Giải pháp nâng cấp mạng thông tin di động GSM lên 3g luận văn tốt nghiệp đại học

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 3G di động chỉ đơn thuần phục vụ dịch vụ thoại và số liệu đơn giản ở thế hệ 1G và2G, thì ngày nay

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM LÊN 3G

Sinh viên thực hiện: TRẦN THANH PHÚC

LỜI NÓI ĐẦU

Trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu của con người trong xã hộingày nay Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vàonăm 1946 chỉ phục vụ dịch vụ thông tin thoại Sau đó các hệ thống thông tin diđộng số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại vàtruyền số liệu tốc độ thấp Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) đã ra đờinhằm thỏa mãn nhu cầu của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như:Điện thoại thấy hình, video streaming, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phươngtiện (MMS)… Ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đãđược triển khai vào cuối năm 2009 3G thực sự đã đạt được rất nhiều thành côngnhờ công nghệ CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000 Xuất phát

từ những đóng góp quan trọng của mạng 3G mà em chọn đề tài nghiên cứu về

3G Đề tài “Giải pháp nâng cấp mạng thông tin di động GSM lên 3G” gồm

có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin di động 3G

Chương 2: Hệ thống thông tin di động GSM và giải pháp nâng cấp lên 3G

Chương 3: Mạng W-CDMA, kỹ thuật trải phổ và giao diện vô tuyến

Trong quá trình thực hiện đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của

KS Tạ Hùng Cường Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng trong việc hoàn thành đồ

án nhưng với thời gian và trình độ có hạn nên đồ án còn có nhiều thiếu sót, emrất mong nhận được các ý kiến đóng góp và chỉ dẫn thêm từ các thầy cô và cácbạn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy Tạ Hùng Cường đã giúp emhoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Thanh Phúc

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tìm hiểu giải pháp nâng cấp mạng GSM lên 3G Nội dung đồ ángồm 3 phần Phần 1 nêu tổng quan về mạng 3G bao gồm lịch sử phát triển củamạng thông tin di động, sự cần thiết phải nâng cấp mạng thông tin di động lên3G và các tiêu chuẩn để nâng cấp mạng Phần 2 là phần chính của đồ án, nêu lêngiải pháp thực hiện nâng cấp mạng GSM lên 3G Phần 3 nêu lên cấu trúc hệthống 3G W-CDMA, kỹ thuật trải phổ và giao diện vô tuyến của nó

Solution blueprints to learn a GSM network upgrade to 3G Contentsscheme includes three parts Part 1 summarizes the 3G network covers thehistorical development of mobile communication networks, the need for networkupgrades to 3G mobile communication standards and to upgrade the network.Part 2 is part of the scheme, setting out measures to implement GSM networkupgrade to 3G Section 3 raised structure 3G W-CDMA system, spread spectrumtechnology and its wireless interface

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 2

MỤC LỤC 3

DANH SÁCH HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 16

1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 3G 16

1.1.1 Lịch sử phát triển 16

1.1.2 Các hướng phát triển mạng thông tin di động lên 3G 20

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G 24

1.2.1 Tiêu chuẩn IMT-2000 25

1.2.2 Phân bố tần số cho IMT-2000 31

1.2.3 Mô hình tổng quát cho mạng IMT-2000 32

1.2.4 Các dịch vụ và ứng dụng trong thông tin di động thế hệ ba 35

2.1 Giới thiệu chung 38

2.2 Cấu trúc mạng GSM 39

2.2.1 Trạm di động 39

2.2.2 Phân hệ trạm gốc 40

2.2.3 Phân hệ chuyển mạch 41

2.2.4 Đa truy nhập trong GSM 42

2.3 Sự phát triển của mạng GSM lên 3G 43

2.3.1 Hệ thống GSM sẽ được nâng cấp từng bước lên thế hệ ba 43

2.3.2 Giải pháp nâng cấp 44

2.4 Giới thiệu chung về các tầng trung gian 46

2.4.1 Số liệu chuyển mạch tốc độ cao - HSCSD 46

2.4.2 Dịch vụ vô tuyến gói chung - GPRS 48

2.4.3 Tốc độ dữ liệu nâng cao cải tiến cho GSM - EDGE 51

2.4.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 W-CDMA 52

3.1 Cấu trúc hệ thống WCDMA 56

3.1.1 Thiết bị người sử dụng UE 57

3.1.2 Mạng lõi - CN 58

3.1.3 Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) 59

3.1.4 Các mạng ngoài và giao diện 61

3.1.5 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA 64

3.2 Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA 67

3.2.1 Sơ đồ khối chung của một thiết bị thu phát vô tuyến số 67

3.2.2 Điều chế 69

3.3 Trải phổ trong W-CDMA 72

3.3.1 Khái quát về kỹ thuật trải phổ 72

3.3.2 Khái niệm hệ thống thông tin trải phổ 74

3.3.3 Mã PN 76

3.3.4 Các phương thức trải phổ 78

3.3.5 Nguyên lí cơ bản của kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 80

3.4 Công nghệ CDMA băng rộng 83

3.5 Giao diện vô tuyến 86

3.5.1 Các kênh truyền tải và sắp xếp chúng lên các kênh vật lý 87

KẾT LUẬN 93

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình phát triển lên 3G theo hướng sử công nghệ WCDMA [1] 21

