quy hoạch mạng di động nội vùng wll-cdma2000 1x thành phố đà nẵng

+ Thế hệ thứ 3 ra đời có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói, dịch vụ di động toàn cầu, bỏ qua vị trí địa lý của thuê bao, tốc độ bit cao hơn, chất lượng gần với mạng cố địn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Xã

hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã được rất nhiều ngưòi sử dụng và trải qua nhiều giai đoạn phát triển Đó là:

+ Thế hệ thứ 1 là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA).

+ Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).

+ Thế hệ thứ 3 ra đời có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói, dịch vụ di động toàn cầu, bỏ qua vị trí địa lý của thuê bao, tốc độ bit cao hơn, chất lượng gần với mạng cố định, đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng

và ứng dụng so với các thế hệ

Trong chương này sẽ trình bày về lộ trình phát triển và khái quát về các đặc tính chung của hệ thống thông tin di động

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động:

Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động trên thế giới được thể hiện trong hình (1.1), nó cho thấy sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS: Cellular Mobile Telephone System) và nhắn tin (PS: Paging System) tiến tới một hệ thống chung toàn cầu trong tương lai Các hệ thống chỉ ra trong hình là

hệ thống tiên tiến nhất

Hình 1.1 sẽ biểu diễn sơ lược quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động trên thế giới

1

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ

U M T S

GSM

NMT900

PCN NMT450

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế của hệ thống thông tin di động tương tự là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

Thông tin di động thế hệ hai là hệ thống thông tin di động số Sự ra đời của thông tin di động số thay thế cho thông tin di động tương tự là một bước phát triển lớn, việc số hóa giúp cho các hệ thống có thể đưa ra các dịch vụ mới với chất lượng cao, dung lượng lớn mà giá thành và kích thước giảm Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

- Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

- Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau

Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit là 8-13kbps Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit và tính di động

1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA-Time Division Multiple Access) phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần này dùng chung cho N kênh liên lạc Mỗi kênh là một khe thời gian trong một khung và mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile)

Hệ thống này hoạt động ở băng tần 900MHz với độ rộng băng tần là 50MHz Đối với hệ thống TDMA mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung và được dành riêng trong suốt thời gian thoại

1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

3

Hệ thống thông tin di động CDMA (Code Division Multiple Access) là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã dựa trên nền tảng của kỹ thuật trải phổ Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống phadinh hiệu quả hơn hệ thống FDMA và TDMA, cho phép nhiều người sử dụng có thể đồng thời chiếm cùng kênh vô tuyến để tiến hành cuộc gọi, mỗi người

sử dụng đó được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN (Pseudo Noise) đặc trưng không trùng với bất cứ ai Phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS-95A Đến nay các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác sử dụng ở nhiều nước trên thế giới và đã thu được nhiều thành công

Hệ thống CDMA ra đời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về các dịch vụ thông tin di động tế bào Hệ thống CDMA có nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống GSM hiện nay do nó có chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng

kể và độ an toàn cao hơn (do sử dụng mã ngẫu nhiên để trải phổ)

Hình 1.2: Các phương pháp đa truy cập

1.1.3 Hướng tới thông tin di động thế hệ 3 (3G - The Third Generation)

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 (2G) sang thế hệ 3 (3G) qua một giai đoạn trung gian là thế hệ trung gian (2,5G) sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong

đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000 1x Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các khách hàng viễn thông về các dịch vụ viễn

4

thông mới, hiện nay các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba Ở thế hệ thứ ba này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng.

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3

- W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của

các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, 136

IS CDMAIS 2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95

 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ 2G đến 3G:

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

Thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế

hệ 2 (2G)

5

95B

IS-Cdma-2000 giai đoạn 1 Cdma-2000 giai đoạn 2 IS-95A

 Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

• 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng

• 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương

 Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):

• Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

 Đường lên: 1885-2025 MHz

 Đường xuống: 2110-2200 MHz

• Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

• Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh

• Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

 Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ

sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

 Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

• Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

1.2 Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin di động số

Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịch vụ như mạng điện thoại cố định thông thường, các mạng thông tin di động số phải cung cấp các dịch vụ đặc thù cho mạng di động để đảm bảo thông tin mọi nơi mọi lúc

Để đảm bảo được các chức năng nói trên, các mạng thông tin di động số phải đảm bảo một số dặc tính cơ bản chung sau đây:

• Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt được dung lượng cao

do sự hạn chế của dải tần vô tuyến sử dụng cho thông tin di động

6

• Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu Do truyền dẫn được thực hiện bằng vô tuyến là môi trường truyền dẫn hở, nên tín hiệu dễ bị ảnh hưởng của phadinh Các hệ thống thông tin di động số phải có khả năng hạn chế tối đa các ảnh hưởng này Ngoài ra để tiết kiệm băng tần ở mạng thông tin di động số chỉ có thể sử dụng các CODEC (bộ mã hóa và giải mã) tốc độ thấp Nên phải thiết kế các CODEC này theo các công nghệ đặc biệt để được chất lượng truyền dẫn cao

