Mạng di động thế hệ thứ 3 và thiết bị đầu cuối 3G

Mạng di động thế hệ thứ 3 và thiết bị đầu cuối 3G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNKHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

- -BÀI BÁO CÁO

Đề tài: Mạng di động thế hệ thứ 3 và thiết bị đầu cuối 3G

Giảng viên giảng dạy: Ths Trương Tấn QuangSinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Xuân Nguyên0620047

2 Bùi Thanh Phương 0620052

3 Nguyễn Đức Anh 0620001

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH

PHẦN 1: TỔNG QUAN MẠNG THẾ HỆ BA

1.1/Mở đầu

Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất Để đáp ứng các yêu cầu về chất lượng và dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động càng không ngừng được cải tiến Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 được đề xuất, trong đó có hai hệ thống W-CDMA và CDMA 2000 đã được ITU chấp thuận và sẽ được đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thế kỷ XXI với các ưu điểm :

• Tốc độ truy nhập cao.

• Linh hoạt

• Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có.

CDMA2000 sẽ là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ CDMA: IS-95.

W-CDMA sẽ là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136 Nó là sự phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ 3 W-CDMA sử dụng công nghệ DS-CDMA băng rộng và mạng lõi được phát triển được phát triển từ GSM và GPRS W-CDMA có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến:

• Ghép song công phân chia theo tần số FDD.

• Ghép song công phân chia theo thời gian TDD.

Cả hai giải pháp này đều sử dụng phương pháp trải phổ chuổi trực tiếp ( DS-CDMA) Giải pháp thứ nhất được triển khai rộng rãi hơn, còn giải pháp thứ 2 được triển khai ở các ô nhỏ ( micro cell và pico cell).

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 dãy phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz Đường xuống có băng tần nằm trong dãy phổ từ 2110 MHz đến 2170 MHz

Giải pháp TDD sử dụng băng tần nằm trong dãy từ 1900 MHz đến 1920 MHz và từ 2010 đến 2020 MHz Trong TDD, đường lên và đường xuống sử dụng chung một dãy tần

Hình 1 Dãy tần hoạt động của FDD và TDD

Hình 1 Chế độ hoạt động của FDD và TDD

Giao diện W-CDMA được chia thành hai loại: Mạng đồng bộ và mạng dị bộ

• Trong mạng đồng bộ, tất cả các trạm gốc đồng bộ thời gian với nhau Điều này tạo ra một giao diện vô tuyến hiệu quả hơn, nhưng nó đòi hỏi nhiều thiết bị phần cứng đắt tiền trong trạm gốc

• Trong mạng dị bộ, các trạm gốc không đồng bộ thời gian với nhau Đặc tính vượt trội của loại mạng này là điều khiển công suất nhanh trong cả đường

hướng lên và hướng xuống Nó có khả năng thay đổi tốc độ truyền theo bit và những tham số dịch vụ trên một khung cơ bản bằng cách thay đổi sự lan truyền.W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM và GPRS cho mạng của mình Kiến trúc mạng lõi 3GPP phát hành 1999 dựa trên mạng lõi của GSM/GPRS Do vậy không cần phải xây dựng một kiến trúc mạng hoàn toàn mới, chỉ cần nâng cấp các phần tử của mạng hiện có như: MSC, HLR, GGSN, SGSN…để có thể hổ trợ đồng thời W-CDMA và GSM.

1.2/Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ hai GSM lên mạng thông tin di động thế hệ 3 W-CDMA

Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là phải đảm bảo dịch vụ số liệu tốt hơn Tồn tại hai chế độ dịch vụ số liệu:

− Chuyển mạch kênh CS.

− Chuyển mạch gói PS

Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch kênh đảm bảo:

− Dịch vụ bản tin ngắn SMS.

− Số liệu dị bộ đo tốc độ 14,4 Kbit/s.

− Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4 kbit/s.Các dịch vụ số liệu chuyển mạch gói đảm bảo:

Để đáp ứng được các dịch vụ mới đồng thời đảm bảo được tính kinh tế, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sẽ từng bước được chuyển sang hệ thống thông tin di động thế hệ ba Lộ trình phát triển được tóm tắt như sơ đồ dưới đây:

Hình 1 Lộ trình phát triển từ GSM lên mạng 3G W-CDMATrong đó:

− HSCSD: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao.

− GPRS: Dịch vụ vô tuyến gói chung.

− EDGE: Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM.

1.2.1/ HSCSD: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao.