Hình 1.2 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA2000 [1] 21

Hình 1.3 Lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động 23

Hình 1.4 Lịch trình nghiên cứu và đưa vào khai thác mạng W-CDMA 25

Hình 1.5 Phân bố tần số cho IMT-2000 ở một số nước 32

Hình 1.6 Mô hình tổng quát cho mạng IMT-2000 [3] 33

Hình 1.7 Các đề xuất đối với mạng truy cập vô tuyến 35

Hình 2.1 Cấu trúc mạng GSM 39

Hình 2.2 Các giai đoạn phát triển từ hệ thống GSM sang WCDMA 46

Hình 2.3 Cấu trúc mạng GSM cung cấp HSCSD 47

Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống GPRS 49

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống GPRS có sử dụng EDGE 52

Hình 2.6 Cấu trúc hệ thống W-CDMA theo 3GPP phiên bản 99 54

Hình 2.7 Cấu trúc hệ thống W-CDMA theo 3GPP phiên bản 4 55

Hình 3.1 Cấu trúc chi tiết hệ thống W-CDMA 56

Hình 3.2 Cấu trúc UE 57

Hình 3.3 Cấu trúc mạng lõi CN 58

Hình 3.4 Cấu trúc mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) 60

Hình 3.5 Sơ đồ khối cấu trúc tổng quan của mạng UMTS phát triển từ GSM 64

Hình 3.6 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA 64

Hình 3.7 Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị vô tuyến số ở hệ thống thông tin di động số. 67

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK 70

Hình 3.9 Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSK 70

Hình 3.10 Mô hình hệ thống thông tin trải phổ 74

Hình 3.11 Khả năng loại trừ nhiễu 76

Hình 3.12 Bộ tạo chuỗi PN chiều dài cực đại (M=5, N=31) 77

Hình 3.13 Hàm tự tương quan liên tục 78

Hình 3.14 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) [3] 80

Hình 3.15 Các chức năng phần phát trong hệ thống DS-CDMA 82

Hình 3.16 Các chức năng phần thu trong hệ thống DS-CDMA 82

Hình 3.17 Hệ thống búp hướng anten 85

Hình 3.18 Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 91

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT A

ACCH Associated control channel Kênh điều khiển liên kết

AICH Acquisition indicator channel Kênh chỉ thị bắt

ACIR Adjacent channel interference ration Tỷ số nhiễu kênh lân cận

ARQ Automatic repeat request Yêu cầu phát lại tự độngATM Asynchronous transfer mode Chế độ truyền dị bộ

ALOHA VSAT Random Acess Scheme Kỹ thuật truy nhập ngẫu nhiên

trong mạng VSAT

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc (trong GSM)

CACH Common Assignment Chanel Kênh ấn định chung

CAICH CPCH Chanel Assignment

Indicator chanel Kênh chỉ thị gán kênh CPCH

CCPCH Common Control Physical Chanel Kênh vật lý điều khiển chung

CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư thừa

DPCH Dedicated Physical Chanel Kênh vật lý dành riêng

DPCCH Dedicated Physical Control Chanel Kênh vật lý điều khiển dành

riêngDPDCH Dedicated Physical Data Chanel Kênh vật lý dữ liệu dành riêngDTCH Dedicated Traffic Chanel Kênh lưu lượng dành riêng

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution Tốc độ bit tăng cường sử dụngcho nhánh tiến hóa GSM EIR Equipment Identity Register Thanh ghi nhận dạng thiết bịEIRP Equivalent Isotropic Radiated

ETSI European Telecommunications

Standards Instutute Viện tiêu chuẩn viễn thôngChâu Âu

F

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần sốFDMA Frequency Division Multiple

FEC Forward Error Correction Mã sửa sai đường xuống

G

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HDR Header Mào đầu

HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trúHSDPA High Speed Downling Packet

HSUPA High Speed Uploading Packet

I

IEC International Electrotechnical

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications 2000 Tiêu chuẩn viễn thông di độngquốc tế 2000

IS-95 North American Version of the

ITU International telecommunication

ITU-R

WP8F ITU Recommendation Working Group 8F Nhóm làm việc 8F của tổ chứcITU

Iu UMTS Interface Between 3G -

MSC/SGSN and RNC Giao diện UMTS giữa 3G -MSC/SGSN với RNC

Iub UMTS Interface Between RNC and

Iur UMTS Interface Between RNCs Giao diện UMTS giữa các RNC

L

L1 Layer 1 - Radio Physical Layer Lớp vật lý

L2 Layer 2 - Radio Data Link Layer Lớp liên kết dữ liệu

L3 Layer 3 - Radio Network Layer Lớp mạng

LAC Link Access Control Điều khiển truy nhập kết nốiLLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic

M

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gianMAC Message Authentication Code Mã nhận thực bản tin

MAP Mobile Application Part Phần ứng dụng di động

MSC Mobile Swithching Center Trung tâm chuyển mạch di động

N

NMS Network Management Subsystem Phân hệ quản lý mạng

NMT Nordic Mobile Telephone Mạng điện thoại di động của

Nauy

O

OCCCH ODMA Common Control Chanel Kênh điều khiển chung cho

ODMAODCCH ODMA Dedicated Control Chanel Kênh điều khiển riêng cho

ODMAODMA Opportunity Driven Multiple

ODTCH ODMA Dedicated Traffic Chanel Kênh lưu lượng dành riêng cho

ODMAOSI Open System Interconnection Kết nối các hệ thống mở

OVFS Orthogonal Variable Spreading

P

PCCH Paging Control Chanel Kênh điều khiển tìm gọi

P-CCPCH Primary Common Control Physical

PCPCH Physical Common Packet Chanel Kênh gói chung vật lý

PDSCH Physical Downlink Shared Chanel Kênh vật lý dùng chung đường

xuống

PRACH Physical Random Access Chanel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật

lý

PSC Primary synchronization code Mã đồng bộ cơ sở

P-SCH Physical Shared Chanel Kênh vật lý dùng chung

Q

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

R

RANAP Radio Access Network

Application Part Phần ứng dụng mạng truy cậpvô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyếnRNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyếnRNSAP Radio Network Subsystem

Application Part Phần ứng dụng phân hệ mạngvô tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô

tuyếnRACH Random Access Channel Kênh truy cập ngẫu nhiên

S

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SSC Secondary Synchronization

SSDT Site Selection Diversity

STTD Space Time Transmit Diversity Phân tập truyền dẫn theo thời

gian không gianSGSN Serving GPRS Support Node Nút cung cấp GPRS phục vụ

SCCH Synchronisation Control Chanel Kênh đồng bộ

SCCP Signalling Connection Control

S-CCPCH Secondary Common Control

Physical Chanel Kênh vật lý điều khiển chungthứ cấp

SGSN Serving GPRS Support Node Nút phục vụ hỗ trợ GPRSSHCCH Shared Chanel Control Chanel Kênh điều khiển phân chia

kênhSIM GSM Subcriber Identity Module Modun chỉ thị thuê bao GSM

SRNC Serving Radio Network

Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyếnphục vụ

gianTFC Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền

dẫnTFCI Transport Format Combination

Indicator Bộ chỉ thị kết hợp khuôn dạngtruyền dẫnTFI Transport Format Indication Bộ chỉ thị khuôn dạng truyền

dẫnTH-

TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất truyền

dẫnTRAU Transcoder Rate Adaptor Khối thích ứng tốc độ

TAF Terminal Adaptation Function Chức năng thích ứng đầu cuối

UBR Unspecified Bit Rate Service Dịch vụ không xác định tốc

độ bitUDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người

sử dụng

Um Radio Interface for GSM BSS Giao diện vô tuyến cho GSM

BSS

UM Unacknowledged Mode in RLC Chế độ không phúc đáp trong

RLCUMTS Universal Mobile

Telecommunication System Hệ thống viễn thông di độngtoàn cầu

U-RNTI UTRAN Radio Network

Temporary Identity Chỉ thị tạm thời của mạng vôtuyến UTRAN

UTRA Universal Terrestrial Radio

Uu Radio interface for UTRA Giao diện vô tuyến dùng cho

UTRAUTRAN Universal Terrestrial Radio

Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặtđất toàn cầu

V

VAN Vehicle Area Network Mạng khu vực ở trong các

phương tiện giao thông (ôtô )

VBR Variable Bit Rate Service Dịch vụ tốc độ bit thay đổiVAS Value Added Service Platform Nền tảng dịch vụ giá trị gia

tăngVCI Virtual Circuit Identifier Bộ chỉ thị mạng ảo

VHE Virtual Home Environment Môi trường thường trú ảoVLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 3G

di động chỉ đơn thuần phục vụ dịch vụ thoại và số liệu đơn giản ở thế hệ 1G và2G, thì ngày nay đã cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng như truyền tải video, truycập internet…Trước nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng, thông tin diđộng sẽ phát triển như thế nào Để hiểu rõ cũng như có cái nhìn chính xác về xuhướng phát triển tiếp theo của thông tin di động, trước hết cần phải nhìn lại lịch

sử phát triển của nó từ khi ra đời đến nay

Điện thoại vô tuyến di động đầu tiên ra đời vào những năm 1920, chúngchỉ mới được sử dụng là phương tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh sát ở Mỹ

+ NMT (Nordic Mobile Telephony - Điện thoại di động Bắc Âu) triểnkhai ở Thụy Điển, Nauy, Đan Mạch và Phần Lan từ năm 1981 nhưng nay phầnlớn không còn được sử dụng

+ AMPS (Advanced Mobile Phone Service - Dịch vụ điện thoại di độngcấp cao): Triển khai ở Nhật (1979) và Mỹ (1983), băng tần 800MHz và vẫn cònđược sử dụng rỗng rãi ở Mỹ và nhiều phần khác trên thế giới

+ TACS ( Total Access Communications System - Hệ thống truyền thôngtruy cập toàn phần) triển khai ở Anh năm 1985 và một số hệ thống TACS-900vẫn còn được sử dụng ở châu Âu.

