nghiên cứu công nghệ thông tin di động 3g wcdma và phát triển lên thế hệ 3,5g hspa

Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hai công nghệ trên nên em đã thực hiện đồ án: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G WCDMA VÀ PHÁT TRIỂN LÊN THẾ HỆ 3,5G HSPA” Nội dung đồ án được trì

TỜ BÌA

NHIỆM VỤ THIẾT KẾT TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940 Ngày nay thông tin di động là ngành viễn thông có sự phát triển nhanh nhất Bắt đầu là hệ thống thông tin di động tương tự, đến nay khi các hệ thống di động thế hệ thứ ba được đưa vào hoạt động và ứng dụng rộng rãi, có thể cung cấp được nhiều dịch vụ băng rộng và các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao

Tổ chức ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thứ

ba với tên gọi là IMT-2000 nhằm đáp ứng các mục tiêu chính như:

 Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như các dịch vụ

đa phương tiện và truy nhập Internet nhanh

 Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh

 Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động

Có nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba IMT-2000

đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thống là WCDMA UMTS và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và sẽ được đưa vào hoạt động trong những năm 2000 WCDMA UMTS sẽ là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136

Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa trong phát hành R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002 Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA: High Speed Up Link Packet Access) trong 3GPP được chuẩn hóa trong R6 vào tháng 12 năm 2004 Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA Đây là công nghệ tiếp sau WCDMA trong quá trình tiến lên các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, nâng cao tốc độ truyền dữ liệu và cung cấp các dịch vụ mới

Trong bối cảnh Việt Nam và các nước trên thế giới đang triển khai rộng rãi hai công nghệ WCDMA và HSPA Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hai công nghệ trên nên em đã thực hiện đồ án: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G WCDMA VÀ PHÁT TRIỂN LÊN THẾ HỆ 3,5G HSPA” Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương với nội dung chính sau:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA

 Chương 2: Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống WCDMA

 Chương 3: Giao diện vô tuyến của mạng WCDMA UMTS

 Chương 4: Công nghệ truy nhập gói tốc độ cao HSPA

Trong quá trình hoàn thành đồ án không tránh khỏi có nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý quý báu của thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn cô giáo, th.s Đàm Mỹ Hạnh, các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật Viễn thông, gia đình và bạn bè đã giúp em trong suốt thời gian qua

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2010 Người thực hiện

MỤC LỤC

Trang TỜ BÌA 1

NHIỆM VỤ THIẾT KẾT TỐT NGHIỆP 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

MỤC LỤC 6

CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 13

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA 16

1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN THẾ HỆ 4G 16

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 16

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 17

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 17

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 18

1.2 KIẾN TRÚC CHUNG MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 19

1.2.1 Công nghệ WCDMA 19

1.2.2 Tổng quan hệ thống UMTS 20

1.2.3 Kiến trúc chung của một mạng WCDMA 22

1.2.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được mạng 3G WCDMA hỗ trợ 23

1.3 CÁC KIẾN TRÚC CHO CÔNG NGHỆ WCDMA THEO 3GPP 24

1.1.3 Kiến trúc WCDMA UMTS R3 25

1.3.2 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R4 31

1.3.3 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6 34

1.4 KIẾN TRÚC MẠNG DỊCH CHUYỂN TỪ GMS SANG UMTS 37

CHƯƠNG 2 - CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA 40

2.1 SƠ ĐỒ MÁY THU – PHÁT VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WCDMA 40

2.2 MÃ HÓA KIỂM SOÁT LỖI 42

2.2.1 Mã vòng 43

2.2.2 Mã xoắn 44

2.2.3 Mã hóa turbo 45

2.3 PHỐI HỢP TỐC ĐỘ VÀ ĐAN XEN 46

2.3.1 Phối hợp tốc độ 46

2.3.2 Đan xen 47

2.4 CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA 47

2.4.1 Các hệ thống thông tin trải phổ 48

2.4.2 Nguyên lý chung của DSSS và áp dụng DSSS vào CDMA 48

2.4.3 Hệ thống DSSS-BPSK 52

2.4.4 Hệ thống DSSS-QPSK 54

2.4.5 Mô hình hệ thống DS CDMA 56

2.5 NGẪU NHIÊN HÓA 59

2.6 CÁC MÃ TRẢI PHỔ DÙNG TRONG WCDMA 59

2.7 MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG – MÁY THU RAKE 61

2.8 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 63

2.9 CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG WCDMA 64

CHƯƠNG 3 - GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA MẠNG WCDMA UMTS 66

