Nghiên cứu hệthống thông tin di động thếhệthứba (3G) W-CDMA và khảnăng ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai”

Nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) W-CDMA và khả năng ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai”

LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại Trong thập kỷ vừa qua là sự bùng nổ của Internet thì trong thập kỷ tới là sự bùng nổ của mạng thông tin di động thế hệ ba 3G và các dịch vụ mới.Cùng với việc cho phép kết nối mọi nơi, mọi lúc, Internet cũng chỉ là một trong những khả năng của mạng 3G 3G mang tới nhiều tiện ích, ứng dụng hơn là khả năng di động cho Internet Các dịch vụ mới sẽ xuất hiện như nhắn tin đa phương tiện, các dịch vụ định vị, các dịch vụ thông tin cá nhân, vui chơi giải trí, các dịch vụ ngân hàng, thanh toán điện tử…sẽ phát triển mạnh Ở Việt Nam trong những năm vừa qua cũng có sự phát triển mạnh mẽ về thông tin di động cũng như Internet và tiến tới các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

ba cũng đã và sẽ được nhanh chóng triển khai

Để theo kịp xu thế chung của thế giới là tiến tới mạng thế hệ sau 3G và cung cấp các dịch vụ mới, việc nghiên cứu để triển khai, chuyển đổi sang mạng 3G tại Việt Nam là cần thiết Đối với nhà khai thác mạng di động GSM thì cái đích 3G là hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000

Xuất phát từ định hướng này, đồ án tốt nghiệp đại học của em với đề tài

“Nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) W-CDMA và

khả năng ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai” nhằm tìm hiểu những kiến

thức về hợp chuẩn IMT-2000, công nghệ W-CDMA và hệ thống thông tin di động W-CDMA nói chung Để từ đó có thể xây dựng cấu trúc mạng 3G phù hợp với xu hướng phát triển của mạng thông tin di động ở Việt Nam nhất là đối với mạng GSM

Nội dung gồm 3 chương:

• Chương 1: Giới thiệu tổng quan về lịch sử hình thành phát triển của thông tin di động từ 1G, 2G đến 3G

• Chương 2: Tìm hiểu về mạng thông tin di động 3G (W-CDMA) trong

đó đề cập các tiêu chuẩn IMT-2000, các yêu cầu và mục tiêu thiết kế hệ thống vô tuyến W-CDMA Kỹ thuật trải phổ và điều khiển công suất trong hệ thống W-CDMA

• Chương 3: Khả năng ứng dụng mạng thông tin di động 3G (W-CDMA)

ở Việt Nam trong tương lai, trong đó giới thiệu về cấu trúc hệ thống thông tin di động 2G (GSM) hiện tại, các cấu trúc hệ thống theo các phương án chuyển đổi từ GSM sang W-CDMA Giới thiệu định hướng lên 3G của Viettel Mobile

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

Trong xu thế phát triển chung của xã hội hiện đại thì sự ra đời của thông tin di động đã giúp cho con người trong việc liên lạc với nhau ở mọi nơi, mọi lúc Và không dừng ở đó, khi việc liên lạc thoại đã được đáp ứng tốt thì nhu cầu về các dịch vụ gia tăng trên thông tin di động như truy cập Internet, truyền dữ liệu tốc độ cao bắt đầu phát triển Chương 1 của đồ án trình bày về lịch sử hình thành và phát triển của thông tin di động qua các thế

hệ và những vấn đề chủ yếu của loại hình thông tin hiện đại này

1.1 Quá trình phát triển của thông tin di động

1.1.1 Sự xuất hiện của thông tin di động thế hệ 1G và 2G

Vào cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của nhà bác học người Ý Maconi Guglielmo (1874-1937, giải nobel vật lý năm 1909) đã cho thấy thông tin di động có thể thực hiện giữa các máy thu – phát ở xa nhau và di động Thông tin di động lúc đó chủ yếu sử dụng mã Morse, mãi tới năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, thoạt tiên cho cảnh sát Đến năm 1933

sở cảnh sát Bayone, New Jersey mới thiết lập được một hệ thống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh trên thế giới Thời đó, các thiết bị thông tin di động rất cồng kềnh, nặng hàng chục kilogam, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do sử dụng các đèn điện tử tiêu thụ nguồn lớn Công tác trong dải tần thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc được với nhau trong khoảng cách hàng chục dặm Sau đó, quân đội cũng dùng thông tin di động để triển khai và chỉ huy chiến đấu có hiệu quả Nói chung hệ thống thông tin di động thời này

có chất lượng kém

Thông tin di động đã được đưa vào sử dụng rộng rãi tại Mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố Hệ thống này có sáu kênh

sử dụng cấu trúc ô rộng với tần số 150MHz Mặc dù, các khái niệm tế bào, trải phổ, điều chế số, và các công nghệ hiện đại khác đã được biết đến hơn 50 năm trước đây, nhưng đến những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện Các hệ thống thông tin di động đầu tiên này ít có tiện ích và có dung lượng rất thấp Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đã truy nhập phân chia theo tần số FDMA Đây là

hệ thống sử dụng công nghệ Analog để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao di động hay còn được gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1General – 1G) [1,2]

Các hệ thống thông tin di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: Hệ thống di động tiên tiến (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin truy cập toàn diện (TACS) và hệ thống NTT Hạn chế của các hệ thống này là: phân bổ tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới của khách hàng…

Giải pháp để loại bỏ các hạn chế của hệ thống 1G trên là chuyển sang

sử dụng kỹ thuật thông tin số sử dụng các dạng đa truy nhập mới Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) được đưa vào khai thác sử dụng công nghệ số đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên ra đời trên thế giới là GSM GSM được phát triển

từ năm 1982, CEPT quyết định việc ấn định tần số dịch vụ viễn thông châu

Âu ở băng tần 900 MHz Đến những năm giữa thập niên 1990, đa truy nhập phân chia theo mã CDMA trở thành hệ thống 2G thứ hai khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa – 95 (IS – 95) nay gọi là công nghệ Cdma one Ở Việt Nam

hệ thống thông tin di động được đưa vào sử dụng năm 1993, hiện nay đã có tới 6 hãng khai thác thị trường di động, có 3 hãng khai thác ở mạng GSM là VinaPhone, Mobiphone và Viettel Mobile, còn có 3 hãng khai thác mạng CDMA là EVNTelecom (Điện lực), S-Fone Telecom, HaNoi Telecom (HT

Mobile) Sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ đang mở ra một tương lai mới cho thị trường thông tin di động ở Việt Nam Song song với sự phát triển hệ thống thông tin di động tế bào nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng được nghiên cứu phát triển Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là DECT (Digital Enhanad Curdless Telecom) của châu Âu và PHS của Nhật cũng đã được đưa vào khai thác Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật nói trên, sử dụng phương pháp đa truy nhập TDMA như GSM (châu Âu), FPC (Nhật), hoặc phương pháp đa truy nhập CDMA (IS – 95 Mỹ) đều thuộc thế hệ 2G

Bắc Mỹ PDC

(Nhật Bản)

IS - 54 IS - 95

GSM Châu Âu

Băng tần 800MHz/1,5Gh 800MHz 900MHz

Khoảng

cách tần số

50kHz (xen kẽ 25kHz)

50kHz (xen kẽ 25kHz)

CELPP

5,6kbit/sPSI-13kbit/giây VSELP

8,5kbit/giây QCELP tốc độ biến thiên 4 nấc

22,8kb/s LPC 11,4 kbit/s EVSI

OPQSK

GMSK

* Chú thích : RPE: Mã hoá dự báo kích thích xung đều

LTP: Mã hoá dự báo dài hạn

LPC: Mã dự báo tuyến tính

FDD: Phân chia theo tần số

PSI-CEPT: Dự báo tuyến tính kích thích mã - đổi đồng bộ âm

Các hệ thống 2G có nhiều điểm nổi bật như chất lượng thông tin được cải thiện nhờ các công nghệ xử lý tổng hợp số khác nhau, nhiều dịch vụ mới (Ví dụ: các dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mã hoá cải tiến, dung lượng cao hơn tương thích tốt hơn với các mạng số và phát huy hiệu quả dải phố vô tuyến (Bảng 1.1 mô tả) chuyển vùng trở thành một phần của dịch vụ và vùng phủ song cũng ngày càng rộng hơn, nhưng vẫn phải đối mặt với các vấn đề hạn chế về dụng lượng trên nhiều thị trường

