Công nghệ WCDMA và cdma2000 trong mạng di động 3G I.Giới thiệu tổng quan Cụm từ điện thoại di động 3G ngày nay đã trở nên quen thuộc với người dùng di động. 3G là viết tắt của thirdgeneration technology là chuẩn và công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba, cho phép truyền ngoài dữ liệu chuẩn là đàm thoại còn có thể truyền dữ liệu phi thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, nhạc, internet...). Công nghệ 3G vừa cho phép triển khai những dịch vụ cao cấp vừa làm tăng dung lượng của mạng điện thoại nhờ vào việc sử dụng hiệu quả hiệu suất phổ. Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video hoặc khả năng truy nhập internet thường được xem là một ví dụ tiêu biểu về dịch vụ cao cấp mà các nhà cung cấp dịch vụ muốn cung cấp cho khách hàng. Tuy nhiên tần số vô tuyến nói chung là một tài nguyên đắt đỏ, giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ euro cho chính phủ. Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G. Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số được bỏ qua do phát triển hạ tầng cơ sở IT quốc gia được đặt ưu tiên cao. Nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại một cách rộng rãi là Nhật Bản. Năm 2005, khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê bao 3G, mạng 2G đang dần biến mất tại Nhật Bản. Người ta cho rằng, vào năm 2006, việc chuyển đổi từ 2G sang 3G sẽ hoàn tất tại Nhật Bản và việc tiến lên thế hệ tiếp theo 3.5G với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 3 Mbits là đang được thực hiện. 1. Đôi nét về lịch sử các thế hệ di động: Trước đây mạng lưới thông tin di động sử dụng hệ thống calllink(analog), sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) Đây là phương thức đa truy nhập dễ hình dung nhất nhưng hiệu suất không cao. Hiện nay, cũng như một số rất lớn các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ phân chia đa truy nhập theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mạng Vinaphone Mobiphone sử dụng công nghệ GSM 900 (900MHz), có băng tần phát 935960MHz (dải tần 960935=25MHz), băng tầng thu 890915 (dải tần 25MHz). Một kênh tần số chiếm 200 KHz (RF=200KHz=0.2MHz). GSM (Global System for Mobile Communication) cũng là công nghệ dựa trên kỹ thuật ghép kênh chia thời gian nhưng dùng các tần số sóng mang rộng hơn và chia làm 8 khe thời gian chứ không phải 3 khe như TDMA. Trong dải tầng 25MHz, Vinaphone được cấp 8MHz, Mobiphone được cấp 8MHz(952960Mhz). Một BTS(trạm ăngten) điều khiển được 80.2=40 kênh, phục vụ được 320 cuộc gọi cùng 1 lúc. Công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo mã. Ý tưởng về truyền thông trải phổ, nền tảng cho CDMA được xây dựng từ những năm 1970 và được hoàn thiện dần trong những năm sau đó. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết xử lí tín hiệu, CDMA đã được thương mại hóa từ phương pháp thu GPS và OmmiTRACS, CDMA cũng đã được đề xuất trong hệ thống cellular của Qualcomm vào những năm 1990. CDMA sử dụng kĩ thuật trải phổ nên nhiều người gọi có thể chiếm đồng thời cùng kênh vô tuyến để tiến hành các cuộc gọi. Những người dùng khác nhau được phân biệt nhờ mã đặc trưng. Lý thuyết về trung kế và sự lặp lại tần số ở các cell trong mạng vẫn được sử dụng. Những kênh này cũng được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên. Một kênh CDMA rộng 1,23MHz, 2 biên phòng vệ mỗi bên 0,27MHz, tổng cộng 1,77MHz. CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt (chip rate) là 1,2288MHz. Dòng dữ liệu gốc được mã hóa và điều chế ở tốc độ cắt. Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu ra (mã trải phổ giả ngẫu nhiên) Các hệ thống CDMA thường được coi là có dung lượng cao hơn so với FDMA và TDMA vì ở hệ thống này có thể đạt kích thước nhóm bằng 1 (hệ số tái sử dụng tần số N= 1), nghĩa là các trạm gốc của các cell cạnh nhau có thể sử dụng cùng một băng tần. Tuy nhiên, nhiễu giao thoa đồng kênh là một trở ngại ở các mạng CDMA, nhiễu này thường được gọi là nhiễu giao thoa đa thâm nhập (MAI – Multiple Access Interference) nên tốc độ của CDMA nguyên thủy vẫn chưa thể đáp ứng được những nhu cầu cao cấp. Các công nghệ trên là công nghệ trong thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G). Có thể thấy ngay