Vào cuối thập niên 1980, khi số lượng các thuê bao trong mạng tăng lên,người ta thấy cần phải có biện pháp nâng cao dung lượng mạng, chất lượng cáccuộc đàm thoại cũng như cung cấp thêm một số dịch vụ bổ sung cho mạng Đểgiải quyết vấn đề này, người ta đã nghĩ đến việc số hóa các hệ thông thống điệnthoại di động Điều này đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ hai (2G) Đây là các hệ thống di động số sử dụng các công nghệ đòn bẩy

để tăng dung lượng (nén thoại, xử lí tín hiệu số), thực thi và mở rộng khái niệm

“mạng thông minh”, tăng cường khả năng chống lỗi và thêm một số dịch vụ mới

nhưng chỉ giới hạn trong thoại và dữ liệu tốc độ thấp Cho đến thời điểm hiệnnay trên thế giới tồn tại nhiều hệ thống thông tin di động thế hệ 2 nhưng nhìnchung có thể phân thành 2 loại hệ thống Loại thứ nhất ra đời trước là các hệthống 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Loạithứ hai ra đời muộn hơn vào giữa thập kỷ 1990 sử dụng công nghệ đa truy nhậpphân chia theo mã CDMA, nay gọi là cdmaOne Một số hệ thống trong thế hệnày là:

+ D-AMPS/ TDMA & PDC: Hệ thống này sử dụng phương pháp TDMA,

có thể tiến hành 3 cuộc gọi trên một khe thời gian, triển khai năm 1993 (PDC1994) có định hướng chuyển sang GSM và sau này là W-CDMA Hiện nay, PDC

là hệ thống tổ ong nội địa ở Nhật Bản với mạng lưới rộng nhất của NTTDoCoMo

+ IDEN: Hệ thống này sử dụng công nghệ TDMA về cơ bản vẫn dựatrên thiết kế GSM và cung cấp giao thức đặc biệt cho “Nhấn-để-nói” một

cách nhanh chóng Đây là hệ thống độc quyền của Motorola với băng tần

800 MHz

+ DECT and PHS: Đây là các hệ thống thông tin di động hạn chế chomạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số Các hệ thống này cơ bản vẫndựa trên công nghệ TDMA, chủ yếu tập trung vào lĩnh vực thương mại như PBXkhông dây Với băng tần rộng (các kênh 32 Kbps), thoại và số liệu ISDN chấtlượng cao, phục vụ cho các tế bào nhỏ và trong các toà nhà, hệ thống PSH được

sử dụng ở các thành phố có mật độ dân số cao ở Nhật Bản và hiện này mới đượctriển khai ở Trung Quốc

+ GSM: Hệ thống này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời

gian TDMA Hệ thống này ban đầu có tên là “Groupe Special Mobile” về sau đổi thành “Global System for Mobile - Hệ thống thông tin di động toàn cầu”.

GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT

để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần 900 MHz Năm

1991, hệ thống chính thức được thử nghiệm với 8 người sử dụng cho 200Khz vàGSM đã đạt được nhiều thành công trên thị trường châu Âu (hiện nay chiếm59% thuê bao) và châu Á (33%), trở thành một tiêu chuẩn chiếm ưu thế vượt trộitrên thế giới Sau này hệ thống mở rộng đến băng tần 1800 MHz Ở Việt Nam,

hệ thống thông tin di động GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang đượccông ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả Hiện nay trên thế giới 70% thuêbao sử dụng hệ thống này và thực hiện roaming quốc tế trên 140 nước với 400mạng

+ North American CDMA (cdmaOne): Hệ thống này sử dụng kỹ thuật đatruy nhập phân chia theo mã CDMA Vào đầu những năm 70, CDMA được pháttriển cho lĩnh vực quân đội vì nó có tính bảo mật cao Đến năm 1989, Qualcom

chính thức đưa hệ thống ra thử nghiệm và tuyên bố sẽ nâng cao dung lượng cũngnhư đơn giản hoá việc quy hoạch mạng

+ CdmaOne - IS-95: Hệ thống CDMA thương mại được thử nghiệm ở Mỹvới tiêu chuẩn nội địa của người Mỹ gọi là IS-95 IS-95 triển khai ở băng tần 800MHz Ngoài truyền thoại có thể truyền số liệu Phiên bản IS-95 A cung cấp tốc

độ dữ liệu là 14.4 kbps

Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất còn có các hệ thống thôngtin di động vệ tinh: Global Star và Iridium cũng được đưa vào thương mại trongnăm 1998

