TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN
1.1.1 Thế hệ thứ nhất(First Generation – 1G)
Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ đa truy nhập theo tần số (FDMA) là một hệ thống tế bào có dung lượng thấp chỉ cung cấp dịch vụ thoại, như NMT (Bắc Âu), TACS (Anh) và AMPS (Mỹ) Tuy nhiên, vào những năm 1980, hệ thống này đã trở nên quá tải do nhu cầu người sử dụng ngày càng tăng Để giải quyết vấn đề này, các nhà phát triển công nghệ di động đã nhận định cần thiết phải xây dựng hệ thống tế bào thế hệ 2 hoàn toàn dựa trên công nghệ số, với khả năng xử lý tín hiệu số, cung cấp dung lượng lớn và cải thiện chất lượng thoại, đồng thời đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ thấp.
1.1.2 Thế hệ thứ hai (Second Generation – 2G)
Hệ thống 2G bao gồm GSM (Châu Âu) và D-AMPS (Mỹ), sử dụng công nghệ TDMA và CDMA Nhờ vào tính chuẩn hóa và tương thích, nhiều mạng 2G đã đạt được thành công đáng kể về mặt kỹ thuật và kinh doanh, đặc biệt là hệ thống GSM Năm 1999, GPRS ra đời để tăng cường băng thông cho mạng di động 2G, với tốc độ truyền dữ liệu tăng gấp 3 lần so với GSM, đạt 20-30 Kbps, cho phép phát triển dịch vụ WAP và email Đến năm 2000, EDGE xuất hiện, cung cấp tốc độ lý thuyết lên đến 250 Kbps, được coi là 2,75G, đánh dấu bước tiến hướng tới 3G.
Hệ thống thông tin di động 2G, mặc dù đã mang lại những tiến bộ đáng kể, vẫn tồn tại các hạn chế như tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp Do đó, việc chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo là cần thiết để cải thiện dịch vụ truyền số liệu, nâng cao tốc độ bit và tối ưu hóa việc chia sẻ tài nguyên.
Sự phát triển của hệ thống thông tin di động đã dẫn đến sự gia tăng số lượng người dùng điện thoại di động, mở rộng thị trường và tạo ra nhu cầu về các dịch vụ tiên tiến hơn Người tiêu dùng không chỉ mong muốn các dịch vụ cuộc gọi thoại truyền thống và dữ liệu tốc độ thấp, mà còn yêu cầu các dịch vụ phong phú hơn trong các lĩnh vực như dịch vụ dữ liệu máy tính, viễn thông và nội dung số như âm thanh và hình ảnh.
Các tổ chức nghiên cứu trên toàn cầu đang tích cực phát triển hệ thống thông tin di động, đặc biệt là chuẩn mới cho thông tin di động 3G Những lý do thúc đẩy quá trình này bao gồm nhu cầu ngày càng cao về kết nối nhanh chóng và hiệu quả, cũng như sự phát triển không ngừng của công nghệ Việc áp dụng chuẩn 3G trong thực tế không chỉ nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu mà còn cải thiện trải nghiệm người dùng, đáp ứng nhu cầu sử dụng thông tin di động ngày càng đa dạng và phong phú.
1.1.3 Thế hệ thứ ba (Third Generation– 3G) Định hướng thiết lập một hệ thống thông tin di động toàn cầu Từ nhu cầu thực tiễn cần phải phát triển lên 3G, các nhà cung cấp dịch vụ mạng đã đƣa ra các tiêu chí chungđể phát triển lên mạng di động 3G nhƣ sau:
- Hệ thống phải đƣợc chuẩn hóa hoàn toàn; các giao diện chính phải đƣợc chuẩn hóa và mở;
- Hệ thống phải bổ sung cho hệ thống hiện tại trên mọi khía cạnh;
- Multimedia và tất cả các thành phần của multimedia phải đƣợc hệ thống hỗ trợ;
- Truy nhập radio của 3G phải cung cấp khả năng băng rộng;
Các dịch vụ dành cho người dùng cuối cần được tách biệt khỏi chi tiết công nghệ và hạ tầng mạng, nhằm đảm bảo tính độc lập và linh hoạt Ý tưởng chính của 3G là xây dựng một hạ tầng vạn năng, có khả năng hỗ trợ cả dịch vụ hiện tại và tương lai Hạ tầng này phải được thiết kế để có thể thích ứng với những thay đổi công nghệ mà không gây ra gián đoạn cho các dịch vụ đang hoạt động Để đạt được điều này, 3G phân chia rõ ràng công nghệ truy cập, công nghệ truyền tải, công nghệ dịch vụ và các ứng dụng dành cho người dùng.
Hiện nay, có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G, dẫn đến sự phát triển của nhiều chuẩn 3G Tuy nhiên, chỉ có hai tiêu chuẩn quan trọng nhất là WCDMA đã có sản phẩm thương mại và khả năng triển khai rộng rãi trên toàn cầu.
WCDMA và CDMA 2000 là hai công nghệ quan trọng trong sự phát triển mạng di động 3G WCDMA tương thích với giao thức mạng lõi GSM (GSM MAP), chiếm 65% thị trường toàn cầu, trong khi CDMA 2000 tương thích với mạng lõi IS-41, chiếm 15% thị trường Quá trình phát triển lên 3G sẽ tập trung chủ yếu vào hai hướng này.
Hình 1-1 Quá trình phát triển lên 3G của 2 hướng công nghệ chính
1.1.4 Thế hệ thứ tƣ(Fourth Generation-4G)
Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đang tìm kiếm công nghệ không dây nâng cao, cung cấp đa dạng dịch vụ với chất lượng tốt hơn Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đang phát triển chuẩn mạng di động thế hệ thứ tư (4G) nhằm đáp ứng nhu cầu này Dự kiến, công nghệ mới sẽ cho phép thoại IP, truyền dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn nhiều so với mạng di động hiện tại, với tốc độ truyền dữ liệu lý thuyết lên tới 288 Mb/s.
Hiện tại, chưa có chuẩn 4G chính thức nào được thông qua Tuy nhiên, các công nghệ phát triển từ 3G sẽ là nền tảng cho ITU trong việc xây dựng chuẩn 4G Sự hỗ trợ từ các công ty di động toàn cầu và các tổ chức chuẩn hóa là rất quan trọng Ba công nghệ chủ chốt cho mạng di động tế bào, bao gồm LTE (Long-Term Evolution), UMB (Ultramobile Broadband) và WiMAX II (IEEE 802.16m), sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển chuẩn 4G Những công nghệ này được xem là tiền 4G và sẽ giúp ITU trong việc phát hành chuẩn 4G trong tương lai.
