đặc điểm 3g và ứng dụng

Cuối những năm 1980 người tanhận thấy rằng hệ thống tổ ong tương tự cũng không thể đáp ứng được nhucầu ngày càng tăng vào thế kỉ sau nếu như không lọai bỏ được các hạn chế của Không đáp

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động

Vô tuyến đã được sửa dụng gần 78 năm Mặc dù các khái niện tổ ong ,

kĩ thuật trải phổ, điều chế số và các công nghệ hiện đại khác đã được biết đến

50 năm trước đây , dịch vu điện thọai di động mãi đến đầu năm 1960 mới xuấthiện ở các dạng sửa dụng va khi đó nó chỉ sửa đổi thích ứng của các hệ thốngđiều vận Các hệ thống điện thọai đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rấtthấp so với hệ thống điện thọai hiện nay cuối cùng các hệ thống điện thọai tổong điều tần song công sửa dụng kĩ thuật thâm nhập phân chia theo tần số( FDMA ) đã xuất hiện vào những năm 1980 Cuối những năm 1980 người tanhận thấy rằng hệ thống tổ ong tương tự cũng không thể đáp ứng được nhucầu ngày càng tăng vào thế kỉ sau nếu như không lọai bỏ được các hạn chế của

Không đáp ứng được các dịch vu hấp dẫn đối với khách hàng

Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạtầng

Không đảm bảo tính năng bí mật của các cuộc gọi

Không tương thích ở các hệ thống khác nhau , đặc biệt là ở Châu Âu ,làm cho thuê bao không sửa dụng được thuê bao di động của mình ở nơi khác

Giải pháp duy nhất là chuyển sang sửa dụng kĩ thuật dạng thông tindạng số cho thông tin di động cùng với các kĩ thuật đa thâm nhập mới

Hệ thống thông tin di động số sửa dụng kĩ thuật đa thâm nhập phân chiatheo thời gian TDMA (Time Division multiple Access ) đầu tiên trên thế giới

được ra đời ở Châu Âu và có tên gọi la GSM ( Global System for Mobile ) GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đếnCEPT để qyt địng dịch vụ viễn thông chung ở Châu Âu ở băng tần 900MHz Năm 1985 hệ thống số được quyết định Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMAbăng hẹp đã được lựa chọn Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSMđược đưa vào từ năm 1993

Ở Mĩ khi hệ thống AMPS tương tự sửa dụng phương thức FDMA( Frequency Division Multiple Access ) được triển khai vào giữa những năm

1980 , các vấn đề dung lượng đã phát sinh ở các thị trường di động chính như :New York , Los Angeles và Chicago Mĩ đã có chiến lược nâng cấp hệ thồngnày thành hệ thống số ; chuyển tới hệ thống TDMA và được kí hiệu là IS-54 Việc khảo sát khách hàng cho thấy chất lượng của AMPS tốt hơn Rất nhiềuhãng ở Mĩ lạnh nhạt với TDMA , AT&T là hãng lớn nhất sử dụng TDMA Hãng này phát triển ra một phiên bản mới :IS -136 , còn được gọi là AMPS số(D-AMPS ) Nhưng không giống như IS-54 , GSM đã đạt được các thành công

ở Mĩ

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới làcông nghệ đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA ( Code Division multipleAccess ) Công nghệ này sửa dụng kĩ thuật trải phổ trước đó có các ứng dụngchủ yếu trong quân sự Được thành lập vào năm 1985 , Qualcomm đã pháttriển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằngphát minh trong lĩnh vực này Đến nay công nghệ này đã thống trị ở Bắc Mĩ ,Qualcomm đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS- 95 A

Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại Hàn Quốc

và Hồng Kông CDMA cũng đã được mua và đưa vào thử nghiệm ởArgentina , Brasil , Chile , Trung Quốc , Germany , Irael , Peru , PhilippinsThailand , Nhật và ở Việt Nam cũng đã có CDMA

Ở Nhật vào năm 1993 NTT đưa ra tiêu chuẩn thông tin di động đầu tiêncủa nước này :JPD ( Japannish Personal Digital cellula system )

2

Song song với sự phát triển của thông tin di động tổ ong nói trên , các

hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên , các hệ hống thông tin di động hạnchế cho mạng nội hạt sửa dụng máy cầm tay không dây số cũng được nghiêncứu phát triển Hai hệ thống điên hình cho loại thông tin này là DECT ( DigitalEnhanced Cordless Telecommunication ) của Châu Âu và PHS( PersonalHandy Phone System ) của Nhật cũng đã được đưa vào thương mại

Ngòai các hệ thống thông tin di động trên mặt đất các hệ thống thông tin

di động vệ tinh : Global Star va Iridium cũng được đưa và thương mại năm1998

1.2 LỊCH SỬ MẠNG CÁC THẾ HỆ

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

Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tănglên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần và tính tiện dụng của nó.Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển,

từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới thế hệ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung củacác hệ thống thông tin di động

-1.2.1 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 1

Hệ thống di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sửdụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sửdụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Hình 1.1 mô tảphương pháp đa truy cập FDMA với 5 người dùng Hình 1.1(a) là phổ của hệthống FDMA Ở đây, băng thông của hệ thống được chia thành các băng có độrộng Wch Giữa các kênh kề nhau có một khoảng bảo vệ để tránh chồng phổ do

sự không ổn định của tần số sóng mang Khi một người dùng gởi yêu cầu tới

BS, BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và giành riêng cho ngườidùng đó trong suốt cuộc gọi Tuy nhiên, ngay khi cuộc gọi kết thúc, kênh được

ấn định lại cho người khác Khi có năm người dùng xác định và duy trì cuộcgọi như hình 1.1(b), có thể ấn định kênh như trên hình 1.1(c)

Đặc điểm:

- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến(Advanced Mobile phone System - AMPS)

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về

cả dung lượng và tốc độ Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống

di dộng thế hệ 2 ưa điểm hơn thế hệ 1 về cả dung lượng và các dịch vụ đượccung cấp

4

Phổ

Tần số

Băng tần hệ thốngKhoảng bảo vệ

Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh N

Hình 1.1 Khái niệm về hệ thống FDMA:

(a) Phổ tần của hệ thống FDMA; (b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi

với 5 người dùng; (c) Phân bố kênh.