Đảm bảo được an toàn thông tin tốt nhất Môi trường truyền dẫn vô tuyến là môi trường rất dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm đường truyền nên cần phải có biện pháp đặc biệt để đảm bảo an toàn thông tin Để đảm bảo quyền lợi của người thuê bao cần giữ bí mật số nhận dạng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ của mỗi người sử dụng khi họ truy nhập mạng Để chống nghe trộm cần mật mã hóa thông tin của người sử dụng Ở các hệ thống thông tin di động mỗi người sử dụng có một khóa nhận dạng

bí mật riêng được lưu giữ ở bộ nhớ an toàn Ở hệ thống GSM, SIM-CARD được sử dụng SIM-CARD có kích thước như một thẻ tín dụng Thuê bao có thể cắm thẻ này vào máy di động của mình và chỉ có người này có thể sử dụng nó Các thông tin lưu

ở SIM-CARD cho phép thực hiện các thủ tục an toàn thông tin

• Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sang vùng phủ khác

• Cho phép phát triển các dịch vụ mới nhất là các dịch vụ phi thoại

• Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế

• Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiêu tốn ít năng lượng

 Tổng kết chương 1:

Chương một đã trình bày một cách khái quát khái về những nét đặc trưng

cũng như sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, đồng thời đã sơ lược những yêu cầu của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.

Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Tiếp theo là thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số với các công 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 chuẩn bị đưa vào hoạt động

7

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 khẳng định được tính ưu việt của nó so với các thế hệ trước cũng như đâp ứng kịp thời các nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng về tốc độ bit thông tin và tính di động Tuy chưa xác định chính xác khả năng di động và tốc độ bit cực đại nhưng dự đoán có thể đạt tốc độ 100 km/h và tốc độ bit từ 1÷10 Mbit/s Thế hệ thứ tư có tốc độ lên tới

34 Mbit/s đang được nghiên cứu để đưa vào sử dụng.

Trong chương tiếp theo sẽ trình bày rõ hơn các vấn đề về mạng thông tin di động CDMA2000 và những ưu điểm cũng như sự phức tạp của nó so với các mạng

di động truyền thống trong thế hệ trước đó.

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA2000

Hệ thống 3G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và trong tương lai Cơ sở hạ tầng 3G được thiết kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng CDMA2000 là một trong hai tiêu chuẩn 3G quan trọng nhất đã có sản phẩm thương mại, có khả năng triển khai trên toàn thế giới CDMA2000 được thiết kế nhằm tương thích với mạng lõi IS-41 của hệ thống CDMA băng hẹp IS-95 hiện chiếm khoảng 15% thị trường.

Trong chương này sẽ đề cập đến quá trình phát triển lên 3G của hệ thống CDMAOne (IS-95 A/B) đồng thời cũng trình bày ưu nhược điểm của hệ thống CDMA2000 cũng như so sánh kỹ thuật đa truy nhập CDMA với các kỹ thuật đa truy nhập khác.

2.1 Lộ trình phát triển từ CDMAOne thế hệ 2 sang CDMA2000 thế hệ 3:

Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh và đảm bảo tính kinh tế, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 sẽ được chuyển đổi từng bước sang thế hệ 3 Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này như sau:

8

Hình 2.1: Lộ trình phát triển từ CDMAOne lên CDMA2000

2.1.1 CDMAOne (IS-95A/B)

Lý thuyết CDMA được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng vào

trong thông tin Quân sự vào thập niên 60 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn vật lý vào những năm 80, Qualcom đã phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này Lúc đầu công nghệ này được đón nhận một cách dè dặt do quan niệm truyền thống về vô tuyến là mỗi cuộc thoại đòi hỏi một kênh vô tuyến riêng Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ Phiên bản CDMA đầu tiên của Qualcom là IS-95A IS-95A đem đến các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh phù hợp với các thuê bao CDMA Tuy nhiên các dịch vụ này bị giới hạn với tốc độ tối đa là 14,4 Kbit/s cho mỗi người dùng

Nâng cấp từ IS-95A lên IS-95B cho phép nâng tốc độ số liệu từ 14,4 kbit/s (IS-95A) lên 64-115 kbit/s (IS-95B) Chuẩn IS-95B cung cấp cho các thuê bao các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói với tốc độ lên đến 64 kbit/s ngoài các dịch vụ thoại hiện có

IS-95B là mạng cung cấp chủ yếu cho dịch vụ thoại kết hợp với dịch vụ bản tin ngắn Vì truyền dẫn thoại của các hệ thống IS-95B theo gói, nên khả năng truyền

số liệu gói đã có bên trong thiết bị Công nghệ truyền dẫn số liệu gói của IS-95B sử dụng ngăn xếp giao thức số liệu gói số tổ ong (CDPD: Cellular Digital Packet Data)

9

cho phép kết nối di động với các mạng riêng của doanh nghiệp và tới các ứng dụng của của một bên thứ ba.