Hình 1-2 Định hướng phát triển công nghệ 4G
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá ba công nghệ được coi là nền tảng cho sự phát triển của chuẩn 4G trong tương lai Những công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng và cải thiện mạng di động, tạo điều kiện cho việc truyền tải dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả hơn.
Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động 3G UMTS 3GPP, bao gồm các tổ chức từ châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ, đã bắt đầu quá trình chuẩn hóa cho thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G, đó là LTE.
LTE được phát triển dựa trên công nghệ GSM, cho phép dễ dàng triển khai cho nhiều nhà cung cấp dịch vụ Khác với GSM, LTE áp dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), sử dụng phổ tần một cách linh hoạt với băng tần từ 1,25MHz đến 20MHz Tốc độ truyền dữ liệu lý thuyết tối đa của LTE có thể đạt 250Mb/s ở băng tần 20MHz So với các công nghệ tiền 4G như WiMAX II, LTE chỉ sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao cho hướng lên, trong khi hướng xuống áp dụng đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang, nhằm cải thiện hiệu quả điều khiển công suất và kéo dài thời gian sử dụng pin cho thiết bị đầu cuối.
Tổ chức 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) được thành lập bởi các tổ chức viễn thông từ Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc nhằm phát triển công nghệ thông tin di động 3G CDMA2000 Trong bối cảnh này, UMB đã được đề xuất phát triển, với Qualcomm, một thành viên chủ chốt của 3GPP2, dẫn đầu nỗ lực này, mặc dù công ty cũng tập trung vào việc phát triển công nghệ LTE.
HAI HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG 3G
1.2.1 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA
WCDMA là tiêu chuẩn 3G của IMT-2000, chủ yếu phát triển ở Châu Âu, nhằm cung cấp khả năng chuyển vùng toàn cầu và hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại, đa phương tiện Mạng WCDMA được xây dựng dựa trên hạ tầng mạng GSM hiện có, cho phép các nhà khai thác tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có Quá trình chuyển đổi từ GSM sang WCDMA diễn ra qua nhiều giai đoạn trung gian.
Hình 1-3 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA 1.2.1.1 GPRS
GPRS cung cấp kết nối dữ liệu chuyển mạch gói với tốc độ tối đa lên tới 171,2 Kbps, hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, từ đó nâng cao đáng kể các dịch vụ dữ liệu của GSM.
Quá trình tích hợp GPRS vào mạng GSM hiện nay trở nên đơn giản nhờ vào việc sử dụng các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu gói được lập lịch cho các trạm di động Mạng lõi GSM được mở rộng thông qua việc thêm các nút chuyển mạch số liệu Gateway mới, gọi là GGSN và SGSN GPRS là một giải pháp hoàn toàn chuẩn hóa với các giao diện mở rộng, có khả năng chuyển tiếp trực tiếp lên cấu trúc mạng 3G.
Hệ thống 2,5G tiếp theo của GSM là EDGE, sử dụng phương pháp điều chế 8PSK giúp tăng tốc độ của GSM lên gấp 3 lần EDGE lý tưởng cho sự phát triển của GSM vì chỉ cần nâng cấp phần mềm tại trạm gốc Khi EDGE kết hợp với GPRS, nó được gọi là EGPRS, với tốc độ tối đa đạt 384kbps khi sử dụng cả 8 khe thời gian.
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là công nghệ truy nhập vô tuyến phát triển mạnh tại Châu Âu, hoạt động theo chế độ FDD và TDD, sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) với tốc độ chip 3,84 Mcps trong băng tần 5 MHz Công nghệ này hỗ trợ cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ cao, cho phép hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với hiệu suất cao nhất Bên cạnh đó, WCDMA cũng có khả năng hỗ trợ nhiều tốc độ dữ liệu khác nhau thông qua quy trình điều chỉnh tốc độ.
1.2.2 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA 2000
Hệ thống CDMA 2000 bao gồm nhiều giai đoạn phát triển khác nhau nhằm hỗ trợ các dịch vụ gia tăng, với phương pháp đa sóng mang cho băng tần rộng 1,25MHz hoạt động theo chế độ FDD Tập trung vào chuẩn hóa giải pháp sóng mang đơn 1,25MHz (1x) với tốc độ chip tương tự như IS-95, CDMA 2000 đã được phát triển từ các mạng IS-95 của hệ thống thông tin di động 2G, minh họa cho sự tiến hóa của công nghệ này.
IS-95A IS-95B Cdma2000 1x Cdma2000 Mx
Hình 1-4 Quá trình phát triển lên 3G theo hướng CDMA 2000.
IS-95B hay CDMA One là công nghệ di động 2,5G thuộc phát triển CDMA 2000, nổi bật với khả năng cung cấp dịch vụ dữ liệu linh hoạt với tốc độ lên đến 115Kbps.
Giai đoạn đầu của CDMA2000, được gọi là 1xRTT hoặc 1xEV-DO, nhằm cải thiện dung lượng thoại của IS-95B và hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ đỉnh lên tới 307,2Kbps Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối thương mại của 1x chỉ cho phép tốc độ dữ liệu đỉnh đạt tối đa 153,6Kbps.
1.2.2.3CDMA 2000 1xEV-DO: 1xEV-DO đƣợc hình thành từ công nghệ HDR
High Data Rate (HDR) của Qualcomm đã được công nhận là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G vào tháng 8 năm 2001, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc phát triển giải pháp đơn sóng mang cho truyền số liệu gói riêng biệt.
Nguyên lý cơ bản của hệ thống 1xEV-DO là phân chia các dịch vụ thoại và dịch vụ số liệu tốc độ cao trên các sóng mang khác nhau Hệ thống này được xem như một mạng số liệu "xếp chồng", yêu cầu một sóng mang riêng biệt Để thực hiện các cuộc gọi đồng thời có thoại và số liệu, cần sử dụng các thiết bị hoạt động ở hai chế độ 1x và 1xEV-DO.
Công nghệ 1xEV-DO mang lại sự dƣ thừa tài nguyên do việc phân biệt cố định giữa tài nguyên thoại và dữ liệu CDG đã khởi động pha thứ ba của CDMA 2000 bằng cách tích hợp dịch vụ thoại và dữ liệu trên một sóng mang 1,25MHz, đồng thời duy trì tính tương thích ngược với 1xRTT Tốc độ dữ liệu tối đa đạt 3,1Mbps với kích thước gói dữ liệu 3.940 bit trong thời gian 1,25ms.
