công nghệ wcdma và giải pháp nâng cấp mạng gsm lên wcdma

FER Frame Error Rate tỉ số khung lỗi FPLMTS Future Public Land Mobile Telephon System Hệ thống điện thoại di động mặt đất Công cộng trong tương lai FHSS Frequency – Hopping SS Trải phổ n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

BÙI THỊ THANH HƯỜNG

CÔNG NGHỆ WCDMA VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG 13

DANH MỤC HÌNH VẼ 14

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G - UMTS 18

1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G .18

1.1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G 18

1.1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống 3G 19

1.1.3 Công nghệ 3G cho Việt Nam 20

1.1.3.1 Lựa chọn con đường lên 3G cho Việt Nam .20

1.1.3.2 Phân bổ tần số cho 3G tại Việt Nam : 22

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – UMTS 23

1.2.1 Giới thiệu chung về UMTS 23

1.2.2 Phát triển từ GSM lên UMTS / WCDMA .24

1.2.2.1 Mạng di động thế hệ thứ 2 – GSM 24

1.2.2.2 Kết hợp UMTS và GSM .26

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG W-CDMA .29

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WCDMA 29

2.2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA 33

2.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA 34

2.2.1.1 Các kỹ thuật đa truy nhập .34

2.2.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA 34

2.2.2 Nguyên lý trải phổ trong WCDMA .38

2.3 QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN TRONG WCDMA 42

2.3.1 Điều khiển công suất trong WCDMA .43

2.3.1.1 Điều khiển công suất vòng hở 45

2.3.1.2 Điều khiển công suất vòng kín 45

2.3.2 Chuyển giao trong WCDMA 48

2.3.2.1 Chuyển giao mềm hơn .49

2.3.2.2 Chuyển giao mềm – Soft HO 50

2.3.2.3 Chuyển giao liên tần số và liên hệ thống .53

2.4 KỸ THUẬT XỬ LÝ SỐ VÀ TRUYỀN DẪN .55

2.4.1 Môi trường truyền dẫn vô tuyến .55

2.4.2 Phân tập: 57

LỜI CAM ĐOAN 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

2.4 3 Bộ thu RAKE: 60

2.4.4 Anten thông minh: 64

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC MẠNG UMTS .71

3.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2G VÀ 2,5G: 72

3.1.1 Hệ thống GSM .72

3.1.2 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 74

3.1.3 EDGE – Cải thiện tốc độ số liệu cho GSM .77

3.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG UMTS .78

3.2.1 Cấu trúc chung của hệ thống UMTS .78

3.2.2 UE – Thiết bị người sử dụng: 82

3.2.3 Cấu trúc UTRAN của UMTS .84

3.2.3.1 Các đặc tính chung của UTRAN 84

3.2.3.2 Các thành phần của UTRAN .85

3.2.4 Mạng lõi CN .88

3.3 GIẢI PHÁP CHO MẠNG TRUYỀN DẪN BACKHAUL 88

3.3.1 Mạng truyền dẫn trong hệ thống GSM .88

3.3.2 Cải thiện hiệu quả của mạng backhaul 91

3.3.2.1 Sử dụng công nghệ truyền dị bộ ATM 91

3.3.2.2 Tối ưu dải thông mạng backhaul GSM .93

3.3.3 Lựa chọn mạng backhaul thích hợp 95

3.3.3.1 Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho Iub 96

3.3.3.2 Kết hợp GSM/UMTS với các phân đoạn E1 .97

3.3.3.3 Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS ATM 98

3.3.3.4 Kết hợp GSM/UMTS với PSAX .99

CHƯƠNG 4: QUY HOẠCH MẠNG WCDMA CỦA VIETTEL TẠI THÁI BÌNH 101

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 101

4.2 MÔ TẢ VẤN ĐỀ 101

4.3 Quy hoạch mạng WCDMA của Viettel tại Thái Bình 103

4.3.1 Điều kiện tối ưu tổng thể (tính toán thiết kế sơ bộ): 103

4.2.2 Điều kiện tối ưu cho từng trạm (thiết kế chi tiết): 109

KẾT LUẬN 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

Trong kỳ làm đồ án tốt nghiệp, em đã tìm hiểu đề tài đồ án qua kiến thức được giảng dạy, trong các sách tham khảo, các trang tạp chí và các trang web và

em đã hoàn thành đồ án với đề tài “Công nghệ WCDMA và giải pháp nâng cấp mạng GSM lên WCDMA” Em xin cam đoan đồ án này không sao chép các đồ án

đã có từ trước

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

Người cam đoan

Bùi Thị Thanh Hường

LỜI CAM ĐOAN

Tiếng Anh Tiếng Việt

3GPP Third Generation Partnership Project Dự án hội nhập thế hệ 3 3GPP2 Third Generation Partnership Project 2 Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ

hai 8-PSK 8 Phase Shift Keying Điều chế dịch pha 8 trạng

thái

A

AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM

ACI Adjacent Channel Interference Nhiễu kênh lân cận

ADSL Asymmetric DigitalSubscriber Line Đường dây thuê bao số bất

đối xứng AMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại di động

tiên tiến AMR Adaptive Multirate Đa tốc độ thích nghi

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không

đồng bộ AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực

ANSI American National Standards Institute Viện Tiêu chuẩn Quốc gia

Hoa Kỳ

B

BER Bit Error Rate Tỉ số bit lỗi

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế dịch pha nhị phân BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

C

CAMEL Customized Application for Mobile

network Enhanced Logic

Ứng dụng tùy chọn cho logic nâng cao của mạng di động CES Circuit Emulation Service Dịch vụ mô phỏng mạch CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

CDMA Code Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo

mã C/I Carrier to Inteference Ratio Tỉ lệ sóng mang trên nhiễu

CRC Cyclic Redundance Check Kiểm tra dư vòng

CSCF Call State Control Function Chức năng điều khiển trạng

thái cuộc gọi

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

Cải thiện tốc độ số liệu cho phát triển GSM

EFR Enhanced full-rate Tốc độ nâng cao

EFC Enhanced Full Rate Codec Mã hóa tốc độ nâng cao EIR Equipment Identify Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị ETSI European Telecommunication Standa

Institude

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

F

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia

theo tần số FDMA Frequency Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo

tần số

FER Frame Error Rate tỉ số khung lỗi

FPLMTS Future Public Land Mobile Telephon

System

Hệ thống điện thoại di động mặt đất Công cộng trong tương lai

FHSS Frequency – Hopping SS Trải phổ nhảy tần

G

GERAN GSM/EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

GSM/EDGE GGSN Gateway GPRS Support Node Nút mạng hỗ trợ GPRS cổng GMM GPRS Mobility Management Quản lý mềm dẻo GPRS

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế dịch pha cực tiểu

Gaussian GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

H

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSCSD High Speed Circuit Schitched Data Số liệu chuyển mạch kênh

tốc độ cao

HSDPA High-speed Downlink Packet-data

Access

Truy nhập dữ liệu gói đường xuống tốc độ cao

I

IMA Inverse Multiplexing over ATM Ghép kênh chéo qua ATM

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications-2000

Viễn thông di dộng quốc tế

2000

IN Intelligent Network Mạng thông minh

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IS-95 Interim Standard-95 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDMA của Mỹ ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số dịch vụ tích hợp ISUP ISDN User Part Đối tượng sử dụng ISDN ITU International Telecommunication

Union

Liên hiệp viễn thông quốc tế

IWF InterWorking Function Chức năng kết nối mạng

L

M

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MGCF Media Gateway Control Function Chức năng điều khiển cổng media