Việc bổ sung dữ liệu cho mạng CDMAOne cho phép các nhà khai thác tiếp tục sử dụng các máy thu phát vô tuyến, thiết bị mạng lõi, các thiết bị và hạ tầng đường trục cũng như máy cầm tay hiện tại của họ và chỉ cần triển khai nâng cấp phần mềm có chức năng liên mạng Các nhà sản xuất đã công bố các khả năng số liệu gói, số liệu kênh và Fax số trên các thiết bị CDMAOne

Hiện nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng viễn thông về các dịch vụ viễn thông mới, các hệ thống thông tin đang tiến tới thế hệ thứ ba.Tuy nhiên khi chuyển từ thế hệ hai sang ba không phải là vấn đề đơn giản mà còn phải qua các bước trung gian vì vậy xuất hiện thế hệ mà người ta gọi là 2.5G Đây là phiên bản mở rộng cho 2G, có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và một số dịch vụ gói

dữ liệu

2.1.2 CDMA2000 giai đoạn 1 (CDMA2000-1x)

CDMA2000 (IS-2000) được xây dựng theo tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 gọi là IMT-2000 (Internation Mobile Telecommunication 2000: Viễn thông di động Quốc tế 2000) sử dụng công nghệ CDMA

Giai đoạn 1 của CDMA2000 (hay 1xRTT: Radio Transmission Technology)

còn gọi là 2,5G sử dụng độ rộng băng tần 1,25 MHz CDMA2000-1x phát triển dựa vào CDMAOne, có dung lượng và số lượng cuộc thoại gấp đôi CDMAOne Trước hết, mạng cung cấp dịch vụ thoại có đưa thêm các dịch vụ số liệu gói Khả năng của CDMA2000 giai đoạn 1 bao gồm một lớp vật lý mới cho các cỡ kênh 1x1,25 MHz

và 3x1,25 MHz Giai đoạn 1 cũng sẽ hình thành cơ cấu MAC (Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường) và định nghĩa giao thức kết nối vô tuyến RLP (Radio Link Protocol) cho số liệu gói để hỗ trợ tốc độ số liệu gói ít nhất 144 kbit/s với mục đích tăng cường truyền số liệu gói cho thế hệ hai CDMA2000 giai đoạn một cũng tương thích với hệ thống cũ CDMAOne về: các dịch vụ thoại, các bộ

mã hóa thoại, các cấu trúc báo hiệu và các khả năng bảo mật

10

Đặc điểm nổi bật của CDMA2000 giai đoạn một là có thể sử dụng chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới.

2.1.3 CDMA2000 giai đoạn hai (CDMA2000-3x)

Với các tính năng hiện có của hệ thống CDMA2000-1x, nhiều khuyến nghị

chọn là bước chuyển tiếp trung gian đến 3G CDMA2000 không phải là đường tắt nhanh nhất để phát triển đến 3G, mà nó giúp cho các nhà khai thác dễ dàng thực hiện chuyển đổi thị trường và mạng di động IS-95A/B hiện tại theo hướng 3G trên

cơ sở đảm bảo tối ưu hóa vốn đầu tư, hạ tầng hiện có, đồng thời cung cấp cho khách hàng sử dụng ngay được các dịch vụ mới của mạng 3G như định vị, Internet vô tuyến và các ứng dụng thương mại điện tử Mặt khác, nó cho phép bảo đảm việc Roaming thoại giữa thế hệ 2G và 3G và cũng như tính kế thừa các dịch vụ hiện có của mạng 2G Tuy nhiên, một số yếu tố quan trọng để quyết định sự thành công của 3G đó là phải thu hút được khách hàng, vì khách hàng là người quyết định có sử dụng dịch vụ hay ứng dụng đó hay không Do vậy, CDMA2000-1x và CDMA2000-3x phải có sự đổi mới trên tất cả các lĩnh vực từ hạ tầng mạng lưới, dịch vụ và thiết

bị đầu cuối, để đạt được sự chấp nhận của người sử dụng, điều đó sẽ quyết định tương lai của thế giới thông tin di động mới

Từ CDMA2000-1x có hai hướng phát triển khác nhau là 1x EV-DO và 1x EV-DV

CDMA2000 1x EV-DO (Data Only): Mở rộng của CDMA2000 1x, chỉ cải tiến cho truyền dữ liệu với tốc độ tối đa 2.4 Mbps, kênh vẫn là 1.25 MHz Các dịch

vụ mới như video, multimedia…

CDMA2000 1x EV-DV (Data Voice): Cải tiến cho cả dịch vụ dữ liêụ và thoại Dùng kênh 5MHz cho dữ liệu và thoại, cung cấp các dịch vụ đa phương tiện

và thoại tích hợp đồng thời với tốc độ tối đa 3,09 Mbit/s

Các hệ thống 3G hứa hẹn đem lại các dịch vụ thoại vô tuyến có các mức chất lượng hữu tuyến đồng thời với tốc độ và dung lượng cần thiết để hỗ trợ đa phương tiện và các ứng dụng tốc độ cao cũng như hỗ trợ các dịch vụ tiên tiến khác Triển khai giai đoạn hai CDMA2000 (hay 3xRTT) sẽ mang lại rất nhiều khả năng