CDMA 2000 3x hay 3xRTT là công nghệ đa sóng mang đầu tiên trong cấu hình vô tuyến CDMA 2000, được gọi là MC-CDMA (Multi carrier-CDMA) trong IMT-MC thuộc IMT-2000 Công nghệ này sử dụng ba sóng mang 1x để tăng tốc độ dữ liệu, thiết kế cho dải tần 5MHz với ba kênh 1,25MHz Đặc biệt, lựa chọn đa sóng mang này chỉ áp dụng cho truyền dẫn đường xuống, trong khi đường lên sử dụng trải phổ trực tiếp với tốc độ chip 3,6864Mcps, thấp hơn một chút so với WCDMA.
MẠNG UMTS 3G VÀ ĐỊNH HƯỚNG CÔNG NGHỆ MẠNG VINAPHONE
Chuẩn 3GPP quy định sự phát triển công nghệ và cấu trúc mạng từ GSM 2G lên UMTS 3G thông qua công nghệ WCDMA, hướng tới một mạng "All IP" với các phiên bản 3GPP R99, R4, R5 và R6 Trong hơn 13 năm qua, Vinaphone đã đầu tư để trở thành mạng GSM 2,5G, đồng thời tham gia vào quá trình chuẩn hóa 3GPP Do đó, việc lựa chọn định hướng phát triển thông tin di động lên 3G theo tiêu chuẩn châu Âu do 3GPP khuyến nghị là hợp lý cho Vinaphone.
- Chuẩn ETSI cho thông tin di động GSM đồng nhất cho các nước châu Âu đã có thể sử dụng để toàn cầu hóa thông tin mobile định hướng 3G;
- Mạng VINAPHONE đang theo chuẩn GSM/ETSI – châu Âu đó là GSM 900/1800.
UMTS kế thừa nhiều chức năng từ GSM hiện tại, giúp Vinaphone tận dụng hiệu quả các thiết bị có sẵn trên mạng, mang lại nhiều lợi ích lớn.
1.3.2 Nội dung chủ yếu các phiên bản tiêu chuẩn 3GPP
ETSI là tổ chức tiêu chuẩn thông tin di động GSM trong những năm 19 80 và
1990 ETSI còn xây dựng cấu trúc chuẩn hóa mạng GPRS Chuẩn cuối cùng ETSI xây dựng năm 1998.
3GPP, được thành lập vào năm 1998, là tổ chức hợp tác giữa các tổ chức tiêu chuẩn hóa từ châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ và Trung Quốc Mục tiêu của tổ chức này là chuẩn hóa hệ thống thông tin di động 3G theo định hướng toàn cầu.
- Phần truy nhập vô tuyến sử dụng WCDMA và TD-CDMA;
Phần core của mạng di động 3G phát triển từ GSM và kế thừa các tiêu chuẩn ETSI được xây dựng bởi SMG Đến năm 2001, sau khi hoàn thành phiên bản 3GPP R99, tổ chức 3GPP đã chia thành hai nhánh khác nhau.
- 3GPP: xây dựng các tiêu chuẩn phát triển mạng core, dịch vụ, cấu trúc hệ thống, truy cập radio WCDMA và TD-CDMA;
- ETSI SMG: phát triển truy nhập radio GSM và EDGE.
3GPP đã phát triển các bộ tiêu chuẩn viễn thông dựa trên năm, bắt đầu với phiên bản đầu tiên là 3GPP Release 99 (3GPP R99) Đến nay, 3GPP đã cho ra mắt 04 phiên bản tiêu chuẩn, được các nhà khai thác trên toàn cầu áp dụng.
- 3GPP release 99 (3GPP R99): chính thức đƣợc áp dụng từ tháng 3/2001;
- 3GPP release 4 (3GPP R4): chính thức đƣợc áp dụng từ tháng 9/2002;
- 3GPP release 5 (3GPP R5): tháng 12/2003 đang đƣợc áp dụng;
- 3GPP release 6 (3GPP R6): bổ sung những điểm thiếu trong IMS 3GPP R5 và đƣa thêm vào một số features mới; tiến tới một mạng truyền tải “All IP”.
Nội dung cơ bản từng phiên bản 3GPP qui định nhƣ sau:
1.3.2.1 3GPP R99 a) Những yêu cầu chính
Tập trung vào sự đang hiện diện của mạng GSM, có 02 yêu cầu đặt ra là:
- Mạng UMTS phải tương thích với mạng GSM đang tồn tại;
- Hai mạng UMTS và GSM phải có khả năng làm việc tương tác.
Truy nhập vô tuyến WCDMA là điểm mấu chốt nhất mà 3GPP R99 giải quyết. Thêm vào đó, UTRAN cũng đƣợc đƣa ra với giao diện Iu.
So sánh với các giao diện A và Gb trong GSM, 3GPP R99 đạt đƣợc hai điểm cơ bản:
- Transcoding cho speech trên Iu đƣợc core đảm nhiệm thay cho BTS trong GSM;
- Mã hóa số liệu di động ở mức cell trên giao diện Iu đƣợc RNC đảm nhận thay cho SGSN đối với GPRS.
Mạng 3G R99 là hệ thống mạng dựa trên công nghệ GSM, bao gồm hai mạng truy cập cung cấp lưu lượng với tốc độ khác nhau cho cả miền core CS và PS Cấu hình kỹ thuật của mạng này cho phép tối ưu hóa hiệu suất và khả năng truyền tải dữ liệu.
3GPP đã phát triển phương pháp truy cập vô tuyến mới mang tên WCDMA Do thiết bị WCDMA không tương thích với thiết bị GSM, nên cần bổ sung hệ thống thiết bị mới, bao gồm RNC và Node-B Phần mạng vô tuyến của WCDMA được gọi là UTRAN.
Một yêu cầu chính cho UMTS là hoạt động tương tác GSM/UMTS.Ví dụ
„handover‟ từ GERAN sang UTRAN và ngƣợc lại Yêu cầu này đƣợc thực hiện bởi:
Hướng downlink trong giao diện air GSM đã được phát triển để quảng bá thông tin về sóng WCDMA Đồng thời, downlink của radio WCDMA cũng có chức năng quảng bá thông tin liên quan đến sóng GSM.
- Thứ hai: nhằm giảm thiểu đầu tƣ, các chuẩn 3GPP yêu cầu 2G MSC/VLR GSM phải làm việc đƣợc với UTRAN.