MMS Multimedia Messaging Services Dịch vụ nhắn tin đa phương

tiện MRF Media Resource Function Chức năng nguồn media

MS Mobile Station Trạm di động

MSC Mobile Switching Service Center Trung tâm chuyển mạch dịch

vụ di động MSS Mobile Satellite System Nghiệp vụ lưu động qua vệ

PDSN Packet Data Service Node Nút dịch vụ số liệu gói PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công

cộng

PSDN Packet Switched Data Network Mạng số liệu chuyển mạch

gói PSPDN Packet Switched Public Data Networ Mạng số liệu công cộng

chuyển mạch gói PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển

mạch công cộng

Q

QoS Quality of Srervice Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế dịch pha cầu

S

SDMA Space Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo

không gian

SGSN Serving GPRS Support Node Nút mạng hỗ trợ dịch vụ

GPRS SID Silence Descritor Mô tả im lặng

SIM Subscriber Identity Module Modun nhận dạng thuê bao SIR Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn

SMSC Short Message Service Center Trung tâm dịch vụ tin nhắn

STM Synchronous Transfer Mode Phương thức truyền đồng bộ

T

TAF Terminal Adaption Function Chức năng thích ứng đầu

cuối

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia

theo thời gian

TDMA Time Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

THSS Time – Hopping SS Trải phổ nhảy thời gian TRAU Transcode and Rate Adaption Unit Khối chuyển đổi mã và thích

ứng tốc độ

U

UE User Equiment thiết bị người sử dụng

UMTS Universal Mobile Telecommunication

System

Hệ thống Viễn thông Di dộng Toàn cầu

USIM UMTS Subscriber Identity Module Modun nhận dạng thuê bao

UMTS UTRAN UMTS Terresrial Radio Access

VMS Vietnam Mobile Telecom Services

Company

Công ty thông tin di động

VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit thay đổi

VTI Vietnam Telecom International Viễn thông quốc tế

VTN Vietnam Telecom National Viễn thông trong nước

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1: Đặc điểm và lợi ích của Anten thông minh 66

Bảng 2 2 Anten thông minh cải thiện dung lượng đường truyền 70

Bảng 3 1: Quá trình phát triển từ GSM/EDGE lên UTMS .82

Bảng 4 1: Dân số và diện tích của tỉnh Thái Bình 101

Bảng 4 2: Thông số RNC của một số vendor 107

Bảng 4 3: Số lượng sector và cell theo dung lượng của BTS 108

Bảng 4 4: Năng lực của RNC 111

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G 22

Hình 1 2: Quy hoạch phổ tần cho mạng 3G tại Việt Nam .23

Hình 1 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G/UMTS 27

Hình 1 4: Các giải pháp khi phát triển từ 2G lên 3G 28

Hình 2 1: Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA……….31

Hình 2 2: Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 35

Hình 2 3: Phương thức đa truy nhập trong hệ thống GSM .36

Hình 2 4: Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 37

Hình 2 5: Trải phổ và giải trải phổ DS – CDMA .38

Hình 2 6: Máy phát BPSK – DSSS .39

Hình 2 7: Mật độ phổ công suất PSD của tín hiệu BPSK – DSSS 40

Hình 2 8: Máy thu BPSK – DSSS .41

Hình 2 9: Điều khiển công suất trong CDMA 44

Hình 2 10: Điều khiển công suất vòng kín trong WCDMA 46

Hình 2 11: Các loại chuyển giao trong WCDMA .49

Hình 2 12: Chuyển giao mềm hơn trong WCDMA .50

Hình 2 13: Chuyển giao mềm trong WCDMA .51

Hình 2 14: Thuật toán chuyển giao mềm .53

Hình 2 15: Chuyển giao giữa WCDMA và GSM .54

Hình 2 16: Mô hình truyền sóng vô tuyến 55

Hình 2 17: Máy thu RAKE 61

Hình 2 18: Đầu ra của bộ lọc thích ứng 63

Hình 2 19: Sơ đồ khối của máy thu RAKE .64

Hình 2 20: So sánh vùng bức xạ của các loại Anten 65

Hình 2 21: Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh 67

Hình 2 22: Hệ thống Anten thích ứng .69

Hình 2 23: So sánh búp sóng Anten chuyển beam (trái) và Anten thích ứng (phải) có thể chọn trong điều kiện tín hiệu người dùng và xuyên nhiễu giống hệt nhau 69

Hình 3 1: Cấu trúc mạng GSM 72

Hình 3 2: Mô hình cổng WAP 73

Hình 3 3: Cấu trúc HSCSD .74

Hình 3 4: Cấu trúc mạng GSM/GPRS 75

Hình 3 5: Cấu trúc mạng GPRS .76

Hình 3 6: Cấu trúc mạng EDGE 78

Hình 3 7: Cấu trúc tổng quát của mạng UMTS 79

Hình 3 8: Các phần tử mạng UMTS 80

Hình 3 9: Các phần tử mạng trong PLMN .80

Hình 3 10: Cấu trúc mạng GSM/UMTS .84

Hình 3 11: Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN .86

Hình 3 12: Chức năng RNC đối với một kết nối UTRAN – UE 87

Hình 3 13: Mạng truyền dẫn Backhaul trong hệ thống GSM 89

Hình 3 14: Cấu trúc “hình sao” cho mạng backhaul .90

Hình 3 15: Phối hợp truy nhập sử dụng PSAX .92

Hình 3 16: Giao diện Abis trong GSM 93

Hình 3 17: Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho Iub 96

Hình 3 18: Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với các phân đoạn E1 97

Hình 3 19: Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS ATM 98

Hình 3 20: Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với PSAX 99

và PDA Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày các trở nên phổ biến này, nhu cầu 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã được

đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và CDMA-2000 đã được ITU chấp thuận và đã được đưa vào hoạt động Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin động thế hệ ba

Công nghệ 3G đã được triển khai và đưa vào sử dụng trên thế giới từ những năm cuối của thế kỷ 20 Việc chuyển sang công nghệ 3G là một xu thế tất yếu trong việc phát triển công nghệ di động trên thế giới Ở Việt Nam, đây là một vấn đề đang rất “nóng” Người dân đang rất mong đợi vào những tiện ích của 3G như truy cập Internet di động, các dịch vụ đa phương tiện, các phương thức trao đổi thông tin và thanh toán di động… - là chìa khóa của tăng trưởng kinh tế và phát triển xã hội

3G đã chính thức được phép triển khai ở Việt Nam kể từ trung tuần tháng 8/2009 khi Bộ TT&TT chính thức cấp 4 giấy phép cho các doanh nghiệp Viettel, MobiFone, Vinaphone và liên danh Hanoi Telecom - EVN Telecom

Trong tương lai hệ thống 3G sẽ dần thay thế 2G nhưng thời gian đầu mới được triển khai sẽ vẫn còn một bộ phận lớn thuê bao 2G chưa thực sự quen và chưa thực sự muốn chuyển sang 3G Do đó các nhà khai thác di động vừa phải tìm kiếm phương án tối ưu để chuyển dần mạng của họ sang mạng 3G, vừa phải duy trì chất lượng dịch vụ mạng 2G truyền thống Lý do thứ hai: Nếu xây dụng 3G hoàn toàn mới và độc lập sẽ dẫn tới sự lãng phí rất lớn cơ sở hạ tầng và kỹ thuật hiện có của 2G Điều này cũng

không cần thiết vì 3G hoàn toàn có thể tận dụng tối đa năng lực sẵn có và chia sẽ hiệu quả tài nguyên cùng 2G

Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã quyết định chọn đề tài: " Công nghệ W-CDMA và giải pháp nâng cấp mạng GSM lên W-CDMA"