11

mới và các tăng cường dịch vụ Giai đoạn hai hỗ trợ tất cả các kích cỡ kênh (6x, 9x, 12x) Trong giai đoạn hai, các dịch vụ đa phương tiện thực sự sẽ được cung cấp và

sẽ mang lại cơ hội lợi nhuận bổ sung cho các nhà khai thác, các dịch vụ đa phương tiện sẽ được thực hiện thông qua MAC số liệu gói, hỗ trợ đầy đủ cho dịch vụ số liệu gói đến 2 Mbit/s, RLP hỗ trợ tất cả các tốc độ số liệu đến 2 Mbit/s và mô hình gói

đa phương tiện tiên tiến Ngoài ra CDMA2000 giai đoạn hai còn tăng cường khả năng bảo mật cũng như giảm giá thành mạng và tăng tổng lợi nhuận

Các nhà khai thác CDMAOne có khả năng nâng cấp lên hệ thống 3G, không cần thêm phổ, không cần đầu tư thêm nhiều Thiết kế CDMA2000 cho phép triển khai cải tiến của 3G trong khi vẫn duy trì hỗ trợ 2G cho CDMAOne hiện có ở dải phổ mà nhà khai thác đang sử dụng hiện nay, hạ tầng cho CDMA2000 được thiết kế sao cho nó có thể dùng chung với IS-95 là đảm bảo tương thích ngược với IS-95

Sự khác nhau cơ bản giữa giai đoạn một và giai đoạn hai của CDMA2000

là độ rộng băng tần và thông lượng tổng hay khả năng tốc độ số liệu đỉnh Trong tương lai, CDMA2000 sẽ mở rộng băng tần 5 MHz đến 10 và 15 MHz

2.2 Giải pháp cell trong mạng CDMA2000:

Đó là kiểu mạng mà vùng phủ sóng được chia thành các cell (tạm dịch là tế bào, ô) Sử dụng mạng Cellular khắc phục được tình trạng các hoạt động phục vụ nghèo nàn, việc sử dụng trải phổ tần số không đem lại hiệu suất cao Trên sơ đồ địa

lí quy hoạch, cell có hình dạng một tổ ong hình lục giác Trong một cell thì có đài

vô tuyến gốc BTS (Base Tranceiver Station) BTS liên lạc vô tuyến với tất cả máy thuê bao di động MS (Mobile Station) có mặt trong mạng

Đặc điểm của mô hình Cellular là việc sử dụng lại tần số và diện tích mỗi Cell là khá nhỏ

Trong hệ thống thông tin di động số, tần số mà các máy di động sử dụng là không cố định ở một kênh nào đó mà kênh đàm thoại được xác định nhờ kênh báo hiệu và máy di động được đồng bộ về tần số một cách tự động Vì vậy các cell kề nhau nên sử dụng tần số khác nhau còn các cell không kề nhau ở cách nhau một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó Để cho phép máy di

12

động có thể duy trì cuộc gọi liên tục trong khi di chuyển giữa các cell thì tổng đài sẽ điều khiển các kênh báo hiệu hoặc kênh lưu lượng theo sự di chuyển của máy di động để chuyển đổi tần số của máy di động đó thành một tần số thích hợp một cách

tự động

MS có thể di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Vậy hệ thống thông tin di động số phải có khả năng điều khiển và chuyển mạch để chuyển giao cuộc gọi từ cell này sang cell khác mà cuộc gọi được chuyển giao không bị ảnh hưởng gì Do đặc tính của MS, mạng phải theo dõi MS liên tục để xác định được MS đang ở trong cell nào Việc này có thể thực hiện theo 3 phương án:

Hình 2.2 Minh họa các cell trong mạng di động Cellular

 MS phải thông báo cho BTS khi MS chuyển sang cell mới Sự cập nhật vị trí MS như vậy là ở mức cell Khi có cuộc gọi đến MS thì BTS phải thông báo quảng bá trong phạm vi một cell

 Thông báo tìm gọi được phát quảng bá trong tất cả các cell do

đó không cần sự báo cáo có mặt về vị trí hiện thời của MS

 Dung hòa hai phương án trên bằng vùng định vị một phân cấp quản lí Do đó nếu MS chuyển từ cell này đến cell khác trong vùng định vị thì

13

không cần thông báo gì cả, chỉ thông báo khi MS chuyển qua vùng định vị mới Nhờ vậy đã giảm được số lượng thông báo tìm gọi và thông báo cập nhật vị trí MS.

