Hệ thống thông tin di động 3G

n đến thoại phạm vi phát triển ở cấp quốc gia, cấp vùng. Sử dụng là kỹ thuật tương tự hoặc bán tương tự, các tiêu chuẩn kỹ thuật không thống nhất rộng rãi. Do vậy các hệ thống thông tin di động 1G không có khả năng tương thích lẫn nhau. Do nhu cầu sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, bắt đầu từ hệ thống thông tin di động số thế hệ thứ hai (Second Generation – 2G) có khả năng tương thích và đồng nhất trong môi trường quốc tế, có khả năng phục vụ một khu vực (ví dụ khu vực châu Âu hay Bắc Mỹ). Ngoài dịch vụ thoại truyền thống hệ thống 2G còn có khả năng cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ thấp và các dịch vụ bổ xung khác. Do các tiêu chuẩn chỉ thống nhất trong phạm vi khu vực cho nên tồn tại một số hệ thống 2G sử dụng các kỹ thuật GSM (Global System for Mobile communication), CDMA – IS 95 và PDC (Pacific Digital Communication).Trong đó hệ thống GSM do châu Âu phát triển là được sử dụng rộng rãi nhất. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (Third Generation – 3G) ra đời với mục tiêu hình thành một hệ thống thông tin di động thống nhất trên toàn thế giới, cung cấp các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet tốc độ cao, truyền hình, ảnh, số liệu… chất lượng cao. Một số yêu cầu cơ bản đối với hệ thống 3G Tốc độ truyền dữ liệu cao 144Kbps hoặc 384Kbps cho vùng phủ rộng ngoài trời (macro) và 2Mbps cho vùng phủ hẹp trong nhà(pico). Chất lượng thoại tương đương mạng hữu tuyến. Hỗ trợ cả chuyển mạch kênh và gói, truyền dữ liệu không đối xứng. Có thể cung cấp cả dịch vụ di động và cố định. Có khả năng chuyển vùng quốc gia và quốc tế, hỗ trợ cấu trúc cell nhiều lớp. Cơ cấu tính cước mới theo dung lượng truyền thay cho theo thời gian như hiện nay. Tiến trình nâng cấp từ 2G lên 3G Quá trình phát triển từ 2G lên 3G có ba khía cạnh thể hiện ở hình A.1. Sự chuyển đổi về kỹ thuật: Sự chuyển đổi về kỹ thuật là con đường phát triển chỉ rõ phương thức để triển khai các phần tử mạng và loại công nghệ để thực thi kỹ thuật đó. Đây chính là bước phát triển trực tiếp theo các xu hướng chung về mặt cho công nghệ. Bởi vì các phần tử mạng là yếu tố tạo lập nên mạng, nên về mặt lý thuyết sự chuyển đổi về mặt kỹ thuật sẽ tương ứng với sự phát triển mạng. Trong giai đoạn một, do tính chất mở của các giao diện được định nghĩa trong chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống, mạng 3G có thể được kết hợp từ nhiều chủng loại thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Sự chuyển đổi về kỹ thuật có thể xử lý được điều này tuy nhiên với sự khác nhau về tốc độ và bước triển khai cụ thể trong mối kết hợp của các thiết bị giữa các hãng khác nhau và yêu cầu thích ứng với các thay đổi của chỉ tiêu kỹ thuật 3G nên trong nhiều trường hợp nếu không xem xét thấu đáo thì kết quả có thể không như mong muốn. Sự chuyển đổi về dịch vụ: Khác với chuyển đổi về mặt kỹ thuật, sự chuyển đổi dịch vụ dựa trên nhu cầu của người sử dụng và nhu cầu này có thể là thực tế hoặc chỉ là tưởng tượng. Đôi khi các nhà khai thác mạng và chế tạo thiết bị cung cấp các dịch vụ vượt qua sự kỳ vọng của các thuê bao. Rõ ràng nếu hai yếu tố này không tương đồng thì việc kinh doanh các dịch vụ thông tin di động sẽ khó khăn. Sự chuyển đổi mạng: Chỉ tiêu kỹ thuật của 2G đảm bảo tính mở của các giao diện quyết định nên thành phần chuẩn của hệ thống 2G. Bởi vì có giao diện mở này, nhà khai thác mạng có thể sử dụng các thiết bị mạng khác nhau từ các Hãng cung cấp thiết bị mạng 2G khác nhau. Tính mở của giao diện được thể hiện là nó xác định một cách nghiêm ngặt các chức năng hệ thống thực hiện tại giao diện này, đồng thời xác định rõ các chức năng nào cho phép nhà khai thác có thể sử dụng trong nội bộ mạng tại hai phía của giao diện này. Để đảm bảo GSM nâng cấp lên UMTS Đáp ứng được các dịch vụ mới đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống GSM sẽ được chuyển đổi từng bước sang thế hệ 3. Có thể tổng quát quá trình này như sau: a. Hệ thống GSM Hệ thống GSM chia thành các phân hệ gồm phân hệ chuyển mạch (NSS), phân hệ trạm gốc(BSS), phân hệ khai thác(OSS) và trạm di động (MS) như miêu tả ở hình A.3. Phần tử nguyên tố của hệ thống là ô, hay còn gọi là tế bào (cell), mỗi ô do một trạm thu phát gốc (BTS) điều khiển. BTS làm việc ở một tập hợp các kênh vô tuyến . Các kênh này khác với các kênh lân cận để tránh giao thoa. Nhiệm vụ của BTS là thu phát tín hiệu tới/từ MS , quản lý tìm gọi và cấp kênh vô tuyến cho MS. Bộ điều khiển trạm gốc (BSC) quản lý một số BTS . BSC điều khiển các chức năng như chuyển giao và điều khiển công suất, quản lý tìm gọi và cấp kênh vô tuyến cho MS. Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC) điều khiển một số các BSC. MSC điều khiển các cuộc gọi tới/từ máy di động (MS). Các MSC có chức năng cổng (GMSC) được kết nối với các mạng ISDN, PSTN… để có thể đảm bảo liên lạc giữa mạng di động và các mạng này. Do đặc tính của MS là luôn di động, cần phải có một bộ phận luôn cập nhật vị trí của các MS để thiết lập kênh liên lạc. Cơ sở dữ liệu của MS được lưu dữ trong bộ ghi định vị thường trú (HLR). Các dữ liệu này bao gồm các thông tin về dịch vụ của thuê bao, các thông số nhận thực, vị trí của MS. Khi MS di động, nó sẽ gửi các thông tin vị trí của mình tới cơ sở dữ liệu gốc của nó đặt trong HLR. Khi thuê bao ở nơi khác muốn gọi đến MS ,hệ thống sẽ gửi dữ liệu yêu cầu tìm vị trí của MS tới HLR để xác định xem MS hiện đang ở vùng phục vụ nào trong mạng di động, từ đó hệ thống di động sẽ điều khiển việc nối thông giữa thuê bao gọi với MS. HLR được nối với trung tâm nhận thực (AUC). Chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho việc bảo mật. MSC được nối với bộ ghi định vị tạm trú (VLR). VLR là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC. Khi MS đi vào vùng phục vụ của một MSC mới, VLR của MSC này sẽ gửi yêu cầu về các thông số của MS tới HLR. HLR khi đó sẽ cung cấp các thông số của MS cho VLR này. Đồng thời HLR cũng được VLR thông báo về vị trí hiện thời của MS (MS đang ở vùng phục vụ MSC nào). Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông số cần thiết để thiết lập cuộc gọi mà không cần phải thông qua HLR. Như vậy có thể coi VLR như một HLR tạm thời của MS. Do dung lượng trao đổi thông tin giữa MSC và VLR rất lớn nên hai khối này thường được đặt ở cùng một vị trí hoặc tích hợp lại một thiết bị. Mỗi MS có một SIM (Subcriber Identity Module), SIM cùng với thiết bị trạm ME (Mobile Equipment) hợp thành máy di động MS. Hệ thống đăng ký với MS chính là đăng ký với SIM, tức là một thuê bao đăng ký các thông số với mạng thông qua SIM chứ không phải qua ME. Do đó thuê bao có thể dùng SIM với một ME khác để gọi. Tuy nhiên để tránh trường hợp mất cắp máy di động, hệ thống di động sử dụng bộ nhận dạng thiết bị EIR để quản lý ME. Mỗi ME có mốt số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI. Thông số này được đăng ký và kiểm soát qua EIR. Bằng cách đó, EIR có thể cấm một thiết bị có thông số không được khai báo liên lạc với hệ thống. Bộ nhận dạng thiết bị (EIR) được nối với MSC qua một đường báo hiệu. Nếu một thuê bao cố định thuộc mạng PSTN muốn liên lạc với một thuê bao di động, mạng PSTN sẽ hướng cuộc gọi này tới MSC có chức năng cổng (GMSC). GMSC sẽ tìm ra vị trí của MS cần liên lạc bằng cách hỏi HLR nơi MS đăng ký. HLR sẽ trả lời về địa chỉ vùng MSC/VLR phục vụ nơi MS đang hoạt động. GMSC sau đó có đủ thông tin để định tuyến cuộc gọi đến vùng MSC hiện đang quản lý MS . MSC này sẽ hỏi VLR của nó về vị trí vùng định vị cụ thể của MS. Sau đó MSC ra lệnh cho BSC ở vùng định vị của MS phát thông báo tìm gọi MS. Tên chung cho trung tâm dịch vụ gọi node mạng tương ứng là phần dịch vụ giá trị gia tăng VAS (Value Additional Service) như hình A.4 VAS đơn giản nhất cũng gồm hai loại thiết bị: trung tâm dịch vụ tin ngắn SMSC (Short Message Service Center) và hệ thống thư thoại VMS (Voice Mail System). Về mặt kỹ thuật, VAS đảm bảo cung cấp một số loại dịch vụ nhất định bằng cách sử dụng các giao diện chuẩn với mạng GSM và nó có thể có hoặc không có các giao diện ra các mạng khác. Trên quan điểm phát triển dịch vụ, VAS là bước đầu tiên để tạo doanh thu với các dịch vụ giá trị gia tăng trên mạng GSM. Khái niệm mạng thông minh IN (Intelligent Network) được tích hợp cùng với mạng GSM. Về mặt kỹ thuật, nó làm thay đổi cơ bản các phần tử của mạng chuyển mạch nhằm thêm vào chức năng IN, ngoài ra bản thân mạng IN là một bộ phận tương đối phức tạp. IN có khả năng phát triển dịch vụ hướng tới tính cá nhân và nhà khai thác mạng có thể nhờ IN để đảm bảo an toàn kinh doanh, ví dụ các thuê bao trả trước hầu hết được triển khai nhờ công nghệ IN. b. Giai đoạn HSCSD Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD : Hight Speed Circuit Switched Data) là dịch vụ cho phép tăng tốc độ dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh hiện nay của mạng GSM từ 9.6 Kbps lên 14,4 Kbps. Để tăng tốc độ số liệu người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn. Có thể kết hợp từ 1 đến 8 khe thời gian để đạt được tốc độ tối đa là 64 Kbps cho một người sử dụng. Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ lên tới 8*14,4 Kbps, như vậy có thể đạt tới tốc độ trên 100 Kbps. Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ở IWF (chức năng kết cuối mạng) của tổng đài MSC và ở chức năng TAF (chức năng thích ứng đầu cuối) của MS. Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này. Một tính năng đặc biệt của HSCSD là nó hỗ trợ cả kết nối đối xứng lẫn không đối xứng. Chế độ phát không đối xứng thường được sử dụng ở Internet khi cần nhiều khe để truyền nhanh số liệu ở đường xuống (khi tải số liệu từ mạng về máy chẳng hạn). Cấu trúc của HSCSD được xây dựng với yêu cầu tương thích với cơ sở hạ tầng mạng và giao diện vô tuyến hiện tại của GSM. Sự khác biệt của HSCSD so với GSM phần lớn nằm ở các giao thức báo hiệu và truyền dữ liệu. Để thiết lập kênh lưu lượng, trong giai đoạn thiết lập cuộc gọi, thuê bao sử dụng HSCSD sẽ thỏa thuận với mạng về một tập các tham số bao gồm tốc độ truyền, số lượng kênh, phương pháp mã hoá kênh…Các tham số này có thể được nhập vào máy di động bằng các lệnh GSM AT. Việc tính cước cho một cuộc gọi HSCSD được thực hiện dựa trên số lượng các kênh TCH mà máy đầu cuối sử dụng. Thuê bao chủ gọi sẽ phải trả cước cho tất cả các kênh TCH mà thuê bao này sử dụng. Việc tính cước có thể được căn cứ vào số lượng kênh và phương thức mã hoá kênh. Cấu trúc mã hoá kênh Cấu trúc của HSCSD bao gồm các kênh lưu lượng độc lập với nhau, được thiết lập giữa MS và mạng. Các kiểu kênh lưu lượng có thể được sử dụng bao gồm TCH/F4.8, TCH/F9.6 và TCH/F14.4 có tốc độ dữ liệu tương ứng là 4,8 ; 9,6 ; 14,4 Kbps. Để tối thiểu hoá chi phí phát triển HSCSD từ GSM, các trạm gốc hỗ trợ HSCSD có thay đổi không đáng kể so với GSM. Tuy nhiên phần thay đổi lớn nhất là ở BSC và MSC. Giao diện vô tuyến Trong cấu trúc của HSCSD, mỗi MS có thể sử dụng nhiều khe thời gian để truyền thông tin. Cấu trúc khe thời gian cũng như phương thức mã hoá kênh và ghép xen, các phương thức tương thích tốc độ, thuật toán nhảy tần, các chuỗi hướng dẫn xen, các chuỗi hướng dẫn trong HSCSD cũng được xây dựng giống như GSM để đảm bảo khả năng tương thích. Tuy nhiên thuật toán mật mã hoá được cải tiến hơn so với GSM. ở các hệ thống GSM, phương thức truyền tin là bán song công. Tuy nhiên đối với HSCSD, do sử dụng nhiều kênh thoại nên thời điểm thu và thời điểm phát dữ liệu có thể chồng lấn lên nhau. Do đó đòi hỏi máy đầu cuối phải có thiết kế phức tạp hơn đồng thời cấu trúc tần số vô tuyến cũng phải thay đổi để hỗ trợ khả năng phát và thu tín hiệu cùng một lúc. Hệ thống HSCSD có thể hoạt động theo phương thức truyền bất đối xứng. Các giao thức truyền dữ liệu HSCSD hỗ trợ các giao thức truyền dữ liệu trong suốt và không trong suốt. Các chức năng của giao thức truyền dữ liệu phần lớn được đặt tại khối chức năng tương thích đầu cuối TAF của MS và ở khối IWF của hệ thống. Truyền dữ liệu trong suốt: Việc truyền dữ liệu trong suốt được xây dựng dựa trên giao thức V110 của ISDN. Việc biến đổi tốc độ từ 12Kbps (tốc độ của giao diện vô tuyến) sang 16 Kbps (tốc độ báo hiệu của ISDN) được thực hiện bằng cách cắt 20 bit đồng bộ ra khỏi khung 80 bit của V110. Do sử dụng nhiều kênh lưu lượng nên trong cấu trúc khung V110 của HSCSD sẽ dư ra một số bit trạng thái, các bit này sẽ có thể được sử dụng cho việc đồng bộ giữa các kênh thoại. Truyền dữ liệu không trong suốt: Dịch vụ truyền dữ liệu không trong suốt được dựa trên cấu trúc liên kết vô tuyến RLC giữa MS và IWF. RLC sẽ chịu trách nhiệm đánh số khung và phát lại các khung lỗi để đảm bảo bên thu nhận được các khung theo thứ tự không có lỗi. c. Giai đoạn GPRS Cấu trúc mạng GPRS được xây dựng trên nền tảng mạng GSM đang tồn tại. Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho lưu lượng chuyển mạch kênh nên việc đưa dịch vụ chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị cho mạng. Một mạng GPRS gồm các phần sau: Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN-Serving GPRS Support Node). Nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN-Gateway GPRS Support Node). Một mạng Backbone nối các nút SGSN và GGSN với nhau Một domain name server sử dụng cho mục đích biên dịch địa chỉ Một Border Gateway để đảm bảo an toàn cho mạng GPRS PLMN từ: Lưu lượng,báo hiệu không mong muốn từ các GPRS PLMN khác Lưu lượng giữa các mạng Backbone PLMN được tạo ra từ các nguồn truy cập trái phép. Giao diện vô tuyến của GPRS sử dụng các tính năng cơ bản của giao diện vô tuyến GSM. Như vậy cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều có thể sử dụng sóng mang. Tuy nhiên mạng đường trục của GPRS được thiết kế sao cho nó không phụ thuộc vào giao diện vô tuyến. Các thành phần của mạng GPRS: Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN): SGSN phụ trách việc phân phát và định tuyến các gói số liệu giữa máy cầm tay MS và các mạng truyền số liệu bên ngoài. SGSN có các chức năng chính sau: Quản trị di động: quản lý việc nhập mạng, rời mạng của thuê bao GPRS, quản lý vị trí hiện diện của thuê bao trong vùng phục vụ, thực hiện chức năng bảo mật, an ninh cho mạng… Định tuyến và truyền tải các gói dữ liệu đi đến hay được xuất phát từ vùng phục vụ của SGSN đó. Quản lý các trung kế logic bao gồm các kênh lưu lượng gói dữ liệu, lưu lượng các bản tin ngắn (SMS). Thiết lập hay huỷ bỏ các giao thức dữ liệu gói PDP phục vụ cho việc truyền tải các gói dữ liệu PDP giữa thuê bao GPRS và GGSN thông qua hai giao diện Gn và Gb. Thực hiện kỹ thuật nén dữ liệu được truyền tải giữa SGSN và máy di động nhằm nâng cao hiệu quả của các kết nối trong mạng. Cung cấp các khả năng kết nối với các phần tử khác trong mạng như: SGSN-MSC/VLR, HLR,BSC… Cung cấp khả năng tương tác với mạng GSM khi cả hai công nghệ này cùng sử dụng chung một nguồn tài nguyên. Điều hành việc xếp hàng các gói dữ liệu trao đổi giữa trạm gốc BSS và SGSN. Cung cấp dữ liệu phục vụ cho việc tính cước, các thông tin phục vụ tính cước được thu thập tại SGSN chỉ liên quan đến phần sử dụng mạng vô tuyến của thuê bao. SGSN tương tự như MSC/VLR trong vùng chuyển mạch kênh nhưng thực hiện các chức năng tương tự ở vùng chuyển mạch gói. Các chức năng này bao gồm: quản lý di động, bảo an và các chức năng truy nhập. Vùng phục vụ của SGSN được chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area), các vùng này tương tự như vùng định vị ở vùng chuyển mạch kênh. Khi máy di động GPRS chuyển động từ một RA này đến một RA khác nó thực hiện cập nhật vùng định tuyến cũng giống như cập nhật vùng định vị ở vùng chuyển mạch kênh. Chỉ có một sự khác nhau duy nhất là MS có thể thực hiện cập nhật vùng định tuyến ngay cả khi đang xảy ra phiên số liệu. Theo thuật ngữ của GPRS thì phiên dữ liệu đang xảy ra này được gọi là ngữ cảnh giao thức số liệu gói (PDP Context: Packet Data Protocol Context). Trái lại khi một MS đang tham dự một cuộc gọi chuyển mạch kênh, sự thay đổi vùng định vị không dẫn đến cập nhật vùng định vị. Nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN): Nhìn về mặt hệ thống, GGSN đóng vai trò như một GMSC. GGSN cung cấp một giao diện cổng phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu giữa các thuê bao với các mạng số liệu gói bên ngoài (PDN). Nó cung cấp địa chỉ định tuyến cho các dữ liệu được phân phối tới máy di động và gửi các số liệu xuất phát từ máy di động tới địa chỉ đã được chỉ định. GGSN cũng tương tác với các mạng chuyển mạch gói ngoài và được kết nối SGSN theo giao thức IP dựa trên mạng đường trục GPRS. GGSN còn có các chức năng chính như sau: Cung cấp giao diện giữa mạng GPRS với các mạng dữ liệu bên ngoài. Định tuyến và truyền tải dữ liệu giữa SGSN và các mạng dữ liệu GPRS. Quản trị các phiên làm việc GPRS, thiết lập thông báo về phía các mạng bên ngoài. Cung cấp khả năng chuyển đổi khuôn dạng các gói dữ liệu được trao đổi giữa mạng GPRS và các mạng dữ liệu khác. Cung cấp dữ liệu phục vụ cho việc tính cước, các thông tin được thu thập tại GGSN chỉ liên quan đến phần sử dụng dữ liệu bên ngoài. Điều khiển việc truy nhập trên GGSN. Phân hệ trạm gốc BSS: Phần BSS cung cấp tất cả các chức năng điều khiển và truyền dẫn thông tin phần vô tuyến của mạng. Bao gồm các thành phần: Khối điều khiển dữ liệu gói PCU (Packet Control Unit): PCU có nhiệm vụ kết hợp các chức năng điều khiển kênh vô tuyến GPRS với phần hệ thống trạm gốc BSS của mạng GSM hiện tại, PCU được đặt tại bộ điều khiển trạm gốc BSC và phục vụ BSC đó. PCU là một phần tử mạng logic chịu trách nhiệm đối với một số chức năng liên quan đến GPRS như: điều khiển truy nhập giao diện vô tuyến, lập biểu gói trên giao diện vô tuyến, phân tách và lắp ráp lại gói. Nói chính xác hơn PCU có thể được đặt tại BTS, BSC, hay tại SGSN. Một cách logic có thể coi PCU như là một bộ phận của BSC và trên thực tế ta thấy PCU thường được kết hợp vật lý với BSC. Bộ điều khiển trạm gốc BSC: Trong mạng GPRS, BSC đóng vai trò trung tâm phân phối, định tuyến dữ liệu và thông tin báo hiệu GPRS. BSC cũng cung cấp tất cả chức năng liên quan đến phần BSS của mạng. BSC có thể thiết lập, giám sát và huỷ bỏ kết nối của các cuộc gọi chuyển mạch kênh cũng như chuyển mạch gói. BSC còn cung cấp các chức năng về chuyển vùng, thiết lập các tham số của các tế bào trong mạng. Trạm gốc BTS: BTS cung cấp khả năng ấn định các kênh vật lý tại khe thời gian cho cuộc gọi chuyển mạch trong mạng GSM và dữ liệu chuyển mạch gói GPRS. BTS kết hợp với PCU để thực hiện các chức năng về vô tuyến trong mạng GPRS. Phần chuyển mạch: Trung tâm chuyển mạch di động/ Bộ đăng ký tạm trú – MSC/VLR: MSC/VLR được sử dụng cho việc đăng ký và liên lạc với thuê bao nhưng không đóng vai trò gì trong việc định tuyến dữ liệu GPRS. Một MSC có thể được kết nối với một hoặc nhiều SGSN tuỳ thuộc vào lưu lượng thông tin. Trong hệ thống GPRS, MSC/VLR không được dùng cho thủ tục nhận thực thuê bao như trong hệ thống GSM mà thay vào đó là HLR, do đó SGSN sẽ nhận bộ ba thông số dành cho việc nhận thực từ bộ đăng ký thường trú/trung tâm nhận thực-HLR/AUC. Bộ đăng ký thường trú /trung tâm nhận thực- HLR/AUC: HLR lưu trữ tất cả các thông tin về thuê bao GSM cũng như GPRS. Thông tin về thuê bao GPRS được trao đổi giữa HLR với SGSN. Thêm vào đó, HLR được sử dụng trực tiếp cho việc nhận thực thuê bao thay cho MSC/VLR trong hệ thống GSM. AUC cung cấp bộ ba thông số dành cho việc nhận thực và thực hiện mã hoá đường truyền. Thủ tục nhận thực trong GPRS và GSM là như nhau, chỉ có quá trình mã hoá dường truyền là thay đổi so với hệ thống GSM, sự thay đổi này không tác động gì đến AUC, do đó không cần cập nhật AUC. Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị-EIR: EIR vẫn thực hiện chức năng như trong hệ thống GSM. EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến thiết bị đầu cuối MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị, một thiết bị không được phép sẽ bị cấm. Thiết bị đầu cuối GPRS (MS): Thiết bị đầu cuối GPRS có thể hoạt động được ở ba chế độ : Chế độ 1: máy đầu cuối di động có thể sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và gói đồng thời. Chế độ 2: máy đầu cuối không thể sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và gói đồng thời nhưng có thể sử dụng hai dịch vụ này theo kiểu liên tiếp nhau trên cơ sở các dịch vụ này được lựa chọn tự động. Máy đầu cuối di động có thể nhận được nhắn tin cho dịch vụ chuyển mạch kênh trong khi đang truyền tải dữ liệu dưới dạng gói. Chế độ 3: chỉ cho phép máy đầu cuối di động sử dụng một dịch vụ chuyển mạch kênh hay gói tại một thời điểm. Sự lựa chọn này được thực hiện bằng nhân công hoặc mặc định. Ngoài ba loại sử dụng nói trên, MS còn có một số đặc điểm quan trọng khác. Đặc điểm quan trọng dễ thấy nhất là khả năng sử dụng nhiều khe của thiết bị, đặc điểm này ảnh hương trực tiếp đến tốc độ truyền số liệu. Chẳng hạn một thiết bị có thể hỗ trợ 3 khe thời gian, trong khi đó thiết bị khác có thể chỉ hỗ trợ hai khe thời gian. Cũng cần lưu ý rằng GPRS không đối xứng: một MS có thể có số các khe thời gian khác nhau từ đường lên và đường xuống. Thiết bị cung cấp dịch vụ SMS-nhắn tin ngắn (SMS-GMSC và SMS-IWMSC): SMS-GMSC (Tổng đài di động có cổng cho dịch vụ nhắn tin ngắn) và SMS-IWMSC (Tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ nhắn tin ngắn) được kết nối với SGSN qua giao diện Gd nhằm cung cấp khả năng truyền tải các bản tin ngắn trên các kênh vô tuyến. Giai đoạn EDGE Một kỹ thuật điều chế mới có thể áp dụng tại giao diện vô tuyến là 8-PSK sao cho một ký tự có thể mang một tổ hợp 3 bit thông tin và do vậy tốc độ bit sẽ được cải thiện đáng kể. Khi kỹ thuật này được kết hợp vơí các kỹ thuật mã hoá kênh phức tạp, người ta có thể đạt được tốc độ dữ liệu 48 Kbps so với 9,6 Kbps cho một kênh ở GSM truyền thống và trong trường hợp này một bit thông tin chính là một ký tự tại giao diện vô tuyến. Kỹ thuật làm tăng tốc độ dữ liệu trên được gọi là EDGE ( Enhance Data Rates for Global/ GSM Evolution). Tuy nhiên giai đoạn này không áp dụng ở Việt Nam do đầu tư cho công nghệ rất đắt trong khi nhu cầu về dữ liệu chưa thực sự lớn và đặc biệt phải cạnh tranh với công nghệ 3G sắp được triển khai. Giai đoạn 3G Có hai họ công nghệ phổ biến hiện nay trên thế giới sẽ được triẻn khai ở Việt Nam trong một tương lai không xa đó là công nghệ W-CDMA và Cdma 2000. Hai công nghệ này được phát triển dựa trên những nền tảng của công nghệ 2G tương ứng là GSM và CDMA IS-95 CDMA IS-95 (cdma One) nâng cấp lên 3G Cấu trúc của hệ thống CDMA IS-95 cũng giống như các hệ thống cellular khác nghĩa là giống GSM. Hệ thống CDMA IS-95 có những đặc điểm chính như sau: CDMA IS-95 được tối ưu hóa cho việc triển khai ở Mỹ đẻ khắc phục những nhược điểm của hệ thống tương tự AMPS dùng song công phân tần FDD. Băng tần đường xuống và lên sử dụng băng 896Mhz đến 894Mhz và 824Mhz đến 849Mhz tương ứng. Máy di động hỗ trợ hoạt động CDMA trên các kênh AMPS từ 1013 đến 1023, 1 tới 311, 356 tới 644, 689 tới 694 và 739 tới 777. Các kênh CDMA được xác định bằng tần số và chuỗi mã. 64 hàm Walsh được dùng để phân biệt kênh đường xuống còn các tập bù mã PN dài được dùng để phân biệt các kênh đường lên. Các đặc tính điều chế và mã hóa được cho trong bảng sau: Điều chế QPSK Tốc độ chíp Tốc độ dữ liệu chuẩn Băng thông Mã hóa Cài xen 1,2288Mcps 9,600bps tốc độ đủ với RS1 1,25Mhz Chập với mã Viterbi Chi tiết về mã hóa một kênh đường lên và đường xuống khác nhau. Tín hiệu hoa tiêu (Pilot) được phát trong mỗi cell để giúp máy thu phát vô tuyến di động (Mobile Station – MS) phát hiện và bám tín hiệu đường xuống từ cell. Các nhà khai thác mạng CDMA IS-95 muốn có được khả năng mạng mới cho xử lý dữ liệu để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng có thể khai thác tốt các thế hệ công nghệ hiện tại cũng như tương lai. Với sự phát triển mạnh mẽ của của công nhệ những năm gần đây, Internet và Intranet, và các dịch vụ hình ảnh, dữ liệu khác đòi hỏi công nghệ phát triển để cung cấp các tin tức và thông tin cần thiết trực tiếp tới đầu cuối di động mở ra tiềm năng mới cho các nhà khai thác. CDMA IS-95B Mặc dù CDMA IS-95 không phải được thiết kế từ đầu cho truy nhập dữ liệu nhưng mạng này được thiết kế đồng bộ cho dịch vụ dữ liệu. Mạng CDMA IS-95 quản lý truyền thoại và dữ liệu theo phương thức giống nhau.Khả năng truyền dẫn tốc độ thay đổi cho phép CDMA IS-95 có thể xác định được tốc độ tuyền dữ liệu phù hợp cho lượng thông tin truyền đi, do vậy tài nguyên hệ thống chỉ sử dụng khi có yêu cầu. Do CDMA IS-95 sử dụng một “mạng trục” hóa cho cả thoại, nên các chức năng dữ liệu gói đã sẵn có trong các thiết bị. Công nghệ truyền dữ liệu gói CDMA IS-95 sử dụng giao thức dữ liệu số gói (CDPD) tương thích với TCP/IP cho phép kết nối di động với các mạng riêng của doanh nghiệp và tới các ứng dụng của một bên thứ ba. Việc bổ xung dữ liệu cho mạng CDMA IS-95 cho phép nhà khai thác tếp tục sử dụng các máy thu phát vô tuyến, thiêt bị mạng lõi, các thiết bị và hạ tầng đường trục cũng như máy cầm tay hiện tại của họ trong khi chỉ cần triển khai nâng cấp phần mềm có chức năng liên mạng. Khi nâng cấp từ IS-95Alên IS-95B cho phép tích hợp kênh và mã hóa để đạt tốc độ 64 – 115Kbps, đồng thời cải tiến các kỹ thuật chuyển giao mềm và chuyển giao cứng gữa các tần số. Các nhà chế tạo thiết bị cũng dã thiết kế chức năng IS-707 cho dữ liệu chuyển mạch gói, chuyển mạch kênh và Fax số cho các thiết bị theo công nghệ CDMA IS-95. Tiêu chuẩn Internet đề xuất cho thông tin di động còn gọi là Mobile IP hiện cũng là một giải pháp nâng cao cho các dịch vụ dữ liệu gói cơ bản. Mobile IP cho phép thuê bao của mình duy trì liên tục các kết nối dữ liệu và có một địa chỉ IP duy nhất khi thuê bao di chuyển giữa các phân hệ trạm gốc (Base Station System – BSS) và khi chuyển vùng sang một mạng CDMA khác. Cdma 2000 1X EV-DO, EV-DV Khi phát triển từ công nghệ giao diện vô tuyến IS-95 CDMA lên 3G 1X theo tiêu chuẩn Cdma 2000, các nhà khai thác có thể tăng gấp đôi dung lượng vô tuyến và khả năng xử lý tốc độ dữ liệu tới 144Kbps. Can thiệp chủ yếu ở các giai đoạn là ở lớp vật lý. Trong giai đoạn 1, tuổi thọ của pin máy di động được tăng gấp đôi do sử dụng kênh nhắn tin nhanh. Dịch vụ thoại cũng sẽ được cải thiện đáng kể do cải tiến các kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất. Để đạt tốc độ dữ liệu 144Kbps, giai đoạn 1 cũng nâng cao đặc tính kỹ thuật của các giao thức trong điều khiển truy nhập trung gian (Medium Acces Control – MAC) và trong giao thức liên kết