Mặc dù thông tin di động thế hệ 2 đã đạt được những thành công vượt bậc

cả về mặt công nghệ cũng như là thương mại nhưng các hệ thống này vẫn tồn tạimột số nhược điểm sau:

+ Thứ nhất, vẫn xảy ra nghẽn mạng do có hơn 300 triệu thuê bao trên khắpthế giới, do đó cần phải tăng dung lượng hệ thống

+ Thứ hai, do tồn tại nhiều hệ thống di động cũng như nhiều mạng di độngnên nó giới hạn phạm vi di động của các thuê bao trên khắp thế giới, do đó cầnphải một chuẩn quốc tế

+ Thứ ba, các hệ thống này còn cung cấp ít các dịch vụ mà trong đó nhucầu về các dịch vụ mới nhất là Internet ngày càng tăng với hơn 200 triệu thuêbao, do đó cần phải có thêm nhiều dịch vụ và ứng dụng đa phương tiện mới

Để giải quyết các hạn chế của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai mà

ở phần trên đã đề cập đến, cần thiết phải nâng cấp hệ thống di động lên 3G

Thông tin di động thế hệ ba là hệ thống thông tin di động cho các dịch vụ

di động truyền thông cá nhân đa phương tiện Hộp thư thoại sẽ được thay thếbằng bưu thiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại thôngthường trước đây sẽ được bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình Dướiđây là một số đặc điểm chung của hệ thống thông tin di động thứ ba này:

+ Là mạng băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện Nghĩa

là mạng đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2 Mb/s

+ Mạng có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêucầu Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng chẳng hạn vớitốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên hoặc ngược lại

+ Mạng cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu Nghĩa là đảm bảo cáckêt nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói chocác dịch vụ số liệu

+ Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cốđịnh, nhất là đối với thoại

+ Mạng có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệtinh

1.1.2 Các hướng phát triển mạng thông tin di động lên 3G

* Hướng phát triển lên 3G sử dụng WCDMA

WCDMA là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G của IMT-2000 được pháttriển chủ yếu ở châu Âu với mục đích cho phép các mạng cung cấp khả năngchuyển vùng toàn cầu và để hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại, dịch vụ đa phương tiện.Các mạng WCDMA được xây dựng dựa trên cở sở mạng GSM, tận dụng cở sở

hạ tầng sẵn có của các nhà khai thác mạng GSM Quá trình phát triển từ GSM

lên CDMA qua các giai đoạn trung gian, có thể được tóm tắt trong sơ đồ sauđây:

Hình 1.1 Quá trình phát triển lên 3G theo hướng sử công nghệ WCDMA

[1].

* Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA2000

Hệ thống CDMA2000 gồm một số nhánh hoặc giai đoạn phát triển khácnhau để hỗ trợ các dịch vụ phụ được tăng cường Nói chung, CDMA2000 là mộtcách tiếp cận đa sóng mang cho các sóng có độ rộng n lần 1,25MHz hoạt động ởchế độ FDD Nhưng công việc chuẩn hoá tập trung vào giải pháp một sóng mangđơn 1,25MHz (1x) với tốc độ chip gần giống IS-95 CDMA2000 được phát triển

từ các mạng IS-95 của hệ thống thông tin di động 2G, có thể mô tả quá trình pháttriển trong hình vẽ sau:

Ta có thể tóm tắt sự phát triển hệ thông thông tin di động theo hai hướngtrên theo sơ đồ sau:

Hình 1.3 Lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động.

Tiếng thoại FDMA, tương tự

Trước hết là tiếng thoại có đưa thêm các dịch vụ số liệu gói

TDMA (kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số), CDMA,

sử dụng chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sửdụng phổ tần mới, tăng cường truyền số liệu gói cho thế hệ hai

Thế hệ 3 Cdma2000, Các dịch vụ tiếng CDMA, CDMA kết hợp

(3G) W-CDMA và số liệu gói được

thiết kế để truyền tiếng và số liệu đa phương tiện là nềntảng thực sự của thế hệ ba

TDMA, băng rộng (tới 2Mbps), sử dụng chồng lấn lên thế hệ hai hiện có nếu không sử dụng phổ tần mới

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba - 3G ra đời với mục tiêu là hìnhthành một hệ thống di động duy nhất trên toàn thế giới Khác với các dịch vụđược cung cấp bởi những hệ thống thông tin di động hiện nay chủ yếu là thoại(công nghệ tương tự là đặc trưng của hệ thống 1G, công nghệ số là đặc trưng của2G), hệ thống 3G nhằm vào các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet tốc độcao, truyền hình và ảnh chất lượng cao tương đương với mạng hữu tuyến

Quá trình phát triển:

Công trình nghiên cứu của các nước Châu Âu cho W-CDMA đã bắt đầu từ các

đề án CDMT (Code Division Multiple Tesbed - Phòng thí nghiệm đa truy nhậptheo mã) và FRAMAS (Future Radio Multiple Access Scheme - sơ đồ đa truynhập vô tuyến tương lai) từ đầu thập niên 1990 Các hệ thống này cũng đã tiếnhành thử nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lượng đường truyền.Công tác tiêu chuẩn hóa được thực hiện ở 3GPP Lịch trình như sau:

Hình 1.4 Lịch trình nghiên cứu và đưa vào khai thác mạng W-CDMA.