Hình 1 Hệ thống HSCSD

Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao ( HSCSD ) là một dịch vụ cho phép tăng tốc độ dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh hiện nay 9,6 kbit/s ( hay cải tiến 14,4 kbit/s) của

GSM Để tăng tốc độ số liệu, người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn

Có thể kết hợp linh hoạt từ 1 đến 8 khe thời gian để đạt được tốc độ số liệu cực đại là 64 Kbit/s cho một người sử dụng Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến 8x14,4 kbit/s.

Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ở IWF của tồng đài MSC và ở chức năng thích ứng đầu cuối TAF của MS Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này Kênh tốc độ cao chứa một số kênh con ở giao diện vô tuyến Các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng số ở IWF và TAF

1.2.2/ Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS

Hình 1 Mạng GPRS

Là dịch vụ giá trị gia tăng của mạng GSM GPRS dùng công nghệ chuyển mạch gói để truy cập các mạng số liệu bên ngoài (như LAN, Internet ) bằng giao thức IP (Internet Protocol) với tốc độ cao Đây được coi là công nghệ mạng thế hệ 2,5 (2,5G) - một bước chuyển tiếp từ GSM lên 3G Dịch vụ số liệu truyền thống của mạng GSM chỉ có tốc độ tối đa là 9,6Kbps, trong khi đó GPRS R98 và R99 có tốc độ tối đa lên đến 171,2Kbps

(theo lý thuyết), cao hơn gần 20 lần so với dịch vụ số liệu của mạng GSM Theo R97, GPRS có tốc độ 40Kbps (downlink) và 14Kbps (uplink) Với tốc độ khá cao này, thuê bao mạng GSM có thể tiếp cận thêm các dịch vụ giá trị gia tăng như: WAP, MMS (Multimedia Messaging Service - dịch vụ tin nhắn đa phương tiện), duyệt web, xem video, nghe nhạc GPRS cho phép 8 thuê bao có thể sử dụng một kênh vô tuyến và một thuê bao có thể sử dụng đồng thời 8 kênh vô tuyến Công nghệ này sử dụng phương thức điều chế GMSK.

1.2.3/ EDGE

Hình 1 Dịch vụ EDGE

Là công nghệ nâng cao tốc độ truyền dữ liệu trong mạng GSM EDGE không phải là mạng 3G mà nó chỉ ở tầm 2,75G EDGE, đôi khi còn gọi là EGPRS, là một công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 384Kbps cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144Kbps cho người dùng di chuyển tốc độ cao Theo R98, EDGE có tốc độ downlink là 1,3Mbps và uplink là 653Kbps

Công nghệ này làm tiền đề cho các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động khi chuyển sang 3G dùng công nghệ HSPA - một bước chuyển tiếp GSM 2,5G lên 3G

EDGE cũng là dịch vụ giá trị gia tăng của mạng GSM nhưng có tốc độ cao hơn, thời gian trễ thấp hơn GPRS EDGE hỗ trợ chuyển mạch gói EGPRS (Enhanced General Packet Radio Service) và chuyển mạch kênh ESCD (Enhanced Circuit Switched Data) Với tốc độ truyền dữ liệu cao, EDGE cho phép các nhà cung cấp triển khai các dịch vụ di động tiên tiến như tải video, clip nhạc, tin nhắn đa phương tiện, truy cập Internet, email EDGE sử dụng phương thức điều chế, mã hóa và cơ chế thích ứng đường truyền mới để đạt được tốc độ truyền dữ liệu tối đa (gấp 3 lần tốc độ tối đa của GPRS)

1.3/ Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Thông tin di động thế hệ ba phải là hệ thống thông tin di động cho các dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện Hộp thư thoại sẽ đựợc thay thế bằng bưu thiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại thông thường trước đây sẽ được bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình.

Yêu cầu đối với thông tin di động thế hệ thứ ba:

• Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện, nghĩa là mạng phải đảm bảo tốc độ bit lên tới 2Mbs phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của máy đầu cuối, 2Mbps dự kiến cho các dịch vụ cố định, 384kbps khi đi bộ và 144kbps khi đang di chuyển tốc độ cao.

• Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần, dung lựợng theo yêu cầu Điều này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng, chẳng hạn với tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên hoặc ngược lại.

• Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, nghĩa là phải đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ Video và các khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu.

• Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ cố định, nhất là đối với thoại.

• Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh.Bộ phận tiêu chuẩn của ITU-R đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT-2000.Thông tin di động thế hệ thứ ba xây dựng trên cơ sở IMT-2000 đã được đưa vào hoạt động từ năm 2001 Các hệ thống 3G cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: thoại, số liệu tốc độ

bit thấp và bit cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc cả ở môi trường công cộng lẫn tư nhân, vùng cơ sở, vùng dân cư, phương tiện vận tải…

1.4/ Tổng quan công nghệ W-CDMA trong hệ thống UMTS1.4.1/Nguyên lý CDMA

1.4.1.1/ Nguyên lý trải phổ CDMA

Các hệ thống số được thiết kế để tận dụng dung lượng một cách tối đa Theo nguyên lý dung lượng kênh truyền của Shannon, dung lượng kênh truyền có thể được tăng lên bằng cách tăng băng tần kênh truyền.

C = B log2(1+S/N) Trong đó :

− B là băng thông (Hz).

− C là dung lượng kênh (bit/s).

− S là công suất tín hiệu.

− N là công suất tạp âm.

Vì vậy, đối với một tỉ số S/N cụ thể (SNR), dung lượng tăng lên nếu băng thông sử dụng để truyền tăng CDMA là công nghệ thực hiện trải tín hiệu gốc thành tín hiệu băng rộng trước khi truyền đi Tỷ số độ rộng băng tần truyền thực với độ rộng băng tần của

thông tin cần truyền được gọi là độ lợi xử lý (GP) hoặc là hệ số trải phổ GP = Bt / Bi hoặc GP = B/R

Trong đó Bt :là độ rộng băng tần truyền thực tế Bi : độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin B : là độ rộng băng tần RF

R : là tốc độ thông tin

Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỷ số Eb/I0, trong đó Eb là năng lượng trên một bit, và I0 là mật độ phổ năng lượng tạp âm, thể hiện trong công thức sau :

(2.3)

Vì thế, với một yêu cầu Eb/I0 xác định, độ lợi xử lý càng cao, thì tỷ số S/N yêu cầu càng thấp Trong hệ thống CDMA đầu tiên, IS-95, băng thông truyền dẫn là 1.25MHz Trong hệ thống WCDMA, băng thông truyền khoảng 5MHz.

Trong CDMA, mỗi người sử dụng được gán một chuỗi mã duy nhất (mã trải phổ) để trải tín hiệu thông tin thành một tín hiệu băng rộng trước khi truyền đi Bên thu biết được chuỗi mã của người sử dụng đó và giải mã để khôi phục tín hiệu gốc.

1.4.1.2/ Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ

Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản nhất trong các hệ thống DS-CDMA

• Dữ liệu người sử dụng là chuỗi bit được điều chế BPSK có tốc độ là R.

• Trải phổ chính là nhân mỗi bit dữ liệu người sử dụng với một chuỗi n bit mã, được gọi là các chip.

Ở đây, ta lấy n=8 thì hệ số trải phổ là 8, nghĩa là thực hiện điều chế trải phổ BPSK Kết quả tốc độ dữ liệu là 8xR và có dạng xuất hiện ngẫu nhiên (giả nhiễu) như là mã trải

phổ Việc tăng tốc độ dữ liệu lên 8 lần đáp ứng việc mở rộng (với hệ số là 8) phổ của tín hiệu dữ liệu người sử dụng được trải ra Tín hiệu băng rộng này sẽ được truyền qua các kênh vô tuyến đến đầu cuối thu.

Hình 1 Quá trình trải phổ và giải trải phổ

Trong quá trình giải trải phổ, các chuỗi chip/dữ liệu người sử dụng trải phổ được nhân từng bit với cùng các chip mã 8 đã được sử dụng trong quá trình trải phổ Như trên hình vẽ tín hiệu người sử dụng ban đầu được khôi phục hoàn toàn.

1.4.1.3/ Kỹ thuật đa truy nhập CDMA

Một mạng thông tin di động là một hệ thống nhiều người sử dụng, trong đó một số lượng lớn người sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lý chung để truyền và nhận thông tin

Dung lượng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơ bản của hệ thống Kỹ thuật trải phổ tín hiệu cần truyền đem lại khả năng thực hiện đa truy nhập cho các hệ thống CDMA Trong lịch sử thông tin di động đã tồn tại các công nghệ đa truy nhập khác nhau : TDMA, FDMA và CDMA Sự khác nhau giữa chúng được chỉ ra trong hình dưới đây.

