1.2.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA
Băng thơng của hệ thống được chia thành các băng cĩ độ rộng Wch. Giữa các kênh kề nhau cĩ một khoảng bảo vệ để tránh chồng phổ do sự khơng ổn định của tần số sĩng mang. Khi một người dùng gởi yêu cầu tới BS, BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và giành riêng cho người dùng đĩ trong suốt cuộc gọi. Tuy nhiên, ngay khi cuộc gọi kết thúc, kênh được ấn định lại cho người khác.
Đặc điểm:
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- BTS phải cĩ bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
Hình 1.3 Phổ tần của hệ thống FDMA
1.2.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung.
Đặc điểm:
Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số
Liên lạc song cơng mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đĩ một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng tần được sử dụng để truyền tuyến hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát cĩ thể hoạt động cùng một lúc mà khơng sợ can nhiễu nhau.
Giảm số máy thu phát ở BTS.
Hình 1.4 Phổ tần của hệ thống TDMA
Hình 1.5 Phân bố kênh, giả thiết dùng TDMA 3 kênh
1.2.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
Thơng tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng cĩ thể chiếm cùng kênh vơ tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà khơng sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nĩi trên được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng khơng trùng với bất kỳ ai. Kênh vơ tuyến CDMA được dùng lại mỗi ơ (cell) trong tồn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN).
Đặc điểm:
Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz
Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng cĩ cường độ trường hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
Việc các thuê bao MS trong ơ dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vơ tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số khơng cịn vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng ơ rất linh hoạt.
1.3 KẾT LUẬN
Thế hệ thứ nhất là thế hệ thơng tin di động tương tự sử dụng cơng nghệ truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Tiếp theo là thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số với các cơng nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA). Và hiện nay là thế hệ thứ ba đang đưa vào hoạt động.
Hệ thống thơng tin di động thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 khẳng định được tính ưu việt của nĩ so với các thế hệ trước cũng như đáp ứng kịp thời các nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng về tốc độ bit thơng tin và tính di động. Tuy chưa xác định chính xác khả năng di động và tốc độ bit cực đại nhưng dự đốn cĩ thể đạt tốc độ 100 km/h và tốc độ bit từ 1÷10 Mbit/s. Thế hệ thứ tư cĩ tốc độ lên tới 34 Mbit/s đang được nghiên cứu để đưa vào sử dụng.
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG 3G UMTS (WCDMA)
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu (UMTS - Universal Mobile Telecommunications Systems) là 1 trong các cơng nghệ di động 3G. UMTS được chuẩn hĩa bởi Tổ chức các đối tác phát triển 3G (3GPP - 3rd Generation Partnership Project), và là lời đáp của Châu Âu cho yêu cầu phát triển 3G đối với hệ thống di động tổ ong của tổ chức ITU, IMT2000. UMTS đơi khi cịn được gọi là 3GSM, để chỉ sự kết hợp về bản chất giữa cơng nghệ 3G của UMTS và chuẩn GSM truyền thống.
Ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20, Hiệp hội Tiêu chuẩn Viễn thơng châu Âu (ETSI) đã bắt đầu trưng cầu phương án kỹ thuật của tiêu chuẩn 3G và gọi chung kỹ thuật 3G là UMTS cĩ nghĩa là các hệ thống thơng tin di động đa năng. CDMA băng rộng (WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access) chỉ là một trong các phương án được khuyến nghị. WCDMA sử dụng cho phần giao diện vơ tuyến của hệ thống UMTS. Đến nay, hệ thống 3G UMTS đã khá hồn thiện thơng qua các bản phát hành của 3GPP như các bản phát hành R3 (R: Release), R4, R5…
WCDMA là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ dãy trực tiếp băng rộng DS-CDMA, nghĩa là các bit thơng tin được trải ra trong một băng tần rộng bằng cách nhân dữ liệu người dùng với các bit giả ngẫu nhiên (gọi là bit chip), các bit này xuất phát từ các mã trải phổ CDMA. Để hỗ trợ tốc độ bit cao (lên tới 2Mbps), cần sử dụng các kết nối đa mã và hệ số trải phổ khác nhau.
