quá trình phát triển lên 3g và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 wcdma

Gaussian Minimum Shift KeyingGeneral Packet Radio ServicesGlobal Position System Global Mobile Suppliers Acsociation Global System for Mobile Communications Hierarchical Cell StructureHi

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =

Mục Lục .19

2.2 Các yếu tố cần chuyển đổi từ 2G lên 3G 19

3.1.1 Những yêu cầu chung 42

3.1.2 Các tiêu chuẩn xây dựng IMT-2000 42

3.2.1 Nguyên lý trải phổ CDMA 44

3.2.2 Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ 45

45

3.2.3 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA 46

3.3 Hệ thống WCDMA 48

3.3.1 Các mã trải phổ 48

3.3.2 Phương thức song công 51

51

3.3.3 Dung lượng mạng 52

3.3.4 Phân tập đa đường – Bộ thu RAKE 52

3.3.5 Trạng thái cell 53

3.3.6 Cấu trúc Cell 54

3.4 Giới thiệu về kiến trúc mạng 3G 55

3.4.1 Giới thiệu chung 55

3.4.2 Cấu trúc hệ thống UMTS 59

3.4.2.1 Thiết bị đầu cuối mạng UE 59

3.4.2.2 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 60

3.4.2.3 Mạng lõi (CN) 64

3.4.3 Các giao diện của hệ thống UMTS 65

3.4.4 Phân loại dịch vụ và ứng dụng 67

3.4.5 Cấu trúc kênh 73

3.4.6 Vấn đề chuyển giao 75

3.4.6.1 Mục đích của chuyển giao 75

3.4.6.2 Trình tự chuyển giao 76

3.4.6.3 Các loại chuyển giao 78

3.4.7 Điều khiển công suất 82

3.4.7.1 Điều khiển công suất vòng mơ 83

3.4.7.2 Điều khiển công suất vòng kín 83

3.4.7.3 Các trường hợp điều khiển công suất đặc biệt 85

3.5 So sánh hệ thống UMTS với hệ thống GSM 2G và CDMA 2000 87

3.6 Xu hướng phát triển và các yếu tố thúc đẩy 4G 90

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA

=================================================

=

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =

Danh sách các hình vẽ Hình 1.1: Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động 15

Hình 1.2: Các công nghệ đa truy nhập 16

18

18

Hình 2.1: Quá trình phát triển từ 2G lên 3G 18

Hình 2.2: Qúa trình phát triển từ GSM lên 3G 19

20

Hình 2.3: Các yếu tố cần chuyển đổi từ 2G lên 3G 20

Hình 2.4: Cấu trúc mạng GSM 22

Hình 2.5: Các luồng số liệu kết hợp ơ IWF 24

24

Hình 2.6: Cấu trúc hệ thống HSCSD 24

Hình 2.7: Cấu trúc mạng GPRS 27

Hình 2.8: Nhập mạng GPRS 35

Hình 2.9 Nhập mạng GPRS/ GSM kết hợp 38

Hình 2.10 : Cấu hình hệ thống WAP 41

Hình 3.1: Mô hình mạng IMT-2000 44

Hình 3.2: Quá trình trải phổ và giải trải phổ 46

Hình 3.3: Trải phổ CDMA 46

Hình 3.4: Công nghệ đa truy nhập CDMA 47

Hình 3.5: Nguyên lý đa truy nhập trải phổ 48

Hình 3.6: Quá trình trải phổ và trộn 48

Hình 3.7: Cây mã định kênh 49

51

Hình 3.8: Phổ tần số cho hệ thống 3G 51

Hình 3.9: Truyền sóng đa đường 52

Hình 3.11: Cấu trúc cell UMTS 55

Hình 3.12: Kiến trúc cơ bản hệ thống UMTS 55

Hình 3.13: Cấu trúc quản lý tài nguyên 56

Hình 3.14: Cấu trúc dịch vụ 57

Hình 3.15: Kiến trúc UTRAN 60

Hình 3.16: Cấu trúc logic nút B 61

Hình 3.17: Cấu trúc RNC 62

Hình 3.18: Cấu trúc mạng lõi CN 64

Hình 3.19: Giao diện Iu kết nối UTRAN với CN 67

Hình 3.20: Kiến trúc các dịch vụ mang UMTS 71

Hình 3.21: Sơ đồ ánh xạ giữa các kênh 75

Hình 3.22: Tiến trình thực hiện chuyển giao 76

Hình 3.23: Nguyên tắc chung của thuật toán chuyển giao 77

Hình 3.24 Chuyển giao cứng cùng tần số 79

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =

Hình 3.25: Chuyển giao cứng khác tần số 80

Hình 3.26: Chuyển giao mềm cùng tần số 81

Hình 3.27: Chuyển giao mềm hơn cùng tần số 81

Hình 3.28: Các cơ chế điều khiển công suất của WCDMA 82

Hình 3.30: Cơ chế điều khiển công suất CLPC 84

Hình 3.31: Điều khiển công suất kết hợp với chuyển giao mềm 85

Hình 3.32: Phân tập lựa chọn trạm 86

Hình 3.33: Mạng lõi IP thống nhất 92

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =

Danh sách các bảng Bảng 1.1: Tiến trình phát triển các hệ thống thông tin di động 14

Bảng 3.1: Tổng kết các dịch vụ ơ IMT-2000 44

Bảng 3.2: Các mã UMTS chính 50

Bảng 3.3 Trình bày các yêu cầu về chất lượng dịch vụ tương ứng với các lớp 69

dịch vụ của 3G 69

Bảng 3.4: So sánh giao diện vô tuyến giữa hệ thống WCDMA và GSM 87

Bảng 3.5: So sánh giao diện vô tuyến giữa hệ thống WCDMA và cdma2000 90

Tiếng Việt

Acquisition Indicator ChannelAdvanced Mobile Phone ServiceAssociation of Radio Industry Business

Asynchronous Transfer ModeAuthentication Center

Broadcast Control ChannelBit Error Rate

Binary Phase Shift KeyingBase Station

Base Station ControllerBroadcast ChannelCustomized Application for Mobile network Enhanced LogicCommon Control ChannelCDMA Development GroupCode Division Multi AccessClosed loop Power ControlCommunication Management

Hệ thống thống tin di động thế hệ 2

Hệ thống thống tin di động thế hệ thứ 3

Dự án hội nhập thế hệ 3

Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ hai

Diễn đàn công nghiệp thông tin Úc

Kênh chỉ thị bắtDịch vụ điện thoại di động tiên tiếnLiên hiệp kinh doanh công nghệ vôtuyến

Phương thức truyền không đồng bộTrung tâm nhận thực

Kênh điều khiển quảng

Tỷ lệ lỗi bitĐiều chế dịch pha nhị phânTrạm gốc

Bộ điều khiển trạm gốcKênh quảng bá

Ứng dụng tùy chọn cho logic nâng cao của mạng di động

Kênh điều khiển chungNhóm phát triển công nghệ CDMA

Đa truy nhập phân chia theo mãĐiều khiển công suất vòng kínQuản lý thông tin

Circuit-SwitchedCall Server Control Function

China Wireless Telecommunications Standard Group

Common Packet ChannelCommon Pilot Channel Common Traffic ChannelCPCH Status Indication ChannelCollision Detection/Channel Assignment Indication ChannelDedicated Transport Channel Drift RNC

Downlink Shared ChannelDirect Sequence

Dedicated Physical Data ChannelDedicated Physical Control Channel

Downlink Shared Channel Dedicated Control Channel Dedicated Traffic Channel Enhanced Circuit-switched DataEnhanced Data Rates for GSM Evolution

Equipment Identify RegisterEuropean Telecommunications Standard Institute

Frequency Division Duplex

Mạng lõiĐiều khiển thông tin

Bộ điều khiển mạng truy nhập vô tuyến điều khiển

Chuyển mạch kênhChức năng điều khiển phục vụ cuộc gọi

Nhóm tiêu chuẩn viễn thông vô tuyến của Trung Quốc

Kênh gói chung Kênh hoa tiêu chungKênh lưu lượng chungKênh chỉ thị trạng thái kênh CPCHKênh chỉ thị gán kênh/phát hiện va chạm