Hình 1 Các công nghệ đa truy nhập

• Trong hệ thống đa truy nhập theo tần số FDMA, các tín hiệu cho các người sử dụng khác nhau được truyền trong các kênh khác nhau với các tần số điều chế khác nhau.

• Trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, các tín hiệu của người sử dụng khác nhau được truyền đi trong các khe thời gian khác nhau Với các công nghệ khác nhau, số người sử dụng lớn nhất có thể chia sẻ đồng thời các kênh vật lý là cố định

Tuy nhiên trong hệ thống CDMA, các tín hiệu cho người sử dụng khác nhau được truyền đi trong cùng một băng tần tại cùng một thời điểm Mỗi tín hiệu người sử dụng đóng vai trò như là nhiễu đối với tín hiệu của người sử dụng khác, do đó dung lượng của hệ thống CDMA gần như là mức nhiễu, và không có con số lớn nhất cố định, nên dung lượng của hệ thống CDMA được gọi là dung lượng mềm.

Hình bên dưới chỉ ra một ví dụ làm thế nào 3 người sử dụng có thể truy nhập đồng thời trong một hệ thống CDMA.

Hình 1 Các công nghệ đa truy nhập

Tại bên thu, người sử dụng 2 sẽ giải trải phổ tín hiệu thông tin của nó trở lại tín hiệu băng hẹp, chứ không phải tín hiệu của bất cứ người nào khác Bởi vì sự tương quan chéo giữa mã của người sử dụng mong muốn và các mã của người sử dụng khác là rất nhỏ : việc tách sóng kết hợp sẽ chỉ cấp năng lượng cho tín hiệu mong muốn và một phần nhỏ cho tín hiệu của người sử dụng khác và băng tần thông tin.

Độ lợi xử lý và đặc điểm băng rộng của quá trình xử lý đem lại nhiều lợi ích cho các hệ thống CDMA, như hiệu suất phổ cao và dung lượng mềm

Tuy nhiên, tất cả những lợi ích đó yêu cầu việc sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất nghiêm ngặt và chuyển giao mềm, để tránh cho tín hiệu của người sử dụng này che thông tin của người sử dụng khác.

1.4.2/ Một số đặc trưng của lớp vật lý trong hệ thống WCDMA.

1.4.2.1/ Các mã trải phổ

Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS, các bit dữ liệu được mã hoá với một chuỗi bit giả ngẫu nhiên (PN) Mạng vô tuyến UMTS sử dụng một tốc độ chip cố định

là 3.84Mcps đem lại một băng thông sóng mang xấp xỉ 5MHz Dữ liệu được gửi qua giao diện vô tuyến WCDMA được mã hoá 2 lần trước khi được điều chế và truyền đi Quá trình này được mô tả trong hình vẽ sau:

• Mã trộn:

Mã trộn được sử dụng trên đường xuống là tập hợp chuỗi mã Gold Các điều kiện ban đầu dựa vào số mã trộn n Chức năng của nó dùng để phân biệt các trạm gốc khác nhau

Có hai loại mã trộn trên đường lên , chúng dùng để duy trì sự phân biệt giữa các máy di động khác nhau Cả hai loại đều là mã phức:

− Mã thứ nhất là mã hoá Kasami rất rộng

− Loại thứ hai là mã trộn dài đường lên thường được sử dụng trong cell không phát hiện thấy nhiều người sử dụngtrong một trạm gốc Đó là chuỗi mã Gold có chiều dài là 241-1.

1.4.2.2/ Phương thức song công.

Hai phương thức song công được sử dụng trong kiến trúc WCDMA:

• Song công phân chia theo thời gian (TDD): chỉ cần một băng tần

• Song công phân chia theo tần số (FDD): FDD cần hai băng tần cho đường lên và đường xuống.

Thông thường phổ tần số được bán cho các nhà khai thác theo các dải có thể bằng 2x10MHz, hoặc 2x15MHz cho mỗi bộ điều khiển Mặc dù có một số đặc điểm khác nhau nhưng cả hai phương thức đều có tổng hiệu suất gần giống nhau Chế độ TDD không cho phép giữa máy di động và trạm gốc có trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây ra đụng độ giữa các khe thời gian thu và phát Vì vậy chế độ TDD phù hợp với các môi trường có trễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD vận hành ở các pico cell

Một ưu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đường lên và đường xuống có thể rất khác nhau, do đó phù hợp cho các ứng dụng có đặc tính bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống (như Web browsing)

Sơđồ phân bố phổ tần số của hệ thống UMTS Châu Âu.