Luận văn tập trung vào các giải pháp để triển khai 3G – UMTS đồng thời cùng GSM, cụ thể là giải pháp về xây dựng mạng lưới, giải pháp về triển khai kỹ thuật và vấn đề quy hoạch mạng Về xây dựng mạng lưới, luận văn sẽ trình bày về cấu trúc mạng UMTS được xây dựng trên nền 2G và 2,5G, đồng thời sẽ đưa ra bốn mô hình để nâng cao mạng truyền dẫn backhaul và các điểm cần lưu ý khi thiết kế quy hoạch mạng Về giải pháp triển khai, luận văn sẽ trình bày các vấn đề kỹ thuật liên quan tới công nghệ đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA Về vấn đề quy hoạch mạng, luận văn trình bày về các bước trong quy hoạch mạng, và đưa ra kết quả tối ưu mạng của Viettel tại một số tỉnh phía Bắc nước ta

Do nội dung của đề tài tương đối rộng, điều kiện về thời gian và kiến thức có hạn nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô để đồ án được chính xác và đầy đủ hơn

Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đặc biệt tới PSG.TS Phạm Minh Việt đã tận

tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

3G - UMTS

Giới thiệu chung:

Chương1 trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G và tập trung giới thiệu

về hệ thống 3G – UMTS Về hệ thống 3G nói chung, chương này giới thiệu các đặc điểm, các yêu cầu khi triển khai hệ thống này, đồng thời đề cập tới con đường đi lên 3G tại thị trường di động Việt Nam Phần thứ hai chương này sẽ tập trung vào hệ thống 3G – UMTS, bao gồm: các đặc điểm của hệ thống, việc kết hợp UTMS với GSM,

và trình bày tổng quát các giải pháp thực hiện việc kết hợp này

1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G

Xu thế chung của công nghệ di động là phải đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng, dung lượng, tính tiện lợi, giá cả và tính đa dạng dịch vụ cho người dùng

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba – 3G là một dạng của hệ thống truyền thông

có thể cung cấp các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao, thực thi phủ sóng và chuyển vùng quốc tế Đồng thời 3G tương thích với các mạng cố định và thực hiện bất kỳ liên lạc nào ở bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào với các thiết bị đầu cuối linh hoạt

Các hệ thống 3G cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông, bao gồm: thoại, số liệu tốc độ bit thấp và cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc cả ở môi trường công cộng lẫn tư nhân (vùng công sở, vùng dân cư, phương tiện vận tải…) Các ứng dụng mới đem lại lưu lượng truyền tải và lợi nhuận cao hơn cho các nhà khai thác mạng

Nhưng các dịch vụ mới cho khách hàng không phải là động lực duy nhất thúc đẩy 3G phát triển Một nhân tố nữa đó là 3G giúp các nhà khai thác mạng có thể quản lý được số lượng các thuê bao ngày càng tăng Do 3G sử dụng dải phổ hiệu quả hơn, nên

có thể phục vụ tốt hơn một số lượng lớn hơn các thuê bao so với các mạng di động truyền thống trước đây

Về các hoạt động quốc tế để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba thì 3G được đưa ra vào năm 1985 bởi ITU – hiệp hội viễn thông quốc tế IMT – 2000 đã

mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và bao phủ một vùng rộng lớn các môi trường thông tin Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Thay vì tạo ra một giải pháp sóng radio đơn lẻ, IMT – 2000 bao gồm một họ các tiêu chuẩn công nghệ cho giao diện truy nhập vô tuyến xung quanh những hệ thống 2G đang tồn tại và những hệ thống 3G cải tiến mà hiện đang chuẩn hóa

Việc xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống 3G được thực hiện bởi hai tổ chức quốc

tế, hoạt động dưới sự điều hành chung của ITU là 3GPP và 3GPP2 Và hiện nay 2 tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT – 2000 là:

¾ WCDMA được xây dựng từ 3GPP

¾ CDMA2000 được xây dựng từ 3GPP2

Hai hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA – đa truy nhập phân chia theo mã, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba WCDMA – đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng là

sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như GSM, PDC, IS – 136 CDMA2000 là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ CDMA như CDMA IS – 95

1.1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống 3G

Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 như sau:

¾ Sử dụng dải tần qui định quốc tế 2GHz:

- Đường lên: (1885 – 2025) MHz

- Đường xuống: (2110 – 2200) MHz

¾ Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

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

- Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau như: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh…

¾ Có thể hỗ trợ các dịch vụ như: Môi trường thường trú ảo (VHE) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

¾ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

¾ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

¾ Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

Dựa trên các tiêu chí trên, hệ thống thông tin di động 3G cần đáp ứng các yêu cầu dưới đây để cung cấp các dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện:

¾ Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện, nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit lên tới 2Mbps phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của máy đầu cuối: 2Mbps dự kiến cho các dịch vụ cố định, 384Kbps khi đi bộ và 144Kbps khi đang di chuyển tốc độ cao

¾ Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu Điều này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau Ngoài

ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng, chẳng hạn với tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên hoặc ngược lại

¾ Mạng cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, đảm bảo kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu

¾ Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định, nhất

là đối với thoại

¾ Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh

1.1.3 Công nghệ 3G cho Việt Nam

1.1.3.1 Lựa chọn con đường lên 3G cho Việt Nam

Ở Việt Nam, mạng lưới thông tin di động những năm qua đã đạt được những thành tựu đáng kể, góp phần vào tăng trưởng kinh tế của đất nước

Tháng 8-2010 Bộ Thông tin và Truyền thông đã chính thức cấp giấy phép thiết lập mạng và cung cấp dịch vụ viễn thông di động mặt đất tiêu chuẩn IMT- 2000 trong

bằng tần số 1900- 2200MHZ (cấp phép 3G) cho các nhà mạng di động trúng tuyển 3G, bao gồm: 3 mạng di động gồm VinaPhone, MobiFone, Viettel và Liên danh EVNTelecom - HanoiTelecom

Mỗi mạng trúng tuyển được cấp tần số gồm 15 MHz băng tần FDD và 5 MHz băng tần TDD Có băng tần 80 MHz chia cho 4 nhà cung cấp để mỗi mạng có 20 MHz Tính đến thời điểm tháng 6/2010 tất cả các mạng trúng tuyển đã công bố cung cấp dịch

vụ 3G đến người sử dụng

Việc lựa chọn công nghệ nào trong số rất nhiều công nghệ 3G để cấp phép và triển khai mạng thế hệ ba sao cho có hiệu quả nhất, tiết kiệm chi phí đầu tư đồng thời mang lại lợi ích lớn nhất cho xã hội lại không hề đơn giản Nếu lựa chọn công nghệ không đúng, không đi theo dòng chảy chính trên thế giới thì không những chi phí đầu

tư cao, hiệu quả thấp mà còn có nguy cơ đi vào ngõ cụt, ít có khả năng được tiếp tục hỗ trợ để phát triển trong tương lai Điều đó sẽ gây thiệt hại cho cả nhà nước, doanh nghiệp lẫn người tiêu dùng

Hiện nay trên thế giới có tới sáu nhóm công nghệ được đề xuất cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba vậy con đường nào là hợp lý cho Việt Nam? Việc lựa chọn này cần phải xem xét đến hai khía cạnh, đó là xu thế phát triển công nghệ của thế giới và hiện trạng mạng viễn thông Việt Nam

a Về xu hướng chung của thế giới, lộ trình tiến tới 3G như sau:

Con đường thứ nhất: GSM Æ GPRS Æ EDGE Æ WCDMA thực hiện chủ yếu tại các nước Châu Âu