Kênh truyền tải dùng chungRNC trôi

Kênh dùng chung đường xuốngChuỗi trải phổ trực tiếp

Kênh số liệu vật lý dùng chungKênh điều khiển vật lý dùng chung

Kênh chia sẻ đường xuốngKênh điều khiển dùng chungKênh lưu lượng dùng chung

Dữ liệu chuyển mạch nâng caoCải thiện tốc độ số liệu cho phát triển GSM

Bộ ghi nhận dạng thiết bịViện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu

Ghép song công phân chia theo tần

Gaussian Minimum Shift Keying

General Packet Radio ServicesGlobal Position System

Global Mobile Suppliers Acsociation

Global System for Mobile Communications

Hierarchical Cell StructureHigh Data Rate

High Speed Switched Data

IdentifierInternet Engineering Task Forum

IP Multimedia SubsystemInternational Mobile Subcriber Identity

International Mobile Telecommunications-2000Internet Protocol

Interim Standard-95

ITU Telecommunication Standardisation SectorInterWorking FunctionMedium Access Control

số

Đa truy nhập phân chia tần số

Tỷ lệ lỗi khungKênh truy nhập đường xuốngNút mạng hỗ trợ GPRS cổngMSC cổng

Điều chế dịch pha cực tiểu Gaussian

Dịch vụ vô tuyến gói chung

Hệ thống định vị toàn cầuHiệp hội những nhà cung cấp thiết

Phân hệ đa phương tiện IPChỉ thị thuê bao di động quốc tế

Viễn thông di dộng quốc tế 2000 Giao thức Internet

Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA của Mỹ

Bộ phận tiêu chuẩn hóa về viễn thông của ITU

Chức năng kết nối mạngĐiều khiển truy nhập môi trường

Mobile Execution EnvironmentMedia Gateway

Multipurpose Internet Mail Extension

Mobile ManagementMobility ControlMedia Resource FunctionMobile Station

Mobile Switching Service Center

Mobile Wireless Internet Forum

Network Evaluated HandoverNordic Mobile Telephone system

ODMA Common Control Channel

Orthorgonal Frequency Division Multiplexing

Operator Harmonisation Group

Open loop power controlOpen Service AccessOrthorgonal Variable Spreading Factor

Paging Control ChannelProject Co-ordination Group

Phần ứng dụng di độngCDMA đa sóng mang

Thiết bị di độngChuyển giao quyết định bơi máy diđộng

Môi trường thực hiện di độngCổng media

Mơ rộng đa mục đích cho Internet Mail

Quản lý di động Điều khiển di độngChức năng nguồn mediaTrạm di động

Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động

Diễn đàn Internet không dây di động

Chuyển giao quyết định bơi mạng

Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu

Kênh điều khiển chung cho ODMA

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

Nhóm phối hợp các nhà vận hành mạng

Điều khiển công suất vòng mơCấu trúc dịch vụ mơ

Hệ số trải phổ khả biến trực giao

Kênh điều khiển nhắn gọiNhóm phối hợp dự án

Personal Digital CellularPacket Data ProtocolPublic Land Mobile NetworkPhase Shift Keying

Public Switched Telephone Network

Packet-switchedPublic Switched Telephone Network

Primary Common Control PhysicalChannel

Physical Downlink Shared Channel

Physical Common Packet Channel Paging Indication Channel

Paging Control Channel Quality of ServiceQuadrature Phase Shift KeyingRadio Access Bearer

Random Access ChannelRadio Access NetworkRAN Application PartRadio bearer

Radio Network ControllerRadio Network SubsystemRadio Network Subsystem Application Part

Radio Resource controlRadio Resource Management

Kênh nhắn gọi

Hệ thống thông tin cá nhânKênh truy nhập ngẫu nhiên đường xuống

Hệ thống tổ ong số cá nhân Giao thức số liệu gói

Mạng di động mặt đất công cộng Khóa dịch pha

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

Chuyển mạch góiMạng điện thoại chuyển mạch công cộng

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

Kênh chia sẻ vật lý đường xuống

Kênh gói chung vật lýKênh chỉ thị nhắn gọiKênh điều khiển nhắn gọiChất lượng dịch vụ

Điều chế dịch pha cầu phươngKênh mang truy nhập vô tuyếnKênh truy nhập ngẫu nhiênMạng truy nhập vô tuyếnPhần ứng dụng RANKênh mạng vô tuyến

Bộ điều khiển mạng vô tuyếnPhân hệ mạng vô tuyếnPhần ứng dụng phân hệ mạng vô tuyến

Điều khiển tài nguyên vô tuyếnQuản lý tài nguyên vô tuyến

Serving GPRS Support NodeShared Channel Control Channel

Short Message ServiceSignal-to-Noise RatioServing RNC

Signaling System 7Site Selection Diversity Transmission

Special Study GroupSecondary Common Control Physical Channel

Synchronisation ChannelTotal Access Communications System

Time Division Duplex

Time Division Multi Access

Telecommunications Industry Association

Temporary Mobile Subcriber Identity

Transmit power controlTransceiver

Technical Specifications GroupTelecommunications TechnologiesAssociation

Telecommunication Technology Committee

Traffic Termination Point

Tổ chức phát triển tiêu chuẩn khu vực

Nút mạng hỗ trợ dịch vụ GPRSKênh điều khển phân chia kênh

Dịch vụ tin nhắn

Tỷ số tín hiệu trên nhiễuRNC phục vụ

Hệ thống báo hiệu số 7Truyền dẫn phân tập lựa chọn trạm

Nhóm nghiên cứu đặc tráchKênh vật lý điều khiển chung thứ cấp

Liên đoàn công nghiệp viễn thông

Chỉ thị thuê bao di động tạm thời

Điều khiển công suất phát

Bộ thu phátNhóm các chỉ tiêu kỹ thuậtLiên hiệp các công nghệ viễn thông

Ủy ban công nghệ viễn thông

Điểm kết cuối lưu lượngThiết bị người dùng

Universal Subscriber Identity Module

UMTS Terresrial Radio Access Network

Virtual Home EnvironmentVisitor Location RegisterVoice over IP

Wireless Application ProtocolWideband Code Division Multiple Access

Working Group 8FWorld Administrative Radio Conference

Hệ thống Viễn thông Di dộng Toàncầu

Bộ công cụ ứng dụng SIM toàn cầu

Modul chỉ thị thuê bao toàn cầu

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

Môi trường thường trú ảo

Bộ ghi định vị tạm trúThoại trên nền IPThủ tục ứng dụng vô tuyến

Đa truy nhập băng rộng phân chia theo mã

Nhóm làm việc 8FHội nghị vô tuyến toàn cầu

Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động

1.1 Sự ra đời và phát triển của các hệ thống thông tin di động

Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20

ơ băng tần 2 MHz Sau thế chiến thứ 2 mới xuất hiện thông tin di động điện thoạidân dụng (1939- 1945) với kĩ thuật FM ơ băng 150 MHz Năm 1948, một hệ thốngthông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ơ Richmond – Indian Từ nhữngnăm 60, kênh thông tin di động có dải tần 30 KHz với kĩ thuật FM ơ băng tần 450Mhz đưa ra hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với cuối thế chiến thứ 2

Quan niệm về Cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế cho

mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và anten đặt cao, là những cell códiện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ơ cách nhau đủ xa thì cóthể sử dụng lại tần số Tháng 12.1971 đưa ra hệ thống cellular kĩ thuật tương tự, sửdụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850 MHz Tương ứng là sản phẩm thươngnghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT và MOTOROLAR của Mỹ đề xuất sử dụngvào năm 1983 Đầu những năm 90 thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào baogồm hàng loạt các hệ thống ơ các nước khác nhau như: TACS, NMTS, NAMTS, C,

… Tuy nhiên các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu ngày càng cao củangười sử dụng mà trước hết là về mặt dung lượng Mặt khác các tiêu chuẩn hệthống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng như mongmuốn, việc liên lạc ngoài biên giới là không thể Những vấn đề trên đặt ra cho thế

hệ 2 thông tin di động tế bào phải lựa chọn giải pháp kĩ thuật: kĩ thuật tương tự hay

kĩ thuật số Các tổ chức tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kĩ thuật số

Trước hết kĩ thuật số đảm bảo chất lượng cao hơn trong môi trường nhiễumạnh và khả năng tiềm tàng một dung lượng lớn hơn

Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ 2 có 3 tiêu chuẩn chính: GMS,

