NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3g WCDMA và PHÁT TRIỂN lên THẾ hệ 3,5g HSPA

Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hai côngnghệ trên nên em đã thực hiện đồ án: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THÔNGTIN DI ĐỘNG 3G WCDMA VÀ PHÁT TRIỂN LÊN THẾ HỆ 3,5G HSPA” Nội dung đồ án được trình

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940 Ngày nay thông tin diđộng là ngành viễn thông có sự phát triển nhanh nhất Bắt đầu là hệ thống thôngtin di động tương tự, đến nay khi các hệ thống di động thế hệ thứ ba được đưa vàohoạt động và ứng dụng rộng rãi, có thể cung cấp được nhiều dịch vụ băng rộng vàcác dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao

Tổ chức ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thứ

ba với tên gọi là IMT-2000 nhằm đáp ứng các mục tiêu chính như:

 Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như các dịch vụ

đa phương tiện và truy nhập Internet nhanh

 Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu vàđiện thoại vệ tinh

 Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sựphát triển liên tục của thông tin di động

Có nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba IMT-2000

đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thống là WCDMA UMTS và cdma-2000 đãđược ITU chấp thuận và sẽ được đưa vào hoạt động trong những năm 2000.WCDMA UMTS sẽ là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136

Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down LinkPacket Access) được 3GPP chuẩn hóa trong phát hành R5 với phiên bản tiêu chuẩnđầu tiên vào năm 2002 Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA: High Speed

Up Link Packet Access) trong 3GPP được chuẩn hóa trong R6 vào tháng 12 năm

sau WCDMA trong quá trình tiến lên các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư,nâng cao tốc độ truyền dữ liệu và cung cấp các dịch vụ mới.

Trong bối cảnh Việt Nam và các nước trên thế giới đang triển khai rộng rãihai công nghệ WCDMA và HSPA Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hai côngnghệ trên nên em đã thực hiện đồ án: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THÔNGTIN DI ĐỘNG 3G WCDMA VÀ PHÁT TRIỂN LÊN THẾ HỆ 3,5G HSPA” Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương với nội dung chính sau:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA

 Chương 2: Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống WCDMA

 Chương 3: Giao diện vô tuyến của mạng WCDMA UMTS

 Chương 4: Công nghệ truy nhập gói tốc độ cao HSPA

Trong quá trình hoàn thành đồ án không tránh khỏi có nhiều thiếu sót, em rấtmong nhận được những góp ý quý báu của thầy cô và các bạn để đồ án được hoànthiện hơn

Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn cô giáo, th.s Đàm MỹHạnh, các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật Viễn thông, gia đình và bạn bè đãgiúp em trong suốt thời gian qua

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2010 Người thực hiện

MỤC LỤC

Trang TỜ BÌA 1

NHIỆM VỤ THIẾT KẾT TỐT NGHIỆP 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

MỤC LỤC 6

CÁC TỪ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 14

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA 17

1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN THẾ HỆ 4G 17

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 17

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 18

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 18

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 19

1.2 KIẾN TRÚC CHUNG MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 20

1.2.1 Công nghệ WCDMA 20

1.2.2 Tổng quan hệ thống UMTS 21

1.2.3 Kiến trúc chung của một mạng WCDMA 23 1.2.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được mạng 3G WCDMA hỗ trợ

1.1.3 Kiến trúc WCDMA UMTS R3 26

1.3.2 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R4 32

1.3.3 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6 35

1.4 KIẾN TRÚC MẠNG DỊCH CHUYỂN TỪ GMS SANG UMTS 38

CHƯƠNG 2 - CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA 41

2.1 SƠ ĐỒ MÁY THU – PHÁT VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WCDMA 41

2.2 MÃ HÓA KIỂM SOÁT LỖI 43

2.2.1 Mã vòng 44

2.2.2 Mã xoắn 45

2.2.3 Mã hóa turbo 46

2.3 PHỐI HỢP TỐC ĐỘ VÀ ĐAN XEN 47

2.3.1 Phối hợp tốc độ 47

2.3.2 Đan xen 48

2.4 CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA 48

2.4.1 Các hệ thống thông tin trải phổ 48

2.4.2 Nguyên lý chung của DSSS và áp dụng DSSS vào CDMA 49

2.4.3 Hệ thống DSSS-BPSK 53

2.4.4 Hệ thống DSSS-QPSK 55

2.4.5 Mô hình hệ thống DS CDMA 57

2.5 NGẪU NHIÊN HÓA 59

2.6 CÁC MÃ TRẢI PHỔ DÙNG TRONG WCDMA 60

2.7 MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG – MÁY THU RAKE 62

2.8 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 64

2.9 CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG WCDMA 65

CHƯƠNG 3 - GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA MẠNG WCDMA UMTS 67

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 67

3.2 KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC CỦA GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 68