từ nền tảng 2G, dù mới chỉ phục vụ cho các dịch vụ tối thiểu là thoại và tin nhắn, CDMA đã có nhiều ưu điểm vượt trội hơn công nghệ GSM. CDMA có nền tảng tốt hơn để phát triển các chuẩn cho điện thoại 3G. Thời điểm hiện tại, thế hệ được cho là cao hơn 2G nhưng thấp hơn 3G (gọi là 2.5G) là các chuẩn được nâng cấp từ công nghệ GSM, cho phép truyền dữ liệu trong mạng 2G. Phổ biến nhất là GPRS (General Packet Radio Service) cho phép gửi các tin nhắn MMS (Multimedia Message Service) nhưng tốc độ của GPRS vẫn còn rất chậm nếu so sánh với 3G. Khó khăn của GSM trong việc phát triển nằm lý thuyết xây dựng hệ thống. CDMA chứng tỏ là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin cá nhân không dây thế hệ thứ 3. 2. Việc tiêu chuẩn hóa mạng di động 3G Ủy ban viễn thông quốc thế ITU (International Telecommunication Union) định nghĩa các yêu cầu cho mạng điện thoại 3G với bộ tiêu chuẩn IMT – 2000. Một tổ chức khác là 3rd Generation Partnership Project (3GPP) tiếp tục hoàn thiện công việc bằng việc định nghĩa một hệ thống di động thỏa mãn chuẩn IMT – 2000. Hệ thống này được gọi là Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). WCDMA và cdma2000 là 2 trong số các chuẩn 3G được tổ chức ITU công nhận. Trên thực tế đây là 2 chuẩn được sử dụng nhiều nhất để xây dựng mạng di động 3G. Trong khuôn khổ của bài tiểu luận, chúng ta sẽ tìm hiểu về 2 công nghệ này, đặc biệt khi mà tại Việt Namcar 2 chuẩn trên đã và đang trở thành 2 xu hướng phát triển lên mạng di động 3G. II.Công nghệ cdma2000 1. Giới thiệu chung cdma2000: là một trong những chuẩn 3G quan trọng, thực chất là sự kế tục và phát triển từ chuẩn 2G IS95. Chuẩn cdma2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức hoàn toàn độc lập và riêng rẽ với 3GPP. cdma2000 là công nghệ nâng cấp từ CDMA, cho phép truyền tải dữ liệu trên mạng di động. Năm 2000, cdma2000 là công nghệ 3G đầu tiên được chính thức triển khai. cdma2000 gồm 3 phiên bản: + cdma 2000 1xRTT: 1xRTT là phiên bản đầu tiên của cdma2000, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ 307 Kbps (tải xuống) và 153 Kbps (tải lên). cdma2000 1xRTT cũng mang lại chất lượng thoại tốt hơn trên một kênh CMDA 1,25MHz đơn lẻ. + cdma 2000 1xEV (1X Evolution): Công nghệ 1xEV cung cấp tốc độ tải xuống và tải lên lớn hơn theo hai gian đoạn triển khai Giai đoạn một: cdma2000 1xEVDO (Cách mạng về Dữ liệu) là phiên bản cao hơn, tối ưu cho những dịch vụ dữ liệu dung lượng lớn và tốc độ cao dựa trên công nghệ CDMA High Data Rate (tốc độ tối đa vượt 2 Mbps). Giai đoạn hai: cdma2000 1xEVDV (Cách mạng về Dữ liệu thoại) tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một mạng cung cấp với tốc độ truyền tải tối đa 10Mbps. Nghĩa là để triển khai loạt các ứng dụng có dung lượng lớn, được coi là thế mạnh của 3G + cdma2000 3x: cdma2000 3x sử dụng 3 kênh CDMA 1,25MHz. Công nghệ này là một chuẩn của đặc tả cdma2000, dành cho các nước cần băng thông 5MHz cho mục địch sử dụng mạng 3G. cdma2000 3X còn có tên là 3XRTT, MC3X, và IMTCDMA MultiCarrier 3X. cdma2000 3x sử dụng độ rộng băng tần 5 Mhz và có thể sẽ cung cấp tốc độ số liệu 144 kbits cho các ứng dụng di động và xe cộ, và 2Mbits chho các ứng dụng cố định. Các nhà công nghiệp tiên đoán rằng giai đoạn 3xRTT sẽ dần tiến tới 1Mbits cho từng kênh lưu lượng hay Walsh.Bằng cách hợp nhất hay bó 2 kênh, người sử dụng có thể đạt tốc độ đỉnh 2 Mbits là tốc độ đích của IMT2000. Sự khác nhau căn bản giữa giai đoạn 1 và giai đoạn 2 của cdma2000 là độ rộng băng tần và thông lượng tổng hay khả năng tốc độ số liệu đỉnh. Giai đoạn 2 sẽ đưa ra các khả năng đa phương tiện tiên tiến và đặt nền móng cho dịch vụ thoại phổ biến 3G, các bộ mã hoá thoại như Voip (Thoại trên nền IP). Vì các tiêu chuẩn 1xRTT và 3xRTT phần lớn sử dụng chung các phần tử vô tuyến băng gốc, nên các nhà khai thác có thể thực hiện 1 bước tiến căn bản đến các khả năng đầy đủ của 3G bằng cách thực hiện 1xRTT. cdma2000 giai đoạn 2 sẽ bao gồm các mô tả chi tiết về các giao thức báo hiệu, quản lí số liệu và các yêu cầu mở rộng từ vô tuyến 5 Mhz đến 19 và 15 Mhz trong tương lai. 2. Các thông số kĩ thuật cdma2000: mục đích của cdma2000 là cung cấp các tốc độ bit khác nhau: 144Kbps, 384 Kbps và cực đại là 2048 Kbps. Các thông số chính của cdma2000: Băng tần kênh 1,25Mhz; 5Mhz; 10Mhz; 20Mhz Cấu trúc kênh hướng xuống Trải phổ trực tiếp hoặc đa sóng mang Tốc độ chip 1,228833,68647,372811,059314,7456 Mcs cho trải phổ trực tiếp n x 1,2288 Mcs (n=1, 3, 6, 9, 12) cho đa sóng mang Lặp Giống IS 95 Độ dài khung 20 ms cho khung dữ liệu và điều khiển. 