Hình 1.5 Cấu trúc mạng 3G theo tiêu chuẩn 3GPP R99 Các điểm quan trọng của phần Core trong 3GPP R99, gồm:
- Các node core trong miền CS nhƣ MSC/VLR và HLR/AuC/EIR phải thay đổi vì phải sử lý đồng thời cả thuê bao 2G và 3G.
Trong miền PS, tên và số lượng các node mạng GPRS tương tự như trong 2G, nhưng chức năng của SGSN đã thay đổi đáng kể Trong 2G, SGSN đảm nhiệm quản lý di động (MM) cho kết nối mạch gói số liệu, trong khi ở 3G, chức năng MM được chia sẻ giữa RNC và SGSN Điều này có nghĩa là miền PS không còn quản lý sự thay đổi cell của thuê bao trong UTRAN, mà trách nhiệm này thuộc về RNC.
1.3.2.2 3GPP R4 a) Những yêu cầu chính
Chưa có IMS, chỉ định các thay đổi trong miền CS core UMTS, tách biệt luồng dữ liệu người dùng khỏi các cơ chế điều khiển và một số khía cạnh khác.
- Chức năng điều khiển sử dụng MSC Server Chức năng chuyển mạch dữ liệu người sử dụng dùng MGW;
- IP transport cho các giao thức mạng core;
- IP hóa cho giao diện Gb miền PS; b) Cấu hình kỹ thuật
Trong tiêu chuẩn GSM truyền thống, MSC miền CS được 3GPP R4 tách biệt thành hai chức năng chính: MSC Server đảm nhiệm vai trò điều khiển, trong khi MGW (Media Gateway) thực hiện chức năng nối mạch và vận chuyển lưu lượng.
- MSC Server và MGW có quan hệ “một-nhiều”.Một MSC Server có thể điều khiển nhiều MGW.
- Về cơ bản 3GPP R4 không cung cấp, cải thiện thêm dịch vụ.
Cấu trúc 3GPP R4 đã tích hợp IP vào hệ thống Core CS, với sự hình thành của softswitch từ MSC Server và MGW, tạo điều kiện cho việc chuyển sang mô hình "transport All IP" Điều này giúp giảm chi phí truyền dẫn, phân lớp cấu trúc chức năng, và thúc đẩy phát triển dịch vụ độc lập với hạ tầng mạng.
Hình 1.6 Cấu trúc mạng 3G theo tiêu chuẩn 3GPP R4 Điểm quan trọng nhất trong 3G R4 là:
3G R4 đánh dấu bước chuyển đổi toàn diện sang công nghệ IP trong lĩnh vực viễn thông, với việc truyền tải và chuyển mạch đều sử dụng IP/ATM Sự xuất hiện của công nghệ SOFTSWITCH nhằm mục đích tách biệt các chức năng của MSC cổ điển, tạo điều kiện cho việc tối ưu hóa và nâng cao hiệu suất hệ thống.
+ MSC-Server là phần tử điều khiển, nối IP giao thức MEGACO đến
Media Gateway là một thành phần quan trọng trong hệ thống chuyển mạch dịch vụ người dùng, cho phép chuyển đổi giữa các dịch vụ truyền thống trên miền chuyển mạch kênh CS và công nghệ chuyển mạch IP/ATM.
1.3.2.3 3GPP R5 a) Những yêu cầu chính
Đưa IMS vào mạng UMTS cung cấp cơ chế và tổ chức đa phương tiện, trong đó IP và các giao thức trên IP đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển Dữ liệu người dùng chủ yếu dựa trên IP, và IP cũng được sử dụng như một giao thức truyền thay thế cho SS7, một giao thức chính trong dịch vụ chuyển mạch kênh.
CÔNG NGHỆ HSDPA
KHÁI NIỆM CÔNG NGHỆ HSDPA
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) là công nghệ 3G tiên tiến cho phép mạng UMTS truyền tải dữ liệu với tốc độ cao, đạt tới 1.8, 3.6, 7.2 và 14.4 Mbit/giây Trong tương lai, tốc độ này có thể được nâng cấp lên 42 Mbit/giây thông qua Evolved HSDPA Với những lợi ích vượt trội, HSDPA đang thu hút sự chú ý và đầu tư từ nhiều nhà cung cấp dịch vụ.
HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) là sản phẩm chính của Release 5 trong 3GPP, được thiết kế nhằm nâng cao công suất truyền dẫn dữ liệu downlink trong hệ thống 3G Việc này trở nên cần thiết do tốc độ downlink tối đa trong Release 99 quá thấp cho các ứng dụng đa phương tiện, khiến mỗi tế bào chỉ có thể phục vụ một số lượng người dùng hạn chế Đề án HSDPA cung cấp băng thông rộng downlink chia sẻ kênh, tối ưu cho truyền dữ liệu tốc độ cao, có thể sử dụng sóng mang downlink hiện có hoặc các phổ tần số mới Mặc dù HSDPA chỉ cải thiện thông qua downlink, điều này được thực hiện có chủ ý để tăng dung lượng và khả năng cần thiết cho hệ thống, và nó được chỉ định cho cả hệ thống FDD và TDD.
ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HSDPA
HSDPA là một công nghệ truyền tải dữ liệu mới, thuộc dòng 3.5G, cho phép tốc độ download trên điện thoại đạt mức tương đương với ADSL Công nghệ này vượt qua những hạn chế về tốc độ kết nối của điện thoại thông thường, mang lại giải pháp đột phá trong lĩnh vực công nghệ thông tin HSDPA được phát triển dựa trên hệ thống 3G W-CDMA.
HSDPA cung cấp tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh gấp 5 lần so với công nghệ W-CDMA, với khả năng lý thuyết đạt tới 8-10 Mbps Mặc dù có khả năng truyền tải nhiều loại dữ liệu, HSDPA chủ yếu được thiết kế để tối ưu hóa việc truyền tải video và nhạc.
2.2.1 Truyền dẫn kênh chia sẻ
Tài nguyên chung trong ô tế bào gồm các bộ mã kênh và công suất phát, trong đó khái niệm HSDPA được giới thiệu với các kênh vật lý bổ sung Hai kênh quan trọng là HS-PDSCH (Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao) và HS-DPCCH (Kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao), giúp nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Trong kênh này, thời gian và mã hoá được chia sẻ giữa những người sử dụng liên kết với Node-B Cấu trúc này hỗ trợ truyền tải cho các kênh logic, bao gồm Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH (HS-Downlink Shared Channel) và Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH (HS-Shared Control Channel).