3.3 CÁC KÊNH CỦA WCDMA 70

3.4 KÊNH VẬT LÝ 71

3.4.1 Các kênh vật lý 71

3.4.2 Các kênh đường lên 73

3.4.3 Trải phổ và điều chế đường lên 77

3.4.4 Các kênh đường xuống 80

3.4.5 Trải phổ và điều chế cho đường xuống 87

3.5 CÁC KÊNH TRUYỀN TẢI 89

3.5.1 Các kênh truyền tải 89

3.5.2 Chuyển đổi và ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 91

3.6 KÊNH LOGIC 92

3.6.1 Các kênh điều khiển 92

3.6.2 Các kênh lưu lượng 93

3.7 THIẾT LẬP CUỘC GỌI TRONG WCDMA UMTS 94

3.8 PHÂN TẬP PHÁT 97

3.8.1 Phân tập vòng hở 97

3.8.2 Chế độ vòng kín 98

CHƯƠNG 4 - CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO HSPA 100

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 100

4.2 KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN HSPA 101

4.3 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG 102

4.3.2 Lập biểu phụ thuộc kênh 104

4.3.3 Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao 105

4.3.4 HARQ với kết hợp mềm 108

4.3.5 Kiến trúc 109

4.4 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN 113

4.4.1 Lập biểu 114

4.4.2 HARQ với kết hợp mềm 117

4.4.3 Kiến trúc 117

KẾT LUẬN 122

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 123

LỜI CẢM ƠN 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên

tiếnARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự động

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng thái

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãCD/CA-

CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh chỉ thị trạng thái CPCHDCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DCH Dedicated Channel Kênh điều khiển

DPCCH Dedicated Physycal Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuốngDSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel Kênh cho phép tuyệt đối tăng

cườngE-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cường

EDGE Enhanced Data rates for GPRS

Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuốngFDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gianGERAN GSM EDGE Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chungGSM Global System For Mobile

Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầuGPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu

HARQ Hybrid Automatic Repeat request Yêu cầu phát lại tự động lai

ghép

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

High-Speed Dedicated Shared

Channel

Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel

Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao

HSUPA High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ

caoIMT-

2000 International Mobile Telecommunications 2000 Thông tin di động quốc tế 2000IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

ISDN Integrated Servive Digital Network Mạng số đa dịch vụ

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trườngMMS Multimedia Messenging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiệnMSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các

dịch vụ di độngNode B Là nút logic kết cuối giao diện IuB với RNC

PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gói chung

PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu góiPDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật

PICH Page Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quatrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông gócRACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiênRAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyếnRNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyếnRRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyếnS-

CCPCH Secondary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơcấpSCH Synchronization channel Kênh đồng bộ

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SIM Subscriber Identity Module Modun nhận dạng thuê bao

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gianTDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời

gian

TFC Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tảiTTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát

UMTS Universal Mobile

Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTSWCDMA Wideband Code Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộngWifi Wireless FIdelitity Chất lượng không dây caoWiMAX Worldwide interoperability for

Microwave Access Tương hỗ truy nhập vi ba toàn cầu

DANH MỤC CÁC HÌNH V

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G 17

Hình 1.2 Các phổ tần dùng trong UMTS 20

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát của một mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA 20

Hình 1.4 Vùng phủ sóng của UMTS 22

Hình 1.5 Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999 24

Hình 1.6 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS phát hành 4 31

Hình 1.7 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6 33

Hình 1.8 Kiến trúc tồn tại đồng thời GSM và UMTS 36

Hình 1.9 Kiến trúc mạng RAN tích hợp của 3GR2 37

Hình 1.10 Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3 37

Hình 2.1 Máy phát vô tuyến 40

Hình 2.2 Máy thu vô tuyến 41

Hình 2.3 Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh 44

Hình 2.4 Cấu hình bộ mã hóa và giải mã turbo 45

Hình 2.5 Trích bỏ các kênh TrCH được mã hóa turbo 46

Hình 2.6 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 49

Hình 2.7 Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ tập K người sử dụng 51

Hình 2.8 Sơ đồ khối của máy phát DSSS BPSK 52

Hình 2.9 Sơ đồ máy thu của hệ thống DSSS-BPSK 53

Hình 2.10 Sơ đồ trải phổ DSSS-QPSK 54

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu DSSS-QPSK 55

Hình 2.12 Hệ thống DSCDMA: Máy phát và máy thu tương quan 58

Hình 2.13 Quan hệ giữa trải phổ và ngẫu nhiên hóa 59

Hình 2.14 Cây mã định kênh 60

Hình 2.15 Truyền sóng đa đường 61

Hình: 2.16 Máy thu RAKE 62

Hình 3.1 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến WCDMA 69

Hình 3.2 Các kênh của lớp vật lý 71

Hình 3.3 Cấu trúc khung vô tuyến cho DPDCH/DPCCH đường lên 74

Hình 3.4 Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH 75

Hình 3.5 Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên 76

Hình 3.6 Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin của RACH 76

Hình 3.7 Thủ tục truy nhập gói CPCH 77

Hình 3.8 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên 78

Hình 3.9 Chúm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hóa phức 79

Hình 3.10 Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH 80

Hình 3.11 Cấu trúc khung cho DPCH đường xuống 81

Hình 3.12 Cấu trúc khung cho kênh hoa tiêu chung 82

Hình 3.13 Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh P-CCPCH 83

Hình 3.14 Cấu trúc khung cho S-CCPCH 84

Hình 3.15 Cấu trúc kênh đồng bộ (SCH) 85

Hình 3.16 Cấu trúc khung cho PDSCH 86

Hình 3.17 Cấu trúc kênh chỉ thị bắt (AICH) 86

Hình 3.18 Cấu trúc kênh chỉ thị tìm gọi (PICH) 87

Hình 3.19 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho các kênh vật lý đường xuống 88