WCDMA cĩ tốc độ chíp là 3.84 Mcps dẫn đến băng thơng của sĩng mang xấp xỉ 5MHz, nên được gọi là hệ thống băng rộng. Cịn các hệ thống DS-CDMA với băng tần khoảng 1 MHz như IS-95, thường được gọi là hệ thống CDMA băng hẹp. Băng thơng rộng của sĩng mang WCDMA hỗ trợ các tốc độ dữ liệu cao của người dùng và đem lại những lợi ích hiệu suất xác định, như là tăng khả năng phân
tập đa đường. Các nhà vận hành mạng cĩ thể sử dụng nhiều sĩng mang 5MHz để tăng dung lượng, cĩ thể bằng cách sử dụng các lớp tế bào phân cấp. Khoảng cách giữa các sĩng mang thực tế cĩ thể được chọn là lưới 200KHz trong khoảng 4.4 – 5Mhz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sĩng mang.
WCDMA hỗ trợ mơ hình hoạt động cơ bản: Chế độ song cơng phân chia theo tần số FDD và song cơng phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex). Trong chế độ FDD, các tần số sĩng mang 5MHz khác nhau sẽ được sử dụng cho đường lên và đường xuống, trong khi ở chế đố TDD, chỉ cĩ 1 sĩng mang 5MHz được sử dụng bằng cách chia sẻ miền thời gian cho các đường lên và đường xuống. Ở đây chỉ giới thiệu WCDMA – FDD.
WCDMA được thiết kế để giao tiếp với GSM. Vì thế, sự chuyển giao giữa GSM và WCDMA được hỗ trợ để cải tiến vùng phủ sĩng của GSM bằng cách sử dụng WCDMA.
2.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG UMTS
2.2.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống UMTS R3 (Phiên bản thứ 3)
Kiến trúc hệ thống UMTS R3
WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gĩi: đến 384 Mbps trong miền CS (Circuit Switch, chuyển mạch kênh) và 2Mbps trong miền PS (Packet Switch, chuyển mạch gĩi). Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại cĩ hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là kết nối đến Internet. UMTS cũng cung cấp thơng tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí.
Hệ thống UMTS bao gồm một số các phần tử mạng logic, mỗi phần tử cĩ một chức năng xác định. Theo tiêu chuẩn, các phần tử mạng được định nghĩa tại
mức logic, nhưng cĩ thể lại liên quan đến việc thực thi ở mức vật lý. Đặc biệt là khi cĩ một số các giao diện mở (đối với một giao diện được coi là “mở”, thì yêu cầu giao diện đĩ phải được định nghĩa một cách chi tiết về các thiết bị tại các điểm đầu cuối mà cĩ thể cung cấp bởi 2 nhà sản xuất khác nhau). Các phần tử mạng cĩ thể được nhĩm lại nếu cĩ các chức năng giống nhau, hay dựa vào các mạng con chứa chúng.
Theo chức năng thì các phần tử mạng được nhĩm thành các nhĩm:
3G UMTS cĩ thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng cơng nghệ đa truy nhập WCDMA được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất của UMTS). Kiểu thứ hai sử dụng cơng nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vơ tuyến dưa trên cơng nghệ EDGE của GSM). Ở đây ta chỉ xét mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất UMTS là UTRAN. Mạng này thiết lập tất cả các chức năng liên quan đến vơ tuyến.
Mạng lõi (CN): Thực hiện chức năng chuyển mạch và định tuyến cuộc gọi và kết nối dữ liệu đến các mạng ngồi.
Thiết bị người sử dụng (UE) giao tiếp với người sử dụng và giao diện vơ tuyến.