Tài nguyên mã hoá HS-DSCH bao gồm một hoặc nhiều bộ mã định hướng với hệ số phân bố cố định SF 16, trong đó 15 bộ mã chủ yếu được phân bổ cho các yêu cầu truyền dẫn dữ liệu và điều khiển Các tài nguyên mã hoá này có thể được chia sẻ trong miền thời gian, và cũng có khả năng chia sẻ qua mã hoá đa thành phần Khi cả thời gian và bộ mã được chia sẻ, từ hai đến bốn người sử dụng có thể đồng thời sử dụng tài nguyên mã hoá trong cùng một TTI.
Kênh đường lên được sử dụng để gửi tín hiệu báo nhận (ACK) đến Node-B cho mỗi khối (block) Ngoài ra, kênh này còn chỉ thị Chất lượng kênh (CQI), một yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh mã hóa và điều chế thích nghi (AMC).
Hình2.2 : Cơ cấu truyền dẫn HS-DSCH
2.2.2 Mã hoá và điều chế thích nghi AMC:
Hiện nay, việc điều khiển công suất nhanh trong mạng WCDMA là cần thiết để thích ứng với các kết nối vô tuyến Quá trình này được thực hiện trong từng khe (slot) của mạng WCDMA Sự thích ứng này là quan trọng do tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của tín hiệu thu tại thiết bị người sử dụng (UE) thay đổi theo thời gian, ảnh hưởng đến chất lượng kết nối.
Để loại bỏ ảnh hưởng của fading và nâng cao hiệu suất hệ thống cũng như tốc độ dữ liệu tối đa, tín hiệu truyền dẫn đến thiết bị người dùng (UE) được điều chỉnh theo sự biến đổi của tín hiệu trong suốt quá trình xử lý, một phương pháp được gọi là thích ứng kết nối.
Trong HSDPA, công suất phát được duy trì ổn định trên TTI, sử dụng cơ chế mã hóa và điều chế thích ứng AMC để tối ưu hóa hiệu quả phổ Hệ thống này áp dụng điều chế bậc cao như 16QAM bên cạnh QPSK, với khả năng điều chỉnh theo điều kiện kênh vô tuyến QPSK hỗ trợ 2 bit/symbol, trong khi 16QAM hỗ trợ 4 bit/symbol, cho phép tốc độ tối đa gấp đôi so với QPSK và sử dụng băng thông hiệu quả hơn Tỷ lệ mã được sử dụng đa dạng, bao gồm 1/4, 1/2, 5/8 và 3/4 Node-B nhận báo cáo chỉ thị chất lượng CQI và kết quả đo công suất từ kênh kết hợp để quyết định tốc độ truyền dữ liệu Người dùng gần Node-B thường được gán mức điều chế cao hơn và tỷ lệ mã cao hơn, trong khi cả hai giảm khi khoảng cách giữa UE và Node-B tăng lên.
Anh Điều chế Tỉ lệ mã Thông lƣợng Thông lƣợng Thông lƣợng với 5 mã với 10 mã với 15 mã
Bảng 1 Dung lượng ứng với các phương thức điều chế khác nhau
2.2.3 Trình tự nhanh và hợp lý tại Node B
Trong mạng WCDMA, trình tự các gói được thực hiện tại Kết nối mạng vô tuyến RNC, trong khi HSDPA chuyển trình tự gói đến Node-B Điều này cho phép các quyết định về trình tự gói diễn ra gần như ngay lập tức Với độ dài TTI ngắn hơn 2 ms, trình tự này được thực hiện rất nhanh chóng cho mỗi TTI.
Để thiết lập một trình tự hợp lý, phương pháp lược đồ quay vòng (Round-Robin) có thể được áp dụng, cho phép mỗi người sử dụng nhận được thời gian sử dụng như nhau Tuy nhiên, với yêu cầu về tốc độ sắp xếp trình tự gói và khả năng của AMC, một trình tự gói phổ biến khác là trình tự gói hợp lý cân đối Trong phương pháp này, thứ tự phục vụ được xác định dựa trên mức độ đáp ứng ngay lập tức của chất lượng kênh liên quan Do đó, sự lựa chọn phục vụ phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể, đảm bảo mỗi người sử dụng nhận được khoảng thời gian phân phối tương đương, tùy thuộc vào điều kiện kênh truyền dẫn.
Hình 3.3: Trình tự nhanh và hợp lý
2.2.4 Lựa chọn vị trí tế bào nhanh FCSS :
Trung bình, từ 20-30% các trạm di động MS thực hiện chuyển giao mềm hoặc khá mềm, với chuyển giao mềm xảy ra giữa hai Node-B và chuyển giao mềm dẻo hơn giữa các sector của Node-B Hệ thống FCSS cho phép một UE lựa chọn Node-B có đặc tính truyền dẫn tốt nhất hiện tại, mang lại lợi thế về tốc độ dữ liệu cao hơn trong phần lớn thời gian.
2.2.5 Khoảng thời gian truyền dẫn ngắn TTI
Trong HSDPA, HS-DSCH sử dụng TTI dưới 2ms, giảm thời gian đi vòng và tăng tốc độ xử lý Điều này cải thiện khả năng hiệu chỉnh bám theo thời gian với các kênh vô tuyến biến đổi Độ dài khung được điều chỉnh dựa trên lưu lượng và số lượng người dùng hỗ trợ, với giá trị tiêu biểu là 2ms.
2.2.6 Yêu cầu lặp lại tự động hỗn hợp nhanh H-ARQ
Giao thức H-ARQ cho HSDPA sử dụng phương pháp dừng và đợi SAW (Stop And Wait), trong đó bên phát gửi một khối TTI (3 slot) và chờ nhận xác nhận ACK hoặc N-ACK từ UE Để tối ưu hóa thời gian chờ xác nhận, có thể thiết lập các quá trình xử lý song song N SAW-ARQ cho UE, cho phép các quá trình khác nhau phát đi trong các TTI độc lập Giá trị N được báo hiệu bằng 3 bit, cho phép tối đa N là 8.
UE yêu cầu bên phát gửi lại dữ liệu lỗi càng sớm càng tốt Khi UE nhận dữ liệu lần thứ hai, nó sẽ kết hợp thông tin từ lần phát đầu tiên và lần phát thứ hai trước khi tiến hành giải mã các thông báo.
ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ CỦA HSDPA
Kể từ khi chính thức hoạt động vào năm 2005, đến cuối năm 2006, đã có 19 nhà cung cấp giới thiệu 66 sản phẩm ứng dụng công nghệ HSDPA, trong đó có 32 sản phẩm điện thoại di động.
HSDPA là một công nghệ đột phá đang được phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở các nước phát triển, nơi có lượng khách hàng lớn sử dụng điện thoại di động chất lượng cao Thị trường HSDPA phát triển nhanh chóng trong giai đoạn khởi đầu nhờ vào nhu cầu cao từ người tiêu dùng Tuy nhiên, giá thành của điện thoại HSDPA thường cao hơn so với các mẫu điện thoại thông thường, khiến chúng chủ yếu được nhắm đến thị trường các nước phát triển.
Dự báo nhu cầu sử dụng điện thoại HSDPA sẽ đạt 2100 sản phẩm vào cuối năm 2008, với ước tính lên tới 100 triệu chiếc trong năm nay, theo phân tích của IDC Hơn nữa, Strategic Analytics cho biết 70% điện thoại 3G sẽ sử dụng công nghệ HSDPA.
Mặc dù HSDPA hứa hẹn nhiều tiềm năng, nhưng việc phổ biến công nghệ này sẽ cần thời gian Tính đến cuối năm 2005, nhiều quốc gia vẫn chưa có mạng 3G, và nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động đang nỗ lực triển khai mạng 3G, với khả năng nâng cấp lên mạng 3.5G để đáp ứng nhu cầu thị trường.
Tương lai và sự thành công của công nghệ HSDPA vẫn chưa rõ ràng, bởi nó không phải là công nghệ tải dữ liệu duy nhất hiện có Các công nghệ truyền thống như CDMA2000 1xEV-DO và WiMax đang cho thấy nhiều triển vọng hơn Là phiên bản nâng cấp của W-CDMA, HSDPA có thể gặp khó khăn trong việc thành công tại những khu vực đã phát triển W-CDMA Do đó, thành công của HSDPA như một sản phẩm công nghệ 3.5G sẽ phụ thuộc lớn vào sự phát triển của W-CDMA, sản phẩm của công nghệ 3G.
Công nghệ HSDPA, một bước tiến quan trọng trong hệ thống thông tin di động 3G, đang được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam, đặc biệt trong việc triển khai mạng 3G Mặc dù được xem là công nghệ chuẩn 3.5G, HSDPA vẫn phụ thuộc nhiều vào WCDMA, nền tảng của nó Tuy nhiên, HSDPA mang lại giải pháp công nghệ mạnh mẽ và hấp dẫn cho việc xây dựng và phát triển mạng 3G, đáp ứng yêu cầu cao về tốc độ hỗ trợ của mạng.
CẤU TRÚC HỆ THỐNG UMTS
CẤU TRÚC MẠNG WCDMA
Cấu trúc mạng 3G WCDMA có thể đƣợc mô hình hóa theo nhiều cách khác nhau Ở đây sẽ giới thiệu một số cấu trúc mạng cơ bản bao gồm:
- Cấu trúc quản lý tài nguyên.
- Cấu trúc dịch vụ mạng UMTS.
Theo quan điểm này, mạng được chia thành các hệ thống con dựa trên cấu trúc thủ tục, lưu lượng và các phần tử vật lý Mạng 3G bao gồm hai khối chức năng chính: khối chức năng chuyển mạch gói (PS) và khối chức năng chuyển mạch kênh (CS) Các giao diện đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp giữa các khối chức năng Mô hình mạng 3G được phân chia thành hai tầng dựa trên cấu trúc thủ tục và nhiệm vụ: tầng truy cập và tầng không truy cập.
- Tầng truy cập bao gồm các thủ tục xử lý giao tiếp giữa thiết bị người sử dụng (UE) với mạng truy cập.
- Tầng không truy cập chứa các thủ tục xử lý giao tiếp giữa UE với mạng lõi (khối chức năng CS/PS) tương ứng.
Mạng thường trú lưu trữ thông tin đăng ký và bảo mật, trong khi mạng phục vụ là thành phần quan trọng của mạng lõi Mạng truyền tải đóng vai trò kết nối thông tin giữa mạng phục vụ và các mạng bên ngoài, đảm bảo sự liên lạc hiệu quả.
USIM Thiết bị M ạng di động truy cập Tầng truy cập
Mạng truyền phục vụ dẫn
M iền thiết bị người sử dụng M iền cấu trúc mạng
Hình 3.7 Mô hình khái niệm mạng WCDMA.
Hệ thống WCDMA được phát triển dựa trên mạng GPRS, với cấu trúc mạng chia thành hai phần chính: mạng lõi (CN) và mạng truy cập vô tuyến (UTRAN) Mạng lõi sử dụng toàn bộ phần cứng của mạng GPRS, trong khi mạng truy cập vô tuyến là phần nâng cấp của WCDMA Để hoàn thiện hệ thống, WCDMA còn bao gồm thiết bị người sử dụng (UE) để thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống.
Hình 3-8 Mô hình cấu trúc hệ thống UMTS.
WCDMA là công nghệ giao diện vô tuyến tiên tiến trong thông tin di động, đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng và kiến trúc mạng tế bào cho hầu hết các mạng 3G toàn cầu Công nghệ này tạo ra kết nối hiệu quả giữa thiết bị di động của người dùng và mạng lõi.
Từ hình 3-9 dưới đây ta thấy mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA gồm hai phần mạng: mạng lõi và mạng truy cập vô tuyến.
PSTN/ISDN PLMN AuC PDN
M ạng lõi Iu c s Iu ps
M ạng truy cập vô tuyến
Hình 3.9 Sơ đồ khối tổng quát của mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA.
Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống UE gồm hai phần:
- Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến đƣợc sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, có chức năng thực hiện các thuật toán xác thực, lưu trữ khóa nhận thực và thông tin cần thiết cho đầu cuối.
UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy cập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy cập vô tuyến.UTRAN gồm hai phần tử :
- Nút B:Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu.Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều phối các tài nguyên vô tuyến trong khu vực mà nó phụ trách, kết nối với các nút B Đồng thời, RNC cũng là điểm truy cập chính cho tất cả các dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
Các phần tử chính của mạng lõi như sau:
HLR (Home Location Register) là cơ sở dữ liệu quan trọng lưu trữ thông tin về lý lịch dịch vụ của người dùng Nó bao gồm thông tin về các dịch vụ được phép, các khu vực không được chuyển mạng, cũng như các dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi và số lần chuyển hướng cuộc gọi.
