng suất mức cơng suất trung bình mà BS nhận từ MS giống 3.4 Công nghệ CDMA băng rộng Công nghệ CDMA hoạt động dải băng tần rộng 1,25Mhz (đã trình bày phần trên) gọi cơng nghệ N-CDMA Tuy nhiên, cơng nghệ cịn nhiều vấn đề tồn tại: điều khiển công suất, rớt goi, dung lượng, virut phần mềm, khó cung cấp dịch vụ số liệu tốc độ cao… Hệ thống thông tin hệ NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 83 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G ba yêu cầu thông tin số liệu tốc độ cao thông tin đa phương tiện băng rộng, truyền hình ảnh, cung cấp dịch vụ điện thoại thấy hình… Nên cơng nghệ NCDMA không đáp ứng Do vậy, nhà nghiên cứu cho đời công nghệ W-CDMA sở N-CDMA Công nghệ W-CDMA chọn công nghệ truy cập vô tuyến cho hệ thống viễn thơng di động tồn cầu UMTS/ IMT-2000 châu Âu Nhật Bản W-CDMA công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng việc tách riêng thông tin thoại số liệu người sử dụng cách ghép thông tin với bit giả ngẫu nhiên gọi chip Chuỗi bit giả ngẫu nhiên có tốc độ 3.84 Mcps (hàng triệu bit giây), kết bit thông tin băng hẹp người sử dụng trải thành độ rộng băng tần MHz Trong trình trải phổ, kí tự thơng tin có độ rộng băng tần tương đối hẹp ghép với mã trải phổ tương đối cao chứa chíp Tín hiệu trải phổ tạo có băng tần rộng phụ thuộc vào số chíp cho kí tự Trong trình giải trải phổ hay cịn gọi q trình nén phổ, mã trải phổ ghép với tín hiệu bị trải phổ để phục hồi lại kí tự liệu ban đầu Q trình nén chuyển tín hiệu băng rộng trở lại thành tín hiệu băng hẹp ban đầu kí tự liệu Các mã trải phổ đặc biệt thiết kế phép kí tự từ nhiều người sử dụng chiếm giữ phổ tần thời điểm cho phép phục hồi thông tin gốc W-CDMA hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trực tiếp băng rộng với tính sơ như: - Hoạt động CDMA băng rộng với băng tần 5Mhz - Miền thời gian có cấu trúc khung gồm khung 10ms, khung lại chia thành 16 khe thời gian 0,635ms - Tốc độ chíp 3,84Mcps NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 84 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G - Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp tất tốc độ sóng mang - Hệ số tái sử dụng tần số - W-CDMA cung cấp hai kiểu vận hành bản: Ghép kênh song công phân chia theo tần số (FDD) ghép song cơng theo thời gian (TDD) * Ngồi cơng nghệ cịn tăng cường tính sau: - Anten linh hoạt: Không cho phép đạt độ tăng ích M lần mà cịn đảm bảo độ lợi phân tập M lần Khi công suất phát khơng đổi anten tăng vùng phủ cách tăng hệ số tăng ích anten Nguồn nhiễu MS Tia thẳng Tia phản xạ Hình 3.17 Hệ thống búp hướng anten - Phân tập phát: Cho phép giảm công suất phát yêu cầu kênh tăng dung lưọng hệ thống - Hỗ trợ cấu trúc tiến * Do vậy, W-CDMA có ưu điểm: - Cung cấp dịch vụ băng rộng (5-15Mhz), tốc độ cao (tới 2Mbps) cần cho dịch vụ tương lai - Khả chống Fading tốt - Điều khiển cơng suất hồn hảo - Kết hợp đa đường cân nhiễu - Cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu Điều xuất phát từ khả thay đổi tốc độ bit dịch vụ khác NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 85 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G - Hệ thống không cần sử dụng hệ thống định vi toàn cầu GPS để đồng cho phép sử dụng lại sơ sở hạ tầng GSM sẵn có, trước hết MSC BS Với khả cung cấp dịch vụ bit cao, hệ thống cung cấp dễ dàng số dịch vụ mới: Điện thoại thấy hình, tải liệu nhanh đường xuống 3.5 Giao diện vô tuyến Giao diện vô tuyến phần quan