1.1.2 Sự xuất hiện của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)

Thông tin di động ngày nay đang tiến tới hệ thống thế hệ thứ 3 (3G) hứa hẹn dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dung lượng di động tốc độ cao hơn

và sử dụng các công dụng đa phương tiện Các hệ thống viễn thống thế hệ (3G) cần cung cấp dịch vụ thoại với chất lượng tương đối các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền số liệu có tốc độ từ 144 kbit/s đến 2Mb/s Hiện đang

có hai hệ thống tiêu chuẩn hoá: Một dựa trên chuẩn hệ thống CDMA băng hẹp IS – 95, được gọi là CDMA 2000 Chuẩn kia là sự kết hợp của các tiêu chuẩn Nhật Bản và châu Âu do dự án hợp tác thế hệ thứ 3 (3GPP) tổ chức 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn vô tuyến truy nhập vô tuyến mặt đất (UTRA UMTS – Terrestrial Radio Access) UMTS – tiêu chuẩn này có hai sơ đồ truy nhập vô tuyến Một trong số đó sắp xếp các cặp dải tần thông qua ghép song

công phân chia theo tần số (FDD) thường gọi là CDMA băng thông rộng CDMA

W-1.1.2.1 So sánh – đánh giá các phương pháp đa truy nhập FDMA, TDMA

và CDMA

Trước khi xem xét tương lai của 3G cũng cần khảo sát hoạt động của từng giao diện nói trên Thứ nhất, các kênh này được ghép cặp sao cho một kênh đi từ trạm di động đến trạm gốc, tạo điều kiện cho liên lạc song công (hình 1.1 minh hoạ giao diện không gian với đường lên đường xuống ) Thứ hai, có một tập các kênh điều khiển hai chiều để điều khiển các kênh thoại Cuối cùng, giao diện không gian cần 1 quy trình mà ở đó, các kênh thoại được phân bổ cho nhiều người dùng đồng thời Chúng ta gọi FDMA, TDMA,

CDMA là các phương thức phân bổ kênh của giao diện không gian

Hình 1.1: Tổng quan về hệ thống vô tuyến

FDMA là phương thức phân bổ đầu tiên và ra đời sớm nhất Một thuê bao muốn tạo một cuộc gọi sẽ phải nhập số điện thoại cần gọi và nhấn phím

gửi Nếu còn dung lượng thoại cho tế bào, một cặp kênh sẽ được phân bổ cho trạm di động để phục vụ đàm thoại - mỗi kênh cho một chiều thoại Xét trên một sơ đồ phân bổ tế bào điển hình, số chiều thoại tối đa của một tế bào bất

kỳ là khoảng 60 Rõ ràng là không thể phục vụ hàng triệu khách hàng với một dung lượng hạn chế như thế

Các hệ thống TDMA khắc phục vấn đề dung lượng kênh bằng cách chia kênh vô tuyến đơn thành các khe thời gian và phân bổ một khe thời gian cho mỗi thuê bao.Ví dụ: Hệ thống TDMA của Hoa Kỳ có 3 khe thời gian trên mỗi kênh trong khi hệ thống GSM có 8 khe thời gian trên mỗi kênh Để sử dụng các khe thời gian tín hiệu thoại tương tự cần được chuyển sang dạng số Một bộ mã hoá thoại gọi là Vocoder thực hiện công việc này Dung lượng có được ban đầu hơi nhỏ song với việc dùng các vocoder tốc độ bit thấp, số kênh thoại trên mỗi kênh vô tuyến có thể được tăng lên đáng kể

Các hệ thống CDMA giải quyết vấn đề dung lượng theo một cách hoàn toàn khác Nó cũng dùng vocoder để số hoá tín hiệu thoại nhưng không phân

bổ khe thời gian mà gán cho mỗi chiều thoại một mã duy nhất trước khi đưa lên kênh vật lý Quá trình này còn được gọi là điều chế tạp âm vì tín hiệu đầu

ra của nó giống như tạp âm nền Tất nhiên là quá trình này có cơ sở toán học của nó xong việc quan sát trong thực tế cũng phần nào lý giải được các khái niệm Ta hình dung, khi ta đang đi vào một khu vực đông người, trước hết ta nghe thấy các giọng nói Ta nói tiếng Việt, ta sẽ nghe thấy những mẩu hội thoại bằng tiếng Việt Cũng như thế người Pháp nghe thấy giọng nói người Pháp, người Anh nghe thấy giọng nói người Anh và tương tự với tất cả các thứ ngôn ngữ trên đời, ta có thể nghe từng cuộc hội thoại nếu như tạp âm tổng thể ở dưới một mức tối đa nào đó Điều này có nghĩa là số tối đa các cuộc gọi trong hệ thống CDMA là một phương trình của tạp âm nền cộng với các tạp

âm do mỗi cuộc gọi tạo ra So sánh với TDMA, CDMA có dung lượng cao

hơn với chất lượng bằng hoặc tốt hơn Trong hơn 1 tỷ thuê bao điện thoại di động trên Thế giới, khoảng 863,6 triệu thuê bao sử dụng công nghệ GSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu còn lại dung FDMA hay TDMA Khi chúng ta tiến tới 3G, các hệ thống GSM và CDMA sẽ tiếp tục phát triển, trong khi FDMA, TDMA sẽ chìm dần vào quên lãng Con đường GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (W-CDMA) trong khi CDMA sẽ là CDMA 2000

1.1.2.2 Hướng về 3G trong thông tin di động

Hình 1.2: Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G

Từ thập niên 1990, Liên minh viễn thông quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động Kết quả là một sản phẩm được gọi là thông tin di động toàn cầu 2000 ( IMT – 2000) Con số 2000 có nghĩa là sản phẩm này sẽ có mặt vào khoảng năm 2000, nhưng thực tế là chậm hai, ba năm Khác với các hệ thống thông tin di động

thế hệ thứ nhất 1G và thứ hai 2G thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

3G – IMT 2000 không chỉ là một bộ dịch vụ, nó có xu thế chuẩn hoá toàn cầu,

nó đáp ứng ước mơ liên lạc từ bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu Để được như

vậy, IMT 2000 tạo điều kiện tích hợp mạng mặt đất hoặc vệ tinh Hơn thế nữa

IMT 2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định và di

động quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương tiện di động,

hoạt động xuyên mạng và liên mạng

Như đã nói các hệ thống 3G cần phải hoạt động trên một dải phổ đủ

rộng và cung cấp được các dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện Đối với một

thuê bao di động hoạt động trên 1 ô siêu nhỏ (picocell) tốc độ dữ liệu có thể

đến 2,048 Mb/s Với một thuê bao di động tốc độ chậm hoạt động trên 1 ô cực

nhỏ (micro cell), tốc độ dữ liệu đạt 348 Kb/s Với một thuê bao di động trên

phương tiện giao thông hoạt động trên 1 ô lớn (marcocell) tốc độ dữ liệu có

thể đạt tới 144 kbit/s

Hình 1.3: Minh hoạ mối quan hệ giữa các khu vực dịch vụ

khác nhau của IMT – 2000

Một phần quan trọng của hệ thống này là dịch vụ chuyển mạch gói dữ

liệu Con đường tiến lên 3G từ 2G bắt đầu từ sự ra đời của các dịch vụ dữ liệu

bùng nổ theo gói [9]

1.1.3 Từ GSM lên 3G trong thông tin di động

Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng (W-CDMA) Trên thị trường châu Âu, W-CDMA được gọi là hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) Trong cấu trúc dịch vụ 3G, cần có băng thông rất lớn và như thế cần nhiều phổ tần hơn Các nhà cung cấp dịch vụ châu Âu dùng hơn 100 tỷ USD để mua phổ tần cho các dịch vụ 3G, các nhà cung cấp dịch vụ khác trên thế giới cũng đã phân bổ phổ 3G Ở Mỹ, FCC chưa thể nhanh chóng phân bổ bất cứ phổ nào cho các dịch vụ 3G Hoa kỳ có khoảng 190 MHz phố tần phân bổ cho các dịch vụ vô tuyến di động trong khi phần còn lại của thế giới chỉ được phân bổ 400 MHz Vì thế có thể tin rằng sự phát triển lên 3G ở Hoa Kỳ sẽ rất khác với phần còn lại của thế giới

