2.2.1. Công nghệ HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)
Trong giai đoạn đầu, thuê bao GSM sử dụng đƣờng truyền dữ liệu chuyển mạch gói, đối xứng với tốc độ 9,6Kb/s. Thực tế cho thấy sự phát triển này bị đánh giá thấp tại thời điểm thiết kế.
Các giải pháp về mặt kỹ thuật nhƣ:
- Tối ƣu tốc độ mã hóa kênh. Thực hiện đƣợc việc này ta đã làm tăng tốc độ bit từ 9,6 Kb/s lên 14,4Kb/s
- Làm cho dữ liệu đi qua giao diện Um nhiều hơn bằng cách sử dụng một vài kênh lƣu lƣợng thay vì một kênh. Giải pháp này đƣợc gọi là dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD
Kiến trúc mạng HSCSD đƣợc biểu diễn nhƣ hình 2.2
Hình 2.2.Mạng dữ liệu chuyển mạnh kênh tốc độ cao
ơ
Trong môi trƣờng tối ƣu, một thuê bao HSCSD có thể đạt đến tốc độ truyền dữ liệu 40-50Kb/s. Giải pháp kỹ thuật này có hạn chế là lãng phí tài nguyên và giá cƣớc sẽ cao hơn. Việc sử dụng HSCSD phụ thuộc rất nhiều vào chính sách giá của nhà khai thác mạng. Một vấn đề khác là phần lớn lƣu lƣợng dữ liệu về bản chất là không đối xứng, điển hình là dùng đƣờng truyền tốc độ thấp từ thiết bị đầu cuối đến mạng (đƣờng lên) và dùng tốc độ cao cho đƣờng ngƣợc lại (đƣờng xuống). Về mặt kỹ thuật, giao diện chuyển mạch kênh không đối xứng Um không phải là môi trƣờn truy nhập tốt nhất cho kết nối dữ liệu.
Đồ án tốt nghiệp Chương II. GSM và các công nghệ cho quá trình chuyển đổi lên 3G
Điều này đặt ra yêu cầu phải nâng cấp mạng GSM nhằm thích hợp hơn cho việc truyền dữ liệu một cách hiệu quả.
2.2.2 Công nghệ GPRS (General Packet Radio Service)
GPRS là cầu nối giữa hệ thống thông tin GSM thế hệ 2 và thế hệ 3. GPRS là một dịch vụ số liệu chuyển mạch gói trên cơ sở hạ tầng GSM. Công nghệ chuyển mạch gói đƣợc đƣa ra để tối ƣu việc truyền số liệu cụm và tạo điều kiện truyền tải cho một lƣợng dữ liệu lớn
Về mặt lý thuyết GPRS có thể cung cấp tốc độ số liệu lên đến 171Kb/s ở giao diện vô tuyến, mặc dù các mạng thực tế không bao giờ có thể đạt đƣợc tốc độ này do cần phải dành một phần dung lƣợng cho việc hiệu chỉnh lỗi trên đƣờng truyền vô tuyến. Trong thực tế, giá trị cực đại của tốc độ chỉ cao hơn 100Kb/s một chút với tốc độ khả thi thƣờng vào khoảng 40-50Kb/s. Tuy nhiên các tốc độ nói trên cũng lớn hơn nhiều so với tốc độ cực đại ở GSM.
GPRS đảm bảo tốc độ số liệu cao hơn nhƣng vẫn sử dụng giao diện vô tuyến giống GSM. Tuy nhiên bằng GPRS, MS có thể truy nhập đến nhiều khe thời gian hơn.
Ƣu điểm lớn nhất của GPRS không chỉ đơn giản là ở chỗ nó cho phép tốc độ số liệu cao hơn. Ƣu điểm lớn nhất của GPRS là nó sử dụng công nghệ chuyển mạch gói. Điều này có nghĩa là một ngƣời sử dụng chỉ tiêu phí tài nguyên khi ngƣời này cần truyền hoặc nhân số liệu. Nếu một ngƣời sử dụng không phát hiện số liệu ở một thời điểm thì các khe thời gian ở giao diện vô tuyến tại thời điểm này sẽ đƣợc dành cho các ngƣời sử dụng khác.
