Báo cáo Hệ thống truyền thông - Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 CDMA2000

ệm về các thuật ngữ chuyên ngành hệ thống truyền thông. Nhóm cũng đã đi sâu vào tìm hiểu lịch sử phát triển của mạng thông tin di động cũng như một số kiến trúc của mạng thông tin di động. Tìm hiểu sâu vào kiến trúc hệ thống CDMA2000 cũng như cách thức hoạt động của mạng CDMA2000. Bảng phân công công việc Công việc Người thực hiện Tìm hiểu lịch sử phát triển, cấu trúc hệ thống thông tin di động. Tất cả các thành viên trong nhóm Thực hiện phần cấu trúc Layer. Nguyễn Kim Long Thực hiện phần chuyển giao. Nguyễn Văn Liêm Thực hiền phần hoạt động thu phát tín hiệu. Thái Hoàng Hữu Nghị Thực hiện phần điều khiển công suất. Nguyễn Thành Phương Thực hiện phần hướng phát triển. Huỳnh Văn Tưng Tìm hiểu về CDMA2000 Tổng quan về quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động Công nghệ tương tự OG và 1G Có hai thế hệ trong các công nghệ di động được coi là tương tự. Các công nghệ này được gọi là 0G và 1G. 1G là công nghệ di động tổ ong (cellular) đầu tiên, còn 0G là công nghệ di động tiền tổ ong (pre – cellular). Các thiết bị đầu cuối sử dụng trong 0G khó có thể gọi là thiết bị di động. Các mẫu mã đầu tiên rất lớn và thường được gắn vào xe ô tô. Sau đó, các thiết bị cầm tay ra đời, nhưng 0G bị thay thế bởi thế hệ kế tiếp, 1G. Khía cạnh chủ yếu phân biệt giữa 0G và 1G là công nghệ 1G sử dụng mạng tổ ong (cellullar network). Một mạng tổ ong là một mạng tạo nên bởi một số các cell. Mỗi cell này được phục vụ bởi một máy phát cố định, thường gọi là trạm gốc. Trên thực tế, cũng có một vài ví dụ về việc sử dụng mạng tổ ong trong 0G, nhưng điều làm nên sự khác biệt giữa 1G và 0G là 1G hỗ trợ việc kết nối liền mạch khi di chuyển từ cell này sang cell khác. Điều này có nghĩa là, khi người dùng ra khỏi tầm hoạt động của một trạm gốc trong khi đang thực hiện cuộc gọi, nếu sử dụng công nghệ 0G thì người dùng sẽ bị ngắt kết nối, trong khi sử dụng công nghệ 1G người dùng sẽ không nhận thấy sự ngắt quãng nào. Một khía cạnh khác phân biệt 0G và 1G là các công nghệ 0G thường là bán song công (có nghĩa là việc thu và phát âm thanh không xảy ra đồng thời). Vào những năm 1970, các mạng sử dụng công nghệ 0G bị quá tải nghiêm trọng. Một chuẩn tương tự khác được giới thiệu, đó là 1G. Giống như 0G, 1G sử dụng băng tần vô tuyến UHF. Việc truyền âm thanh được thực hiện mà không có sự mã hóa trên giao diện vô tuyến. Điều này có nghĩa là bất cứ ai có một máy quét đơn giản cũng có thể nghe được các cuộc điện đàm. Các cố gắng của nhà chức trách nhằm ngăn chặn việc xâm nhập bất hợp pháp này đều không giải quyết được vấn đề. Bên cạnh việc bảo vệ thông tin cá nhân, nhược điểm này của hệ thống còn đưa đến một vấn đề khác. Bởi vì dữ liệu truyền được gửi đi mà không mã hóa, các kỹ thuật bảo mật còn thô sơ dễ dàng lộ ra cho các hacker. Hầu hết các công nghệ 1G chỉ có một dạng bảo mật, một thủ tục nhận thực hết sức thô sơ. Thủ tục này bao gồm việc xác nhận hai số: số nhận dạng di động MIN và số thuê bao điện tử ESN. Quá trình xác nhận này diễn ra khi một thiết bị di động bắt đầu liên lạc với hệ thống. Đầu tiên, sổ đen (blacklist) sẽ được kiểm tra xem thiết bị di động này có bị khóa hay không. Tiếp theo, một bản tin được gửi tới HLR để thông qua sự kết hợp của MIN và ESN. Cả hai số này được truyền không mã hóa qua giao diện vô tuyến. Hacker có thể nghe trộm và có thể sử dụng các số này để tạo ra các bản sao bất hợp pháp mà với chúng, các hacker có thể nhận thực thành công dưới dạng một thuê bao khác. Vấn đề càng trở nên trầm trọng khi nhiều nhà cung cấp thậm chí không thực hiện việc nhận thực trên các máy di động do việc thiếu hụt sự chuẩn hóa và các lý do về hiệu suất. Điều này gây nên việc sử dụng trái phép vô cùng lớn trong các mạng di động. Công