Quá trình phát triển lên 3G

GSM IS-95B CDMA IS 95A PDC CDMA 2000 GPRS EDGE W-CDMA CDMA 20001x EV 4G

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM =========================================================== =========================================================== 26

Hình 2.1: Quá trình phát triển từ 2G lên 3G

Trong tiến trình phát triển lên công nghệ không dây thế hệ thứ 3 (3G) nổi lên hai hướng phát triển theo hai tiêu chuẩn chính đã được ITU-T công nhận đó là CDMA 2000 và W-CDMA.

Châu Âu thì theo hướng : GSM-> GPRS -> EDGE -> W-CDMA. Bắc Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số nước khác đi theo hướng: IS-95A -> IS-95B -> CDMA 2000 mà bước đầu là CDMA 2000 1x

Riêng Nhật Bản thì họ đã phát triển mạng PDC của mình theo cả hai hướng W-CDMA và CDMA 2000

Hướng phát triển lên WCDMA từ hệ thống GSM qua GPRS có thểđược tóm tắt như sơđồ trong hình dưới đây (giai đoạn EDGE có thể không cần thiết).

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM =========================================================== =========================================================== 27

Hình 2.2: Quá trình phát triển từ GSM lên 3G

2.2. Các yếu tố cần chuyển đổi từ 2G lên 3G

Sự phát triển từ 2G lên 3G dựa trên 3 khía cạnh chính thể hiện ở hình 2.3

Hình 2.3: Các yếu tố cần chuyển đổi từ 2G lên 3G

Sự tiến triển về kĩ thuật là con đường phát triển chỉ rõ phương thức để triển khai các phần tử mạng và loại công nghệ để thực thi kỹ thuật đó. Đây là bước phát

2G 3G Sự tiến triển kỹ thuật Sự tiến triển mạng Sự tiến triển dịch vụ Lộ trình của GSM 1997 1999/2000 2001/2002 2 MHz UMTS/ Thế hệ 3 384Kbps EDGE 115Kbps GPRS 57.6Kbps HSCSD 9.6Kbs GSM Sự phát triển của truy nhập

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM

===========================================================

=========================================================== 28

triển trực tiếp theo các xu hướng chung về mặt công nghệ. Vì các phần tử mạng là yếu tố tạo nên mạng nên về mặt lý thuyết sự phát triển về mặt kỹ thuật sẽ tướng ứng với sự phát triển mạng. Trong giai đoạn 1, do tính chất mở của các giao diện được định nghĩa trong chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống, mạng 3G có thể được kết hợp tử nhiều chủng loại thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Sự tiến triển về mặt kỹ thuật có thể xử lý điều này, tuy nhiên với sự khác nhau về tốc độ và bước triển khai cụ thể trong mối kết hợp của mỗi thiết bị của các hãng khác nhau và yêu cầu thích ứng các thay đổi của chỉ tiêu kỹ thuật 3G nên trong nhiều trường hợp nếu không xem xét thấu đáo thì kết quả không như mong muốn.

Khác với sự phát triển về mặt kỹ thuật sự tiến triển về mặt dịch vụ dựa trên nhu cầu của người sử dụng và nhu cầu này có thể là thực tế hoặc chỉ tưởng tượng. Đôi khi các nhà khai thác và nhà chế tạo thiết bị cung cấp dịch vụ vượt qua kỳ vọng của các thuê bao. Nếu hai yếu tố này không tương đồng thì việc kinh doanh các dịch vụ thông tin di động sẽ khó khăn.

2.3. Hệ thống thông tin di động GSM

2.3.1.Tổng quan

Từđầu những năm 1980 sau khi hệ thống WTM đã được đưa vào hoạt động thành công thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế:

Thứ nhất: Do yêu cầu dịch vụ di động qua lớn so với con số mong đợi của các nhà thiết kế hệ thống nên hệ thống này không đáp ứng được.

Thứ 2: Các hệ thống khác nhau đang hoạt động không phù hợp với người dùng trong mạng. Ví dụ: Một đầu cuối trong TACS không thể truy nhập vào mạng NMT và ngược lại

Thứ 3: Nếu thiết kế một mạng lớn cho toàn châu Âu thì không một nước nào đáp ứng được vì vốn đầu tư quá lớn.