MSC/VLR (Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động/Đăng ký vị trí người dùng) là hệ thống tổng đài và cơ sở dữ liệu cung cấp dịch vụ chuyển mạch kênh cho thiết bị người dùng (UE) MSC thực hiện các giao dịch chuyển mạch kênh, trong khi VLR lưu giữ thông tin về lý lịch người sử dụng và vị trí chính xác của UE trong mạng phục vụ.
- GMSC (Gateway MSC): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng kết nối với mạng ngoài.
SGSN (Servicing GPRS Support Node) là nút hỗ trợ cho dịch vụ GPRS (dịch vụ vô tuyến gói chung), có vai trò tương tự như MSC/VLR nhưng chuyên dùng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
GGSN (Gateway GPRS Support Node) là một nút hỗ trợ GPRS, hoạt động tương tự như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói Để kết nối MSC với mạng bên ngoài, cần có thêm phần tử tương tác mạng (IWF) Ngoài ra, mạng lõi còn bao gồm các cơ sở dữ liệu thiết yếu cho mạng di động như HLR, AuC và EIR.
- Mạng CS: Mạng đảm bảo các kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
Ví dụ: Mạng ISDN, PSTN.
- Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói Ví dụ: mạng Internet.
Các giao diện vô tuyến.
- Giao diện Cu: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.
Giao diện Uu là giao diện quan trọng nhất của UMTS, cho phép UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống, đảm bảo tính mở và linh hoạt trong việc kết nối và truyền tải dữ liệu.
Giao diện Iu kết nối UTRAN với CN, cho phép các nhà khai thác tùy chọn trang bị UTRAN và CN từ nhiều nhà sản xuất khác nhau.
- Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau.
- Giao diện Iub: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC.Iub đƣợc tiêu chuẩn hóa nhƣ là một giao diện mở hoàn toàn.
3.1.3 Cấu trúc quản lý tài nguyên
Cấu trúc quản lý tài nguyên dựa trên cơ sở phân chia các chức năng quản lý chủ yếu sau:
- Quản lý kết nối (CM): bao gồm tất cả các thủ tục, các chức năng liên quan đến việc quản lý kết nối của người sử dụng.
Quản lý di động (MM) bao gồm tất cả các chức năng và quy trình quản lý cũng như bảo mật, như các thủ tục bảo mật kết nối và cập nhật vị trí.
Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) là quá trình quan trọng trong việc điều phối và tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến, bao gồm các thủ tục như điều khiển công suất, chuyển giao và điều khiển tải hệ thống Việc quản lý hiệu quả các tài nguyên này đảm bảo thông tin được truyền tải một cách ổn định và hiệu quả.
CM CM Điều khiển di động Điều khiển di động
MM MM MM Điều khiển tài nguyên vô tuyến
Giao diện mở Uu Giao diện mở Iu
Hình 3-10 Cấu trúc quản lý tài nguyên.
Các chức năng điều khiển đƣợc kết hợp với nhóm các dịch vụ điều khiển sau:
- Điều khiển thông tin (COMC):duy trì các cơ chế nhƣ điều khiển cuộc gọi, điều khiển phiên trong chuyển mạch gói.
- Điều khiển di động (MOBC):duy trì điều khiển cập nhật vị trí và bảo mật.
- Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC):thực hiện chức năng quản lý thiết lập kết nối vô tuyến và duy trì kết nối giữa UE với UTRAN.
3.1.4 Cấu trúc dịch vụ UMTS:
Hệ thống 3G được phát triển với mục tiêu cung cấp dịch vụ phong phú hơn so với mạng di động truyền thống Mô hình mạng 3G tập trung vào việc nâng cao trải nghiệm người dùng thông qua các dịch vụ đa dạng và hiệu quả.
Quản LỚP TẠO DỊCH VỤ lý LỚP PHẦN TỬ MẠNG mạng LỚP TRUYỀN TẢI VẬT LÝ
Hình 3-11 Cấu trúc dịch vụ.
CẤU TRÚC MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN UTRAN
UTRAN có nhiệm vụ chính là tạo và duy trì các kênh mang truy cập vô tuyến (RAB) để đảm bảo thông tin giữa thiết bị di động (UE) và mạng lõi (CN) Nó nằm giữa hai giao diện mở Uu và Iu, phối hợp với mạng lõi để cung cấp các dịch vụ mạng qua các giao diện này.
UTRAN bao gồm nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network
Mỗi RNS bao gồm nhiều trạm gốc (node B), giao diện Uu và một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC RNC kết nối với node B thông qua giao diện Iub, trong khi các RNS giao tiếp với nhau qua giao diện mở Iur, mang theo thông tin báo hiệu và lưu lượng.
Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN, các chức năng và giao thức UTRAN có các đặc tính chính sau:
- Hỗ trợ các chức năng truy cập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của WCDMA.
Đảm bảo tính đồng nhất trong việc xử lý dữ liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói là rất quan trọng để kết nối UTRAN với cả hai vùng PS và CS của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
3.2.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC)
RNC là phần tử mạng quan trọng trong UTRAN, có nhiệm vụ điều khiển tài nguyên vô tuyến Nó kết nối với CN, thường là một MSC và một SGSN, qua giao diện Iu RNC cũng quản lý node B, đảm bảo kiểm soát tải và ngăn ngừa tình trạng tắc nghẽn cho các cell mà nó phụ trách.
Khi một kết nối MS-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt:
RNC phục vụ (Serving RNC) có nhiệm vụ xử lý dữ liệu được truyền từ lớp kết nối số liệu đến các tài nguyên vô tuyến SRNC và CRNC của một node B cụ thể.
MS sử dụng để kết nối với UTRAN.
RNC trôi (Drift RNC) là một loại RNC khác với SRNC, có vai trò quan trọng trong việc điều khiển các cell mà MS sử dụng Khi cần thiết, DRNC có khả năng thực hiện kết hợp và phân chia trong phân tập vĩ mô Tuy nhiên, DRNC không tham gia vào việc xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu, mà chỉ thực hiện việc định tuyến dữ liệu giữa các giao diện Iub và Iur Một UE có thể không có DRNC hoặc có một hoặc nhiều DRNC cùng lúc.
Node B có chức năng chính là xử lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến, bao gồm mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ và trải phổ Ngoài ra, nó còn đảm nhiệm việc quản lý tài nguyên vô tuyến, đặc biệt là điều khiển công suất vòng trong Chức năng của Node B tương tự như trạm gốc trong hệ thống GSM.