Con đường thứ hai: IS – 95A Æ IS – 95B Æ CDMA2000 mà bước đầu là CDMA2000 1x thực hiện ở một số nước Bắc Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số nước khác Riêng Nhật Bản thì phát triển mạng PDC của mình theo cả hai hướng WCDMA và CDMA2000

Lộ trình tiến tới 3G được khái quát như hình 1.1 dưới đây:

CDMA

IS-95A

W-CDMA (UMTS)

CDMA 20001x EV

CDMA

IS-95A

W-CDMA (UMTS)

CDMA 20001x EV

4G

Hình 1 1 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G

b Về hiện trạng mạng viễn thông của Việt Nam hiện tại:

Trong băng tần 1900 – 2200 MHz mà Việt Nam đang dự định cấp phép cho 3G thì WCDMA là công nghệ duy nhất hiện nay đã có thiết bị sẵn sàng, được nhiều nhà cung cấp thiết bị sản xuất và có thể cung cấp ngay khi có đơn đặt hàng

Mặc dù một số nước trên thế giới cấp phép băng tần 3G theo tiêu chí độc lập về công nghệ (không gắn việc cấp băng tần với bất kỳ công nghệ nào) nhưng thực tế triển khai ở nhiều nước cho thấy trong băng tần 1900 – 2200 MHz, công nghệ WCDMA/HSPA vẫn là công nghệ chủ đạo, được đa số các nhà khai thác lựa chọn Mặt khác, do quy mô thị trường lớn và là công nghệ đã “trưởng thành” nên WCDMA

là một trong những công nghệ có chi phí đầu tư thấp nhất, đem lại hiệu quả cao nhất Còn các công nghệ khác, kể cả CDMA2000 1x EV – DO chưa sẵn sàng ở đoạn băng tần này

1.1.3.2 Phân bổ tần số cho 3G tại Việt Nam :

Băng tần 1900 – 2200 được cấp phép sử dụng để khai thác 3G IMT – 2000 ở Việt Nam với qui hoạch cụ thể của Cục tần số vô tuyến điện như hình 1.2 Theo đó sẽ có 4 nhà khai thác thông tin di động 3G, mỗi nhà khai thác được cấp một dải tần 15Mhz trên băng tần IMT 2000 FDD tương ứng với 3 sóng mang và 1 tần số 5Mhz trên băng tần IMT 2000 TDD tương ứng với một sóng mang

MSS IMT 2000

1980 2010 2025 1920

15Mhz 5Mhz

IMT 2000

TDD

Private System 15Mhz IMT 2000MSS

IMT 2000 FDD Uplink

IMT 2000 FDD Downlink

MSS IMT 2000

1980 2010 2025 1920

15Mhz 5Mhz

IMT 2000

TDD

Private System 15Mhz IMT 2000MSS

IMT 2000 FDD Uplink

IMT 2000 FDD Downlink

MSS IMT 2000

1980 2010 2025 1920

15Mhz 5Mhz

IMT 2000

TDD

Private System 15Mhz IMT 2000MSS

IMT 2000 FDD Uplink

IMT 2000 FDD Downlink

Hình 1 2: Quy hoạch phổ tần cho mạng 3G tại Việt Nam

¾ Băng tần 1980 – 2010 MHz, và 2170 – 2200 MHz sẽ dành cho các nghiệp vụ lưu động qua vệ tinh MSS IMT – 2000

¾ Các băng tần 1900-1980 MHz, 2010 – 2025 MHz, 2110 – 2170 MHz được cấp phép sử dụng để triển khai IMT – 2000 ở Việt Nam Trong đó:

- Băng tần 2010 – 2025 MHz được dùng để triển khai các mạng viễn thông dùng riêng IMT – 2000 hoặc các ứng dụng khác sử dụng công nghệ IMT – 2000

- Các băng tần 1900 – 1980 MHz và 2110 – 2170 MHz được phân chia cho các nhà khai thác mạng IMT – 2000 công cộng như sau:

+ Băng tần 1900 – 1920 MHz dành cho các giao diện vô tuyến sử dụng phương thức song công phân chia theo thời gian (IMT – 2000 TDD) Băng tần này được chia cho mỗi nhà khai thác với độ rộng băng tần tối thiểu 5 MHz

+ Băng tần 1920 –1980 MHz được dành làm đường lên và băng tần 2110 – 2170 MHz được dành làm đường xuống cho các giao diện vô tuyến sử dụng phương thức song công phân chia theo tần số (IMT – 2000 FDD) Các băng tần này được chia cho mỗi nhà khai thác với độ rộng băng tần tối thiểu 2x15 MHz (15

+ MHz cho đường lên và 15 MHz cho đường xuống)

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – UMTS

1.2.1 Giới thiệu chung về UMTS

UMTS – hệ thống viễn thông di động toàn cầu, là hệ thống 3G của châu Âu dựa trên công nghệ WCDMA và là giải pháp tổng quát cho các nước sử dụng công nghệ di động GSM UMTS đã được thương mại hóa ở Nhật và ở châu Âu Ở Nhật, mấu chốt của UMTS là mang lại dung lượng cho thoại Ở châu Âu, mấu chốt là tăng yêu cầu của

các dịch vụ đa phương tiện multimedia và khả năng sử dụng các ứng dụng dữ liệu tốc

độ cao 2Mbps Cụ thể các chức năng của UMTS như sau:

¾ Hỗ trợ các dịch vụ, phương tiện và các ứng dụng đang được cung cấp bởi các hệ thống 2G đang tồn tại

¾ Cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng và các dịch vụ roaming toàn cầu Những dịch vụ này sẽ có mặt phổ biến với tốc độ bit từ 64Kbps đến 2048 Kbps, cung cấp việc truyền hình ảnh, truy nhập cơ sở dữ liệu từ xa, truyền fax độ nhạy cao, video phân giải thấp, truy nhập Web…Cả hai loại dịch vụ chuyển mạch kênh

và chuyển mạch gói sẽ được hỗ trở bởi UMTS

UMTS là một thành phần trong họ các giao diện sóng radio hình thành IMT – 2000, bao gồm cả thành phần vệ tinh và thành phần mặt đất Cụ thể băng tần của UMTS được phân cấp như sau:

1.2.2 Phát triển từ GSM lên UMTS / WCDMA

- Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCDS), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) và số liệu 14,4 kbps

- Các công việc liên quan đến dịch vụ thoại như : Codec tiếng toàn tốc cải tiến (EFC), Codec đa tốc độ thích ứng và khai thác tự do đầu cuối các Codec tiếng

- Các dịch vụ bổ sung như: Chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ ngăn gọi mới

- Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn (SMS) như: móc nối các SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS

- Các công việc liên quan đến tính cước như: Các dịch vụ trả tiền trước, tính cước nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình

- Các cải thiện chung như: Các dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu

Mặc dù là hệ thống sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên GSM cũng có những hạn chế:

- Cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu trên cơ sở chuyển mạch kênh Đối với dịch

vụ số liệu, GSM phải mô phỏng modem giữa thiết bị người sử dụng và mạng số liệu Tốc độ truyền số liệu cao nhất chỉ là 9,6 Kbps

- Quản lý tài nguyên không hiệu quả vì mỗi thuê bao cần phải có một TCH trong suốt thời gian kết nối Mỗi cuộc gọi chỉ có thể chiếm một khe thời gian, không có phân bổ động khe thời gian

- Sử dụng kỹ thuật điều chế dịch pha cực tiểu Gaussian làm hạn chế tốc độ truyền

- Thuê bao phải sử dụng mạng điện thoại PSTN làm mạng chuyển tiếp và phải trả tiền cho kết nối chuyển mạch kênh này

