Một số cụng nghệnhư vậy đó được đưa vào ứng dụng với cỏc thụng số tiờu chuẩn đó được thụng qua trêncác băng tần đã phõn bổ, như cơ chế truyền dẫn song cụng phõn chia theo thời gianTDD ph
Trang 1159 http://www.ebook.edu.vn
Chươn
g 5 Viễn cảnh công nghệ của các
hệ thống thông tin di
động W-CDMA
5.1 Tổng
quan
Như đó thảo luận trong cỏc chương trước, Hệ thống Viễn thụng di động quốc tế
2000 (IMT-2000) đang hoạt động và phỏt triển sau những nghiờn cứu về hệ thốngthụng tin di động tương lai từ năm 1985 IMT-2000 dự kiến sẽ phỏt triển hơn nữa, trởthành một hệ thống đa dạng và tiờn tiến nhằm đỏp ứng nhu cầu và tính cấp thiết ngàycàng tăng Những cố gắng để hệ thống IMT-2000 trở nờn hoàn thiện hơn đang đượcITU và nhiều tổ chức khỏc tiếp tục thực hiện Một tổ chức trực thuộc Bộ phận chuẩn
hoỏ viễn thụng trong liờn minh viễn thụng quốc tế (ITU–T), cú tờn là IMT-SSG (Nhúm
nghiờn cứu đặc biệt) đó bắt đầu nghiờn cứu về những viễn cảnh của IMT-2000 Trong
ITU-R, Nhúm nghiờn cứu (WP) 8F đang tiến hành những nghiờn cứu phỏt triển và hoàn thiện IMT-2000 sau khi Nhúm nhiệm vụ (TG) 8/1 hoàn thành nhiệm vụ của mỡnh.
Dự ỏn Đối tỏc Thế hệ 3 (3GPP) đang thực hiện nghiờn cứu phiên bản 4/5 với mục tiờu
đạt được sự hội tụ với những công nghệ của giao thức Internet (IP) và cung cấp cỏcdịch vụ đa phương tiện IP, các kết quả nghiên cứu đã được áp dụng để xõy dựng phiênbản Release99- phiờn bản đầu tiờn của Đặc tả IMT-2000
Đặc biệt, cỏc cụng nghệ hướng tới thụng tin gúi nhanh hơn và cú chất lượng caohơn với thụng tin IP sẽ thu hỳt sự quan tõm trong nhiều lĩnh vực Một số cụng nghệnhư vậy đó được đưa vào ứng dụng với cỏc thụng số tiờu chuẩn đó được thụng qua trêncác băng tần đã phõn bổ, như cơ chế truyền dẫn song cụng phõn chia theo thời gian(TDD) phự hợp cho lưu lượng khụng đối xứng Mặt khỏc, cỏc tổ chức cũng nỗ lựcnõng cao cỏc đặc tớnh và chất lượng của IMT-2000, bao gồm cỏc cụng nghệ truyền dẫn
vụ tuyến dành cho truyền dẫn gúi tốc độ cao, cỏc cụng nghệ mạng định hướng IP, cỏccụng nghệ xử lý tớn hiệu liờn quan đến CODEC õm thanh/ thoại cú độ phõn giải cao vàtruyền dẫn gúi
Chương này sẽ xem xột một số cụng nghệ tương lai hiện đang được nghiờn cứu
Trang 2160 http://www.ebook.edu.vnnhằm giúp cho IMT-2000 phát triển hơn nữa.
Trang 3Hình 5.1 so sánh nguyên lý của CDMA TDD víi FDD Trong khi FDD phânchia các kênh hướng lên (®−êng lªn) và hướng xuống (®−êng xuèng) theo tần số th×TDD phân chia mỗi khung (10 miligiây) thành 15 khe trên trục thời gian và phân bổmỗi kênh hướng lên và hướng xuống theo mỗi khe thêi gian FDD và TDD giống nhau
ở chỗ các kênh được mã ho¸ bằng các mã trải phổ Do đó, TDD có các đặc tính sau:
1 FDD cần một cặp băng tần cho hướng lên và hướng xuống Ngược lại,TDD có thể được sö dụng víi c¸c băng tần không theo cÆp, có nghĩa là điềukiện cho việc sử dụng các băng tần sẽ linh hoạt hơn
2 Do các khe thời gian có thể được phân bổ tự do cho hướng lên và hướngxuống nên hiệu quả truyền có thể được đảm bảo khi lượng thông tin ởhướng lên không cân bằng với lượng thông tin ở hướng xuống
3 FDD có thể hoạt động với các trạm gốc không đồng bộ TDD đòi hỏi sựđồng bộ gi÷a c¸c trạm gốc để tránh nhiễu
4 FDD có thể nén công suất phát ở mức thấp do việc phát liên tục Ng−îc l¹i,TDD có công suất phát đỉnh cao do phát theo côm tin ( ph¸t tøc thêi) Thờigian trễ truyền dẫn cũng không được vượt quá kho¶ng thêi gian b¶o vÖ giữacác khe, điều này khiến cho việc phủ sóng cho cả một vùng rộng gặp nhiềukhó khăn
5 Các đặc tả tiêu chuẩn của CDMA TDD và W-CDMA (FDD) cña 3GPP córất nhiều điểm chung (Lớp 2 và các lớp cao hơn hoàn toàn giống nhau, Lớp
Trang 4H×nh 5.1 Nguyªn lý cña CDMA FDD vµ TDD
Nhờ những đặc tính này, TDD phù hợp với hệ thống hỗ trợ thông tin dữ liệutrong một khu vực hẹp hơn là với một hệ thống thông tin tế bào có phạm vi bao phủmét quèc gia Do có nhiều điểm chung với W-CDMA, TDD có thể được sử dụngtrong một hệ thống kÐp cùng với W-CDMA có cấu hình hệ thống bổ sung cho W-CDMA
1 Khe
1 Khe
Kho¶ng b¶o vÖ (96 chip) TÝn hiÖu gi÷a khe (512 chip)
H×nh 5.2 VÝ dô vÒ cÊu tróc khung cña IMT-2000 CDMA TDD
Hình 5.2 mô tả ví dụ về cấu trúc khung CDMA TDD theo 3GPP Mỗi khung
được chia thành 15 khe thời gian và một tín hiệu gi÷a khe được chèn vào giữa mỗi khe
Trang 5để đồng bộ và giải điều chế Cú ớt nhất 1 khe được gỏn với một kờnh hướng xuống baogồm Kờnh đồng bộ (SCH) và Kờnh điều khiển chung (CCCH) Cỏc khe khỏc cú thểđược gỏn cho hướng lờn hoặc hướng xuống.