Hình 3.20 Chuyển đổi giữa kênh các kênh truyền tải và các kênh vật lý 91

Hình 3.21 Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý 92

Hình 3.22 Chuyển đổi giữa các kênh logic và các kênh truyền tải đường lên và xuống 94

Hình 3.23 Thủ tục thiết lập cuộc gọi ở WCDMA UMTS 96

Hình 3.24 Phân tập phát vòng hở của WCDMA 98

Hình 3.25 Phân tập phát vòng kín của WCDMA 99

Hình 4.1 Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (công nghệ HSDPA) 103

Hình 4.2 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA 104

Hình 4.3 Cấu trúc mã của HS-DSCH 106

Hình 4.4 Nguyên lý lập biểu HSDPA của node B 107

Hình 4.6 Chùm tín hiệu điều chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa

hai điểm tín hiệu 110

Hình 4.7 Nguyên lý xử lý phát lại của node B 111

Hình 4.8 Kiến trúc HSDPA 113

Hình 4.9 Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA 113

Hình 4.11 Chương trình khung lập biểu của HSUPA 118

Hình 4.12 Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH) 121

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA

1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN THẾ HỆ 4G

Trong quá trình phát triển của mình, các công nghệ thông tin di động được chia thành các thế hệ: Thứ nhất, thứ hai, thứ ba và thứ tư; được viết tắt là 1G, 2G, 3G và 4G

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

Hệ thống thông tin di động thế hệ một (1G) sử dụng phương pháp đa truy

nhập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người sử dụng Đa truy nhập phân chia theo tấn số là phương thức truy nhập mà trong đó mỗi kênh dành cho người sử dụng được cấp phát một tần số cố định, không trùng với các kênh người dùng khác nhờ phân chia phổ tần số thành nhiều đoạn riêng biệt

 Hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone Servise – Dịch vụ điện thoại

di động tiên tiến) được sử dụng trên toàn nước Mỹ

 NMT (Nordic Mobile Telephone System – Hệ thống điện thoại di độngBắc Âu)

 TACS (Total Access Communication System – Hệ thống thông tin truynhập toàn bộ)

Tuy nhiên, thông thường các công nghệ 1G thường được triển khai tại một

số nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế Khôngthỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dung lượng và tốc độ Chính

vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ hai được đưa ra giới thiệu

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

Khác với thế hệ thứ nhất, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

được thiết kế để triển khai quốc tế, các thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tươngthích, khả năng chuyển mạch phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên cáckênh vô tuyến

Hệ thống 2G sử dụng hai phương pháp đa truy nhập: Đa truy nhập phânchia theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Một số hệ thống trong mạng 2G điển hình là:

GSM (Global for System Mobile Communications - Hệ thống thông tin di độngtoàn cầu), cdma One, ngoài ra còn một số hệ thống khác đó là: iDEN, D-AMPS,GPRS (2,5G), HSCSD và WiDEN

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Để đáp ứng yêu cầu phát triển dung lượng mạng, tốc độ (tốc độ dịch

chuyển dữ liệu) và những ứng dụng đa phương tiện, chuẩn 3G bắt đầu được đưa

ra Những hệ thống trong chuẩn này là sự phát triển tuyến tính của hệ thống 2G,chúng dựa vào hai cơ sở hạ tầng chính cùng tồn tại song song đó là những nodechuyển mạch kênh và những node chuyển mạch gói

Một hệ thống thông tin di động là 3G nếu nó đáp ứng một số yêu cầu đượcITU đề ra như sau:

- Hoạt động trong một trong số các tần số được ấn định cho các dịch

vụ 3G

- Phải cung cấp các dịch vụ số liệu mới cho người sử dụng bao gồm cảcác dịch vụ đa phương tiện, độc lập với các công nghệ ở giao diện vôtuyến

- Phải hỗ trợ truyền dẫn số liệu di động tại 144 kbps cho người sửdụng di động tốc độ cao và truyền dẫn số liệu lên đến 2 Mbps chongười sử dụng cố định hoặc tốc độ thấp

- Phải cung cấp các dịch vụ số liệu gói

- Đảm bảo tính độc lập của mạng lõi với giao diện vô tuyến

Một số hệ thống 3G: UMTS (WCDMA), CDMA2000&1xEV-DO, iS865,TD-SCDMA; 3,5G: UMTS (HSPA)

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư

Việc triển khai tại một số nước đã chỉ ra một vài vấn đề mà 3G chưa giảiquyết được hoặc mới chỉ giải quyết được một phần là:

 Sự khó khăn trong việc tăng liên tục băng thông và tốc độ dữ liệu đểthỏa mãn nhu cầu ngày càng đa dạng các dịch vụ đa phương tiện, cácdịch vụ khác nhau với nhu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) và băngthông khác nhau