Để đến 3G có lẽ cần phải đi qua giai đoạn 2,5G Nói chung 2,5G bao

gồm một hay tất cả các công nghệ sau: Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao

(HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS), tốc độ dữ liệu nâng cao cho

sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE)

Chú thích *: Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với GPRS là 171,2Kbit/s, tuy nhiên trên thực tế hiện nay chưa đạt được tốc độ này mà điển hình chỉ đạt được tốc độ trên dưới 50Kb/s

**: Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với EDGE là 384Kb/s, tuy nhiên trên thực tế hiện nay chỉ đạt được tốc độ tối đa là 144Kb/s

*** : Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với W-CDMA là 2Mb/s, tuy nhiên trên thực tế hiện nay chỉ đạt được tốc độ tối đa là 384Kb/s

GPRS ( Dịch vụ vô tuyến gói chung )

EDGE(các tốc độ

dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu)

có khả năng

xử lý số liệu

Các máy di động cầm tay mới

Các máy di động cầm tay GPRS cho phép làm việc trên mạng GPRS* và ở trên mạng GSM ở tốc độ số liệu 9,6kb/s, đây là các máy CSD hai chế độ hoạt động

Các máy di động cầm tay mới

Các máy cầm tay EDGE sẽ làm việc ở tốc độ lên tới 384kb/s** trên các mạng EDGE và GPRS tốc độ 9.6Kb/s trên mạng GSM đây là các máy CSD ba chế độ hoạt động

Các máy di động cầm tay mới

Các máy cầm tay CDMA DS sẽ làm việc ở tốc độ lên tới 2Mb/s*** trên mạng 3G Các máy này có bốn chế độ hoạt động

Cơ sở hạ

tầng thiết bị

Không có khả năng xử

lý số liệu gói

Cần lắp thêm các modun xử lý số liệu gói mới trên nền mạng chuyển mạch kênh

Cần thay đổi cơ sở

hạ tầng nhiều mạng hơn

Cơ sở hạ tầng hiện

có kết nối vào mạng mới

Nền tảng

công nghệ

Công nghệ GSM TDMS hiện có

Nền GSM TDMA

bổ xung phần xử lý

dữ liệu gói

Cần sửa đổi nền tảng GSM TDMA

Cơ sở hạ tầng CDMA mới

Bảng 1.2 : Các hệ thống thông tin di động từ GSM lên 3G

1.1.3.1 Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD ( High Speed Circuit Switched Data )

HSCSD là phương thức đơn giản nhất để nâng cao tốc độ Thay vì một khe thời gian, một trạm di động có thể sử dụng một số khe thời gian để kết nối dữ liệu Trong các ứng dụng thương mại hiện nay, thông thường sử dụng tối đa 4 khe thời gian, 1 khe thời gian có thể sử dụng hoặc tốc độ 9,6 kbit/s hoặc tốc độ 14,4 kbit/s Đây là cách không tốn kém nhằm tăng dung lượng dữ liệu chỉ bằng cách nâng cấp phần mềm của mạng (dĩ nhiên là các máy tương thích HSCSD) Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến Bởi đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sử dụng các khe thời gian một cách liên tục, thậm chí ngay cả khi không

có tín hiệu đường truyền

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

Giải pháp tiếp theo là GPRS - giống như là giải pháp được nhiều nhà

cung cấp lựa chọn

Hệ thống GSM ban đầu được thiết kế để trở kết nối chuyển mạch kênh tại mức giao diện vô tuyến với tốc độ người dùng lên tới 9,6 kbit/s mức giao diện các quy định trong giai đoạn 2,5G hiện nay bao gồm cả việc hỗ trợ dịch

vụ kết nối định hướng gói được biết đến là dịch vụ vô tuyến gọi chung GPRS Dịch vụ này cố gắng tối ưu tài nguyên mạng và vô tuyến Sự phân chia nghiêm ngặt giữa các hệ thống con vô tuyến với các hệ thống phụ trợ của mạng được duy trì cho dù các hệ thống phụ trợ của mạng tương thích với các thủ tục truy cập vô tuyến GSM Kết quả là MSC của GSM không bị ảnh hưởng Việc phân bổ một kênh vô tuyến GPRS là rất mềm dẻo, giới hạn từ 1-

8 khe thời gian của giao diện vô tuyến trong một khung TDMA Khe thời gian giao diện vô tuyến có thể được chia sẻ linh hoạt giữa các dịch vụ chuyển mạch kênh và dịch vụ gọi Tốc độ bit biến đổi từ 9 kbit/s đến 150 kbit/s trên một người dùng có thể tương tác với mạng IP và X25 Các dịch vụ bản tin ngắn (SMS) GPRS có thể hoạt động theo kiểu truyền dữ liệu gián đoạn, cũng như truyền dữ liệu liên tục

Chúng ta xem xét tổng quan kiến trúc logic của GPRS Hình vẽ 1.4 là

sơ đồ khối minh hoạ cấu trúc một mạng GSM vào giao tiếp giữa các thành phần của mạng Các dịch vụ GPRS yêu cầu thêm 2 thành phần của mạng là nút hỗ trợ GPRS (Serving GPRS Support Node – SGSN) Như tên gọi của nó

đã gợi ý, GGSN hoạt động như là cổng giữa mạng dữ liệu bên ngoài (Packet Data Network) và mạng GSM hỗ trợ GPRS GGSN mang thông tin định tuyến các gói dữ liệu tới SGSN phục vụ một MS cụ thể và nó kết nối với mạng bên ngoài thông qua điểm chuẩn Gi Điểm này cũng kết nối được xem

là một điểm chuẩn chứ không phải là một giao diện bởi vì không có thông tin đặc trưng nào cho GPRS được trao đổi tại điểm này

SGSN được nối tới các GGSN thuộc mạng di động mặt đất của nó qua giao diện Gn và nối các GGSN thuộc mạng khác thông qua giao diện Gp Hai

giao diện này rất giống nhau, nhưng Gp hỗ trợ thêm chức năng an ninh cần thiết cho thông tin giữa các PLMN ( PLMN – Public Land Mobile Network - Mạng di động mặt đất công cộng) GGSN cũng giao tiếp trực tiếp với bộ đăng

ký địch vị thường trú qua giao diện Gc

Một SGSN sẽ theo dõi các thông tin định vị và thông tin an ninh kết hợp với các MS trong vùng phục vụ của nó Một SGSN giao tiếp với các GGSN và các SGSN trong cùng 1 mạng PLMN qua giao diện Gn và GGSN của mạng PLNM khác qua giao diện Gp Các giao diện cùng thuộc giữa 1 SGSN và 1 MSC/VLR (giao diện Gs) và HLR (SMS – IWMSC cho phép dịch vụ bản tin ngắn của GSM được truyền qua kênh GPRS thay vì trên kênh SDCCH và SACCH GPRS hỗ trợ các nút (GGSN và SGCN) của 1 mạng PLMN kết nối với nhau nhờ sử dụng 1 giao thức internet (IP) dựa trên mạng xương sống

GPRS được quan tâm vì là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó không

sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có một cái

gì đó để gửi đi GPRS đặc biệt thích hợp với các dịch vụ phi thời gian thực như: email, lướt web

Triển khai hệ thống GPRS thì tốn kém hơn hệ thống HSCSD Mạng này cần có các thành phần mới, cũng như cần sửa đổi các thành phần hiện có nhưng nó được xem là bước đi cần thiết để tiến tới tăng dung lượng và dịch

vụ Một mạng GSM mà không có khả năng GPRS sẽ không tồn tại lâu trong tương lai Ở Việt Nam, cả 3 nhà cung cấp GSM là VinaPhone, MobiPhone và Viettel Mobile cũng đều đã triển khai GPRS và đều được đa số khách hàng đón nhận và sử dụng Tuy nhiên, năng lực của nhà cụng cấp còn hạn chế nên vẫn chưa thể đáp ứng được hết nhu cầu sử dụng dịch vụ của khách hàng Các hãng đang ngày càng củng cố và phát triển mạng hơn nữa đáp ứng nhu cầu

của khách hàng Và trong tương lai, thế hệ 3G ra đời với nhiều dịch vụ gia tăng sẽ làm cho khách hàng có nhiều sự lựa chọn sử dụng dịch vụ