nghệ số 2G và 3G 2G ( second generation ) Mốc đánh dấu quan trọng trong quá trình phát triển của các công nghệ di động là sự ra đời của xử lý tín hiệu số DSP. Nhờ có DSP, chất lượng thoại được cải tiến đáng kể vì thông tin số không bị ảnh hưởng bởi méo. Thêm vào đó, dải phổ có thể được sử dụng một cách hiệu quả hơn hẳn nhờ có các kỹ thuật hợp kênh. Bởi vì các kỹ thuật tương tự sử dụng FDMA, chỉ có một người dùng có thể sử dụng một tần số xác định tại bất kỳ thời gian nào trong một cell. Với công nghệ 2G, vấn đề này được giải quyết bằng cách sử dụng TDMA và CDMA. Các kỹ thuật này cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một tần số. Cấu trúc bảo mật cũng có những bước cải tiến đáng kể. Có hai chuẩn chính trong 2G: GSM và cdmaOne. Cả hai chuẩn này đều sử dụng kỹ thuật đòi hỏi – đáp ứng (challenge – response) để nhận diện người dùng. Khi thực hiện cuộc gọi, thiết bị di động cần tính toán một đáp ứng cho đòi hỏi (dưới dạng một số ngẫu nhiên) được gửi bởi mạng. Đáp ứng này được tính toán sử dụng một khóa bí mật duy nhất được lưu trên thiết bị di động đó. Đáp ứng này sau đó có thể được xác nhận bởi mạng, vì nó cũng lưu trữ khóa bí mật trùng với khóa lưu tại thiết bị di động của người dùng. Khóa này sau đó có thể sử dụng để thiết lập việc mã hóa trên đường truyền qua giao diện vô tuyến. Nhìn lại những vấn đề đối với thế hệ tương tự, có thể kết luận rằng ít nhất về mặt lý thuyết những vấn đề này đã được giải quyết. Việc truyền dẫn đã được mã hóa để bảo vệ thông tin cá nhân người dùng và sự tin cậy, một phương pháp nhận thực tốt hơn được sử dụng. Trên thực tế, lại có một số vấn đề nảy sinh. Đầu tiên, các chuẩn này có thể tin cậy được, về một mặt nào đó, dựa trên sự khó hiểu của các thuật toán của nó. Theo thời gian, bí mật về các thuật toán này rò rỉ, có thể dễ dàng chứng minh rằng các thuật toán này trở nên yếu ớt. Thứ hai, các chuẩn này có nhiều khuyết điểm về mặt giao thức có thể sử dụng để nhận thực bất hợp pháp một máy di động lậu. Một nhược điểm nữa là việc thiếu hụt trong bảo vệ sự toàn vẹn. Khi một thiết bị di động được nhận thực, nhưng không phải trong mạng, một trạm gốc giả có thể sử dụng để nhận việc nhận thực dữ liệu từ một thuê bao không rõ nguồn gốc. 3G ( third generation ) Thông tin di động thế hệ hai mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thống băng hẹp và được xây dựng dựa trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không đáp ứng được nhu cầu của các dịch vụ mới, thêm vào đó là có quá nhiều tiêu chuẩn khác nhau, làm cho việc di chuyển của thuê bao giữa các quốc gia này với các quốc gia khác gặp nhiều khó khăn. Chính vì lẽ đó mà các tổ chức viễn thông trên thế giới thấy cần thiết phải tập hợp lại và đề ra phương án phải có một tiêu chuẩn thống nhất chung để các hệ thống viễn thông di động tương lai vừa đáp ứng được các yêu cầu của thời đại mới, vừa mang tính thống nhất chung cho các hệ thống. Kết quả là IMT – 2000 do ITU – R xây dựng đã ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu đó. IMT – 2000 mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép nhiều phương tiện thông tin có thể cùng hoạt động, từ các phương tiện truyền thống cho đến các phương tiện hiện đại và các phương tiện truyền thông đã có trong tương lai. Vào năm 1999, ITU thông qua năm giao diện vô tuyến sử dụng IMT – 2000. Đó là các giao diện: IMT – DS (Direct Spead) – Trải phổ trực tiếp: còn được biết đến với tên WCDMA hay UTRA – FDD và được sử dụng trong UMTS. IMT – MC (Multi Carrier) – Đa sóng mang: còn được gọi là CDMA2000. IMT – TD (Time Division) – Phân chia theo thời gian: bao gồm TD – CDMA và TD – SCDMA, cả hai đều được chuẩn hóa để sử dụng trong UMTS. IMT – SC (Single Carrier) – Đơn sóng mang: còn được gọi là UWC – 136 hoặc EDGE. IMT – FT (Frequency Time): còn được gọi là DECT. Trong năm giao diện này, IMT – DS (hay UMTS) và IMT – MC (hay CDMA2000) được coi là hai chuẩn chính. UMTS được phát triển ở châu Âu và là thế hệ sau của GSM. CDMA2000 là thế hệ sau của cdmaOne và được phát triển ở Mỹ. Hình 1: Quá trình phát triển từ công nghệ 2G lên 3G. Tổng quan về mạng thông tin di động 3G Giới thiệu 3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (Third Generation). 