- Thời gian thiết lập cuộc gọi tăng khi phải sử dụng modem để két nối tới mạng Internet Không có SMS – Interworking (chức năng tương tác giữa SMS và Internet) Độ dài SMS bị hạn chế

Các yêu cầu mới đặt ra để thỏa mãn sự phát triển nhu cầu:

- Về kết nối: Không chỉ kết nối giữa các thuê bao với nhau mà còn kết nối từ các thuê bao đến các nhà cung cấp dịch vụ, các công ty,…trong đó nhiều nhất phải kể đến kết nối tới các nhà cung cấp dịch vụ Internet

- Về tốc độ: Đối với số liệu, mạng phải đáp ứng được tốc độ tùy theo yêu cầu của người sử dụng

- Về dịch vụ: Các dịch vụ mới đa dạng và đa phương tiện

Để khắc phục những hạn chế và đáp ứng các yêu cầu, đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sẽ được chuyển đổi từng bước sang thế hệ thứ ba Và con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là UMTS trên nền công nghệ WCDMA – đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

1.2.2.2 Kết hợp UMTS và GSM

Hiện nay 3G không còn là cụm từ quá mới mẻ ở Việt Nam, tuy đã có các nhà mạng triển khai dịch vụ này vì rất có thể còn một bộ phận lớn thuê bao 2G của họ vẫn chưa thực sự muốn chuyển sang 3G do một số lý do như: giá thành dịch vụ còn cao, hoặc nhu cầu sử dụng chưa nhiều,…Vì thế, các nhà khai thác di động vừa phải tìm kiếm phương án tối ưu để chuyển dần mạng của họ sang mạng 3G, vừa phải duy trì chất lượng dịch vụ mạng 2G truyền thống

Một trong những mục tiêu đặt ra khi xây dụng tiêu chuẩn cho IMT – 2000 là phải đảm bảo tính tương thích và cùng tồn tại song song với các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai Đối với các nhà khai thác mạng GSM, lộ trình lên 3G – UMTS cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Con đường chuyển dịch với tổn thất nhỏ nhất, tận dụng tối đa năng lực và cơ sở

hạ tầng đã có của hệ thống 2G để đảm bảo hiệu quả đầu tư đồng thời thuận lợi trong việc chuyển tiếp các kỹ thuật đã tồn tại

- Phải có khả năng kết hợp và chia sẻ hiệu quả tài nguyên giữa 2G và 3G để nâng cao dung lượng và năng lực mạng

- Phải thuận lợi trong công tác quản lý mạng, mở rộng mạng trong tương lai

Có nhiều con đường đưa nhà khai thác mạng phát triển lên 3G: phát triển từ 2G qua giai đoạn trung gian 2,5G rồi mới lên 3G (2G Æ 2,5G Æ 3G) hoặc là phát triển thẳng

từ 2G lên 3G (2G Æ 3G)

Nhà khai thác mạng GSM có thể triển khai theo lộ trình có qua 2,5G và cụ thể như sau: GSM Æ GPRS Æ EDGE Æ WCDMA Lộ trình này có một số ưu điểm như sau:

- Đáp ứng nhu cầu về truyền dữ liệu “dạng 3G” ngay cả khi mới triển khai tới 2,5G với chi phí thấp Các nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai EDGE mà không cần giấy phép

- Kéo dài thời gian và tăng nhu cầu về 3G

- Tăng kinh nghiệm và khả năng khai thác mạng di động chuyển mạch gói

- Việc chuyển từ 2,5G lên 3G dễ hơn từ 2G trực tiếp lên 3G

Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G – UMTS được khái quát như sau:

Hình 1 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G/UMTS

Để thỏa mãn các yêu cầu và lộ trình nêu trên, các nhà khai thác mạng cần đưa ra các giải pháp về các mặt: triển khai kỹ thuật, mạng lưới và dịch vụ khi tiến hành chuyển hóa từ GSM lên UMTS

¾ Giải pháp triển khai:

- Cách thức điều chế ở đường lên và đường xuống là: QPSK/QPSK, thay cho kỹ thuật nguyên thủy GMSK của GSM

- Chuyển giao gồm 3 loại: chuyển giao cứng, mềm và mềm hơn thay vì chỉ có chuyển giao cứng ở GSM

- Các giải thuật điều khiển công suất nhanh khác nhau, điều khiển công suất vòng lặp đóng và mở

- Phân tập đường truyền đa dạng nhằm giảm fading, tăng vùng phủ sóng, tăng dung lượng và chất lượng liên lạc

- Thực hiện hỗ trợ chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh

- Sử dụng các thiết bị mới như bộ thu RAKE và anten thông minh

- Về phần mạng lõi: chủ yếu kế thừa từ GSM, đồng thời đưa ra các kiến nghị mới

để cải thiện Ví dụ như Release 4 phân bố mạng lõi có chia MSC thành MSC server và MGW, Release 5 thêm miền IP đa phương tiện, Release 6 sẽ là mạng lõi toàn IP (ALL IP)

- Về phần vô tuyến: đưa ra các giao thức mới dựa trên WCDMA Qui hoạch vô tuyến

có tính chất động, thay đổi bán kính cell phụ thuộc vào số người sử dụng, …

- Phần mạng truyền dẫn: Xây dụng mô hình mạng truyền dẫn kết hợp GSM và UMTS

- Thiết kế mạng lưới: cần thiết kế tần số vùng phủ sóng, dung lượng mạng vô tuyến, dung lượng mạng lõi và RNC, …

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG W-CDMA

Giới thiệu :

Nội dung chính của chương này sẽ đề cập tới các giải pháp triển khai cho mạng UMTS Để triển khai mạng UTMS cần có nền tảng là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WCDMA Vì vậy chương này sẽ đề cập tới công nghệ WCDMA, bao gồm: công nghệ đa truy nhập băng rộng WCDMA, kỹ thuật trải phổ trực tiếp băng rộng DS – CDMA, kỹ thuật xử lý số và các dạng phân tập, các loại chuyển giao và điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WCDMA

WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access – là công nghệ đa truy nhập theo mã băng rộng, sử dụng cho phần giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin

di động UMTS Các đặc điểm chính của WCDMA như sau:

WCDMA là hệ thống trải phổ dãy trực tiếp băng rộng DS – CDMA

Các bit thông tin được trải trên một băng rộng bằng cách nhân dữ liệu người sử dụng với một dãy bit giả ngẫu nhiên thu được từ mã trải phổ của CDMA Tại phía thu, quá trình giải trải phổ được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nhận được từ phía phát với dãy bit giả ngẫu nhiên nói trên, kết quả là sẽ thu được đúng tín hiệu muốn truyền đi tại phía phát Yêu cầu đặt ra là cần thực hiện đồng bộ để phía thu được kết quả chính xác

Nâng cao tính bảo mật thông tin

Cũng vì các khung thông tin đã được số hóa được trải phổ trên một nền phổ rộng nên thông tin trong hệ thống WCDMA được bảo mật rất cao, việc xâm nhập bất hợp pháp vào tín hiệu là cực kỳ khó

Cải thiện vùng phủ sóng

WCDMA với giao diện vô tuyến được cải thiện rất nhiều, sử dụng các bộ thu tiên tiến như bộ thu RAKE và các anten thông minh có thể tăng dung lượng, chất lượng và

vùng phủ sóng mà hầu hết các hệ thống 2G trước đây chưa thể áp dụng hoặc có áp dụng thì hiệu quả vẫn còn hạn chế