Hình 1 Phân bố phổ tần cho UMTS châu Âu

1.4.2.3/ Dung lượng mạng.

Kết quả của việc sử dụng công nghệ đa truy nhập trải phổ CDMA là dung lượng của các hệ thống UMTS không bị giới hạn cứng, có nghĩa là một người sử dụng có thể bổ sung mà không gây ra nghẽn bởi số lượng phần cứng hạn chế

Hệ thống GSM có số lượng các liên kết và các kênh cố định chỉ cho phép mật độ lưu lượng lớn nhất đã được tính toán và hoạch định trước nhờ sử dụng các mô hình thống kê

Trong hệ thống UMTS bất cứ người sử dụng mới nào sẽ gây ra một lượng nhiễu bổ sung cho những người sử dụng đang có mặt trong hệ thống, ảnh hưởng đến tải của hệ thống Nếu có đủ số mã thì mức tăng nhiễu do tăng tải là cơ cấu giới hạn dung lượng chính trong mạng Việc các cell bị co hẹp lại do tải cao và việc tăng dung lượng của các cell mà các cell lân cận nó có mức nhiễu thấp là các hiệu ứng thể hiện đặc điểm dung lượng xác định nhiễu trong các mạng CDMA Chính vì thế mà trong các mạng CDMA có đặc điểm “dung lượng mềm”

1.4.2.4/ Phân tập đa đường- Bộ thu RAKE.

Truyền sóng vô tuyến trong kênh di động mặt đất được đặc trưng bởi các sự phản xạ, sự suy hao khác nhau của năng lượng tín hiệu Các hiện tượng này gây ra do các vật cản tự nhiên như toà nhà, các quả đồi…dẫn đến hiệu ứng truyền sóng đa đường

Hình 1 Truyền sóng đa đường

Hiệu ứng đa đường thường gây ra nhiều khó khăn cho các hệ thống truyền dẫn vô tuyến

Một trong những ưu điểm của các hệ thống DSSS là tín hiệu thu qua các nhánh đa đường với trễ truyền khác nhau và cường độ tín hiệu khác nhau lại có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống Để kết hợp các thành phần từ các nhánh đa đường một cách nhất quán, cần thiết phải tách đúng các thành phần đó Trong các hệ thốngWCDMA, bộ thu RAKE được sử dụng để thực hiện chức năng này

Hình 1 Phương pháp chọn đường truyền để kết hợp của máy thu RAKE

Hình 1 Cấu hình của máy thu RAKE

Một bộ thu RAKE bao gồm nhiều bộ thu được gọi là “finger” Nó sử dụng các bộ cân bằng và các bộ xoay pha để chia năng lượng của các thành phần tín hiệu khác nhau có pha và biên độ thay đổi theo kênh trong sơđồ chòm sao Sau khi điều chỉnh trễ thời gian và cường độ tín hiệu, các thành phần khác nhau đó được kết hợp thành một tín hiệu với chất lượng cao hơn Quá trình này được gọi là quá trình kết hợp theo tỉ số lớn nhất (MRC), và chỉ có các tín hiệu với độ trễ tương đối cao hơn độ rộng thời gian của một chip mới được kết hợp Quá trình kết hợp theo tỉ số lớn nhất sử dụng tốc độ chip là

3.84Mcps tương ứng với 0.26µs hoặc là chênh lệch về độ dài đường dẫn là 78m Phương pháp này giảm đáng kể hiệu ứng fading bởi vì khi các kênh có đặc điểm khác nhau được kết hợp thì ảnh hưởng của fading nhanh được tính bình quân Độ lợi thu được từ việc kết hợp nhất quán các thành phần đa đường tương tự với độ lợi của chuyển giao mềm có được bằng cách kết hợp hai hay nhiều tín hiệu trong quá trình chuyển giao

1.4.2.5/ Các kênh giao diện vô tuyến UTRA FDD.

Giao diện vô tuyến UTRA FDD có các kênh logic, chúng được ánh xạ vào các kênh chuyển vận, các kênh chuyển vận lại ánh xạ vào kênh vật lý Hình vẽ sau chỉ ra sơđồ các kênh và sự ánh xạ của chúng vào các kênh khác.

Hình 1 Sơ đồ ánh xạ giữa các kênh khác nhau

1.4.2.6/ Trạng thái cell.

Nhìn dưới góc độ UTRA, UE có thể ở chế độ “rỗi” hoặc ở chế độ “kết nối”

• Trong chế độ “rỗi”, máy di động được bật và bắt được kênh điều khiển của một cell nào đó, nhưng phần UTRAN của mạng không có thông tin nào về UE UE

chỉ có thể được đánh địa chỉ bởi một thông điệp (chẳng hạn như thông báo tìm gọi) được phát quảng bá đến tất cả người sử dụng trong một cell UE có thể chuyển sang chế độ “kết nối” bằng cách yêu cầu thiết lập một kết nối RRC

Hình 1 Các chế độ của UE và các trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến

Việc ấn định các kênh khác nhau cho một người sử dụng và việc điểu khiển tài nguyên vô tuyến được thực hiện bởi giao thức quản lý tài nguyên vô tuyến

• Trong chế độ “kết nối” của UTRA, có 4 trạng thái RRC mà UE có thể chuyển đổi giữa chúng: Cell DCH, Cell FACH, Cell PCH và URA PCH.

Trong trạng thái Cell DCH, UE được cấp phát một kênh vật lý riêng trên đường lên và đường xuống

Trong 3 trạng thái khác UE không được cấp phát kênh riêng Trong trạng thái Cell FACH, UE giám sát một kênh đường xuống và được cấp phát một kênh FACH trên đường lên Ở trạng thái này, UE thực hiện việc chọn lựa lại cell Bằng cách gửi thông điệp cập nhật cell, RNC biết được vị trí của UE ở mức cell.Trong trạng thái Cell PCH và URA PCH, UE chọn lựa kênh tìm gọi (PCH) và sử dụng việc tiếp nhận không liên tục (DRX) để giám sát kênh PCH đã chọn lựa

thông qua một kênh liên kết PICH Trên đường lên không có hoạt động nào liên quan đến trạng thái này

Sự khác nhau giữa 2 trạng thái này như sau:

• Trong trạng thái Cell PCH, vị trí của UE được nhận biết ở mức cell tuỳ theo việc thực hiện cập nhật cell cuối cùng

• Trong trạng thái URA PCH, vị trí của UE được nhận biết ở mức vùng đăng ký UTRAN (URA) tuỳ theo việc thực hiện cập nhật URA cuối cùng trong trạng thái Cell FACH.

1.4.2.7/ Cấu trúc Cell

Hình 1 Cấu trúc cell UMTS

Trong suốt quá trình thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chú ý nhiều hơn đến sự phân tập của môi trường người sử dụng Các môi trường nông thôn ngoài trời, đô thị ngoài trời, hay đô thị trong nhà được hỗ trợ bên cạnh các mô hình di động khác nhau gồm người sử dụng tĩnh, người đi bộ đến người sử dụng trong môi trường xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao

Để yêu cầu một vùng phủ sóng rộng khắp và khả năng roaming toàn cầu, UMTS đã phát triển cấu trúc lớp các miền phân cấp với khả năng phủ sóng khác nhau:

• Lớp cao nhất bao gồm các vệ tinh bao phủ toàn bộ trái đất.

• Lớp thấp hơn hình thành nên mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN

Mỗi lớp được xây dựng từ các cell, các lớp càng thấp các vùng địa lý bao phủ bởi các cell càng nhỏ

Vì vậy :

• Cell nhỏ được xây dựng để hỗ trợ mật độ người sử dụng cao hơn

• Cell macro đề nghị cho vùng phủ mặt đất rộng kết hợp với các micro cell để tăng dung lượng cho các vùng mật độ dân số cao

• Cell pico được dùng cho các vùng được coi như là các “điểm nóng” yêu cầu dung lượng cao trong các vùng hẹp (ví dụ như sân bay…)

Những điều này tuân theo 2 nguyên lý thiết kế đã biết trong việc triển khai các mạng tế bào:

• Các cell nhỏ hơn có thể được sử dụng để tăng dung lượng trên một vùng địa lý.

• Các cell lớn hơn có thể mở rộng vùng phủ sóng.

1.5/ Kiến trúc của mạng thông tin di động 3G

1.5.1/ Kiến trúc chung của mạng thông tin di động 3G

Hình 1 Kiến trúc chung của mạng thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh để truyền số liệu gói và tiếng.

Các vùng 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 vùng 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)

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 chuyển sang 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

1.5.2/ Cấu trúc mạng 3G –WCDMA

Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS.

Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần :Mạng lõi (CN) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN) Trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA.

Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống.Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM.Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM.

• UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử :

− Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.

− Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC : Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó) RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.

• CN (Core Network)

− HLR (Home Location Register) : Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này bao gồm :

 Các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng

 Các thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.

− MSC/VLR: Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.

− GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.

− SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).

− GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.

• Các mạng ngoài

− Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.

− Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.

• Các giao diện vô tuyến

− Giao diện CU : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.

− Giao diện UU : Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.

− Giao diện IU : Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.

− Giao diện IUr : Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau

− Giao diện IUb : Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC IUb được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn.

1.5.3/ Mô hình tham khảo các mạng W-CDMA

1.5.3.1/ Mô hình mạng 3G phát hành 1999

Hình 1 Mô hình mạng 3G phát hành 1999Về giao diện vô tuyến:

• Phần mạng truy nhập vô tuyến mới UTRAN(WCDMA) được thêm các thành phần RNC và BC.

• Việc có nâng cấp giao diện vô tuyến hiện có của GSM lên EDGE (E-RAN) hay không là tùy chọn của nhà khai thác.

MSC/VLR nâng cấp có thể xử lý được cho phần vô tuyến băng rộng.

Để các dịch vụ IN có thể cung cấp cho các mạng tạm trú của thuê bao cần triển khai CAMEL.

Kết nối truyền dẫn trong mạng truy nhập vô tuyến WCDMA dùng công nghệ ATM nhằm hỗ trợ các loại hình dịch vụ khác nhau: các dịch vụ tốc độ không đổi cho chuyển mạch kênh và và các dịch vụ có tốc độ thay đổi đối với chuyển mạch gói.

Các nút lõi được chuyển đổi:

• Phần CS phải quản lý cả thuê bao 2G và 3G, đòi hỏi thay đổi trong MSC/VLR và HLR/AuC/EIR.

• Phần PS được nâng cấp từ GPRS, thay đổi ở SGSN là lớn nhất.

Mạng cung cấp các loại dịch vụ 3G và dịch vụ giống với mạng 2.5G, hầu hết các dịch vụ được chuyển sang dạng gói khi có nhu cầu Ví dụ WAP sẽ chuyển sang dùng chuyển mạch gói Dịch vụ dựa trên vị trí giúp truyền dữ liệu gói hiệu quả hơn.

Ưu điểm:

• Tận dụng tối đa hạ tầng GSM/GPRS hiện có:

− Có thể triển khai nhanh chóng.

− Chỉ tiêu các phần tử mạng rất ổn định.

• Cung cấp cả dịch vụ 2G và 3G, dịch vụ chuyển mạch kênh và gói.

• Bảo đảm an toàn đầu tư:

− Thiết bị nâng cấp dần dần tới mạng lõi 3G.

1.5.3.2/ Mô hình mạng 3G phát hành 4:

Hình 1 Kiến trúc mạng 3G phát hành 4

Điểm khác biệt chính của phát hành 4 và phát hành 99 là mạng lõi phân bố MSC được chia thành MSC sever và MGW 3GPP phát hành 4 tách phần kết nối, điều khiển và dịch vụ cho chuyển mạch kênh mạng lõi.

• MSC sever có chức năng quản lý di động và điều khiển cuộc gọi, không chứa ma trận chuyển mạch, phần tử điều khiển MGW

• Media Gateway (MGW) là phần tử chiệu trách nhiệm duy trì các kết nối và thực hiện chức năng chuyển mạch khi cần.

• Thoại chuyển mạch gói (VoIP): cuộc gọi chuyển mạch kênh được chuyển sang chuyển mạch gói trong MGW.

Ưu điểm:

• Khắc phục một số nhược điểm của R99.

• Tách riêng phần kết nối cuộc gọi, phần điều khiển và phần dịch vụ cho phần chuyển mạch lõi chuyển mạch kênh.

• Toàn bộ lưu lượng qua MGW, được quản lý nằng MSC Sever tách rời ( nâng cấp từ MSC/VLR).

• Phần CN CS có thể tự do mở rộng khi dung nhiều MGW.

• Cho phép truyền tải lưu lượng hiệu quả hơn nhờ chuyển mạch gói Một cuộc gọi GSM truyền thống sẽ được thay bằng VoIP qua MGW Phân hệ đa phương tiện IP(IMS) được thêm vào đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện trên IP và VoIP.

Nhược điểm:

• Làm thay đổi căn bản phần CS nhưng vẫn còn cả hai thành phần CS và PS.