5ms cho thông tin điều khiển trên kênh mã cơ sở và điều khiển. Điều chế trải phổ QPSK cân bằng (hướng xuống) QPSK kép (hướng lên) Mạch truyền phức hợp Điều chế dữ liệu QPSK (hướng xuống) BPSK (hướng lên) Phát hiện kết nối Kênh pilot ghép thời gian với PB và EIB (hướng lên) Kênh pilot chung và kênh pilot phụ (hướng xuống) Ghép kênh hướng lên Kênh điều khiển, kênh pilot, kênh mã cơ sở và kênh mã phụ ghép. Ghép kênh IQ cho kênh dữ liệu và kênh điều khiển. Đa tốc độ Trải phổ biến đổi và đa mã Hệ số trải phổ 4 – 256 Điều khiển công suất Vòng hở và vòng khép kín (tốc độ 800Hz) Trải phổ (hướng lên) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, M – sequences 215, M – sequences 2411 phân biệt người dùng Chuyển giao Chuyển giao mềm (Soft handoff) Chuyển giao khác tần số 3. Kênh logic của cdma2000 Cấu trúc phân lớp thể hiện sự phân lớp trong kênh logic của cdma2000. Đối cới hệ thống sử dụng cdma2000 kênh logic bao gồm những lớp sau: 3.1.Các lớp cao: Cung cấp các dịch vụ: Các dịch vụ thoại. Các dịch vụ thoại gồm truy nhập PSTN, các dịch vụ thoại di động và thoại Internet. Các dịch vụ mạng số liệu người sử dụng đầu cuối. Các dịch vụ chuyển mọi dạng số liệu cho người sử dụng đầu cuối di động gồm: số liệu gói (ví dụ: IP), các dịch vụ số liệu kênh (chẳng hạn các dịch vụ mô phỏng BISDN) và SMS. Các dịch vụ gói phù hợp với số liệu gói nối thông và không nối thông theo tiêu chuẩn công ngiệp bao gồm các giao thức trên cơ sở IP ( chẳng hạn TCP=Transmission Control Protocol: Giao thức điều khiển truyền dẫn và UDP=User Datagram Protocol: Giao thức số liệu người sử dụng) và giao thức liên kết không kết nối (CLIP=Connectionless Interworking Protocol) của ISOOSI. Các dịch vụ số liệu kênh mô phỏng các dịch vụ định hướng theo nối thông được định nghĩa theo tiêu chuẩn quốc tế như: truy nhập quay số dị bộ, fax, ISDN thích ứng tốc độ V.120 và các dịch vụ BISDN. Báo hiệu. Các dịch vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của máy di động. 3.2.Lớp kết nối: Lớp kết nối đảm bảo thay đổi các mức độ tin cậy và các đặc tính của QoS theo yêu cầu dịch vụ của các lớp cao hơn. Lớp này cung cấp hỗ trợ giao thức và cơ chế điều khiển cho các dịch vụ truyền tải số liệu và thực hiện tất cả các chức năng cần thiết để sắp xếp các nhu cầu cảu các lớp cao hơn vào các khả năng đặc thù và các đặc tính của lớp vật lý. Lớp kết nối được chia thành các lớp con như sau: Lớp con điều khiển truy nhập kết nối (LAC:Link Access Control) Lớp con điều khiển truy nhập môi trường (MAC:Medium Access Control) Lớp con MAC đảm bảo 3 chức năng quan trọng sau: 1. Trạng thái điều khiển MAC 2. Truyền nỗ lực nhất. 3. Ghép kênh và điều khiển QoS Lớp MAC chia làm 2 phân lớp con: PLICF(physical layerindependent convergence function): phân lớp có chức năng hội tụ độc lập với lớp vật lý.Ví dụ như điều khiển truy cập dưới dạng truyền các gói tin. Dữ liệu người dùng, thông tin điều khiển sẽ đến phân lớp thấp hơn thông qua việc thiết lập 1 kênh logic, ví dụ như kênh truyền thông chuyên dụng, kênh truyền thông chung,… PLDCF(physical layerdependent convergence function): phân lớp có chức năng hội tụ phụ thuộc vào lớp vật lý.Chức năng của phân lớp nà bao gồm hợp các kênh logic dến từ PLICF, ánh xạ chúng đến kênh vật lý,phân chia 1 cách hợp lý tùy theo yêu cầu chất lượng dịch vụ, và chuyển giao chúng tới
Trang 1-Công nghệ W-CDMA và cdma2000 trong
mạng di động 3G
I.Giới thiệu tổng quan
Cụm từ điện thoại di động 3G ngày nay đã trở nên quen thuộc với người dùng di
động 3G là viết tắt của third-generation technology là chuẩn và công nghệ truyền thông
thế hệ thứ ba, cho phép truyền ngoài dữ liệu chuẩn là đàm thoại còn có thể truyền dữ liệu phi thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, nhạc, internet ) Công nghệ 3G vừa cho phép triển khai những dịch vụ cao cấp vừa làm tăng dung lượng của mạng điện thoại nhờ vào việc sử dụng hiệu quả hiệu suất phổ.
Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video hoặc khả năng truy nhập internet thường được xem là một ví dụ tiêu biểu về dịch vụ cao cấp mà các nhà cung cấp dịch vụ muốn cung cấp cho khách hàng Tuy nhiên tần số vô tuyến nói chung là một tài nguyên đắt đỏ, giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ euro cho chính phủ Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số được
bỏ qua do phát triển hạ tầng cơ sở IT quốc gia được đặt ưu tiên cao
Nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại một cách rộng rãi là Nhật Bản Năm 2005, khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê bao 3G, mạng 2G đang dần biến mất tại Nhật Bản Người ta cho rằng, vào năm 2006, việc chuyển đổi từ 2G sang 3G
sẽ hoàn tất tại Nhật Bản và việc tiến lên thế hệ tiếp theo 3.5G với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 3 Mbit/s là đang được thực hiện
1 Đôi nét về lịch sử các thế hệ di động:
- Trước đây mạng lưới thông tin di động sử dụng hệ thống call-link(analog), sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) Đây là phương thức đa truy nhập dễ hình dung nhất nhưng hiệu suất không cao
- Hiện nay, cũng như một số rất lớn các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ phân chia đa truy nhập theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mạng Vinaphone & Mobiphone sử dụng công nghệ GSM 900 (900MHz), có băng tần phát 935-960MHz (dải tần 960-935=25MHz), băng tầng thu 890-915 (dải tần 25MHz)
- Một kênh tần số chiếm 200 KHz (RF=200KHz=0.2MHz) GSM (Global System for Mobile Communication) cũng là công nghệ dựa trên kỹ thuật ghép kênh chia thời gian nhưng dùng các tần số sóng mang rộng hơn và chia làm 8 khe thời gian chứ không phải 3 khe như TDMA
Trong dải tầng 25MHz, Vinaphone được cấp 8MHz, Mobiphone được cấp 8MHz(952-960Mhz) Một BTS(trạm ăngten) điều khiển được 8/0.2=40 kênh, phục vụ được 320 cuộc gọi cùng 1 lúc
- Công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo mã
Ý tưởng về truyền thông trải phổ, nền tảng cho CDMA được xây dựng từ những năm
1970 và được hoàn thiện dần trong những năm sau đó Cùng với sự phát triển của
1
Trang 2-công nghệ bán dẫn và lý thuyết xử lí tín hiệu, CDMA đã được thương mại hóa từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, CDMA cũng đã được đề xuất trong hệ thống cellular của Qualcomm vào những năm 1990
CDMA sử dụng kĩ thuật trải phổ nên nhiều người gọi có thể chiếm đồng thời cùng kênh vô tuyến để tiến hành các cuộc gọi Những người dùng khác nhau được phân biệt nhờ mã đặc trưng Lý thuyết về trung kế và sự lặp lại tần số ở các cell trong mạng vẫn được sử dụng Những kênh này cũng được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên Một kênh CDMA rộng 1,23MHz, 2 biên phòng vệ mỗi bên 0,27MHz, tổng cộng 1,77MHz CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt (chip rate) là 1,2288MHz Dòng
dữ liệu gốc được mã hóa và điều chế ở tốc độ cắt Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu
ra (mã trải phổ giả ngẫu nhiên)
Các hệ thống CDMA thường được coi là có dung lượng cao hơn so với FDMA và TDMA vì ở hệ thống này có thể đạt kích thước nhóm bằng 1 (hệ số tái sử dụng tần số N= 1), nghĩa là các trạm gốc của các cell cạnh nhau có thể sử dụng cùng một băng tần Tuy nhiên, nhiễu giao thoa đồng kênh là một trở ngại ở các mạng CDMA, nhiễu này thường được gọi là nhiễu giao thoa đa thâm nhập (MAI – Multiple Access Interference) nên tốc độ của CDMA nguyên thủy vẫn chưa thể đáp ứng được những nhu cầu cao cấp
Các công nghệ trên là công nghệ trong thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) Có thể thấy ngay từ nền tảng 2G, dù mới chỉ phục vụ cho các dịch vụ tối thiểu là thoại và tin nhắn, CDMA đã có nhiều ưu điểm vượt trội hơn công nghệ GSM CDMA có nền tảng tốt hơn để phát triển các chuẩn cho điện thoại 3G Thời điểm hiện tại, thế hệ được cho là cao hơn 2G nhưng thấp hơn 3G (gọi là 2.5G) là các chuẩn được nâng cấp từ công nghệ GSM, cho phép truyền dữ liệu trong mạng 2G Phổ biến nhất là GPRS (General Packet Radio Service) cho phép gửi các tin nhắn MMS (Multimedia Message Service) nhưng tốc độ của GPRS vẫn còn rất chậm nếu so sánh với 3G Khó khăn của GSM trong việc phát triển nằm lý thuyết xây dựng hệ thống CDMA chứng tỏ là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin cá nhân không dây thế hệ thứ 3
2 Việc tiêu chuẩn hóa mạng di động 3G