trọng hệ thống thơng tin di động nói chung hệ thống 3G-UMTS nói riêng Các thơng số giao diện vô tuyến mạng 3G-UMTS: Bảng Các tham số UTRAN/IMT-2000 Công nghệ truy nhập vô FDD: DS-CDMA tuyến TDD: TMDA/CDMA Mơi trường hoạt động Trong nhà/ngồi trời đến nhà/trên xe Tốc độ chíp (Mcps) 3,840 (UTRAN cũ:4,096/8,192/16,384) Độ rộng kênh (Mhz) UTRAN:5/10/20 IMT-2000:1,25/5/10/20 Hệ số uốn Nyquist 0,22 Chế độ song công FDD TDD Tốc độ bit kênh (kbps) FDD(UL):16/32/64/128/256/512/1024 FDD(DL):32/64/128/256/512/1024/2048 TDD(UL/DL):512/1024/2048/4096) Độ dài khung 10ms Hệ số trải phổ FDD: khả biến, đến 256 TDD: khả biến, đến 16 Cơ cấu tách Tương quan với kí tự hoa tiêu ghép kênh theo thời gian NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 86 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G Hoạt động liên cell FDD: dị TDD: đồng Điều khiển công suất Vịng mở vịng kín Dải động cơng suất phát 80dB (UL),30dB (DL) Chuyển cell Chuyển cell mềm, chuyển cell liên tần Trong giao diện vô tuyến, lớp vật lý ảnh hưởng lớn đến phức tạp thiết bị mặt đảm bảo khả xử lý băng tần sở cần thiết trạm gốc trạm đầu cuối Trên quan điểm dịch vụ hệ thống 3G hệ thống băng rộng, khơng thể thiết kế lớp vật lý cho dịch vụ thoại mà cần đảm bảo tính linh hoạt cho dịch vụ tương lai 3.5.1 Các kênh truyền tải xếp chúng lên kênh vật lý Trong UTRAN số liệu tạo lớp cao truyền tải đường vô tuyến kênh truyền tải cách xếp kênh lên kênh vật lý khác Lớp vật lý yêu cầu để hỗ trợ kênh truyền tải với tốc độ bit thay đổi nhằm cung cấp dịch vụ với độ rộng băng tần theo yêu cầu để ghép nhiều dịch vụ kết nối Mỗi kênh truyền tải kèm với thị khuôn dạng truyền tải (TFI) thời điểm kênh truyền tải nhận số liệu từ mức cao Lớp vật lý kết hợp thông tin TFI từ kênh truyền tải khác vào thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI) TFCI phát kênh điều khiển để thông báo cho máy thu biết kênh tích cực khung thời Thơng báo khơng cần thiết sử dụng chế phát khuôn dạng kênh tải mù (BTFD) thực kết nối với kênh riêng đường xuống Máy thu giải mã TFCI, chuyển đến lớp cao cho kênh tất truyền tải tích cực kết nối NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 87 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G Các kênh truyền tải phân thành hai nhóm: Kênh truyền tải riêng kênh truyền tải riêng * Kênh truyền tải riêng Kênh truyền tải riêng kênh riêng (DCH) Kênh mang thông tin từ lớp lớp vật lý riêng cho người sử dụng, bao gồm số liệu cho dịch vụ thời thông tin điều khiển lớp cao Kênh đặc trưng tính như: điều khiển cơng suất nhanh, thay đổi tốc độ số liệu nhanh theo khung khả phát đến phần đoạn ô cách thay đổi hướng anten hệ thống anten thích ứng Các kênh riêng hỗ trợ chuyển giao mềm * Các kênh truyền tải chung UTRAN định nghĩa kênh truyền tải chung: - Kênh quảng bá Kênh quảng bá (BCH) kênh truyền tải sử dụng để phát thông tin đặc thù UTRAN ô Trong mạng, thông thường số liệu quan trọng mã truy nhập ngẫu nhiên khe thời gian cấp phát hay kiểu phân tập phát sử dụng kênh khác cho trước Vì UE đăng ký đến giải mã kênh quảng bá, nên cần phát kênh cơng suất cao để mạng đạt đến tất ngưòi sử dụng vùng bao phủ yêu cầu Từ quan điểm thực tiễn, tốc độ thông tin kênh quảng bá bị giới hạn khả giải mã tốc độ kênh quảng bá UE tốc độ thấp Điều dẫn đến việc sử dụng tốc độ số liệu thấp cố định cho kênh quảng bá - Kênh truy nhập đường xuống Kênh truy nhập đường xuống (FACH) kênh truyền tải đường xuống