IS – 54 (bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS), JDC

Tuy nhiên các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 cũng tồn tại một sốnhược điểm như sau: Độ rộng thông băng tần của hệ thống bị hạn chế nên việc ứngdụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các nhu cầu phát triểncho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai, đồng thời tiêuchuẩn cho cá hệ thống thế hệ 2 là không thống nhất do Mỹ và Nhật sử dụng TDMAbăng hẹp còn ơ châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống này có thểcoi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế đều được ấnđịnh cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần Do đó việc thực hiện chuyểnmạng toàn cầu gặp phải nhiều khó khăn

Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ 3 ra đời bằng kĩ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến Lí thuyết vềCDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tinquân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý

Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số,

mã tạp âm giả ngẫu nhiên PN với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗingười sử dụng Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sửdụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ra dãy mã giả ngẫu nhiên như ơ máy phát vàkhôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thuđược

So với 2 hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ 2 thì hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ 3 là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp toàncầu Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động ơ mọi lúcmọi nơi Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao di động đều được gắn một mã số về nhậndạng thông tin cá nhân, khi máy ơ bất cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều cóthể định vị được vị trí chính xác của thuê bao Ngoài ra hệ thống thông tin di độngthế hệ 3 còn là một hệ thống đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thôngtin dữ liệu cao và thông tin đa phương tiện băng rộng như: hộp thoại, truyền Fax,truyền dữ liệu, chuyển vùng quốc tế, WAP (giao thức ứng dụng không dây)… đểtruy cập vào mạng internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh… Do đặc điểmbăng tần rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ 3 còn có thể cung cấp các dịch

vụ truyền hình ảnh, âm thanh, cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình…

CDMA 1x

Thoại, dịch vụ số liệugói

TDMA,CDMAtốc độ mã cao hơnThế hệ 3G CDMA 2000,

W-CDMA

Thoại và số liệu góiđược thiết kế đểtruyền tiếng và số liệu

đa phương tiện

Sử dụng CDMA

đa phương tiện

Bảng 1.1: Tiến trình phát triển các hệ thống thông tin di động

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA

=================================================

=

Hình 1.1: Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động

1.2 Sự phát triển của các phương pháp đa truy nhập

Một mạng thông tin di động là một hệ thống nhiều người sử dụng, trong đómột số lượng lớn người sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lý chung giới hạn đểtruyền và nhận thông tin Vì vậy dung lượng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơbản của hệ thống Trong lịch sử thông tin di động đã tồn tại các công nghệ đã truynhập khác nhau: TDMA, FDMA, và CDMA sự khác nhau giữa chúng được chỉ ratrong hình 1.2

- Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency DivisionMultiple Access)

- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division MultipleAccess)

Đặc điểm: Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gianthông tuyến Nhiễu giao thoa do các tần số lân cận nhau là đáng kể BTS phải có bộthu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cell.

Hệ thống FDMA điển hình là AMPS (Advanced Mobile Phone System)dùng ơ MỸ, Canada , Australia

1.2.2.TDMA:

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thô thành các dải tần liênlạc, mỗi dải tần này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là mộtkhe thời gian trong chu kì một khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói

có bít chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ, bit bảo vệ và bit dữ liệu

Hệ thống TDMA điển hình là GSM GSM từ châu Âu đã đến nhiều nơi trênthế giới trong đó có Việt Nam và đã đạt được những thành tựu đáng kể.

1.2.3.CDMA:

Mỗi MS được gán một mã riêng biệt và kĩ thuật trải phổ tín hiệu giúp chocác MS không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng lúc dùng chung dảitần số

Đặc điểm: Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz Sử dụng kĩ thuật trải phổ phứctạp, kĩ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng cá cường độ trường rất nhỏ

và chống pha đinh hiệu quả hơn FDMA và TDMA Việc các thuê bao MS trong celldùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần

số không còn là vấn đề, chuyển giao trơ thành mềm, điều khiển dung lượng trongcell rất linh hoạt

Mỗi hệ thống thông tin di động có thể sử dụng những phương pháp đa truy nhâp riêng hoặc có sự kết hợp giữa chúng Và điều này tạo nên nhiều khác biệt về

kĩ thuật cũng như dung lượng mạng của các thế hệ di động

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =

Chương 2 Quá trình phát triển từ GSM 2G lên 3G Các hệ thống 2+ Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 GSM cung cấp các dịch vụ tiếng và số liệu trên cơ sơ chuyển mạch kênh, băng thông hẹp Tốc độ truyền thoại là 13kbit/s và truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s Tốc độ này chỉ phù hợp cho các dịch vụ số liệu giai đoạn trước Khi vấn đề Internet toàn cầu và các mạng riêng khác phát triển cả về quy mô và mức độ tiện ích, đã xuất hiện nhu cầu và dịch vụ truyền số liệu mọi lúc mọi nơi Người sử dụng có nhu cầu về các dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, điện thoại có hình, truy cập internet tốc độ cao từ máy di động và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện khác Các nhu cầu trên vượt ra ngoài khả năng của mạng GSM vì vậy các nhà khai thác mạng GSM trên thế giới đang từng bước nâng cấp mạng GSM để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Đối với các nhà khai thác việc loại bỏ hẳn công nghệ đang dùng để tiếp cận ngay mạng 3G là việc không khả thi vì vậy họ phải trọn giải pháp là nâng cấp mạng GSM qua bước trung gian là thế hệ 2G và 2.5G để tạm thời đáp ứng nhu cầu của người sử dụng cũng như chuẩn bị cơ sơ hạ tầng kĩ thuật để tiến lên 3G một cách thuận lợi 2.1 Quá trình phát triển lên 3G

Hình 2.1: Quá trình phát triển từ 2G lên 3G

GSM

IS-95B

CDMA

IS-95A

PDC

CDMA 2000

GPRS

EDGE

W-CDMA

CDMA 20001x EV

4G

Châu Âu thì theo hướng : GSM-> GPRS -> EDGE -> W-CDMA.

Bắc Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số nước khác đi theo hướng:

IS-95A -> IS-95B -> CDMA 2000 mà bước đầu là CDMA 2000 1x

Riêng Nhật Bản thì họ đã phát triển mạng PDC của mình theo cả hai hướngW-CDMA và CDMA 2000

Hướng phát triển lên WCDMA từ hệ thống GSM qua GPRS có thể được tóm tắt như sơ đồ trong hình dưới đây (giai đoạn EDGE có thể không cần thiết)

Hình 2.2: Qúa trình phát triển từ GSM lên 3G

2.2 Các yếu tố cần chuyển đổi từ 2G lên 3G

Sự phát triển từ 2G lên 3G dựa trên 3 khía cạnh chính thể hiện ơ hình 2.3

2G

Sự tiến triển kỹ thuật

Sự tiến triển mạng

Sự tiến triển mạng

Hình 2.3: Các yếu tố cần chuyển đổi từ 2G lên 3G

Sự tiến triển về kĩ thuật là con đường phát triển chỉ rõ phương thức để triểnkhai các phần tử mạng và loại công nghệ để thực thi kỹ thuật đó Đây là bước pháttriển trực tiếp theo các xu hướng chung về mặt công nghệ Vì các phần tử mạng làyếu tố tạo nên mạng nên về mặt lý thuyết sự phát triển về mặt kỹ thuật sẽ tướng ứngvới sự phát triển mạng Trong giai đoạn 1, do tính chất mơ của các giao diện đượcđịnh nghĩa trong chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống, mạng 3G có thể được kết hợp tử nhiềuchủng loại thiết bị của nhiều hãng khác nhau Sự tiến triển về mặt kỹ thuật có thể xử

lý điều này, tuy nhiên với sự khác nhau về tốc độ và bước triển khai cụ thể trongmối kết hợp của mỗi thiết bị của các hãng khác nhau và yêu cầu thích ứng các thayđổi của chỉ tiêu kỹ thuật 3G nên trong nhiều trường hợp nếu không xem xét thấuđáo thì kết quả không như mong muốn

Khác với sự phát triển về mặt kỹ thuật sự tiến triển về mặt dịch vụ dựa trênnhu cầu của người sử dụng và nhu cầu này có thể là thực tế hoặc chỉ tương tượng.Đôi khi các nhà khai thác và nhà chế tạo thiết bị cung cấp dịch vụ vượt qua kỳ vọngcủa các thuê bao Nếu hai yếu tố này không tương đồng thì việc kinh doanh các dịch

vụ thông tin di động sẽ khó khăn

Thứ 3: Nếu thiết kế một mạng lớn cho toàn châu Âu thì không một nước nàođáp ứng được vì vốn đầu tư quá lớn

Tất cả những điều đó dẫn đến một yêu cầu là phải thiết kế một hệ thống mớiđược làm theo kiểu chung để có thể đáp ứng được cho nhiều nước trên thế giới.Trước tình hình đó vào tháng 9.1987 trong hội nghị của Châu Âu về bưu chính viễnthông, 17 quốc gia đang sử dụng mạng di động đã họp hội nghị và kí biên bản ghinhớ làm nền tảng cho mạng thông tin di động số toàn Châu Âu

Đến năm 1988 Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (Telecommunication-Standard Institute) đã thành lập nhóm đặc trách về mạng thôngtin di động số GSM Nhóm này có nhiệm vụ đưa ra chuẩn thống nhất cho hệ thốngthông tin di động số GSM dưới hình thức các khuyến nghị, lấy các tiêu chuẩn này

• Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật.