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM =========================================================== =========================================================== 29 Tất cả những điều đó dẫn đến một yêu cầu là phải thiết kế một hệ thống mới được làm theo kiểu chung để có thể đáp ứng được cho nhiều nước trên thế giới. Trước tình hình đó vào tháng 9.1987 trong hội nghị của Châu Âu về bưu chính viễn thông, 17 quốc gia đang sử dụng mạng di động đã họp hội nghị và kí biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho mạng thông tin di động số toàn Châu Âu.

Đến năm 1988 Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (European- Telecommunication-Standard Institute) đã thành lập nhóm đặc trách về mạng thông tin di động số GSM. Nhóm này có nhiệm vụđưa ra chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động số GSM dưới hình thức các khuyến nghị, lấy các tiêu chuẩn này làm cơ sở cho việc xây dựng mạng thông tin di động và làm sao cho chúng thống nhất, tương thích với nhau.

• Về mặt kĩ thuật:

Một trong những mục đích đó là hệ thống cần cho phép chuyển vùng tự do với các thuê bao trong Châu Âu, có nghĩa là thuê bao của nước này có thể thâm nhập vào mạng của nước khác khi di chuyển qua biên giới trạm GSM – MS, hệ thống phải tạo cho người dùng gọi và bị gọi được trong vùng phủ sóng quốc tế.

Các chỉ tiêu phục vụ:

+ Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được trong tất cả các nước có mạng.

+Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan đến mạng liên kết số liệu đa dịch vụ ISDN (Intergrated Service Digital Network).

• Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật.

+ Chất lượng của tiếng thoại trong GSM phải ít nhất như trong các hệ thống di động tương tự trước đó trong điều kiện thực tế.

+ Hệ thống có khả năng mật mã hóa thông tin người dùng mà không ảnh hưởng đến hệ thống, cũng như không ảnh hưởng đên thuê bao khác

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM =========================================================== =========================================================== 30 • Về sử dụng lại tần số Hệ thống cho phép khả năng sử dụng dải tần đạt hiệu quả cao để có thể phục vụở thành thị lẫn vùng nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển.

Dải tần số hoạt động: 890 – 960 MHz.

Hệ thống GSM 900 phải có thể cùng tồn tại với các hệ thống dùng GSM 900MHz trước đây.

• Về mạng:

Kế hoạch nhận dạng và đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT. Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi dùng trong các mạng khác nhau.

Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi dịch vụ phải dùng hệ thống báo hiệu đã được tiêu chuẩn hóa quốc tế.

2.3.2. Các đặc điểm của mạng thông tin di động GSM

Từ các khuyến nghị của GSM, ta thấy mạng GSM có các đặc điểm chinh sau:

- Có số lượng lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trong thông tin thoại và truyền số liệu.

- Có sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ mạng có sẵn ( PSTN, ISDN) bởi các giao diện là theo chuẩn chung.

-Một hệ thống GSM quôc gia có thể cho thâm nhập và quản lý mọi máy đạt tiêu chuẩn GSM.

- Tựđộng định vị và cập nhật vị trí cho mọi thuê bao di động.

- Độ linh hoạt cao nhờ sử dụng các loại máy đầu cuối thông tin di động khác nhau.

- Sử dụng băng tần ở 900 MHz với hiệu quả cao nhờ sự kết hợp giữa 2 phương pháp TDMA và FDMA.

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM

===========================================================

=========================================================== 31

- Nhân thực thuê bao và bảo mật số liệu người sử dụng( mật mã hóa) sẽ làm tăng sự bảo vệ chống lại việc sử dụng thuê bao trái phép và nghe trộm ở đường truyền vô tuyến.

- Nhảy tần, phát không liên tục, chuyển giao bên trong ô và điều chỉnh động công suất ra của BTS, các chức năng này nhằm giảm các mức nhiễu giao thoa của hệ thống.