Ủy ban viễn thông quốc thế ITU (International Telecommunication Union) định nghĩa các yêu cầu cho mạng điện thoại 3G với bộ tiêu chuẩn IMT – 2000 Một tổ chức
khác là 3rd Generation Partnership Project (3GPP) tiếp tục hoàn thiện công việc bằng việc
định nghĩa một hệ thống di động thỏa mãn chuẩn IMT – 2000 Hệ thống này được gọi là Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)
Trang 3-W-CDMA và cdma2000 là 2 trong số các chuẩn 3G được tổ chức ITU công nhận Trên thực
tế đây là 2 chuẩn được sử dụng nhiều nhất để xây dựng mạng di động 3G Trong khuôn khổ của bài tiểu luận, chúng ta sẽ tìm hiểu về 2 công nghệ này, đặc biệt khi mà tại Việt Namcar 2 chuẩn trên đã và đang trở thành 2 xu hướng phát triển lên mạng di động 3G
II.Công nghệ cdma2000
1 Giới thiệu chung
cdma2000: là một trong những chuẩn 3G quan trọng, thực chất là sự kế tục và phát triển từ chuẩn 2G IS-95 Chuẩn cdma2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức hoàn toàn độc lập và riêng rẽ với 3GPP cdma2000 là công nghệ nâng cấp từ CDMA, cho phép truyền tải dữ liệu trên mạng di động Năm 2000, cdma2000 là công nghệ 3G đầu tiên được chính thức triển khai cdma2000 gồm 3 phiên bản:
+ cdma 2000 1xRTT: 1xRTT là phiên bản đầu tiên của cdma2000, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ 307 Kbps (tải xuống) và 153 Kbps (tải lên) cdma2000 1xRTT cũng mang lại chất lượng thoại tốt hơn trên một kênh CMDA 1,25MHz đơn lẻ
+ cdma 2000 1xEV (1X Evolution): Công nghệ 1xEV cung cấp tốc độ tải xuống và tải lên lớn hơn theo hai gian đoạn triển khai
- Giai đoạn một: cdma2000 1xEV-DO (Cách mạng về Dữ liệu) - là phiên bản cao hơn, tối ưu cho những dịch vụ dữ liệu dung lượng lớn và tốc độ cao dựa trên công nghệ CDMA High Data Rate (tốc độ tối đa vượt 2 Mbps)
- Giai đoạn hai: cdma2000 1xEV-DV (Cách mạng về Dữ liệu thoại) - tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một mạng cung cấp với tốc độ truyền tải tối đa 10Mbps Nghĩa
là để triển khai loạt các ứng dụng có dung lượng lớn, được coi là thế mạnh của 3G
+ cdma2000 3x: cdma2000 3x sử dụng 3 kênh CDMA 1,25MHz Công nghệ này là một chuẩn của đặc tả cdma2000, dành cho các nước cần băng thông 5MHz cho mục địch
sử dụng mạng 3G cdma2000 3X còn có tên là 3XRTT, MC-3X, và IMT-CDMA MultiCarrier 3X cdma2000 3x sử dụng độ rộng băng tần 5 Mhz và có thể sẽ cung cấp tốc độ số liệu
144 kbit/s cho các ứng dụng di động và xe cộ, và 2Mbit/s chho các ứng dụng cố định Các nhà công nghiệp tiên đoán rằng giai đoạn 3xRTT sẽ dần tiến tới 1Mbit/s cho từng kênh lưu lượng hay Walsh.Bằng cách hợp nhất hay bó 2 kênh, người sử dụng có thể đạt tốc độ đỉnh
2 Mbit/s là tốc độ đích của IMT-2000
Sự khác nhau căn bản giữa giai đoạn 1 và giai đoạn 2 của cdma2000 là độ rộng băng tần và thông lượng tổng hay khả năng tốc độ số liệu đỉnh Giai đoạn 2 sẽ đưa ra các khả
IS-95
GSM(2G)
IS-136
GSM 2G+
GPRS IS-136+
cdma2000
UTMS WCDMA
IS-136HS Indoor
GSM 2G++
GPRS/EDGE IS-136 HS, Outdoor
The evolution path to 3G systems (IMT-2000)
3
Trang 4-năng đa phương tiện tiên tiến và đặt nền móng cho dịch vụ thoại phổ biến 3G, các bộ mã hoá thoại như Voip (Thoại trên nền IP) Vì các tiêu chuẩn 1xRTT và 3xRTT phần lớn sử dụng chung các phần tử vô tuyến băng gốc, nên các nhà khai thác có thể thực hiện 1 bước tiến căn bản đến các khả năng đầy đủ của 3G bằng cách thực hiện 1xRTT cdma2000 giai đoạn 2 sẽ bao gồm các mô tả chi tiết về các giao thức báo hiệu, quản lí số liệu và các yêu cầu mở rộng từ vô tuyến 5 Mhz đến 19 và 15 Mhz trong tương lai
2 Các thông số kĩ thuật
cdma2000: mục đích của cdma2000 là cung cấp các tốc độ bit khác nhau: 144Kbps,
384 Kbps và cực đại là 2048 Kbps Các thông số chính của cdma2000:
Băng tần kênh 1,25Mhz; 5Mhz; 10Mhz; 20Mhz
Cấu trúc kênh hướng xuống Trải phổ trực tiếp hoặc đa sóng mang
Tốc độ chip 1,22883/3,6864/7,3728/11,0593/14,7456 Mc/s cho
trải phổ trực tiếp
n x 1,2288 Mc/s (n=1, 3, 6, 9, 12) cho đa sóng mang
Độ dài khung 20 ms cho khung dữ liệu và điều khiển
5ms cho thông tin điều khiển trên kênh mã cơ sở và điều khiển
Điều chế trải phổ QPSK cân bằng (hướng xuống)
QPSK kép (hướng lên) Mạch truyền phức hợp Điều chế dữ liệu QPSK (hướng xuống)
BPSK (hướng lên) Phát hiện kết nối Kênh pilot ghép thời gian với PB và EIB (hướng lên)
Kênh pilot chung và kênh pilot phụ (hướng xuống) Ghép kênh hướng lên Kênh điều khiển, kênh pilot, kênh mã cơ sở và kênh mã
phụ ghép