3G (third generation technology) là tiêu chuẩn truyền thông di động băng thông rộng thế hệ thứ 3 tuân thủ theo các chỉ định trong IMT-2000 của ITU (Tổ chức viễn thông thế giới). Chuẩn 3G cho phép truyền không dây dữ liệu thoại và phi thoại (gửi email, hình ảnh, video...). Một số yêu cầu của mạng thông tin di động 3G Hệ thống thông tin di động ba xây dựng trên tiêu chuẩn IMT-2000. Với các tiêu chuẩn sau: Sử dụng dải tần quy định Quốc Tế: Đường lên : 1885 – 2025 MHZ . Đường xuống :2110 – 2200 MHZ . Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến. Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến . Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông . Sử dụng được trong các môi trường khác nhau : Công sở , ngoài đường , vệ tinh ….. Có thể hỗ trợ được các dịch vụ khác: Môi trường ảo . Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện . Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới ra . Lộ trình phát triển lên CDMA2000 từ CDMAONE Các giai đoạn phát triển Một trong những mục đích của chuẩn 3G là tăng cường sự phát triển của hệ thống 2G hiện tại, tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng hiện có. CDMA2000 là hệ thống 3G phát triển từ hệ thống CDMA hiện tại ở Bắc Mỹ là cdmaOne. Chuẩn được quy định cho CDMA2000 bao gồm 2 giai đoạn: 1xRTT và 3xRTT. 1xRTT được coi là giai đoạn I của CDMA2000 3G và 3xRTT là giai đoạn II của CDMA2000 3G. Giai đoạn thứ nhất được định nghĩa là chuẩn có tên 1xRTT. Được hoàn tất vào tháng 7 năm 1999, giai đoạn này của CDMA2000 mang tên là chuẩn TIA theo IS-2000 và mang tên là chuẩn MC-1X theo ITU. 1xRTT cung cấp gấp đôi dung lượng thoại và thời gian chờ so với IS-95, và cho phép tốc độ dữ liệu lên tới 384 Kbps (theo lý thuyết). Nó hoạt động ở kênh 1.25 MHz. Giai đoạn thứ hai của CDMA2000 là 3xRTT kết hợp chặt chẽ các khả năng của 1xRTT, có tốc độ dữ liệu lên tới 2Mbps (theo lý thuyết), hỗ trợ tất cả các loại kênh (5 MHz, 10 MHz, vv...). 1xEV: 1xEV – DO và 1xEV – DV 1xEV là bước phát triển kế tiếp của 1x. Nớ dựa trên công nghệ tốc độ dữ liệu cao Qualcomm HDR. Các xu hướng dẫn đến sự ra đời của 1xEV là: Trong trình tự phát triển của CDMA2000 1x, khả năng dữ liệu tốc độ cao để hỗ trợ các dịch vụ dựa trên nền Internet ở hiện tại và trong tương lai sẽ trở nên hết sức quan trọng. Dải phổ sẽ trở thành một tài nguyên khan hiếm, làm cho hệ thống 1.25 MHz trở nên hấp dẫn hơn nhiều so với hệ thống 5 MHz (3x), chỉ cần đạt được hiệu suất tương đương. Những nhà khai thác và người dùng sẽ được lợi từ những hệ thống này thông qua: Tốc độ cao và dung lượng cao của hệ thống truyền dẫn dữ liệu gói. Hiệu quả sử dụng dải phổ cao hơn cho chuyển mạch gói. Thoại với hiệu quả sử dụng dải phổ cao hơn. Sự nâng cấp và linh hoạt của hệ thống CDMA2000 1x tốt hơn nhiều so với hệ thống 3x trong việc phát triển lên từ hệ thống 2G hiện tại. Hệ thống CDMA2000 1x tối thiểu hóa tác động trên các thiết bị trong vùng tế bào và các thiết bị cầm tay trong việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu gói tốc độ cao. Để đạt được các yêu cầu của nhà khai thác CDMA2000 trong việc triển khai các dịch vụ dữ liệu gói tốc độ cao trong sóng mang 1.25 MHz, 1xEV sẽ được định nghĩa trong hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Tối ưu hóa hệ thống cho các dịch vụ dữ liệu gói tốc độ cao, không thời gian thực.Dịch vụ dữ liệu gói tốc độ cao hoạt động trên một sóng