Trong mỗi cell, một BTS liên lạc với nhiều MS Qua giao diện vô tuyến, MS thiết lập và thực hiện cuộc gọi với bất kì thuê bao nào khác Việc phân chia các kênh liên lạc cho mỗi MS được gọi là các đa truy cập Đa truy cập gồm có:

- TDMA (Time Devision Multiple Acess) : Đa truy cập phân chia theo thời gian

- FDMA (Frequence Division Multiple Acess) : Đa truy cập phân chia theo tần số

- CDMA (Code Division Multiple Acess) : Đa truy cập phân chia theo mã

CDMA2000 là mạng thông tin di động điển hình sử dụng pháp đa truy cập phân chia theo mã với cấu trúc mạng cellular

Triển khai cell là một quá trình không thể thiếu để xây dựng nên một mạng hoạt động Muốn mạng 3G có sức cạnh tranh thì về hiệu năng ít nhất phải đạt ngang bằng với hệ thống mạng hiện hành, đồng thời phải vượt trội hơn về tính phong phú của dịch vụ hoặc các ưu đãi về giá cả Quá trình triển khai cell giúp các nhà khai thác quyết định:

Cung cấp dịch vụ nào

Quá trình phát triển tiến hóa với các dịch vụ mạng lưới

2.3 Khái quát về công nghệ CDMA

CDMA là công nghệ sử dụng mỗi kênh CDMA 1.23 MHz Giãn cách tần số tối thiểu giữa hai kênh lân cận là 1,25 MHz và có dải phòng vệ mỗi biên là 0,27 MHz Ở đây thuật ngữ “kênh” để chỉ sóng mang 1,23 MHz

Khoảng cách tối thiểu 1,25 MHz cho phép một phần năng lượng biên lọt vào dải tần của sóng mang khác gây tạp âm, phi tuyến có thể dẫn đến giảm dung lượng

141,25 MHz

Kênh CDMA thứ nhất1,23 MHz Kênh CDMA thứ hai 1,23 MHz

Hình 2.3: Sắp xếp kênh trong CDMA

2.3.1 Lý do sử dụng kỹ thuật trải phổ trong CDMA

Các hệ thống thông tin số được thiết kế để tận dụng tối đa dung lượng Theo nguyên lý Shannon biểu diễn ở phương trình (2.1), chúng ta thấy rằng dung lượng

có thể được tăng lên bằng cách tăng độ rộng băng thông:

C= Blog2(1+S N) (2.1)

Trong đó B là độ rộng băng thông (Hz), S là công suất tín hiệu và N là công suất nhiễu Do đó, với một tỷ số S/N cụ thể (Signal to Noise Ratio: SNR) thì dung lượng được tăng lên nếu độ rộng băng thông được dùng để chuyển thông tin tăng lên Công nghệ CDMA thực hiện việc trải tín hiệu gốc ra thành tín hiệu băng rộng trước khi truyền dẫn và kỹ thuật này được gọi là trải phổ (SS-Spread Spectrum)

Tỷ số giữa độ rộng băng tần của tín hiệu SS trên độ rộng băng tần của bản tin được gọi là độ lợi xử lý (hay cũng được gọi là hệ số trải phổ)

R

B G or

G I

E B I

R E N

0 0

Eb là năng lượng bit, I0 là mật độ phổ công suất tạp âm

Do đó, đối với yêu cầu Eb/I0 cụ thể, để đạt được độ lợi xử lý cao thì phải giảm tỷ số S/N

15

Trong hệ thống CDMA, mỗi thuê bao được cấp phát một chuỗi mã đặc trưng để trải thông tin thành tín hiệu băng rộng trước khi được phát đi Máy thu cũng sử dụng chuỗi mã này để giải mã và khôi phục lại tín hiệu gốc.

2.3.2 Trải phổ và nén phổ

Trải phổ và nén phổ là các công việc cơ bản nhất trong các hệ thống CDMA, chúng được biểu diễn ở hình 2.4 Dữ liệu ở đây được giả thiết là một chuỗi bit có tốc độ là R Công việc trải phổ được thực hiện bằng cách nhân từng bit thông tin với một chuỗi gồm n bit mã hoá, được gọi là chip, của một tín hiệu giả ngẫu nhiên

Hình 2.4: Trải phổ và nén phổ

Ở đây n=8 và do đó độ lợi xử lý là 8, kết quả là thông tin trải phổ có tốc độ tăng lên rất nhiều so với tốc độ thông tin ban đầu Quá trình nén phổ được thực hiện ngược lại bằng cách nhân tín hiệu SS với chuỗi giả ngẫu nhiên trên Như vậy dữ liệu gốc được khôi phục lại hoàn toàn

2.3.3 Đa truy cập:

Một hệ thống thông tin di động là hệ thống trong đó một lượng lớn các thuê bao sử dụng chung tài nguyên vật lý để phát và nhận thông tin Do đó khả năng đa truy cập là một trong những yếu tố quan trọng Hình 2.5 biểu diễn ba phương pháp

đa truy cập khác nhau đó là: TDMA, FDMA và CDMA

16

Hình 2.5: Các phương pháp đa truy cập.