 Sự giới hạn của giải phổ sử dụng

 Dù có sự thỏa thuận về các khả năng chuyển vùng toàn cầu nhưng dotồn tại những chuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trongviệc chuyển vùng (roaming) giữa các môi trường dịch vụ khác biệt trong

AMPS

TASC

GSM cdma One

WCDMA cdma 20001x

HSPA 1xEVDO

LTE UMB

Những kỹ thuật đang được xem xét như pre-4G là Wimax, WiBro, iBurst,3GPP Long Term Evolution và 3GPP2 Ultra Mobile Broadband

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

1.2 KIẾN TRÚC CHUNG MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1.2.1 Công nghệ WCDMA

WCDMA (Wideband CDMA) là một công nghệ phát triển của GSM đểtăng tốc độ truyền nhận dữ liệu bằng cách sử dụng kỹ thuật CDMA hoạt động ởbăng rộng thay thế cho TDMA Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ thứ

ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật

lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bít thấp

và trung bình

Một số đặc điểm của WCDMA:

 Là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độbit cao (lên đến 2 Mbps)

 Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 Mhz, do đó hỗ trợ tốc

độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập

 Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục Mỗi người sử dụng đượccung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưngtốc độ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác

 Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD Trong mô hình FDD sóngmang 5 Mhz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hìnhTDD sóng mang 5 Mhz chia sẻ theo thời gian giữa đường lên và đườngxuống

 WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễdàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ

 WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trênkênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ

 WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ

 Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp được tất cả thông tin trên một sóngmang.

Tại Châu Âu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đã được tiêu chuẩnhóa bởi học viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI: EuropeanTelecommunications Standard Institute) phù hợp với tiêu chuẩn ITM-2000 củaITU (International Telecommunication Union)

Hệ thống có tên là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System).UMTS được xem là hệ thống kế thừa của hệ thống GSM, nhằm đáp ứng các yêucầu phát triển của các dịch vụ di động và ứng dụng internet với tốc độ truyền dẫnlên tới 2 Mbps và cũng cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu

UMTS được phát triển bởi Third Generation Partnership Project (3GPP) là

dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩn hóa (SDO) như: ETSI (ChâuÂu), ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và CWTS (TrungQuốc)

Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dùng cho hệthống UMTS:

 1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD(Frequency Division Duplex: Ghép kênh theo tần số) đường lên vàđường xuống, khoảng cách kênh là 5MHz

 1900 ÷ 1920 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD(Time Division Duplex: Ghép kênh theo tần số), khoảng cách kênh là5MHZ.

 1980 ÷ 2010 MHz và 2170 ÷ 2200 MHz: Đường xuống và đường lên vệtinh

Hình 1.2 Các phổ tần dùng trong UMTS

1.2.3 Kiến trúc chung của một mạng WCDMA

Mạng thông tin di động thế hệ ba ban đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùngchuyển mạch gói và chuyển mạch kênh để truyền dữ liệu gói và tiếng Các trungtâm chuyển mạch gói là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM Trong quátrình phát triển đến sử dụng toàn mạng IP, chuyển mạch kênh dần được thay thếbằng chuyển mạch gói Các dịch vụ số liệu và thời gian thực cuối cùng sẽ đượcchuyển trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói

1.2.3.1 Thiết bị người sử dụng

Thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment): Thực hiện chức năng giaotiếp người sử dụng với hệ thống

Thiết

bị cổng Mạng báo hiệu

Chức năng dịch vụ CS

Chức năng dịch vụ PS

Chức năng dịch vụ CS

Chức năng dịch vụ PS

BTS

Node

B

BSC RNC

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát của một mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA

Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN: UMTS Terestrial RadioAccessNetwork): Có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến.Kiến trúc ban đầu của mạng 3G có thể sử dụng hai kiểu mạng truy nhập vô tuyến.Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA được gọi là UTRAN.Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSMEDGE Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến dựa trên công nghệEDGE của GSM)

1.2.3.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN: Core Network): Thực hiện chức năng chuyển mạch, định

tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu Mạng lõi là kết hợp của chuyển mạch kênh vàchuyển mạch gói được thể hiện bằng nhóm các đơn vị chức năng logic (hình 1.3).Trong thực thế các miền chức năng này đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Nhưchức năng chuyển mạch kênh CS (MGC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói(SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép

chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau từ lưu lượng tiếng đếnlưu lượng số liệu dung lượng lớn.

1.2.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được mạng 3G WCDMA hỗ trợ

WCDMA UMTS cung cấp các loại dịch vụ xa (teleservices) như dịch vụ

điện thoại hoặc bản tin ngắn (SMS) và các loại dịch vụ mang (bearer service: Mộtdịch vụ viễn thông cung cấp khả năng truyền tín hiệu giữa hai giao diện người sửdụng - mạng).Vì thế, nói chung mạng 3G hỗ trợ các dịch vụ truyền thông đaphương tiện Do đó với mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất địnhtùy theo ứng dụng của dịch vụ QoS ở hệ thống WCDMA UMTS được phân loạinhư sau:

 Loại hội thoại (Thoại, thoại thấy hình): Thông tin tương tác yêu cầu trễnhỏ

 Loại luồng (đa phương tiện, video theo yêu cầu): Thông tin một chiềuđòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ

 Loại tương tác (duyệt web, trò chơi qua mạng, truy nhập cơ sở dữliệu ): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỉ lệ lỗi thấp

 Loại cơ bản (thư điện tử, SMS, tải dữ liệu xuống): Đòi hỏi các dịch vụ

nỗ lực nhất được thực hiện trên nền cơ sở

Vùng phủ sóng của mạng WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng với cáctốc độ bít Rb phục vụ như sau:

- Vùng 1: Vùng trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2 Mbps

- Vùng 2: Vùng thành phố, ô micro, Rb ≤ 384 Kbps

- Vùng 3: Vùng ngoại ô, ô macro, Rb ≤ 144 Kbps

- Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 12,2 Kbps

Hình 1.4 Vùng phủ sóng của UMTS

1.3 CÁC KIẾN TRÚC CHO CÔNG NGHỆ WCDMA THEO 3GPP

Mạng di động thế hệ 3 được xây dựng theo các phát hành chính được gọi làR3, R4, R5 và R6 Trong đó R3 và R4 có mạng lõi bao gồm hai miền chuyểnmạch: Miền CS (Circuit Switch: Chuyển mạch kênh) và PS (Packet Switch:Chuyển mạch gói) Việc kết hợp này phù hợp với giai đoạn đầu khi PS chưa đápứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh Khi đó miền CS sẽ thựchiện các dịch vụ thoại, còn các dịch vụ số liệu được truyền trên miền PS R4 pháttriển hơn R3 ở chỗ CS chuyển sang chuyển mạch mềm, vì thế toàn bộ mạng truyềntải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP

Lịch trình nghiên cứu trong 3GPP:

- Phát hành 1999 (R3) tháng 12/1999

- Phát hành 4 (R4) tháng 03/2001

- Phát hành 5 (R5) tháng 02/2001

- Phát hành 6 (R6) tháng 12/2004

1.1.3 Kiến trúc WCDMA UMTS R3

Đây là kiến trúc mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA trong 3GPP năm

1999, tập tiêu chuẩn đầu tiên cho hệ thống UMTS

Node B

RNC Node B

Iu b

F

Gf

Gn n

Gc Gr

PSTN ISDN

Internet

Iu Uu

Hình 1.5 Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999

Mạng UMTS R3 có hỗ trợ cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói Tốc

độ thông tin lên tới 384 Kbps trong miền chuyển mạch kênh và 2 Mbps trongmiền chuyển mạch gói Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập cácdịch vụ mới cho người sử dụng di động gồm: Điện thoại có hình (hội nghị Video)

âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối

Mạng UMTS R3 gồm ba phần chính đó là: Thiết bị di động (UE: UserEquipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS TerrestrialRadio Network) và mạng lõi (CN: Core Network)

1.3.1.1 Thiết bị người sử dụng

Thiết bị người sử dụng (UE): Là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng

là phần có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứngdụng và các dịch vụ khả dụng

Thiết bị đầu cuối (TE: Terminal Equipment): Trong mạng 3G, thiết bị đầu cuối

không đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp dịch vụ số liệu mới

Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến để giao tiếp với

mạng qua đường vô tuyến

Modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subcriber Identity Modulo)

Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao USIM chứa các hàm và

số liệu cần để nhận dạng, nhận thực thuê bao và có thể giữ các khóa nhận thựccùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho thiết bị đầu cuối Người sử dụng phải

tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN Điều này đảm bảo rằngchỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhạp UMTS, và mạng cũng chỉ cungcấp dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăngký

1.3.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access

Netwok): Là mạng liên kết giữa người sử dụng và mạng lõi Nó bao gồm một haynhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem), trong mộtRNS gồm một RNC và gồm một hay nhiều nút B (node B)

UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện: Giao diện Iu giữa UTRAN

và mạng lõi (CN) gồm hai phần là IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS chomiền chuyển mạch kênh và giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người dùng(UE)

Các đặc tính chính của UTRAN:

- Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan Đặc biệt là các ảnhhưởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (mộtđầu cuối kết nối qua hai hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lýtài nguyên đặc thù WCDMA

- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh vàchuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duynhất và bằng cách sử dụng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cảhai vùng PS và CS của mạng lõi

- Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết

- Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.

Hai thành phần của UTRAN là bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) vànode B

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Controller): Là mộtphần tử mạng, chịu tránh nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển tàinguyên cho chúng Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cungcấp cho mạng lõi (CN) Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miềnchuyển mạch gói đến SGSN và một đến chuyển mạch kênh đến MSC

Các chức năng chính của RNC:

- Điều khiển tài nguyên vô tuyến

- Cấp phát kênh

- Thiết lập điều khiển công suất

- Điều khiển công suất vòng hở

- Điều khiển chuyển giao

- Phân tập Macro

- Mật mã hóa

- Báo hiệu quảng bá

Node B

Trong hệ thống UMTS, trạm gốc được gọi là node B và nhiệm vụ của nó là

thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giaodiện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu Nó cũngthực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như “điều khiển côngsuất vòng trong” Tính năng này là để phòng ngừa vấn đề gần xa, nghĩa là khi tấtcác đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần node B nhất sẽ chelấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa Node B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối

1.3.1.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN: Core Network) của hệ thống UMTS chia thành hai phần:

Chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói Thành phần chuyển mạch gói gồm nhữngnút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng hỗ trợdịch vụ GPRS (GGSN: Gateway GPRS Support Node) Thành phần chuyển mạchkênh là MSC và GMCS Một số thành phần của mạng như HLR và AuC được chia

sẻ cho cả hai phần Cấu trúc của mạng lõi có thể được thay đổi khi các dịch vụ mới

và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra Các phần tử chính trong mạng lõi:

SGSN

SGSN (Serving GPRS Support Node): Là nút chính của miền chuyển mạch

gói Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông qua giaodiện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao Nólưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: Thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuêbao

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

- IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao

di động quốc tế)

- Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet - Temporary MobileSubscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói)

- Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

 Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

GGSN Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: Thông tin thuê bao và thôngtin vị trí.

Số liệu về thông tin thuê bao:

GMSC

GMSC (Gateway MSC) chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng địnhtuyến đến vùng có MS Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhàkhai thác khác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiệnthời quản lý MS

VLR

VLR (Visitor Location Register): Là bản sao của HLR, dữ liệu thuê bao cầnthiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được lấy từ HLR và lưu ở đây Cả MSC vàSGSN đều có VLR nối với chúng

HLR

HLR (Home Location Register): Là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý

các thuê bao di động Một mạng di động có thể có nhiều HLR tùy thuộc vào số

HLR và AuC là hai nút mạng logic nhưng thường được thực hiện trongcùng một nút vật lý HLR lưu trữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng lý thuêbao như: Thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị

từ chối, thông tin chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

Trung tâm nhận thực

Trung tâm nhận thực (AuC: Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu

cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ thông tin của người dùng Nó liênkết với HLR và được hiện cùng với một nút vật lý

Bộ nhận dạng thiết bị

Bộ nhận dạng thiết bị (EIR: Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm

lưu các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI: International MobileEquipment Identity) Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối Cơ sở dữliệu này được chia thành ba danh mục: Danh mục trắng, xám và đen Danh mụctrắng chứa các số IMEI được phép truy nhạp mạng, danh mục xám chứa IMEI củacác đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầucuối bị cấm truy nhập mạng Danh mục nay cũng có thể được sử dụng để cấm cácseri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêuchuẩn

Các giao diện vô tuyến

 Giao diện Cu: Là giao diện chuẩn cho các card thông minh Trong UEđây là giao diện kết nối giữa USIM và UE

 Giao diện Uu: Là giao diện vô tuyến mà UE truy nhập vào phần cố địnhcủa mạng Giao diện này nằm giữa nút B và thiết bị đầu cuối

 Giao diện Iu: Là giao diện kết nối UTRAN và CN Một CN có thể kếtnối với nhiều UTRAN, nhưng với mỗi UTRAN thì chỉ có thể kết nối vớimột điểm truy nhập CN

 Giao diện Iur: Đây là giao diện giữa RNC với RNC Giao diện này cócác tính năng cơ bản sau:

- Di động giữa các RNC

- Lưu thông kênh riêng

- Lưu thông kênh chung

- Quản lý tài nguyên toàn cục

 Giao diện Iub: Giao diện Iub nối nút B với RNC Đây là một giao diệnmở

1.3.2 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R4

Mạng WCDMA UMTS phát hành 4 tạo ra tăng cường đáng kể cho kiếntrúc mạng lõi Sự khác biệt cơ bản giữa phát hành 1999 (R3) với R4 là ở chỗ khinày mạng lõi của R4 là mạng phân bố R4 thay thế cho các MSC chuyển mạchkênh truyền thống là MSC Server và các cổng phương tiện MGW (MediaGateway)

MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, chức năng quản lý diđộng có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch

Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt

xa MSC Server MGW không chứa các phần mềm nói trên mà chỉ có nhiệm vụthiết lập điều khiển và giải phóng các luồng phương tiện (các luồng tiếng) dưới sựđiều khiển của MSC Server MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến cáccuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Số liệu gói từ RNC đi quaSGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữaRNC và MSC Server Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh đượcthực hiện giữa RNC và MGW MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến cáccuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Trong nhiều trường hợp đườngtrục gói sử dụng “giao thức truyền tải thời gian thực ” (RTP: Real Time Transport

Node B

Node B

RNC RNC

MSC Server ServerGMSC

Hình 1.6 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS phát hành 4

Khi cuộc gọi cần được định tuyến đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ

có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng(GMSC server) MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêuchuẩn để đưa đến PSTN Để có cái nhìn rõ ràng, giả thiết rằng nếu tiếng ở giaodiện vô tuyến được truyền tại tốc độ 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào

64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng

kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau Như vậy chuyển đổi mãchỉ cần thực hiện tại điểm kết nối với PSTN và ở mạng đường trục gói, chỉ cầntruyền tiếng ở độ rộng băng tần nhỏ hơn, điều này cho phép giảm giá thành củamạng Trong nhiều trường hợp MSC hỗ trợ cả chức năng của GMSC Server

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW làgiao thức ITU H.248 Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển Nó có

tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control).Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là mộtgiao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ.

MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN Khi này cuộc gọi đếnhoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu tư Để

ví dụ, xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và được điều khiểnbởi một MSC đặt tại thành phố B Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọinội hạt Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đếnthành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố A.Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSC Server ở thành phố

B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậygiảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng

HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: HomeSubscriber Server) HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trừ giao diệnvới HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (ví dụ là IP) trong khi HLR sử dụnggiao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 Ngoài ra còn có các giao diện giữa SGSN vớiHLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS không được chỉ ra trên hình vẽ

Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên

cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM Tuy nhiên mạng phải giao diện với cácmạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện Ngoài ra mạngcũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao diện này được thực hiệnthông qua cổng SS7 (SS7 GW) Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tảibản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bảntin ứng dụng SS7 trên mạng gói (ví dụ là IP) Các thực thể như MSC Server,GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thứctruyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP Bộ giao thứcnày được gọi là Sigtran

Hình 1.7 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6

Kiến trúc WCDMA UMTS R5 và R6 là đưa ra kiến trúc mạng đa phươngtiện IP Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi Ở đây

cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuốicủa người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụtoàn diện của tiếng và số liệu

Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đaphương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) Đây là một miền mạng IP đượcthiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP Cả dữ liệu tiếng và

số liệu không cần các giao diện cách biệt, chỉ có một giao diện Iu duy nhất mangtất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không cóMGW riêng

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau:

- CSCF (Connection State Control Function: Chức năng điều khiển trạng

- T-SGW (Transport Signalling Gateway: Cổng báo hiệu truyền tải)

- R-SGW (Roaming Signalling Gateway: Cổng báo hiệu chuyển mạng)

CSCF: Quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến

và từ người sử dụng Nó bao gồm các chức năng như biên dịch và định tuyến.CSCF hoạt động như một đại diện Server

SGSN và GGSN: Là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS

và UMTS R3 và R4 Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ hỗtrợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh Vì thế cần hỗ trợ các khảnăng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở cácRouter kết nối trực tiếp với chúng

Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF): Là chức năng lập cầu hội nghi

được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụhội nghị

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW): Là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo

tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN T-SGW hỗ trợ các giaothức Sigtran

Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW): Là một nút đảm bảo tương tác báo hiệu

với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn Trong nhiều trường hợp SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng

MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đaphương tiện MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ởR4 MGW được điều khiển bởi chức năng cổng điều khiển các phương tiện

(MGCF) Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248 MGCF

cũng liên lạc với CSCF Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP

Điểm đáng chú ý là kiến trúc này thể hiện ở sự bổ sung thêm cho mạng lõichứ không thay đổi mạng lõi hiện có (R4) Phát hành 3GPP R5 và R6 đưa vào mộtvùng mạng lõi mới để bổ sung cho các vùng CS và PS, đó là vùng đa phương tiện

IP (IM: IP Multimedia) Vùng mới này cho phép mang cả thoại và số liệu qua IPtrên toàn tuyến nối đến máy cầm tay

Như vậy UTRAN bây giờ có thể kết nối đến ba vùng của mạng lõi logickhác nhau: Vùng CS, vùng PS và vùng đa phương tiện IP (IM) Khi UE muốn sửdụng các dịch vụ của mạng lõi, nó phải chỉ ra được vùng nó muốn (vùng IM làvùng sử dụng các dịch vụ của vùng PS) Tất cả lưu lượng của IM đều là gói vàđược truyền tải qua các nút của vùng PS như SGSN và GGSN Kiến trúc IM chophép xử lý tiếng và gói một cách thống nhất trên đường truyền từ UE đến nơinhận, ở đây xảy ra sự hòa nhập hoàn toàn của tiếng và số liệu, vì thế tiếng chỉ làmột dạng số liệu có các yêu cầu QoS riêng Sự hòa nhập này cho phép phát triểnnhiều dịch vụ mới

1.4 KIẾN TRÚC MẠNG DỊCH CHUYỂN TỪ GMS SANG UMTS

Phần này giới thiệu chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS của hãngAlcatel Hãng này dự kiến sẽ phát triển mạng truy nhập RAN từ GSM lên UMTStheo ba phát hành là: 3GR1, 3GR2 và 3GR3

GGSN MSC/VLR

Router

Đường trục GPRS

PSTN

Internet OMC GSM

Hình 1.8 Kiến trúc tồn tại đồng thời GSM và UMTS

Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các đặc tả kỹthuật vào tháng 6 năm 2000 Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA-FDD và sẽđược triển khai chồng lấn lên GSM Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTSphát hành 3GR1 được chia thành ba giai đoạn được ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3(R: Release - phát hành) Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năngmới được đưa ra Các node B được gọi là MBS (Multistandard Base Station: Trạmgốc đa tiêu chuẩn)

MSC/VLR

Đường trục GPRS

UMTS/GSM OMC

GGSN

Internet PSTN

BSC

GSM OMC

vô tuyến cũng có thể được thực hiện chung bởi cùng một OMC Kiến trúc mạngRAN tích hợp của giai đoạn hai (hình 1.11)