Bảng 5.1 mụ tả cỏc thụng số cơ bản của CDMA TDD theo 3GPP Hướng lờn sửdụng cỏc hệ số trải phổ khỏc nhau để nộn hệ số đỉnh của cỏc tớn hiệu phỏt, trong khihướng xuống sử dụng truyền dẫn đa mó vỡ nú cho phộp đơn giản hoỏ quỏ trỡnh nhận
Để đạt được tốc độ dữ liệu khoảng 8 kbit/giõy với 1 khe và một mó, SF khụng đượclớn hơn 16 Tốc độ chip, cấu trỳc khung, phương pháp hiệu chỉnh lỗi hướng đi (FEC),
mó hoỏ thoại, v.v… giống với W-CDMA
Bảng 5.1 Cỏc thụng số cơ bản của IMT-2000 CDMA TDD
Khe thời gian 15 khe/ khung
Hướng lờn: (1), 2, 4, 8,16
Hệ số trải phổ Hướng xuống: (1), 16
Độ d i tín hiệu gài tín hiệu g iữa khe 512, 256 chip
Sửa lỗi hướng đi Kết hợp cỏc mó turbo và mó xoắn
Bộ mó hoỏ/giải mó thoại AMR
* Chỳ thớch: AMR= đa tốc độ thớch ứng
CDMA TDD cú thể sử dụng cỏc cụng nghệ truyền dẫn vụ tuyến độc nhất bằngcỏch khai thỏc SF nhỏ và sử dụng cựng tần số cho hướng lờn và hướng xuống Dướiđõy là cỏc cụng nghệ chớnh của CDMA TDD
5.2.1.1 Các kỹ thuật chống nhiễu
Trong CDMA TDD việc thực hiện cỏc kỹ thuật chống nhiễu trờn điện thoại diđộng tương đối dễ dàng do SF nhỏ Trong khi 3GPP thiết lập một cấu trỳc khe sử dụngviệc tỏch dũ điểm ghộp (joint detection) để chống nhiễu, ngoài ra, thiết bị khử đahướng (multi-path canceller) cũng được coi là một hứa hẹn để chống nhiễu hướngxuống
Trang 65.2.1.2 Điều khiển công suất phát theo vòng mở (TPC)
Trong FDD, quá trình TPC theo vũng kín thực hiện điều khiển cụng suất phỏt củacỏc trạm di động (MS) dựa trên các lệnh từ trạm gốc là rất quan trọng đối với các MS,
vỡ cỏc đường truyền giữa hướng lờn và hướng xuống là khỏc nhau do chúng sử dụngcỏc tần số khỏc nhau Trong TDD, điện thoại di động cú thể sử dụng TPC theo vũng
mở, trong đó việc quyết định cụng suất phát hướng lờn dựa trờn cụng suất thu hướngxuống, do TDD sử dụng chung một tần số ở cả hai hướng truyền, dẫn đến suy haotruyền lan sóng ở trên hai hướng truyền là giống nhau TPC vũng mở cú thể điều khiểnmức thu của cỏc tớn hiệu hướng lờn nhưng khụng thể ước tớnh chất lượng tớn hiệu theoSIR, tỷ lệ lỗi bit (BER) v.v… Do đó, TDD cũng phụ thuộc vào các kỹ thuật thu, cỏc cơchế như điều khiển vũng ngoài v.v… giống như trong trường hợp FDD
5.2.2 Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSPDA)
HSDPA đang được nghiờn cứu như một phương thức truyền dẫn gúi nhanh hơncho IMT-2000 nhằm cung cấp tốc độ đỉnh đường xuống nhanh hơn, trễ truyền dẫn nhỏhơn và thụng lượng cao hơn Dưới đõy là cỏc đặc điểm kỹ thuật chớnh của HSPDA
5.2.2.1 Cấu trúc kênh
Về cơ bản, một kờnh vật lý được sử dụng chung bởi nhiều điện thoại di dộng bằngcỏch phõn chia theo thời gian, như trong trường hợp kờnh vật lý chung đường xuống(PDSCH) Hàng loạt thuật toỏn cú thể được xột khi quyết định thuê bao di động màthụng tin cần truyền tới tại một thời điểm nhất định: đó cú thể là thuê bao di động yờucầu tốc độ truyền dẫn cao nhất dựa trờn phương pháp mó hoỏ và điều chế tương thớch(AMC) được mụ tả trong phần sau hoặc cú thể là bất cứ thuê bao nào được quyết địnhkhi xột bình đẳng giữa cỏc thuê bao
5.2.2.2 M∙ hoá và điều chế tương thích (AMC)
AMC là một phương thức truyền dẫn làm thay đổi phương thức điều chế và tốc
độ FEC một cỏch nhanh chúng và tương thớch theo sự biến đổi của mụi trường truyềnlan sóng Trong mụi trường truyền lan sóng thuận tiện, một phương thức điều chếnhanh hơn được ỏp dụng và tốc độ FEC được tăng lờn để làm tăng tốc độ truyền Đặcbiệt, điện thoại di động (hoặc BS) sẽ đo trạng thỏi đường truyền xuống của mỗi MS
Trang 7đang được xem xột giữa ẳ và ắ Hỡnh 5.3 minh hoạ vớ dụ về hoạt động của AMC, chothấy AMC được sử dụng như thế nào khi tin tức được truyền tới hai điện thoại di độngcựng lỳc.