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 66

3.2 KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC CỦA GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 68

3.3 CÁC KÊNH CỦA WCDMA 69

3.4 KÊNH VẬT LÝ 70

3.4.1 Các kênh vật lý 70

3.4.2 Các kênh đường lên 73

3.4.3 Trải phổ và điều chế đường lên 77

3.4.4 Các kênh đường xuống 80

3.4.5 Trải phổ và điều chế cho đường xuống 86

3.5 CÁC KÊNH TRUYỀN TẢI 88

3.5.1 Các kênh truyền tải 89

3.5.2 Chuyển đổi và ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 90

3.6 KÊNH LOGIC 92

3.6.1 Các kênh điều khiển 92

3.6.2 Các kênh lưu lượng 92

3.7 THIẾT LẬP CUỘC GỌI TRONG WCDMA UMTS 93

3.8 PHÂN TẬP PHÁT 97

3.8.1 Phân tập vòng hở 97

3.8.2 Chế độ vòng kín 98

CHƯƠNG 4 - CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO HSPA 99

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 99

4.2 KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN HSPA 100

4.3 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG 102

4.3.2 Lập biểu phụ thuộc kênh 103

4.3.3 Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao 105

4.3.4 HARQ với kết hợp mềm 107

4.3.5 Kiến trúc 108

4.4 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN 112

4.4.1 Lập biểu 113

4.4.2 HARQ với kết hợp mềm 116

4.4.3 Kiến trúc 117

KẾT LUẬN 121

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 122

LỜI CẢM ƠN 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

CÁC TỪ VIẾT TẮT

3GPP 3ird Genaration Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ ba 3GPP2 3ird Generation Patnership Project 2 Đề án đối tác thế hệ thứ ba hai AICH Acquisition Indication Channel Kênh chỉ thị bắt

AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên

tiến ARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự động

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng thái

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CD/CA-

CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh chỉ thị trạng thái CPCH DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DPCCH Dedicated Physycal Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel Kênh cho phép tuyệt đối tăng

cường E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cường

EDGE Enhanced Data rates for GPRS

Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gian GERAN GSM EDGE Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu

HARQ Hybrid Automatic Repeat request Yêu cầu phát lại tự động lai

ghép

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy nhập hói đường xuống tốc

độ cao HS-

DSCH

High-Speed Dedicated Shared

Channel

Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

2000

International Mobile

Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

ISDN Integrated Servive Digital Network Mạng số đa dịch vụ

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường MMS Multimedia Messenging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các

dịch vụ di động Node B Là nút logic kết cuối giao diện IuB với RNC

PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gói chung

PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật

lý

PICH Page Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi

PSTN Public Switched Telephone

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quatrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến S-

SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SIM Subscriber Identity Module Modun nhận dạng thuê bao

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gian

TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời

gian TDMA Time Division Mulptiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian TFC Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tải TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát

UMTS Universal Mobile

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

Wifi Wireless FIdelitity Chất lượng không dây cao

WiMAX Worldwide interoperability for

Microwave Access

Tương hỗ truy nhập vi ba toàn cầu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G 19

Hình 1.2 Các phổ tần dùng trong UMTS 21

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát của một mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA 22

Hình 1.4 Vùng phủ sóng của UMTS 24

Hình 1.5 Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999 25

Hình 1.6 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS phát hành 4 32

Hình 1.7 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6 34

Hình 1.8 Kiến trúc tồn tại đồng thời GSM và UMTS 37

Hình 1.9 Kiến trúc mạng RAN tích hợp của 3GR2 38

Hình 1.10 Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3 39

Hình 2.1 Máy phát vô tuyến 40

Hình 2.2 Máy thu vô tuyến 41

Hình 2.3 Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh 44

Hình 2.4 Cấu hình bộ mã hóa và giải mã turbo 46

Hình 2.5 Trích bỏ các kênh TrCH được mã hóa turbo 47

Hình 2.6 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 50

Hình 2.7 Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ tập K người sử dụng 52