Kiến trúc hệ thống ở mức cao được chỉ ra như trong hình vẽ:
UE UTRAN CN
UU IU
Theo các đặc tả chỉ ra trong quan điểm chuẩn hĩa, cả UE và UTRAN đều bao gồm các giao thức hồn tồn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của cơng nghệ vơ tuyến WCDMA mới. Ngược lại, việc định nghĩa mạng lõi (CN) được kế thừa từ GSM. Điều này đem lại cho hệ thống cĩ cơng nghệ truy nhập vơ tuyến mới một nền tảng mang tính tồn cầu là cơng nghệ mạng lõi đã cĩ sẵn, như vậy sẽ thúc đẩy sự quảng bá của nĩ, mang lại ưu thế cạnh tranh chẳng hạn như khả năng roaming tồn cầu.
Hệ thống UMTS cĩ thể chia thành các mạng con cĩ thể hoạt động độc lập hoặc hoạt động liên kết các mạng con khác và nĩ phân biệt với nhau bởi số nhận dạng duy nhất. Mạng con như vậy gọi là mạng di động mặt đất UMTS (PLMN), các thành phần của PLMN được chỉ ra như sau:
Hình 2.2 Các thành phần của mạng trong PLMN ở phiên bản R3
Thiết bị người sử dụng (UE) gồm:
Thiết bị di động (ME)
Modul nhận dạng thuê bao UMTS (USIM)
Nút B: chuyển đổi dữ liệu truyền giữa giao diện Iub và Uu. Nĩ cũng tham gia vào quản lý tài nguyên vơ tuyến.
Bộ điều khiển mạng vơ tuyến (RNC) sở hữu và điều khiển nguồn tài nguyên vơ tuyến trong vùng của nĩ (gồm các Nút B nối với nĩ). RNC là điểm truy cập dịch vụ cho tất cả các dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi.
Các phần tử chính của mạng lõi GSM
HLR: Bộ đăng ký thường trú
MSC/VLR: Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động/Bộ đăng ký tạm trú
GMSC: MSC cổng
SGSN (Nút hỗ trợ GPRS phục vụ)
GGSN (Node cổng hỗ trợ GPRS) Mạng ngồi cĩ thể chia thành 2 nhĩm:
Các mạng chuyển mạch kênh: Các mạng này cung cấp các kết nối chuyển mạch kênh, giống như dịch vụ điện thoại đang tồn tại Ví dụ như ISDN và PSTN.
Các mạng chuyển mạch gĩi: Các mạng này cung cấp các kết nối cho các dịch vụ dữ liệu gĩi, chẳng hạn như mạng Internet.
2.2.2 Thiết bị người sử dụng UE
Thiết bị người sử dụng (UE) bao gồm 2 phần:
- Thiết bị di động (ME) là đầu cuối vơ tuyến sử dụng để giao tiếp vơ tuyến qua giao diện Uu.
- Modul nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là một thẻ thơng minh đảm nhận việc xác nhận thuê bao, thực hiện thuật tốn nhận thực, và lưu giữ khố mã mật, khố nhận thực và một số các thơng tin về thuê bao cần thiết tại đầu cuối.
2.2.3 Kiến trúc mạng truy nhập vơ tuyến UTRAN
UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vơ tuyến (RNS). Một RNS là một mạng con trong UTRAN và bao gồm một bộ điều khiển mạng vơ tuyến (RNC) và một hay nhiều nút B. Các RNC cĩ thể được kết nối với nhau thơng qua một giao diện Iur. Các RNC và nút B được kết nối với nhau qua giao diện Iub.
Các yêu cầu chính để thiết kế kiến trúc, giao thức và chức năng UTRAN:
Tính hỗ trợ của UTRAN và các chức năng liên quan: Yêu cầu tác động tới thiết kế của UTRAN là các yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một thiết bị đầu cuối kết nối tới mạng thơng qua 2 hay nhiều cell đang hoạt động) và các thuật tốn quản lý nguồn tài nguyên vơ tuyến đặc biệt của WCDMA.
Làm tăng sự tương đồng trong việc điều khiển dữ liệu chuyển mạch gĩi và chuyển mạch kênh, với một ngăn xếp giao thức giao diện vơ tuyến duy nhất và với việc sử dụng cùng một giao diện cho các kết nối từ UTRAN đến miền chuyển mạch gĩi và chuyển mạch kênh của mạng lõi.
Làm tăng tính tương đồng với GSM.