1.1.3.3 Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM (Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE )

Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển của GSM hay toàn cầu (EDGE), tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384 kbit/s với 8 khe thời gian Thay vì 14,4 kbit/s cho mỗi khe thời gian, EDGE đạt tới tốc độ 48 kbit/s cho mỗi khe thời gian Ý tưởng của EDGE là sử dụng một phương pháp điều chế mới được gọi là 8PSK EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với các màng GSM vì nó chỉ yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc Nó không thay thế hay nói đúng hơn nó cùng tồn tại với phương pháp điều chế khoá dịch tối thiểu Gaussian (GMSK) được sử dụng trong GSM, nên các thuê bao có thể tiếp tục sử dụng máy di động cũ của mình nếu không cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn Xét trên khía cạnh kỹ thuật, cũng cần giữ lại GMSK cũ vì 8PSK chỉ có hiệu quả ở vùng hẹp, với vùng rộng vẫn cần GMSK Nếu EDGE được sử dụng cùng sự kết hợp của EDGE với HSCSD được gọi là ECSD

W-CDMA thực sự là một dịch vụ vô tuyến băng rộng sử dụng băng tần 5MHz để đạt tới tốc độ dữ liệu lên tới 2Mbit/s Hiện tại, cả châu Âu và Nhật Bản đều đang thử nghiệm, triển khai W-CDMA và công nghệ này đang tiến triển nhanh trên con đường thương mại hoá [5]

1.1.4 Từ IS – 95 đến CDMA 2000

CDMA không chuyển sang ngay 3G do thiếu phổ tần trên thị trường Hoa Kỳ, thị trường Hàn Quốc đã thử nghiệm CDMA 2000 trên phổ tần 3G

của mình Cũng như đối với GSM, Hoa Kỳ và phần còn lại của thế giới có

những con đường rất khác nhau để đi đến 3G

CDMA 2000 được cấu trúc theo cách để cho phép nhiều mức dịch vụ

3G trên kênh IS – 95 1,25 MHz truyền thống Các dịch vụ này là CDMA

2000 1xRTT (một thời được gọi là công nghệ truyền dẫn vô tuyến kích thước

kênh IS – 95) Với công suất 3G tối đa, CDMA 2000 sử dụng một kênh 3,75

MHz, lớn gấp ba lần kênh truyền thống, gọi là 3xRTT

Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống CDMA 1x EV DO

Hình 1.6: Cấu trúc hệ thống CDMA 2000 1X

Hệ thống 1xRTT sử dụng một sơ đồ điều chế hiệu quả hơn để tăng gấp đôi số lượng thuê bao và tạo ra các kênh dữ liệu lên tới 144 kbit/s Tốc độ này

đã cho phép nhà cung cấp dịch vụ cho rằng mình đang thực hiện 3G Trong thực tế, tốc độ người dùng sẽ ở trong khoảng 50 – 60 kbit/s Dữ liệu theo sơ

đồ 1xRTT sẽ đựơc chuyển mạch gói để đảm bảo sử dụng hiệu quả

Tốc độ lên tới 2,4 Mbit/s có thể đạt được bằng cách triển khai

1xEV-DO tức là dịch vụ chỉ có dữ liệu không có thoại trên kênh này Khi 1xEV-DV, 3xRTT là một kênh 3,75MHz trên phổ 5MHz – 1,25MHz còn lại được dùng cho dải tần bảo vệ trên và dưới Có một số kịch bản hoạt động cho phổ 10MHz, 15MHz và 20MHz Hình 1.8 so sánh kích thước kênh và tốc độ chip của UMTS và CDMA 1x và 3x

Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống UMTS

Hình 1.8: Băng thông và tốc độ chip của UMTS và cdma 1x, 3xRTT

1.1.5 Nhận xét chung

Rõ ràng là sẽ có không chỉ một con đường đi tới các hệ thống vô tuyến

di động thế hệ thứ ba 3G Và cũng rõ ràng là IMT – 2000 đã được đông đảo chấp nhận Tuy nhiên, tính không tương thích của công nghệ 3G, việc thiếu phổ tần, thiếu các ứng dụng và thiết bị 3G đặt ra một số vấn đề cần giải quyết

Từ quan điểm công nghệ, cả W-CDMA và CDMA 2000 đều sử dụng các kỹ thuật trải phổ rộng Tuy nhiên, chúng có cấu trúc kênh, mã chip, tốc độ chip và thủ tục đồng bộ hoá khác nhau Cần có thời gian để hài hoà các trở ngại công nghệ này Để giải quyết được vấn đề phổ trên toàn cầu sẽ tốn kém

và mất thời gian Cuối cùng, cần có nhiều dịch vụ hơn nữa để thu hút khách hàng Chúng ta đã thấy sự phổ biến của email và tin nhắn đối với PDA và điện thoại di động Giờ đây chúng ta cần một loạt các ứng dụng đa phương tiện đòi hỏi phải có tốc độ dữ liệu của 3G [9,10]

1.2 Quá trình tiến lên hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam

1.2.1 Thực tại thị trường thông tin di động ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam, thị trường viễn thông đang có sự phát triển rất mạnh mẽ đặc biệt là thông tin di động Các nhà cung cấp đang ngày càng củng cố và phát triển hệ thống của mình để đáp ứng nhu cầu sử dụng của khách hàng Họ đã bỏ tiền của, công sức ra đầu tư vào hệ thống để phục khách hàng với mục đích kinh doanh và thu lợi nhuận Thị trường di động ở nước ta mới được đầu tư mạnh mẽ trong khoảng 10 năm trở lại đây, và số khách hàng sử dụng điện thoại di động cũng không ngừng tăng lên Hạ tầng

cơ sở mà mạng thông tin di động đang có thì chủ yếu là mạng GSM (2G) đã được nâng cấp lên 2,5G ( do có GPRS ) đang hoạt động tốt, được khách hàng chấp nhận và sử dụng

Về mặt kinh tế thì các nhà cung cấp dịch vụ đang trong quá trình thu hồi vốn và phát sinh lợi nhuận nên họ cũng chưa muốn thay đổi công nghệ để tiến lên 3G Vì khi đó họ phải đầu tư mới hoàn toàn vào hệ thống và để rồi lại

có quá trình thu hồi vốn và kiếm lợi nhuận trong khi mạng 2G, 2.5G đang hoạt động tốt, vẫn được khách hàng ủng hộ và sử dụng Như vậy bài toán về kinh tế cũng khó được giải quyết Còn về kỹ thuật để tiến lên 3G là không khó quan trọng là khách hàng sẽ đón nhận nó như thế nào Thực tế ở nước ta hiện nay đã có 3 nhà cung cấp dịch điện thoại di động thế hệ ba 3G sử dụng công nghệ CDMA là EVN Telecom, S-Fone Telecom, Hanoi Telecom ( HT Mobile ) cũng chưa được khách hàng quan tâm sử dụng nhiều lắm do nó chưa chứng tỏ được tính năng vượt trội của mình so với thế hệ GSM đang được sử dụng rộng rãi

Tính riêng ở Việt Nam hiện có khoảng 23 triệu thuê bao điện thoại di động cho cả 6 nhà cung cấp trong số này thì đa phần người sử dụng chỉ cần

liên lạc được với nhau với chất lượng thoại và tin nhắn tốt là đủ Để đáp ứng nhu cầu này của khách hàng thì mạng GSM đang thực hiện khá tốt và các nhà cung cấp GSM cũng không ngừng củng cố và phát triển hệ thống của mình Trong thời gian đi thực tập tốt nghiệp em đã có cơ hội được đến thực tập tại Công ty Điện thoại di dộng Viettel Mobile, em đã thấy rằng công ty đang có chiến lược mở rộng vùng phủ sóng của mình tới nhiều nơi như vùng sâu vùng

xa, biên giới, hải đảo và đã sang tham gia khai thác thị trường di động ở các nước Campuchia, Lào Số trạm BTS mới được lắp đặt rất nhiều, chất lượng phục vụ đối với khách hàng ngày càng được nâng cao Như vậy cho thấy rằng nhu cầu của khách hàng đối với GSM vẫn đang còn rất mạnh mẽ Và trong tổng số thuê bao di động thì số khách hàng có nhu cầu sử dụng các dịch vụ gia tăng cần đến băng thông rộng như: truy cập Internet tốc độ cao, Video clip, truyền dữ liệu tốc độ cao… chiếm tỉ lệ không cao Cũng chính vì không thể phục vụ cho một số ít khách hàng mà nhà cung cấp phải thay đổi công nghệ của mình được