Việc GPRS cho phép nhiều ngƣời sử dụng cùng hia sẻ tài nguyên vô tuyến là một ƣu điểm lớn. Điều này có nghĩa rằng mỗi khi một ngƣời sử dụng muốn truyền số liệu thì MS phải yêu cầu đƣợc truyền đến các tài nguyên này và mạng phải cấp phát các tài nguyên này và mạng phải cấp phát các tài nguyên này trƣớc khi xảy ra truyền số liệu. Mặc dù điều này có vẻ nhƣ nghịch lý với việc dịch vụ luôn luôn đƣợc kết nối nhƣng GPRS hoạt động sao cho thủ tục yêu cầu cấp phát không bị phát hiện vì thế ngƣời sử dụng và dịch vụ dƣờng nhƣ luôn luôn đƣợc kết nối.
GPRS phù hợp với một phạm vi rộng các ứng dụng từ thƣ điện tử, các ứng dụng do lƣờng lƣu lƣờng từ xa, tới tất cả các ứng dụng dữ liệu cụm, chẳng hạn nhƣ truy nhập Internet. GPRS cho phép hỗ trợ các ứng dụng dữ liệu của mạng cố định hiện tại trên các đầu cuối di động. Dịch vụ GPRS đƣợc định hƣớng chủ yếu cho các ứng dụng với các đặc tính lƣu lƣợng của truyền tải chu kỳ với khối lƣợng nhỏ và truyền không theo chu kỳ của các dữ liệu có kích thƣớc nhỏ hoặc trung bình. Điều này tạo khả năng cho hệ thống có thể
phục vụ và ứng dụng mới. Sự truyền tải một lƣợng lớn dữ liệu vẫn sẽ đƣợc duy trì qua các kênh chuyển mạch kênh để tránh trở ngại của phổ vô tuyến gói. Các ứng dụng của GPRS có thể tiến hành từ các công cụ thông tin trong một máy xách tay PC (thƣ điện tử, truyền dẫn file, ….) đến các ứng dụng đặc biệt liên quan tới các truyền tải thấp (máy đo từ xa,điều khiển lƣu lƣợng đƣờng sắt và đƣờng giao thông, giao dịch tiền tệ …)
Vì lúc đầu GSM đƣợc thiết kế cho lƣu lƣợng chuyển mạch kênh, nên việc đƣa dịch vụ chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung them thiết bị cho mạng. Mạng GPRS kết nối với mạng số liệu công cộng nhƣ IP và mạng X.25. Nút hỗ trợ GPRS phục vụ SGSN và cổng GGSN hỗ trợ GPRS thực hiện nhận và truyền các gói số liệu giữa các MS và các thiết biij đầu cuối số liệu cố định của mạng số liệu công cộng (PDN). Nút GGSN còn cho phép nhận các gói số liệu đến các MS ở các mạng thông tin di động GSM khác.
Giao diện vô tuyến của GPRS sử dụng các tính năng cơ bản của giao diện vô tuyến GSM. Nhƣ vậy, cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều có thể sử dụng cùng sóng mang. Tuy nhiên,mạng đƣờng trục của GPRS đƣợc thiết kế sao cho nó không phụ thuộc vào giao diện vô tuyến.
Hình 2.3 Kiến trúc mạng GPRS
Trong đƣờng dẫn vô tuyến, GSM sử dụng các kênh độ rộng 200Khz, đƣợc phân chia trong thời gian thành 8 khe thời gian và các khe này đƣợc lặp lại sau 4,6ms. Mạng có thể có nhiều kênh vô tuyến hoạt động trong mỗi sector. Mạng gán các chức năng khác nhau tới mỗi khe thời gian, nhƣ là kênh điều khiển quáng bá, các chức năng chuyển mạch kênh giống nhƣ các cuộc gọi thoại hoặc các cuộc gọi dữ liệu chuyển mạch kênh, kênh điều khiển quảng bá gói và các kênh dữ liệu gói. Mạng có thể điều chỉnh dung lƣợng giữa
Đồ án tốt nghiệp Chương II. GSM và các công nghệ cho quá trình chuyển đổi lên 3G
các chức năng thoại và dữ liệu và cũng dành riêng một lƣợng tối thiểu nguồn tài nguyên cho mỗi dịch vụ. Cái này cho phép nhiều lƣu lƣợng dữ liệu hơn khi mà lƣu lƣợng thoại thấp hoặc cũng giống nhƣ vậy nhiều lƣu lƣợng thoại hơn khi mà lƣu lƣợng dữ liệu thấp.