vô tuyến (Radio Link Protocol – RLP). Mặc dù Cdma 2000 1x có thể cung cấp dung lượng thoại lớn hơn CDMA IS-95 bằng cách sử dụng đường liên kết coherent và điều khiển công suất nhanh ở đường xuống, đa số các nhà khai thác CDMA IS-95 (và Cdma 2000) vẫn mong muốn triển khai để đáp ứng một phần nhu cầu dịch vụ dữ liệu. Mặc dù đến 2001, các dịch vụ dữ liệu đã được triển khai thành công ở một vài nơi trên thế giới (ví dụ I-Mode của NNT DoCoMo ở Nhật Bản). Tuy cải tiến Cdma 2000 1x cho dịch vụ dữ liệu vô tuyến, người ta vẫn cố gắng duy trì sự tương thích với các dịch vụ thoại Cdma 2000 đã được triển khai vào đầu năm 2000. Nhóm phát triển CDMA (CDG), và tập đoàn công nghiệp các nhà sản suất và khai thác IS-95, dã đưa ra một đề xuất cải tiến Cdma 2000 dựa trên những phát triển trong 3GPP2. Tháng 6 – 2000, CDG đã đệ trình lên 3GPP2 một đề xuất về Cdma 2000 được phân thành hai giai đoạn: 1X-EV-DO(1X cải tiến chỉ cho dữ liệu) dựa trên đề xuất HDR và 1X-EV-DV (1X cải tiến cho cả dữ liệu và thoại) 1X-EV-DO Tiêu chuẩn 1X-EV-DO đề xuất một hệ thống lai TDMA/CDMAđể nâng cao dịch vụ dữ liệu trên một kênh 1,25Mhz ở đường xuống. Đường lên duy trì hầu hết các phần tử của đường lên Cdma 2000 có bổ xung thêm một số đặc tính cho phép nâng cao tốc độ dữ liệu. Một đặc tính chính của hệ thống 1X-EV là sử dụng thủ tục thích nghi tuyến. Đây là đặc tính cho phép phân bổ các thuộc tính vật lý khác nhau cho những người sử dụng khác nhau tùy theo tình trạng kênh của mỗi người sử dụng. Ví dụ thuê bao ở gần trạm gốc có thể được phân bổ tốc độ dữ liệu cao hơn thuê bao ở xa. Tốc độ dữ liệu trên đường xuống thay đổi được bằng cách sử dụng mã hóa và điêu chế thích nghi (AMC). AMC liên quan đến việc sử dụng các phương pháp điều chế dựa trên hiệu quả băng thông khác nhau ( như BPSK, QPSK, QAM) cùng với việc thay đổi tỉ lệ mã sửa sai trước (FEC). Dựa trên chất lượng kênh đường xuống của người sử dụng, cơ cấu mã hóa và điều chế cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao nhất được sử dụng. Ngoài ra, do dặc tính lưu lượng của dịch vụ dữ liệu (khác với thoại), 1X-EV-DO cho phép nhiều người sử dụng theo thời gian trên một kênh đường xuống dùng chung. Nhờ đó sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến. Do đó, cần có thêm phần mào đầu để sắp xếp người sử dụng trên đường xuống. Hơn nữa, việc phối hợp các trạm gốc trên đường xuống cho thủ tục chuyển giao mềm sẽ gặp khó khăn do các trạm gốc khác nhau có thể có những người sử dụng khác nhau. Do đó, trong hệ thống 1X-EV-DO, máy di động chỉ có thể thu dữ liệu từ một trạm gốc tại một thời diểm. 1X-EV-DV Công việc chuẩn hóa 1X-EV-DV được bắt đầu thực hiện ở 3GPP2 vào nửa cuối năm 2000 với một số đề xuất. Đề xuất hoàn thiện nhất cho 1X-EV-DV được đệ trình trong thời gian này là 1XTREME. Đề xuất này đưa ra một hệ thống thoại hoàn toàn tương thích với chế độ thoại của Cdma 2000 1Xvà cũng cho phép dùng chung kênh (giống 1X-EV-DO) cho các dịch vụ dữ liệu. Hơn nữa, một lớp điều khiển truy nhập trung gian được đưa ra để hỗ trợ dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho đường xuống và kênh truy nhập cho đường lên. Thực tế, đó là do 1XTREME chỉ đơn giản đưa ra một chế độ lưu lượng riêng nhằm nâng cao tốc độ dữ liệu đường xuống. Cơ sở phát triển của 1XTREME là việc phân bổ tài nguyên động cho người sử dụng dựa trên tải đưa ra. Nói cách khác, 1XTREME được thiết kế cho phép chủ động phân bổ tài nguyên theo thứ tự ưu tiên: tài nguyên đang có có thể được ưu tiên cho thoại hay thuê bao dữ liệu chuyển mạch kênh và phần tài nguyên còn lại có thể được dùng cho người sử dụng dữ liệu với mức tối đa. Tuy nhiên, người sử dụng dữ liệu theo mức tối đa vẫn có thể đạt được tốc độ cao bằng cách sử dụng các cơ cáu truy vấn tự động (Automatic Repeat Query – ARQ) nhanh và điều chế theo hiệu quả băng thông. Hơn nữa, các thuê bao thoại và chuyển mạch kênh trong hệ thống 1XTREME hoàn toàn sử dụng giao diện vô tuyến Cdma 2000. Cdma 2000 3X Triển khai giai đoạn 2G sẽ nâng cao khả năng của hệ thống và dịch vụ. Giai đoạn 2G về nguyên tắc sẽ hỗ trợ các loại kênh 6X, 9X và 12X. Khi đó sẽ có thể đáp ứng các dịch v._.ụ thực sự đa phương tiện. Giao thức kết nối vô tuyến cho dữ liệu gói RLP hỗ trợ tốc độ dữ liệu tới 2Mbps và các dịch vụ đa phương tiện tiên tiến. Về phần dịch vụ và báo hiệu, giai đoạn 2 sẽ có cấu trúc báo hiệu cho các lớp trên. Cấu trúc và thiết bị mạng hiện tại có vai trò quan trọng khi nâng cấp lên 3G. Nếu mạng được xây dựng theo cấu trúc mở, có tính đến phương án mở rộng phát triển lên 3G 1X thì chỉ cần nâng cấp theo từng modul cho phần vô tuyến. Nếu mạng được cấu trúc kém linh hoạt hơn thì có thể phải tốn kém hơn nhiều để thay thế toàn bộ hệ thống BTS hiện tại. Trong phương án phát triển cũng cần phải có các nút dịch vụ dữ liệu gói (PDSN) đẻ có thể kết nối dữ liệu với các dịch vụ Internet và Intranet. Chương 2. Kĩ thuật CDMA sử dụng trong hệ thống 3G CDMA là một phương pháp đa truy nhập mới được sử dụng với mục đích tương tự như FDMA và TDMA. Tuy nhiên nó sử dụng kỹ thuật hoàn toàn khác so với các phương pháp đa truy nhập trước đây. Hình A.8 minh hoạ phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Trong CDMA tài nguyên vô tuyến được phân bổ dựa trên các mã giải ngẫu nhiên. Do vậy, những người sử dụng đồng thời có thể chiếm dụng cùng một băng tần trong cùng một khoảng thời gian. mỗi người sử dụng được gán cho một hoặc nhiều mã riêng biệt. Và những mã đó được sử dụng để phân biệt cell, kênh truyền dẫn và người sử dụng. Khác với các phương pháp truy nhập bị hạn chế bởi băng tần, can nhiễu giữa những người sử dụng ở đường lên trong hệ thống CDMA là can nhiễu quan trọng có liên quan đến dung lượng và chất lượng dịch vụ (QoS) của hệ thống. Dựa trên tín hiệu trải phổ được sử dụng trong quá trình điều chế, phương pháp đa truy nhập CDMA có thể được phân thành các nhóm như sau: CDMA trải phổ trực tiếp (DS-CDMA). CDMA nhảy tần (FH-CDMA). CDMA nhảy thời gian (TH-CDMA). CDMA điều chế hỗn hợp (HM-CDMA). CDMA đa sóng mang (MC-CDMA). DS-CDMA (Direct Sequence CDMA) Hình A.9 thể hiện sơ đồ khối của một hệ thống DS-CDMA . Số liệu người sử dụng chưa điều chế du(t) có thể là một dòng bit nhị phân nối tiếp (trong trường hợp một người sử dụng). Dòng số liệu này được điều chế bởi chuỗi mã p(t) có tốc độ bit cao hơn. Quá trình điều chế sẽ làm tăng độ rộng băng tần của tín hiệu băng gốc. Tín hiệu trải phổ băng gốc dm(t) cuối cùng được điều chế với một sóng mang vô tuyến vc trước khi truyền dẫn trên kênh truyền dẫn vô tuyến. Trong quá trình truyền dẫn kênh truyền bị gián đoạn bởi nhiễu đa đường, nhiễu ngẫu nhiên và các tín hiệu can