Sau khi ITU đưa ra định hướng về một hệ thống di động mới cần pháttriển cho những năm đầu của thế kỷ 21, các nhà hoạt động cụ thể đối với UMTScủa ETSI mới được thực thi năm 1995

Hệ thống 3G tương lai sau đó đã được ITU đặt tên là IMT-2000, hệ thốngviễn thông quốc tế thế kỷ 21 Thời hạn chót để các tiêu chuẩn khu vực đệ trìnhcác dự thảo kỹ thuật của mình cho IMT-2000 đã được ITU đặt ra là tháng 7 năm1998

Đến tháng 1 năm 1998, ETSI chọn hai kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến chotruy nhập vô tuyến đối với UMTS là UTRA FDD và UTRA TDD, chính là hai

kỹ thuật dùng cho IMT-2000

Một loạt các kỹ thuật truyền dẫn vô truyến mặt đất được đề xuất với ITUvào tháng 1 năm 1998 Trong đó có một số đề xuất về kỹ thuật đa truy nhập vôtuyến theo mã băng rộng của ETSI, TTC/ARIB (Nhật), TTA (Hàn Quốc), ANSIT1 (Mỹ) và TIA (Mỹ) có thể phân làm hai nhóm Một nhóm đề xuất đòi hỏi cáctrạm gốc đồng bộ và được xây dựng trên cơ sở IS-95 2G và đề xuất còn lạikhông dựa trên cơ sở trạm gốc đồng bộ

Đến cuối năm 1998, cả hai đề xuất đều được hỗ trợ bởi các tổ chức tiêuchuẩn khu vực gọi là 3GPP và 3GPP2 Mục đích của cả 3GPP và 3GPP2 đều làkết hợp các đề xuất cơ bản và CDMA băng rộng thành một đề xuất duy nhất.Đây là hai tiêu chuẩn đươc chấp nhận cho IMT-2000

1.2.1 Tiêu chuẩn IMT-2000

3GPP phát hành tiếp

Phát hành 3GPP 99-12/99

Kết thúc quá trình IMT-2000

Thử mạng

Châu Âu Châu Á Mạng

Tiêu chuẩn

Đối với bất kỳ công nghệ nào, điều kiện tiên quyết cho việc phát triển trênphạm vi toàn thế giới là phải xây dựng được một bộ tiêu chuẩn cho công nghệnày và việc tuân thủ theo chuẩn là một yêu cầu bắt buộc đối với nhà cung cấpdịch vụ, nhà khai thác và nhà sản xuất thiết bị.

Các chuẩn 3G được ITU khuyến nghị với tên gọi IMT-2000 IMT-2000được tạo ra nhằm thỏa mãn việc phát triển các tiêu chuẩn cho phép một cơ sở hạtầng thông tin vô tuyến toàn cầu bao gồm các hệ thống mặt đất và vệ tinh, cáctruy nhập cố định và di động cho các mạng công cộng cá nhân

Hệ thống mới này sẽ làm việc ở dải tần 2GHz Nó sẽ cung cấp nhiều loạihình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ cao, video và truyền

thanh Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

+ 384 Kbps đối với vùng phủ sóng rộng

+ 2 Mbps đối với vùng phủ sóng địa phương

Một số yêu cầu chính về IMT-2000 cho UMTS được ITU đề ra như sau:

- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz như sau:

+ Đường lên: 1885 – 2025 MHz

+ Đường xuống: 2110 – 2200 MHz

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vôtuyến:

+ Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

+ Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông

- Cung cấp khả năng truy nhập mạng trong nhiều loại môi trường khácnhau như trong nhà, ngoài trời, trên xe…

+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

- Chất lượng thoại tương đương mạng hữu tuyến

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện trong tương lai

Trong hệ thống thông tin di động nói chung và UMTS nói riêng vấn đềtruy nhập vô tuyến là rất quan trọng Yêu cầu về hệ thống truy nhập vô tuyến củaUMTS dựa trên những yêu cầu về mặt dịch vụ Bảng dưới đây tổng kết các yêucầu đối với khối truy nhập vô tuyến của UMTS như sau:

Các yêu cầu về mặt vô tuyến

- Vùng ngoại ô: tốc độ truyền từ 384Kbps tới 512Kbps, tốc

độ di chuyển cực đại của thiết bị là 120km/h

- Vùng nội ô: tốc độ truyền thấp nhất là 2Mbps, tốc độ di chuyển cực đại của thiết bị là 10km/h

- Có khả năng chuyển giao mềm giữa UMTS và mạng di động thế hệ thứ 2 (GSM)

Về khai thác mạng

- Các hệ thống không đồng bộ có thể cùng tồn tại trong môitrường.