Trong FDMA, tín hiệu ở các thuê bao khác nhau được truyền trong các kênh khác nhau với một tần số điều chế khác nhau Trong TDMA, các tín hiệu được truyền trong trong các khe thời gian khác nhau Với hai kỹ thuật trên, số lượng tối

đa các thuê bao dùng chung các kênh vật lý một cách đồng thời là cố định Tuy nhiên, trong CDMA, các tín hiệu ở các thuê bao khác nhau được truyền trong cùng một dải tần ở cùng một thời điểm Tín hiệu của mỗi thuê bao đóng vai trò là nhiễu đối với các thuê bao khác và do đó dung lượng của hệ thống liên quan mật thiết với mức nhiễu Trong hệ thống CDMA, số lượng tối đa các thuê bao là không cố định (dung lượng mềm) Hình 2.6 minh hoạ một ví dụ làm thế nào mà 3 thuê bao có thể truy cập đồng thời trong hệ thống CDMA:

Hình 2.6: Mô tả đa truy cập

Tại máy thu, thuê bao thứ hai tiến hành nén phổ để đưa thông tin của nó trở

về tín hiệu gốc băng hẹp trong khi đó các tín hiệu còn lại (của thuê bao 1 và thuê bao 2) là không giải mã được Đó là do sự tương quan chéo giữa mã của thuê bao mong muốn và các mã của các thuê bao khác là nhỏ và do đó tín hiệu sau khi tách sóng chỉ gồm tín hiệu mong muốn và một phần nhỏ tín hiệu nhiễu từ các thuê bao khác

17

2.3.4 Chuyển giao mềm

Chuyển giao mềm: là chuyển giao trong đó máy di động bắt đầu thông tin với một trạm gốc mới mà vẫn chưa cắt thông tin với trạm gốc cũ Chuyển giao mềm chỉ có thể được thực hiện khi cả trạm gốc cũ lẫn trạm gốc mới đều làm việc ở cùng tần số

2.4 So sánh kỹ thuật CDMA và các kỹ thuật đa truy nhập khác

a Khai thác được đặc tính của đàm thoại

Đây là một lợi điểm mà chỉ có hệ thống CDMA mới có Thời gian mà kênh truyền dẫn thực sự tải tiếng nói thực tế chỉ chiếm 40% thời gian đàm thoại vì khi nghe người ta không nói và thời gian ngắt giữa các câu và các từ Đối với hệ thống FDMA và TDMA, một khi cuộc đàm thoại được thiết lập, mỗi cuộc đàm thoại này được dành riêng một băng tần hay khe thời gian, không phụ thuộc vào việc người đàm thoại có nói hay không

Trong hệ thống CDMA, tất cả các thuê bao đều sử dụng chung một kênh vô tuyến vì vậy mỗi khi một thuê bao ngừng nói, tất cả các thuê bao khác trong cùng một kênh vô tuyến sẽ ít bị can nhiễu hơn Như vậy với 40% thời gian thực sự dành

để truyền tiếng nói, hệ số can nhiễu sẽ giảm đi 100/40=2,5 lần so với lý thuyết và điều đó làm dung lượng hệ thống tăng 25 lần

b Về ảnh hưởng của dãy can nhiễu sang nhau của dãy tín hiệu (Intersymbol

Interference).

Đối với các hệ thống FDMA và TDMA, can nhiễu loại này là vấn đề phức tạp do thời gian trễ tín hiệu khác nhau Để làm giảm can nhiễu này các hệ thống FDMA và TDMA cần có các bộ cân bằng (Equalizer) Trong khi đó hệ thống CDMA không bị ảnh hưởng của loại can nhiễu này Thay vào đó nó chỉ cần bộ tương quan (Correlator) có cấu trúc và yêu cầu đơn giản hơn bộ cân bằng

c Về thiết bị vô tuyến

Các hệ thống FDMA và TDMA cần nhiều kênh vô tuyến cho mỗi cell hay mỗi sector, trong khi đó hệ thống CDMA chỉ cần một kênh vô tuyến duy nhất Điều này làm thiết bị vô tuyến nhỏ hơn và dễ lắp đặt hơn

18

d Chuyển tiếp cell của thuê bao

Do sử dụng chuyển tiếp mềm (Soft Handoff) nên trong hệ thống CDMA thuê bao có thể kết nối đồng thời với 2 hoặc nhiều cell sẽ tránh được việc ngắt hệ thống thông tin

e Việc phân chia thành các cell

Đối với hệ thống FDMA và TDMA, việc phân chia thành sector cho các cell với mục đích làm giảm can nhiễu Trong hệ thống CDMA, việc phân chia thành các sector làm tăng dung lượng hệ thống Mỗi cell chia thành 3 sector sẽ làm dung lượng hệ thống tăng lên 3 lần

f Về kế hoạch tần số

Đối với hệ thống FDMA và TDMA, kế hoạch phân bổ tần số luôn luôn là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu cần phải thực hiện Trong khi đó, hệ thống CDMA chỉ sử dụng chung một kênh vô tuyến vì vậy không phải tính đến việc phân bổ suy hao tần số Ngoài ra các hệ thống FDMA và TDMA đôi khi phải sử dụng kế hoạch phân bổ tần số động (Dynamic frequency) để giảm can nhiễu theo thời gian Điều