Băng tần

1.2.2 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2

Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di độngthế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựatrên công nghệ số

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số Vàchúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

- Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)

- Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)

a Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc,mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc làmột khe thời gian trong chu kỳ một khung Các thuê bao khác dùng chung kênhnhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trongcấu trúc khung Hình 1.2 cho thấy quá trình truy cập của một hệ thống TDMA

3 kênh với 5 người dùng

Đặc điểm :

- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau,trong đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy

di động và một băng tần được sử dụng để truyền tuyến hiệu từ máy di động đếntrạm gốc Việc phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thểhoạt động cùng một lúc mà không sợ can nhiễu nhau

- Giảm số máy thu phát ở BTS

- Giảm nhiễu giao thoa

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu(Global System for Mobile - GSM)

6

Hình 1.2 Khái niệm về hệ thống TDMA:

(a) Phổ tần của hệ thống TDMA; (b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng; (c) Phân bố kênh (khe), với giả thiết dùng TDMA 3 kênh.

Thời gian

Băng tần hệ thốngPhổ

Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuậtFDMA Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử

lý không quá 106 lệnh trong một giây, còn trong MS số TDMA phải có khảnăng xử lý hơn 50x106 lệnh trên giây

b Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiềungười sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộcgọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau Những người sử dụng nói trên được phânbiệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai Kênh vôtuyến CDMA được dùng lại mỗi ô (cell) trong toàn mạng, và những kênh nàycũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN)

1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua mộtgiai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợpnhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thểchồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm cácmạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x Ở thế

hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêuchuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phânbiệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thôngtin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng

Công nghệ 3G được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chứcViễn thông Thế giới (ITU) Lúc đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhấttrên thế giới, nhưng trên thực tế, thế giới 3G có 4 tiêu chuẩn sau :

8

Băng tần hệ thốngPhổ

Tần số

Hình 1.3 Khái niệm về hệ thống CDMA:

(a) phổ tần; (b) mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng;

(c) phân bố kênh.

Tần số

Thời gian

Người dùng 1 Người dùng 2 Người dùng 5

Người dùng 3

Người dùng 4

a UMTS (W-CDMA)

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công

nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với cácnhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dung GSM, tậptrung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam) UMTSđược tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm địnhnghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE

FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm

2001, được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên Tuy nhiên, tuy làdựa trên công nghệ W-CDMA, công nghệ này vẫn không tương thích vớiUMTS (mặc dù có các bước tiếp hiện thời để thay đổi lại tình thế này)

b CDMA 2000

Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, là thế hệ kế tiếp của cácchuẩn 2GCDMA và IS-95 Các đề xuất của CDMA2000 nằm bên ngoài khuônkhổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lý bởi

3GPP2, là tổ chức độc lập với 3GPP Có nhiều công nghệ truyền thông khácnhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-

c TD-SCDMA

Chuẩn được it biết đến hơn là TD-SCDMA đang được phát triển tại

Trung Quốc bởi các công ty Datang và Siemens

d Wideband CDMA

Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbit/s và 2 Mbit/s Khi giao thức này được dùngtrong một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbit/s Khi nó dùng trongmột mạng cục bộ LAN, tốc độ tối đa là 1,8 Mbit/s Chuẩn này cũng được côngnhận bởi ITU

e Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thứ 3

Hệ thống thông tin di động thứ 3 được xây dựng trên cơ sở tiêu chuẩnchung IMT-2000 Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 :

- Sửa dụng dải tần quốc tế qui định như sau :

+ Đường lên : 1885-2025MHz+ Đường xuống : 2110-2200MHz

- Là hệ thống thông tin di động tòan cầu cho các lọai hình thông tin vôtuyến

+ Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến+ Tương tác với mọi lọai dịch vu viễn thông

- Sửa dụng các môi trường khai thác khác nhau

+ Trong công sở+ Ngòai đường + Trên xe+ Vê tinh

- Có thể hỗ trợ các lọai dịch vụ như

+ Môi trường ảo+ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện+ Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiệnMôi trường họat động của IMT -2000 được chia làm 4 vùng :

+ Vùng 1 : Trong nhà , ô pico , Rb≤ 2Mbps+ Vùng 2 : Thành phố , ô micro ,, Rb≤384kbps

10

+ Vùng 3 : ngọai ô, ô macro , Rb≤144kbps+ Vùng 4 : tòan cầu , Rb=9.6kbps

1.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trunggian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ caoHSDPA Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phéptruyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến1.5 Gb/giây Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị khôngdây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thểnhận dữ liệu với tốc độ 100 Mb/giây khi di chuyển và tới 1 Gb/giây khi đứngyên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượngcao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổbiến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng khôngdây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trựcgiao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trênnhững tần số khác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tínhiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số) Thiết bị 4G

sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - DefinedRadio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênhđồng thời Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó,giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu

CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU VỀ W-CDMA

2.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống thông tin di động GSM

2.1.1 Sự hinh thành

Phần này sẽ giới thiệu về sự hình thành và phát triển của hệ thống thôngtin di động GSM, kiến trúc mạng GSM , phương pháp đa truy cập trong GSM ,các thủ tục thông tin của thuê bao sử dụng trong mạng và sự cần thiết phảinâng cấp mạng GSM lên thế hệ 3G