nhiễu khác của kênh truyền, ký hiệu là n(t). Tín hiệu thu rrf(t) sau đó được giải điều chế để thu được tín hiệu trải phổ băng gốc rm(t). Khâu xử lý cuối cùng là khôi phục lại tín hiệu trải phổ ban đầu Tín hiệu băng gốc rm(t) thu được có thể được chia thành 3 loại theo các bộ giải điều chế tín hiệu trải phổ xử lý chúng. Loại tín hiệu thứ nhất là loại tín hiệu của người sử dụng cần thu. Loại thứ hai là tín hiệu của những người sử dụng khác (trong trường hợp nhiều người sử dụng), những tín hiệu này sẽ bị bộ giải điều chế loại bỏ, đây là những tín hiệu trực giao với tín hiệu của những người sử dụng cần thu. Loại tín hiệu cuối cùng là tất cả các tín hiệu khác như: tạp âm, can nhiễu, .... Những tín hiệu này làm gián đoạn tín hiệu cần thu. Trải phổ Trải phổ là quá trình điều chế với mục đích phân bố năng lượng tín hiệu trên một băng tần rộng (rộng hơn nhiều so với tín hiệu chưa điều chế). Trong hệ thống trải phổ trực tiếp, chuỗi giải ngẫu nhiên – PN (Pseudo Noise) được sử dụng để điều chế trực tiếp tín hiệu nhằm đạt được tín hiệu có băng tần rộng như trên hình A.10 Đặc tính ngẫu nhiên của chuỗi PN tạo cho tín hiệu trải phổ có dạng gần giống như tạp âm trắng. Với băng tần rộng, tín hiệu trải phổ có những ưu điểm như sau: Khả năng chống nhiễu bên ngoài và tổn hao đa đường. Khả năng chống nhiễu băng hep. Khả năng tái sử dụng phổ tần. Các nhiễu băng hẹp, các nhiễu xung và các can nhiễu khác chỉ có thể làm gián đoạn một phần của tín hiệu trải phổ. Do đó, những can nhiễu này chỉ làm giảm không đáng kể tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal – to – Noise Ratio ). Tín hiệu trong hệ thống trải phổ trực tiếp có dạng như nhiễu nền đối với những người sử dụng khác trong cùng băng tần. Do vậy nhiều người sử dụng có thể cùng chia sẻ một phổ tần và họ phân biệt với nhau bởi một mã xác định. Các chuỗi mã giả ngẫu nhiên Các chuỗi PN được sử dụng trong quá trình tạo tín hiệu ngẫu nhiên, mã hoá số liệu và trải phổ. Việc tạo chuỗi PN được thực hiện bàng cách sử dụng một thanh ghi M bit váo các đường hồi tiếp như trên hình A.11 (trường hợp M = 5). Chiều dài chuỗi số liệu đầu ra có thể đạt cực đại (Lmax): N = Lmax = 2M - 1 Các chuỗi PN có chiều dài cực đại được gọi là các chuỗi mã tuyến tính cực đại. Những chuỗi này được sử dụng trong các hệ thống trải phổ. Chuỗi PN có những đặc trưng sau: Cân bằng mã: số lượng bit 1 và số lượng bit 0 chỉ khác nhau 1 đơn vị. Tự tương quan: Với giá trị tín hiệu ±1, hàm tự tương quan của chuỗi PN nhân giá trị bằng -1 với tất cả các tín hiệu có độ sai pha lớn hơn 1 bit. Với tín hiệu không có sai pha, hàm tự tương quan có giá trị bằng N (chiều dài chuỗi PN) (hình A.12). Cộng modul 2: cộng modul 2 của một chuỗi PN với phiên bản dịch bit của chuỗi đó sẽ thu được kết quả là một bản dịch bit khác của chính chuỗi đó. Hàm tự tương quan liên tục của chuỗi PN được tính như sau: Trong đó : CCA() Hàm tương quan liên tục. p(t) Chuỗi PN, một hàm biến thời gian với các giá trị ±1. N Số lượng bit của chuỗi PN. Tc Chu kỳ một bit của PN. N.Tc Độ dài chuỗi PN. Việc đồng bộ trong máy thu DSSS được thực hiện bằng cách tìm giá trị cực đại của hàm tương quan CCA() tại đó tín hiệu được đồng bộ hoàn hảo (t = 0). Điều chế trong hệ thống DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) trường hợp một người sử dụng Trường hợp đơn giản nhất của việc điều chế DSSS: Phát và thu tín hiệu của một người sử dụng duy nhất. Trong trường hợp này, một mã giải ngẫu nhiên PN điều chế trực tiếp dòng số liệu nhị phân du(t). Băng tần của tín hiệu điều chế được mở rộng là do tốc độ bit cao của mã PN. Hệ số trải phổ(Fs) được định nghĩa là tỷ số của sòng số liệu trên chu kỳ (Tc) của mã PN (xem hình A.13). Việc điều chế có thể thực hiện theo hai cách tuỳ thuộc vào dạng số liệu đầu vào: Nếu tín hiệu vào là tín hiệu lưỡng cực (6A) thì việc điều chế sẽ được thực hiện bằng phép nhân tín hiệu. Nếu tín hiệu vào là tín hiệu nhị phân (0,1) thì điều chế được thực hiện bằng cách cộng modul 2 . Thông thường độ dài chuỗi mã ngẫu nhiên PN (N.Tc) lớn hơn hoặc bằng chu kỳ bit của một dòng số liệu Tb. Hình A.13 là trường hợp N.Tc > T Giải điều chế trong hệ thồng DSSS trường hợp một người sử dụng Việc khôi phục lại dòng số liệu ban đầu yêu cầu có đồng bộ giữa mã PN bên trong máy thu với mã PN chứa trong tín hiệu băng gốc thu được rm(t). Sau đó thực hiện giải điều chế (hay nén phổ) tín hiệu thu được và cuối cùng ở phần 0, trong phần này ta giả thiết là mã PN được đồng bộ hoàn hảo. Việc giải điều chế của tín hiểu trải phổ trực tiếp chuyển đổi tín hiệu điều chế băng rộng thành tín hiệu điều chế băng hẹp. Giải điều chế thực hiện chức năng xác định hay chức năng lọc. Chức năng xác định được thực hiện dựa trên giá trị tương quan (tương quan chéo) của tín hiệu thu rm(t) với mã ngẫu nhiên PN. Hình A.14 thể hiện sơ đồ khối đơn giản của máy thu DSSS, trong đó bộ tương quan được sử dụng ở bên trong bộ giải điều chế băng gốc. Đa truy nhập phân chia theo mã. Trong hệ thống CDMA DSSS, nhiều người sử dụng có thể cùng truyền và nhận tín hiệu trên cùng một phổ tần. Số liệu điều chế mỗi người sử dụng được coi như nhiễu đối với những người sử dụng khác. Việc phân biệt số liệu của mỗi người sử dụng được thực hiện bằng cách sử dụng các mã PN khác nhau để điều chế và trải phổ tín hiệu. Trong trường hợp lý tưởng K mã trực giao, K người sử dụng có thể truy nhập đồng thời. trực giao nghĩa là giá trị tương quan chéo của tín hiệu điều chế trải phổ trực tiếp với mã trải phổ PN của những người sử dụng khác nhau có giá trị bằng 0. Vấn đề đặt ra là khó có thể tìm được một bộ mã nhị phân trực giao trong môi trường truyền dẫn không đồng bộ của nhiều người sử dụng (không đồng bộ ở đây nghĩa là không đồng bộ giữa tín hiệu những người sử dụng khác nhau). Ta xét một ví dụ đơn giản: giá trị tương quan chéo của hai từ mã PN 7 chip: (1110100) và(1100101). Hàm tương quan của hai từ mã này được thể hiện trên hình A.15 Hàm tương quan chỉ đạt giá trị -1 tại 3 vị trí (2,-2,-3) trong khi hai từ mã được coi là trực giao. Thông thường hai người sử dụng độc lập có thể truyền dẫn không đồng bộ do vậy không thể đảm bảo là các từ mã tực giao và như vậy hai đường Truyền dẫn có thể gây can nhiễu cho nhau nhưng không có nghĩa là việc truyền dẫn nhiều người sử dụng không thể thực hiện được. Mà trái lại, các tín hiệu của người sử dụng khác có dạng tạp âm trắng và việc loại bỏ các tín hiệu này được thực hiện nhờ cơ chế tăng ích xử lý trong hệ thống thông tin trải phổ. Việc loại bỏ các tín hiệu can nhiễu không thể thực hiện một cách triệt để bằng cách sử dụng các mã trực giao. Tuy nhiên trong trường hợp truyền dẫn đồng