Trong trường hợp điều khiển công suất phát (TPC) nhanh, tốc độ truyền dẫn cầnphải được kiểm soỏt thường xuyờn để thích ứng với những thay đổi trong mụi trườngtruyền lan Việc kiểm soỏt tốc độ truyền dẫn theo những khoảng thời gian định kỳđang được nghiên cứu vỡ độ chớnh xỏc của phép đo mụi trường truyền lan do điện thoại
di động hoặc BS thực hiện cú ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của cơ chế truyền dẫn
Cao
Máy di động 1
Máy di động 2
Cao
Khoảng xen kẽ Truyền số liệu tới máy di động 1Thời gian
Truyền số liệu tới máy di động 2
Hình 5.3 Ví dụ về ứng dụng AMC
5.2.2.3 Yêu cầu lặp tự động hỗn hợp (H-ARQ)
Cỏc nghiờn cứu về ứng dụng yờu cầu lặp tự động hỗn hợp (H-ARQ; xem phần
2.2.4.1) -một cơ chế truyền dẫn kết hợp ARQ với quỏ trỡnh FEC- đang được tiến hành
Trang 8mạnh mẽ Nỳt đầu cuối tiềm năng trờn Mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất UMTS(UTRAN) dành cho H-ARQ là nỳt B hoặc Bộ điều khiển mạng vụ tuyến (RNC) Tuynhiờn, khi xột đến tỏc động tới chất lượng truyền dẫn và dung lượng bộ nhớ của điệnthoại di động, cỏc nghiờn cứu đang thiờn về Nỳt B là nỳt đầu cuối do khả năng rỳtngắn độ trễ truyền dẫn.
5.3 Viễn cảnh về các công
nghệ mạng
5.3.1 Thông tin gói IP trong các mạng thông tin di động
Cả hai cụng nghệ chuyển mạch kờnh và chuyển mạch gúi được mạng di độnghiện tại hỗ trợ đều dựa trờn quá trình điều khiển di động được thực hiện với sự thamchiếu tới cựng một số điện thoại đầu cuối di động và các cụng nghệ định tuyến Theo
đó, thụng tin gúi chỉ đúng vai trũ như một phương tiện truy nhập internet, phối hợpmạng cục bộ (LAN) với cỏc mạng IP bờn ngoài khỏc bằng cỏch tạo đường truyền gúibên trong mạng chứ khụng định tuyến trực tiếp cỏc gúi IP của người sử dụng (hỡnh5.4)
Mạng di động
Đường hầm (thông suốt) Giao thức
thông suốt
Giao thức
định tuyến
Giao thức thông suốt
Giao thức
định tuyến
Tích hợp LAN/Internet
Hình 5.4 Thông tin gói di động trong IMT-2000
Tuy nhiờn, gần đõy, thụng tin IP đang ngày càng chiếm ưu thế về lưu lượng Vỡvậy, định tuyến trực tiếp và điều khiển sự lưu động của cỏc gúi IP là một biện phỏphiệu quả để đạt được một phương thức truyền tải cú mức tương quan cao với hệ thốngthụng tin IP và phự hợp để điều phối và cung cấp cỏc ứng dụng IP khỏc nhau trong cỏcmạng di động Bằng cỏch hiệu chỉnh cơ chế truyền tải cơ bản cho phự hợp với Internet,
Trang 9cỏc cụng nghệ IP đang đạt được những tiến bộ nhanh chúng, nõng cao khả năng tạo racỏc dịch vụ mới kết hợp với Internet Do đó, một mạng trờn cơ sở cỏc chức năng vàmục đớch dưới đõy đang được nỗ lực xõy dựng, nhằm tớch hợp tất cả cỏc loại hìnhthụng tin bao gồm thoại với IP và nhanh chúng triển khai, cung cấp nhiều loại hìnhdịch vụ.