Ghép kênh I&Q cho kênh dữ liệu và kênh điều khiển
Đa tốc độ Trải phổ biến đổi và đa mã
Điều khiển công suất Vòng hở và vòng khép kín (tốc độ 800Hz)
Trải phổ (hướng lên) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, M – sequences
215, M – sequences 241-1 phân biệt người dùng Chuyển giao Chuyển giao mềm (Soft handoff)
Chuyển giao khác tần số
3 Kênh logic của cdma2000
Cấu trúc phân lớp thể hiện sự phân lớp trong kênh logic của cdma2000 Đối cới hệ thống sử dụng cdma2000 kênh logic bao gồm những lớp sau:
3.1.Các lớp cao: Cung cấp các dịch vụ:
Các dịch vụ thoại Các dịch vụ thoại gồm truy nhập PSTN, các dịch vụ thoại di động
và thoại Internet
Các dịch vụ mạng số liệu người sử dụng đầu cuối Các dịch vụ chuyển mọi dạng số liệu cho người sử dụng đầu cuối di động gồm: số liệu gói (ví dụ: IP), các dịch vụ số liệu kênh (chẳng hạn các dịch vụ mô phỏng B-ISDN) và SMS Các dịch vụ gói phù
Trang 5-hợp với số liệu gói nối thông và không nối thông theo tiêu chuẩn công ngiệp bao gồm các giao thức trên cơ sở IP ( chẳng hạn TCP=Transmission Control Protocol: Giao thức điều khiển truyền dẫn và UDP=User Datagram Protocol: Giao thức số liệu người sử dụng) và giao thức liên kết không kết nối (CLIP=Connectionless Interworking Protocol) của ISO/OSI Các dịch vụ số liệu kênh mô phỏng các dịch vụ định hướng theo nối thông được định nghĩa theo tiêu chuẩn quốc tế như: truy nhập quay số dị bộ, fax, ISDN thích ứng tốc độ V.120 và các dịch vụ B-ISDN
Báo hiệu Các dịch vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của máy di động
3.2.Lớp kết nối:
Lớp kết nối đảm bảo thay đổi các mức độ tin cậy và các đặc tính của QoS theo yêu cầu dịch vụ của các lớp cao hơn Lớp này cung cấp
hỗ trợ giao thức và cơ chế điều khiển cho các dịch vụ truyền tải số liệu và thực hiện tất cả các chức năng cần thiết để sắp xếp các nhu cầu cảu các lớp cao hơn vào các khả năng đặc thù và các đặc tính của lớp vật lý Lớp kết nối được chia thành các lớp con như sau:
Lớp con điều khiển truy nhập kết nối (LAC:Link Access Control)
Lớp con điều khiển truy nhập môi trường (MAC:Medium Access Control)
Lớp con MAC đảm bảo 3 chức năng quan trọng sau:
1 Trạng thái điều khiển MAC
2 Truyền nỗ lực nhất
3 Ghép kênh và điều khiển QoS
Lớp MAC chia làm 2 phân lớp con:
- PLICF(physical layer-independent convergence function): phân lớp có chức năng hội tụ độc lập với lớp vật lý.Ví dụ như điều khiển truy cập dưới dạng truyền các gói tin Dữ liệu người dùng, thông tin điều khiển sẽ đến phân lớp thấp hơn thông qua việc thiết lập 1 kênh logic, ví
dụ như kênh truyền thông chuyên dụng, kênh truyền thông chung,…
- PLDCF(physical layer-dependent convergence function): phân lớp có chức năng hội tụ phụ thuộc vào lớp vật lý.Chức năng của phân lớp nà bao gồm hợp các kênh logic dến từ PLICF, ánh xạ chúng đến kênh vật lý,phân chia 1 cách hợp lý tùy theo yêu cầu chất lượng dịch
vụ, và chuyển giao chúng tới lớp vật lý…
Phân lớp con PLICF:
Trạng thái trống (Null State)
Trạng thái khởi tạo(Initialization State)
Trạng thái giữ điều khiển (Control Hold State)
Trạng thái tích cực (Active State)
Trạng thái treo(Suspended State)
5
Trang 6-Trạng thái nghỉ(Dormant State)
Phân lớp con PLDCF:
Thực hiện sắp xếp cần thiế các kênh logic đơn gian từ PLICF vào các kênh logic được lớp vật lý hỗ trợ
Thực hiện mọi (tuỳ chọn) chức năng giao thức yệu cầu phát lặp tự động (ARQ) có liên kết chặt chẽ với lớp vật lý
Thực hiện một số chức năng mức thấp đặc thù lớp vật lý của IS-95B
Điều phối ghép và phân kênh các kênh mã từ các trường hợpPLICF khác nhau cùng vói QOS Nó thực hiện và ép buộc tôn trọng các khgác nhau giữa các trường hợp và sắp xếp các luồng số liệu, thông tin điều khiển lên nhiều kênh logic nhận được từ các trường hợp PLICF khác nhau vào các yêu cầu kênh logic, các tài nguyên và thông tin điều khiển từ lớp vật lý
Điều khiển truy nhập kết nối vô tuyến (RLAC=Radio Link Access Control) để hợp nhất RLP và RBP từ PLICF và điều phối truyền dẫn số liệu (lưu lượng hoăc báo hiệu) giữa RLP và RBP theo trạng thái hoạt động hiện thời của MAC(Chẳng hạn hạn chế
sử dụng RBP trong trường hợp PLICF ở trạng thái nghỉ của số liệu gói)
1.Giao thức kết nối vô tuyến (RLP=Radio Link Protocol) Giao thức này đảm bảo tạo dòng dịch vụ hiệu suất cao để thực hiện tốt nhất việc truyền số liệu giữa các thực thể PLICF đồng cấp RLP đảm bảo cả chế độ hoạt động trong suốt lẫn không trong suốt Trong chế