3.2.3 Các chức năng điều khi ển của UTRAN Để có thể điều khiển và quản lý các kênh mang vô tuyến (RB),UTRAN thực hiện các chức năng khác ngoài chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến RRM.Các chức năng đó bao gồm:
- Phát quảng bá thông tin hệ thống.
- Thiết lập các kênh mang báo hiệu và truy cập ngẫu nhiên.
- Quản lý kênh mang vô tuyến (RB).
- Các chức năng an toàn trong mạng UTRAN.
- Quản lý di động lớp UTRAN.
- Xử lý cơ sở dữ liệu.
CẤU TRÚC MẠNG LÕI THEO TIÊU CHUẨN 3GPP R99
3GPP R99 là tiêu chuẩn UMTS đầu tiên, cung cấp hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng với mạng lõi được nâng cấp từ GSM Mạng lõi sử dụng hạ tầng GSM và mở rộng GPRS cho các dịch vụ gói, được chia thành hai khối chức năng chính: khối chuyển mạch kênh CS và khối chuyển mạch gói PS.
Khối chức năng chuyển mạch kênh (CN CS) gồm hai phần tử mạng cơ bản:
- Trung tâm chuyển mạch di động (MSC/VLR).
- Trung tâm chuyển mạch di động cổng (GMSC).
MSC/VLR đảm nhiệm vai trò quản lý kết nối chuyển mạch kênh và di động, bao gồm việc cập nhật vị trí, tìm kiếm cuộc gọi và các chức năng bảo mật Điểm khác biệt của nó so với hệ thống GSM truyền thống là sự tích hợp các bộ chuyển mã.
GMSC chịu trách nhiệm kết nối với các mạng bên ngoài và thiết lập đường truyền đến các MSC/VLR đang phục vụ, nơi có thể xác định vị trí thuê bao cần tìm.
Hình 3-13 Cấu trúc mạng lõi theo tiêu chuẩn 3GPP R99 . Khối chức năng chuyển mạch gói (CN PS) gồm hai phần tử mạng cơ bản:
- Nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN).
- Nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN).
SGSN đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ thông tin chuyển mạch gói đến mạng truy cập vô tuyến Chức năng chính của SGSN bao gồm quản lý di động, cập nhật khu vực định tuyến, đăng ký vị trí, tìm kiếm cuộc gọi và điều khiển các cơ chế bảo mật trong quá trình chuyển mạch gói.
GGSN duy trì kết nối tới các mạng chuyển mạch gói khác nhƣ mạng Internet,thực hiện quản lý phiên.
Khối thanh ghi chứa thông tin địa chỉ và nhận thực cho cả CS và PS bao gồm:
-Thanh ghi thường trú (HLR): chứa các dữ liệu cố định về thuê bao.
-Trung tâm nhận thực (AuC): là cơ sở dữ liệu tạo ra các vectơ nhận thực.
-Thanh ghi chỉ thị thiết bị (EIR): duy trì các thông tin chỉ thị liên quan đến phần cứng của UE.
Ngoài các thanh ghi trong khối thanh ghi, còn có thanh ghi tạm trú (VLR), là một phần quan trọng trong chức năng của MSC VLR hỗ trợ các quy trình như cập nhật vị trí, tìm gọi và đảm bảo các hoạt động bảo mật.
CẤU TRÚC PHÂN LỚP CỦA WCDMA
Hình 3-14 Cấu trúc phân lớp của mạng WCDMA.
Cấu trúc phân lớp của WCDMA đƣợc xây dựng trên cơ sở các tiêu chuẩn của UMTS.
Các giao thức trong mạng WCDMA được phân chia thành hai phần chính: tầng không truy nhập và tầng truy nhập Giao diện vô tuyến được chia thành ba lớp giao thức.
- Lớp kết nối số liệu (L2).
Kênh mang vô tuyến báo hiệu handset
T ránh lặp Điều khiển RRC Điều khiển tài nguyên VT Đi ều kh iển Đi ều kh iển Đi ều kh iển Đi ều kh iển
Kênh lôgic Kênh truy ền tải
T hông tin mặt phẳng U GC: Điều khiển chung
Nt: Thông báo DC: Điều khiển riêng
(Giao thức hội tụ số liệu gói)
(Điều khiển quảng bá/ đa phương) (điều khiển đoạn VT) Các kênh lôgic Các kênh truyền tải
Hình 3-15 Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến.
Lớp 2 đƣợc chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: điều khiển truy cập môi trường) và RLC (Radio Link Control: điều khiển kết nối vô tuyến), PDCP (Packet Data Convergence Protocol: giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC (Broadcast/Multicast Control: điều khiển quảng bá/đa phương).
Lớp 3 và RLC được chia thành hai phần: phần điều khiển (C) và phần người sử dụng (U).PDCP và BMC chỉ có ở phần U.
Các thủ tục giao diện vô tuyến trong mạng UTRA đảm nhận nhiệm vụ thiết lập, duy trì và giải phóng kết nối vô tuyến Chúng thực hiện các chức năng tương ứng với các lớp 1-3 trong mô hình OSI.
Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC là lớp cao nhất trong mạng, đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các lớp và phân lớp thông qua các điểm truy cập dịch vụ (SAP) Các kênh truyền dẫn được truyền qua SAP giữa lớp vật lý và phân lớp điều khiển truy cập trung gian (MAC), cho phép giao tiếp hiệu quả giữa lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu (L2) Trong khi đó, các kênh lôgic thực hiện giao tiếp trong L2 giữa các phân lớp MAC và RLC, và các kênh vật lý được truyền bên trong lớp vật lý.
Hệ thống truy nhập vô tuyến UMTS 3G sử dụng công nghệ WCDMA đã được chuẩn hóa và phổ biến toàn cầu Kiến trúc của hệ thống truy nhập vô tuyến 3G (UTRAN) bao gồm nhiều phân hệ mạng vô tuyến (RNS), trong đó mỗi RNS là một mạng con của UTRAN, bao gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và một hoặc nhiều Node-B.
Chương này khám phá cấu trúc mạng của hệ thống UMTS, phù hợp với các điều kiện nghiên cứu cụ thể Qua đó, chúng ta nhận thấy sự tương đồng giữa UMTS và các hệ thống GSM, đặc biệt là GPRS Điều này cho thấy sự phát triển từ mạng GSM, như VinaPhone, đến hệ thống 3G UMTS có sự kế thừa nhất định.