Hình 2.8 Sơ đồ khối của máy phát DSSS BPSK 52

Hình 2.9 Sơ đồ máy thu của hệ thống DSSS-BPSK 54

Hình 2.10 Sơ đồ trải phổ DSSS-QPSK 55

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu DSSS-QPSK 55

Hình 2.12 Hệ thống DSCDMA: Máy phát và máy thu tương quan 58

Hình 2.13 Quan hệ giữa trải phổ và ngẫu nhiên hóa 59

Hình 2.14 Cây mã định kênh 60

Hình 2.15 Truyền sóng đa đường 62

Hình: 2.16 Máy thu RAKE 63

Hình 2.17 Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b) 66

Hình 3.1 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến WCDMA 69

Hình 3.2 Các kênh của lớp vật lý 71

Hình 3.3 Cấu trúc khung vô tuyến cho DPDCH/DPCCH đường lên 74

Hình 3.4 Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH 74

Hình 3.5 Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên 75

Hình 3.6 Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin của RACH 75

Hình 3.7 Thủ tục truy nhập gói CPCH 76

Hình 3.8 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên 78

Hình 3.9 Chúm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hóa phức 79

Hình 3.10 Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH 80

Hình 3.11 Cấu trúc khung cho DPCH đường xuống 81

Hình 3.12 Cấu trúc khung cho kênh hoa tiêu chung 82

Hình 3.13 Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh P-CCPCH 82

Hình 3.14 Cấu trúc khung cho S-CCPCH 83

Hình 3.15 Cấu trúc kênh đồng bộ (SCH) 84

Hình 3.16 Cấu trúc khung cho PDSCH 85

Hình 3.17 Cấu trúc kênh chỉ thị bắt (AICH) 86

Hình 3.18 Cấu trúc kênh chỉ thị tìm gọi (PICH) 86

Hình 3.19 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho các kênh vật lý đường xuống 87

Hình 3.20 Chuyển đổi giữa kênh các kênh truyền tải và các kênh vật lý 91

Hình 3.21 Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý 92

Hình 3.22 Chuyển đổi giữa các kênh logic và các kênh truyền tải đường lên và xuống 93

Hình 3.23 Thủ tục thiết lập cuộc gọi ở WCDMA UMTS 94

Hình 3.24 Phân tập phát vòng hở của WCDMA 98

Hình 3.25 Phân tập phát vòng kín của WCDMA 99

Hình 4.1 Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (công nghệ HSDPA) 100

Hình 4.2 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA 101

Hình 4.3 Cấu trúc mã của HS-DSCH 103

Hình 4.4 Nguyên lý lập biểu HSDPA của node B 104

Hình 4.6 Chùm tín hiệu điều chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu 106

Hình 4.7 Nguyên lý xử lý phát lại của node B 108

Hình 4.8 Kiến trúc HSDPA 110

Hình 4.9 Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA 110

Hình 4.11 Chương trình khung lập biểu của HSUPA 115

Hình 4.12 Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH) 118

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA

1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN THẾ HỆ 4G

Trong quá trình phát triển của mình, các công nghệ thông tin di động được chia thành các thế hệ: Thứ nhất, thứ hai, thứ ba và thứ tư; được viết tắt là 1G, 2G, 3G và 4G

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

Hệ thống thông tin di động thế hệ một (1G) sử dụng phương pháp đa truy

nhập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người sử dụng Đa truy nhập phân chia theo tấn số là phương thức truy nhập mà trong đó mỗi kênh dành cho người sử dụng được cấp phát một tần số cố định, không trùng với các kênh người dùng khác nhờ phân chia phổ tần số thành nhiều đoạn riêng biệt

Một số hệ thống FDMA điển hình là:

 Hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone Servise – Dịch vụ điện thoại

di động tiên tiến) được sử dụng trên toàn nước Mỹ

 NMT (Nordic Mobile Telephone System – Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu)

 TACS (Total Access Communication System – Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ)

Tuy nhiên, thông thường các công nghệ 1G thường được triển khai tại một

số nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế Không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dung lượng và tốc độ Chính

vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ hai được đưa ra giới thiệu

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

Khác với thế hệ thứ nhất, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

được thiết kế để triển khai quốc tế, các thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương thích, khả năng chuyển mạch phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên các kênh vô tuyến

Hệ thống 2G sử dụng hai phương pháp đa truy nhập: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Một số hệ thống trong mạng 2G điển hình là:

GSM (Global for System Mobile Communications - Hệ thống thông tin di động toàn cầu), cdma One, ngoài ra còn một số hệ thống khác đó là: iDEN, D-AMPS, GPRS (2,5G), HSCSD và WiDEN