mang thông tin điều khiển đến UE nằm ô cho trước Các số liệu gói phát kênh FACH Trong có nhiều FACH Một FACH phải có tốc độ bit đủ thấp để tất UE thu Khi có nhiều FACH, kênh bổ sung có tốc độ bit cao FACH không sử dụng điều khiển công suất nhanh để thu tin phát phải chứa thông tin nhận dạng băng NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 88 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G - Kênh tìm gọi Kênh tìm gọi (PCH) kênh truyền tải đường xuống mang số liệu liên quan đến thủ tục tìm gọi Chẳng hạn mạng muốn khởi đầu thơng tin với UE, xét ví dụ đơn giản gọi đến UE: Mạng phát tin tìm gọi đến tất thuộc vùng định vị nơi có UE cần tìm Tuỳ theo cấu hình hệ thống, tin tìm gọi phát ô hàng trăm ô UE phải có khả thu thơng tin tìm gọi tồn vùng phủ Việc thiết kế kênh tìm gọi ảnh hưởng đến cơng suất tiêu thụ UE chế độ chờ UE điều chỉnh máy thu để thu tin tìm gọi pin chế độ chờ lâu - Kênh truy nhập ngẫu nhiên Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH) kênh truyền tải đường lên sử dụng để mang thông tin điều khiển từ UE Cũng sử dụng kênh để phát cụm nhỏ số liệu gói từ UE Để hoạt động đúng, hệ thống phải thu kênh truy nhập ngẫu nhiên từ tồn vùng phủ Điều có nghĩa tốc độ số liệu thực tế phải đủ thấp, truy nhập hệ thống lần đầu thủ tục điều khiển khác - Kênh gói chung đường lên Kênh gói chung đường lên (CPCH) kênh mở rộng kênh RACH để mang số liệu người dùng phát theo gói đường lên FACH đường xuống với kênh tạo nên cặp kênh để truyền số liệu Trong lớp vật lý, điểm khác kênh với RACH việc sử dụng điều khiển công suất nhanh, chế phát tranh chấp sở vật lý thủ tục giám sát trạng thái CPCH So với hai khung tin RACH, truyền dẫn CPCH đường lên kéo dài nhiều khung - Kênh đường xuống dùng chung NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 89 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G Kênh đường xuống dùng chung (DSCH) kênh truyền tải để mang thông tin người sử dụng và/hoặc thơng tin điều khiển Nhiều người sử dụng chung kênh Không thiết phải thu kênh tồn vùng phủ sóng ô Kênh liên kết với kênh DCH → Các kênh truyền tải cần thiết: Các kênh truyền tải chung cấn thiết cho việc hoạt động mạng RACH, FACH PCH * Sắp xếp kênh truyền tải lên kênh vật lý - Cấu trúc khung kênh truyền tải Các kênh UTRA sử dụng cấu trúc khung 10ms Chu kỳ dài sử dụng chu kỳ khung hệ thống Số khung hệ thống (SFN) số 12 bit số thủ tục sử dụng có thời gian dài khung Các thủ tục lớp vật lý như: Thủ tục tìm gọi, thủ tục truy nhập ngẫu nhiên thủ tục cần chu kỳ dài 10ms - Sự xếp Các kênh truyền tải xếp lên kênh vật lý khác hình 3.18, số kênh truyền tải mang kênh giống (hay chí kênh vật lý) Ngồi kênh truyền tải cịn có kênh truyền tải mang thơng tin liên quan đến thủ tục lớp vật lý Kênh đồng (SCH), kênh hoa tiêu chung (CPICH) kênh thị bắt (AICH), kênh khơng thể nhìn thấy trực tiếp từ lớp cao kênh bắt buộc phát từ BS xuất phát từ quan điểm hoạt động hệ thống Kênh thị trạng thái cho CPCH (CSICH) kênh thị phát tranh chấp/ấn định kênh (CD/CA-ICH) cần có CPCH sử dụng NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 90 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G Các kênh truyền tải Các kênh vật lý BCH Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp (PCCPCH) FACH Kênh điều khiển chung thứ cấp (SCCPCH) PCH RACH Kênh truy nhập ngẫu nhiên (PRACH) DCH Kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) Kênh điều khiển vật lý riêng (DPCCH) DSCH Kênh vật lý đường xuống dùng chung (PDSCH) DPCH Kênh gói chung vật lý (PCPCH) Kênh đồng (SCH) Kênh hoa tiêu chung (CPICH) Kênh thị bắt (AICH) Kênh thị tìm gọi (PICH) Kênh trạng thái (CPCH) Kênh phát tranh chấp/ thị ấn định kênh (CD-ICH) Hình 3.18 Sắp xếp kênh truyền tải lên kênh vật lý Kênh DCH xếp lên hai kênh vật lý Do đó, có kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) mang thông tin bao gồm số liệu người sử dụng, kênh điều khiển vật lý riêng (DPCCH) mang thông tin lớp vật lý cần thiết Tốc độ bit kênh DPCCH khơng đổi cịn tốc độ bit kênh DPDCH thay đổi theo khung Như vậy, chương cho thấy cấu trúc tổng quát mạng WCDMA Hiểu thành phần, chức khối từ thấy rõ thay đổi mặt công nghệ so với hệ thống 2G Điều quan trọng qua chương nghiên cứu kỹ thuật trải phổ đa truy nhập phân chia theo mã ứng dụng 3G - WCDMA Những ưu điểm kỹ thuật trải phổ trực NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 91 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G tiếp ứng dụng Đồng thời nghiên cứu cấu trúc phân lớp mang W-CDMA kênh truyền tải kênh vật lý NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 92 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G KẾT LUẬN Việc nâng cấp mạng GSM lên W-CDMA thực mang lại hiệu to lớn Không đạt mục tiêu nâng cấp lên 3G mà tái sử dụng hiệu tài nguyên thiết bị mạng hệ mạng 2G Mạng thông tin di động 3G ngày đáp ứng hầu hết nhu cầu người sử dụng Chúng ta nhận thấy 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 vơ 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 u cầu cơng nghệ thơng tin di động hệ tư giải pháp với tốc độ lên tới 34Mbps NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 93 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G Trong khn khổ đề tài em tìm hiểu tổng qt giải pháp nâng cấp mạng GSM lên W-CDMA Do có nhiều chuẩn nâng cấp nhiều giải pháp nâng cấp tập đồn viễn thơng 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 Cuối em xin chân thành cảm ơn KS Tạ Hùng Cường thầy cô giáo khoa Điện tử Viễn thông - Trường ĐH Vinh nhiệt tình hướng dẫn em hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 94 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình “Lộ trình phát triển thơng tin di động 3G lên 4G”, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, 12/2008 [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Bài giảng “Thông tin di động” cho đào tạo từ xa, Học Viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 2007 [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Bài giảng “Giới thiệu công nghệ 3G WCDMA UMTS”, năm 2009 [4] Các Website: http://www.dientuvienthong.net http://www.dientuvietnam.net http://www.vntelecom.org NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 95 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT ... triển mạng thông tin di động, cần thiết phải nâng cấp mạng thông tin di động lên 3G tiêu chuẩn để nâng cấp mạng Phần phần đồ án, nêu lên giải pháp thực nâng cấp mạng GSM lên 3G Phần nêu lên cấu... phải nâng cấp hệ thống di động lên 3G NHD: KS TẠ HÙNG CƯỜNG PHÚC 19 SVTH: TRẦN THANH LỚP : 47K-ĐTVT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G Thông tin di động hệ ba hệ thống thông tin. .. mạng 3G mà em chọn đề tài nghiên cứu 3G Đề tài ? ?Giải pháp nâng cấp mạng thơng tin di động GSM lên 3G? ?? gồm có chương: Chương 1: Tổng quan thông tin di động 3G Chương 2: Hệ thống thông tin di động