đó đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất băng rộng tuyến tính hết sức phức tạp và khó chế tạo Hệ thống CDMA không cần quan tâm đến vấn đề này

Kết quả là hệ thống CDMA có hiệu suất sử dụng tần số cao nhất Để tăng dung lượng, hệ thống FDMA và CDMA khi tăng số cell của mạng phải thay đổi hoàn toàn kế hoạch tần số CDMA không cần đến điều này

g Khả năng đáp ứng dung lượng hệ thống

Dung lượng mềm là ưu thế của kỹ thuật CDMA so với FDMA và TDMA Với FDMA và TDMA, mỗi cuộc gọi chiếm một băng tần hoặc một khe thời gian,

do đó số lượng cuộc gọi là cố định Trong CDMA tất cả cuộc gọi đều dùng chung một kênh vô tuyến vì vậy có thể thêm vào cuộc gọi trong một cell mà chất lượng đàm thoại chỉ giảm đi một chút Ngoài ra hệ thống CDMA còn có khả năng thay đổi tải một cách thích ứng: khi số lượng thuê bao trong một cell tăng quá số kênh cực đại mà hệ thống CDMA có thể chấp nhận (can nhiễu vào các trạm cơ sơ của các

19

trạm ci động quá lớn), hệ thống CDMA sẽ sử dụng chức năng chuyển giao mềm (Soft-handoff) để thay đổi kích thước cell, kết quả là bán kính của cell quá tải nhỏ lại, một số thuê bao ở vùng biên của cell trở thành thuê bao của cell lân cận có số lượng thuê bao nhỏ hơn Bằng cách này hệ thống CDMA có thể làm cân bằng tải gữa các cell Đây chính là tính năng mà chỉ có hệ thống cellular sử dụng kỹ thuật CDMA mới có được.

h Đánh giá về mặt dung lượng

Trên cơ sở một số giả định: toàn bộ mạng được chia thành cùng một số cell, các hệ thống cùng chiếm một băng tần là W, hệ thống TDMA có cùng một kênh vô tuyến như hệ thống FDMA, hiệu suất điều chế đối với các hệ thống là như nhau và sau một quá trình tính toán rất phức tạp người ta đã đưa ra các kết luận rằng:

+ Trong trường hợp hệ thống chỉ có một cell duy nhất: Dung lượng hệ thống TDMA là lớn nhất, đến FDMA và hệ thống CDMA có dung lượng nhỏ nhất

+ Trong trường hợp hệ thống có nhiều cell: dung lượng hệ thống TDMA là lớn nhất, sau đó đến CDMA và cuối cùng là FDMA

+ Trong trường hợp mạng có nhiều cell, mỗi cell chia thành 3 sector và tính đến tỷ lệ thời gian của mỗi cuộc thoại, thì dung lượng hệ thống CDMA là lớn nhất (gấp gần 10 lần so với FDMA và 2 lần so với TDMA)

 Tổng kết chương 2:

Chương 2 đã đã trình bày tổng quan về mạng thông tin di động

CDMA2000 Bên cạnh đó cũng trình bày khái quát về công nghệ CDMA và so sánh

sự khác nhau cơ bản của kỹ thuật đa truy nhập CDMA với kỹ thuật đa truy nhập TDMA và FDMA từ đó cho thấy những ưu điểm vượt trội của hệ thống thông tin di động CDMA Ngoài ra chương 2 cũng đã đề cập đến các giải pháp cell trong mạng thông tin di động số

Trong chương tiếp theo sẽ tìm hiểu, phân tích về cấu trúc mạng CDMA2000.

20

CHƯƠNG 3 KIẾN TRÚC MẠNG DI ĐỘNG CDMA2000

Để thiết kế hệ thống thông tin di động CDMA, cần phải xác định cấu hình

mạng tương ứng với yêu cầu kỹ thuật của mỗi phần tử mạng Xác định sơ đồ cấu trúc tổng thể nhằm đảm bảo vùng phủ sóng và các dịch vụ đáp ứng đủ các yêu cầu

từ khi triển khai lắp đặt cho đến khi kết thúc chu trình vòng đời của hệ thống Trên

cơ sở những yêu cầu kỹ thuật cũng như các dịch vụ đòi hỏi đối với hệ thống thông tin di động CDMA, trong chương này sẽ đề cập đến kiến trúc cơ bản cũng như đặc điểm, chức năng của các phần tử của hệ thống Chương này sẽ phân tích cấu trúc phần cứng của hệ thống di động CDMA2000 và nêu rõ mạng CDMAOne được nâng cấp lên CDMA2000 về cấu trúc như thế nào