Hình 1.9 Kiến trúc mạng RAN tích hợp của 3GR2

MSC/VLR

Đường trục GPRS

UMTS/GSM OMC

GGSN

Internet PSTN

1.4.3 Phát hành 3GR3: Kiến trúc RAN thống nhất

Hình 1.10 Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3

Trong kiến trúc RAN của phát hành này được xây dựng trên cơ sở pháthành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP Trong phát hành này RAN chung cho cả

hệ thống UMTS và GSM Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ Giaothức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thểATM kết hợp IP GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hànhnày của mạng

Kênh truyền tải A

Cộng CRC Phân đoạn khối mã Mã hóa kênh Phối hợp tốc độ Đan xen

Số liệu

phát

Các bít hoa tiêu

Ghép

Anten Điều

chế

QPSK Trải phổ

Bộ lọc Niquist cosin tăng

Điều chế vuông góc

Biến đổi nâng tần

Bộ khuếch đại phát TPC Kênh truyền tải B

CHƯƠNG 2 - CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HỆ

THỐNG WCDMA

2.1 SƠ ĐỒ MÁY THU – PHÁT VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WCDMA

Máy phát

Hình 2.1 Máy phát vô tuyến

Sơ đồ khối của máy phát vô tuyến trong WCDMA (hình 2.1) Lớp vật lý bổsung CRC cho từng khối truyền tải (TB: Transport Block) là đơn vị số liệu gốc cần

xử lý nhận được từ lớp MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhậptrung gian) để phát hiện lỗi ở phía thu Sau đó số liệu được mã hóa kênh và đanxen Mã hóa nguồn thực hiện biến đổi tương tự sang số và loại bỏ các thông tinthừa không cần thiết Mật mã hóa để ngăn sự xâm nhập và can thiệp vào luồngthông tin Mã hóa kênh nhằm giảm yêu cầu đối với độ rộng băng tần và trả giá

Số liệu

đã khôi phục

Giải đan xen

Khuếch

Giải mã kênh

Đo SIR lệnh TPCBộ tạo

Kênh truyền tải B Kênh truyền tải A Phát hiện lỗi khối

bằng tỉ số tín hiệu trên tạp âm và xác suất lỗi Số liệu sau đan xen được bổ sungthêm các bit điều khiển công suất phát TPC (Transmit Power Control), được sắpxếp lên các nhánh I và Q của QPSK và được trải phổ hai lớp (trải phổ và ngẫunhiên hóa) Chuỗi chip sau ngẫu nhiên hóa được giới hạn trong băng tần 5 MHzbằng bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai (hệ số dốc 0,22) và được biến đổi thànhtương tự bằng bộ biến đổi D/A để đưa lên điều chế vuông góc cho sóng mang Tínhiệu trung tần (IF) sau điều chế được biến đổi nâng tần vào sóng vô tuyến (RF)trong băng tần 2 GHz, sau đó được đưa lên khuếch đại trước khi chuyển đến anten

để phát vào không gian

Máy thu

Hình 2.2 Máy thu vô tuyến

Tại phía thu, tín hiệu thu được khuếch đại bằng bộ khuếch đại tạp âm nhỏ,sau đó được đưa vào tầng trung tần (IF) thu rồi được khuếch đại tuyến tính bởi bộkhuếch đại AGC Sau khuếch đại AGC, tín hiệu được giải điều chế để được cácthành phần I và Q Các tín hiệu tương tự của các thành phần này được biến đổi

Anten

và được phân chia theo thời gian vào một số thành phần đường truyền có các thờigian trễ truyền sóng khác nhau Sau giải trải phổ cho các thành phần này, chúngđược kết hợp lại bởi bộ kết hợp máy thu RAKE, tín hiệu tổng được giải đan xen,giải mã kênh, được phân thành các khối truyền tải TB và được phát hiện lỗi Cuốicùng chúng được đưa đến lớp cao hơn.

Trong hệ thống thông tin di động, các bước xử lý số và tín hiệu sau đây

Ở phần dưới sẽ xét nguyên lý của các bước nói cho các thiết bị vô tuyến

2.2 MÃ HÓA KIỂM SOÁT LỖI

Có hai phương pháp để sửa lỗi là: Mã hóa kênh (Sửa lỗi thuận - FEC) vàyêu cầu phát lại tự động (ARQ) Trong hệ thống WCDMA sử dụng phương pháp

mã hóa kênh (FEC) do có băng thông rộng nhờ quá trình trải phổ tín hiệu bằng các

mã ngẫu nhiên, việc sử dụng này có thể làm tăng thêm độ lợi xử lý (so với độ lợi

xử lý sau khi trải phổ)

Có ba loại mã kiểm soát lỗi được sử dụng trong WCDMA là:

- Mã khối tuyến tính hay cụ thể là mã vòng

- Mã xoắn

- Mã turbo

Trong ba loại mã trên, mã vòng được sử dụng để phát hiện lỗi, còn hai loại

mã còn lại được sử dụng để sửa lỗi Mã Turbo chỉ được sử dụng ở các hệ thốngthống tin di động thế hệ thứ ba khi tốc độ bit cao