+ Chất lượng của tiếng thoại trong GSM phải ít nhất như trong các hệ thống

di động tương tự trước đó trong điều kiện thực tế

+ Hệ thống có khả năng mật mã hóa thông tin người dùng mà không ảnhhương đến hệ thống, cũng như không ảnh hương đên thuê bao khác

• Về sử dụng lại tần số

Hệ thống cho phép khả năng sử dụng dải tần đạt hiệu quả cao để có thể phục

vụ ơ thành thị lẫn vùng nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển

Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi dịch vụ phải dùng hệ thống báohiệu đã được tiêu chuẩn hóa quốc tế

2.3.2 Các đặc điểm của mạng thông tin di động GSM

Từ các khuyến nghị của GSM, ta thấy mạng GSM có các đặc điểm chinhsau:

- Có số lượng lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trong thông tinthoại và truyền số liệu

- Có sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ mạng có sẵn( PSTN, ISDN) bơi các giao diện là theo chuẩn chung

-Một hệ thống GSM quôc gia có thể cho thâm nhập và quản lý mọi máy đạttiêu chuẩn GSM

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA

=================================================

=

- Tự động định vị và cập nhật vị trí cho mọi thuê bao di động

- Độ linh hoạt cao nhờ sử dụng các loại máy đầu cuối thông tin di động khácnhau

- Sử dụng băng tần ơ 900 MHz với hiệu quả cao nhờ sự kết hợp giữa 2phương pháp TDMA và FDMA

- Ghép kênh phụ và chuyển đổi mã ơ BCS để giảm chi phí truyền dẫn

- Nhân thực thuê bao và bảo mật số liệu người sử dụng( mật mã hóa) sẽ làmtăng sự bảo vệ chống lại việc sử dụng thuê bao trái phép và nghe trộm ơ đườngtruyền vô tuyến

- Nhảy tần, phát không liên tục, chuyển giao bên trong ô và điều chỉnh độngcông suất ra của BTS, các chức năng này nhằm giảm các mức nhiễu giao thoa của

Môt hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau:

(1) NSS: Phân hệ chuyển mạch (Network switching subsystem)

(2) BSS: Phân hệ trạm gốc (Base station subsystem)

Truyền lưu lượng

Hệ thống chuyển mạch

EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

MSC: Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động

(gọi tắt là tổng đài vô tuyến)

BSS : Hệ thống trạm gốc

BTS: Đài vô tuyến gốc

BSC: Đài điều khiển gốc

MS : Máy di động

OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng

ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ

PSPDN: Mạng chuyển mạch công cộng theo gói

CSPDN: Mạng chuyển mạch công cộng theo mạch

PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng

2.4 Công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD)

Trước khi xuất hiện GPRS va EDGE đã xuất hiện nhu cầu các dịch vụ tốc

độ cao Khi này GSM chỉ hỗ trợ các dịch vụ số liệu đến tốc độ 9,6 kbit/s, đây là tốc

độ cực đại mà một khe thời gian có thể cung cấp Để hỗ trợ tốc độ số liệu cao hơncho GSM, cách tiếp cận dễ dàng nhất là MS phải sử dụng nhiều khe thời gian hơn.Công nghệ HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) sử dụng nguyên tắc này

Công nghệ HSCSD cho phép nâng cao khả năng truyền số liệu trên mạngGSM bằng cách cấp phát nhiều khe thời gian hơn cho người sử dụng Để thực hiệnđược nhiệm vụ này, tiêu chuẩn GSM đã được sửa đổi chẳng hạn như mã hoá kênh14,4 kbit/s thay thế cho mã hoá kênh 9,6 kbit/s dùng để hỗ trợ cho truyền số liệu.Bốn kênh 14,4 kbit/s được hết hợp thành một kênh 57,6 kbit/s Với việc sử dụngcông nghệ HSCSD máy điện thoại GSM và các thiết bị di động có thể sử dụng cácứng dụng đa phương tiện, truy nhập web và tải các trang đồ hoạ trong vài giây Đốivới dịch vụ trong suốt thì tôc độ tối đa là 64 kbit/s đạt được với 4 khe thời gian Dữliệu truyền trong dịch vụ chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD được hình thànhdưới dạng các luồng song song để đưa vào các khe thời gian khác nhau, và chúng sẽđược kết hợp lại tại đầu cuối.Tất cả các khe thời gian sử dụng trong một kết nốiHSCSD phải thuộc về cùng một sóng mang Việc cấp phát các khe thời gian phụthuộc vào thủ tục cấp phát khe thời gian

Dịch vụ HSCSD có thể triển khai dựa trên cơ sơ hạ tầng có sẵn của GSM,chỉ cần nâng cấp phần mềm hiện có mà không cần lắp đặt thêm các phần tử mạng

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA

=================================================

=

lưới mới Giống như GPRS,`HSCSD cho phép cấp phát tài nguyên không đối xứng

ơ giao diện vô tuyến Tuy nhiên do vẫn sử dụng chuyển mạch kênh nên hiệu suất

sử dụng tài nguyên vô tuyến của HSCSD không cao

Hình 2.5: Các luồng số liệu kết hợp ở IWF

Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ơ IWF(Interworking Function – chức năng kết nối mạng) của tổng đài MSC và ơ chứcnăng TAF (Terminal Adaption Function – chức năng thích ứng đầu cuối MS) Dịch

vụ HSCSD sử dụng tính năng này, kênh tốc độ cao chứa một số kênh con ơ giaodiên vô tuyến, các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng số ơ IWF vàTAF Khi sử dụng điểu chế 8 – PSK, HSCSD có thể đạt được thông lượng cao hơnvới ít khe thời gian hơn HSCSD đã được ứng dụng trong mạng GSM nhưng sẽkhông được triển khai rộng Nếu chọn giữa HSCSD và tính hiệu quả của GPRS cácnhà khai thác sẽ chọn công nghệ chuyển mạch gói

Cấu trúc hệ thống HSCSD

TE: Terminal Equipment - thiết bị đầu cuối

MT: Mobile Terminal - máy di động

TAF: Terminal Adaptation Function – chức năng thích ứng đầu cuối

Hình 2.6: Cấu trúc hệ thống HSCSD

2.4.1 Chức năng thích ứng đầu cuối TAF

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA

=================================================

=

Chức năng này đóng vai trò tiếp nhận số liệu của thiết bị đầu cuối TE đưa tới

và chia chúng vào trong các khe thời gian đã được chọn trước Mỗi khe thời gianmang số liệu với các tốc độ chuẩn hóa 1,2kb/s; 2,4kb/s; 4,8kb/s; 9,6kb/s; 14,4kb/s

2.4.2 Máy di động đầu cuối và giao diện vô tuyến

Số liệu từ bộ thích ứng đầu cuối TAF đưa tới đầu cuối di động ơ MT, ơ đómỗi khe thời gian được mã hóa kênh Đầu ra sau khi mã hõa kênh là luồng số liệutốc độ 22,8kb/s cho mỗi khe thời gian và nó được chuyển tới giao diện vô tuyến