Để tiến lên 3G thì đối với nhà cung cấp dịch vụ phải thay đổi công nghệ, phải bỏ tiền ra để đầu tư mua sắm thiết bị mới cho hệ thống của mình Còn đối với người sử dụng là khách hàng cũng phải thay đổi thói quen sử dụng, phải mua mới thiết bị đầu cuối (là chiếc điện thoại di động thế hệ 3G) cho phù hợp với công nghệ mới Điều này có lẽ là khó khăn nhất, để thay đổi thói quen và chấp nhận mạng mới thì cũng cần khoảng thời gian không phải

là ngắn

Tuy rằng, thế hệ 3G là bước phát triển tất yếu của hệ thống thông tin di động, 3G ra đời hứa hẹn nhiều tính năng vượt trội nhưng chưa thể nói là hoàn toàn tốt hơn thế hệ 2G (về phía khách hàng) Và điều này cũng cần phải có thời gian mới chứng minh được

1.2.2 Hướng phát triển và khả năng ứng dụng hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam

Sự phát triển nhanh chóng của xã hội, của công nghệ thông tin, kéo theo nhu cầu trao đổi thông tin của con người phát triển theo, do vậy mà tiến lên 3G là tất yếu và Việt Nam không phải là ngoại lệ Việt Nam phải phát triển để tiến kịp với thế giới nhất là trong thời đại ngày nay - thời đại toàn cầu hoá

Thực tế là ở Việt Nam chúng ta mới chỉ tiếp thu nắm bắt công nghệ để

sử dụng và khai thác các thiết bị viễn thông Nền khoa học kỹ thuật của ta không cho phép ta có thể sản xuất thiết bị riêng được Gần như 100% công nghệ và các thiết bị dùng trong ngành viễn thông đặc biệt là những thiết bị dùng trong thông tin di động ta phải nhập của các hãng nước ngoài Khi mà các nhà cung cấp thiết bị thay đổi công nghệ thì ta bắt buộc phải thay đổi theo

để tiến kịp với bước phát triển của thế giới vì nếu không ta sẽ không có thiết

bị máy móc để dùng rồi sẽ dẫn đến lạc hậu Do vậy phải biết nắm bắt thời cơ,

có kế hoạch chi tiết thì ta mới có thể chủ động trong mọi tình huống Và đây chính là mục tiêu của ngành Viễn thông trong quá trình hội nhập và phát triển

Kết luận chương 1

Chương 1 của đồ án đã giới thiệu sâu về các vấn đề cơ bản sau đây :

• Quá trình lịch sử hình thành và phát triển của thông tin di động trên

thế giới qua từng giai đoạn

• Đánh giá, so sánh sự khác biệt và ưu khuyết điểm của các công nghệ

FDMA, TDMA, CDMA sử dụng cho các thế hệ 1G, 2G và 3G

• Một vài nhận xét về thị trường di động ở nước ta hiện nay và khả

năng tiến lên 3G trong tương la.i

Những nội dung trên là cơ sở để tìm hiểu về mạng thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) W-CDMA, kỹ thuật trải phổ trong W- CDMA, điều khiển công suất trong W-CDMA, sẽ được trình bày trong chương 2

CHƯƠNG 2: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ

HỆ THỨ BA (3G) W-CDMA

Qua việc tìm hiểu và nghiên cứu quá trình lịch sử hình thành và phát

triển của thông tin di động ở chương 1 thì chương 2 của đồ án giới thiệu về hệ

thống thông tin di động thế hệ ba (3G) W-CDMA trong đó nêu lên những kỹ

thuật cơ bản và công nghệ then chốt sử dụng trong W-CDMA

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động 3G

2.1.1 Mục tiêu của IMT-2000

Những nỗ lực trong nghiên cứu và phát triển đã được thực hiện cho

IMT-2000 với mục đích cung cấp các dịch vụ đa phương tiện có chất lượng

cao, tốc độ cao, khai thác một dải rộng các nội dung bao gồm thoại, số liệu và

video trong môi trường di động Hệ thống IMT-2000 có các mục tiêu sau:

• Các dịch vụ thông tin cá nhân nhờ nâng cao hiệu suất phổ (cá nhân

hoá)

• Các dịch vụ thông tin xuyên suốt toàn cầu (toàn cầu hoá)

• Các dịch vụ đa phương tiện qua hệ thống truyền dẫn có tốc độ và

chất lượng cao (đa phương tiện)

Việc sử dụng băng thông rộng hơn cho phép truyền với tốc độ cao một

dung lượng lớn số liệu, hình ảnh tĩnh và video bên cạnh các kết nối thoại

Liên minh viễn thông Châu Âu (ITU) đã đặt ra các yêu cầu đối với hệ

thống truyền dẫn vô tuyến IMT-2000 để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện

trong nhiều môi trường khác nhau như mô tả trong bảng 1.2 Tốc độ truyền

yêu cầu là 144 kbit/s trong môi trường di chuyển tốc độ cao, 384 kbit/s khi di chuyển ở các tốc độ thấp và 2Mbit/s trong môi trường trong nhà

Bảng 2.1: Các yêu cầu đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến IMT-2000

Trong nhà Người đi bộ Trong xe ô tô

Tốc độ truyền (kbit/s ) 2048 384 144

Hình 2.1 thể hiện các dịch vụ đa phương tiện trong thông tin di động do IMT-2000 cung cấp trong các lĩnh vực kinh doanh, công cộng và cá nhân Một chiếc điện thoại di động có thể thay thế cho nhiều cho nhiều loại giấy tờ tùy thân hay là nó giúp cho việc thanh toán, giao dịch, giải trí đó đều là những tính năng vượt trội mà 3G sẽ mang lại

Hình 2.1: Các dịch vụ đa phương tiện trong thông tin di động

2.1.2 Chuẩn hóa IMT-2000

Nghiên cứu về IMT-2000 đã được bộ phận thông tin vô tuyến của ITU ( ITU-R ) bắt đầu thực hiện từ năm 1985 Cùng với nghiên cứu này, bộ phận chuẩn hóa viễn thông của ITU ( ITU-T ) đã coi việc nghiên cứu IMT-2000 là một nhiệm vụ quan trọng và đã tiến hành các nghiên cứu về các giao thức báo hiệu lớp trên, các nhận dạng, các dịch vụ, mã hóa thoại hình ảnh… Tiếp theo các nghiên cứu này là các nghiên cứu về các thông số kỹ thuật chi tiết cho Dự

án đối tác thế hệ 3 (3GPP) thực hiện và những nỗ lực nhằm xây dựng sự

thống nhất chung giữa các tổ chức hướng tới sự phát triển của một giao diện

vô tuyến được chuẩn hóa

Trước hết, ITU-R làm rõ những yêu cầu tối thiểu đối với giao diện vô tuyến IMT-2000 Bảng 2.1 mô tả những yêu cầu này Đáp lại, các quốc gia và

tổ chức được yêu cầu đề xuất một giao diện vô tuyến thỏa mãn các yêu cầu này

Ngoài ITU, còn có các quốc gia, khu vực và các tổ chức cũng tiến hành các nghiên cứu như ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) của Nhật và ETSI (European Telecommunication Standard Institude) Kết quả

là 10 hệ thống thông tin mặt đất và 06 hệ thống thông tin vệ tinh đã được đề xuất lên ITU-R, tất cả các đề xuất này sau đó đã được một nhóm gồm nhiều nước và tổ chức khác nhau đánh giá Sau khi các hệ thống này được xác nhận

là thỏa mãn yêu cầu của IMT-2000, các đặc tính chủ yếu của giao diện vô tuyến được cải tiến trên cơ sở xem xét các đặc tính tần số vô tuyến (RF) và các đặc tính băng gốc quan trọng Những nỗ lực đồng thời xảy ra nhằm tạo dựng được sự thống nhất giữa những người chủ trương xây dựng một giao diện vô tuyến chuẩn, được thể hiện trong bản kiến nghị về các thông số cơ

bản tháng 3/1999 Như mô tả trong hình 2.2 và 2.3, bản kiến nghị đã đưa ra các nội dung liên quan đến giao diện vô tuyến IMT-2000 như sau:

• Chuẩn giao diện vô tuyến bao gồm các công nghệ CDMA và TDMA

• CDMA bao gồm các phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp song công phân chia theo tần số (FDD), phương thức đa sóng mang FDD và phương thức song công phân chia theo thời gian (TDD) Tốc độ chip tương ứng của phương thức trải phổ trực tiếp FDD và đa sóng mang FDD là 3,84 Mc/s và 3,6864 Mc/s

• Nhóm TDMA bao gồm phương thức sóng mang đơn FDD và phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)/ TDMA

• Mỗi công nghệ vô tuyến này phải có thể hoạt động trên hai mạng lõi 3G chính Ví dụ: phiên bản của GSM và ANSI-41(Viện tiêu chuẩn Quốc gia

Mỹ )

Các khuyến nghị nêu các thông số kỹ thuật của mỗi phương thức: trong

đó phương thức trải phổ trực tiếp được gọi là W-CDMA

Hình 2.2: Cấu hình giao diện vô tuyến IMT-2000

IMT-2000 CDMA trải phổ trực tiếp

IMT-2000 CDMA đa sóng mang

IMT-2000 CDMA TDD

IMT-2000 sóng mang đơn

IMT-2000 FDMA/

TDMA

Kết nối linh hoạt giữa giao diện vô tuyến và mạng lõi

GSM MAP tăng cường

ANSI – 41 tăng cường Cơ sở IP

Giao diện

vô tuyến

Mạng lõi

Hình 2.3: Kết nối giữa các giao diện vô tuyến và mạng lõi

2.1.3 Băng tần cho IMT-2000

Băng tần cho IMT-2000 đã được quy định tại Hội nghị quản lý vô

tuyến thế giới – 92 (WARC-92) vào năm 1992 Một dải phổ 230 MHz trong

băng tần 2GHz ( 1885 - 2025 MHz ; 2110 – 2200 MHz ) đã được phân chia

cho IMT-2000 Tuy nhiên, sự bùng nổ nhu cầu đối với thông tin di động và

các xu hướng đa phương tiện trong thông tin di động đã khiến cho ITU-R dự

đoán vào năm 1999 – 2000 rằng băng tần IMT-2000 sẽ trở nên không đủ

trong tương lai gần Đặc biệt số thuê bao IMT-2000 sẽ đạt con số 200 triệu

thuê bao trên toàn thế giới vào năm 2010, đồng thời ITU-R cũng nhận thấy

rằng cần phải đảm bảo một băng tần chung toàn cầu để đạt được giá thành

thấp hơn nhờ vào việc sử dụng chung các thiết bị đầu cuối IMT-2000 trên

phạm vi toàn cầu và phát triển các chỉ tiêu kỹ thuật chung cho các thiết bị đầu

cuối ITU-R ước tính rằng vào năm 2010 sẽ thiếu băng thông khoảng

160MHz cho các hệ thống thông tin mặt đất và 2x 67 MHz cho các hệ thống

thông tin vệ tinh trên thế giới Để đáp ứng dự báo này, Hội nghị thông tin vô

tuyến thế giới 2000 (WRC – 2000) đã đề xuất dành băng tần 800 MHZ (806 –

960 MHz), 1,7 GHz (1710 – 1885 MHz ), và 2,5GHz để sử dụng cho

IMT-2000 trên thế giới trong tương lai

2.1.4 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế đối với hệ thống thông tin di động W-CDMA

Các yêu cầu đối với IMT-2000 bao gồm tính năng linh hoạt, tính năng kinh tế và khả năng truyền số liệu cao Yêu cầu hoạt động tối thiểu về tốc độ truyền dẫn là 2Mb/s ở môi trường trong nhà, 384Kb/s trong chế độ đi bộ, 144Kb/s ở chế độ di chuyển bằng xe Đối với hệ thống vô tuyến, phương pháp

đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA) là phương pháp có thể thực hiện tốt các yêu cầu đã nêu – được đề xuất làm giao diện vô tuyến Điểm đáng chú ý của IMT-2000 là nó mang tính toàn cầu hơn các chuẩn khác và nhiều nỗ lực nghiên cứu mạnh đã được tiến hành hợp các chuẩn có tính cạnh tranh khác nhau trong quá trình chuẩn hóa IMT-2000 có vai trò rất quan trọng trong việc phát triển một giao diện vô tuyến chung toàn cầu để đảm bảo

sự chia sẻ các thiết bị đầu cuối W-CDMA đã được phê chuẩn là một trong các giao diện khuyến nghị của tổ chức Viễn thông quốc tế (ITU), trong đó nó được gọi là hệ thống trải phổ trực tiếp IMT-2000

Về các dịch vụ, một trong những mục tiêu chính là cung cấp đầy đủ các chức năng đa phương tiện trong thế giới thông tin di động Khả năng truyền dẫn tốc độ cao sẽ biến mục tiêu này thành khả thi đối với hệ thống thông tin

di động W-CDMA Theo IMT-2000, giao diện vô tuyến và hệ thống vô tuyến phải có khả năng thích nghi với các tốc độ truyền số liệu khách hàng, cung cấp đồng thời nhiều dịch vụ và đáp ứng được các dịch vụ chuyển mạch gói (Packet Switched) cũng như các dịch vụ chuyển mạch kênh (Channel Switch) W-CDMA là một phương thức hiệu quả để đáp ứng tốt các yêu cầu này

Băng tần sử dụng theo IMT-2000 là băng tần 2GHz Do băng tần này là cao hơn so với băng tần 800MHz sử dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) nên về mặt lý thuyết các ô có bán kính lớn là khó suy hao truyền lan sóng Hơn nữa, các yêu cầu về thiết kế đường truyền cũng nghiêm ngặt hơn do nhu cầu truyền tin lớn hơn cho các dịch vụ số liệu tốc độ cao làm tăng yêu cầu về công suất phát Do đó, việc xây dựng một hệ thống có tính kinh tế trở thành mục tiêu quan trọng trong kế hoạch phát triển nhằm đảm bảo vùng phủ sóng tương đương với cùng một số trạm gốc như hệ thống di động 2G hiện có Để làm được điều này đòi hỏi phải ứng dụng nhiều công nghệ khác nhau

2.1.5 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến

2.1.5.1 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA

Bảng 2.2: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA

Phương thức truy nhập CDMA trải phổ trực tiếp

Phương thức truyền song công FDD

Độ dài khung số liệu 10, 20, 40, 80 ms

Mã hiệu chỉnh lỗi Mã turbo, mã xoắn

Phương thức điều chế số liệu Đường xuống: QPSK, đường lên: BPSK

Phương thức điều chế trải phổ Đường xuống: QPSK, đường lên: HPSK

Phương thức đồng bộ giữa các trạm gốc Dị bộ (cũng có thể sử dụng chế độ đồng bộ)

Phương pháp mã hóa thoại AMR ( 1,95 kb/s – 12,2 kb/s )

Ghi chú: AMR: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng; BPSK: điều chế hai trạng thái; HPSK: điều chế pha hỗn hợp (lai); QPSK: điều chế pha bốn trạng thái; FDD: song công phân chia theo tần số

2.1.5.2 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến

Mạng truy nhập vô tuyến (RAN: Radio Access Network) bao gồm thiết

bị điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Control ) và nút B, mạng này được nối với mạng lõi (CN: Core Network) qua giao diện Iu Theo 3GPP, RAN được xem như mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) RNC có chức năng quản lý các tài nguyên vô tuyến và điều khiển nút B, ví dụ như nó thực hiện điều khiển chuyển giao Nút B là nút logic có chức năng thu

và phát vô tuyến, nó còn được gọi là trạm thu phát gốc (BTS) Giao diện giữa nút B và RNC được gọi là Iub Giao diện giữa các RNC cũng được quy định với tên gọi là Iur Đây là một giao diện logic để có thể thực hiện đấu nối vật

lý giữa các RNC Tuy nhiên, các phương pháp truyền dẫn luân phiên có thể được ứng dụng như một kết nối vật lý qua mạng lõi (CN) Nút B phủ sóng cho một hoặc nhiều ô Nếu BS được phân chia sector bởi các anten định hướng thì mỗi sector cũng được xem như một ô nhỏ Nút B được kết nối với thiết bị thuê bao (UE: User Equiment ) qua giao diện vô tuyến