- Chuyển giao giữa các MSC để duy trì nối thông thoại cả khi di động giữa các vùng MSC khác. 2.3.3. Cấu trúc của mạng GSM (1) NSS BSS (2) BSC BTS AUC HLR MSC VLR EIR (3) OSS ISDN PSPDN CSPDN PSTN PLMN (4)MS Hệ thống trạm gốc Truyền báo hiệu T ề l l Hệ thống chuyển mạch

Môt hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau:

(1) NSS: Phân hệ chuyển mạch (Network switching subsystem)

(2) BSS: Phân hệ trạm gốc (Base station subsystem)

(3) OSS: Phân hệ bảo dưỡng và khai thác (Operation subsystem)

(4) MS : Trạm di động (Mobile station) Các kí hiệu:

SS : Hệ thống chuyển mạch AUC: Trung tâm nhân thực VLC: Bộ gi định vị tạm trú HLC: Bộ ghi định vị thường trú EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

MSC: Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (gọi tắt là tổng đài vô tuyến)

BSS : Hệ thống trạm gốc BTS: Đài vô tuyến gốc BSC: Đài điều khiển gốc MS : Máy di động

OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ

PSPDN: Mạng chuyển mạch công cộng theo gói CSPDN: Mạng chuyển mạch công cộng theo mạch PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

2.4. Công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD)

Trước khi xuất hiện GPRS va EDGE đã xuất hiện nhu cầu các dịch vụ tốc độ cao. Khi này GSM chỉ hỗ trợ các dịch vụ số liệu đến tốc độ 9,6 kbit/s, đây là tốc độ cực đại mà một khe thời gian có thể cung cấp. Để hỗ trợ tốc độ số liệu cao hơn cho GSM, cách tiếp cận dễ dàng nhất là MS phải sử dụng nhiều khe thời gian hơn. Công nghệ HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) sử dụng nguyên tắc này.

Công nghệ HSCSD cho phép nâng cao khả năng truyền số liệu trên mạng GSM bằng cách cấp phát nhiều khe thời gian hơn cho người sử dụng. Để thực hiện được nhiệm vụ này, tiêu chuẩn GSM đã được sửa đổi chẳng hạn như mã hoá kênh 14,4 kbit/s thay thế cho mã hoá kênh 9,6 kbit/s dùng để hỗ trợ cho truyền số liệu. Bốn kênh 14,4 kbit/s được hết hợp thành một kênh 57,6 kbit/s. Với việc sử dụng công nghệ HSCSD máy điện thoại GSM và các thiết bị di động có thể sử dụng các ứng dụng đa phương tiện, truy nhập web và tải các trang đồ hoạ trong vài giây. Đối với dịch vụ trong suốt thì tôc độ tối đa là 64 kbit/s đạt được với 4 khe thời gian. Dữ liệu truyền trong dịch vụ chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD được hình thành dưới dạng các luồng song song đểđưa vào các khe thời gian khác nhau, và chúng sẽ được kết hợp lại tại đầu cuối.Tất cả các khe thời gian sử dụng trong một kết nối HSCSD phải thuộc về cùng một sóng mang. Việc cấp phát các khe thời gian phụ thuộc vào thủ tục cấp phát khe thời gian.

Dịch vụ HSCSD có thể triển khai dựa trên cơ sở hạ tầng có sẵn của GSM, chỉ cần nâng cấp phần mềm hiện có mà không cần lắp đặt thêm các phần tử mạng lưới mới. Giống như GPRS, HSCSD cho phép cấp phát tài nguyên không đối xứng ở giao diện vô tuyến . Tuy nhiên do vẫn sử dụng chuyển mạch kênh nên hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến của HSCSD không cao.

Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ở IWF (Interworking Function – chức năng kết nối mạng) của tổng đài MSC và ở chức năng TAF (Terminal Adaption Function – chức năng thích ứng đầu cuối MS). Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này, kênh tốc độ cao chứa một số kênh con ở giao diên vô tuyến, các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng số ở IWF và TAF. Khi sử dụng điểu chế 8 – PSK, HSCSD có thểđạt được thông lượng cao hơn với ít khe thời gian hơn. HSCSD đã được ứng dụng trong mạng GSM nhưng sẽ không được triển khai rộng. Nếu chọn giữa HSCSD và tính hiệu quả của GPRS các nhà khai thác sẽ chọn công nghệ chuyển mạch gói.