2.4.3 Trạm thu phát gốc BTS

Tiếp nhận luồng số liệu từ giao diện vô tuyến Lúc này BTS thực hiện thủtục giải mã cho mỗi khe thời gian để thu được luồng số liệu có tốc độ phù hợp vớikhung TRAU ( 16kb/s) Sau đó, luồng số liệu được chuyển tới khối TRAU đặt tại

bộ điều khiển trạm gốc BSC

2.4.4 Giao diện Abis

Các khung TRAU 16kb/s được gửi tới BSC thông qua giao diện Abis

2.4.5 Bộ chuyển đổi mã/ bộ thích ứng tốc độ TRAU Tranconder/ Rate Adapter

Unit)

TRAU tiếp nhận các khung số liệu TRAU 16kb/s từ giao diện Abis, và nóđịnh dạng lại thông tin của mỗi luồng số liệu thành dạng A – TRAU để đi trên giaodiện A

2.4.6 Giao diện A

Giao diện này cho phép chứa được 4 khung A – TRAU tốc độ 16kb/s từ mộtngười sử dụng đưa đến Các khung này được ghép lại với nhau để phát đi trên mộtđường 64kb/s

2.4.7 Trung tâm chuyển mạch di động MSC và các khối chức năng phối hợp

IWF

MSC tiếp nhận các khung A - TRAU của đường kết nối 64kb/s và địnhtuyến chúng thông qua IWF Sau khi tiếp nhận, khối chức năng phối hợp IWF lấy racác thông tin số liệu trong A - TRAU và kết hợp chúng thành những luồng số liệughép trước khi chuyển tới các modem của mình Các modem tiếp nhận số liệu vàđịnh tuyến chúng qua mạng PSTN tới các đích và thiết bị đầu cuối số liệu DT (DataTerminal Equipment) ơ nơi khác

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA

=================================================

=

2.5 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Service)

Dịch vụ vô tuyến gói chung là sự lựa chọn của các nhà khai thác GSM nhưmột bước chuẩn bị về sơ sơ hạ tầng kỹ thuật để tiến lên W - CDMA với việc đưachuyển mạch gói vào mạng Mạng W - CDMA sử dụng lại rất nhiều phần tử củamạng GPRS

GPRS hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao cho GSM Một MS trong mạngGPRS có thể truy nhập đến nhiều khe thời gian GPRS khác với HSCSD ơ chỗnhiều người có thể sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến, vì thế hiệu suất sử dụngtài nguyên vô tuyến rất cao Một MS ơ chế độ GPRS chỉ giành được tài nguyên khi

nó có số liệu cần phát Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian

để đạt được tố độ lên đến hơn 100kb/s Về mặt lý thuyết, GPRS có thể cung cấp tốc

độ tối đa là 171, 2kb/s ơ giao diện vô tuyến qua 8 kênh 21,4 kb/s (sử dụng mã hóa

CS - 4) Ở trong các mạng thực tế do cần phải dành một phần dung lượng cho việchiệu chỉnh lỗi trên đường truyền vô tuyến nên tốc độ cực đại chỉ cao hơn 100kb/s sovới tốc độ khả thi vào khoảng 40 đến 50kb/s

Giao diện vô tuyến của GPRS được xây dựng trên cùng một nền tảng nhưgiao diện vô tuyến của GSM cùng sóng mang vô tuyến độ rộng băng tần 200khz và

8 khe thời gian Như vậy cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều cóthể sử dụng cùng sóng mang Tuy nhiên mạng đường trục của GPRS được thiết kếsao cho nó không phụ thuộc vào giao diện vô tuyến Ngoài ra mã hóa kênh sử dụngtrong GPRS cũng hơi khác trong GSM GPRS định nghĩa một số sơ đồ mã hóa kênhkhác nhau Sơ đồ mã hóa kênh thường sử dụng nhiều nhất cho truyền số liệu là sơ

đồ mã hóa CS - 2 (Code Schema 2) Mã hóa CS - 2 cho phép một khe thời gian cóthể mang số liệu ơ tốc độ 13,4 kb/s

Mạng GPRS là một mạng số liệu gói được xây dựng trên cơ sơ cấu trúcmạng GSM hiện tại, cộng thêm một số phần tử mới Vì lúc đầu GSM được thiết kếcho chuyển mạch kênh nên việc đưa chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sungthêm thiết bị mới cho mạng GPRS là một bước phát triển kịp thời đáp ứng nhu cầutrao đổi dữ liệu ngày càng cao và sự chuyển tiếp hợp lý giữa thông tin di động thế

hệ 2 và thông tin di động thế hệ 3

vụ của nó SGSN trương tự như MSC/VLR trong vùng chuyển mạch kênh nhưngthực hiện chức năng tương tự ơ vùng chuyển mạch gói Các chức năng này baogồm: quản lý di động, an ninh và các chức năng điều khiển truy nhập.

ra gọi là ngữ cảnh giao thức số liệu gói (PDP Context (Packet Data ProtocolContext) Trái lại, khi một MS đang thực hiện một cuộc gọi chuyển mạch kênh, sựthay đổi vùng định vị không dẫn đến cập nhật vùng định vị.

Một SGSN có thể phục vụ nhiều BSC, còn một BSC chỉ giao diện với mộtSGSN Giao diện Gb giữa SGSN với BSC được sử dụng để chuyển giao báo hiệu

và các thông tin điều khiển cũng như lưu lượng của người sử dụng đến từ SGSN

SGSN có các chức năng sau:

+ Quản trị di động: bao gồm quản lý nhập mạng, rời mạng của thuê baoGPRS, quản lý vị trí hiện diện của thuê bao trong vùng phục vụ, thực hiện các chứcnăng bảo mật, an ninh mạng…

+ Định tuyến và truyền tải các gói dữ liệu đi, đến hay được xuất phát từ vùngphục vụ của SGSN đó

SGSN cũng giao diện với bộ ghi định vị thường trú HLR thông qua giaodiện Gr Đây cũng là giao diện trên cơ sơ báo hiệu số 7 SGSN sử dụng giao diện

Gr để cập nhật vị trí các thuê bao GPRS ơ HLR và để nhận thông tin đăng kí củathuê bao liên quan đến GPRS đối với mọi thuê bao nằm trong vùng phục vụ củaSGSN Tùy chọn, một SGSN có thể giao diện với MSC thông qua giao diện Gs.Đây cũng là giao diện trên cơ sơ mạng báo hiệu số 7 Mục đích của Gs là đảm bảo

sự kết hợp giữa MSC/VLR và GPRS cho các thuê bao sử dụng cả 2 dịch vụ Nếumột thuê bao hỗ trợ cả dịch vụ thoại và dịch vụ số liệu gói và nó đã nhập mạngGPRS thì MSC có thể tìm gọi thuê bao này cho cuộc gọi thoại thông qua SGSNbằng cách sử dụng Gs

2.5.1.2 Nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN)

GGSN (Gateway GPRS Support Node) là điểm giao diện với các mạng sốliệu gói bên ngoài Một SGSN có thể giao diện với nhiều GGSN và giao diện nàygọi là Gn Đây là giao diện dựa trên cơ sơ IP được sử dụng để mang báo hiệu và sốliệu người sử dụng Giao diện Gn sử dụng giao thức xuyên đường hầm GPRS(GTP: GPRS Tunneling Protocol) Giao diện này truyền xuyên số liệu giữa SGSN

và GGSN qua mạng đường trục IP SGSN có thể giao diện với các SGSN kháctrong mạng Giao diện này cũng là Gn và cũng sử dụng GTP Chức năng của giaodiện này là đảm bảo truyền xuyên các gói từ một SGSN cũ đến một SGSN mới khixảy ra cập nhật định tuyến trong một thời gian phiên số liệu gói Quá trình chuyểnhướng các gói từ một SGSN này đến một SGSN khác rất ngắn đúng bằng thời gian

mà SGSN mới và SGSN và SGSN thiết lập PDO context giữa chúng Quá trình này

Phần BSS cung cấp tất cả các chức năng điều khiển và truyền dẫn thông tin

vô tuyến của mạng, bao gồm:

+ Khối điều khiển dữ liệu gói PCU (Packet Control Unit)