Lịch sử hình thành GSM bắt đầu từ một đề xuất vào năm 1982 củaNordic Telecom và Netherlands tại CEPT (Conference of European Post andTelecommunication) để phát triển một chuẩn tế bào số mới đáp ứng với nhucầu ngày càng tăng của mạng di động Châu Âu

Ủy ban Châu Âu (EC) đưa ra lời hướng dẫn yêu cầu các quốc gia thànhviên sử dụng GSM cho phép liên lạc di động trong băng tần 900MHz Việntiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) định nghĩa GSM khi quốc tế chấp nhậntiêu chuẩn hệ thống điện thoại tế bào số

Lời đề xuất có kết quả vào tháng 9 năm 1987, khi 13 nhà điều hành vàquản lý của nhóm cố vấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp định GSM MoU

“Club”, với ngày khởi đầu là 1 tháng 7 năm 1991

GSM là từ viết tắt của Global System for Mobile Communications (hệthống thông tin di động toàn cầu), trước đây có tên là Groupe Spécial Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là hệ thống thông tin tế bào sốtích hợp và toàn diện, được phát triển đầu tiên ở Châu Âu và đã nhanh chóngphát triển trên toàn thế giới Mạng được thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN

và các dịch vụ mà GSM cung cấp là một hệ thống con của dịch vụ ISDN chuẩn

12

Hình 2.1 Mạng tế bào vô tuyếnGSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890-915 MHz và 935-

960 MHz, hiện nay là 1.8GHz Một vài tiêu chuẩn chính được đề nghị cho hệthống :

• Chất lượng âm thoại chính thực sự tốt

• Giá dịch vụ và thuê bao giảm

• Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế

• Khả năng hỗ trợ thiết bị đầu cuối trao tay

• Hỗ trợ các phương tiện thuận lợi và dịch vụ mới

• Năng suất quang phổ

• Khả năng tương thích ISDN

Tiêu chuẩn được ban hành vào tháng giêng năm 1990 và những hệthống thương mại đầu tiên được khởi đầu vào giữa năm 1992 Tổ chức MoU(Memorandum of Understanding) thành lập bởi nhà điều hành và quản lý GSMđược cấp phép đầu tiên, lúc đó có 13 hiệp định được ký kết và đến nay đã có

191 thành viên ở khắp thế giới Tổ chức MoU có quyền lực tối đa, được quyềnđịnh chuẩn GSM

2.1.2 Cấu trúc mạng GSM

Mạng GSM gồm nhiều khối chức năng khác nhau Hình dưới cho thấycách bố trí của mạng GSM tổng quát Mạng GSM có thể chia thành ba phầnchính Trạm di động (Mobile Station_MS) do thuê bao giữ Hệ thống con

trạm gốc (Base Station Subsystem_BSS) điều khiển liên kết với trạm di động.

Hệ thống mạng con (Network Subsystem_NS) là phần chính của trung tâmchuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile services Switching Center), thựchiện chuyển mạch cuộc gọi giữa những người sử dụng điện thoại di động, vàgiữa di động với thuê bao mạng cố định MSC xử lý các hoạt động quản lý diđộng Trong hình không có trình bày trung tâm duy trì và điều hành(Operations and Maintenance Center_OMS), giám sát điều hành và cơ cấu của

mạng Trạm di động và hệ thống con trạm gốc thông tin dùng giao tiếp Um,còn được gọi là giao tiếp không trung hay liên kết vô tuyến Hệ thống con trạmgốc liên lạc với trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động dùng giao tiếp A.

Hình 2.2 :Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào

a Trạm di động

Trạm di động (Mobile Station_MS) gồm có thiết bị di động (đầu cuối)

và một card thông minh gọi là module nhận dạng thuê bao (Subscriber IdentityModule_SIM) SIM cung cấp thông tin cá nhân di động, vì thế người sử dụngtruy cập vào các dịch vụ thuê bao không phụ thuộc vào loại thiết bị đầu cuối.Bằng cách gắn SIM vào đầu cuối GSM, người sử dụng có thể nhận, gọi vànhận các dịch vụ thuê bao khác trên thiết bị đầu cuối này

Thiết bị di động được nhận dạng duy nhất bằng số nhận dạng thiết bị diđộng quốc tế (International Mobile Equipment Identity_IMEI) SIM card chứa

số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (International Mobile SubscriberIdentity_IMSI) sử dụng để nhận dạng thuê bao trong hệ thống, dùng để xácđịnh chủ quyền và thông tin khác Số IMEI và IMSI độc lập nhau SIM card

có thể được bảo vệ chống lại việc sử dụng trái phép bằng password hoặc sốnhận dạng cá nhân

b Hệ thống con trạm gốc

14

Hệ thống con trạm gốc gồm hai phần: trạm gốc thu phát (BTS) và trạm gốc điều khiển (BSC) Hai hệ thống này liên kết dùng giao tiếp Abis

chuẩn hoá, cho phép điều hành các bộ phận cung cấp bởi các nhà sản xuất khácnhau

Trạm thu phát gốc là nơi máy thu phát vô tuyến phủ một cell và điềukhiển các giao thức liên kết vô tuyến với trạm di động Trong một thành phốlớn, có nhiều khả năng triển khai nhiều BTS, do đó yêu cầu BTS phải chínhxác, tin cậy, di chuyển được và giá thành thấp

Trạm gốc điều khiển tài nguyên vô tuyến của một hoặc nhiều BTS.Trạm điều khiển cách thiết lập kênh truyền vô tuyến, nhảy tần và trao tay BSC

là kết nối giữa trạm di động và tổng đài di động (MSC)

Bộ ghi định vị thường trú (HLR) và bộ ghi định vị tạm trú (VLR) cùngvới MSC cung cấp định tuyến cuộc gọi và khả năng liên lạc di động của GSM.HLR chứa tất cả thông tin quản trị của mỗi thuê bao đã đăng ký trong mạngGSM tương ứng, cùng với vị trí hiện tại của di động Vị trí của di động thường

ở dưới dạng địa chỉ báo hiệu của VLR chứa trạm di động

Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) chứa thông tin quản trị được chọn từ HLR,cần thiết cho điều khiển cuộc gọi và cung cấp các dịch vụ thuê bao, cho mỗithuê bao hiện tại nằm trong vùng địa lý điều khiển bởi VLR Mặc dù mỗi bộ

phận chức năng chung có thể được thực hiện độc lập nhưng tất cả các nhà sảnxuất thiết bị chuyển mạch cho đến nay đều sản xuất VLR với MSC, vì thế vùngđịa lý điều khiển bởi MSC sẽ tương ứng với điều khiển bởi VLR đó, do đó đơngiản hóa báo hiệu cần thiết Lưu ý rằng MSC không chứa thông tin các trạm diđộng – thông tin này lưu trữ trong các thanh ghi vị trí.

Có hai bộ ghi khác sử dụng cho mục đích xác nhận và bảo mật Bộ ghinhận thực thiết bị (EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách tất cả cácthiết bị di động hợp lệ trên mạng, mỗi trạm di động được xác nhận bằng sốnhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI) Số IMEI bị đánh dấu là không hợp

lệ nếu được thông báo mất cắp hoặc không được chấp thuận Trung tâm nhậnthực AuC là cơ sở dữ liệu được bảo vệ chứa bản sao khóa mã trong SIM cardcủa thuê bao, sử dụng để nhận thực và mã hóa trên kênh vô tuyến

d Đa truy cập trong GSM

Mạng GSM kết hợp hai phương pháp đa truy cập là FDMA và TDMA.Dải tần 935 – 960MHz được sử dụng cho đường lên và 890 – 915MHz chođường xuống (GSM 900) Dải băng thông tần một kênh là 200KHz, dải tần bảo

vệ ở biên cũng rộng 200KHz nên ta có tổng số kênh trong FDMA là 124 Mộtdải thông TDMA là một khung có tám khe thời gian, một khung kéo dài trong4.616ms Khung đường lên trễ 3 khe thời gian so với khung đường xuống, nhờtrễ này mà MS có có thể sử dụng một khe thời gian có cùng số thứ tự ở cảđường lên lẫn đường xuống để truyền tin bán song công

Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dãy tần số quy định900Mhz xác định theo công thức sau:

16

mỗi BTS phủ một ô của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ôchỉ được sử dụng lại tần số ở khoảng cách cho phép.

Truyền dẫn vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm (BURST) chứa

hàng trăm bit đã được điều chế Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian577μs ở trong một kênh tần số có độ rộng 200 Khz nói trên Mỗi một kênh tần

số cho phép tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8khe thời gian từ 0 – 7 (TS0, TS1, TS7)

e Các thủ tục thông tin

- Đăng nhập thiết bị vào mạng

Khi một thuê bao không ở trạng thái gọi, nó sẽ quét 21 kênh thiết lậptrên tổng số 416 kênh Sau đó nó chọn một kênh mạnh nhất và khóa ở kênhnày Sau 60s qúa trình tự định vị được lặp lại

Khi thuê bao bật lên, thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển Sau

đó, thiết bị đo cường độ của tín hiệu từ các kênh và ghi lại Cuối cùng chuyểnsang kết nối với kênh có tín hiệu mạnh nhất

-Chuyển vùng

Vì GSM là một chuẩn chung nên thuê bao có thể dùng điện thoại hệGSM tại hầu hết các mạng GSM trên thế giới Trong khi di chuyển thiết bị liêntục dò kênh để luôn duy trì tín hiệu với trạm là mạnh nhất Khi tìm thấy trạm

có tín hiệu mạnh hơn, thiết bị sẽ tự động chuyển sang trạm mới, nếu trạm mớinằm trong vùng phủ khác thiết bị sẽ báo cho mạng biết vị trí mới của mình

Riêng trong chế độ chuyển vùng quốc tế hoặc chuyển vùng giữa mạngcủa hai nhà khai thác dịch vụ khác nhau thì quá trình cập nhật vị trí đòi hỏiphải có sự chấp thuận và hổ trợ từ cấp nhà khai thác dịch vụ

-Thực hiện cuộc gọi.

+ Cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định

Trình tự thiết lập cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định nhưsau :

1 Thiết bị gửi yêu cầu một kênh báo hiệu.

2 BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu

3 Thiết bị gửi yêu cầu cuộc gọi cho MSC/VLR Thao tác đăng ký trạngthái tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị, gửi sốđược gọi cho mạng, kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi ra đềuđược thực hiện trong bước này

4 Nếu hợp lệ MSC/VLR báo cho BSC/TRC một kênh đang rỗi

5 MSC/VLR chuyển tiếp số được gọi cho mạng PSTN

6 Nếu máy được gọi trả lời, kết nối sẽ thiết lập

+ Cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động

Điểm khác biệt quan trọng so với gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết

bị không được biết chính xác Chính vì thế trước khi kết nối, mạng phải thựchiện công việc xác định vị trí của thiết bị di động

1 Từ điện thoại cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạngPSTN Mạng sẽ phân tích và nếu phát hiện ra từ khóa gọi mạng di động, mạngPSTN sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp

2 GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốctrong HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ

18

GSM/PLMN PSTN

1 2 3

1 2 3 4

Thiết bị đầu cuối

Hình 2.3 Gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định

3 HLR phân tích số di động gọi đến để tìm ra MSC/VLR đang phục vụcho thiết bị Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽđược trả về GMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến.

