giao diện vô tuyến trong hệ thống utms

Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhi

MÔN THÔNG TIN DI ĐỘNG

ĐỀ TÀI: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG UTMS

SINH VIÊN: LÊ THANH TÙNG

VŨ VĂN VÕ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày này thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,6 tỷ tính đến cuối năm 2008 Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người

đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera,MP3 và PDA Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày các trở nên phổ biến này, nhu cầu 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết.ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba với tên gọi IMT-2000 để đạt được các mục tiêu chính sau đây:

Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập internet nhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ này

Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện nay Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã được

đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và CDMA-2000 đ ã

đ ư ợ c I T U c h ấ p thuận và đã được đưa vào hoạt động 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 động thế hệ ba

Để phục vụ việc học tập môn thông tin di động nhóm em nhận đề tài nghiên cứu về giao diện vô tuyến của hệ thống UTMS Bài bào cáo của em gồm các phần chính:

◊ 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 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

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

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)

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư

Việc triển khai tại một số nước đã chỉ ra một vài vấn đề mà 3G chưa giải quyết được hoặc mới chỉ giải quyết được một phần là: Sự khó khăn trong việc tăng liên tục băng thông và tốc độ dữ liệu để thỏa mãn nhu cầu ngày càng đa dạng các dịch vụ đa phương tiện, các dịch vụ khác nhau với nhu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS)

và băng thông khác nhau

- 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

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

- 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

(InternationalTelecommunication 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

1.2.3.1 Thiết bị người sử dụng

Thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment): Thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống

1.2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến

Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN:UMTSTerestrialRadioAccess 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 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 của 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

Hình 1.4 Vùng phủ sóng của UMTS

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

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

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 (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:

- Các địa chỉ PDP Số liệu về vị trí: Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến

MSC

MSC (Mobile Switching Center) thực hiện chức năng kết nối chuyển mạch kênh giữa thiết bị đầu cuối và mạng Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê baoo trong vùng quản lý của mình Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều chức năng hơn Các kết nối chuyển mạch kênh được thực hiện trên giao diện chuyển mạch kênh giữa UTRAN và MSC Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC

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

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

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 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 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

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 T-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

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

1.4.3 Phát hành 3GR3: Kiến trúc RAN thống nhất

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

CHƯƠNG 2 - CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HỆ

là đơn vị số liệu gốc cần xử lý nhận được từ lớp

MAC(MediumAccess 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 thừa không cần thiết Mật mã hóa để ngăn sự xâm nhập và can thiệp vào luồng thông tin Mã hóa kênh nhằm

giảm yêu cầu đối với độ rộng băng tần và trả giá bằng tỉ số tín hiệu trên tạp âm và xác suất lỗi Số liệu sau đan xen được bổ sung thêm các bit điều khiển công suất phát TPC (Transmit Power

Control), được sắp xếp lên các nhánh I và Q của QPSK và được trải phổ hai lớp (trải phổ và ngẫu nhiên hóa) Chuỗi chip sau ngẫu nhiên hóa được giới hạn trong băng tần 5 MHz bằng bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai (hệ số dốc 0,22) và được biến đổi thành tương tự bằng bộ biến đổi D/A để đưa lên điều chế vuông góc cho sóng mang Tín hiệu trung tần (IF) sau điều chế được biến đổi nâng tần vào sóng vô tuyến (RF) trong băng tần 2 GHz, sau đó được đưa lên khuếch đại trước khi chuyển đến anten để phát vào không gian

Máy thu

Tại phía thu, tín hiệu thu được khuếch đại bằng bộ khuếch đại tạp

âm nhỏ, sau đó được đưa vào tầng trung tần (IF) thu rồi được khuếch

đại tuyến tính bởi bộ khuếch đại AGC Sau khuếch đại AGC, tín hiệu được giải điều chế để được các thành phần I và Q Các tín hiệu tương tự của các thành phần này được biến đổi thành số tại

bộ biến đổi A/D sau đó tín hiệu qua bộ lọc Nyquist coin tăng căn hai

và được phân chia theo thời gian vào một số thành phần đường

truyền có các thời gian trễ truyền sóng khác nhau Sau giải trải phổ cho các thành phần này, chúng được kết hợp lại bởi bộ kết hợp máy thu RAKE, tín hiệu tổng được giải đan xen, giải mã kênh, được phân thành các khối truyền tải TB và được phát hiện lỗi Cuối cùng chúng được đưa đến lớp cao hơn

Trong hệ thống thông tin di động, các bước xử lý số và tín hiệu sau đây được thực hiện:

2.2 MÃ HÓA KIỂM SOÁT LỖI

Có hai phương pháp để sửa lỗi là: Mã hóa kênh (Sửa lỗi thuận - FEC) và yêu cầu phát lại tự động (ARQ) Trong hệ thống WCDMA sử dụng phương pháp mã hóa kênh (FEC) do có băng thông rộng nhờ quá trình trải phổ tín hiệu bằng các mã ngẫu nhiên, việc sử dụng này có thể làm tăng thêm độ lợi xử lý (so với độ lợi xử lý sau khi trải phổ)

Có ba loại mã kiểm soát lỗi được sử dụng trong WCDMA là:

- Mã khối tuyến tính hay cụ thể là mã vòng

2.2.1 Mã vòng

Mã vòng cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC: Cyclic

Redundancy Cheek) hay chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính Bộ mã hóa được đặc trưng bằng đa thức tạo mã Cứ k bit đầu vào thì bộ tạo mã sẽ cho

ra một từ mã n bit, trong đó n-k bit là các bit CRC được bổ sung vào

k bit đầu vào Tỉ số r=k/n được gọi là tỉ lệ mã với r=n-k là số bit đưa thêm vào bộ mã hóa cùng với số bit được truyền Do n bit ra chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin đầu vào, bộ tạo mã không cần nhớ và

có thể được thể hiện bằng mạch logic tổ hợp

Ở mã này, từ mã được rút ra từ hai đa thức:

+ Đa thức tạo mã g(x) hay còn được gọi là đa thức sinh có bậc r + Đa thức bản tin u(x)

Từ mã này được án như sau:

Trong hệ thống WCDMA, các đa thức sinh có thể được sử dụng là: