tiểu luận: nâng cấp công nghệ họ gms lên 3g và cấu trúc mạng lõi

Tương tự như sự hội tụ của mạng cố định theo hướng NGN, các công nghệ diđộng cũng đang trong quá trình hội tụ nhằm đáp ứng các yêu cầu của kháchhàng di động về băng thông và chất lượng d

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Cuốn bài giảng thông tin di động 3G – Tiến sĩ Phạm Công Hùng

2 “Mạng viễn thông thế hệ sau” Nhà XB Bưu điện 2002

3 “Softswitch architecture for VoI”, McGraw-Hill, 12/2003

4 “Ar-chitecture to be deployed on strategies of Next Generation Networks”, IEEE Communication magazine 2003- K.H.Lee, K.O.Lee, K.C.Park

5 G.De Marco, P.Asprino, A.Fresa, M.Longo, “Developing new generation network services”, IEEE Communication magazine 2003

7 “Softswitch Evolution in NGN” - Jonathan Cumming

8 “Third Generation (3G) Wireless White Paper” Trillium Digital Systems, Inc March 2000

Tiểu luận : Nâng cấp công nghệ họ GMS lên 3G và cấu trúc mạng lõi

Giáo viên hướng dẫn : Tiến sĩ Phạm Công Hùng

Sinh viên : Đặng Hoàng Tùng – Lớp cao học khóa I Trang 1

I Sơ lược về mạng điện thoại di động 2

II Các yếu tố kỹ thuật trong mạng di động 4

2.1 Lớp các thiết bị đầu cuối ( terminal ) 5

2.2 Lớp truy nhập ( Access ) 5

2.3 Lớp lõi (core) 6

2.4 Lớp dịch vụ 6

III SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG 7

3.1 Sự phát triển giữa các thế hệ thông tin 7

3.2 Xu hướng công nghệ thông tin không dây 8

III NÂNG CẤP CÔNG TRONG NGHỆ HỌ GSM LÊN 3G 10

3.1 Hiện trạng hệ thống thông tin di động ở nước ta 10

3.2 Nghiên cứu chuyển từ 2G lên 3G 10

3.2.1 Triển khai nâng cấp cơ sở hạ tầng 11

3.2.2 Sự phát triển liền mạch 13

3.2.3 Việc vận hành của một mạng 3G 14

3.3 Mô hình triển khai 3G 16

3.3.1 Triển khai nhanh chóng WCDMA trên toàn mạng 16

17

3.3.2 Triển khai WCDMA dần dần:

17

3.3.3 Triển khai 3G sau:

Như chúng ta đã biết mạng 2G (Second-Generation wireless telephonetechnology) là mạng điện thoại di động thế hệ thứ 2 Đặc điểm khác biệt nổi bậtgiữa mạng điện thoại thế hệ đầu tiên (1G) và mạng 2G là sự chuyển đổi từ điệnthoại dùng tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Tùy theo kỹ thuật đa truy cập,mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA (Time DivisionMultiple Access) và mạng 2G dựa trên nền CDMA (Code Division MultipleAccess).

Trong đó, TDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo thời gian cònCDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo mã Trong kỹ thuật CDMA,tín hiệu của mỗi người dùng (user) sẽ được dàn trải (spreading) bằng một mãxác định trực giao (hoặc giả trực giao) với nhau Tín hiệu truyền sẽ là tín hiệuchồng chập của nhiều người dùng khác nhau theo thời gian và trên cùng mộtbăng tần số

Còn mạng 3G (third-generation technology) là công nghệ truyền thông thế hệthứ ba, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửiemail, tin nhắn nhanh, hình ảnh ) Và điểm nổi bật nhất của mạng 3G so vớimạng 2G nằm ở khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khaicác dịch vụ truyền thông đa phương tiện trên mạng di động Tốc độ truyền dữliệu mạng 3G sẽ cao hơn rất nhiều so với mạng 2G

Hiện nay, tại Việt Nam phát triển công nghệ 3G là một trong vấn đề được nhiềuchuyên gia cũng như các nhà đầu tư quan tâm.Theo đánh giá của các chuyên giaviễn thông, việc chuyển từ 2G sang 3G là điều không thể tránh được trong xuthế hiện nay vì người sử dụng muốn hưởng các dịch vụ đa phương tiện phongphú và dịch vụ dữ liệu tốc độ cao Những chiếc điện thoại di động thế hệ 2G sẽhoạt động được trên mạng 3G nếu người sử dụng đăng ký dịch vụ Theo nhiềuchuyên gia, có thể sẽ có những chiếc điện thoại chuyện dụng trên mạng 3G vàchúng không khác mấy so với các loại điện thoại hiện thời

Tương tự như sự hội tụ của mạng cố định theo hướng NGN, các công nghệ diđộng cũng đang trong quá trình hội tụ nhằm đáp ứng các yêu cầu của kháchhàng di động về băng thông và chất lượng dịch vụ với việc ra đời mạng di độngthế hệ 2.5G, 3G

Lưu lượng các giao dịch (voice/data) trên mạng di động cũng tăng rất nhanhtrong thời gian gần đây và từ năm 1999 đã vượt nhu cầu trên đường hữu tuyến.Các nghiên cứu tại Việt Nam về mạng di động còn rất hạn chế và thường chỉ lànghiên cứu lý thuyết mà ít có những sản phẩm thực tế Nguyên nhân sâu xa củavấn đề là ở chỗ mạng di động chứa đựng nhiều kỹ thuật phức tạp khó chủ độngtrong điều kiện hiện nay của Việt Nam

II / CÁC YẾU TỐ KỸ THUẬT TRONG MẠNG DI ĐỘNG

Tương tự như trong mạng cố định, mạng di động bao gồm các lớp: lớp các đầucuối nguời sử dụng (terminal), lớp truy nhập (access), lớp mạng lõi (core), lớpcung cấp dịch vụ (services) với sự tham gia của các tác nhân: Khách hàng(customer-subscriber), nhà cung cấp dịch vụ (service provider) và nhà cung cấpnội dung (content provider)

2.1 Lớp các thiết bị đầu cuối ( terminal )

Lớp các đầu cuối di động có chức năng giao diện với người sử dụng và truy nhập dịch vụ từ mạng lõi, một số chức năng bao gồm trong đầu cuối di động: các giao thức truy nhập vô tuyến, các giao thức truy nhập dịch vụ (call/data),

Tiểu luận : Nâng cấp công nghệ họ GMS lên 3G và cấu trúc mạng lõi

Giáo viên hướng dẫn : Tiến sĩ Phạm Công Hùng

Sinh viên : Đặng Hoàng Tùng – Lớp cao học khóa I Trang 4

báo hiệu đầu cuối đến đầu cuối, nhận thực (SIM), framework cho các dịch vụcủa người sử dụng,

2.3 Lớp lõi (core)

Lớp lõi (core) của mạng di động thực hiện các chức năng: chuyển mạch cácphiên giao dịch, quản lý di động, báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa mạng core vàđầu cuối, báo hiệu liên mạng giữa các mạng core mobile, báo hiệu liên mạng vớicác mạng cũ

Lớp lõi bao gồm các thành phần: Chuyển mạch (MSC), quản lý thuê bao (HLR, VLR, EIR, UAC), cổng giao tiếp liên mạng (GMSC) Các thành phần lớp lõi thực hiện quản lý thuê bao như EIR, HLR, VLR thường tương tự nhau trong các mạng di động và các thế hệ di động vì chúng thường là phần quản trị CSDL khôngliên quan đến kỹ thuật mạng Các thành phần chuyển mạch và cổng giao

tiếp liên mạng của các mạng GSM và CDMA giống nhau về nguyên tắc và khácnhau trong những giao thức tại các giao diện cụ thể.

III SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG

3.1 Sự phát triển giữa các thế hệ thông tin

Trên mạng cố định (fixed) đang diễn ra một quá trình hội tụ về công nghệ vàdịch vụ giữa mạng viễn thông và Internet dựa trên kỹ thuật chuyển mạch gói IP,thuật ngữ NGN- mạng thế hệ sau được nhắc đến rất nhiều trong những năm gầnđây Internet cũng đang phát triển từng ngày, từ các modem tốc độ thấp, đến nay

đã phát triển nhiều phương thức truy nhập tốc độ cao và linh hoạt hơn trong đóWireless-LAN thực sự là một thách thức với mạng di động tuy khả năng di độngcòn hạn chế

Đứng trước sự phát triển của Internet cùng với các dịch vụ phong phú mới của mạng cố định, các nhà cung cấp dịch vụ di động không thể thoả mãn với mạng diđộng 2G hiện chỉ có ứng dụng thoại và nhắn tin ngắn SMS Nhiều tổ chức viễn thông lớn và các tổ chức chuẩn hoá quốc tế cố gắng đưa ra một kiến trúc mạng di động mới nhằm thích ứng linh hoạt với sự phát triển của công nghệ IP, có thể đáp ứng tốt nhu cầu của khách hàng về các dịch vụ mới 3GPP là tổ chức mở về chuẩnhoá mạng di động trong thế hệ mới với việc nghiên cứu và đưa ra các khuyến nghị cho mạng di động trên con đường tiến tới sự hội tụ

3GPP đã tiến hành các nghiên cứu cho các mạng di động khác nhau nhưng đềuhướng tới một cái đích chung, đó là mạng di động thế hệ thứ 3(3G) Một loạt cáckhuyến nghị, đề xuất cũng được ITU chấp nhận trong bộ tiêu chuẩn về 3G(IMT-2000).

Một số công ty lớn trên thế giới còn thông báo đã phát triển lên mạng 4G, mặc

dù chưa có những khuyến nghị và định nghĩa cụ thể nào về 4G nhưng có thểhiểu đây là một mạng di động hội tụ giữa 3G và Wireless-LAN cung cấp chokhách hàng băng thông rất cao và khả năng di động toàn cầu trên cơ sở côngnghệ IP

Hình dưới điểm qua một số mốc và các đặc trưng cơ bản trong tiến trình pháttriển của kỹ thuật liên quan đến di động và xu thế hội tụ trong tương lai củamạng di động

3.2 Xu hướng công nghệ thông tin không dây

Xu hướng tiến đến 3G không phải là sự thay đổi hoàn toàn về công nghệ mà là

cố gắng nâng cấp từng bước các mạng đang tồn tại nhằm đảm bảo sự tươngthích cũng như tránh sự đầu tư vượt quá sức của nhà khai thác

Ở Việt Nam cũng đang trong quá trình tiến tới thế hệ mạng di động 3G, tiến hành các nghiên cứu lý thuyết, ban hành các tiêu chuẩn về các giao diện mạng,

đề xuất phương án triển khai thử nghiệm 3G ở Việt Nam và cũng đã triển khaithử nghiệm 3G trong phạm vi hẹp trên mạng của Mobifone, Vinaphone.

Các nhà khai thác mạng di động hiện tại và một số nhà cung cấp dịch vụ di độngmới (Viettel, SPT, ETC ) thực hiện việc nâng cấp mạng hay trang bị mới vẫndựa trên lộ trình từ 2G lên 2.5G rồi đến 3G mà chưa một nhà khai thác nào có sựđầu tư trực tiếp vào 3G

Với thị trường Việt Nam, công nghệ di động đầu tiên GSM, thế hệ 2G đơn giản,chỉ cho phép thoại là chính Việc nâng cấp lên công nghệ GPRS vào cuối năm

2003 đã giúp người dùng bắt đầu làm quen với những ứng dụng dữ liệu Cuốinăm 2007 vừa qua, sau khi ứng dụng EGDE, tốc độ đã được nâng cao hơn vớiđỉnh tốc độ đạt khoảng 384 kb/s Nhưng tốc độ thực tế vẫn còn thấp khiến cácdịch vụ dựa trên nền dữ liệu không thể phát triển và bùng nổ mạnh như dịch vụthoại hiện nay

Trên thế giới bây giờ còn 2 thế hệ cao cấp của họ GSM vẫn chưa được ứng dụngtại thị trường Việt Nam, đó là WCDMA - thế hệ 3G với tốc độ 2Mbps và HSPA(HSDPA & HSUPA) – thế hệ 3,5G với khả năng truyền lên đến 14,4 Mbps Đây

là những công nghệ tiên tiến đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới với hơn

200 triệu thuê bao, trên 220 mạng thuộc 94 quốc gia, chiếm 2/3 thuê bao 3G trên toàn cầu (GSA, 6/2008)

III NÂNG CẤP CÔNG TRONG NGHỆ HỌ GSM LÊN 3G

3.1 Hiện trạng hệ thống thông tin di động ở nước ta

Qua một số sách báo, tạp chí và thông tin từ một số nhà cung cấp dịch vụ thôngtin di động thì mảng di động trong thời gian trước đây chỉ tập trung vào các vấn

đề lý thuyết và việc triển khai công nghệ hơn là việc nghiên cứu phát triển sảnphẩm Sự hạn chế này bên cạnh việc là hạn chế chung ở nước ta trong nghiêncứu về viễn thông nói chung còn do sự tập trung các công nghệ phức tạp nhất về

kỹ thuật mạng di động và các kỹ thuật chuyên dụng để thực hiện nằm ngoài khảnăng tiếp cận của chúng ta

Trong một vài năm trở lại đây đã có một số nghiên cứu theo hướng sản phẩmtrên mạng di động và lần đầu tiên các sản phẩm nghiên cứu này đã tham giahoặc có khả năng tham gia vào cấu trúc mạng và cung cấp dịch vụ cho các mạng

di động ở VN 2G và 2,5G Có thể kể đến CDIT với các sản phẩm: Hệ thốngnhắn tin ngắn-SMSC, Hệ thống cung cấp dịch vụ báo cuộc gọi bị lỡ, hệ thốngthông báo thuê bao chuyển vùng (2G), Hệ thống nhắn tin đa phương tiệnMMSC, Hệ thống cung cấp dịch vụ WAP2.0, Hệ thống cung cấp dịch vụ Video-streaming (2.5G)

Nhìn chung, các sản phẩm nghiên cứu này tập trung ở lớp cung cấp dịch vụ Cácnghiên cứu về các mạng lõi, mạng truy nhập và đầu cuối vẫn hầu như rất ít được

đề cập đến

3.2 Nghiên cứu chuyển từ 2G lên 3G

Mô hình tổ chức của các mạng viễn thông từ trước tới nay được tổ chức theo hàng dọc, nghĩa là mỗi mạng phục vụ cho một loại hình dịch vụ riêng Trong xu hướng phát triển của mạng viễn thống để đáp ứng với tình hình mới, mô hình tổ chức mạng thế mới NGN được đề xuất sử dụng ( chuyển mô hình tổ chức mạng từ hàngdọc sang cấu hình phân lớp có sự tách biệt giữa các lớp : truy nhập,

Tiểu luận : Nâng cấp công nghệ họ GMS lên 3G và cấu trúc mạng lõi

Giáo viên hướng dẫn : Tiến sĩ Phạm Công Hùng

Sinh viên : Đặng Hoàng Tùng – Lớp cao học khóa I

truyền dẫn - chuyển mạch, điều kiện, dịch vụ Mạng NGN sử dụng gói IP là chủđạo với mô hình phân lớp, việc phát triển dịch vụ trở nên dễ dàng hơn.

Trong đều kiện hiện nay, nếu thay thế toàn bộ mạng 2G bằng các công nghệ,thiết bị 3G thì sẽ rất tốn kém, nhất là các công nghệ đang sử dụng ở lớp đầu cuối

và lớp truy nhập vô tuyến Mặc dù Wireless LAN là một xu thế nhưng vẫn cònnhiều hạn chế đang tiếp tục được khắc phục trong tương lai

3.2.1 Nâng cấp cơ sở hạ tầng

Các công nghệ GSM/GPRS/EDGE có cùng một cơ sở nền tảng đó là kỹ thuậttruy cập TDMA và FDMA vì vậy hoạt động trên cùng một băng thông (với mỗikênh băng tần số 200kHz) Sự nâng cấp do đó cũng không quá phức tạp

Khi nâng cấp lên 3G, công nghệ WCDMA hoạt động trên một kỹ thuật truy cậpkhác hoàn toàn, đó là CDMA, do đó băng tần hoạt động sẽ phải tách biệt vớiGSM (WCDMA mỗi kênh băng tần số là 5MHz) Sẽ cần một dải tần 3G mớikhác với tần số đang hoạt động hiện nay

Việc đầu tư mở rộng bằng cách đặt thêm trạm phát sóng BTS hiện nay gặp nhiềukhó khăn do việc quản lý hành chính và sự tốn kém về tài chính Mật độ trạm tạicác khu dân cư tương đối dầy ( ví dụ tại Đà Nẵng khoảng cách gần nhất giữa 2trạm từ 200-300m) nếu bổ xung thêm trạm sẽ dẫn đến nhiễu kênh và khó tái sửdụng tần số

Để đổi mới ta sẽ cần một thiết bị thu phát sóng BTS hoàn toàn mới, được đặt tên

là Node B, cùng với nó là một thiết bị quản lý trạm gốc (BSC) mới, tên là điềukhiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller)

Đối với mạng GSM, để chuyển sang mô hình mạng phân lớp NGN trong giai đoạnđầu chuyển sang mạng 3G, giải pháp chuyển mạch mềm cho di động ( Mobile SoftSwitch ) sẽ thay thế các MSC truyền thống bằng các chuyển mạch mềm, trong

đó có sự tách biệt giữa phần điều khiển và phần chuyển mạch Công nghệ chuyển mạch gói được đưa và sử dụng song song với công nghệ chuyển

mạch kênh truyền thống, điều này sẽ giúp cho việc chuyển đổi công nghệ đỡ tốnkém hơn trong quá trình nâng cấp mạng.

Do tính kế thừa khi nâng cấp, hệ thống mạng lõi (tổng đài chuyển mạch) hiệnhữu vẫn có thể được sử dụng để kết nối với mạng vô tuyến (Node B và RNC)của công nghệ WCDMA mới (Hình 1)

Hình 1: Phương án chung mạng lõiMặt khác, để tránh tác động đến mạng đang hoạt động cũng như để mở rộngdung lượng, một giải pháp khác cũng được các nhà cung cấp sử dụng là đầu tưmột hệ thống mạng mới hoàn toàn (Hình 2)

Hình 2: Phương án thêm mạng lõi

Theo thời gian, tất cả các thiết bị mạng lõi và vô tuyến sẽ tích hợp chung nhưHình 3 Các thiết bị BTS, BSC cũ sẽ hết khấu hao hoặc di chuyển ra các vùngsâu, vùng xa khác để hỗ trợ sóng GSM/EDGE.

Hình 3: Phương án tích hợp chung

3.2.2 Sự phát triển liền mạch

Có một số nhận xét về sự nâng cấp lên 3G chỉ là sự ghép thêm 1 hệ thống mớivới công nghệ mới vào hệ thống có sẵn Nhưng thực tế việc nâng cấp mạngmang tính kế thừa và liền mạch như hình dưới

Ở đây, ngoài hệ thống vô tuyến WCDMA (bao gồm RNC và Node B) làcần đầu tư mới, tất cả hệ thống khác sẽ được tận dụng lại Hầu hết các nhà sảnxuất tổng đài hiện nay đều có giải pháp để nâng cấp hệ thống mạng lõi, truyềndẫn, cơ sở dữ liệu, hệ thống vận hành… hiện hữu để hỗ trợ cả GSM vàWCDMA.

Như vậy, muốn phủ sóng 3G ở đâu, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ đặt thiết bị thuphát sóng 3G khu vực đó (sử dụng nhà trạm có sẵn) và nối về tổng đài Tấtnhiên, với số lượng hơn 3000 - 4000 nhà trạm/1 mạng như hiện nay tại ViệtNam, việc đầu tư 3G phủ sóng toàn quốc không phải dễ dàng và khá tốn kém.Tuy nhiên từ sự đầu tư WCDMA này, việc nâng cấp lên mạng 3,5G HSPA sẽ rấtđơn giản khi chỉ cần nâng cấp phần mềm, tương tự như khi người ta nâng cấp từGPRS lên EDGE, là người dùng có thể sử dụng được dịch vụ di động khôngthua kém gì mạng ADSL hữu tuyến hiện nay

- Tuy nằm trên 2 thiết bị khác nhau, sự vận hành của 2 hệ thống vô tuyến baogồm GSM và WCDMA cũng sẽ được quản lý thống nhất, đảm bảo chuyển giaoliền mạch giữa 2 hệ thống Cuộc gọi sẽ vẫn đảm bảo duy trì khi chuyển băng tần

và chuyển công nghệ, điều này sẽ xảy ra khi người dùng di chuyển ngoài vùngphủ sóng của một công nghệ hoặc bị quá tải

Nhờ tính liền mạch này, việc sử dụng băng thông sẽ rất hiệu quả (có sự điều tiết,phân bố qua lại giữa các cuộc gọi trên các băng tần), tức sẽ giảm nghẽn mạng;các thiết bị sẽ được tận dụng tối đa (dùng chung tài nguyên cho cả hai hệ thống);

và việc đầu tư WCDMA không cần phải đồng loạt toàn mạng

3.2.3 Việc vận hành của một mạng 3G

Tùy vào mức độ phát triển của từng thị trường và từng mạng, mô hình triển khai 3G của mỗi nhà khai thác sẽ khác nhau Hoặc phủ sóng đồng loạt 3G trên toàn thị trường, hoặc phủ sóng dần dần từ khu vực đô thị rồi mở rộng dần Khi đótại vùng 3G, sẽ tồn tại một loạt các công nghệ GSM, GPRS, EDGE,