mang. Nếu thuê bao cần thoại hoặc các dịch vụ thời gian thực khác, hệ thống 1xEV sẽ sử dụng CDMA2000 1x để thực thi dịch vụ đó. Mục đích là nhằm làm cho hoạt động dễ hiểu đối với người dùng. Giai đoạn 2: Hệ thống đồng thời hỗ trợ dữ liệu gói tốc độ cao và dịch vụ thời gian thực. Trong cách tiếp cận tích hợp, mục đích là để tích hợp khả năng của giai đoạn một trên cùng một sóng mang, trong khi vẫn còn khả năng duy trì dịch vụ dữ liệu gói trên một sóng mang riêng biệt. 1xEV – DO 1xEV-DO là một chuẩn trong họ các tiêu chuẩn vô tuyến của CDMA2000 1x. EV-DO là viết tắt của “EVolution, Data-Only" (gần đây được sửa thành “Evolution, Data Optimized”). 1xEV-DO cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh gấp 10 lần so với 1xRTT, công nghệ dữ liệu trước đó của mạng CDMA. Không giống như các chuẩn 1x khác, 1xEV-DO chỉ dành cho dữ liệu, không dùng cho thoại. Nó yêu cầu một khoảng phổ dành riêng, tách biệt với mạng thoại sử dụng các chuẩn như 1xRTT. Có hai phiên bản của 1xEV-DO: "Release 0" và "Revision A". Release 0 là phiên bản nguyên thủy, và là phiên bản được triển khai rộng rãi đầu tiên. Release 0 cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới 2.4 Mbps, trung bình là 300-600 kbps trong thực tế. Tốc độ này nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ 50-80 kbps cung cấp bởi 1xRTT. Tốc độ dữ liệu của Release 0 tương đồng với tốc độ dữ liệu của 1xEV-DV Revision C. Revision A tích hợp hầu hết công nghệ dữ liệu từ 1xEV-DV Revision D, và cải thiện ngấm ngầm. Những nâng cao này cho phép các tính năng như VoIP và thoại video. Mặc dù EV-DO về nguyên bản không có khả năng thoại, Revision A đủ nhanh để cung cấp công nghệ VoIP tại mức độ dịch vụ bằng hoặc tốt hơn so với công nghệ thoại 1xRTT. Đây có thể là con đường phát triển của CDMA nếu sự phát triển của 1xEV-DV vẫn bị ngừng trệ. 1xEV-DO được dựa trên công nghệ dữ liệu tốc độ cao HDR hoặc dữ liệu gói tốc độ cao HRPD, phát triển bởi Qualcomm. Chuẩn quốc tế gọi là IS-856. 1xEV – DV 1xEV-DV là một chuẩn trong họ các tiêu chuẩn vô tuyến của CDMA2000 1x. EV-DV là viết tắt của “Evolution, Data and Voice”. 1xEV-DV kết hợp cả công nghệ tốc độ cao HDR từ 1xEV-DO với chuẩn 1xRTT được triển khai rộng rãi. Nó tích hợp liền mạch với 1xRTT, cung cấp khả năng tương thích với các hệ thống cũ và đồng thời cả thoại và dữ liệu. Có hai phiên bản của 1xEV-DV: "Revision C" và "Revision D" Revision C cung cấp tốc độ dữ liệu cao chỉ cho chiều xuôi, có nghĩa là tốc độ download sẽ nhanh hơn. Chiều ngược giống như chuẩn 1xRTT. Revision D cung cấp tốc độ dữ liệu cao cho cả hai chiều, lý tưởng cho các ứng dụng như hội thoại video và tải lên các file dung lượng lớn. Revision D cũng tích hợp việc nhận dạng thiết bị di động MEID.Sự phát triển 1xEV-DV đang bị chững lại, bị cản trở bởi 1xEV-DO Revision A và công nghệ VoIP. Công nghệ CDMA2000 Giới thiệu về mạng thông tin di động CDMA2000 Một trong 2 chuẩn 3G quan trọng là CDMA2000, là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. Các đề xuất của CDMA2000 nằm bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, là tổ chức độc lập với 3GPP. Có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV. CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s. Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU. Tính năng Loại lưu lượng CDMA2000, cũng như các công nghệ 3G khác, hỗ trợ các loại lưu lượng sau ( tốc độ dữ liệu từ 9.6 kbps đến 2 Mbps). Thoại truyền thống và VoIP. Các dịch vụ dữ liệu. Dữ liệu gói: Các dịch vụ này dựa trên nền IP với giao thức TCP hoặc UDP tại lớp giao vận. Nằm trong loại này là các ứng dụng Internet, các dịch vụ đa phương tiện loại H.323 vv... Dữ liệu băng rộng mô phỏng kênh (circuit-emulated broadband data): ví dụ như fax, truy cập dial-up không đồng bộ, các dịch vụ đa phương tiện loại H.321 