Hình 2.4. Kiến trúc khe thời gian của GPRS
GPRS thƣờng ghép chặt giữa các dịch vụ thoại và dữ liệu. Trong khi trong một phiên dữ liệu, ngƣời sử dụng có thể nhận một cuộc gọi thoại đến, khi mà phiên dữ liệu đƣợc ngƣng lại và sau đó tự động tiếp tục lại phiên dữ liệu của chúng khi phiên dữ liệu kết thúc. Ngƣời sử dụng có thể nhận các tin nhắn SMS và các thông báo dữ liệu khi trên một cuộc gọi thoại.
2.2.3. Công nghệ EDGE
Một kỹ thuật điều chế mới áp dụng tại giao diện vô tuyến là 8-PSK sao cho một ký tự có thể mạng một tổ hợp 3bit thông tin và do vậy tốc độ bit sẽ đƣợc cải thiện đáng kể. Khi kỹ thuật này đƣợc kết hợp với các kỹ thuật mã hóa kênh phức tạp, ngƣời ta có thể đạt đƣợc tốc độ dữ lieu 48kb/s so với 9,6kb/s cho một kênh ở GSM truyền thống và trong trƣờng hợp này một bit thông tin chính là một ký tự tại giao diện vô tuyến. Kỹ thuật làm tăng tốc số liệu trên gọi là EDGE (Enhanced Data Rates for Global/GSM Evolution)
Sự phát triển của EDGE chia làm hai giai đoạn:
EDGE giai đoạn một đƣợc biết nhƣ là E-GPRS (Enhanced GPRS). Cũng nhƣ vậy BSS đổi thành E-RAN. Giai đoạn một EDGE xác định các phƣơng pháp điều chế và mã hóa kênh nhằm đặt đƣợc tốc độ dữ liệu lên đến 384Kb/s cho lƣu lƣợng chuyển mạch gói dƣới các điều kiện xác định. Giả thiết ở đây là một thiết bị đầu cuối có 8 khe thời gian của giao diện vô tuyến(Um) sẽ cho một đƣờng kết nối tốc độ 8x48Kb/s=384Kb/s
.
Hình 2.5.Kiến trúc mạng EDGE
EDGE giai đoạn 2 có tên là E-HSCSD và nhằm đạt tốc độ truyền dữ liệu trên các dịch vụ chuyển mạch kênh.
Đứng trên quan điểm phát triển mạng thì nói chung công nghệ EDGE có cả ƣu điểm và nhƣợc điểm. Ƣu điểm chính của công nghệ này là có thể đạt đƣợc tốc độ truyền dữ liệu gần nhƣ tƣơng đƣơng với yêu cầu phủ sóng ở vùng đô thị của công nghệ UMTS. Nhƣơc điểm của công nghệ này là tốc độ dữ liệu này khó đạt đƣợc cho toàn bộ các thuê bao trên toàn cell phủ sóng.Nếu yêu cầu cho toàn bộ một vùn với công nghệ EDGE thì chắc chắn số lƣợng cell phủ sóng trong vùng này sẽ phải tăng lên đáng kể. Nói cách khác EDGE là giải pháp đắt giá về công nghệ sử dụng cho một số trƣờng hợp. Tƣơng lai của công nghệ EDGE theo khía cạnh này còn phải đƣợc kiểm chứng khi nó phải thực sự cạnh tranh với các giải pháp công nghệ thực sự của 3G
Để tăng tốc độ bit trên giao diện vô tuyến, một phƣơng thức điều chế mới đƣợc đƣa ra. 8-PSK là phƣơng thức đƣợc lựa chọn vì nó cung cấp tốc độ dữ liệu cao,hiệu quả phổ cao và độ phức tạp lắp đặt vừa phải. Tốc độ từ mã đƣợc giữ ở mức 271ksp/s dẫn đến tốc độ bit tăng từ 22,8kb/s lên 69,2kb/s trên một khe thời gian.