1 Giả thiết rằng trong tương lai, sau những tiến bộ trong thụng tin IP, tất cả cỏcthiết bị đầu cuối sẽ là thiết bị đầu cuối IP, lúc đó mạng phải cú cỏc chức năng đểthực hiện định tuyến và điều khiển lưu động trực tiếp theo địa chỉ IP của người
sử dụng
2 Cỏc chức năng truyền tải và chuyển mạch dựa trờn phần cứng nhằm đạt đượccụng suất lớn hơn và tốc độ nhanh hơn cần phải được tỏch biệt với cỏc chứcnăng điều khiển dựa trờn phần mềm với mục đớch đa dạng và linh hoạt Vớichức năng nh− vậy, thiết bị cú thể được phõn tỏn và phõn bổ thớch hợp theo khảnăng của mỗi loại và cỏc chức năng mở rộng, bổ sung chỉ đ−ợc cung cấp chothiết bị khi cần
3 Với yêu cầu cung cấp nhiều dịch vụ khỏc nhau trong tương lai, việc cung cấp vàtriển khai cỏc dịch vụ nhanh chúng là rất quan trọng Để thực hiện được điềunày, giao diện ứng dụng mở (API mở) cần phải được ỏp dụng
2 Thiết lập một cơ chế điều khiển di động IP dựa trờn cỏc địa chỉ IP khụngcần sử dụng số thuờ bao điện thoại di động
3 Thực hiện kiểm soỏt chất lượng dịch vụ từ điểm cuối tới điểm cuối (QoS)
và thụng tin thời gian thực bao gồm thoại và video trờn cơ sở cỏc cụng nghệứng dụng đú
Trang 104 Thiết lập một cơ chế bỏo hiệu qua IP cho điều khiển kết nối Thoại qua IP(VoIP), v.v…
5 Nghiờn cứu biện phỏp ỏp dụng một kiến trỳc tỏch biệt hệ thống điều khiển
ra khỏi hệ thống chung và kiểm tra hiệu quả của sự tỏch biệt
6 ứng dụng API mở đối với hệ thống điều khiển và nghiờn cứu cỏc dịch vụ đaphương tiện IP kết hợp với Internet dựa trờn ứng dụng đú
Phần dưới đõy sẽ đề cập đến cỏc cụng nghệ di động IP đó nhắc đến ở điểm 2,cụng nghệ VoIP ở điểm 3 và 4, và API mở ở điểm 5 và 6
5.3.2.1 Công nghệ di động IP
Cỏc mạng thụng tin gúi di động hiện tại thực hiện điều khiển di động trờn cơ sởcỏc số điện thoại di động sử dụng thanh ghi định vị (LR) giống như trong mạngchuyển mạch kờnh Núi cỏch khỏc, sự di chuyển của MS được theo dừi và ghi vào LR
và địa chỉ IP của cỏc cuộc gọi đến từ những mạng IP bờn ngoài được chuyển đổi thành
số điện thoại tại gateway, sau đú được chuyển tiếp tới vị trớ được nhận dạng bởi LR.Ngược lại, một mạng dựa trờn IP sẽ yờu cầu cỏc chức năng điều khiển di động sử dụngđịa chỉ IP
Một biện phỏp để thực hiện di động IP là sử dụng IP động đang được tổ chức kỹ
thuật Internet (IETF) tán thành Tuy nhiờn, IP động được dự kiến sẽ hiện thực hoỏ tớnh
động của cỏc địa chỉ IP ( các địa chỉ IP động ) và thực hiện điều khiển di động mộtcỏch phõn tỏn Do việc điều khiển di động nhanh phải được đảm bảo khi ứng dụng chomột mạng di động trong thời điểm chuyển giao nên việc thiết lập một cơ chế di động