• Vai trò của CAMEL sẽ thay đổi, phải lập kết nối với phần PS và sẽ trở thành yếu tố đấu nối giữa hạ tầng dịch vụ và mạng.

MGW vẫn có chức năng tương tự như R4 và MGW do MGCF điều khiển.

Ưu điểm :

• Tồn tại duy nhất chuyển mạch gói PS.

• Sử dụng hiệu quả và dễ dàng quản lý toàn bộ lưu lượng trên mạng 3G vì đều là IP.

• Công nghệ truy nhập vô tuyến sẽ giảm dần tỷ trọng Trong tương lai, các lõi 3G sẽ có nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau.

1.5.3.4/ Mô hình mạng 3G phát hành 6

Mục đích chuẩn hóa của 3GPP Relesae 6 là:

• Cung cấp các dịch vụ đa phương tiện IP, pha 2: Nhắn tin IMS và quản lý nhóm.

• Hoạt động phối hợp với mạng LAN vô tuyến.

• Các dịch vụ giọng nói: Nhận dạng giọng nói phân bố (DSsR).

• Phạm vi và định nghĩa đang tiếp tục được tiêu chuẩn hóa.

1.5.3.5/ Mô hình mạng 3G toàn IP

Hình 1 Kiến trúc mạng 3G toàn IP

Tiếp theo thế hệ 2.5G và 3G, mạng lõi toàn IP đang xuất hiện với nhiều khả năng ứng dụng cao, các dịch vụ thoại và số liệu được hỗ trợ qua mạng lõi toàn IP Các mạng đa phương tiện toàn IP được thiết kế cho công nghệ bưu chính như CDMA2000, UMTS.Trong cấu trúc mạng 3G toàn IP, dữ liệu được thiết lập để mang các gói IP giữa các sever kết nối mạng và các thiết bị đầu cuối Mạng sử dụng các “Tunnel” để hỗ trợ việc lưu chuyển

Trong UMTS, Tunnel từ sever truy nhập mạng được định tuyến thông qua một hệ chuyển mạch tunnel Thiết bị đầu cuối có thể di chuyển giữa các trạm thu phát và trạm điều khiển mà không cần di chuyển các chuyển mạch tunnel, chỉ cần một nhánh của tunnel Thiết bị đầu cuối có thể di chuyển tới một mạng truy nhập được điều khiển bởi một chuyển mạch tunnel khác bằng việc di chuyển các nhánh của tunnel mà không cần lưu chuyển phần dữ liệu

1.6/ Các kênh cơ bản của W-CDMA

Hình 1 Cấu trúc kênh cơ bản của W-CDMATrong W-CDMA có 3 nhóm kênh cơ bản:

Kênh vận tải:

Qui định bằng cách nào và với đặc trưng gì thông tin sẽ được truyền đi Đây là dịch vụ mà lớp vật lý cung cấp cho lớpMAC ở trên nó

Kênh vật lý:

Là kênh hiện hữu truyền tải thông tin đi

Việc phân ra các loại kênh khác nhau mình nghĩ là giống việc phân lớp trong mạng, giúp cho dễ quản lý và điều khiển Cứ ứng với mỗi loại thông tin kèm theo những đặc trưng của nó, mạng sẽ tự động truy cập vào các kênh tương ứng để gửi thông tin đi một cách hiệu quả nhất.

1.6.1/ Kênh logic

Hình 1 Cấu trúc kênh logic

Kênh logic định nghĩa loại số liệu được truyền đi, bao gồm 2 loại kênh: Kênh điều khiển và kênh lưu lượng.

1.6.1.1/ Kênh điều khiển

 Kênh điều khiển chung

− Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): hoạt động ở tuyến xuống, đưa thông tin nhận biết tế bào, mạng và tình trạng hiện tại của tế bào (cấu trúc điều khiển, các lưu lượng còn rỗi, đang sử dụng hoặc nghẽn)

− Kênh nhắn tin PCH: cung cấp tin nhắn từ BS đến MS, PCH phát IMSI của thuê bao và yêu cầu phát lại trên RACH- kênh điều khiển ngẫu nhiên Ngoài ra PCH cũng có thể được dùng cung cấp các bản tin quảng bá dạng ASCII

− Kênh truy cập hướng xuống DACH chuyển bản tin từ BS đến MS trong 1 cell.

 Hai kênh dành riêng:

− Kênh điều khiển dành riêng DCCH gồm kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH và kênh điều khiển liên kết ACCH.