- Hệ thống có khả năng lắp đặt các trạm gốc mà không cần

sự sắp xếp theo thứ tự

-Việc lên kế hoạch cho tần số sử dụng trong mạng là khôngcần thiết

Về hiệu quả trong trải phổ

Hiệu quả của - Khả năng trải phổ cao đối với các đặc trưng hỗn hợp cho

trải phổ các dịch vụ khác nhau.

- Hiệu quả trải phổ đem lại thấp nhất cũng đạt hiệu quả giống như trong mạng GSM đối với tốc độ kênh thoại thấp nhất

ở mặt tần số, thời gian, mã miền)

- Sử dụng linh hoạt nhiều loại tế bào và các mối quan hệ giữa các tế bào trong cùng một vùng địa lý mà không lãng phí tài nguyên vô tuyến (các tế bào trong nhà, các tế bào phân cấp)

- Có thể cung cấp chi phí cho vùng phủ một cách hợp lý ở vùng nông thôn.

Các loại đầu

cuối

Có thể cung cấp nhiều loại đầu cuối với khuôn dạng phong phú, chi phí và dung lượng tuỳ theo nhu cầu khác nhau của người dùng

Các yêu cầu chính ngoài SMG

mức bảo vệ như giao diện vô tuyến GSM

- Có thể thực hiện theo nhiều chế độ.

- Có thể đáp ứng được đồng thời hai loại đầu cuối UMTS/GSM với giá thành hợp lý

1.2.2 Phân bố tần số cho IMT-2000

Phân bố tần số cho IMT-2000 cho châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Mỹ đượcthể hiện như trong hình sau đây

Hình 1.5 Phân bố tần số cho IMT-2000 ở một số nước.

Châu Âu sử dụng hệ thống thế hệ hai là DCS 1800 ở băng tần 1710-1755cho đường lên và 1805-1850 cho đường xuống Châu Âu và hầu hết các nướcchâu Á băng tần IMT-2000 là 2x60 Mhz có thể sử dụng cho WCDMA FDD.Băng tần sử dụng cho TDD ở châu Âu thay đổi tuỳ theo cho các ứng dụng đượccấp giấy phép hay không Các hệ thống FDD sử dụng các băng tần khác nhau chođường lên và đường xuống còn hệ thống TDD sử dụng cùng tần số cho cả đườnglên và đường xuống

Nhật Bản sử dụng hệ thống thế hệ hai là PDC còn Hàn Quốc sử dụng hệthống thế hệ hai là IS-95 cho cả khai thác tổ ong lẫn PDS Ấn định phổ PCS ởHàn Quốc khác với ấn định phổ PCS ở Mỹ, vì thế Hàn Quốc có thể sử dụng toàn

bộ phổ tần quy định của IMT-2000 Ở Nhật Bản, một phần phổ của IMT-2000TDD đã sử dụng cho PHS

Mỹ không còn phổ mới cho các hệ thống thông tin di động thế hệ ba Cácdịch vụ của thế hệ ba sẽ được thực hiện trên cơ sở thay thế phổ tần của hệ thốngthông tin thế hệ ba bằng phổ tần của hệ thống PCS thế hệ hai hiện tại

1.2.3 Mô hình tổng quát cho mạng IMT-2000

Mạng IMT-2000 có mô hình tổng quát như sau:

Thiết bị đầu cuối

Thiết bị đầu cuối

Thiết bị đầu cuối

- Phát quảng

bá thông tin truy nhập hệ thống

- Phát và thu

vô tuyến

- Điều khiển truy nhập vô tuyến

MẠNG LÕI

- Điều khiển cuộc gọi

- Điều khiển tài nguyên quy định

- Quản lí dịch vụ

- Quản lí vị trí

- Quản lí nhận thực

Hình 1.6 Mô hình tổng quát cho mạng IMT-2000 [3].

Trong đó, các dạng máy đầu cuối bao gồm:

- Thoại cầm tay, thoại: 8/16/32 kbit/s

- Cửa số liệu như PCMCIA…( - Truyền số liệu bằng modem thoại cho cáctốc độ 1.2 kbit/s ; 2.4 kbit/s; 4.8 kbit/s; 9.6 kbit/s; 19.2 kbit/s ; 28.8 kbit/s -Truyền số liệu số chuyển mạch kênh cho các tốc độ : 64 kbit/s ;128 kbit/s; đầucuối video thấp hơn 2 Mbít/s )

- Ảnh tĩnh (đầu cuối cho PSTN)

- Máy ảnh xách tay: Được phân loại theo cấp chất lượng

- Đầu cuối giống như máy TV

- Đầu cuối kết hợp TV với máy tính

- TV cầm tay có khả năng thu được MPEG

- Đầu cuối số liệu gói

- PC vở ghi có cửa sổ thông tin cho phép (Điện thoại thấy hình/ Văn bảnhình ảnh truy nhập cơ sở dữ liệu vào)

- Đầu cuối PDA (PDA tốc độ thấp / PDA tốc độ cao hoặc trung bình /PDA kết hợp với sách điện tử bỏ túi).