nơi mà audio, video, dữ liệu, điều khiển và chỉ thị được truyền trên mô phỏng kênh qua ATM... SMS ( Short Messaging Service). Dịch vụ báo hiệu. Hệ thống 3G được dự kiến cho các môi trường trong nhà và ngoài trời, các ứng dụng bộ hành hoặc trên xe cộ, và các môi trường cố định như tổng đài nội hạt vô tuyến (wireless local loop). Kích cỡ tế bào từ vài chục mét (nhỏ hơn 50 m đối với picocell) tới vài chục km (hơn 35 km cho các tế bào cỡ lớn). Độ rộng băng Hệ thống CDMA2000 có thể hoạt động ở các độ rộng băng khác nhau với một hoặc nhiều sóng mang. Trong hệ thống đa sóng mang, các sóng mang cạnh nhau phải cách nhau ít nhất 1.25 MHz. Trong hệ thống đa sóng mang thực sự, mỗi sóng mang thường có độ rộng băng 1.25 MHz và được phân biệt với sóng mang IS-95 bằng mã trực giao. Tuy nhiên, khi ba sóng mang được sử dụng trong hệ thống đa sóng mang, băng thông yêu cầu là 5 MHz. Để cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, một kênh đơn có thể có độ rộng băng danh định là 5 MHz với tốc độ chip 3.6864 Mcps ( = 3 x 1.22887 Mc/s). Băng thông BW trong hình 4, ngoài mật độ công suất có thể bỏ qua, tùy thuộc vào bộ lọc tạo dạng tại băng gốc. Nếu bộ lọc cosine tăng được sử dụng, BW = Rc(1 + α), trong đó Rc là tốc độ chip và α là thừa số cắt lăn (rolloff factor). Nếu α = 0.25, BW = 4.6 MHz, và do đó dải bảo vệ G = 200 kHz. Rõ ràng, một lợi thế của băng thông rộng hơn là nó cung cấp nhiều đường hơn để có thể sử dụng trong bộ thu đa đường để tăng cường hoạt động của hệ thống. Hình 2: Độ rộng băng trong CDMA2000. Chất lượng dịch vụ QoS ( quality of service ) Bất cứ lúc nào, đa ứng dụng cũng có thể chạy trên một trạm di động MS. Người dùng có thể yêu cầu chất lượng dịch vụ tùy theo ứng dụng, và mạng được mong đợi là sẽ đảm bảo chất lượng yêu cầu mà không có sự sút giảm đáng kể trong QoS đã quy ước với khách hàng. Các dịch vụ dữ liệu gói CDMA2000 hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu gói. Từ lúc khởi đầu, nếu có một gói để gửi, người dùng cố gắng thiết lập các kênh điều khiển dùng chung và dùng riêng sử dụng phương thức đa truy cập phân khe Aloha. Trong phương thức này, một xung nhịp tham chiếu được sử dụng để tạo ra một dãy các khe thời gian có độ dài bằng nhau. Khi người dùng có một gói cần gửi, nó có thể bắt đầu truyền, nhưng chỉ tại lúc bắt đầu của một khe thời gian chứ không phải tại khoảng thời gian bất kỳ lúc nào. Lưu ý rằng mặc dù người dùng được đồng bộ hóa nhờ xung nhịp tham chiếu, có một vài xác suất rằng có thể có hai người dùng hoặc nhiều hơn có thể bắt đầu truyền tại cùng một thời điểm. Khi các kênh này được thiết lập, người dùng có thể gửi các gói tin thông qua kênh điều khiển dùng riêng, và có thể yêu cầu một kênh lưu lượng hoặc một độ rộng băng thích hợp. Một khi kênh lưu lượng đã được cấp, người dùng truyền gói tin, việc bảo trì sự đồng bộ hóa và điều khiển công suất là cần thiết, và việc giải phóng kênh lưu lượng ngay sau khi truyền xong hoặc sau một khoảng thời gian nhất định. Nếu không còn gói nào để gửi, kênh điều khiển dùng riêng cũng được giải phóng sau một khoảng thời gian, nhưng kết nối lớp mạng và lớp liên kết vẫn được duy trì trong một khoảng thời gian để nếu có gói mới đến thì vẫn sẽ được truyền mà không bị mất thời gian thiết lập kênh. Tại cuối khoảng thời gian đó, các gói ngắn và không thường xuyên sẽ được gửi qua một kênh điều khiển dùng chung. Người dùng có thể ngắt kết nối tại thời điểm đó, hoặc tiếp tục trong trạng thái đó vô hạn, hoặc tái thiết lập kênh điều khiển dùng riêng và kênh lưu lượng nếu có các gói lớn hoặc thường xuyên cần gửi. Kiến trúc mạng thông tin di động CDMA2000 Hình 3: Kiến trúc cơ bản của mạng CDMA2000. Các thành phần của hệ thống Trạm di động MS( Mobile Station): là thiết bị cho người sử dụng truy cập vào mạng. MS có thể là điện thoại cầm