IP phự hợp với cỏc mạng di động, tích hợp nhiều chức năng là rất cần thiết
5.3.2.2 Thooại qua IP (VoIP)
Sự tiến bộ trong các hệ thống thụng tin IP đó làm gia tăng nhu cầu phải hỗ trợkhụng chỉ dữ liệu mỏy tớnh mà cũn cả thoại, video và cỏc loại hình thông tin thời gianthực khỏc xuất phát từ cỏc mạng điện thoại và các hệ thống thông tin quảng bá (phátthanh, truyền hình) Kiểm soỏt QoS là một cụng nghệ giỳp thực hiện được điều này vàcỏc cụng nghệ nổi bật bao gồm các dịch vụ tớch hợp (Intserv) và các dịch vụ khỏc biệt(Diffserv) Cần phải kiểm tra xem liệu các loại hình thông tin thời gian thực cú thểhoạt động hiệu quả trong cỏc mạng thụng tin di động qui mụ lớn hay khụng và liệuchỳng cú thể đảm bảo thụng tin tin cậy kể cả trong trường hợp nghẽn mạch và cỏc điềukiện khụng bỡnh thường khỏc hay khụng Một trở ngại quan trọng cần giải quyết là
Trang 11phải xõy dựng kỹ thuật QoS cho phộp thụng tin IP truyền qua hệ thống chuyển mạchkờnh vẫn được sử dụng cho thông tin thoại truyền thống.
Để thực hiện được VoIP, cần phải cú một cơ chế bỏo hiệu cho phộp trao đổi dunglượng giữa các thiết bị đầu cuối và mạng và kiểm tra sự kết nối an toàn với QoS đảmbảo Cỏc giao thức giỳp đạt được điều này bao gồm H.323 và Giao thức khởi tạo phiờn
làm việc (SIP) Hiện tại 3GPP thực hiện cỏc nghiờn cứu theo hướng sử dụng SIP.
5.3.3 Triển khai và cấu hình mạng IP hoá hoàn toàn
Hỡnh 5.5 cho thấy kiến trỳc một mạng IP hoỏ hoàn toàn theo qui định trongR4/R5 của 3GPP Mặc dự R4/R5 cố gắng thực hiện toàn bộ các chức năng truyền dẫnqua truyền tải IP nhưng phạm vi CS và PS vẫn được tỏch riờng và hệ thống chuyểnmạch gúi vẫn dựa trờn Dịch vụ vụ tuyến gúi chung (GPRS) Chức năng di động của núvẫn dựa trờn cơ chế điều khiển di động hiện tại và vẫn cũn nhiều vấn đề cần đượcnghiờn cứu liờn quan đến sự ra đời của di động IP chẳng hạn như IP động Một trongnhững đặc tớnh đỏng chỳ ý nhất là cơ chế cung cấp dịch vụ đa phương tiện IP phối hợp
với Internet gọi là Phõn hệ đa phương tiện IP (IMS).
Các ứng dụng
và dịch vụ
Mạng báo hiệu hiện tại
Các PLMN khác Mạng IP đa
phương tiện
Miền PS
Mạng di động mặt đất công cộng
Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng
Mạng bên ngoài/
mạng PSTN
Các ứng dụng
và dịch vụ
Hình 5.5 Kiến trúc mạng IP hoá hoàn toàn theo 3 GPP ( chuẩn R4/5)
Hỡnh 5.6 minh hoạ một ví dụ về cấu hỡnh của một mạng định tuyến IP hoỏ hoàntoàn, kết hợp cỏc cụng nghệ IP đó được giải thớch ở trờn Cổng phương tiện (MG) cung