- Máy nhắn tin hai chiều

- Sách điện tử bỏ túi có khả năng thông tin

Đối với mạng truy nhập vô tuyến mặt đất ITU đã chấp thuận họ IMT-2000 gồm

5 công nghệ:

- IMT DS (Direct Sequence – chuỗi trực tiếp): Được biết đến như làUTRA FDD (Truy cập vô tuyến mặt đất của UMTS hoạt động ở chế độ FDD) vàWCDMA (CDMA băng rộng)

- IMT MC (Multi carriers – Đa sóng mang): Hệ thống này là phiên bản 3Gcủa IS-95 (cdmaOne) được biết đến là cdma2000

- IMT TC (Time Code – Mã Thời gian): Đây là UTRA TDD

- IMT SC (Single carrier - Đơn sóng mang): Đây là một dạng GSM pha 2+

(EDGE)

- IMT FT (Frequency Time – Tần số Thời gian): Đây là hệ thống DECTTổng kết các đề xuất trên ta được sơ đồ sau:

Hình 1.7 Các đề xuất đối với mạng truy cập vô tuyến.

1.2.4 Các dịch vụ và ứng dụng trong thông tin di động thế hệ ba

Trong thông tin di động thế hệ ba, các nhà nhà khai thác có thể cung cấprất nhiều dịch vụ cho khách hàng Hầu hết các dịch vụ này liên quan đến cáckiểu dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều bổ sung cùng với các dịch vụ mới.Ngoài ra còn cung cấp các dịch vụ không liên quan đến cuộc gọi như email…Các dịch vụ này có thể phân thành các loại sau:

- Các dịch vụ cơ sở bao gồm các dịch vụ theo kênh và các dịch vụ mạngvới thay đổi không nhiều lắm so với các dịch vụ trong GSM

- GPRS cung cấp các dịch vụ IP, SMS…

- Các dịch vụ IP đa phương tiện là các dịch vụ mới gồm cả điện thoại IP,các dịch vụ bổ sung cho đa phương tiện IP chưa được tiêu chuẩn nhưng sẽ đượcthực hiện bằng các công cụ hay ở mức điều khiển cuộc gọi Các dịch vụ IP dùngGPRS làm vật mang

IMT-SC (Đơn sóng mang)

TDMA Đơn sóng mang

ITM-MC (Đa sóng mang)

IMT-TC (Mã thời gian) TD- CDMA

IMT-FT (Thời gian tần số)

TDMA Đa sóng mang

Kết nối mạng vô tuyến

IMT-DS (Chuỗi trực tiếp) WCDMA

Mạng lõi IS-41 phát triển lên

Mạng lõi GSM phát triển lên

- Các dịch vụ giá trị gia tăng không liên quan đến cuộc gọi bao gồm rấtnhiều dịch vụ khác nhau đặc thù cho từng nhà khai thác Chúng thường khôngđược tiêu chuẩn hoá Các dịch vụ này thường dựa trên các giao thức riêng ngoàitiêu chuẩn.

Ngoài ra còn thể phân loại các dịch vụ IMT-2000 như sau:

Dịch vụ

di động

Dịch vụ di động Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động

dịch vụDịch vụ thông

tin định vị

- Theo dõi di động/ theo dõi di động 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

phương tiện

- Dịch vụ Video (384 kbps)

- Dịch vụ hình chuyển động (384kbps- 2 Mbps)

- Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực ( 2 Mbps)

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

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ

Internet

đơn giảnDịch vụ Internet thời gian thực

Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)

Dịch vụ internet

đa phương tiện

Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực ( 2Mbps)

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi làR3, R4, R5 Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: Miền CS (CircuitSwitch - Chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch - chuyển mạch gói).Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụthời gian thực như thoại và hình ảnh Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụthoại còn số liệu được truyền trên miền PS R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CSchuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nútchuyển mạch đều trên IP Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nóitrên [3]

Qua phần nội dung trình bày trong chương 1 ở trên, chúng ta có thể cómột cái nhìn tổng thể về xu hướng phát triển của mạng thông tin di động Việcnâng cấp mạng thông tin di động thành mạng băng rộng, phục vụ nhiều dịch vụ

đa phương tiện cho người sử dụng là một tất yếu trong quá trình phát triển côngnghệ Vậy việc nâng cấp mạng được thực hiện như thế nào, từng bước của quátrình sẽ được đề cập trong chương 2 sẽ nêu sau đây

Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM VÀ GIẢI PHÁP NÂNG

CẤP LÊN 3G 2.1 Giới thiệu chung

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

GSM (Global System for Mobile communication - Hệ thống thông tin diđộng toàn cầu) Với tiêu chuẩn thông số toàn Châu Âu, sẽ giải quyết được sự hạnchế về dung lượng

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

GSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890 915MHz và 935 960MHz, 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