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Để đáp ứng yêu cầu phát triển dung lượng mạng, tốc độ (tốc độ dịch

chuyển dữ liệu) và những ứng dụng đa phương tiện, chuẩn 3G bắt đầu được đưa

ra Những hệ thống trong chuẩn này là sự phát triển tuyến tính của hệ thống 2G, chúng dựa vào hai cơ sở hạ tầng chính cùng tồn tại song song đó là những node chuyển mạch kênh và những node chuyển mạch gói

Một hệ thống thông tin di động là 3G nếu nó đáp ứng một số yêu cầu được ITU đề ra như sau:

- Hoạt động trong một trong số các tần số được ấn định cho các dịch

vụ 3G

- Phải cung cấp các dịch vụ số liệu mới cho người sử dụng bao gồm cả các dịch vụ đa phương tiện, độc lập với các công nghệ ở giao diện vô tuyến

- Phải hỗ trợ truyền dẫn số liệu di động tại 144 kbps cho người sử dụng di động tốc độ cao và truyền dẫn số liệu lên đến 2 Mbps cho người sử dụng cố định hoặc tốc độ thấp

- Phải cung cấp các dịch vụ số liệu gói

- Đảm bảo tính độc lập của mạng lõi với giao diện vô tuyến

Một số hệ thống 3G: UMTS (WCDMA), CDMA2000&1xEV-DO, iS865, TD-SCDMA; 3,5G: UMTS (HSPA)

 Sự giới hạn của giải phổ sử dụng

 Dù có sự thỏa thuận về các khả năng chuyển vùng toàn cầu nhưng do tồn tại những chuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trong việc chuyển vùng (roaming) giữa các môi trường dịch vụ khác biệt trong các băng tần số khác nhau

 Thiếu cơ chế chuyển tải “liền mạch” giữa đầu cuối với đầu cuối khi mở rộng mạng con di động với mạng cố định

Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G, để hướng tới mục tiêu tạo ra một mạng di động có khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại, truyền dữ liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia tại mọi nơi, mọi lúc; do vậy mạng di động thế hệ thứ tư (4G) đã được đề xuất nghiên cứu và hứa hẹn những bước triển khai đầu tiên Cơ sở hạ tầng cho 4G sẽ chỉ là gói (all-IP) Những kỹ thuật đang được xem xét như pre-4G là Wimax, WiBro, iBurst, 3GPP Long Term Evolution và 3GPP2 Ultra Mobile Broadband

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

1.2 KIẾN TRÚC CHUNG MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1.2.1 Công nghệ WCDMA

WCDMA (Wideband CDMA) là một công nghệ phát triển của GSM để tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu bằng cách sử dụng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng rộng thay thế cho TDMA Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ thứ

ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật

lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bít thấp

và trung bình

Một số đặc điểm của WCDMA:

 Là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit cao (lên đến 2 Mbps)

 Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 Mhz, do đó hỗ trợ tốc

độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập

AMPS

TASC

GSM cdma One

WCDMA cdma 20001x

HSPA 1xEVDO

LTE UMB

Thấp

 Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục Mỗi người sử dụng được cung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác

 Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD Trong mô hình FDD sóng mang 5 Mhz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hình TDD sóng mang 5 Mhz chia sẻ theo thời gian giữa đường lên và đường xuống

 WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ

 WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ

 WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dung lượng của mạng

 Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang

Tại Châu Âu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đã được tiêu chuẩn hóa bởi học viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI: European Telecommunications Standard Institute) phù hợp với tiêu chuẩn ITM-2000 của ITU (International Telecommunication Union)

Hệ thống có tên là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) UMTS được xem là hệ thống kế thừa của hệ thống GSM, nhằm đáp ứng các yêu

cầu phát triển của các dịch vụ di động và ứng dụng internet với tốc độ truyền dẫn lên tới 2 Mbps và cũng cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu

UMTS được phát triển bởi Third Generation Partnership Project (3GPP) là

dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩn hóa (SDO) như: ETSI (Châu Âu), ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và CWTS (Trung Quốc)

Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dùng cho hệ thống UMTS:

 1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD (Frequency Division Duplex: Ghép kênh theo tần số) đường lên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5MHz