Khối điều khiển dữ liệu gói PCU có nhiệm vụ kết hợp các chức năng điềukhiển kênh vô tuyến GPRS với phần hệ thống trạm gốc BSS của mạng GSM hiệntại PCU định tuyến các bản tin báo hiệu và truyền tải dữ liệu của người sử dụng.PCU sẽ lắp ráp và sắp xếp trong khung LLO (điều khiển liên kết logic), sau đó đượcchuyển tới SGSN PCU đặt tại BSC và phục vụ BSC đó

+ Bộ điều khiển trạm gốc BSC

Trong mạng GPRS, BCS đóng vai trò trung tâm phân phối, định tuyến dữliệu và thông tin báo hiệu GPRS BSC có thể thiết lập, giám sát và hủy bỏ kết nốicủa các cuộc gọi chuyển mạch kênh cũng như chuyển mạch gói

+ Trạm gốc BTS (Base Transceiver Station) cung cấp khả năng ấn định kênhvật lý tại các khe thời gian cho cuộc gọi chuyển mạch kênh trong mạng GSM và dữliệu chuyển mạch gói GPRS BTS kết hợp với BSC để thực hiện các chức năng vôtuyến

2.5.1.4 Phần chuyển mạch

+ Trung tâm chuyển mạch di động / Bộ đăng ký tạm trú MSC/VLR (MobileSwitching center / Visitor Location Register) được sử dụng cho việc đăng ký và liênlạc thuê bao nhưng không đóng vai trò gì trong việc định tuyến dữ liệu GPRS.Trong hệ thống GPRS, MSC/VLR không được dùng cho thủ tục nhận thực thuê baonhư trong hệ thống GSM mà thay vào đó là HLR, do đó SGSN sẽ nhận bộ ba thông

số dành cho việc nhận thực từ bộ đăng ký thường trú / trung tâm nhận thựcHLR/AUC

+ Bộ đăng kí thường trú HLR (Home Location Register) lưu giữ tất cả cácthông tin về thuê bao GSM cũng như GPRS Thông tin về thuê bao GPRS được traođổi giữa HLR và SGSN Thêm vào đó, HLR được sử dụng trực tiếp cho việc nhậnthực thuê bao thay cho MSC/VLR trong hệ thống GSM SGSN sẽ nhận bộ ba thông

số nhận thực từ HLR/ AUC

+ AUC (Authentication User Centrer) cung cấp bộ ba thống số nhận thựcdành cho việc nhận thực và thực hiện mã hóa dường truyền thủ tục nhận thựctrong GSM và trong GPRS là như nhau, chỉ có quá trình mã hóa đường truyền là

2.5.1.5.Thiết bị cung cấp dịch vụ nhắn tin ngắn (SMS GMSC và SMS IWMSC)

-SMS - GMSC (tổng đài di động có cổng dịch vụ -SMS) và -SMS - IWMSC(tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ SMS) được kết nối với SGSN qua giaodiện Gd nhằm cung cấp khả năng truyền tải các bản tin ngắn

2.5.1.6 Thiết bị đầu cuối GPRS

Thiết bị đầu cuối có thể chia làm 3 loại:

Loại 1: Hỗ trợ sử dụng đồng thời các dịch vụ thoại và số liệu: Như vậyngười sử dụng có thể vừa nói chuyện vừa truyền số liệu GPRS cùng một lúc, tức là

sử dụng cả 2 dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đồng thời

Loại 2: Hỗ trợ đồng thời việc nhập mạng GPRS và nhập mạng GSM: nhưngkhông cho phép sử dụng đồng thời cả 2 dịch vụ Người sử dụng loại 2 có thể đăng

kí ơ mạng GSM và GPRS đồng thời nhưng không thể vừa nói chuyện vừa truyền sốliệu Nếu người sử dụng đã có một phiên số liệu GPRS và muốn thiết lập cuộc thoạithì phiên số liệu này sẽ bị treo và chờ cho đến khi cuộc thoại này kết thúc

Loại 3: Có thể nhập mạng GPRS hoặc GSM nhưng không thể nhập đồngthời cả 2 mạng Như vậy tại một thời điểm nhất định thiết bị loại 3 hoặc là thiết bịGPRS hoặc là thiết bị GSM Nếu đã nhập một loại dịch vụ thì có thể coi rằng thiết

bị đã rời bỏ dịch vụ kia

2.5.2 Giao diện và giao thức trong mạng GPRS

SGSN không chỉ giao diện với BSC để truyền gói tới và nhận gói từ MS màcòn có giao diện logic trực tiếp giữa MS và SGSN: cho báo hiệu (mặt phẳng báohiệu) và cho truyền số liệu (mặt phẳng truyền dẫn), mặc dù về mặt phẳng vật lý cácgiao diện này đều đi qua BSS

Các giao thức của GPRS cung cấp chức năng điều khiển cả truyền tải dữ liệutrên mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng truyền dẫn

2.5.2.1 Mặt phẳng truyền dẫn:

Gồm các cấu trúc giao thức phân lớp phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu của người sử dụng

Quá trình phát triển lên 3G và hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA

=================================================

=

Một số giao thức trong mặt phẳng truyền dẫn:

+ Giao thức GTP (GPRS Tunnelling Protocol) Giao thức này phục vụ choviệc truyển tải dữ liệu giữa các GSN trong mạng đường trục GPRS

+ Giao thức TCP (Transmission Control Protocol / User Datagram Protocol –giao thức điều khiển truyền dẫn / giao thức dữ liệu gói người sử dụng) TCP chuyểncác khối dữ liệu gói PDU của GTP trong mạng đường trục GPRS cho các giao thứccần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy

TCP cung cấp khả năng điều khiển luồng và bảo vệ chống lại sự thất thoáthay ngắt quãng các PDU của GTP

+ Giao thức IP (Internet Protocol) : Là giao thức được sử dụng trong mạngđường trục GPRS, phục vụ cho việc báo hiệu và định tuyến dữ liệu

+ Điều khiển kết nối logic (LLC- Logical Link Control): cung cấp liên kết dữliệu tin cậy giữa máy đầu cuối và SGSN đang phục vụ đầu cuối đó Phục vụ truyềntải các PDU của LLC giữa đầu cuối và SGSN, phát hiện và khôi phục các PDU củaLLC vị thất lạc hoặc ngắt quãng

+ Chuyển tiếp (Relay): Trong BSC chức năng này sẽ chuyển tiếp các PDUcủa LLC giữa giao diện Um và Gb Tại SGSN nó sẽ chuyển tiếp các PDU của PDPgiữa các giao diện Gb và Gn

+ Điều khiển kết nối vô tuyến / điều khiển truy nhập trung gian (RLC/MAC

- Radio Link Control / Medium Access Control) chức năng RLC cung cấp một liênkết tin cậy trên giao diện vô tuyến Còn MAC điều khiển các thủ tục báo hiệu truynhập trên kênh vô tuyến và sắp xếp các khung LLC vào các kênh vật lý

2.5.2.2 Mặt phẳng báo hiệu.

Mặt phẳng báo hiệu bao gồm các giao thức điều khiển và hỗ trợ cho cácchức năng được thực hiên ơ mặt phẳng truyền dẫn, nó bao gồm:

+ Điều khiển việc truy nhập mạng và rời mạng

+ Điều khiển thiết lập các kết nối trong mạng như quá trình khơi hoạt mộtđịa chỉ PDP

+ Điều khiển việc định tuyến trong mạng

+ Điều khiển việc ấn định cấp phát tài nguyên

Một số giao diện trong GPRS

Giao diện Gb: SGSN với một hay nhiều khối điều khiển gốc PCU (PacketControl Unit) được kết nối thông qua giao diên Gb

Giao diện Gr: Giao diện này kết nối SGSN với HLR bơi báo số 7, nó cungcấp khả năng truy nhập tới tất cả các nút báo hiệu trong mạng báo hiệu số 7, baogồm HLR của nội mạng PLMN và HLR của PLMN khác Tại giao diện này, giaothức MAP hỗ trợ khả năng trao đổi tín hiệu giữa HLR và SGSN

2.5.3 Cấu trúc đa khung của giao diện vô tuyến GPRS

đồ mã hóa kênh mới áp dụng cho các kênh logic này.