Cụ thể về dung lượng và vùng phủ sóng được mở rộng: Mỗi sóng mang tần số vô tuyến WCDMA có thể xử lý đồng thời 100 cuộc gọi âm thoại khi sử dụng mã hoá tiếng nói hoặc 50 người đồng thời truy nhập Internet cho mỗi sóng mang

Tốc độ chip là 3,84 Mcps

Vì băng thông danh định của WCDMA (5MHz) rộng hơn CDMA2000 (1,25MHz), tốc độ chip tương ứng cũng cao hơn Tốc độ chip của WCDMA được chọn

là 3,84 Mcps trong khi CDMA2000 dùng 1,2288 Mcps

Đồng qui hoạch hai mô hình hoạt động cơ bản: TDD và FDD

TDD – ghép song công phân chia theo thời gian: Chỉ có một sóng mang 5MHz được sử dụng cho truyền song công và chia sẻ thời gian cho đường lên và đường xuống

FDD – ghép song công phân chia theo tần số: Luôn sử dụng một cặp sóng mang 5MHz để truyền song công cho đường lên và đường xuống

Cung cấp dải thông theo yêu cầu

Một kênh CDMA băng rộng cung cấp tài nguyên chung cho tất cả các mobile trong hệ thống cùng dùng chung, tùy theo ứng dụng là truyền thoại, dữ liệu, fax hay các ứng dụng khác Tại một thời điểm bất kỳ, phần dải thông không được sử dụng bởi mobile này sẽ được cung cấp cho một mobile khác Điều này làm cho WCDMA thực

sự linh hoạt và được khai thác để tạo ra các khả năng mạnh hơn như dịch vụ dữ liệu tốc

Băng thông sóng mang là 5MHz

Do độ rộng sóng mang là 5Mhz nên hệ thống được gọi là băng rộng Các hệ thống DS – CDMA khác với băng thông 1Mhz như IS – 95 thường được gọi là CDMA băng hẹp 3G chuẩn hóa băng thông 5Mhz vì các lý do sau:

- Các tốc độ mục tiêu là 144Kbps và 384Kbps có thể đạt được với băng thông này

và cho dung lượng khả quan Tốc độ tối đa 2Mbps cũng có thể đạt tới nhưng thường là trong điều kiện hạn chế

- Sử dụng nhiều sóng mang 5Mhz có thể tăng dung lượng và tốc độ của hệ thống

- 5Mhz đủ để phân tập đa dạng trong môi trường truyền sóng đa đường, ví dụ như: phân tập vĩ mô, phân tập vi mô, phân tập có chọn lựa định vị NodeB, …

- CDMA băng rộng 5Mhz còn có thể đảm bảo các yếu tố sau: Các dịch vụ nhiều tốc độ ; dữ liệu gói ; trải phổ phức hợp, chuyển giao hoàn hảo ; điều khiển công suất nhanh ở hướng xuống

Nâng cao dung lượng và chất lượng thoại

Mặc dù mục đích đầu tiên của truy nhập vào hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

ba là truyền dẫn lưu lượng đa phương tiện với tốc độ bit cao nhưng cũng chính điều này làm tăng hiệu quả phổ đối với lưu lượng thoại

Về chất lượng thoại, WCDMA cũng hỗ trợ các kỹ thuật tiên tiến để có thể cung cấp âm thanh có chất lượng cao hơn và tỉ lệ rớt cuộc gọi thấp hơn so với các hệ thống hoạt động dựa trên các công nghệ khác

- Các phương pháp phát hiện lỗi và sửa lỗi tiên tiến làm tăng khả năng chính xác cho các khung nhận được

- Các bộ mã hóa tinh vi cho phép mã hóa tốc độ cao như mã hóa tiếng đa tốc độ thích ứng – AMR

- Hỗ trợ các loại phân tập đa dạng khác nhau để nâng cao chất lượng thoại như: + Phân tập tần số: bảo vệ khỏi fading chọn lọc tần số

+ Phân tập không gian: dùng 2 anten nhận

+ Phân tập đường truyền: sử dụng bộ thu Rake

+ Phân tập thời gian

- Thực hiện chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và mềm hơn

- Điều khiển công suất chính xác, bảo đảm cho tất cả các mobile đều có mức công suất gần bằng mức công suất tối ưu để có thể đạt được chất lượng thoại tốt nhất

Dịch vụ linh hoạt

Các dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói với các độ rộng băng thay đổi được có thể trộn tự do và đồng thời truyền đến người sử dụng có cùng mức yêu

cầu Mỗi máy đầu cuối WCDMA có thể truy nhập đồng thời đến một vài dịch vụ khác nhau tức là có thể thực hiện đa dịch vụ trên một kết nối Các dịch vụ này có thể là dịch

vụ âm thoại hoặc tổ hợp các dịch vụ như Internet, thư điện tử, các dịch vụ đa phương tiện và video sống động

Việc truy nhập dịch vụ cũng diễn ra nhanh chóng và linh hoạt Để trợ giúp cho việc truy nhập đến mạng Internet di động và đến các dịch vụ đa phương tiện, một thủ tục truy nhập trực tiếp đã được nghiên cứu phát triển, người ta chỉ cần vài chục giây để thiết lập cuộc nối giữa người sử dụng di động và trạm gốc của mạng thông tin di động

Đơn giản hóa trong thiết kế

Hệ số sử dụng lại tần số là một yếu tố quan trọng làm cho dung lượng của hệ thống lớn hơn nhiều so với các công nghệ khác, đồng thời làm cho việc thiết kế hệ thống đơn giản hơn Nhà khai thác sẽ không phải lập kế hoạch sử dụng tần số - một công việc hết sức phức tạp trong hệ thống tương tự và TDMA Nếu nhà khai thác muốn thêm một cell hay một kênh mới thì không cần phải thiết lập lại toàn bộ tần số của hệ thống

WCDMA cũng có thiết bị đầu cuối đơn giản, kinh tế: Việc xử lý số liệu ở máy đầu cuối WCDMA thấp hơn so với các công nghệ cũ Các thiết bị đầu cuối do ít phức tạp nên chi phí sản xuất thấp và sản xuất dễ dàng với số lượng lớn, do đó có tính kinh

tế cao, tăng khả năng cạnh tranh và tạo cho người sử dụng có nhiều cơ hội chọn lựa thiết bị đầu cuối

Triển khai đồng thời với 2G và 2,5G

WCDMA được thiết kế để kết hợp với GSM và có kế thừa GSM nên có hỗ trợ chuyển giao giữa WCDMA và GSM Đồng thời WCDMA có tương thích với mạng lõi GSM – MAP và chấp nhận nền ATM hiện hành

Ngoài ra WCDMA còn hỗ trợ các kỹ thuật sau

- Hỗ trợ hoạt động của Node B một cách đồng bộ và không đồng bộ

- Hỗ trợ lưu lượng đối xứng và không đối xứng giữa đường lên và đường xuống

- Hỗ trợ đầy đủ thiết bị người sử dụng các dịch vụ định vị

2.2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA

Chất lượng của các hệ thống truyền thông không chỉ được đánh giá qua hiệu suất dải thông, hiệu suất năng lượng mà cần quan tâm tới các yêu cầu khác như đa truy nhập, loại trừ nhiễu, bảo mật chống các xâm nhập trái phép vào hệ thống Các chỉ tiêu chất lượng đó có thể được được bảo đảm bằng một kỹ thuật gọi là kỹ thuật trải phổ SS (Spread Spectrum) Trong các hệ thống SS, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát, ở phía thu lại thực hiện nén phổ