Hình 2.4: Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến

2.1.6 Các công nghệ then chốt trong W-CDMA

2.1.6.1 Sử dụng chế độ không đồng bộ giữa các BS và phân chia mã đường xuống

Chế độ không đồng bộ (dị bộ ) được áp dụng khi không cần duy trì một quá trình đồng bộ chính xác giữa tất cả các BS Nó được sử dụng nhằm mục đích đảm bảo dễ dàng triển khai phủ kín sóng bởi các BS cho cả môi trường truyền sóng trong nhà và ngoài trời

2.1.6.2 Cấu trúc hoa tiêu

Quá trình tách sóng nhất quán có sự trợ giúp của ký hiệu hoa tiêu được

áp dụng không chỉ với đường xuống mà cả với đường lên Các ký hiệu hoa tiêu trong đường xuống được ghép theo thời gian với các ký hiệu số liệu để giảm thiểu độ trễ cho quá trình điều chỉnh công suất phát TPC (Transmission

Power Control) và đơn giản hoá quá trình thu trong UE Ký hiệu hoa tiêu đã

sử dụng cho các kênh riêng ghép theo thời gian theo đường xuống cũng có hiệu quả trong TPC nhanh ở đường xuống

Mặt khác, đối với đường lên các ký hiệu số liệu được ghép vuông pha (I/Q) với các ký hiệu hoa tiêu Hay nói cách khác, chúng được điều chế BPSK

và được kết hợp ở hai trạng thái pha 0 và π/2 Điều này làm cho quá trình truyền dẫn tốc độ biến thiên ở đường lên được liên tục và không thay đổi bất thường Nó cũng giảm thiểu hệ số đỉnh trong dạng sóng truyền sẫn và giảm bớt các yêu cầu cho bộ khuếch đại phát trong UE

Đối với đường xuống, CPICH đã được sử dụng để giải điều chế các kênh chung cũng được sử dụng để giải điều chế các kênh riêng Các ký hiệu hoa tiêu riêng được ghép trên kênh riêng cũng là một giải pháp hữu hiệu để đảm bảo khả năng mở rộng, khả năng ứng dụng các anten thích nghi và các công nghệ khác để phát triển hơn nữa

2.1.6.3 Phương pháp truy nhập gói

Khi mà truyền gói trở thành kỹ thuật then chốt đối với các dịch vụ 3G thì nhiều nghiên cứu khác nhau đã được tiến hành trên các công nghệ truyền W-CDMA chọn giải pháp sử dụng hệ thống có khả năng chuyển đổi thích ứng giữa các kênh chung và các kênh riêng theo lưu lượng số liệu

Khi lượng số liệu cần truyền lớn thì việc ấn định kênh riêng DPCH là hiệu quả hơn và công suất sử dụng là thấp hơn nhờ quá trình TPC Ngược lại, khi lượng số liệu cần truyền nhỏ và lưu lượng thay đổi đột biến thì sử dụng một kênh chung sẽ hiệu quả hơn Trong phương pháp này, hệ thống sẽ chuyển đổi thích ứng giữa các kênh chung và kênh riêng theo lưu lượng số liệu

Các phương pháp khác cũng được sử dụng, bao gồm phương pháp kênh chia sẻ (chung) đường xuống, trong đó một kênh đường xuống được chia sẻ bởi nhiều thuê bao Các kênh riêng tốc độ thấp được gắn vào kênh chia sẻ

hiện việc điều khiển và chỉ ra thông tin cần để giải mã kênh chia sẻ đường xuống Kênh chia sẻ đường xuống được tin cậy để truyền số liệu tốc độ cao ở đường xuống một cách hiệu quả

2.1.6.4 Phân tập truyền dẫn

Một số công nghệ phân tập truyền dẫn đã được nghiên cứu và sau đó được áp dụng để nâng cao hiệu suất gồm: phương pháp phân tập anten phát chuyển mạch thời gian (TSTD) và phân tập anten phát dựa trên mã khối thời gian – không gian (STTD) dạng vòng mở - trong đó không sử dụng vòng hồi tiếp; và hai phương pháp này ở dạng vòng kín trong đó có sử dụng hồi tiếp TSTD chuyển đổi anten phát trong mỗi khe, ngược lại STTD cải thiện hiệu quả sửa lỗi nhờ việc ngẫu nhiên hóa các lỗi tại điểm thu bằng cách mã hóa số liệu giống nhau và gửi đồng thời chúng tới hai anten phát Dạng vòng kín, được áp dụng với kênh riêng sẽ làm giảm ảnh hưởng của pha đinh bằng cách điều chỉnh pha sóng mang phát ra từ hai anten theo tín hiệu tham chiếu phản hồi từ UE tại điểm thu

Tóm lại : IMT-2000 đã đáp ứng được yêu cầu theo mục tiêu hướng tới đa

phương tiện và toàn cầu hoá nhờ việc ứng dụng các công nghệ then chốt, hiện đại hoá và thống nhất chung trên toàn thế giới Nó đã chứng tỏ được khả năng vượt trội so với hệ thống thông tin di động thế hệ 2G về tốc độ truyền số liệu cũng như các dịch vụ gia tăng

2.2 Kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA

Kỹ thuật trải phổ là kỹ thuật quan trọng được sử dụng trong W-CDMA nhờ vào khả năng bảo mật và tính chống nhiễu cao, do vậy cần nghiên cứu sâu về kỹ thuật này

2.2.1 Giới thiệu chung

Kỹ thuật trải phổ với các hệ thống thông tin số nguyên thủy được phát triển và ứng dụng trong thông tin nhằm cung cấp khả năng chống lại việc gây nhiễu cố ý, che dấu tín hiệu bằng cách phát nó với mức công suất thấp, nhờ

đó làm cho người nghe không mong muốn khó phát hiện ra được sự có mặt của tín hiệu trong nền tạp âm, hoặc để làm cho nhiều người sử dụng có thể truyền qua cùng một kênh Ngày nay, các kỹ thuật trải phổ đang được sử dụng nhằm cho phép truyền tin tin cậy trong một loạt các ứng dụng thương mại, bao gồm cả thông tin trên xe di động thông tin vô tuyến liên sở ( interoffice) Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng tần W rất rộng, thường gấp hàng trăm lần tốc độ bit của hệ thống nhờ sử dụng

kỹ thuật trải phổ tín hiệu bằng các tín hiệu giả tạp PN (Pseudo Noise) Khi chỉ

có một người sử dụng băng tần trải phổ, sử dụng băng tần này là không hiệu quả Tuy nhiên trong môi trường nhiều người sử dụng, những người sử dụng này có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống sử dụng băng tần

có hiệu quả mà vẫn giữ được các ưu điểm của trải phổ

Ý tưởng của trải phổ trong các hệ thống thông tin là dựa vào định lý Shannon, định lý này được phát biểu như sau: Với một kênh có tạp âm trắng cộng tính (AWNG) thì tương quan giữa dung lượng, công suất và độ rộng dải tần cho bởi:

C = W log 2 ( 1+ S/N ) Trong đó: C: dung lượng của kênh

W: độ rộng dải tần của tín hiệu S: công suất tín hiệu

N: công suất tạp nhiễu Như vậy, với cùng dung lượng C xác định Nhờ tăng W mà có thể truyền được tín hiệu với tỷ số S/N rất thấp, thậm chí < 1 Điều này có thể đạt được nhờ thực hiện trải rộng phổ cần truyền ở phần phát và nén phổ ở phần thu Trên cơ sở này cho phép hệ thống liên lạc làm việc tốt trong các điều kiện

có nhiễu mạnh, thậm chí che giấu tín hiệu chìm vào trong nền nhiễu, nhờ đó đối phương rất khó phát hiện được tin tức truyền đi Hơn nữa, nhờ việc sử

dụng các dãy giả ngẫu nhiên để trải phổ nên đối phương hầu như không thể giải mã được thông tin

Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ tín hiệu được truyền đi rất rộng Tuy vậy, không phải loại hệ thống thông tin nào có phổ rộng cũng là hệ thống thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin được gọi là

hệ thống trải phổ nếu nó thỏa mãn ba yếu tố sau:

• Tín hiệu sau khi trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn gấp nhiều lần so với

bề rộng phổ ban đầu của nó trước khi trải phổ

• Việc trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ thường gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu và có tốc độ lớn hơn nhiều lần tốc độ dữ liệu Tín hiệu trải được lựa chọn sao cho tạo ra một phổ tổng cộng gần với phổ của tạp âm

• Quá trình nén phổ được thực hiện nhờ tính tương quan giữa tín hiệu thu được và tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải đã được sử dụng ở phần phát

Các phần tử cơ sở của một hệ thống thông tin trải phổ được minh họa trên hình 2.5

Hình 2.5: Mô hình một hệ thống thông tin trải phổ

Chúng ta đã thấy rằng bộ mã hóa và giải mã, bộ điều chế và giải điều chế là các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin số truyền thống Ngoài các phần tử này, một hệ thống thông tin trải phổ còn áp dụng hai bộ tạo chuỗi giả

ngẫu nhiên như nhau, một trong chúng giao tiếp với điều chế ở đầu phát và

bộ kia thì giao tiếp với bộ giải điều chế ở đầu thu Hai bộ này tạo ra một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên hay giả tạp PN được sử dụng tại bộ điều chế để trải tín hiệu được phát đi về phổ và trải phổ tín hiệu thu được tại bộ giải điều chế

ở phía máy thu

Chuỗi giả ngẫu nhiên PN được tạo ra ở máy thu phải đồng bộ với chuỗi

PN hàm chứa trong tín hiệu thu để được giải trải chính xác tín hiệu thu được

đã được trải phổ Trong một hệ thống thực tế, việc đồng bộ được thiết lập trước khi truyền đưa thông tin bằng cách truyền một mẫu bit cố định được thiết kế sao cho máy thu sẽ tách được nó với một xác suất cao ngay cả khi có nhiễu Sau khi việc đồng bộ thời gian của các bộ tạo chuỗi PN đã thực hiện xong, việc truyền thông tin bắt đầu Trong chế độ truyền dữ liệu, máy thu thường bám định thời với tín hiệu thu và giữ cho bộ tạo chuỗi PN được đồng

bộ Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin trải phổ được trình bày trên hình 2.6

Từ sơ dồ ta thấy vị trí của khối trải phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến Phổ của tín hiệu sau khi được xử lý sẽ được trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết, sau đó qua bộ điều chế chuyển phổ này tới băng tần truyền dẫn Tín hiệu đã điều chế được khuếch đại và phát trên kênh truyền dẫn – kênh mặt đất hoặc kênh vệ tinh [6]

2.2.2 Phân loại các kỹ thuật trải phổ

Căn cứ vào cấu trúc và phương pháp điều chế người ta phân loại kỹ thuật trải phổ như sau:

Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence) Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping) Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping) Ngoài ra còn phương pháp kết hợp giữa chúng chẳng hạn như FH/DS, TH/FH, TH/DS và DS/FH/TH

Nén

dữ liệu

Mã hóa sửa sai

Điều

Tạo chuỗi PN

Tạo sóng mang Đ/c

Kênh truyền

Tạp âm Nhiễu A/D

Trạm thu

&phát

vệ tinh

Giải điều chế

Giải nén

Giải

mã

Đồng

bộ chuỗi

Tạo chuỗi PN

Máy thu

Kênh truyền

Tạp âm Nhiễu

Kênh truyền

Tạp âm Nhiễu

Hình 2.6: Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin trải phổ

Trải phổ nhảy tần (FH): Thực chất là sự dịch chuyển tần số được chọn theo mã Thành phần cơ bản của hệ thống là bộ tạo mã PN và bộ tổ hợp tần

số Trong trải phổ nhảy tần (FH) độ rộng băng kênh sẵn có W được chia nhỏ thành một số lớn các khe tần số không lấn lên nhau Trong bất kỳ khoảng thời gian truyền tin nào, tín hiệu được truyền đều chiếm một (hay nhiều hơn một ) khe tần số nói trên Việc chọn khe (hay các khe) tần số nào trong mỗi một khoảng thời gian truyền tín hiệu được thực hiện một cách giả ngẫu nhiên theo tín hiệu lối ra của một bộ tạo chuỗi PN

Trải phổ nhảy thời gian (TH): Nguyên lý của hệ thống này là một bản

tin có tốc độ dòng số Rb được phân phối khoảng thời gian cần thiết được

dùng để truyền bản tin ấy bằng các hệ thống thông thường Trong khoảng thời

gian này, dòng số được gửi đi theo từng loạt phù hợp với sự điều khiển của

mã PN

Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS): Trong phương pháp này mã trải phổ PN

sẽ trải phổ tín hiệu sóng mang đã điều chế dữ liệu một cách trực tiếp Phương

pháp này là dạng đơn giản nhất trong kỹ thuật trải phổ và được sử dụng rộng

rãi trong thông tin di động, vệ tinh và rada Trong hệ thống thông tin di động

W-CDMA cũng sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS

2.2.3 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS)

Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp là cơ sở cho kỹ thuật W-CDMA

Như ta đã biết hệ thống thông tin di động trước đây thường sử dụng kỹ thuật

đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và đa truy nhập phân chia theo thời

gian TDMA, nhưng đứng trước nhu cầu về tăng dung lượng và loại hình dịch

vụ thì hai kỹ thuật này gặp rất nhiều khó khăn Đó cũng là lý do tại sao kỹ

thuật đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA được coi là kỹ

thuật thay thế trong tương lai

Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence Spectrum

Spreading) có thể được trình bày như sau:

Gọi chuỗi dữ liệu cần được phát đi là s(t) có tốc độ là R (b/s) và chuỗi

trải phổ giả ngẫu nhiên hay giả tạp PN là chuỗi chip c(t), (c(t) = ±1) có tốc độ

Rc (b/s) rất lớn hơn tốc độ chuỗi dữ liệu s(t) là R Chuỗi tín hiệu băng gốc

phát sau trải phổ là:

r1(t) = s(t) × c(t) (2.1) Phổ tín hiệu băng gốc phát sau trải phổ là:

R1(f) = S(f) * C(f) (2.2)

Trong đó S(f) và C(f) lần lượt là phổ của tín hiệu dữ liệu s(t) và chuỗi chip c(t)

Do chuỗi trải phổ (chuỗi chip) có tốc độ lớn hơn rất nhiều tốc độ của chuỗi dữ liệu, phổ của c(t) là C(f) có độ rộng băng lớn hơn rất nhiều so với chuỗi dữ liệu, vì vậy độ rộng băng tín hiệu phát đi (bề rộng phổ chiếm của

R1(f)), là tổng độ rộng băng của c(t) và s(t), sẽ rộng hơn độ rộng băng của s(t) rất nhiều lần s(t) do vậy đã được trải rộng về phổ với mật độ công suất phổ rất thấp

Ở máy thu, tín hiệu thu được được giải trải phổ bằng cách nhân với chuỗi chip giải trải là bản sao đồng bộ với chuỗi chip trải phổ ở phần phát để thu lại tín hiệu dữ liệu đã truyền đi Bỏ qua tác động của tạp âm nhiệt trắng chuẩn cộng tính, xét ở băng tần gốc, tín hiệu sau trải phổ là:

s(t) ×c(t) = s(t) ×c(t) ×c(t) = s(t) (2.3)

2.2.4 Điều chế và giải điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp

Hai loại điều chế số sẽ được xem xét liên quan với trải phổ, đó là PSK

và FSK Điều chế PSK nói chung được sử dụng với trải phổ DS là thích hợp cho các ứng dụng trong đó sự kết hợp về pha giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu

có thể duy trì được trên khoảng thời gian bao trùm vài symbol (hay bit) Về phương diện khác, điều chế FSK nói chung được sử dụng với trải phổ nhảy tần và thích hợp cho các ứng dụng trong đó sự kết hợp pha sóng mang không thể duy trì được do đặc tính truyền dẫn của kênh truyền tin biến đổi theo thời gian

Sau đây ta đi tìm hiểu một số kỹ thuật điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS)

2.2.4.1 Trải phổ DS BPSK (Direct Sequence – Binary Phase Keying)

Dạng đơn giản nhất của kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp là điều chế trải phổ PSK có sơ đồ như hình 2.6