Khe thời gian dùng để mang lưu lượng hay báo hiệu liên quan đến GPRSđược gọi là kênh số liệu gói (PDCH: Packet Data Channel) GPRS sử dụng cấu trúc

đa khung 52 khung đối lập với cấu trúc đa khung 26 khung của GSM Trong 52khung, có 12 khối vô tuyến mang số liệu của người sử dụng, 2 khe để trống và 2khe dành cho kênh điều khiển định thời gói (PTCCH: Packet Timing ControlChannel) Mỗi khối vô tuyến chiếm 4 khung TDMA, như vậy mỗi khối vô tuyếntương ứng với 4 trường hợp liên tiếp của một khe thời gian

2.5.4 Các kênh logic trong GPRS

2.5.4.1 Kênh điều khiển quảng bá kiểu gói (PBCCH):

PBCCH (Packet Broadcast Control Channel) có nhiệm vụ phát quảng bá cácthông tin về hệ thống dữ liệu gói PBCCH được sắp xếp lên kênh vật lý tương tựnhư kênh điều khiển quảng bá BCCH trong mạng GSM Phát quảng bá ơ đườngxuống để thông báo cho các MS về thông tin đặc thù của số liệu gói

2.5.4.2 Kênh điều khiển chung gói (PCCCH: Packet Common Control Channel)

+ Kênh tìm gọi gói (PPCH: Packet Paging Channel): Chỉ sử dụng ơ đườngxuống, mạng sử dụng kênh này để tìm gọi MS trước khi tải gói xuống

+ Kênh cho phép truy nhập gói (PAGCH: Packet Access Grant Channel):Kênh này được sử dụng khi máy di động muốn truy nhập mạng để truyền số liệuhoặc báo hiệu

+Kênh báo gói (PNCH: Packet Notification Channel): Kênh này được sửdụng để gửi bản mẫu định tài nguyên tới nhiều máy di động cùng lúc trong chế độtruyền tải dữ liệu điểm đến đa điểm

2.5.4.3 Các kênh lưu lượng số liệu gói (PDTCH: Packet Data Traffic Channel)

Được sử dụng để truyền tải dữ liệu trên giao diện vô tuyến Nó được ấn địnhtạm thời cho một MS (hay một nhóm MS trong trường hợp PTM điểm đến đađiểm) Tất cả các kênh PDTCH là kênh đơn hướng (hoặc đường lên hoặc đườngxuống) Điều này đảm bảo khả năng không đối xứng của GPRS Một PDTCHchiếm một khe thời gian và một MS với khả năng sử dụng đa khe có thể sử dụng sốlượng các kênh PDTCH khác nhau ơ đường lên và đường xuống

2.5.4.4 Các kênh điều khiển dành riêng gói (PDCCH: Packet Đeicated Control

Channel)

Kênh này được liên kết với một kênh lưu lượng số liệu gói (PDTCH PacketData Traffic Channel) PDCCH không được ấn định cố định một tài nguyên Khicần gửi thông tin ơ kênh PACCH, một phần số liệu gói của người sử dụng sẽ bịngừng truyền, giống như trường hợp xảy ra ơ kênh FACCH của GSM nếu một MSđược ấn định một PDTCH ơ đường lên, nó vẫn phải nghe ơ khe thời gian tương ứngtrên đường xuống, thậm chí cả khi khe thời gian này không được ấn định cho MS.Mục đích là để nhận báo hiệu cũng như các công nhận từ mạng được mang trênPACCH.

+ Kênh điều khiển định thời gói (PTCCH: Packet Timing Control Channel).Kênh PTCCH mang thông tin để định thời trước cho các MS Kênh PTCCH đườnglên mang thông tin trong các cụm truy nhập ngẫu nhiên để cho phép mạng rút rađịnh thời trước cho việc truyền dẫn gói từ MS Kênh PTCCH đường xuống để cậpnhật thông tin định thời trước cho MS

2.5.5 Các kịch bản lưu lượng GPRS.

Các phần dưới đây sẽ xét một số thí dụ liên quan trực tiếp đến lưu lượngGPRS

Dòng khối tạm thời (TBF: Temporary Block Flow) là kết nối vật lý giữa MS

và mạng trong thời gian truyền dẫn số liệu Có thể coi TBF là việc sử dụng khối vôtuyến ơ giao diện vô tuyến Nhận dạng dòng tạm thời (TFI: Temporary FlowIdentity) là một số nhận dạng được gán cho một TBF và được sử dụng để phân biệtcác TBF với nhau Một số TFI được sử dụng trong các bản tin điều khiển (ví dụ cáccông nhận) liên quan đến một TBF để thực hiện bản tin điều khiển này có thể xácđịnh tương quan bản tin này với TBF thích hợp

Cờ trạng thái đường lên (USF: Uplink State Flag) là một chỉ thị được mạng

sử dụng để xác định khi nào một MS sử dụng một tài nguyên đường lên quy định ỞGPRS các tài nguyên này được chia sẻ ơ đường lên cũng như đường xuống Đườngxuống nằm trong sự kiểm soát của mạng, mạng có thể lập biểu cho các cuộc gọi vớimột người sử dụng ơ một kênh PDTCH Tuy nhiên ơ đường lên cần có một cơ chếđảm bảo rằng chỉ một MS cho trước được sử dụng một tài nguyên cho trước tại mộtthời điểm cho trước Có thể thực hiện cơ chế này theo 2 cách cấp phát tài nguyên cốđịnh và cấp phát động

Ở cấp phát cố định, mạng cấp phát một số khe thời gian đường lên cho mộtngười sử dụng (một số khối vô tuyến) MS có thể sử dụng các khối vô tuyến này vàxác định khung TDMA mà ơ đó người sử dụng bắt đầu truyền dẫn Như vậy ơkhoảng thời gian quy định, MS được đảm bảo toàn quyền nhập đến các khe thờigian được quy định Ở cấp phát động, mạng không cấp phát trước một khe thời gian

là một trường 3 bit và vì thế 8 MS có thể chia sẻ cùng một khe thời gian đường lên.

2.5.5.1 Nhập mạng GPRS

Hình 2.8 mô tả trường hợp đơn giản, trong đó MS loại 3 thực hiện nhậpmạng GPRS:

Trước hết MS yêu cầu kênh gói (Packet Channel Request) Trong yêu cầunày MS đưa ra mục đích của yêu cầu: trả lời tìm gọi, thủ tục quản lý di động (MM).Mạng trả lời bằng ấn định đường lên gói (cấp phát một khe thời gian hoặc các khethời gian cho MS để truyền bản tin mà MS định gửi Mạng đặt bản tin này vào mộtTFI mà MS sẽ sử dụng Trong bản tin này cũng có giá trị USF về các khe hoặc cáckhe ấn định cho MS khi cấp phát động và chỉ thị về số khối RLC dành cho MS đốivới TBF được quy đinh

MS tiếp tục gửi yêu cầu nhập mạng ơ một hay nhiều khối vô tuyến đến mạngtrên các tài nguyên được cấp phát MS có thể gửi số khối vô tuyến bằng số khối màmạng cấp phát cho nó

Trường hợp các bản tin MM, thông thương các tài nguyên được cấp phát đủ

để MS có thể gửi số liệu cần thiết Khi nhận được yêu cầu nhập mạng tại BSS, BSS

sử dụng PACCH để công nhận là đã nhận được yêu cầu này Trường hợp MS đã gửitoàn bộ thông tin cần gửi, MS gửi bản tin công nhân điều khiển gói đến mạng vàgiải phóng các tài nguyên được cấp phát Trong lúc đó, BSS chuyển yêu cầu nhậpmạng (Attach Request) đến một SGSN, SGSN này có thể yêu cầu các thủ tục anninh, trong đó nó nhận các bộ ba từ HLR Tuy nhiên cần lưu ý ơ GPRS nhận thực

và mật mã hơi khác nhau Đặc biêt là mật mã ơ GPRS xảy ra giữa MS và SGSN,nghĩa là trên toàn tuyến nối từ MS đến SGSN Ở tiêu chuẩn GSM chỉ có giao diện

vô tuyến là được mật mã SGSN phát lênh nhận thực và mật mã trong yêu cầu nhậnthực và mật mã đến MS thông qua BSS

Trước hết BSS gửi bản tin ấn định đượng xuống gói (Packet DownlinkAssignment) đến MS Bản tin này có thể được gửi trên kênh PCCCH hoặc PACCH.Việc chọn kênh nào phụ thuộc vào hiện tại MS có kênh PDTCH đường lên haykhông Nếu có, PACCH được sử dụng Bản tin ấn định đường xuống gói hướng dẫn