Bằng việc tái sử dụng cấu trúc của GPRS , dịch vụ chuyển mạch gói đƣợc cung cấp với giao diện vô tuyến trong đó tốc độ bit biến đổi từ 11,2 đến 69,2kb/s trên một khe thời gian. Các dịch vụ thông thƣờng đƣợc hỗ trợ với tốc độ trên giao diện vô tuyến đạt đến 28,8kb/s. Đối với tất cả các dịch vụ, sử dụng đa kênh thời gian đƣợc hỗ trợ để thu
Đồ án tốt nghiệp Chương II. GSM và các công nghệ cho quá trình chuyển đổi lên 3G
đƣợc 8 lần tốc độ bit cung cấp bởi một khe thời gian đơn, tạo nên tốc độ đỉnh đối với chuyển mạch gói là 544kb/s.
Nhận thấy hạ tầng GSM đƣợc sử dụng hiệu quả, chỉ có giao diện A-bis cần có sự thay đổi chút ít. Một điểm quan trọng là sự phủ sóng và kế hoạch tần số không cần thiết có thay đổi khi có hiện diện của EDGE. Thêm nữa vì các kênh vật lý của EDGE có thể đƣợc sử dụng cho tất cả các dịch vụ GSM chuẩn, không cần có sự phân chia cố đinh các kênh giữa các dịch vụ.
Bất lợi của EDGE ở chỗ tỉ lệ mã hóa tăng lên làm tăng nhiều độ phức tạp khi sử dụng mạch trung hòa tối ƣu. Tỉ lệ bit tăng lên so với GSM/GPRS chuẩn cũng giảm độ thô đối với tính rời rạc thời gian và vận tốc di chuyển của thuê bao di động.
EDGE cũng có thể xem xét nhƣ một giải pháp kỹ thuật cho các nhà khai không sở hữu bất kỳ một giấy phép nào về UMTS.
CHƢƠNG III. HỆ THỐNG WCDMA
3.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDMA
WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho ngƣời sử dụng di động giống nhƣ trong các mạng điện thoại cố định và Internet.
Một mạng UMTS bao gồm ba phần:
Thiết bị di động UE (User Equipment) là đầu cuối mạng UMTS của ngƣời sử dụng. Có thể nói đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hƣởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng. Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho ngƣời sử dụng mua thiết bị của UMTS. Điều này đạt đƣợc nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các card thông minh
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network) là liên kết giữa ngƣời sử dụng và CN, gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó. UTRAN đƣợc định nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị ngƣời sử dụng. Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B
- RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nó đƣợc nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC).
- Nút B trong UMTS trạm gốc đƣợc gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chu`yển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở nhƣ "điều khiển công suất vòng trong". Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu
Đồ án tốt nghiệp Chương III. Hệ thống WCDMA
cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu đƣợc công suất nhƣ nhau từ tất cả các đầu cuối
Mạng lõi (CN: Core Network) bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment). Miền PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho ngƣời sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM. Các nút B trong CN đƣợc kết nối với nhau bằng đƣờng trục của nhà khai thác, thƣờng sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao nhƣ ATM và IP. Mạng đƣờng trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP
Hình 3.1 Kiến trúc UMTS
3.2.GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA
Giao diện vô tuyến của W-CDMA/FDD hoàn toàn khác với GSM và GPRS,W- CDMA sử dung phƣơng thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps. Trong WCDMA mạng truy nhập vô tuyến đƣợc gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vô tuyến của GSM. Vì thế khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế. Một số nhà sản xuất cũng đã có kế hoạch nâng cấp các GSM BTS cho WCDMA. Đối với các nhà sản suất này có thể chỉ tháo ra một số bộ thu phát GSM từ BTS và thay vào đó các bộ thu phát mới cho WCDMA. Một số rất ít nhà sản suất còn lập kế hoạch xa hơn. Họ chế tạo các BSC đồng thời cho cả GSM và WCDMA. Tuy nhiên đa phần các nhà sản suất phải thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA
W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM, GPRS hiện có cho mạng của mình. Các phần tử nhƣ MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể đƣợc nâng cấp từ mạng hiện có để hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM
Giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD đƣợc xây dựng trên ba kiểu kênh: kênh