 1900 ÷ 1920 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD (Time Division Duplex: Ghép kênh theo tần số), khoảng cách kênh là 5MHZ

 1980 ÷ 2010 MHz và 2170 ÷ 2200 MHz: Đường xuống và đường lên vệ tinh

1.2.3 Kiến trúc chung của một mạng WCDMA

Mạng thông tin di động thế hệ ba ban đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh để truyền dữ liệu gói và tiếng Các trung tâm chuyển mạch gói là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM Trong quá trình phát triển đến sử dụng toàn mạng IP, chuyển mạch kênh dần được thay thế bằng chuyển mạch gói Các dịch vụ số liệu và thời gian thực cuối cùng sẽ được chuyển trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát của một mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA

Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN: UMTS Terestrial RadioAccess Network): Có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến Kiến trúc ban đầu của mạng 3G có thể sử dụng hai kiểu mạng truy nhập vô tuyến

Thiết

bị cổng

Mạng báo hiệu

Điều khiển dịch vụ

Thông tin

vị trí

Chức năng dịch vụ CS

Chức năng dịch vụ PS

Chức năng dịch vụ CS

Chức năng dịch vụ PS

Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA được gọi là UTRAN 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 dựa trên công nghệ EDGE của GSM)

1.2.3.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN: Core Network): Thực hiện chức năng chuyển mạch, định

tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu Mạng lõi là kết hợp của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói được thể hiện bằng nhóm các đơn vị chức năng logic (hình 1.3) Trong thực thế các miền chức năng này đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Như chức năng chuyển mạch kênh CS (MGC/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

1.2.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được mạng 3G WCDMA hỗ trợ

WCDMA UMTS cung cấp các loại dịch vụ xa (teleservices) như dịch vụ

điện thoại hoặc bản tin ngắn (SMS) và các loại dịch vụ mang (bearer service: Một dịch vụ viễn thông cung cấp khả năng truyền tín hiệu giữa hai giao diện người sử dụng - mạng).Vì thế, nói chung mạng 3G hỗ trợ các dịch vụ truyền thông đa phương tiện Do đó với mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tùy theo ứng dụng của dịch vụ QoS ở hệ thống WCDMA UMTS được phân loại như sau:

 Loại hội thoại (Thoại, thoại thấy hình): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ

 Loại luồng (đa phương tiện, video theo yêu cầu): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ

 Loại tương tác (duyệt web, trò chơi qua mạng, truy nhập cơ sở dữ liệu ): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỉ lệ lỗi thấp

 Loại cơ bản (thư điện tử, SMS, tải dữ liệu xuống): Đòi hỏi các dịch vụ

nỗ lực nhất được thực hiện trên nền cơ sở

Vùng phủ sóng của mạng WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng với các tốc độ bít Rb phục vụ như sau:

1.3 CÁC KIẾN TRÚC CHO CÔNG NGHỆ WCDMA THEO 3GPP

Mạng di động thế hệ 3 được xây dựng theo các phát hành chính được gọi là R3, R4, R5 và R6 Trong đó R3 và R4 có mạng lõi bao gồm hai miền chuyển mạch: Miền CS (Circuit Switch: Chuyển mạch kênh) và PS (Packet Switch: Chuyển mạch gói) Việc kết hợp này phù hợp với giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh Khi đó miền CS sẽ thực hiện các dịch vụ thoại, còn các dịch vụ số liệu được truyền trên miền PS R4 phát

triển hơn R3 ở chỗ CS chuyển sang chuyển mạch mềm, vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP

Lịch trình nghiên cứu trong 3GPP:

- Phát hành 1999 (R3) tháng 12/1999

- Phát hành 4 (R4) tháng 03/2001

- Phát hành 5 (R5) tháng 02/2001

- Phát hành 6 (R6) tháng 12/2004

1.1.3 Kiến trúc WCDMA UMTS R3

Đây là kiến trúc mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA trong 3GPP năm

1999, tập tiêu chuẩn đầu tiên cho hệ thống UMTS

Hình 1.5 Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999

Mạng UMTS R3 có hỗ trợ cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói Tốc

độ thông tin lên tới 384 Kbps trong miền chuyển mạch kênh và 2 Mbps trong miền chuyển mạch gói Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dịch vụ mới cho người sử dụng di động gồm: Điện thoại có hình (hội nghị Video)

âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối

Node B

RNC Node B

Inter net

Iu

Uu

Mạng UMTS R3 gồm ba phần chính đó là: Thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network) và mạng lõi (CN: Core Network)

1.3.1.1 Thiết bị người sử dụng

Thiết bị người sử dụng (UE): Là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng

là phần có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng

Thiết bị đầu cuối (TE: Terminal Equipment): Trong mạng 3G, thiết bị đầu cuối

không đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp dịch vụ số liệu mới

Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến để giao tiếp với

mạng qua đường vô tuyến

Modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subcriber Identity Modulo)

Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao USIM chứa các hàm và

số liệu cần để nhận dạng, nhận thực thuê bao và có thể giữ các khóa nhận thực cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho thiết bị đầu cuối Người sử dụng phải

tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN Điều này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhạp UMTS, và mạng cũng chỉ cung cấp dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng

ký

1.3.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio

Access Netwok): Là mạng liên kết giữa người sử dụng và mạng lõi Nó bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem),

trong một RNS gồm một RNC và gồm một hay nhiều nút B (node B)

UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện: Giao diện Iu giữa UTRAN

và mạng lõi (CN) gồm hai phần là IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh và giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người dùng (UE)

Các đặc tính chính của UTRAN:

- Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan Đặc biệt là các ảnh hưởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một đầu cuối kết nối qua hai hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù WCDMA

- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng PS và CS của mạng lõi

- Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết

- Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN

Hai thành phần của UTRAN là bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và node B

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Controller): Là một phần tử mạng, chịu tránh nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển tài nguyên cho chúng Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi (CN) Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói đến SGSN và một đến chuyển mạch kênh đến MSC

Các chức năng chính của RNC:

- Điều khiển tài nguyên vô tuyến

- Cấp phát kênh

- Thiết lập điều khiển công suất

- Điều khiển công suất vòng hở

- Điều khiển chuyển giao

- Phân tập Macro

- Mật mã hóa

- Báo hiệu quảng bá

Node B

Trong hệ thống UMTS, trạm gốc được gọi là node 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 chuyển 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 như “điều khiển công suất vòng trong” Tính năng này là để phòng ngừa vấn đề gần xa, nghĩa là khi tất các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần node B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa Node B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho node B luôn thu được công suất như nhau tại tất cả các đầu cuối

1.3.1.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN: Core Network) của hệ thống UMTS chia thành hai phần:

Chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói Thành phần chuyển mạch gói gồm những nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng hỗ trợ dịch vụ GPRS (GGSN: Gateway GPRS Support Node) Thành phần chuyển mạch kênh là MSC và GMCS Một số thành phần của mạng như HLR và AuC được chia

sẻ cho cả hai phần Cấu trúc của mạng lõi có thể được thay đổi khi các dịch vụ mới

và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra Các phần tử chính trong mạng lõi:

SGSN

SGSN (Serving GPRS Support Node): Là nút chính của miền chuyển mạch

gói Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông qua giao diện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: Thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê

bao

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

- IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao

di động quốc tế)

- Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet - Temporary Mobile Subscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói)

- Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

 Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

Số liệu về thông tin thuê bao:

GMSC

GMSC (Gateway MSC) chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhà

khai thác khác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS

VLR

VLR (Visitor Location Register): Là bản sao của HLR, dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được lấy từ HLR và lưu ở đây Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng

HLR

HLR (Home Location Register): Là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý

các thuê bao di động Một mạng di động có thể có nhiều HLR tùy thuộc vào số

lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng

HLR và AuC là hai nút mạng logic nhưng thường được thực hiện trong cùng một nút vật lý HLR lưu trữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng lý thuê bao như: Thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị

từ chối, thông tin chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

Trung tâm nhận thực

Trung tâm nhận thực (AuC: Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu

cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ thông tin của người dùng Nó liên

kết với HLR và được hiện cùng với một nút vật lý

Bộ nhận dạng thiết bị

Bộ nhận dạng thiết bị (EIR: Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm

lưu các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity) Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: Danh mục trắng, xám và đen Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhạp mạng, danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng Danh mục nay cũng có thể được sử dụng để cấm các

seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu

chuẩn

Các giao diện vô tuyến

 Giao diện Cu: Là giao diện chuẩn cho các card thông minh Trong UE đây là giao diện kết nối giữa USIM và UE