3.1 Giới thiệu về cấu trúc mạng CDMA2000:

Cấu trúc mạng CDMA2000 có thể được mô hình hóa theo nhiều cách thức khác nhau Ở đây sẽ giới thiệu một số mô hình cơ bản bao gồm:

• Mô hình cấu trúc

• Mô hình phân lớp

• Cấu trúc kênh

21

• Cấu trúc địa lý

3.2 Mô hình cấu trúc mạng CDMA2000

Việc xây dựng hệ thống CDMA2000 1x hoặc 3x yêu cầu nâng cấp các phần

tử mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi của hệ thống hiện có Hệ thống CDMA2000 được xây dựng trên cơ sở mạng CDMAOne Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng CDMA2000 ra làm hai phần: mạng lõi và mạng truy cập vô tuyến, trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng CDMAOne, còn mạng truy cập vô tuyến là phần nâng cấp của CDMA2000 Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong CDMA2000 còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống Để xác định các phần tử mạng truy nhập vô tuyến

và mạng lõi nào cần được sử dụng cho việc thực hiện thành công một hệ thống CDMA2000, ta sẽ bắt đầu với một sơ đồ mạng đơn giản của hệ thống CDMAOne

3.2.1 Sơ đồ mạng CDMAOne đơn giản

Hình 3.1 là một hệ thống CDMAOne độc lập chứa vài BTS được đăng ký

thường trú tới 2 BSC Các BSC này không cùng vị trí với MSC nhưng trên thực tế MSC và BSC có thể đặt cùng vị trí tùy theo yêu cầu thực hiện kết nối và thỏa thuận trong các hợp đồng thương mại Đường kết nối từ các BTS tới BSC và từ BSC tới MSC có thể thực hiện bằng đường vi ba hoặc kết nối cố định

BTS

Hình 3.1: Cấu trúc mạng đơn giản của hệ thống CDMAOne

Để nâng cấp lên CDMA2000, cần nâng cấp một số phần tử mạng mới Các nâng cấp liên quan tới BTS và BSC có thể thực hiện dễ dàng bằng việc thêm vào các modul, tùy theo hệ thống hạ tầng đang sử dụng Đối với hệ thống được xây dựng mới hoặc nâng cấp từ CDMAOne, trọng tâm của các dịch vụ số liệu gói cho một mạng CDMA2000 là nút dịch vụ số liệu gói PDSN

Hình 3.2: Sự thay thế các phần tử mạng của hệ thống 2.5G và 3G

3.2.2 Sơ đồ mạng CDMA2000

23

BSC BTS Bộ định tuyến

PDSN

Trạm chủ thường trú

AAA BSC

BTS

BTS

BTS

BSC BTS

BTS

Tường lửa

Bộ định tuyến Bộ định

tuyến

Mạng dữ liệu công cộng/riêng

Internet

PDSN

AAA

+ Bộ điều khiển+ Bộ thu phát RF

MS vừa thực hiện chức năng đầu cuối (micro, loa, màn hình) vừa thể hiện khả năng cung cấp các dịch vụ trực tiếp cho người sử dụng, lại vừa thực hiện chức năng kết nối và truyền dẫn số liệu cho các thiết bị đầu cuối khác

3.2.2.2 Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station)

BTS là tên chính thức vị trí cell BTS có nhiệm vụ phân bổ tài nguyên cho thuê bao sử dụng BTS cũng có thiết bị vô tuyến vật lý dùng để phát và thu tín hiệu CDMA2000 BTS điều khiển giao diện giữa mạng CDMA2000 và các khối thuê bao BTS cũng điều khiển nhiều khía cạnh của của hệ thống có liên quan trực tiếp tới chất lượng mạng

24

Trong quá trình xử lí, BTS không chỉ kiểm tra các dịch vụ được yêu cầu mà còn phải lưu ý đến cấu hình vô tuyến, loại thuê bao, các dịch vụ yêu cầu là thoại hoặc gói.

3.2.2.3 Trạm gốc BSC (Base Station Controller)

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều

khiển từ xa của BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia nối với MSC

Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể Vai

trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của BTS này

25

Hình 3.5: Hình dạng một MSC trong thực tế

Việc giao diện với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho các người sử dụng mạng thông tin di động đòi hỏi cổng thích ứng Mạng thông tin di động cũng cần giao diện với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng

MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc (BSC) Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô

có dân cư vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình)

3.2.2.6 Phần thường trú HA (Home Agent)

Đây là thành phần chính thứ ba trong mạng dịch vụ dữ liệu gói CDMA2000

HA thực hiện rất nhiều vai trò, trong số đó là bám đuổi vị trí của thuê bao di động khi nó di chuyển từ một vùng gói đến vùng khác Trong quá trình dò tìm máy di động, HA sẽ bảo đảm rằng các gói tự động được gửi đến máy di động

3.2.2.7 Thanh ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register)

Chứa thông tin về thuê bao như các dịch vụ mà thuê bao lựa chọn, thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao Thông thường HLR là một máy tính

26