để khôi phục tín hiệu ban đầu

Có 3 kiểu hệ thống SS cơ bản:

- DSSS (Direct – Sequence SS): Trải phổ dãy trực tiếp

- FHSS (Frequency – Hopping SS): Trải phổ nhảy tần

- THSS (Time – Hopping SS): Trải phổ nhảy thời gian

WCDMA sử dụng kiểu DSSS, hay còn gọi là trải phổ dãy trực tiếp đa truy nhập băng rộng DS – CDMA Các tín hiệu mang thông tin được điều chế trực tiếp bởi mã tín hiệu tốc độ chip cao Tín hiệu dữ liệu có thể là tín hiệu tương tự hoặc số Đối với tín hiệu số, quá trình điều chế dữ liệu thường bị bỏ qua và tín hiệu dữ liệu được nhân lên trực tiếp nhờ tín hiệu mã và tạo ra tín hiệu điều chế sóng mang băng rộng

Hệ thống DSSS là hệ thống băng rộng, cả băng thông có thể dành cho người sử dụng Một hệ thống DSSS phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Tín hiệu trải phổ có băng thông rộng hơn rất nhiều so với băng thông cần có của thông tin cần truyền

- Việc trải phổ tín hiệu bằng tín hiệu trải phổ, thường gọi là tín hiệu mã hóa Tín hiệu mã hóa độc lập với dữ liệu và có tốc độ cao hơn nhiều

Tại máy thu, việc nén phổ bằng bộ tương quan chéo của tín hiệu trải phổ tại đầu thu và tín hiệu trải phổ ban đầu để nén phổ tại đầu thu đồng bộ, giống hệt với tín hiệu tín hiệu trải phổ dùng để trải phổ dữ liệu Một trong những ứng dụng quan trọng của trải phổ trực tiếp DSSS là kỹ thuật đa truy nhập Trong hệ thống DSSS tất cả người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời

2.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA

2.2.1.1 Các kỹ thuật đa truy nhập

Các công nghệ đa truy nhập là nền tảng của các hệ thống thông tin đa truy nhập

vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng Các hệ thống này có một số lượng lớn người sử dụng chung trong khi nguồn tài nguyên băng tần là hữu hạn không có đủ dải thông để gán cho mỗi người một kênh tần số vĩnh viễn Công nghệ đa truy nhập sẽ cho phép các hệ thống trên phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả cho các người sử dụng với chất lượng kết nối đạt đến một yêu cầu nhất định, tức là điều khiển việc cấp phát tài nguyên mạng Mục đích của các kỹ thuật đa truy nhập là:

- Cung cấp cho mỗi người dùng (user) phương cách truy nhập xác định tới nguồn tài nguyên cần chia sẻ ( phổ tần số – spectrum )

- Giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu giữa các thuê bao

- Sử dụng hiệu quả băng tần sẵn có

- Hỗ trợ việc cấp phát tài nguyên linh hoạt cho các dịch vụ khác nhau

Tuỳ thuộc vào việc sử dụng tài nguyên vô tuyến để phân bổ cho các người sử dụng mà các công nghệ này được phân chia thành các loại sau:

- FDMA – Đa truy nhập phân chia theo tần số

- TDMA – Đa truy nhập phân chia theo thời gian

- CDMA – Đa truy nhập phân chia theo mã

- SDMA – Đa truy nhập phân chia theo không gian

Các hệ thống thông tin di động mới đều sử dụng kết hợp cả bốn công nghệ đa truy nhập này để phân bổ hiệu quả nhất tài nguyên cho các người sử dụng

2.2.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA

Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA với nhiều ưu việt so với các công nghệ khác nên ngày càng trở thành công nghệ đa truy nhập chính Và hệ thống UMTS/WCDMA sử dụng công nghệ đa truy nhập này với băng rộng nên còn gọi là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Điều này dẫn đến sự khác biệt lớn so với GSM sử dụng công nghệ đa truy nhập phối hợp TDMA và FDMA

FDMA – Đa truy nhập phân chia theo tần số

FDMA là một phương thức đa truy nhập trong đó mỗi thuê bao được cấp phát một kênh tần số xác định và duy nhất Thuê bao đó có quyền sử dụng kênh tần số này trong suốt quá trình liên lạc Mô tả như hình 2.1

Hình 2 1: Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

TDMA – đa truy nhập phân chia theo thời gian

Hình 2 2: Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

TDMA là phương thức chia sẻ kênh tần số được cấp phát cho một số thuê bao Tuy nhiên, mỗi thuê bao chỉ được phép trao đổi thông tin (thu/phát) tại một khe thời gian định trước Khi đó các kênh mang thông tin của các thuê bao sử dụng chung 1 kênh tần số được phân biệt về mặt thời gian

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai như GSM sử dụng phương thức đa truy nhập dựa trên cở sở là TDMA/FDMA (như hình 2.3) Mỗi băng tần được chia làm 124 tần số sóng mang, sử dụng FDMA và phân tách bởi 200Hz Mỗi tần số sóng mang được chia theo thời gian sử dụng phương thức TDMA thành 8 khe thời gian Một tập hợp gồm 8 khe thời gian được gọi là một khung TDMA Mỗi khe thời gian dùng để giao tiếp với một mobile cá nhân, bởi vậy mỗi khung TDMA có thể hỗ trợ 8 người sử dụng cùng lúc

20Mhz

200Khz 960Mhz

890,2Mhz

915Mhz 935,2Mhz

0

1 124

890,2Mhz

915Mhz 935,2Mhz

0

1 124

890,2Mhz

915Mhz 935,2Mhz

0

1 124

890,2Mhz

915Mhz 935,2Mhz

0

1 124

t f

Hình 2 3: Phương thức đa truy nhập trong hệ thống GSM

Hai phương pháp truy nhập FDMA và TDMA, tần số dùng chung được chia thành các kênh trực giao cho mỗi thuê bao Do vậy về mặt nhiễu thì có thể đáp ứng các yêu cầu mong muốn, nhưng hiệu quả sử dụng tần số là không tốt, dẫn đến hạn chế số lượng thuê bao tại cùng một thời điểm của kênh tần số đó Trong suốt thời gian thuê bao chiếm dụng tài nguyên tần số để truyền dẫn thì các thuê bao khác không thể sử dụng kênh truyền dẫn đó Mặt khác thời gian truyền dẫn thực tế của bất kỳ dịch vụ nào thường nhỏ hơn nhiều thời gian mà chúng không truyền dẫn gì

CDMA – đa truy nhập phân chia theo mã

Một trong những kỹ thuật để tăng hiệu quả sử dụng tần số là kỹ thuật trải phổ Kỹ thuật trải phổ dùng để cho phép rất nhiều người sử dụng có thể sử dụng chung một băng tần thông qua kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

CDMA là một phương thức đa truy nhập trong đó các thuê bao có thể sử dụng đồng thời kênh tần số được cấp phát tại mọi thời điểm và được phân kênh thông qua một mã được cấp phát duy Công nghệ CDMA được mô tả như hình 2.4 Tín hiệu được phân biệt tại máy thu sử dụng một bộ tương quan cho phép chỉ nhận năng lượng tín hiệu từ kênh mong muốn Tín hiệu từ các kênh khác được coi như nhiễu đỗi với máy thu đó

Hình 2 4: Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Ví dụ cụ thể về CDMA như sau: Trong một bữa tiệc có rất nhiều người, trong đó

cứ 2 người từng đôi một đàm thoại với nhau Khi dùng máy ghi âm để ghi lại toàn bộ các cuộc nói chuyện đó thì có thể phân biệt được nội dung của các cuộc nói chuyện này khi chúng sử dụng ngôn ngữ khác nhau Tương ứng với CDMA có thể coi như sau: bữa tiệc là một tài nguyên được dùng chung cho nhiều người như tần số, các ngôn ngữ khác nhau trong các cuộc đàm thoại như các mã trải phổ để phân biệt