độ không trong suốt, RLP sử dụng giao thức ARQ để phát lại các đoạn số liệu không được lớp vật lý truyền đúng, ở chế độ này RLP có thể đưa vào một trễ nhất định Trong chế độ trong suốt, RLD không phát lại các đoạn số liệu bị mất.Tuy nhiên RLP duy trì đồng bộ byte giữa phát và thu và thông báo cho thu về cá phần bị mất của dòng số liệu RLP trong suốt không dây gây ra bất kỳ trễ truyền dẫn nào và rất lợi cho việc thực hiện các dịch vụ thoại
ở RLP
2.Giao thức cụm vô tuyến (RBP=Radio Burst Protocol) Giao thức này đảm bảo cơ chế để truyền các đoạn số liệu tương đốI ngắn với truyền nỗ lực nhất trên kênh lưu lượng chung truy nhập phân chia (ctch:Shared Common Access Channel) Khả năng này có lợi khi truyền một lượng nhỏ số liệu không cần đến thông tin bổ sung để thiết lập kênh lưu lượng riêng(dtch)
3.Giao thức kết nối vô tuyến báo hiệu (SRLP-Signalling Radio Burst Protocol) Giao thức này đảm bảo tạo luồng dịch vụ tốt nhất cho thông tin báo hiệu tương tự như RLP, nhưng tối ưu cho kênh báo hiệu riêng (dsch=Dedicated Signalling Channel)
4.Giao thức cụm vô tuyến báo hiệu (SRBP=Signalling Radio Burst Protocol) Giao thức này đảm bảo cơ chế để truyền các bản tin báo hiệu tương tự như RBP một cách nỗ lực nhất, nhưng tối ưu cho thông tin báo hiệu và kênh báo hiệu chung (csch=Common Signalling Channel)
Biểu đồ trạng thái các dịch vụ số liệu PLICF:
Trang 7-Việc phát triển họ các tiêu chuẩn CDMA2000 là sự kế thừa ở mức độ lớn nhất cấu trúc phân lớp ở các tiêu chuẩn khác nhau
4 Kênh vật lý
a, Kênh vật lý hướng lên
Đường lên có 4 chỉ định về kênh vật lý khác nhau Kênh mã cơ sở và kênh mã phụ mang dữ liệu người dùng Chỉ định về kênh điều khiển sử dụng khung có chiều dài từ 5 dến 20 ms, mang các thông tin điều khiển như đo lường dữ liệu
Kênh pilot được sử dụng như tín hiệu tham khảo cho việc phát hiện liên kết, đồng thời cũng mang tín hiệu điều khiển công suất
Kênh truy cập ngược(R-ACH) và kênh điều khiển chung ngược(R-CCCH) là các kênh chung cho việc truyền tin ở tầng 3 và lớp MAC.Kênh R-ACH được sử dụng cho việc truy cập ban đầu cong R-CCH được sử dụng cho
việc truy cập dữ liệu nhanh
Kênh mã cơ sở mang âm thanh, tín
hiệu, dữ liệu ở tốc độ thấp Cung cấp tốc
độ mã cơ bản 9.6kBps và 14.4 Kbps Kênh
mã cơ sở luôn hoạt động với chế độ chuyển
giao mềm
Kênh mã phụ cung cấp dữ liệu ở tốc
độ cao hơn Kênh hướng lên cung cấp 1
hoặc 2 kênh mã phụ Nếu 1 kênh mã phụ
được truyền, mã Wash(+) được sử dụng
trên kênh thứ nhất, nếu 2 kênh mã phụ
7
Trang 8-được truyền, mã Wash(++) -được sử dụng trên kênh thứ 2.Cấu trúc lặp -được sử dụng cho
dữ liệu có tốc độ biến đổi trên kênh mã phụ
b, Kênh vật lý hướng xuống Hướng xuống có 3 chỉ định về kênh khác nhau và 3 kênh điều khiển chung Tương tự đường lên, các kênh mã cơ sở và kênh mã phụ mang các thông tin người dùng và kênh điều khiển mang các bản tin điều khiển Kênh đồng bộ để MS có thể thực hiện được việc đồng bộ Một hoặc nhiều kênh nhắn tin được sử dụng cho nhắn tin di động
Kênh pilot cung cấp các tín hiệu tham khảo cho việc phát hiện kết nối, cell thu được và chuyển giao cdma2000 có 1 kênh pilot chung, nó được sử dụng như kênh để tham khảo cho việc phát hiện kết nối khi anten có khả năng thích nghi không được sử dụng Khi anten thích nghi được sử dụng kênh kết nối phụ được sử dụng như kênh được tham khảo cho việc phát hiện kết nối
5 Gói dữ liệu
cdma2000 sử dụng gói dữ liệu dạng Aloha Khi Ms được cung cấp kênh lưu lượng,
nó có thể truyền mà không cần lập chương trình xacx định trước tốc độ bits Khi MS truyền xong nó giải phóng kênh lưu lượng nhưng chưa giải phóng kênh điều khiển ngay Khi giải phóng kênh điều khiển thì nó vẫn duy trì kết nối giữa tầng liên kết và tầng mạng
để thiết lập lại kênh trong thời gian ngắn nhất khi có yêu cầu truyền dữ liệu Cụm dư liệu ngắn có thể truyền trên kênh lưu lượng chung với phương pháp truyền ARQ
III.Công nghệ W-CDMA
1 Giới thiệu chung
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access): là chuẩn liên lạc di động 3G song hành với cùng với chuẩn GSM W-CDMA là công nghệ nền tảng cho các công nghệ 3G khác như UMTS và FOMA
W-CDMA được tập đoàn ETSI NTT DoCoMo (Nhật Bản) phát triển riêng cho mạng 3G FOMA Sau đó, NTT Docomo đã trình đặc tả này lên Hiệp hội truyền thông quốc tế (ITU) và xin công nhận dưới danh nghĩa một thành viên của chuẩn 3G quốc tế có tên