Sử dụng phương thức vận chuyển ATM như là cơ cấu chuyển vận chính trong UTRAN. Và sử dụng kiểu chuyển vận trên cơ sở IP như là cơ cấu chuyển vận thay thế trong UTRAN kể từ Release 5 trở đi.
2.2.3.1 Bộ điều khiển mạng vơ tuyến RNC
Bộ điều khiển mạng vơ tuyến (RNC) là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển nguồn tài nguyên vơ tuyến của UTRAN. Nĩ giao tiếp với mạng lõi (thường là với một MSC và một SGSN) và cũng là phần tử cuối cùng của giao thức điểu khiển nguồn tài nguyên vơ tuyến mà xác định các thơng điệp và thủ tục giữa máy di động và UTRAN. Về mặt logic, nĩ tương ứng với BSC trong GSM, quản lý tất cả các giao diện vơ tuyến.
RNC điều khiển một nút B (như là vạch giới hạn cho giao diện Iub tới nút B) được coi như là bộ RNC điều khiển (CRNC) của nút. Bộ điều khiển CRNC chịu trách nhiệm điều khiển tải và điều khiển nghẽn cho cell của nĩ, và điều khiển thu nhận và phân bố mã cho liên kết vơ tuyến được thiết lập trong các cell.
Trong trường hợp một kết nối UTRAN, máy di động sử dụng nguồn tài nguyên từ nhiều phân hệ mạng vơ tuyến RNS, thì các RNS bao gồm 2 chức năng logic riêng biệt (về phương diện kết nối máy di động với UTRAN này).
- RNC phục vụ (SRNC): Nĩ thực hiện xử lý ở lớp 2 cho các dữ liệu chuyển qua giao diện vơ tuyến. Hoạt động quản lý nguồn tài nguyên vơ tuyến cơ bản, như là ánh xạ các thơng số mang thơng tin truy nhập vơ tuyến thành các thơng số kênh chuyển vận giao diện vơ tuyến, quyết định chuyển giao, và điều khiển cơng suất vịng bên ngồi, các hoạt động này được thực thi trong SNRC. SRNC cũng cĩ thể là CRNC của một số nút B sử dụng bởi máy di động cho kết nối với UTRAN. Một UE kết nối với UTRAN thì chỉ cĩ duy nhất một SRNC.
- RNC trơi (DRNC): DRNC cĩ thể là bất cứ RNC nào ngồi SRNC, nĩ điều khiển các cell sử dụng bởi máy di động. Nếu cần thiết, DRNC cĩ thể thực hiện kết hợp hay chia nhỏ phân tập macro. DRNC khơng thực hiện xử lý dữ liệu người sử dụng ở lớp 2, nhưng định tuyến một cách trong suốt dữ liệu giữa giao diện Iub và Iur, ngoại trừ khi UE đang sử dụng một kênh chuyển vận dùng chung. Một UE cĩ thể khơng cĩ, cĩ một hoặc cĩ nhiều DRNC.
Chú ý rằng một RNC ở mức vật lý bao gồm tồn bộ các chức năng CRNC, SRNC và DRNC.
2.2.3.2 Nút B (Trạm gốc)
Chức năng chính của nút B là để thực hiện xử lý ở lớp 1 giao diện vơ tuyến (ghép xen và mã hố kênh, thích ứng tốc độ, trải phổ .v.v.). Nĩ cũng thực hiện một số hoạt động quản lý tài nguyên vơ tuyến như là điều khiển cơng suất vịng bên trong. Về mặt logic nĩ tương thích với trạm gốc GSM.
2.2.4 Cấu trúc mạng lõi
Cấu trúc mạng lõi CN của hệ thống UMTS chủ yếu kế thừa các phần tử của hệ thống GSM, các thành phần của mạng lõi :
2.2.4.1 MSC/VLR
Tổng đài di động MSC (Mobile Switching Center) thực hiện chức năng chuyển mạch kênh cho các thuê bao di động thơng qua trường chuyển mạch của nĩ. MSC quản lý việc thiết lập cuộc gọi, điều khiển cập nhật vị trí và thủ tục chuyển