bộ nhiều người sử dụng có thể dùng nguyên lý trực giao. Trong trường hợp này, số liệu truyền dẫn của mỗi người sử dụng được điều chế và được đóng gói trước khi truyền dẫn. Yêu cầu đối với các mã trải phổ là các mã này phải trực giao đồng bộ. Ví dụ về các hàm trực giao đồng bộ là các hàm sin và cos ở cùng tần số: các hàm này trực giao với nhau với điều kiện là phải duy trì độ sai pha 900. Đối với các từ mã có độ dài cho trước, có thể tồn tại một số mã trực giao đồng thời để tạo thành một không gian mã K chiều sử dụngcho việc truyền dẫ đường xuống ở trạm gốc. Các hàm Walsh là một bộ 2M mã trực giao đồng bộ được tạo ra từ các biểu thức đệ quy ma trận Hadamard. Hình A.16 thể hiện 7 trong số 16 mã Walsh có chiều dài 16. Trên hình A.16 từ mã đầu tiên là tín hiệu DC, từ mã 2,3 là tín hiệu số tương tự như tín hiệu sin và cos ở tần số cơ bản, từ mã 4,5 tương tự tín hiệu sin và cos ở các sóng hài. Từ mã thứ sau không giống với tín hiệu sin cos. 16 từ mã Walsh trực giao tương hỗ (giá trị tương quan chéo trên 16 chip bằng 0). Việc sử dụng mã trực giao khác nhau thực hiện để điều chế tín hiệu của mỗi người sử dụng. Hình A.17 là sơ đồ khối đơn giản của máy phát CDMA. Thông thường tốc độ của các mã trực giao bằng tốc độ của của mã PN do vậy các mã trực giao thực hiện trải phổ số liệu người sử dụng. Tuy nhiên trong thực tế, các mã trực giao có đặc tính tự tương quan rất tồi do đó không thể sử dụng để đồng bộ ở máy thu. Vì vậy vẫn phải sử dụng điều chế PN. Giải điều chế các tín hiệu CDMA Hình A.18 là sơ đồ khối đơn giản của máy thu CDMA. Các mã Walsh và mã PN có thể được trộn trước như ở trên hình A.18. Không giống như trường hợp một người sử dụng hàm tích phân không có dạng răng cưa mà có dạng phức tạp. Tuy nhiên tín hiệu đầu ra không thay đổi so với dạng tín hiệu phát lúc đầu vì tín hiệu đầu ra của bộ tương quan của những người sử dụng khác bằng 0. Có hai vấn đề quan trọng khi thực hiện giải điều chế: Độ tuyến tính của bộ tương quan để duy tri mối quan hệ trực giao của tín hiệu. Ví dụ như: đảm bảo tích phân tín hiệu của những người sử dụng không mong muốn. Dải động bộ tương quan phải lớn hơn so với trường hợp thu tín hiệu của một người sử dụng để có thể thu được tín hiệu có nhiều mứckhác nhau. Tăng ích xử lý Trong hai phần trước, ta đã phân tích việc thực hiện khôi phục tín hiệu người sử dụng mong muốn và loại bỏ tín hiệu của nhứng người sử dụng khác. Ngoài tín hiệu của các người sử dụng, trong phần này chúng ta xét đến tín hiệu khác là một thành phần của tín hiệu thu. Những tín hiệu này có thể được chia thành hai loại: tín hiệu can nhiễu băng rộng và tín hiệu can nhiễu băng hẹp. Tín hiệu can nhiễu băng rộng: bao gồm các nguồn nhiễu trắng, các tín hiệu trải phổ đa đường và tín hiệu DS-CDMA không đồng bộ. Tín hiệu can nhiễu băng hẹp: có thể là các tín hiệu sóng mang khi truyền dẫn quảng bá hoặc các xung nhiễu. Trong trường hợp can nhiễu của các sóng mang khác nhau (nhiễu đơn tần), tiến trình tương quan thực hiện trộn tín hiệu với một mã PN và cuối cùng tích phân tín hiệu trộn. Bước điều chế PN trong tiến trình tương quan thực hiện mã hoá tín hiệu sin một cách ngẫu nhiên và trải phổ tín hiệu đó giống như việc truyền dẫn trong hệ thống DSSS. Tín hiệu thu được có dạng giống như nhiễu băng rộng trước khi thực hiện tích phân. Bước tích phân làm quân bình can nhiễu, giảm sự biến thiên của chúng hoặc giảm công suất xoay chiều (AC). Trong trường hợp nhiễu băng rộng, bước điều chế PN có xu hướng làm phẳng phổ tần tín hiệu. Và cuối cùng, bước tích phân làm giảm công suất AC của tín hiệu can nhiễu. ở cả hai trường hợp, hiệu ứng quan bình của bộ tương quan sẽ làm giảm công suất tổng và do đó làm tăng SNR (giả sử mức công suất tín hiệu mong muốn được duy trì không đổi ) một lượng gọi là tăng ích xử lý Gp. Người ta định nghĩa tăng ích xử lý như sau: Gp = SNR0 / SNRi trong đó : SNR0 và SNRi tương ứng là SNR đầu ra và đầu vào của bộ tương quan; Gp cũng có thể định nghĩa bằng công thức: Gp = BWSS/BWD ≈ Tb / Tc = FS. trong đó BWSS và BWD là băng thông của số liệu trước và sau khi điều chế SS. Đồng bộ Trong phần này chúng ta sẽ phân tích việc định thời của mã PN tạo ra bên trong máy thu DSSS với mã PN trong tín hiệu thu rm(t). Thông thường quá trình đồng bộ thực hiện trong hai pha. Trong pha đầu tiên (pha bắt mã - aquistion ), có thể đạt được đồng bộ thô trong khoảng thời gian một chip (Tc). Tiếp theo là pha bám mã (tracking). Pha bám thực hiện đồng bộ tinh trong khoảng thời gian ngắn bằng một phần của Tc và duy trì trạng thái đồng bộ cho đến khi thực hiện việc giải điều chế. Pha bắt mã Việc đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính tự tương quan của chuỗi PN Bám mã được thực hiện bằng cách điều chỉnh đầu ra của bộ tương quan để so pha các chip kế tiếp cho đến khi phát hiện vùng giá trị tương quan đạt cực đại. Trong thực tế, có hai vấn đề nảy sinh là: chuỗi PN bị điều chế số và chuỗi cực đại. Trong thực tê, có hai vấn đề nảy sinh là: chuỗi PN bị điều chế số và chuỗi PN có thể dài hơn chu kỳ bit số liệu (N.Tc > Tb). Nế chiều dài chuỗi PN bằng chu kỳ bit Tb thì bám mã có thể thực hiện được bằng cách phát hiện các đỉnh âm hoặc dương. Nếu không có điều chế số, giả sử chuỗi PN dài hơn chu kỳ bit thì việc thực hiện tương quan lâu hơn trước khi tìm biên độ đỉnh. Khi cả hai điều kiện đồng thời xảy ra, thì quá trình phát hiện đỉnh có thể bị ảnh hưởng hoặc không thực hiện được. khi đó số liệu phải được giải điều chế trước khi thực hiện tương quan. Tuy nhiên, giải điều chế chỉ thực hiện được sau khi đã đồng bộ. Do vậy, sẽ tồn tại một nghịch lý. Để giải quyết vấn đề này có thể thực hiện theo một số cấch khác nhau. Một trong số đó là cách tính một phần giá trị tương quan có chiều dài Tb và cộng giá trị tuyệt đối thu được để đạt được giá trị tương quan toàn bộ. Theo cách này ta có thể thu được đúng gia trị đỉnh. Tuy nhiên các giá trị tương quan khác không bằng -1 như trong trường hợp lý tưởng. Ta thấy độ dự trữ nhiễu bị giảm. Do đó sẽ tăng khả năng bắt mã sai. Một giải pháp khác được sử dụng trong hệ thống CDMA là dành một kênh để truyền tín hiệu hoa tiêu sử dụng cho đồng bộ. Tín hiệu hoa tiêu không điều chế. Do vậy tín hiệu này có thể tạo ra đặc tính tự tương quan lý tưởng. Thời gian bắt tacq là khoảng thời gian máy thu đạt được đồng bộ thô mã PN, Thời gian bắt phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật thu. Có hai loại bộ tương quan là: Bộ tương quan trượt ( sliding correlator) và matched filter Pha bám mã. Đồng bộ mã được duy trì bằng cách sử dụng hai bộ tương quan bám trong cấu hình hồi tiếp gọi là vòng khoá trễ (DLL). một bộ tương quan