IMT-2000 ITU đã chấp nhận W-CDMA là thành viên của IMT-2000 và sau đó chọn W-CDMA là giao diện nền tảng cho UMTS
UMTS: UMTS (Universal Mobile Telephone System) dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp tổng quát cho các nước sử dụng công nghệ di động GSM UMTS do tổ chức 3GPP quản lý 3GPP cũng đồng thời chịu trách nhiệm về các chuẩn mạng di động như GSM, GPRS và EDGE
UMTS đôi khi còn có tên là 3GSM, dùng để nhấn mạnh sự liên kết giữa 3G và chuẩn GSM UMTS hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu đến 1920 Kbps (chứ không phải là 2 Mbps như một số tài liệu thường công bố), mặc dù trong thực tế hiệu suất đạt được chỉ vào khoảng
Trang 9-384 Kbps Tuy nhiên, tốc độ này vẫn còn nhanh hơn nhiều so với chuẩn GSM (14,4Kbps)
và HSCSD (14,4Kbps); và là lựa chọn hoàn hảo đầu tiên cho giải pháp truy cập Internet giá rẻ bằng thiết bị di động.Trong tương lai không xa, mạng UMTS có thể nâng cấp lên High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) - còn được gọi với tên 3,5G HSDPA cho phép đẩy nhanh tốc độ tải xuống tới 10 Mbps
- FOMA: FOMA được NTT DoCoMo đưa vào ứng dụng từ năm 2001, và được coi là dịch vụ 3G thương mại đầu tiên của thế giới Mặc dù cũng dựa vào nền tảng W-CDMA nhưng FOMA lại không tương thích với UMTS
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo
mã băng rộng) WCDMA là kênh CDMA nhưng có độ rộng gấp 4 lần độ rộng kênh thường được sử dụng trong thông tin di động thê hệ 2 ở Bắc Mỹ WCDMA là hệ thống chuỗi trực tiếp đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (DS-CDMA), nghĩa là các bit thông tin được trải trên một băng thông rộng bằng cách nhân dữ liệu với các bit mã gần như ngẫu nhiên (được gọi là chip) của mã trải phổ CDMA có tốc độ rất cao Tín hiệu thu được có chứa tín hiệu gốc song hoàn toàn bị che mờ bởi tín hiệu mã Đồng thời tín hiệu mã có mức
độ trải phổ cao hơn (do tần số tỷ lệ nghịch với thời gian) nên tín hiệu thu được là tín hiệu trải phổ của tín hiệu gốc Tín hiệu tổng hợp nhận được ở máy thu qua quá trình trộn với một tín hiệu mã đồng bộ với tín hiệu mã gốc tại máy phát sẽ khôi phục lại tín hiệu gốc Một hệ thống sử dụng phương pháp mã hoá chuỗi trực tiếp có khả năng chống nhiễu cao
2 Các thông số kĩ thuật
W-CDMA khác với cdma2000 về: tốc độ chip, cấu trúc kênh hướng xuống, đồng bộ mạng cdma2000 có tốc độ 3,6864 Mc/scho bề rộng băng tần 5MHz với hướng xuống trải phổ trực tiếp, tốc độ 1,2288 Mc/s cho đa sóng mang xuống
W-CDMA trải phổ trực tiếp với tốc độ 4,096 Mc/s
Các thông số chính của W-CDMA:
Cấu trúc kênh hướng xuống Trải phổ trực tiếp
QPSK kép (hướng lên) Mạch truyền phức hợp
BPSK (hướng lên) Phát hiện kết nối Kênh pilot ghép thời gian (hướng lên và
hướng xuống) Không có kênh pilot chung hướng xuống
Ghép kênh hướng lên Kênh điều khiển, kênh pilot ghép thời
gian
Ghép kênh I&Q cho kênh dữ liệu và kênh điều khiển
Điều khiển công suất Vòng hở và vòng khép kín (tốc độ 1,6KHz)
9
Trang 10-Trải phổ (hướng lên) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã
Gold 218 Trải phổ (hướng xuống) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã
Gold 241
Chuyển giao khác tần số Bảng các thông số của W-CDMA
Minh họa về kênh truyền:
VD một nhà cung cấp dịch vụ W-CDMA được cấp băng thông 15MHz, được chia thành 3 dải, khoảng bảo vệ nội bộ giữa các dải nhỏ hơn khoảng bảo vệ giữa các nhà khai thác
Tần số làm việc của W-CDMA
3 Phương thức hoạt động
- Để có thể cung cấp các tốc độ bit rất cao lên tới 2Mbps, cần phải sử dụng hệ số trải phổ khả biến và các kết nối đa mã
- Tốc độ chip được sử dụng là 3.84Mcps tạo ra băng thông sóng mang xấp xỉ 5MHz Nhờ có băng thông rộng mà hệ thống WCDMA có thể cung cấp các tốc độ bít cao hơn
do đó có khả năng truyền thông đa phương tiện và mang lại một số lợi ích như tăng sự phân tập đa đường
Cung cấp các tốc độ dữ liệu khả biến (hay nói cách khác cung cấp băng thông theo yêu cầu) Mỗi ngưòi sử dụng được phân bổ các khung 10ms, trong đó tốc độ dữ liệu giữ không đổi Tuy nhiên dung lưọng dữ liệu giữa các người dùng có thể thay đổi từ khung này sang khung kia Nó đảm bảo sự thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau
- Đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng, chẳng hạn với tốc độ bit cao ở đường truyền xuống và tốc độ bit thấp ở đường truyền lên
- Hai phương thức hoạt động: Song công phân tần (FDD) và song công phân thời (TDD)
a FDD (Frequency Division Duplex): Song công phân tần