MS sử dụng tài nguyên quy định ơ đường xuống: khe hoặc các khe thời gian và giátrị TFI đường xuống Sau đó BTS gửi đi yêu cầu nhận thực và mật mã mà nó nhậnđược từ SGSN Khi nhận được yêu cầu này MS công nhận bản tin đường xuống vàyêu cầu các tài nguyên đường lên để nó có thể trả lời, vì thế nó gửi yêu cầu kênh góikhác rất giống với yêu cầu kênh gói mà nó gửi lúc đầu Một lần nữa mạng lại ấnđịnh các tài nguyên cho MS MS sử dụng các tài nguyên này để trả lời về nhận thực

và mật mã đến mạng Trả lời này được BSS chuyển đến SGSN BSS cũng gửi côngnhận đến MS MS khẳng định là đã công nhận được công nhận như là đã làm đốivới yêu cầu nhập mạng ban đầu

Sau khi MS đã được SGSN nhận thực, SGSN gửi cập nhật vị trí GPRS(Update GPRS Location) đến HLR.Quá trình này giống như cập nhật vị trí ơ GSMbao gồm: Tải xuống từ HLR đến SGSN các thông tin về thuê bao, ghi lại vị trí của

đã nhận được công nhận Lưu ý rằng thông qua các thủ tục đã được trình bày ơ trên,

MS yêu cầu truy nhập các tài nguyên cho từng bản tin mà nó gửi đến mạng Đây làcách thông thường mà GPRS sử dụng để quản lý tài nguyên và cũng là lý do chính

vì sao GPRS lại cho phép người sử dụng chia sẻ tài nguyên vô tuyến có hạn Tấtnhiên để làm được như vậy cần tiêu phí một lượng nhỏ dung lượng ( các khối vôtuyến) Khi truyền số liệu gói, đối với một TBF số khối vô tuyến được sử dụng đểtruyền hơn rất nhiều Trong thực tế GPRS cho phép khai thác cả có công nhận vàkhông công nhận Trường hợp có công nhận, các công nhận chỉ được phát định kỳ,mỗi công nhận chỉ thị tất cả các khối RLC thu đúng cho đến số trình tự của khốiđược chỉ thị

MS vì nhận thực đã được SGSN thực hiện.

Lưu ý ơ 2 hình trên, một số chức năng tùy chọn không được trình bày Cácchức năng này gồm kiểm tra nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI và nhậndạng bao tạm thời gói (P-TMSI)

2.5.6 Thiết lập PDP context (phiên số liệu gói).

Việc truyền số liệu gói được thực hiện thông qua PDP Context là một phiên

số liệu Thông thường qua PDP context khi một trình duyệt ơ MS tích cực và khinhận được từ internet Khi MS hay mạng khơi đầu một PDP Context, MS chuyển từtrạng thái chờ sang trạng thái sẵn sàng

2.6 Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE)

EDGE là thuật ngữ Enhanced Data Rates for GSM Evolution - Tốc độ sốliệu tăng cường để phát triển GSM

Mục tiêu chính của EDGE là tăng cường các khả năng cho qua số liệu củamạng GSM/GPRS Nói một cách khác mục tiêu này là nén nhiều bít hơn trong mộtgiây ơ sóng mang có cùng độ rộng băng tầng 200Khz và 8 khe thời gian Để thựchiện điều này người ta chuyển từ sơ đồ điều chế khóa chuyển pha Gau – xo cực tiểu

ơ GSM (GMSK) sang sơ đồ điều chế pha tám trạng thái (8 – PSK) Nhờ chuyển đổinày mà lý thuyết EDGE có thể hỗ trợ tốc độ số liệu lên đến 384 Kb/s EDGE tiến bộhơn nhiều so với GPRS, tuy nhiên nó vẫn chưa đạt đến yêu cầu dung lượng của thế

hệ 3 thực sự (tốc độ 2Mb/s) Như vậy có thể coi EDGE là thế hệ thứ 2.5G EDGE

có được sử dụng rộng rãi hay không phụ thuộc nhiểu yếu tố thời gian, nhu cầu vềcác dịch vụ số liệu cao của người sử dụng, mức độ sẵn sàng của các thiết bị đầucuối có khả năng EDGE và giá thành Về mặt thời gian thì sự phát triển của EDGE

và W-CDMA trong cùng một khung thời gian, thực chất các tiêu chuẩn của EDGEđược thực hiện trong khuôn khổ của đề án 3 GPP (Third Generation PartnershipProject: Đề án của các đối tác thế hệ 3) và là một bộ phận của tập tiêu chuẩn 3GPP

1999 Triển khai EDGE không đòi hỏi phổ tần mới như W-CDMA và không đòi hỏithay đổi mạng GPRS quá lớn EDGE có thể triển khai với chi phí phải chăng hơnW-CDMA, tuy nhiên việc đầu tư EDGE không giúp chúng ta trên con đường tiếnlên một cơ sơ hạ tầng W-CDMA vì vậy EDGE có thể triển khai như là một bướcđệm đáp ứng các nhu cầu hiện tại để tiến lên 3G Hoặc có thể bỏ qua giai đoạnEDGE để tiến thẳng lên 3G hoặc có thể phát triển EDGE như là một hệ thống giảthế hệ 3 để bổ sung cho mạng thế hệ 3 W-CDMA (UTMS)

vô tuyến) EDGE sử dụng điều chế 8 – PSK.

2.6.2 Điều chế

Giống như GSM, GPRS thì EDGE cũng sử dụng các kênh vô tuyến có độrộng 200Khz và 8 khe thời gian Tuy nhiên GSM sử dụng điều chế GMSK cònEDGE sử dụng 8-PSK nên có thể đạt được tốc độ truyền số liệu cao hơn

Mục đích của EDGE là cung cấp được hiệu suất sử dụng băng tần cao hơn cóthể nén được nhiều bit hơn trong độ rộng băng tần 200Khz Điều chế 8 –PSK chophép đạt được mục đích này Ở điều chế này, mỗi ký hiệu là 3 bit và được truyền ơmột trong 8 trạng thái phá sau đây của sóng mang: 450, 900, 1350, 1800, 2250, 2700,

3150

Tuy nhiên, ngoài việc phải tăng thêm giá thành do sản xuất thiết bị sử dụngđiều chế 8 – PSK, ta cũng gặp trơ ngại là 8 – PSK nhạy cảm tạp âm hơn so vớiGMSK, vì ơ 8 – PSK các trạng thái pha khá gần nhau, nên một lượng tạp âm nhỏhơn so với GMSK là có thể dẫn đến thay đổi vị trí của trạng thái pha và dẫn đếnxuất hiện lỗi Hậu quả trực tiếp của vấn đề này là nếu một BTS hỗ trợ cả điều chếGMSK và 8 – PSK và có cùng một công suất phát cho cả 2 loại điều chế, vùng phủsóng đối với 8 – PSK sẽ hẹp hơn đối với GMSK

2.6.3 Các kênh logic ở giao diện vô tuyến.

EDGE sử dụng các kiểu kênh giống như GPRS, thực chất các kênh này đượcdùng chung giữa GPRS và EDGE Như vậy cả người sử dụng GPRS và EDGE cóthể được ghép chung lên một kênh PDTCH Tất nhiên ơ các khối kênh vô tuyến nàykhi PDTCH được sử dụng bơi người sử dụng EDGE, điều chế có thể là GMSK hoặc

8 – PSK Còn khi kênh này được sử dụng cho người sử dụng GPRS thì điều chếnhất thiết phải là GMSK

Một nét quan trọng của các người sử dụng GPRS và EDGE là khi họ chia sẻkênh đường lên là việc sử dụng USF Nhắc lại là USF được sử dụng khi cấp phátđộng, nó được phát ơ đường xuống và được sử dụng để chỉ ra MS nào được truynhập đến khối RLC/MAC tiếp theo ơ đường lên Nếu một kênh PDTCH được sửdụng cho cả 2 MS GPRS và EDGE thì cả 2 MS này phải có khả năng giải mã USF

để có thể chọn kênh truyền dẫn đường lên Vì thế khi một kênh PDTCH được sử