 Giao diện Uu: Là giao diện vô tuyến mà UE truy nhập vào phần cố định của mạng Giao diện này nằm giữa nút B và thiết bị đầu cuối

 Giao diện Iu: Là giao diện kết nối UTRAN và CN Một CN có thể kết nối với nhiều UTRAN, nhưng với mỗi UTRAN thì chỉ có thể kết nối với một điểm truy nhập CN

 Giao diện Iur: Đây là giao diện giữa RNC với RNC Giao diện này có các tính năng cơ bản sau:

- Di động giữa các RNC

- Lưu thông kênh riêng

- Lưu thông kênh chung

- Quản lý tài nguyên toàn cục

 Giao diện Iub: Giao diện Iub nối nút B với RNC Đây là một giao diện

mở

1.3.2 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R4

Mạng WCDMA UMTS phát hành 4 tạo ra tăng cường đáng kể cho kiến trúc mạng lõi Sự khác biệt cơ bản giữa phát hành 1999 (R3) với R4 là ở chỗ khi này mạng lõi của R4 là mạng phân bố R4 thay thế cho các MSC chuyển mạch kênh truyền thống là MSC Server và các cổng phương tiện MGW (Media Gateway)

MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, chức năng quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch

Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt

xa MSC Server MGW không chứa các phần mềm nói trên mà chỉ có nhiệm vụ

thiết lập điều khiển và giải phóng các luồng phương tiện (các luồng tiếng) dưới sự điều khiển của MSC Server MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MSC Server Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng “giao thức truyền tải thời gian thực ” (RTP: Real Time Transport Protocol) trên giao thức Internet (IP) Trong kiến trúc trên ta thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP Cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP

Hình 1.6 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS phát hành 4

Khi cuộc gọi cần được định tuyến đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ

có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server) MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu

Node B

Node B

RNC RNC

MSC Server

GMSC Server

chuẩn để đưa đến PSTN Để có cái nhìn rõ ràng, giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc độ 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào

64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng

kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm kết nối với PSTN và ở mạng đường trục gói, chỉ cần truyền tiếng ở độ rộng băng tần nhỏ hơn, điều này cho phép giảm giá thành của mạng Trong nhiều trường hợp MSC hỗ trợ cả chức năng của GMSC Server

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248 Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển Nó có tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control) Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ

MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu tư Để

ví dụ, xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố A Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSC Server ở thành phố

B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng

HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: Home Subscriber Server) HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (ví dụ là IP) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 Ngoài ra còn có các giao diện giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS không được chỉ ra trên hình vẽ

Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên

cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện Ngoài ra mạng

cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao diện này được thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW) Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (ví dụ là IP) Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP Bộ giao thức này được gọi là Sigtran

1.3.3 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6

Hình 1.7 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6

Kiến trúc WCDMA UMTS R5 và R6 là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện IP Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi Ở đây

cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối

của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu

Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP Cả dữ liệu tiếng và

số liệu không cần các giao diện cách biệt, chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MGW riêng

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau:

- CSCF (Connection State Control Function: Chức năng điều khiển trạng thái kết nối)

- MRF (Multimedia Resource Function: Chức năng tài nguyên đa phương tiện)

- MGCF (Media Gateway Control Function: Chức năng điều khiển cổng các phương tiện)

- T-SGW (Transport Signalling Gateway: Cổng báo hiệu truyền tải)

- R-SGW (Roaming Signalling Gateway: Cổng báo hiệu chuyển mạng)

CSCF: Quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến

và từ người sử dụng Nó bao gồm các chức năng như biên dịch và định tuyến CSCF hoạt động như một đại diện Server

SGSN và GGSN: Là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS

và UMTS R3 và R4 Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng

Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF): Là chức năng lập cầu hội nghi

được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW): Là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo

tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN T-SGW hỗ trợ các giao thức Sigtran

Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW): Là một nút đảm bảo tương tác báo hiệu

với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn Trong nhiều trường hợp SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng

MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương tiện MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ở R4 MGW được điều khiển bởi chức năng cổng điều khiển các phương tiện

(MGCF) Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248 MGCF

cũng liên lạc với CSCF Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP

Điểm đáng chú ý là kiến trúc này thể hiện ở sự bổ sung thêm cho mạng lõi chứ không thay đổi mạng lõi hiện có (R4) Phát hành 3GPP R5 và R6 đưa vào một vùng mạng lõi mới để bổ sung cho các vùng CS và PS, đó là vùng đa phương tiện