tay, máy tính… Trạm thu phát gốc BTS( Base Transceiver Station): chịu trách nhiệm cấp phát các tài nguyên cho các thuê bao. BTS chứa các thiết bị thu phát vô tuyến, nó là giao diện giữa mạng CDMA2000 và thiết bị của người sử dụng UE (User Equipment). Bộ điều khiển trạm gốc BSC( Base Station Controller): có nhiệm vụ điều khiển các BTS gắn với nó và định tuyến các gói đến và đi từ PSDN. Ngoài ra, BSC còn làm nhiệm vụ điều khiển/quản lý chuyển giao. Trung tâm chuyển mạch di động MSC(Mobile Switching Centre): thực hiện vai trò của chuyển mạch trung tâm, thiết lập và định tuyến cuộc gọi, thu thập thông tin tính cước, quản lý di động, gửi cuộc gọi tới PSTN/Internet. Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register): là cơ sở dữ liệu lưu thông tin về thuê bao. Bộ ghi định vị vãng lai VLR (Visitor Location Register): là cơ sở dữ liệu lưu thông tin thuê bao đang hoạt động trên một MSC nhất định. Trung tâm nhận thực AC (Authentication Centre): xác nhận thuê bao trước khi cho phép cung cấp dịch vụ cho thuê bao đó. IWF (Interworking Function): cho phép các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh. Nút dịch vụ dữ liệu gói PDSN (Packet Data Service Node): chỉ có ở mạng 3G, cung cấp các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói. Trung tâm nhận thực, trao quyền và thanh toán AAA (Authentication, Authorization, and Accounting): là một server cung cấp các dịch vụ nhận thực, trao quyền và thanh toán cho PSDN, lần lượt chuyển các dịch vụ kết nối với mạng dữ liệu gói cho người dùng di động. Các giao thức sử dụng Trong cấu trúc mạng CDMA2000 ở trên, có các giao diện giữa các thành phần mạng được thêm vào để cung cấp các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói. Việc định nghĩa các giao diện này thường được quy định bởi các chuẩn. Một số chuẩn quan trọng là: IS-2000: Các chuẩn này quy định giao diện không trung giữa MS và BSC trong mạng CDMA2000. IS-2001: Đây là phiên bản 3G của IOS (InterOperability Specification), là chuẩn định nghĩa giao diện giữa BSC và PDSN. Nó cũng định nghĩa giao diện giữa BSC và MSC, cũng như giao diện giữa các BSC với nhau nhằm quản lý di động. IS-41: Chuẩn này, đã sử dụng ở mạng 2G, cũng vẫn được sử dụng ở mạng 3G. Nó định nghĩa giao diện giữa MSC, HLR, VLR, và AC, cũng như giao diện giữa các MSC với nhau. Simple internet protocol ( Simple IP ) Simple IP là 1 giao thức truyền nhận gói dữ liệu đơn giản. Hình 4: Một gói dữ liệu được trao đổi giữa MS và server. Nếu một MS có địa chỉ IP là M,và server có địa chỉ IP là S thì dữ liệu được trao đổi giữa MS và server.Khi đi từ MS đến server,gói dữ liệu có địa chỉ nguồn là M và địa chỉ đích là S.Và ngược lại,khi đi từ server đến MS,gói dữ liệu có địa chỉ nguồn là S,địa chỉ đích là M. Nhược điểm:Khi MS di chuyển sang một PSDN khác thì có xảy ra sự chuyển giao (handoff) giữa các BSC hoặc giữa các MSC nhưng kết nối sẽ bị ngắt. Mobile internet protocol ( Mobile IP ) Đây là một giao thức truyền nhận dữ liệu động. Chức năng:Duy trì kết nối khi MS di chuyển từ PSDN này sang một PSDN khác. Hình 5: Gói dữ liệu được gửi và nhận khi MS di chuyển. Xuất hiện thêm 2 thành phần mới là home agent (HA) và foreign agent (FA): Home agent (HA):Xác định PSDN mà MS di chuyển tới và gửi những gói dữ liệu đến foreign agent. Foreign agent (FA):Nhận các gói dữ liệu từ MS’HA và gửi cho MS tại thời điểm hiện tại. Khi MS di chuyển từ home PSDN đến foreign PSDN,gói dữ liệu do MS gửi vẫn đến được server vì gói dữ liệu này mang địa chỉ đến là S.Ngược lại,khi server gửi xuống MS thì server vẫn lấy địa chỉ là M.Do đó gói dữ liệu được gửi tới HA,và HA có nhiệm vụ gửi tới FA.Cuối cùng FA sẽ gửi cho MS. Mobile IP có thêm 2 chức năng mới là : MS’registration with the FA :Khi một MS di chuyển tới 1 PSDN khác thì MS phải đăng kí với FA.Foreign