CDMA có các ưu điểm hơn các phương pháp đa truy nhập FDMA và TDMA như:

- Cho dung lượng cao hơn

- Khả năng chống nhiễu và chống fading tốt hơn

- Bảo mật thông tin tốt hơn

- Dễ dàng áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi cung cấp linh hoạt dung lượng kênh cho từng người sử dụng

- Cho phép chuyển giao lưu lượng mềm giữa các vùng phủ sóng nhờ vậy không xẩy ra mất thông tin khi thực hiện chuyển giao

- Vì có thể sử dụng chung tần số cho nhiều người sử dụng nên quy hoạch mạng cũng đơn giản hơn

Tuy nhiên CDMA không tránh khỏi các nhược điểm sau:

- Đồng bộ phức tạp hơn: phải thực hiện cả đồng bộ mã

- Cần nhiều mạch điện xử lý số hơn

- Mạng chỉ cho hiệu suất sử dụng cao khi nhiều người cùng sử dụng chung tần số

2.2.2 Nguyên lý trải phổ trong WCDMA

Quá trình trải phổ được mô tả như hình 2.5 Các bit thông tin được trải trên một băng rộng bằng cách nhân dữ liệu người sử dụng (data) với một dãy bit giả ngẫu nhiên (còn gọi là chip) thu được từ mã trải phổ (Spreading code) của CDMA

Spreading Signal = Data × code

Giả thiết thời gian của một bit số liệu (Tb) chứa đúng một chu kỳ (N chip) mã trải phổ sao cho tốc độ chip Rc bằng N/Tb = 1/Tc, trong đó Tc là thời gian một chip hay chu

kỳ chip Ở đây N = 8, như vậy tốc độ chip Rc ( = 1/Tc ) gấp 8 lần tốc độ bit Rb ( = 1/Tb)

và ta coi hệ số trải phổ trong trường hợp này là 8

Tại phía thu, quá trình giải trải phổ (Desprading) được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nhận được từ phía phát (Spreading signal) với dãy bit giả ngẫu nhiên nói trên, kết quả là sẽ thu được đúng tín hiệu muốn truyền đi tại phía phát (là Data)

Data = Spreading × code

Hình 2 5: Trải phổ và giải trải phổ DS – CDMA

Nguyên lý trải phổ cụ thể như sau:

Bộ tạo dao động

sóng mang fc

Bộ điều chế(BPSK)

Bộ tạo mã trải phổ

Bộ trải phổ DS m(t)

Tín hiệu trải phổ BPSK – DS.

Tín hiệu BPSK

)

(t

c s(t)=A c m(t)c(t)cos(ωc t))

Bộ trải phổ DS m(t)

Tín hiệu trải phổ BPSK – DS.

Tín hiệu BPSK

)

(t

c s(t)=A c m(t)c(t)cos(ωc t))

Quá trình trải phổ thực hiện bằng cách nhân m(t) với tín hiệu c(t) là một chuỗi liên tiếp 8 bit được gọi là chip, có tốc độ chip là Rc lớn hơn rất nhiều lần so với Rb Tại đầu ra của máy thu ta thu được tín hiệu khóa dịch pha nhị phân, trải phổ dãy trực tiếp (BPSK – DSSS) kí hiệu là s(t) s(t) là tín hiệu hỗn hợp sau khi đã được điều chế với sóng mang có tần số fc theo phương pháp BPSK và được biểu diễn như sau:

) cos(

) ( ) ( )

(t A m t c t t

s = c ωc

Xét mật độ phổ công suất PSD của các tín hiệu, để đơn giản thì cho các PSD này xấp xỉ phổ hình chữ nhật và được minh họa như hình 2.7 a, b,c Có thể thấy dải thông của tín hiệu trải phổ SS là tương đối lớn so với tốc độ dữ liệu Rb và được xác định chủ yếu bằng tốc độ chip Rc vì Rc>>Rb

Từ các PSD cũng có thể thấy hệ thống trải phổ có hiệu quả trong việc bảo mật, chống việc nghe trộm Nghĩa là tín hiệu có xác suất thâm nhập thấp Nếu không có trải phổ tức là c(t) là đơn vị, khi đó mật độ phổ công suất của tín hiệu PSD sẽ tỉ lệ với

thoại là 12,2Kbps và tốc độ chip trải phổ là 3,84Mcps Khi đó có Rb=12,2Kbps và

Rc=3,84Mcps và tỉ số R c R bsẽ là 25dB

Thường bọn nghe trộm tìm sự có mặt của một tín hiệu bằng một máy phân tích phổ, nhưng khi SS được sử dụng thì tín hiệu sẽ sụt đi 25dB, mức này nằm dưới mức tạp âm nền của bọn nghe trộm và do đó tín hiệu SS sẽ thoát khỏi sự tách sóng của bọn nghe trộm

2 1

2 1

Hình 2 7: Mật độ phổ công suất PSD của tín hiệu BPSK – DSSS

Tại đầu thu :

Máy thu có mạch co phổ được điều khiển bởi một bộ tạo mã PN cùng cơ chế với

mã trải phổ của máy phát Giả thiết rằng đầu vào máy thu gồm có tín hiệu SS và một tín hiệu nhiễu băng hẹp Khi đó tín hiệu tại đầu vào máy thu là r (t)biểu diễn như sau :

)()(

)

(

n = n ωc

Tín hiệu nhiễu băng hẹp có mặt tại đầu vào của máy thu được trải phổ nhờ bộ co phổ và nó được nhân với c(t) Tác dụng trải phổ trên tín hiệu nhiễu này tạo ra khả năng chống nhiễu Với c2(t)=1, đầu ra của bộ co phổ là :

) cos(

) ( ) cos(

) ( )

( ) (

)

(

v = = c ωc + n ωc

Tín hiệu BPSK – SS đã trở thành tín hiệu BPSK tại đầu ra của bộ co phổ Nghĩa

là tại đầu vào máy thu tín hiệu SS có dải thông 2Rc, nhưng tại đầu ra của bộ co phổ dải thông của tín hiệu BPSK thu được là 2Rb Dữ liệu trên tín hiệu co phổ BPSK được khôi phục bằng một bộ tách sóng BPSK như hình 2.8

Bộ tạo mã trải phổ

Bộ co phổ DS

c(t)

Tín hiệu điều chế

đã tách sóng m(t)

Bộ lọc thông thấp LPF

Bộ co phổ DS

c(t)

Tín hiệu điều chế

đã tách sóng m(t)

Bộ lọc thông thấp LPF

2 )]

cos(

) ( ) cos(

) ( [A c m t ωc t + A n c t ωc t ωc t

=

) 2 cos(

) ( ) ( ) 2 cos(

) ( )

m

A c + c ωc + n + n ωc

=Tín hiệu này khi đi qua LPF sẽ loại bỏ các thành phần số hạng xung quanh f = 2f c

Như vậy tín hiệu tại đầu ra của bộ lọc LPF là :

) ( ) ( )

(

Tín hiệu này sau đó được cho qua bộ tích phân theo chu kỳ để lọc tạp nhiễu

Kết quả là đoạn tin truyền đi được hoàn toàn khôi phục tại đầu ra của bộ tích phân

Xét khả năng chống nhiễu của hệ thống SS

Công suất nhiễu tại đầu ra máy thu là :