IP (IM: IP Multimedia) Vùng mới này cho phép mang cả thoại và số liệu qua IP trên toàn tuyến nối đến máy cầm tay

Như vậy UTRAN bây giờ có thể kết nối đến ba vùng của mạng lõi logic khác nhau: Vùng CS, vùng PS và vùng đa phương tiện IP (IM) Khi UE muốn sử dụng các dịch vụ của mạng lõi, nó phải chỉ ra được vùng nó muốn (vùng IM là vùng sử dụng các dịch vụ của vùng PS) Tất cả lưu lượng của IM đều là gói và được truyền tải qua các nút của vùng PS như SGSN và GGSN Kiến trúc IM cho phép xử lý tiếng và gói một cách thống nhất trên đường truyền từ UE đến nơi nhận, ở đây xảy ra sự hòa nhập hoàn toàn của tiếng và số liệu, vì thế tiếng chỉ là một dạng số liệu có các yêu cầu QoS riêng Sự hòa nhập này cho phép phát triển nhiều dịch vụ mới

1.4 KIẾN TRÚC MẠNG DỊCH CHUYỂN TỪ GMS SANG UMTS

Phần này giới thiệu chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS của hãng Alcatel Hãng này dự kiến sẽ phát triển mạng truy nhập RAN từ GSM lên UMTS theo ba phát hành là: 3GR1, 3GR2 và 3GR3

1.4.1 Phát hành 3GR1: Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn

Hình 1.8 Kiến trúc tồn tại đồng thời GSM và UMTS

Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các đặc tả kỹ thuật vào tháng 6 năm 2000 Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA-FDD và sẽ được triển khai chồng lấn lên GSM Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS phát hành 3GR1 được chia thành ba giai đoạn được ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3 (R: Release - phát hành) Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năng

SGSN

GGSN MSC/VLR

Router

Đường trục GPRS

PSTN

Internet

OMC GSM

OMC GSM

mới được đưa ra Các node B được gọi là MBS (Multistandard Base Station: Trạm gốc đa tiêu chuẩn)

1.4.2 Phát hành 3GR2: Tích hợp các mạng UMTS và GSM

Trong giai đoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp đầu tiên giữa hai mạng sẽ được thực hiện bằng cách đưa ra các thiết bị đa tiêu chuẩn như: Node B kết hợp BTS và RNC kết hợp BSC Các chức năng khai thác và bảo dưỡng mạng

vô tuyến cũng có thể được thực hiện chung bởi cùng một OMC Kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai (hình 1.11)

Hình 1.9 Kiến trúc mạng RAN tích hợp của 3GR2

SGSN

MSC/VLR

Đường trục GPRS

UMTS/GSM

OMC

GGSN

Internet PSTN

BSC

GSM OMC

Iu-PS

Iu-CS

Gn

Gi

1.4.3 Phát hành 3GR3: Kiến trúc RAN thống nhất

Hình 1.10 Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3

Trong kiến trúc RAN của phát hành này được xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP Trong phát hành này RAN chung cho

cả hệ thống UMTS và GSM Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng

SGSN

MSC/VLR

Đường trục GPRS

UMTS/GSM OMC

GGSN

Internet PSTN

CHƯƠNG 2 - CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HỆ

THỐNG WCDMA

2.1 SƠ ĐỒ MÁY THU – PHÁT VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WCDMA

Máy phát

Hình 2.1 Máy phát vô tuyến

Sơ đồ khối của máy phát vô tuyến trong WCDMA (hình 2.1) Lớp vật lý

bổ sung CRC cho từng khối truyền tải (TB: Transport Block) là đơn vị số liệu gốc cần xử lý nhận được từ lớp MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập trung gian) để phát hiện lỗi ở phía thu Sau đó số liệu được mã hóa kênh và đan xen Mã hóa nguồn thực hiện biến đổi tương tự sang số và loại bỏ các thông tin

Kênh truyền tải A

Cộng

CRC

Phân đoạn khối mã

Mã hóa kênh

Phối hợp tốc độ

Đan xen

Số liệu

phát

Các bít hoa tiêu

Ghép

Anten Điều

Điều chế vuông góc

Biến đổi nâng tần

Bộ khuếch đại phát

TPC

Kênh truyền tải B