agent sẽ tạo ra một địa chỉ tạm thời T. FA’registration with the HA :Sau khi FA tạo ra địa chỉ T,FA cần đăng kí địa chỉ này tới MS’HA. Từ đó đảm bảo HA gửi gói dữ liệu đúng cho MS. Các lớp chính trong CDMA2000 Hình 6: Các lớp chính trong mạng CDMA2000. Lớp vật lý Giới thiệu Lớp vật lý chịu trách nhiệm phát và thu các bit thông qua phương tiện vật lý. Vì phương tiện vật lý trong trường hợp này là không trung, nên lớp vật lý phải chuyển đổi bit sang dạng sóng (điều chế) để cho phép truyền qua không trung. Bên cạnh việc điều chế, lớp vật lý còn thực hiện các chức năng mã hóa để thực hiện các chức năng điều khiển lỗi tại mức bit và mức khung. Kênh xuôi Các kênh xuôi trong CDMA2000 chia làm kênh báo hiệu và kênh người dùng.Kênh báo hiệu mang thông tin điều khiển.Kênh người dùng mang dữ liệu. Kênh xuôi trong CDMA2000 Kênh báo hiệu Kênh dùng chung F-PCH (Paging Channel) F-QPCH (Quick Paging Channel) F-CCCH (Forward Common Control Channel) F-BCCH (Broadcast Control Channel) F-CACH (Common Assignment Channel) F-CPCCH (Common Power Control Channel) F-SYNCH (Sync Channel) F-PICH (Forward Hoa tiêu Channel) F-TDPICH (Transmit Diversity Hoa tiêu Channel) F-APICH (Auxiliary Hoa tiêu Channel) F-ATDPICH (Auxiliary Transmit Diversity Hoa tiêu Channel) Kênh chuyên dụng F-DCCH (Forward Dedicated Control Channel) Kênh người dùng F-FCH (Forward Fundamental Channel) F-SCH (Forward Supplemental Channel) F-SCCH (Forward Supplemental Code Channel) Kênh ngược  Các kênh ngược trong CDMA2000 chia làm kênh báo hiệu và kênh người dùng. Kênh ngược trong CDMA2000 Kênh báo hiệu Kênh dùng chung R-ACH (Access Channel) R-EACH (Enhanced Access Channel) R-CCCH (Reverse Common Control Channel) Kênh chuyên dụng R-PICH (Reverse Hoa tiêu Channel) R-DCCH (Reverse Dedicated Control Channel) Kênh người dùng R-FCH (Reverse Fundamental Channel) R-SCH (Reverse Supplemental Channel) R-SCCH (Reverse Supplemental Code Channel) Chức năng truyền dẫn của kênh xuôi Hình sau minh họa sơ đồ đơn giản của các chức năng truyền dẫn của kênh xuôi của hệ thống CDMA2000 đơn sóng mang trải phổ trực tiếp. Để đơn giản, chỉ có một số kênh xuôi vật lý được đưa ra trong hình. CDMA2000 có hai loại kênh lưu lượng – kênh cơ bản và kênh phụ. Một số tốc độ dữ liệu được hỗ trợ. Tùy thuộc vào tốc độ dữ liệu, mã xoắn với tốc độ 1/2, 3/8, 1/3, hoặc 1/4 có thể được sử dụng. Cả hai loại khung 10 ms và 5 ms đều được hỗ trợ. Các biểu tượng của kênh I và kênh Q được nhân với các hệ số tích lũy (gain factor) để cung cấp thêm một số điều khiển công suất. Cũng như trong IS-95, các tế bào được phân tách bởi các độ lệch (offset) của các dãy PN khác nhau (chu kì của các dãy PN này là 215 – 1 chip). Tuy nhiên, giờ đây, các phương pháp trải phổ phức được sử dụng bằng cách, đầu tiên, thêm các giá trị thực của dãy I và Q trong phép cầu phương (quadrature) để kết quả trở thành số phức và sau đó nhân nó với một số phức khác SI + jSQ, trong đó SI và SQ lần lượt là các PN hoa tiêu của kênh I và kênh Q. Kết quả của phép nhân này là một đại lượng phức có các thành phần đồng pha và vuông pha được biểu diễn ở góc dưới của hình vẽ. Với việc trải phổ phức, lối ra của bộ lọc tạo dạng sẽ bằng 0 chỉ với xác suất thấp, do đó cải thiện hiệu quả công suất. Hình 7: Sơ đồ truyền dẫn của kênh xuôi trong CDMA2000. Chức năng truyền dẫn của kênh ngược Hình 8: Sơ đồ truyền dẫn của kênh ngược trong CDMA2000. Sơ đồ khối chức năng của kênh ngược của hệ thống CDMA2000 trải phổ trực tiếp được biểu diễn trên hình 6. Trước tiên hãy xem xét kênh cơ bản. Dữ liệu đến trong kênh này được xử lý theo cách thông thường. Tùy thuộc vào tốc độ dữ liệu người dùng, một số bit chỉ thị chất lượng khung dưới dạng CRC được thêm vào khung. Một vài bit đuôi được thêm vào để đảm bảo việc hoạt động chuẩn xác của bộ mã hóa kênh, có thể là bộ mã hóa mã xoắn hoặc mã khối. Biểu tượng mã được lặp lại, nhưng tùy thuộc vào tốc độ, một vài biểu tượng bị xóa. Lối ra của bộ ghép xen (interleaver) được trải phổ với mã Walsh, ánh xạ tới các biểu tượng điều chế, và nhân với các hệ số tích lũy (gain factor), kết quả là báo hiệu được gán nhãn Afund. Kênh phụ 1 và 2 và các kênh điều khiển được xử lý cũng theo cách đó, mặc dù chi tiết có thể khác biệt trong một số trường hợp. Ví dụ như, sự bỏ đi các biểu tượng không được thực hiện trên kênh điều khiển dành riêng. Tương tự, kênh hoa tiêu ngược R-PICH, có các chuỗi bit 0 (có giá trị thực là +1), được xử lý khác bởi vì nó không được mã hóa thành mã kênh, ghép xen theo ghép xen khối, hoặc nhân bởi mã Walsh. Tuy nhiên, một bit điều khiển công suất được thêm vào kênh hoa tiêu cho mỗi nhóm điều khiển công suất hoặc 16 bit điều khiển công suất trên một khung. Đề đơn giản, bỏ qua sự lặp lại này và chủ yếu quan tâm đến lối ra sau khi xử lý của các kênh này là Asub1, Asub2, Acont, and Ahoa tiêu. Kênh cơ bản và kênh phụ 1 được hợp lại tạo ra lối ra Q. Tương tự, các kênh còn lại được tập hợp riêng biệt, cho lối ra I. Chú ý rằng trong trường hợp này, các dãy kênh I và Q tạo nên bởi mã hóa QPSK là độc lập với nhau bởi vì nó được tạo ra từ các kênh khác nhau và không phải bởi việc chia dòng dữ liệu của một kênh thành hai dòng phụ. Các chuỗi I và Q được trải phổ bởi mã phức dưới dạng SI + jSQ, trong đó SI và SQ là do người dùng định nghĩa bởi vì nó được lấy từ mã mặt nạ 42-bit gán cho mỗi người dùng, các dãy PN hoa tiêu kênh I và kênh Q, và mã Walsh. Medium Access Layer ( MAC ) Giới thiệu Là giao diện giữa lớp vật lý, lớp phụ LAC và lớp trên cùng (upper layer).Lớp MAC điều khiển việc truy cập của các lớp cao hơn vào môi trường vật lý được chia sẽ bởi nhiều người sử dụng. Phân loại các thực thể chính Gồm 4 thực thể chính: Common channel multiplexing sublayer:Lớp con hợp nhất kênh dùng chung. Dedicated channel multiplexing sublayer:Lớp con hợp nhất kênh chuyên dụng. Signaling radio burst protocol (SRBP). Radio link protocol (RLP). Chức năng lớp MAC Hợp nhất các kênh logic về phía các kênh vật lý. Giải hợp nhất các kênh vật lý thành các kênh logic. Xử lý các gói dữ liệu. Xử lý việc báo hiệu trên kênh chung. Data Units Là 1 đại lượng logic của thông tin báo hiệu và dữ liệu được trao đổi giữa các khối chức năng ở lớp MAC, với lớp LAC hay lớp Upper. Có 2 loại là: Payload data unit (PDU) được dùng đề định rõ những data units được chấp nhận ở nơi cung cấp từ nơi yêu cầu gửi đến. Service data unit (SDU) được dùng đề định rõ những data units từ nơi cung cấp gửi đến nơi yêu cầu. Primitives Primitive là một dạng truyền tin giữa lớp chính và lớp con.Trong đó chứa thông tin truyền tải và thông tin điều khiển. Hai dạng primitive được sử dung nhiều nhất là: Request primitives được gởi từ dịch vụ yêu cầu đến dịch vụ cung cấp.Một thiết bị yêu cầu dùng request primitive để yêu cầu sự phục vụ hay một tài nguyên. Indication primitives được gởi từ dịch vụ cung cấp đến dịch vụ yêu cầu để thông báo thông tin mà dịch vụ yêu cầu đã được thực hiện. Một primitive có thể được viết dưới dạng: Layer/sublayer-Primitive_name.Primitive_Types (Parameters). Trong đó: Layer/sublayer là tên của dịch vụ cung cấp,chỉ có thể là PHY (physical layer) hoặc MAC (MAC sublayer). Primitive_name là tên riêng biệt của kênh. Primitive_Types là dạng primitive như request hay indication. Parameters là thông số được mang theo primitive như kích thước của dữ liệu. Ví dụ: Khi lớp phụ MAC yêu cầu lớp PHY truyền dữ liệu trên kênh F-CCCH,lớp phụ MAC gửi 1 prequest primitive đến lớp PHY: PHY-FCCCH.Request (sdu,…,num_bits). Lớp con hợp nhất Bao gồm kênh chung và kênh chuyên dụng có nhiệm vụ sắp xếp giữa các kênh vật lý và các kênh logic. Sự sắp xếp giữa kênh vật lý và kênh lo._.