4 HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ

5 MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC

6 GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR

7 MSC/VLR biết địa chỉ LAI của thiết bị nên gửi thông điệp đến BSCquản lý LAI này

GSM/PLMN PSTN

BSC/TRC MSC/VLR

Tổng đài nội bộ

2 5

8 BSC phát thông điệp ra toàn bộ vùng các ô thuộc LAI.

9 Khi nhận được thông điệp thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại

10 BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin

11 Phân tích thông điệp của BSC gửi đến để tiến hành thủ tục bật trạngthái của thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị

12 MSC/VLR điều khiển BSC xác lập một kênh rỗi, đổ chuông Nếuthiết bị di động chấp nhận trả lời, kết nối được thiết lập

+ Cuộc gọi từ thiết bị di động đến thiết bị di động

Quá trình diễn ra tương tự như gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị diđộng, chỉ khác điểm giao tiếp với mạng PSTN của điện thoại cố định sẽ đượcthay thế bằng MSC/VLR khác

+ Kết thúc cuộc gọi

Khi MS tắt máy phát, một tín hiệu đặc biệt (tín hiệu đơn tone) đượcphát đến các trạm gốc và hai bên cùng giải phóng cuộc gọi MS tiếp tục kiểmtra tìm gọi thông qua kênh thiết lập mạnh nhất

2.2 Sự phát triển của mạng GSM lên 3G

2.2.1 Hệ thống GSM sẽ được nâng cấp từng bước lên thế hệ ba.

Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông đa phương tiện trênphạm vi toàn cầu đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống GSM sẽ được nângcấp từng bước lên thế hệ ba Thông tin di động thế hệ ba có khả năng cung cấpdịch vụ truyền thông multimedia băng rộng trên phạm vi toàn cầu với tốc độ

20

cao đồng thời cho phép người dùng sử dụng nhiều loại dịch vụ đa dạng Việcnâng cấp GSM lên 3G được thực hiện theo các tiêu chí sau :

- Là mạng băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện trênphạm vi toàn cầu Cho phép hợp nhất nhiều chủng loại hệ thống tương thíchtrên toàn cầu

- Có khả năng cung cấp độ rộng băng thông theo yêu cầu nhằm hỗ trợmột dải rộng các dịch vụ từ bản tin nhắn tốc độ thấp thông qua thoại đến tốc độ

dữ liệu cao khi truyền video hoặc truyền file Đảm bảo các kết nối chuyểnmạch cho thoại, các dịch vụ video và khả năng chuyển mạch gói cho dịch vụ sốliệu Ngoài ra nó còn hỗ trợ đường truyền vô tuyến không đối xứng để tănghiệu suất sử dụng mạng (chẳng hạn như tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độbit thấp ở đường lên)

- Khả năng thích nghi tối đa với các loại mạng khác nhau để đảm bảocác dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh Các tínhnăng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể vùng phủ sóng của các hệ thống diđộng

- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để bảo đảm sựphát triển liên tục của thông tin di động Tương thích với các dịch vụ trong nội

bộ IMT-2000 và với các mạng viễn thông cố định như PSTN/ISDN Có cấutrúc mở cho phép đưa vào dễ dàng các tiến bộ công nghệ, các ứng dụng khácnhau cũng như khả năng cùng tồn tại và làm việc với các hệ thống cũ

2.2.2 Các giải pháp nâng cấp

Có hai giải pháp nâng cấp GSM lên thế hệ ba : một là bỏ hẳn hệ thống

cũ, thay thế bằng hệ thống thông tin di động thế hệ ba; hai là nâng cấp GSMlên GPRS và tiếp đến là EDGE nhằm tận dụng được cơ sở mạng GSM và cóthời gian chuẩn bị để tiến lên hệ thống 3G W-CDMA Giải pháp thứ hai là mộtgiải pháp có tính khả thi và tính kinh tế cao nên đây là giải pháp được ưachuộng ở những nước đang phát triển như nước ta

Có hai giải pháp nâng cấp GSM lên thế hệ ba : một là bỏ hẳn hệ thống

cũ, thay thế bằng hệ thống thông tin di động thế hệ ba; hai là nâng cấp GSMlên GPRS và tiếp đến là EDGE nhằm tận dụng được cơ sở mạng GSM và cóthời gian chuẩn bị để tiến lên hệ thống 3G W-CDMA Giải pháp thứ hai là mộtgiải pháp có tính khả thi và tính kinh tế cao nên đây là giải pháp được ưachuộng ở những nước đang phát triển như nước ta

Giai đoạn đầu của quá trình nâng cấp mạng GSM là phải đảm bảo dịch

vụ số liệu tốt hơn, có thể hỗ trợ hai chế độ dịch vụ số liệu là chế độ chuyểnmạch kênh (CS : Circuit Switched) và chế độ chuyển mạch gói (PS : PacketSwitched) Để thực hiện kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụnggiao thức ứng dụng vô tuyến (WAP : Wireless Application Protocol) WAPchứa các tiêu chuẩn hỗ trợ truy cập internet từ trạm di động Hệ thống WAPphải có cổng WAP và chức năng kết nối mạng

9.6Kbps2Mbps

GPRS

Hinh 2.6 Quá trình nâng cấp từ GSM lên W-CDMATrong giai đoạn tiếp theo, để tăng tốc độ số liệu có thể sử dụng côngnghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD : High Speed CircuitSwitched Data) và dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS : General Packet RadioProtocol Services) GPRS sẽ hỗ trợ WAP có tốc độ thu và phát số liệu lên đến171.2Kbps Một ưu điểm quan trọng của GPRS nữa là thuê bao không bị tínhcước như trong hệ thống chuyển mạch kênh mà cước phí được tính trên cơ sởlưu lượng dữ liệu sử dụng thay vì thời gian truy cập.

Dịch vụ GPRS tạo ra tốc độ cao chủ yếu nhờ vào sự kết hợp các khethời gian, tuy nhiên kỹ thuật này vẫn dựa vào phương thức điều chế nguyênthuỷ GMSK nên hạn chế tốc độ truyền Bước nâng cấp tiếp theo là thay đổi kỹthuật điều chế kết hợp với ghép khe thời gian ta sẽ có tốc độ truyền dữ liệu caohơn, đó chính là công nghệ EDGE

EDGE vẫn dựa vào công nghệ chuyển mạch kênh và chuyển mạch góivới tốc độ tối đa đạt được là 384Kbps nên sẽ khó khăn trong việc hỗ trợ cácứng dụng đòi hỏi việc chuyển mạch linh động và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn.Lúc này sẽ thực hiện nâng cấp EDGE lên W-CDMA và hoàn tất việc nâng cấpmạng GSM lên 3G

2.3 Giới thiệu công nghệ W-CDMA

2.3.1 Giới thiệu chung :

Trong phần này sẽ giới thiệu về công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạngW-CDMA, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN, các giao diện vô tuyến và đặctrưng riêng của chúng, ta sẽ có cái nhìn tổng quan về mạng W-CDMA 3G

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - truy cập đa phân

mã băng rộng) là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và có khả năng hỗtrợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo

hình WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170MHz.

W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSMbằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế choTDMA Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhậnđược sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợcác kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz

- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin trên một sóngmang

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến

Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băngTDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu

ở các môi trường làm việc khác nhau

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch

vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyềndẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đađiểm Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cungcấp dể dàng các dịch vụ mới như : điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài

ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác

24

Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ

các dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các dịch

vụ không liên quan đến cuộc gọi như thư điện tử, FPT…

Công trình nghiên cứu của các nước châu Âu cho W-CDMA bắt đầu từ đề

án CODIT (Code Division Multiplex Testbed : Phòng thí nghiệm đa truy cập

theo mã) và FRAMES (Future Radio Multiplex Access Scheme : Kỹ thuật đa

truy cập vô tuyến trong tương lai) từ đầu thập niên 90 Các dự án này đã tiến

hành thử nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lượng đường truyền

Theo các chuyên gia trong ngành viễn thông, đường tới 3G của GSM là

WCDMA Nhưng trên con đường đó, các nhà khai thác dịch vụ điện thoại di

động phải trải qua giai đoạn 2,5G Thế hệ 2,5G bao gồm những gì? Đó là: dữ

liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS

và Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE)

2.3.2 Cấu trúc mạng W-CDMA

KBit/s

Truyền hình hội

nghị (Chất lượng cao)

Truyền hình hội

nghị (Chất lượng thấp)

Đàm thoại hội nghị

Điện thoại

Truy nhập Internet WWW Thư điện tử FTP Điện thoại IP vv…

Y tế từ xa

Thư tiếng

Truy nhập cơ sở dữ liệu

Mua hàng theo Catalog Video

Video theo yêu cầu

Báo điện tử

Karaoke ISDN

Xuất bản điện tử

Thư điện tử FAX

Các dịch

vụ phân phối thông tin

Tin tức

Dự báo thời tiết Thông tin lưu lượng Thông tin nghỉ ngơi

Truyền hình di động

Truyền thanh di động

Tiếng

Số liệu H.ảnh

Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS Về mặt chứcnăng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) vàmạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấutrúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấpcủa W-CDMA Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết

bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống Từquan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mớiđược thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi đượcđịnh nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống W-CDMAphát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM

26

UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liênquan đến truy nhập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử :

- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu.

Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điềukhiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó).RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõiCN

CN (Core Network)

PLMN,PSTN ISDN

Internet

Các mạng ngoài

MSC/

GGSNSGSN

HLR

CN

RNC

Node BNode B

RNC

Node BNode B

- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưugiữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này baogồm : Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng

và các thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, sốlần chuyển hướng cuộc gọi

- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor LocationRegister) : Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụchuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng cácgiao dịch chuyển mạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịchngười sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ

- GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài

- SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sửdụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS)

- GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSCnhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói

Các mạng ngoài

- Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh

- Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói

Các giao diện vô tuyến

- Giao diện CU : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giaodiện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh

- Giao diện UU : Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cốđịnh của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

- Giao diện IU : Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho cácnhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện IUr : Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhàsản xuất khác nhau

28

- Giao diện IUb : Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC IUbđược tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn

a Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS (RadioNetwork Subsystem) Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC

và các node B Các RNC được kết nối với nhau bằng giao diện Iur và kết nốivới node B bằng giao diện Iub

-Đặc trưng của UTRAN

Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN cũngnhư các giao thức UTRAN có các đặc tính chính sau :

- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm

và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA

- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh vàchuyển mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từUTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi

- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.

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

-Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN

RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyếncủa UTRAN RNC kết nối với CN (thông thường là với một MSC và mộtSGSN) qua giao diện vô tuyến Iu RNC điều khiển node B chịu trách nhiệmđiều khiển tải và tránh tắc ngẽn cho các ô của mình Khi một MS UTRAN sửdụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vaitrò logic riêng bịêt

- RNC phục vụ (Serving RNC) : SRNC đối với một MS là RNC kết cuối

cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP (phầnứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ mạng lõi SRNC cũng là kếtcuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến Nó thực hiện xử lý số liệu truyền

từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến SRNC cũng là CRNC củamột node B nào đó được sử dụng để MS kết nối với UTRAN

- RNC trôi (Drif RNC) : DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC đểđiều khiển các ô được MS sử dụng Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp vàphân tập vĩ mô DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu

mà chỉ định tuyến số liệu giữa các giao diện IUb và IUr Một UE có thể không cóhoặc có một hay nhiều DRNC

-Node B

Chức năng chính của node B là thực hiện xữ lý trên lớp vật lý của giaodiện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…Nó cũngthực hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suấtvòng trong Về phần chức năng nó giống như trạm gốc của GSM

b Giao diện vô tuyến

Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần

tử mạng mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic Cấu trúc giao diện

30

được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic vớinhau, điều này cho phép thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫngiữ nguyên các phần còn lại

-Giao diện UTRAN – CN, I U

Giao diện IU là một giao diện mở có chức năng kết nối UTRAN với CN

Iu có hai kiểu : Iu CS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh và Iu PS

để kết nối UTRAN với chuyển mạch gói

Cấu trúc I U CS

IU CS sử dụng phương thức truyền tải ATM trên lớp vật lý là kết nối vôtuyến, cáp quang hay cáp đồng Có thể lựa chọn các công nghệ truyền dẫn khácnhau như SONET, STM-1 hay E1 để thực hiện lớp vật lý

- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển : Gồm RANAP trên đỉnh giaodiện SS7 băng rộng và các lớp ứng dụng là phần điều khiển kết nối báo hiệu

Giao thức ứng dụng

Mạng báo hiệu báo hiệu Mạng số liệu Mạng

ALCAP

Luồng

số liệu

Phía điều khiển mạng truyền tải

Phía người sử dụng mạng truyền tải

Phía người sử dụng mạng truyền tải

SCCP, phần truyền bản tin MTP3-b, và lớp thích ứng báo hiệu ATM cho cácgiao diện mạng SAAL-NNI.

- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải : Gồm các giaothức báo hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630) và lớp thích ứng Q.2150 ởđỉnh các giao thức SS7 băng rộng

- Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng : Gồm một kết nối AAL2 đượcdành trước cho từng dịch vụ CS

- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải IU PS : Phía điềukhiển mạng truyền tải không áp dụng cho IU PS Các phần tử thông tin sử dụng

để đánh địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 giống như các phần tử thông tinđược sử dụng trong CS

- Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng Iu PS : Luồng số liệu gói đượcghép chung lên một hay nhiều AAL5 PVC (Permanent Virtual Connection).Phần người sử dụng GTP-U là lớp ghép kênh để cung cấp các nhận dạng chotừng luồng số liệu gói Các luồng số liệu sử dụng truyền tải không theo nốithông và đánh địa chỉ IP

-Giao diện RNC – RNC, I Ur

IUr là giao diện vô tuyến giữa các bộ điều khiển mạng vô tuyến Lúc đầugiao diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trongquá trình phát triển tiêu chuẩn nhiều tính năng đã được bổ sung và đến nay giaodiện IUr phải đảm bảo 4 chức năng sau :

32

- Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC.

- Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng

- Hỗ trợ kênh lưu lượng chung

- Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu

-Giao diện RNC – Node B, I Ub

Giao thức IUb định nghĩa cấu trúc khung và các thủ tục điều khiển trongbăng cho các từng kiểu kênh truyền tải Các chức năng chính của IUb :

- Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vôtuyến đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng

- Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vô tuyến

- Xử lý các kênh riêng và kênh chung

- Xử lý kết hợp chuyển giao

- Quản lý sự cố kết nối vô tuyến

2.3 Các giải pháp kĩ thuật trong W-CDMA

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các kỹ thuật trong WCDMA, các

kỹ thuật mã hóa, điều chế, nguyên lí trải phổ, cấu trúc phân kênh và kỹ thuậttruy nhập gói trong WCDMA

2.3.1 Mã hóa

a Mã vòng

Mã khối là bộ mã hóa chia dòng thông tin thành những khối tin (message)

có k bit Mỗi tin được biểu diễn bằng một khối k thành phần nhị phân u =(u1,u2, ,un), u được gọi là vector thông tin Có tổng cộng 2k vector thông tinkhác nhau Bộ mã hóa sẽ chuyển vector thông tin u thành một bộ n thành phần

v = (v1,v2, ,vn) được gọi là từ mã Như vậy ứng với 2k vector thông tin sẽ có 2k

từ mã khác nhau Tập hợp 2k từ mã có chiều dài n được gọi là một mã khối(n,k) Tỉ số R = k/n được gọi là tỉ số mã, R chính là số bit thông tin đưa vào bộgiải mã trên số bit được truyền Do n bit ra chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin

vào, bộ giải mã không cần nhớ và có thể được thực hiện bằng mạch logic tổhợp Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính.

Mã vòng là phương pháp mã hóa cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC –Cyclic Redundance Check) và chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin

Mã hóa mã vòng (n,k) dạng hệ thống gồm ba bước :

(1) Nhân đa thức thông tin u(x) với xn-k

(2) Chia xn-k.u(x) cho đa thức sinh g(x), ta được phần dư b(x)

1

b1

b1

++++

xn+k.u(x)

Thông tin

xn+k.u(x)

Các số kiểm tra chẵn lẻ

Các số kiểm tra chẵn lẻ

Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ

Cổng XORCổng XORCổng XORCổng XOR

Nguyên lý hoạt động :

Bước 1 : Cổng đóng cho thông tin qua mạch, k chữ số thông tin u0,u1, ,un-k được dịch vào mạch từ thiết bị đầu cuối để nhân trước u(x) với xn-k.Ngay sau khi thông tin được đưa vào mạch thì n-k chữ số còn lại trong thanhghi là những con số kiểm tra chẵn lẻ

Bước 2 : Cắt đứt đường hồi tiếp bằng cách điều khiển cho các cổng gi hở(không cho thông tin qua)

Bước 3 : Dịch các con số kiểm tra chẵn lẻ và đưa ra đường truyền Cácchữ số kiểm tra này kết hợp với k chữ số thông tin tạo thành vector mã

b Mã xoắn

Mã xoắn (Convolutional Code) (n,k,m) cũng có n đầu ra, k đầu vào như

mã khối (n,k) nhưng n đầu ra của mã xoắn phụ thuộc không chỉ vào k đầu vàotại thời gian đó mà còn phụ thuộc vào m khối bản tin trước đó Mã xoắn(n,k,m) được xây dựng bởi mạch dãy Mạch này dùng thanh ghi dịch m bit làm

bộ nhớ, các đầu ra của các phần tử nhớ được cộng với nhau theo quy luật nhấtđịnh để tạo nên chuổi mã, sau đó các chuổi này được ghép xen với nhau để tạonên chuổi mã đầu ra

c Mã Turbo

Mã hóa Turbo chỉ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế

hệ ba khi hoạt động ở tốc độ bit cao với yêu cầu tỉ số lỗi bit BER nằm trongkhoảng 10-3 đến 10-6 Bộ mã hóa turbo thực chất là bộ mã xoắn móc nối songsong PCCC (Parallel Concatenated Convolutional Code) với các bộ mã hóathành phần 8 trạng thái được sử dụng

2.4.2 Điều chế BIT/SK và QPSK

a Điều chế BIT/SK

Trong một hệ thống điều chế BIT/SK (BPSK – Binary Phase ShiftKeying) cặp tín hiệu s1(t) và s2(t) được sử dụng để biểu diễn các giá trị nhịphân Ta có

b

b

i( ) 2 cos2 (4.1)Trong đó :

Một cặp sóng sin đối pha 1800 như trên gọi là một cặp tín hiệu đối cực

36 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK

Luồng số cơ hai

c b

f T

b

E

2 cos

2

πNRZ

Luồng số tốc độ bit Rb được đưa qua bộ chuyển đổi về tín hiệu NRZ(0→1, 1→-1), sau đó nhân với sóng mang để được tín hiệu điều chế BIT/SK

Chọn một tín hiệu là cơ sở là trực chuẩn:

( f t)

T t

b

π2cos

2)(

Ta có :

( ) ( )t u t d E t

S i( )= b 1 (4.3)Khoảng cách giữa hai tín hiệu :

Xác suất lỗi trong BPSK:

1

N

E erfc

−+

=

T t t

T t i

t f T

E t

QPSK

;0,0

0,412

2cos

2)

T b : Thời gian một bit.

E = 2E b : Năng lượng tín hiệu phát đi trên một ký hiệu.

T = 2T b : Thời gian của một ký hiệu

f c : Tần số sóng mang, θ : góc pha ban đầu

T t t f i

T

E t

QPSK

;0,0

0,.2cos4.12cos

T t t f T

t Q

0,.2sin2

4.12sin

Q

i E

Xác suất lỗi trong QPSK:

2

N

E Q

QPSK e

Ta thấy xác suất lỗi của BPSK và QPSK là như nhau Tuy nhiên, vớiQPSK thì hiệu suất băng thông gấp 2 lần BPSK Băng thông của QPSK xấp xỉbằng Rb

2.4.3 Trải phổ trong W-CDMA

a Giới thiệu

Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấpnhiều lần độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền thông tin đi Sự trải phổđược thực hiện bởi tín hiệu trải phổ được gọi là mã trải phổ, mã trải phổ nàyđộc lập với dữ liệu.Tại phía thu, việc nén phổ (khôi phục lại thông tin ban đầu)được thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao đồng bộcủa mã trải phổ sử dụng ở phía phát

Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đềđược quan tâm hàng đầu Các hệ thống được thiết kế sao cho độ rộng băng tầncàng nhỏ càng tốt Trong W-CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phươngpháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằngphương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng(5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ Đối với các hệ thống thông tin trải

phổ (SS : Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng trước

khi được phát Tuy độ rộng băng tần tănglên rất nhiều nhưng lúc này nhiềungười sử dụng có thể dùng chung một băng tần trải phổ, do đó mà hệ thống vẫn

sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng được các ưu điểm của trảiphổ Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngượcvới quá trình trải phổ bên máy phát

Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau :

- Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) :Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫunhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit.

- Trải phổ nhảy tần (FHSS : Frequency Hopping Spreading Spectrum) :

Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập cáctần số Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên Tần số trong khoảng thời gianmột chip TC được cố định không đổi Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanhhoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơntốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại

- Trải phổ nhảy thời gian (THSS : Time Hopping Spreading Spectrum) :

Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quảngtrong một hay nhiều khe thời gian Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khethời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung

Trong hệ thống DSSS, tất cả các người sử dụng cùng dùng chung mộtbăng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫunhiên chính xác để lấy ra tín hiệu bằng cách nén phổ Các tín hiệu khác xuấthiện ở dạng nhiễu phổ rộng, công suất thấp giống tạp âm Trong các hệ thốngFHSS và THSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã ngẫu nhiên sao chokhông có cặp máy phát nào dùng chung tần số hoặc khe thời gian, như vậy cácmáy phát sẽ tránh bị xung đột Nói cách khác DSSS là kiểu hệ thống lấy trungbình, FHSS và THSS là kiểu hệ thống tránh xung đột Hệ thống thông tin diđộng công nghệ CDMA chỉ sử dụng DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phổDSSS

b Nguyên lý trải phổ DSSS

Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) :Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫunhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit

40