Cấu trúc hệ thống HSCSD

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM

===========================================================

=========================================================== 35

TE: Terminal Equipment - thiết bịđầu cuối MT: Mobile Terminal - máy di động

TAF: Terminal Adaptation Function – chức năng thích ứng đầu cuối

Hình 2.6: Cấu trúc hệ thống HSCSD

2.4.1. Chức năng thích ứng đầu cuối TAF

Chức năng này đóng vai trò tiếp nhận số liệu của thiết bịđầu cuối TE đưa tới và chia chúng vào trong các khe thời gian đã được chọn trước. Mỗi khe thời gian mang số liệu với các tốc độ chuẩn hóa 1,2kb/s; 2,4kb/s; 4,8kb/s; 9,6kb/s; 14,4kb/s.

2.4.2. Máy di động đầu cuối và giao diện vô tuyến

Số liệu từ bộ thích ứng đầu cuối TAF đưa tới đầu cuối di động ở MT, ở đó mỗi khe thời gian được mã hóa kênh. Đầu ra sau khi mã hõa kênh là luồng số liệu tốc độ 22,8kb/s cho mỗi khe thời gian và nó được chuyển tới giao diện vô tuyến.

2.4.3. Trạm thu phát gốc BTS

Tiếp nhận luồng số liệu từ giao diện vô tuyến. Lúc này BTS thực hiện thủ tục giải mã cho mỗi khe thời gian để thu được luồng số liệu có tốc độ phù hợp với khung TRAU ( 16kb/s). Sau đó, luồng số liệu được chuyển tới khối TRAU đặt tại bộđiều khiển trạm gốc BSC.

2.4.4. Giao diện Abis

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM

===========================================================

=========================================================== 36

2.4.5. Bộ chuyển đổi mã/ bộ thích ứng tốc độ TRAU (Tranconder/ Rate Adapter Unit)

TRAU tiếp nhận các khung số liệu TRAU 16kb/s từ giao diện Abis, và nó định dạng lại thông tin của mỗi luồng số liệu thành dạng A – TRAU đểđi trên giao diện A

2.4.6. Giao diện A

Giao diện này cho phép chứa được 4 khung A – TRAU tốc độ 16kb/s từ một người sử dụng đưa đến. Các khung này được ghép lại với nhau để phát đi trên một đường 64kb/s.

2.4.7. Trung tâm chuyển mạch di động MSC và các khối chức năng phối hợp IWF IWF

MSC tiếp nhận các khung A - TRAU của đường kết nối 64kb/s và định tuyến chúng thông qua IWF. Sau khi tiếp nhận, khối chức năng phối hợp IWF lấy ra các thông tin số liệu trong A - TRAU và kết hợp chúng thành những luồng số liệu ghép trước khi chuyển tới các modem của mình. Các modem tiếp nhận số liệu và định tuyến chúng qua mạng PSTN tới các đích và thiết bịđầu cuối số liệu DT (Data Terminal Equipment) ở nơi khác.

2.5. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Service)

Dịch vụ vô tuyến gói chung là sự lựa chọn của các nhà khai thác GSM như một bước chuẩn bị về sơ sở hạ tầng kỹ thuật để tiến lên W - CDMA với việc đưa chuyển mạch gói vào mạng. Mạng W - CDMA sử dụng lại rất nhiều phần tử của mạng GPRS.

GPRS hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao cho GSM. Một MS trong mạng GPRS có thể truy nhập đến nhiều khe thời gian. GPRS khác với HSCSD ở chỗ

Nghiên cứu các giải pháp lên 3G của mạng GSM

===========================================================

=========================================================== 37

nhiều người có thể sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến, vì thế hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất cao. Một MS ở chếđộ GPRS chỉ giành được tài nguyên khi nó có số liệu cần phát. Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian đểđạt được tố độ lên đến hơn 100kb/s. Về mặt lý thuyết, GPRS có thể cung cấp tốc độ tối đa là 171, 2kb/s ở giao diện vô tuyến qua 8 kênh 21,4 kb/s (sử dụng mã hóa CS - 4). Ở trong các mạng thực tế do cần phải dành một phần dung lượng cho việc hiệu chỉnh lỗi trên đường truyền vô tuyến nên tốc độ cực đại chỉ cao hơn 100kb/s so với tốc độ khả thi vào khoảng 40 đến 50kb/s.

Giao diện vô tuyến của GPRS được xây dựng trên cùng một nền tảng như

Các kênh logic trong GPRS

Giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP)