giới thiệu, hướng dẫn sử dụng và nêu tình hình phát triển 3g ở việt nam

Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di ñộng 3G Mạng thông tin di ñộng TTDð 3G lúc ñầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói PS và chuyển mạch kênh CS ñể truyền số liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ðỘNG 3G WCDMA

1.1 Khái niệm về mạng thông tin di ñộng 3G

3G (third generation technology) là tiêu chuẩn truyền thông di ñộng băng thông rộng thế hệ thứ 3 tuân thủ theo các chỉ ñịnh trong IMT-2000 của ITU (Tổ chức viễn thông thế giới) Chuẩn 3G cho phép truyền không dây dữ liệu thoại và phi thoại (gửi email, hình ảnh, video )

ðối với người sử dụng thông thường, dịch vụ nổi bật dễ nhận thấy của 3G là

sử dụng ñiện thoại video Tuy nhiên, trên thực tế tại các nước ñã phát triển thì các dịch vụ ñược sử dụng nhiều nhất lại là Mobile Internet, Live TV (truyền hình trực tiếp trên ðTDð), VOD/MOD (xem phim/nghe nhạc theo yêu cầu)

Các chuẩn 3G: Có 2 mạng chính ñược xây dựng trên nền tảng công nghệ 3G: UMTS (Universal Mobile Telephone Service) - hiện ñang ñược triển khai trên mạng GSM sẵn có; và CDMA2000 - mang ñến khả năng truyền tải dữ liệu ở mức 3G cho mạng CDMA Cả UMTS và CDMA2000 ñã ñược triển khai tại Mỹ từ cách ñây hơn

1 năm Tốc ñộ của hai mạng này có thể sánh bằng với chất lượng của kết nối DSL Trong khi ñó, các công nghệ di ñộng tương lai như 3,5G và 4G (HSDPA và WiMax)

sẽ có khả năng kết nối bằng modem cáp, và tốc ñộ kết nối tương ñương với mạng Gigabyte Ethernet

Người dùng máy tính xách tay cũng có thể sử dụng ñược mạng 3G, thay cho kết nối băng rộng mà không cần tới mạng Wi-Fi Tất cả những gì bạn cần là một chiếc PC Card ñược nhà cung cấp dịch vụ hỗ trợ

Hiện tại, 3G ñược chia ra tới 6 chuẩn về công nghệ bao gồm :

• CDMA Direct Spread (thường ñược biết dưới tên WCDMA)

• CDMA Multi-Carrier (thường ñược biết dưới tên CDMA 2000)

• CDMA TDD

• OFDMA TDD WMAN (thường ñược biết dưới tên WiMAX di ñộng) Trong ñó chỉ có 3 công nghệ ñược biết ñến nhiều nhất và phát triển thành công là WCDMA, CDMA 2000 và WiMAX di ñộng

1.2 Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di ñộng 3G

Mạng thông tin di ñộng (TTDð) 3G lúc ñầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) ñể truyền số liệu gói và tiếng Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM Trên ñường phát triển ñến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần ñược thay thế bằng chuyển mạch gói Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ ñược truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói Hình 1.4 dưới ñây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDð 3G kết hợp

cả CS và PS trong mạng lõi

RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến

BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc

BSC: Base Station Controller: bộ ñiều khiển trạm gốc

RNC: Rado Network Controller: bộ ñiều khiển trạm gốc

CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh

PS: Packet Switch: chuyển mạch gói

SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin

Server: máy chủ

PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng ñiện thoại chuyển mạch công cộng

PLMN: Public Land Mobile Network: mang di ñộng công cộng mặt ñất

Hình 1.1 Kiến trúc tổng quát của một mạng di ñộng kết hợp cả CS và PS

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) ñược thể hiện bằng một nhóm các ñơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này ñược ñặt vào các thiết bị và các nút vật lý Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất ñể ñược một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng ñến lưu lượng số liệu dung lượng lớn

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di ñộng toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ ña truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: ña truy nhập phân chia theo mã băng rộng) ñược gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất của UMTS) Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ ña truy nhập TDMA ñược gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM) Tài liệu chỉ xét ñề cập ñến công nghệ duy nhất trong ñó UMTS ñược gọi là 3G WCDMA UMTS

1.3 Các loại lưu lượng và dịch vụ ñược mạng thông tin di ñộng 3GWCDMA hỗ trợ

Vì TTDð 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh Ngoài ra TTDð 3G cũng ñược sử dụng cho các dịch vụ tiếng Nói chung TTDð 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông ña phương tiện Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần ñảm bảo một mức QoS nhất ñịnh tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ QoS ở W-CDMA ñược phân loại như sau:

Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (thoại

chẳng hạn)

Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều ựòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ

(phân phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming)

Loại tương tác (Interactive, nrt): đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất ựịnh và tỷ

lệ lỗi thấp (trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn)

Loại nền (Background, nrt): đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất ựược thực hiện trên

nền cơ sở (e-mail, tải xuống file: Video Download)

Môi trường hoạt ựộng của 3WCDMA UMTS ựược chia thành bốn vùng với các tốc ựộ bit Rb phục vụ như sau:

Ớ Vùng 1: trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2Mbps

Ớ Vùng 2: thành phố, ô micro, Rb ≤ 384 kbps

Ớ Vùng 2: ngoại ô, ô macro, Rb ≤ 144 kbps

Ớ Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 12,2 kbps

Có thể tổng kết các dịch vụ do 3GWCDMA UMTS cung cấp ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ thoại Dịch vụ di ựộng Di ựộng ựầu cuối/di ựộng cá nhân/di ựộng dịch

vụ Dịch vụ thông tin ựịnh vị

- Theo dõi di ựộng/ theo dõi di ựộng thông minh

Dịch vụ âm thanh - Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64

kbps)

- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps)

- Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps) Dịch vụ

Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps-2Mbps)

Dịch vụ

Internet

Dịch vụ Internet thời gian thực

Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ internet

ña phương tiện

Dịch vụ Website ña phương tiện thời gian thực (≥ 2Mbps)

3G WCDMA UMTS ñược xây dựng theo ba phát hành chính ñược gọi là R3, R4, R5 Trong ñó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói) Việc kết hợp này phù hợp cho giai ñoạn ñầu khi PS chưa ñáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh Khi này miền CS sẽ ñảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu ñược truyền trên miền PS R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch ñều trên IP

Dưới ñây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên

1.4 Kiến trúc mạng thông tin di ñộng 3G WCDMA

Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3 UMTS tận dụng kiến trúc ñã có trong hầu hết các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2, và thậm chí cả thế hệ thứ nhất ðiều này ñược chỉ ra trong các ñặc tả kỹ thuật 3GPP

Hệ thống UMTS bao gồm một số các phần tử mạng logic, mỗi phần tử có một

có một chức năng xác ñịnh Theo tiêu chuẩn, các phần tử mạng ñược ñịnh nghĩa tại mức logic, nhưng có thể lại liên quan ñến việc thực thi ở mức vật lý ðặc biệt là khi

có một số các giao diện mở (ñối với một giao diện ñược coi là “mở”, thì yêu cầu giao diện ñó phải ñược ñịnh nghĩa một cách chi tiết về các thiết bị tại các ñiểm ñầu cuối

mà có thể cung cấp bởi 2 nhà sản xuất khác nhau) Các phần tử mạng có thể ñược nhóm lại nếu có các chức năng giống nhau, hay dựa vào các mạng con chứa chúng Theo chức năng thì các phần tử mạng ñược nhóm thành các nhóm:

+ Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất UMTS là UTRAN) Mạng này thiết lập tất cả các chức năng liên quan ñến vô tuyến

+ Mạng lõi (CN): Thực hiện chức năng chuyển mạch và ñịnh tuyến cuộc gọi và kết nối dữ liệu ñến các mạng ngoài

+ Thiết bị người sử dụng (UE) giao tiếp với người sử dụng và giao diện vô tuyến

Kiến trúc hệ thống ở mức cao ñược chỉ ra trong hình 1.2

Hình 1- 2 Kiến trúc hệ thống UMTS ở mức cao

Theo các ñặc tả chỉ ra trong quan ñiểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN ñều bao gồm các giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới Ngược lại, việc ñịnh nghĩa mạng lõi (CN) ñược kế thừa từ GSM ðiều này ñem lại cho hệ thống có công nghệ truy nhập vô tuyến mới một nền tảng mang tính toàn cầu là công nghệ mạng lõi ñã có sẵn, như vậy sẽ thúc ñẩy sự quảng bá của nó, mang lại ưu thế cạnh tranh chẳng hạn như khả năng roaming toàn cầu

Hệ thống UMTS có thể chia thành các mạng con có thể hoạt ñộng ñộc lập hoặc hoạt ñộng liên kết các mạng con khác và nó phân biệt với nhau bởi số nhận dạng duy nhất Mạng con như vậy gọi là mạng di ñộng mặt ñất UMTS (PLMN), các thành phần của PLMN ñược chỉ ra trong hình 1.3

Hình 1- 3 Các thành phần của mạng trong PLMN

Thiết bị người sử dụng (UE) bao gồm 2 phần:

• Thiết bị di ñộng (ME) là ñầu cuối vô tuyến sử dụng ñể giao tiếp vô tuyến qua

giao diện Uu

• Modul nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là một thẻ thông minh ñảm nhận

việc xác nhận dạng và nhận thực thuê bao, lưu giữ khoá mã mật, khoá nhận thực

và một số các thông tin về thuê bao cần thiết tại ñầu cuối

UTRAN cũng bao gồm 2 phần tử:

• Nút B: chuyển ñổi dữ liệu truyền giữa giao diện Iub và Uu Nó cũng tham gia

vào quản lý tài nguyên vô tuyến

• Bộ ñiều khiển mạng vô tuyến (RNC) sở hữu và ñiều khiển nguồn tài nguyên vô

tuyến trong vùng của nó (gồm các Nút B nối với nó) RNC là ñiểm truy cập dịch

vụ cho tất cả các dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi

Các phần tử chính của mạng lõi:

• HLR (Bộ ñăng ký thường trú) là một cơ sở dữ liệu trong hệ thống thường trú của

người sử dụng, lưu trữ các bản gốc các thông tin hiện trạng dịch vụ người sử dụng, hiện trạng về dịch vụ bao gồm: thông tin về dịch vụ ñược phép sử dụng, các vùng roaming bị cấm, thông tin các dịch vụ bổ sung như: trạng thái các cuộc gọi ñi, số các cuộc gọi ñi… Nó ñược tạo ra khi người sử dụng mới ñăng ký thuê bao với hệ thống, và ñược lưu khi thuê bao còn thời hạn Với mục ñích ñịnh tuyến các giao dịch tới UE (các cuộc gọi và các dịch vụ nhắn tin ngắn), HLR còn lưu trữ các thông tin vị trí của UE trong phạm vi MSC/VLR hoặc SGSN

• MSC/VLR (Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di ñộng/Bộ ñăng ký tạm trú) là một

bộ chuyển mạch(MSC) và cơ sở dữ liệu(VLR) phục vụ cho UE ở vị trí tạm thời của nó cho các dịch vụ chuyển mạch kênh Chức năng MSC ñược sử dụng ñể chuyển mạch các giao dịch sử dụng chuyển mạch kênh, chức năng VLR là lưu trữ bản sao về hiện trạng dịch vụ người sử dụng là khách và thông tin chính xác về vị trí của thuê bao khách trong toàn hệ thống Phần của hệ thống ñược truy nhập thông qua MSC/VLR thường là chuyển mạch kênh

• GMSC – (MSC cổng): là một bộ chuyển mạch tại vị trí mà mạng di ñộng mặt ñất

công cộng UMTS kết nối với mạng ngoài Tất các kết nối chuyển mạch kênh ñến

và ñi ñều phải qua GMSC

• SGSN (Nút hỗ trợ GPRS phục vụ) có chức năng tương tự như MSC/VLR nhưng

thường ñược sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói

• GGSN (Node cổng hỗ trợ GPRS) có chức năng gần giống GMSC nhưng phục vụ

các dịch vụ chuyển mạch gói

Mạng ngoài có thể chia thành 2 nhóm:

• Các mạng chuyển mạch kênh: Các mạng này cung cấp các kết nối chuyển mạch

kênh, giống như dịch vụ ñiện thoại ñang tồn tại Ví dụ như ISDN và PSTN

• Các mạng chuyển mạch gói: Các mạng này cung cấp các kết nối cho các dịch vụ

dữ liệu gói, chẳng hạn như mạng Internet

Các giao diện mở cơ bản của UMTS:

• Giao diện Cu: ðây là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này

tuân theo tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh

• Giao diện Uu: ðây là giao diện vô tuyến WCDMA Uu là giao diện nhờ ñó UE

truy cập ñược với phần cố ñịnh của hệ thống, và vì thế có thể là phần giao diện mở quan trọng nhất trong UMTS

• Giao diện Iu: Giao diện này kết nối UTRAN tới mạng lõi Tương tự như các giao

diện tương thích trong GSM, là giao diện A (ñối với chuyển mạch kênh), và Gb (ñối với chuyển mạch gói), giao diện Iu ñem lại cho các bộ ñiều khiển UMTS khả năng xây dựng ñược UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

• Giao diện Iur: Giao diện mở Iur hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC từ các

nhà sản xuất khác nhau, và vì thế bổ sung cho giao diện mở Iu

• Giao diện Iub: Iub kết nối một Nút B và một RNC UMTS là một hệ thống ñiện

thoại di ñộng mang tính thương mại ñầu tiên mà giao diện giữa bộ ñiều khiển và trạm gốc ñược chuẩn hoá như là một giao diện mở hoàn thiện Giống như các giao diện mở khác, Iub thúc ñẩy hơn nữa tính cạnh tranh giữa các nhà sản xuất trong lĩnh vực này

1.5 Kiến trúc các phiên bản mạng thông tin di ñộng 3G

1.5.1 Kiến trúc mạng thông tin di ñộng 3G WCDMA UMTS R3

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: ñến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS Các kết nối tốc ñộ cao này ñảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di ñộng giống như trong các mạng ñiện thoại cố ñịnh và Internet Các dịch vụ này gồm: ñiện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc ñộ truyền cao tại ñầu cuối Một tính năng khác cũng ñược ñưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" ñến Internet UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di ñộng (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.4) UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị ñầu cuối (TE), thiết bị di ñộng (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module) UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ ñiều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi trường nhà) HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi ñịnh vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị)

Hình 1.4 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

1.5.1.1 Thiết bị người sử dụng (UE)

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là ñầu cuối mạng UMTS của người sử dụng Có thể nói ñây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạo ñiều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS ðiều này ñạt ñược nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài ñặt mọi trí tuệ tại các card thông minh

1 Các ñầu cuối (TE)

Vì máy ñầu cuối bây giờ không chỉ ñơn thuần dành cho ñiện thoại mà còn cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó ñược chuyển thành ñầu cuối Các nhà sản xuất chính ñã ñưa ra rất nhiều ñầu cuối dựa trên các khái niệm mới, nhưng trong thực

tế chỉ một số ít là ñược ñưa vào sản xuất Mặc dù các ñầu cuối dự kiến khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng ñều có màn hình lớn và ít phím hơn so với 2G

Lý do chính là ñể tăng cường sử dụng ñầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn và vì thế ñầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di ñộng, modem và máy tính bàn tay

ðầu cuối hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu ñịnh nghĩa liên kết vô tuyến (giao diện WCDMA) Nó ñảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS Giao diện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và ñầu cuối Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh

Mặc dù các nhà sản xuất ñầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân theo một tập tối thiểu các ñịnh nghĩa tiêu chuẩn ñể các người sử dụng bằng các ñầu cuối khác nhau có thể truy nhập ñến một số các chức năng cơ sở theo cùng một cách

Các tiêu chuẩn này gồm:

• Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình)

• ðăng ký mật khẩu mới

• Thay ñổi mã PIN

• Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)

• Trình bầy IMEI

• ðiều khiển cuộc gọi

Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng

sẽ chọn cho mình ñầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) là thiết kế và giao diện Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cung cấp (màn hình nút chạm), các phím và menu

USIM chứa các hàm và số liệu cần ñể nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao

Người sử dụng phải tự mình nhận thực ñối với USIM bằng cách nhập mã PIN ðiểu này ñảm bảo rằng chỉ người sử dụng ñích thực mới ñược truy nhập mạng

UMTS Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng ñầu cuối dựa trên nhận dạng USIM ñược ñăng ký

1.5.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN Nó gồm các phần tử ñảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và ñiều khiển chúng

UTRAN ñược ñịnh nghĩa giữa hai giao diện Giao diện Iu giữa UTRAN và

CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B

RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào Người

sử dụng ñược kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khi người sử dụng chuyển vùng ñến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng ñến CN Vai trò logic của SRNC và DRNC ñược mô tả trên hình 1.5 Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur Chỉ một trong số các RNC này (SRNC) là ñảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ ñịnh tuyến thông tin giữa các Iub và Iur

Chức năng cuối cùng của RNC là RNC ñiều khiển (CRNC: Control RNC) Mỗi nút

B có một RNC ñiều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó

Hình 1.5 kết nối logic của SRNC và DRNC

1.5.1.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN) ñược chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE Miền PS ñảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối ñến Internet và các

mạng số liệu khác và miền CS ñảm bảo các dịch vụ ñiện thoại ñến các mạng khác bằng các kết nối TDM Các nút B trong CN ñược kết nối với nhau bằng ñường trục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc ñộ cao như ATM và IP Mạng ñường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP

1 SGS

SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là nút chính của miền chuyển mạch gói Nó nối ñến UTRAN thông qua giao diện IuPS và ñến GGSN thông quan giao diện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin ñăng ký thuê bao

và thông tin vị trí thuê bao

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

• IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di ñộng quốc tế)

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

• Các ñịa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

• Vùng ñịnh tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:

• IMSI

• Các ñịa chỉ PDP

Số liệu vị trí lưu trong GGSN:

• ðịa chỉ SGSN hiện thuê bao ñang nối ñến

GGSN nối ñến Internet thông qua giao diện Gi và ñến BG thông qua Gp

Số liệu sau ñây ñược lưu trong VLR:

• IMSI

• MSISDN

• TMSI (nếu có)

• LA hiện thời của thuê bao

• MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối ñến

Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao ñược cung cấp

Cả SGSN và MSC ñều ñược thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế ñược gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC

5 MSC

MSC thực hiện các kết nối CS giữa ñầu cuối và mạng Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khả năng hơn Các kết nối CS ñược thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và MSC Các MSC ñược nối ñến các mạng ngoài qua GMSC

6 GMSC

GMSC có thể là một trong số các MSC GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng ñịnh tuyến ñến vùng có MS Khi mạng ngoài tìm cách kết nối ñến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS

7 Môi trường nhà

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết ñể nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp Tất cả các dịch vụ ñược cung cấp và các dịch vụ bị cấm ñều ñược liệt kê ở ñây

Bộ ghi ñịnh vị thường trú (HLR)

HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di ñộng Một mạng di ñộng có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng

Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di ñộng quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuê bao có trong danh bạ ñiện thoại) và ít nhất một ñịa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói) Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá ñể truy nhập ñến các thông tin ñược lưu khác ðể ñịnh tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện ñang chịu trách nhiệm thuê bao Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc ñộ số liệu và thư thoại cũng

có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường ñược thực hiện trong cùng một nút vật lý HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và ñăng ký thuê bao

Như: thông tin tính cước, các dịch vụ nào ñược cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện VLR và SGSN nào ñang phụ trách người sử dụng

Trung tâm nhận thực (AuC)

AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết ñể nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng Nó liên kết với HLR

và ñược thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý Tuy nhiên cần ñảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV: Authetication Vector) cho HLR

AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạo khóa từ f0 ñến f5 Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ

Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR)

EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị di ñộng quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity) ðây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị ñầu cuối Cơ sở dữ liệu này ñược chia thành ba danh mục: danh mục trắng, xám và ñen Danh mục trắng chứa các số IMEI ñược phép truy nhập mạng Danh mục xám chứa IMEI của các ñầu cuối ñang bị theo dõi còn danh mục ñen chứa các số IMEI của các ñầu cuối bị cấm truy nhập mạng Khi một ñầu cuối ñược thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị ñặt vào danh mục ñen vì thế nó bị cấm truy nhập mạng Danh mục này cũng có thể ñược sử dụng ñể cấm các seri máy ñặc biệt không ñược truy nhập mạng khi chúng không hoạt ñộng theo tiêu chuẩn

1.5.1.4 Các mạng ngoài

Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cần thiết ñể ñảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác Các mạng ngoài có thể là các mạng ñiện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di ñộng mặt ñất công cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng ñiện thoại chuyển mạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet Miền PS kết nối ñến các mạng số liệu còn miền CS nối ñến các mạng ñiện thoại

1.5.1.5 Các giao diện

Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ ñược ñịnh nghĩa thông qua các giao diện khác nhau Các giao diện này ñược ñịnh nghĩa chặt chẽ ñể các nhà sản xuất

có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ

√ Giao diện Cu Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh

Trong UE ñây là nơi kết nối giữa USIM và UE

√ Giao diện Uu Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong

UMTS ðây là giao diện mà qua ñó UE truy nhập vào phần cố ñịnh của mạng Giao diện này nằm giữa nút B và ñầu cuối

√ Giao diện Iu Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN Nó gồm hai phần, IuPS

cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh CN có thể kết

nối ñến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS Nhưng một UTRAN

chỉ có thể kết nối ñến một ñiểm truy nhập CN

√ Giao diện Iur ðây là giao diện RNC-RNC Ban ñầu ñược thiết kế ñể ñảm bảo

chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính

năng mới ñược bổ sung Giao diện này ñảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:

1 Di ñộng giữa các RNC

2 Lưu thông kênh riêng

3 Lưu thông kênh chung

4 Quản lý tài nguyên toàn cục

√ Giao diện Iub Giao diện Iub nối nút B và RNC Khác với GSM ñây là giao diện mở

1.5.2 Kiến trúc mạng thông tin di ñộng 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.6 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4 Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm ñược ñưa vào

Về căn bản, MSC ñược chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway) MSC chứa tất cả các phần mềm ñiều khiển cuộc gọi, quản

lý di ñộng có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW ñược MSC Server ñiều khiển và có thể ñặt xa MSC Server

Hình 1.6 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Báo hiệu ñiều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh ñược thực hiện giữa RNC

và MSC Server ðường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh ñược thực hiện giữa RNC và MGW Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và ñịnh tuyến

các cuộc gọi này ñến nơi nhận trên các ñường trục gói Trong nhiều trường hợp

ñường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time

Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP) Từ hình 1.6 ta thấy lưu lượng số

liệu gói từ RNC ñi qua SGSN và từ SGSN ñến GGSN trên mạng ñường trục IP Cả

số liệu và tiếng ñều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi ðây là mạng truyền tải hoàn toàn IP

Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển ñến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ

có một cổng các phương tiện khác (MGW) ñược ñiều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server) MGW này sẽ chuyển tiếng thoại ñược ñóng gói thành PCM tiêu chuẩn ñể ñưa ñến PSTN Như vậy chuyển ñổi mã chỉ cần thực hiện tại ñiểm này ðể thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến ñược truyền tại tốc ñộ 12,2 kbps, thì tốc ñộ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm ñáng kể ñộ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau

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

khiển cuộc gọi bất kỳ 3GPP ñề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức ðiều khiển

cuộc gọi ñộc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) ñược xây dựng

trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU

Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN Khi này cuộc gọi ñến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm ñáng kể ñầu tư

ðể làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC ñược ñặt tại thành phố A và ñược ñiều khiển bởi một MSC ñặt tại thành phố B Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố

A ñến thành phố B (nơi có MSC) ñể ñấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố

A Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể ñược ñiều khiển tại MSC Server ở thành phố B nhưng ñường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậy giảm ñáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng

Từ hình 1.6 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể ñược gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: Home Subscriber Server) HSS và HLR có chức năng tương ñương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 Ngoài ra còn có các giao diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS Rất nhiều giao thức ñược sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ

sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao diện này ñược thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW) ðây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên ñường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn) Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS

liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải ñược thiết kế ñặc biệt ñể mang các bản tin SS7 ở mạng IP Bộ giao thức này ñược gọi là Sigtran

1.5.3 Kiến trúc mạng thông tin di ñộng 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là ñưa ra kiến trúc mạng ña phương tiện

IP (hình 1.7) Bước phát triển này thể hiện sự thay ñổi toàn bộ mô hình cuộc gọi Ở ñây cả tiếng và số liệu ñược xử lý giống nhau trên toàn bộ ñường truyền từ ñầu cuối của người sử dụng ñến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu

Hình 1.7 Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6 ðiểm mới của R5 và R6 là nó ñưa ra một miền mới ñược gọi là phân hệ ña phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) ðây là một miền mạng IP ñược thiết kế ñể hỗ trợ các dịch vụ ña phương tiện thời gian thực IP Từ hình 1.7 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không

có MGW riêng

Phân hệ ña phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng ñiều khiển

trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên ña phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng ñiều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway)

Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng ñược tăng cường rất nhiều Nhiều phần mềm ñược cài ñặt ở UE Trong thực tế, UE hỗ trợ

giao thức khởi ñầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol) UE trở thành một tác

nhân của người sử dụng SIP Như vậy, UE có khả năng ñiều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều

CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên ña phương tiện ñến và từ người sử dụng Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và ñịnh tuyến CSCF hoạt ñộng như một ñại diện Server /hộ tịch viên

SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút ñược sử dụng ở GPRS và UMTS R3 và R4 ðiểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ

hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn) Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng

Chức năng tài nguyên ña phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi ñược

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

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 ñể ñảm bảo tương

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

Sigtran Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút ñảm bảo tương tác báo

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

MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức ñường truyền ña phương tiện MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ở R4 MGW

ñược ñiều khiển bởi Chức năng cổng ñiều khiển các phương tiện (MGCF) Giao thức

ñiều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248

MGCF cũng liên lạc với CSCF Giao thức ñược chọn cho giao diện này là SIP Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miền chuyển mạch kênh trong R3 và R4 ðiều này cho phép chuyển ñồi dần dần từ các phiên bản R3 và R4 sang R5 Một số các cuộc gọi thoại có thể vẫn sử dụng miền CS một số các dịch vụ khác chẳng hạn video có thể ñược thực hiện qua R5 IMS Cấu hình lai ghép ñược thể hiện trên hình 1.8

Hình 1.8 Chuyển ñổi dần từ R4 sang R5

1.6 Cấu hình ñịa lý của hệ thống thông tin di ñộng 3G

Do tính chất di ñộng của thuê bao di ñộng nên mạng di ñộng phải ñược tổ chức theo một cấu trúc ñịa lý nhất ñịnh ñể mạng có thể theo dõi ñược vị trí của thuê bao

1.6.1 Phân chia theo vùng mạng

Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào ñó phải ñược thực hiện thông qua tổng ñài cổng Các vùng mạng di ñộng 3G ñược ñại diện bằng tổng ñài cổng GMSC hoặc GGSN Tất cả các cuộc gọi ñến một mạng di ñộng từ một mạng khác ñều ñược ñịnh tuyến ñến GMSC hoặc GGSN Tổng ñài này làm việc như một tổng ñài trung kế vào cho mạng 3G ðây là nơi thực hiện chức năng hỏi ñể ñịnh tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di ñộng GMSC/GGSN cho phép hệ thống ñịnh tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngoài ñến nơi

nhận cuối cùng: các trạm di ñộng bị gọi

1.6.2 Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN

Một mạng thông tin di ñộng ñược phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này ñược phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 1.9a) hay SGSN (1.9b) Ta gọi ñây là vùng phục vụ của MSC/VLR hay SGSN

Hình 1.9 Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN

ðể ñịnh tuyến một cuộc gọi ñến một thuê bao di ñộng, ñường truyền qua mạng

sẽ ñược nối ñến MSC ñang phục vụ thuê bao di ñộng cần gọi Ở mỗi vùng phục vụ MSC/VLR thông tin về thuê bao ñược ghi lại tạm thời ở VLR Thông tin này bao gồm hai loại:

• Thông tin về ñăng ký và các dịch vụ của thuê bao

• Thông tin về vị trí của thuê bao (thuê bao ñang ở vùng ñịnh vị hoặc vùng ñịnh tuyến nào)

1.6.3 Phân chia theo vùng ñịnh vị và vùng ñịnh tuyến

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR ñược chia thành một số vùng ñịnh vị: LA (Location Area) (hình 1.10a) Mỗi vùng phục vụ của SGSN ñược chia thành các vùng ñịnh tuyến (RA: Routing Area) (1.10b)

Hình 1.10 Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng ñịnh vị

(LA: Location Area) và ñịnh tuyến (RA: Routing Area)

Vùng ñịnh vị (hay vùng ñịnh tuyến là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR (hay SGSN) mà ở ñó một trạm di ñộng có thể chuyển ñộng tự do và không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR (hay SGSN) quản lý vị trí này Có thể nói vùng ñịnh vị (hay vùng ñịnh tuyến) là vị trí cụ thể nhất của trạm di ñộng mà mạng cần biết ñể ñịnh tuyến cho một cuộc gọi ñến nó Ở vùng ñịnh vị này thông báo tìm sẽ ñược phát quảng bá ñể tìm thuê bao di ñộng bị gọi Hệ thống có thể nhận dạng vùng ñịnh vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng ñịnh vị (LAI: Location Area Identity) hay nhận dạng vùng ñịnh tuyến (RAI Routing Area Identity) Vùng ñịnh vị (hay vùng ñịnh tuyến) có thể bao gồm một số ô và thuộc một hay nhiều RNC, nhưng chỉ thuộc một MSC (hay một SGSN)

1.6.4 Phân chia theo ô

Vùng ñịnh vị hay vùng ñịnh tuyến ñược chia thành một số ô (hình 1.11)

Hình 1.11 Phân chia LA và RA

Ô là một vùng phủ vô tuyến ñược mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI: Cell Global Identity) Trạm di ñộng nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC: Base Station Identity Code) Vùng phủ của các ô thường ñược mô phỏng bằng hình lục giác ñể tiện cho việc tính toán thiết kế

1.6.5 Mẫu ô (Cell)

Mẫu ô có hai kiểu: vô hướng ngang (omnidirectional) và phân ñoạn

(sectorized) Các mẫu này ñược cho trên hình 1.12

Hình 1.12 Các kiểu Cell

Ô vô hướng ngang (hình 1.12a) nhận ñược từ phát xạ của một anten có búp sóng tròn trong mặt ngang (mặt phẳng song song với mặt ñất) và búp sóng có hướng chúc xuống mặt ñất trong mặt ñứng (mặt phẳng vuông góc với mặt ñất) Ô phân ñoạn (hình 1.12b) là ô nhận ñược từ phát xạ của ba anten với hướng phát xạ cực ñại lệch nhau 1200 Các anten này có búp sóng dạng nửa số 8 trong mặt ngang và trong mặt ñứng búp sóng của chúng chúc xuống mặt ñất Trong một số trường hợp ô phân ñoạn

có thể ñược tạo ra từ phát xạ của nhiều hơn ba anten Trong thực tế mẫu ô có thể rất

ña dạng tùy vào ñịa hình cần phủ sóng Tuy nhiên các mẫu ô như trên hình 1.12 thường ñược sử dụng ñể thiết kế cho sơ ñồ phủ sóng chuẩn

1.6.6 Tổng kết chương

Chương này trước hết xét tổng quan về mạng 3G WCDMA UMTS, các khái

niệm về 3G và các kiến trúc của hệ thống thông tin di ñộng 3G Các phát hành ñánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS ñược xét: R3, R4, R5

và R6 R3 bao gồm hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong ñó kết nối giữa các nút chuyển mạch gọi là TDM (ghép kênh theo thời gian) R4 là sự phát triển của R3 trong ñó miền chuyển mạch kênh chuyển thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng bằng IP R5 và R6 hỗ trợ các dịch vụ ña phương tiện IP hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói Hiện nay mạng 3GWCDMA UMTS ñang ở giai doạn

chuyển dần từ R4 sang R5

CHƯƠNG II

KỸ THUẬT CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ðỘNG

3G-WCDMA

2.1 Trải phổ và ña truy nhập phân chia theo mã

2.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin trải phổ

Hệ thống thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin ñể truyền các tín hiệu nhờ trải phổ của các tín hiệu số liệu thông tin thông qua ñiều chế tín hiệu gốc với mã trải phổ, trong ñó mã trải phổ (mã PN) có ñộ rộng băng lớn hơn nhiều lần các tín hiệu số liệu thông tin gốc Mã trải phổ trong trường hợp này ñộc lập với tín hiệu số liệu thông tin

ε ε ε

Hình 2.1: Mô hình hệ thống thông tin trải phổ

Nguyên lý:

Máy phát:

Bước 1: ñiều chế sơ cấp tín hiệu băng hẹp Sn

Bước 2: ñiều chế cấp 2, sử dụng kỹ thuật trải phổ ký hiệu ε() Kết quả là máy thu mở rộng tín hiệu ñến băng tần rộng Sw

Máy thu:

Bước 1: quá trình nén phổ ñược thực hiện ký hiệu ε-1(), thực chất của quá trình nén phổ là sự tương quan tín hiệu thu ñược Sw với bản sao mã trải phổ ñược ñồng bộ, do vậy ε-1() = ε()

Bước 2: tín hiệu trải phổ băng rộng ñược khôi phục về dạng gốc Sn của tín hiệu băng hẹp, ñến ñây tín hiệu băng hẹp ñược giải ñiều chế về tín hiệu ban ñầu

Tín hiệu trải phổ có nhiều thuộc tính khác biệt so với các tín hiệu băng hẹp thông thường, cụ thể:

1) Khả năng ña truy nhập

Nếu nhiều người truyền tín hiệu trải phổ cùng một thời ñiểm, máy thu vẫn có khả năng phân biệt tín hiệu ñối với mỗi người sử dụng do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các dãy mã này có mức tương quan chéo ñủ nhỏ Việc tương quan giữa tín hiệu thu ñược với một dãy mã trải phổ ứng với một người sử dụng nào ñó sẽ chỉ làm cho phổ của tín hiệu người sử dụng ñó co hẹp trong khi các tín hiệu của người sử dụng khác vẫn trải rộng trên băng tần truyền dẫn Do ñó, trong băng tần thông tin chỉ

có công suất tín hiệu của người sử dụng ñang quan tâm là lớn

2) Khả năng chống nhiễu ña ñường

Tín hiệu tới máy thu qua nhiều ñường khác nhau ngoài ñường trực tiếp còn do nguyên nhân phản xạ Các tín hiệu ña ñường này có biên ñộ và pha khác nhau làm tăng tín hiệu tổng ở một vài tần số và làm giảm tín hiệu tổng ở các tần số khác Trong miền tần số, hiện tượng này làm cho tín hiệu bị giãn rộng

ðối với tín hiệu băng rộng, chính hiện tượng này tạo nên sự phân tập tần số một cách tự nhiên, có tác dụng chống fading chọn lọc

3) Khả năng bảo mật

Tín hiệu ñược truyền ñi chỉ có thể ñược nén phổ và dữ liệu ban ñầu ñược khôi phục khi máy thu biết mã trải phổ ñã sử dụng cho thông tin ñó

4) Khả năng loại trừ nhiễu

Việc tương quan chéo giữa mã trải phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải rộng công suất của tín hiệu băng hẹp Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong băng tần thông tin

Tín hiệu trải phổ (s) chịu ảnh hưởng của nhiễu băng hẹp (i) Tại máy thu, tín hiệu trải phổ ñược nén trong khi tín hiệu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện như một tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn

Hình 2.2 Khả năng loại trừ nhiễu 5) Xác xuất phát hiện thấp

Vì mật ñộ công suất của tín hiệu thấp nên tín hiệu trải phổ khó có thể bị phát hiện 2.1.2 Các hệ thống thông tin trải phổ

Trong các hệ thống thông tin thông thường ñộ rộng băng tần là vấn ñề quan tâm chính và các hệ thống này ñược thiết kế ñể sử dụng càng ít ñộ rộng băng tần càng tốt Trong các hệ thống ñiều chế biên ñộ song biên, ñộ rộng băng tần cần thiết

ñể phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần ñộ rộng băng tần của nguồn này Trong các hệ thống ñiều tần ñộ rộng băng tần này có thể bằng vài lần ñộ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số ñiều chế ðối với một tín hiệu số, ñộ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc ñộ bit của nguồn ðộ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc và kiểu ñiều chế (BPSK, QPSK v.v )

Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) ñộ rộng băng tần của tín hiệu ñược mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi ñược phát Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy

không có hiệu quả Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì ñược các ưu ñiểm của trải phổ

Một hệ thống thông tin số ñược coi là SS nếu:

* Tín hiệu ñược phát chiếm ñộ rộng băng tần lớn hơn ñộ rộng băng tần tối thiểu cần thiết ñể phát thông tin

* Trải phổ ñược thực hiện bằng một mã ñộc lập với số liệu

Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum) Cũng có thể nhận ñược các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên WCDMA sử dụng DSSS DSSS ñạt ñược trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có tốc ñộ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc ñộ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát Hình 2.3 minh họa quá trình trải phổ trong ñó

Tb=15Tc hay Rc=15Rb Hình 2.3a cho thấy sơ ñồ ñơn giản của bộ trải phổ DSSS trong ñó luồng số cần truyền x có tốc ñộ Rb ñược nhân với một mã trải phổ c tốc ñộ

Rc ñể ñược luồng ñầu ra y có tốc ñộ Rc lớn hơn nhiều so với tốc ñộ Rb của luồng vào Các hình 2.3b và 2.3c biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số

Tại phía thu luồng y ñược thực hiện giải trải phổ ñể khôi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=y×c

x, y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ; x(t), y(t) và c(t) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian; X(f), Y(f) và C(f) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền tần số; T b là thời gian một bit của luồng số cần phát, R b =1/T b là tốc ñộ bit của luồng số cần truyền; T c là thời gian một chip của mã trải phổ, R c =1/T c là tốc ñộ chip của mã trải phổ R c =15R b và T b =15T c

Hình 2.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

2.1.3 Kỹ thuật trải phổ trong công nghệ CDMA

Các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 sử dụng kỹ thuật truyền dẫn thông thường và công nghệ ña truy nhập băng hẹp ñã dẫn tới nhiều hạn chế trong việc nâng cao tốc ñộ dữ liệu cũng như dung lượng hệ thống Những nhược ñiểm này sẽ ñược khắc phục trong hệ thống 3G thông qua việc áp dụng kỹ thuật trải phổ trong công nghệ CDMA

Tần số vô tuyến ñược coi là tài nguyên thiên nhiên quan trọng của quốc gia, việc bảo vệ và sử dụng hiệu quả tài nguyên này ngày càng trở nên quan trọng hơn Bởi vì, phổ tần vô tuyến là hữu hạn, ñối với mỗi dịch vụ ta chỉ có thể sử dụng một dải tần số nhất ñịnh Tuy vậy, ngày càng có nhiều công nghệ và dịch vụ thông tin tranh nhau chiếm ñoạt từng phần phổ tần vô tuyến quý giá này, ñặc biệt nhu cầu về phổ tần vô tuyến càng tăng khi ra ñời các dịch vụ mới Do ñó, việc quản lý và sử dụng tần số là rất quan trọng và không kém phần phức tạp vì tính ña dạng của các dịch vụ và các công nghệ liên quan Trước ñây, vấn ñề này ñược giải quyết bằng cách cấp phát các băng tần khác nhau cho các dịch vụ khác nhau như thông tin quảng

bá, di ñộng…Nhưng ñây không phải là giải pháp tối ưu, và phương pháp trải phổ ra ñời cho phép các loại dịch vụ khác nhau (sử dụng các phương pháp ñiều chế khác nhau, mục ñích là phân bố năng lượng trên một băng tần rộng) sử dụng chung băng tần mà không gây nhiễu ñáng kể Phương pháp này ñặc biệt phát huy tác dụng khi kết hợp với kỹ thuật ña thâm nhập phân chia theo mã CDMA

2.1.3.1 Trải phổ nhảy tần

Trong giao thức này, tần số sóng mang (ñược ñiều chế bởi tín hiệu thông tin) thay ñổi theo chu kỳ Cứ sau mỗi khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhảy tới một giá trị khác Quy luật nhảy tần do mã trải phổ quyết ñịnh

Hình 2.4 Sơ ñồ khối phát và thu FH-CDMA

Dữ liệu ñược ñiều chế bởi băng gốc bởi một sóng mang Tần số sóng mang biến ñổi lên tần số truyền dẫn nhờ bộ tổng hợp tần số, ñược ñiều khiển bởi mã trải phổ

Tại phía thu, tín hiệu nhận ñược ñược ñổi tần xuống tần số sóng mang băng gốc nhờ bộ tổng hợp tần số ñiều khiển bởi mã trải phổ, tạo ra bởi nội bộ máy.Sau khi giải ñiều chế sóng mang băng gốc thu ñược dữ liệu ban ñầu Bộ bám ñồng bộ ñảm bảo rằng việc nhảy tần của sóng mang nội ñồng bộ với sóng mang nhận ñược

Có hai loại nhảy tần ñược phân biệt dựa vào tốc ñộ nhảy tần của sóng mang là nhảy tần nhanh F-FH và nhảy tần chậm S-FH

Với F-FH, tốc ñộ nhảy tần của sóng mang lớn hơn (nhiều) so với tốc ñộ dữ liệu Do ñó, nhiều tần số ñược truyền ñi trong thời gian một bit

Với S-FH, tốc ñộ nhảy tần của sóng mang nhỏ hơn (nhiều) so với tốc ñộ dữ liệu Do ñó, nhiều bit ñược truyền ñi ở một tần số

Các thuộc tính cơ bản của FH-CDMA:

ða truy nhập: trong giao thức F-FH, một bit ñược truyền ñi trên các băng tần

số khác nhau Mỗi người sử dụng sẽ truyền thông tin trong hầu hết các băng tần nhưng tại mỗi thời ñiểm lại sử dụng một băng tần khác nhau Do ñó, công suất của tín hiệu mong muốn lớn hơn nhiều công suất nhiễu, giúp cho tín hiệu thu ñược một cách chính xác Trong S-FH, nhiều bit ñược truyền ñi tại một băng tần số Nếu xác suất truyền thông tin của những người sử dụng khác tại cùng một băng tần ñủ thấp thì tín hiệu mong muốn sẽ thu ñược một cách chính xác trong hầu hết thời gian Nếu như có người sử dụng khác truyền dẫn cùng một băng tần số, các mã sửa lỗi ñược sử dụng ñể phát hiện dữ liệu ñược truyền trong thời gian ñó

Nhiễu ña ñường: Trong giao thức F-FH, trong khoảng thời gian một bit, tần số truyền dẫn thay ñổi nhiều lần Như vậy, một tần số sóng mang ñược ñiều chế và truyền ñi trên nhiều tần số truyền dẫn Vì hiệu ứng ña ñường với các tần số truyền dẫn khác nhau là khác nhau nên một tần số sóng mang ñược khuếch ñại ở tần số này

sẽ bị suy giảm ở tần số truyền dẫn khác Tại máy thu, ñáp ứng tại các tần số truyền dẫn khác nhau sẽ ñược trung bình hoá Nhờ ñó giảm ñược nhiễu ña ñường, mặc dù không hiệu quả như hệ thống DS-CDMA nhưng nó vẫn cung cấp sự cải thiện nhiễu ñáng kể

Nhiễu băng hẹp: giả sử tín hiệu băng hẹp gây nhiễu lên một trong các tần số truyền dẫn Nếu có Gp tần số truyền dẫn (Gp gọi là ñộ tăng ích do xử lý) thì trung bình một người sử dụng sẽ sử dụng tần số truyền dẫn bị gây nhiễu chỉ trong 1/Gp(%) thời gian Vì vậy nhiễu băng hẹp ñược giảm nhỏ bởi hệ số Gp

Xác suất phát hiện thấp: xác suất thấp cho phát hiện tín hiệu FH không phải là

vì công suất truyền dẫn thấp Ngược lại, mật ñộ công suất truyền dẫn của FH-CDMA rất lớn Nhưng tần số truyền dẫn tín hiệu không biết (thứ tự nhảy tần chỉ có bên phát

và bên thu biết trước), hơn nữa thời gian truyền dẫn tại một tần số truyền dẫn lại khá nhỏ Do vậy, mặc dù tín hiệu FH dễ phát hiện hơn so với tín hiệu DS, nhưng việc phát hiện cũng rất khó khăn

* Ưu ñiểm của FH-CDMA :

1) ðồng bộ của CDMA dễ dàng hơn nhiều so với DS-CDMA.Với CDMA việc ñồng bộ thực hiện trong từng khoảng thời gian bước nhảy tần Việc trải phổ dành ñược không phải do sử dụng tần số nhảy tần cao mà do sử dụng một tổ hợp rất lớn các tần số nên thời gian bước nhảy tần số lớn hơn nhiều so với thời gian chip của hệ thống DS-CDMA

FH-2) Các băng tần khác nhau của tín hiệu FH không phải là các băng tần lân cận nhau Kết hợp với ưu ñiểm dễ ñộng bộ nên FH-CDMA cho phép làm việc với các băng tần trải phổ lớn hơn nhiều so với DS-CDMA

3) Do hệ thống cho phép sử dụng băng tần lớn hơn nên có khả năng loại trừ nhiễu băng hẹp tốt hơn so với hệ thống DS

* Nhược ñiểm của FH-CDMA:

Trong giao thức này, tín hiệu dữ liệu ñược nhân trực tiếp với mã trải phổ, sau

ñó tín hiệu thu ñược ñiều sóng mang băng rộng Sơ ñồ khối của máy phát CDMA như hình dưới

DS-Hình 2.5 Sơ ñồ khối phát và thu DS-CDMA

Bộ ñiều chế băng rộng thường là bộ ñiều chế PSK

Trong ñó ñiều chế băng rộng sử dụng là BPSK và tốc ñộ chip gấp 10 lần tốc

ñộ thông tin

Máy thu thực hiện giải ñiều chế sóng mang ñối với tín hiệu thu từ ănten, sau

ñó sử dụng giải ñiều chế nhất quán ñể nén trải phổ tín hiệu, sử dụng dãy mã nội bộ, ñược ñồng bộ với dãy mã của tín hiệu thu ñược ðiều này ñược thực hiện bởi khối

nhỏ của công suất các tín hiệu nhiễu trong băng tần thông tin

b Nhiễu ña ñường: nếu dãy mã có hàm tự tương quan lý tưởng thì hàm tương quan bằng 0 ở ngoài khoảng [0,Tc] vơi Tc là thời gian tồn tại của một chip Nghĩa là nếu nhận ñược hai tín hiệu: một là tín hiệu mong muốn và một là tín hiệu ñó trễ ñi

một khoảng lớn hơn 2Tc thì việc giải ñiều chế nhất quán sẽ xem tín hiệu ñó như một

nhiễu và chỉ mang một phần công suất nhỏ của nhiễu vào trong băng tần thông tin

c Nhiễu băng hẹp: việc nhân nhiễu băng hẹp có trong tín hiệu thu ñược với mã băng rộng sẽ làm trải phổ nhiễu băng hẹp Vì vậy, công suất nhiễu băng hẹp trong băng tần thông tin giảm ñi với hệ số bằng ñộ tăng ích Gp

d Xác suất phát hiện thấp: do tín hiệu dãy mã trực tiếp sử dụng toàn bộ phổ tín hiệu tại mọi thời ñiểm nên mật ñộ công suất nhiễu truyền dẫn (W/hz) rất thấp Vì vậy rất khó phát hiện

* Ưu ñiểm của DS-CDMA:

1) Việc mã hoá dữ liệu ñơn giản có thể thực hiện bằng một bộ nhân

2) Bộ tạo sóng mang là ñơn giản do chỉ có một sóng mang ñược phát ñi

3) Có thể thực hiện việc giải ñiều chế nhất quán tín hiệu trải phổ

* Nhược ñiểm của DS-CDMA:

1) Khó ñồng bộ giữa tín hiệu mã nội bộ và tín hiệu thu

2) Do nhược ñiểm trên kết hợp với ñặc ñiểm các băng tần liên tục không lớn sẵn có nên băng tần trải phổ bị hạn chế 10-20Mhz

3) Người sử dụng ở gần BS sẽ phát mức công suất lớn hơn nhiều so với những người sử dụng ở xa Vì một thuê bao sẽ truyền dẫn trên toàn bộ băng tần một cách liên tục nên người sử dụng ở gần BS sẽ gây nhiễu lớn cho những người sử dụng ở xa

BS Hiệu ứng gần – xa này có thể khắc phụ bằng cách bằng cách áp dụng thuật toán ñiều khiển công suất trong ñó mức công suất trung bình mà BS nhận từ mỗi MS là giống nhau

2.2 Mã PN

Trong hệ thống thông tin trải phổ, chuỗi mã giả ngẫu nhiên – PN ñược sử dụng ñể ñiều chế trực tiếp tín hiệu nhằm ñạt ñược tín hiệu có băng tần rộng.Việc tạo chuỗi PN ñược thực hiện bằng cách sử dụng một thanh ghi M bit với các ñường hồi tiếp như hình vẽ dưới ñây (trường hợp M= 5)

Hình 2.6 Bộ tạo chuỗi PN chiều dài cực ñại (M=5, N=31)

Chiều dài chuỗi số liệu ñầu ra có thể ñạt cực ñại (Lmax):

N= Lmax =2M -1

Chuỗi PN có chiều dài cực ñại ñược gọi là các chuỗi mã tuyến tính cực ñại

Chuỗi PN có ñặc ñiểm sau:

• Cân bằng mã: số lượng bit 1 và 0 chỉ khác nhau một ñơn vị

• Tự tương quan: với giá trị tín hiệu ±1, hàm tự tương quan của chuỗi PN nhận giá trị bằng -1 với tất cả các tín hiệu có ñộ sai pha lớn hơn 1bit Với tín hiệu không có sai pha, hàm tự tương quan ñạt giá trị bằng N (chiều dài chuỗi PN) (như hình 2.7)

• Cộng môñun 2: cộng môñun 2 của một chuỗi PN với phiên bản dịch bit của chuỗi ñó sẽ thu ñược kết quả là một bản dịch bit khác của chính chuỗi ñó

Hình 2.7 Hàm tự tương quan liên tục Hàm tự tương quan liên tục của một chuỗi PN ñược ñịnh nghĩa như sau:

T C

.

.

1 ) (τ τ (2.1)

Trong ñó: p(t): chuỗi PN, một hàm biến thời gian với các giá trị ±1;

N: số lượng bit của chuỗi ngẫu nhiên;

Tc: chu kỳ của một bit PN;

2.3.1.1 Nguyên lý cơ bản của ñiều chế PSK

Dạng xung nhị phân coi như là ñầu vào của bộ ñiều chế PSK sẽ biến ñổi về pha ở dạng tín hiệu ra thành một trạng thái xác ñịnh trước và do ñó tín hiệu ra ñược biểu thị bằng phương trình sau:

(2-2) i=1,2, ,M

M=2N, số lượng trạng thái pha cho phép

N= Số lượng các bit số liệu cần thiết ñể thiết kế trạng thái pha M

Nhìn chung thì có 3 kỹ thuật ñiều chế PSK: khi M=2 thì là BPSK, khi M=4 thì là QPSK và khi M=8 thì là 8(phi)-PSK Các trạng thái pha của chúng ñược minh hoạ trên hình 2.8

Hình 2.8 Các trạng thái pha của PSK

Ở ñây cần ghi nhớ rằng khi số lượng các trạng thái pha tăng lên thì tốc ñộ bit cũng tăng nhưng tốc ñộ boud vẫn giữ nguyên Tuy nhiên muốn tăng tốc ñộ số liệu thì phải trả giá Nghĩa là, yêu cầu về SNR tăng lên ñể giữa nguyên ñược BER (tỷ lệ lỗi bit) Tất cả các trạng thái tín hiệu trên hình 2.8 ñược xác ñịnh một cách tương ứng trong một chu kỳ và các ñiểm tín hiệu ñó biểu thị một năng lượng nhất ñịnh của biên

ñộ tín hiệu nhất ñịnh ðặc tính này ñặc biệt quan trọng trong thông tin vệ tinh vì sự chuyển ñổi AM thành FM ñược thực hiện càng ít càng tốt trong quá trình thông tin

vệ tinh

Nếu một lượng thông tin cho trước phải truyền ñi trong khoảng thời gian 'a' như trên hình 2.8 thì tốc ñộ báo hiệu sẽ giảm một lượng bằng yếu tố 'N' trong hệ thống M-ary Mà ñộ rộng băng kênh yêu cầu tỷ lệ với tốc ñộ dấu hiệu và do ñó việc giảm tốc ñộ báo hiệu nghĩa là có thể sử dụng ñộ rộng băng của kênh nhỏ hơn Nếu nhìn tổng thể ta thấy là khi tốc ñộ dấu hiệu là cố ñịnh thì hệ thống cấp cao có thể

truyền ựi lượng bit thông tin lớn hơn qua một ựộ rộng băng cho trước đó là lý do ựể

hệ thống M-ary ựược xem như là một hệ thống có hiệu quả sử dụng băng tần cao Tuy nhiên, làm như vậy thì xác suất lỗi sẽ tăng lên khi bộ khoảng cách tắn hiệu dày ựặc hơn với hệ thống có mức cao hơn Vắ dụ, bộ thu của hệ thống BPSK chỉ yêu cầu phân biệt ựược 2 tắn hiệu có khác pha 1800, nhưng trong trường hợp hệ thống là 8 phi thì sự khác pha giảm xuống còn là 450 Hình 2.9 miêu tả bộ ựiều chế BPSK ựiển hình

Hình 2.9 Bộ ựiều chế BPSK đầu tiên, tắn hiệu có cực tắnh ựơn ựưa vào ựược biến ựổi thành dạng 2 cực tắnh Giá trị này ựược nhân với tắn hiệu sin(ômaga)0t tạo ra từ bộ dao ựộng nội nhằm biến ựổi pha của sin (ômêga)0t thành 00 hoặc1800 Sóng ựiều chế pha này ựi qua bộ lọc ựể làm tối thiểu hoá giao thoa giữa các dấu hiệu

Hình 2.10 Bộ ựiều chế QPSK Như ựã miêu tả ở trên, hai sóng mang có khác pha 900 ựược chuyển ựổi pha một cách tương ứng và sau ựó ựược tổ hợp lại Bảng 2.11 miêu tả ựầu ra bộ ựiều chế kênh A/B Quá trình tạo tắn hiệu QPSK có thể ựược giải quyết một cách thứ tự nhờ

sử dụng phương pháp như trên hình 2.10 Nhìn chung thì 2 phần tử trực giao của bộ tạo QPSK ựược gọi là kênh I (inphase) và kênh Q (quadraturephase)

Bảng 2.11 Tắn hiệu ựiều chế 4 pha

Hình 2.12 Tạo tín hiệu QPSK Trong hệ thống QPSK thì sóng mang của kênh I và sóng mang của kênh Q không cần thiết phải có cùng một mức công suất Hệ thống QPSK với kênh I và kênh

Q có cùng một mức công suất ñược gọi là hệ thống QPSK cân bằng Hệ thống QPSK cân bằng ñược sử dụng một cách ñiển hình khi tốc ñộ số liệu và hoạt ñộng của hai kênh là như nhau QPSK không cân bằng ñược sử dụng một cách thích hợp khi tốc

ñộ số liệu của hai kênh biến ñổi lớn hay hoạt ñộng của hai kênh là khác nhau Ví dụ,

hệ thống có số liệu nhị phân trên một kênh và dãy các tín hiệu trên kênh khác sẽ tiêu biểu cho QPSK không cân bằng Hình 2.13 miêu tả các trạng thái pha của QPSK cân bằng và QPSK không cân bằng

Hình 2.13 Các trạng thái pha

Trong hình này thì biên ñộ sóng mang của QPSK không cân bằng là 0,89 và 0,45 ðiều này thích hợp với góc pha giữa 53,60 là pha truyền ñi và 126,40 Hình 2.14 miêu tả các kết quả so sánh về phổ của các hệ thống BPSK và QPSK

Hình 2.14 Phổ của BPSK và QPSK

* Khôi phục nhịp: Số liệu băng tần gốc thu ñược nhờ sử dụng bộ nhân ñồng

bộ và việc ñồng bộ nhịp ñạt ñược từ các số liệu này

* Lọc kênh: Số liệu băng tần gốc ñược chuyển ñổi thành chuỗi xung sau ñó ñi qua bộ lọc này Giao thoa giữa các dấu hiệu có thể là nhỏ nhất nhờ bộ lọc này và sẽ

có một kết quả tương tự khi bộ lọc này ñược ñặt trong phần ñầu ra bộ giải ñiều chế Chuỗi xung này ñưa ñến ñầu vào của bộ lấy mẫu số liệu và số liệu ñã giải ñiều chế ñi

ra từ ñầu ra của bộ lấy mẫu

Hình 2.15 Giải ñiều chế PSK ðiều chế PSK (hai pha) của sóng mang RF là phương pháp hiệu quả nhất ñối với truyền dẫn số liệu số trên một kênh cho trước

Hơn nữa, phương pháp mã hoá số liệu trước giống như phương pháp ñiều chế sóng mang dạng xung hình chữ nhật của tín hiệu CW(Sóng liên tục) Phương pháp ñiều chế này ñược sử dụng ñể xoá các sóng mang từ các tín hiệu phát và do ñó yêu cầu phải có sóng mang dao ñộng nội nhằm mục ñích khôi phục số liệu nhị phân tại ñầu thu

Giải ñiều chế tối ưu ñược thực hiện khi pha sóng mang dao ñộng nội giống như pha của tần số tín hiệu thu ñược Việc giải ñiều chế nhờ sóng mang dao ñộng nội ñược thực hiện nhờ mạch vòng Costas mà nó là một trong các biến tướng của mạch PLL tiêu chuẩn

1 Mạch vòng Costas

Trên hình 2.16, tín hiệu PSK tại ñầu vào của mạch vòng Costas có thể biểu thị như dưới ñây khi số liệu giả sử là ñược thực hiện một sự chuyển dịch pha (± /2) một cách ngẫu nhiên trong mỗi sự chuyển dịch số liệu

(2-3)

ở ñây d(t) biểu thị số liệu và có giá trị ±1 Hơn nữa, giá trị rms của tín hiệu

là A Khi ñó viết lại biểu thức ở trên như sau

(2-4) Trong biểu thức trên, nếu giả sử rằng mạch vòng ñã bị khoá, hai bộ lọc thông thấp gạt bỏ các thành phần tần số cao và do ñó ñầu ra của bộ lọc có thể biểu thị như sau:

(2-8) Ghi nhớ rằng biểu thức ở trên giống như là ñối với tiêu chuẩn PLL Sự khác nhau giữa chúng là sin2(0i-00) bằng 0 ở 00 và 1800 Nghĩa là, mạch vòng có thể bị khoá trong khi VCO có 2 góc khác nhau liên quan ñến pha của tín hiệu vào Số liệu thu ñược nhờ biểu thức Y2(t) = d(t)cos(0i-00) ~~ d(t) Nếu mạch vòng bị khoá tại các pha còn lại khác thì số liệu sẽ xuất hiện ở phía ñối diện Mạch vòng Costas thực hiện việc khôi phục ñồng bộ pha của sóng mang bị triệt và việc tách số liệu ñồng bộ tại cùng một thời ñiểm

Thêm nữa, mạch vòng Costas có thể sử dụng cho giải ñiều chế tín hiệu QPSK Trên hình 2.16, tín hiệu QPSK f(t) có thể thu ñược với biểu thức sau:

(2-9) Khi so sánh biểu thức trên với trường hợp BPSK thì d1(t) xuất hiện phía trên của mạch vòng Costas còn d2(t) sẽ xuất hiện phía dưới

2 ðiều chế lại

Một phương pháp khác có thể sử dụng ñể khôi phục lại sóng mang ñó là ñiều chế lại Phương pháp này có thể ñược áp dụng ñối với cả BPSK và QPSK, phương pháp áp dụng cho BPSK ñưa ra trên hình 2.17 Hoạt ñộng của bộ ñiều chế lại này có thể ñược giải thích một cách dễ dàng nếu giả sử rằng mạch vòng ñã bị khoá lại Như trong trường hợp mạch vòng Costas thì bộ ñiều chế lại tạo ra tín hiệu lỗi vòng tỷ lệ với 2 lần lỗi pha giữa pha thu ñược và pha VCO

Hình 2.18 miêu tả mạch ñiều chế lại tín hiệu QPSK Mạch vòng này có thời gian thực hiện nhanh hơn so với trường hợp bộ giải ñiều chế mạch vòng Costas 4 tổng quát

Hình 2.19 ñưa ra sơ ñồ khối của bộ mã hoá PSK vi sai (DPSK) Logic 1 xuất hiện ở ñầu ra của cổng hoặc phủ ñịnh loại trừ (exclusive-NOR) khi hai tín hiệu ñầu vào là giống nhau và logic 0 xuất hiện ở ñầu ra khi hai tín hiệu ñầu vào khác nhau Bảng 2.1 minh hoạ một ví dụ về mã hoá một luồng số liệu nhất ñịnh

Hình 2.19 Bộ ñiều chế DPSK

Bảng 2.1 Ví dụ mã hoá một luồng số liệu

Logic 1 ñược chọn là một tín hiệu trước khi mã hoá và ñược bắt ñầu trong bảng 2.1 Bit số liệu hiện thời ñược so sánh với bit số liệu trước ñó bằng cách làm trễ

ñi một bit Số liệu mã hoá qua bộ dịch chuyển ngưỡng trở thành +-1 và sau ñó ñi ra khỏi bộ nhân như là một tín hiệu DPSK

Sơ ñồ khối của bộ giải ñiều chế số liệu ñưa ra trên hình 2.20

Hình 2.20 Bộ giải ñiều chế số liệu vi sai

2.4 Mã hoá kiểm soát lỗi và ñan xen

Trong thông tin di ñộng, ba dạng mã hoá kiểm soát lỗi ñược sử dụng là

- Mã khối tuyến tính hay cụ thể là mã vòng

2.4.1.Mã vòng

Mã vòng cho phép kiểm tra dư vòng (CRC =Cyclic Redundancy check) hay chỉ thị chất lượng khung ở các bản tin Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính Bộ mã hoá ñược ñặc trưng bằng ña thức tạo mã Cứ k bit vào thì bộ tạo mã cho ra một từ mã n bit, trong ñó n-k bit là các bit CRC ñược bổ sung vào k bit ñầu vào Bộ mã này có tỉ lệ mã là r=k/n ở mã này từ mã ñược rút ra từ hai ña thức : ña

thức tạo mã g(D) bậc n-k và ña thức bản tin a(D), trong ñó D là toán tử trễ Từ mã

ñược tính toán như sau:

- Nhân ña thức bản tin a(D) với

- Chia tích a (D) nhận ñược ở trên cho ña thức tạo mã ñể ñược phần