bám (early) lấy mẫu tín hiệu vào nhanh hơn nửa chip so với bộ giải điều chế số liệu (data). Bộ tưong quan bám khác lấy mẫu tín hiệu vào chậm hơn một nửa chip so với bộ giải điều chế số liệu (xem hình A.19). Tín hiệu phản hồi được sử dụng để cân bằng đầu ra của hai bộ tương quan bám. Xét giá trị của hàm tương quan liên tục CCA(t) và đầu ra của các bộ tương quan bám theo 3 trường hợp: mã PN của máy thu nhanh pha hơn so với tín hiệu vào, cùng pha với tín hiệu vào và chậm pha hơn tín hiệu vào (xem hình A.20). Các bộ tương quan (sớm pha, cùng pha, chậm pha) thực hiện tương quan theo 3 pha chip kế tiếp nhau của tiếp nhau của tín hiệu đầu vào, các pha này lệch nhau 0.5Tc. Khi biên độ đầu ra của bộ tương quan sớm và chậm bằng nhau, thì bộ tưong quan số liệu sẽ đồng bộ hoàn hảo với tín hiệu vào, tín hiệu ra sẽ đạt giá trị đỉnh. MC-CDMA (Multi Carrier CDMA) Chuyển giao mềm và điều khiển công suất Chuyển giao mềm khác hẳn với chuyển giao cứng trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) hoặc đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. Với chuyển giao cứng, một quyết định xác định được đưa ra để xác định xem có chuyển giao hay không. Việc chuyển giao được khởi tạo và có hiệu lực mà không cần người dùng phải thâm nhặp để giao tiếp đồng thời với hai trạm (hoặc nhiều hơn) qua kênh lưu lượng. Trong chuyển giao mềm, một quyết định có điều kiện được tạo ra để xác định xem có chuyển giao hay không. Phụ thuộc vào sự thay đổi cường độ của tín hiệu hoa tiêu (Pilot) từ hai hay nhiều trạm gốc có liên quan, một quyết định cứng sẽ được đưa ra để giao tiếp với chỉ một trạm. Điều này thường xảy ra sau khi xác định rõ ràng rằng tín hiệu từ một trạm gốc mạnh hơn nhiều so với các tín hiệu đến từ trạm gốc khác. Trong giai đoạn chuyển tiếp, người dùng sẽ giao tiếp đồng thời với tất cả các trạm gốc qua kênh lưu lượng. Người ta mong muốn thực hiện chuyển giao mềm trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) có điều khiển công suất vì trong hệ thống này việc thực hiện chuyển giao cứng là tương đối khó. Trong một hệ thống có điều khiển công suất, hệ thống cố gắng điều chỉnh linh động công suất phát trong lúc hoạt động. Điều khiển công suất liên qua chặt chẽ đến chuyển giao mềm. CDMA dùng cả điêu khiển công suất và chuyển giao mềm như là cơ chế giảm nhiễu. Trong CDMA điều khiển công suất là công cụ chính để giải quyết vấn đề gần – xa. Về lý thyết, không cần thiết phải điều khiển công suất nếu có thể bổ xung thêm một máy thu thông minh hơn loại máy thu sử dụng trong hệ thống IS-95; đây là thiết bị thuộc loại tách sóng đa người sử dụng – một tính năng được đề suất trong hệ thống W-CDMA thế hệ 3 – (3G). Điều khiển công suất là cần thiết để một hệ thống CDMA đạt được mức hiệu suất hợp lý (vừa phải trong thực tế). Việc điều khiển công suất trong các hệ thốngCDMA đòi hỏi phải dùng chuyển giao mềm khi kênh cũ và kênh mới chiếm cùng một băng tần. Muốn điều khiển công suất để máy làm việc đúng, tại mọi thời điểm, máy di động phải cố kết nối với trạm gốc phát tín hiệu mà nó thu được là mạnh nhất. Nếu không sẽ vô tình tạo ra một vòng hối tiếp điều khiển công suất dương, gây các vấn đề mang tính hệ thống. Chuyển giao mềm có thể đảm bảo răng, tại bất kỳ thời điểm nào máy di động sẽ liên kết thực với trạm gốc phát tín hiệu mà nó thu được mạnh nhất, trong khi chuyển giao cứng không thể đảm bảo được điều nay. Hiệu năng của hệ thống CDMA rất nhạy so với sự chênh lệch về công suất tín hiệu thu được từ những người dùng ở liên kết đường lên. Do các người sử dụng khác nhau sử dụng các mã trải phổ không trực giao với nhau nên một tín hiệu nhiễu mạnh có thể lấn át tín hiệu mong muốn yếu, dẫn đến việc tách sóng không tin cậy ở giai đoạn sau. Điều này gọi là vấn đề gần - xa . Phần 2 . Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS Chương 1. Cấu trúc mạng 3G Giới thiệu cấu trúc mạng 3G Hệ thống 3G nhằm xây dựng cơ sở hạ tầng di động chung có khả năng các dịch vụ hiện tại và tương lai. Tuy nhiên sự thay đổi và phát triển của hệ thống 3G phải phù hợp với mạng hiện tại mà không ảnh hưởng tới các dịch vụ đang sử dụng. Vì thế cần tách biệt giữa kĩ thuật truy nhập, kĩ thuật truyền dẫn, kĩ thuật dịch vụ (điều khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng. Một số cấu trúc mạng cơ bản như sau: Mô hình khái niệm Mô hình cấu trúc Cấu trúc quản lí tài nguyên Cấu trúc dịch vụ và kênh mạng UMTS Mô hình khái niệm Theo mô hình khái niệm cấu trúc mạng được chia thành các hệ thống con dựa trên các cấu trúc thủ tục, lưu lượng cũng như các phần tử vật lí. Dựa trên lưu lượng mạng 3G có hai khối chức năng chính: khối chuyển mạch gói (PS) và khối chuyển mạch kênh(CS). Dựa trên cấu trúc thủ tục và nhiệm vụ mạng 3G được chia thành hai tầng: tầng truy nhập và tầng không truy nhập. Khái niệm tầng thể hiện cách mà các thủ tục liên kết với một khía cạnh của các dịch vụ được cung cấp bởi một hay nhiều khối chức năng Mô hình cấu trúc Hệ thống UMTS được xây dựng trên cơ sở GSM có xu hướng tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng GSM. Thiết bị đầu cuối mạng được gọi là UE gồm hai phần: Thiết bị di động – ME và Module nhận dạng dịch vụ UMTS – USIM. UE = ME + USIM Hệ thống con điều khiển truy nhập vô tuyến băng rộng có tên gọi chung là mạng tuy nhập vô tuyến RAN. Trong WCDMA được gọi là UTRAN hoặc UTRA. UTRAN được chia thành các hệ thống con RNS. Một RNS bao gồm các phần tử vô tuyến và phần tử điều khiển tương ứng. Phần tử vô tuyến là các BS phần tử điều khiển là các RNC. Các hệ thống RNS giao tiếp với nhau bằng giao diện Iur. Mạng lõi CN bao gồm tất cả các phần tử mạng có nhu cầu chuyển mạch và điều khiển thuê bao. Mạng lõi CN bao gồm tất cả các phần tử mạng có nhu cầu chuyển mạch và điều khiển thuê bao. Mạng lõi có hai khối chức năng chính khối chuyển mạch gói PS và khối chuyển mạch kênh CS. Khối thanh ghi có chức năng giống như mạng thường trú trong mô hình khái niệm lưu giữ các thông tin đăng kí và thông tin bảo mật. Cấu trúc quản lí tài nguyên Cấu trúc quản lí tài nguyên dựa trên cơ sở phân chia các chức năng quản lí chủ yếu sau: Quản lí kết nối (CM) Quản lí di động (MM) Quản lí tài nguyên vô tuyến CM bao gồm tất cả các thủ tục các chức năng liên quan đến việc quản lí kết nối của người sử dụng. CM được phân chia thành các phần nhỏ như: xử lí cuộc gọi, chuyển mạch kênh, phần quản lí các kết nối chuyển mạch gói, phần xử lí các dịch vụ hỗ trợ và dịch vụ nhắn tin. MM bao gồm tất cả các chức năng, các thủ tục quản lí di động và bảo mật như các thủ tục bảo mật kết nối, các thủ tục cập nhật vị trí.phần lớn các chức năng của MM được thực hiện bên trong mạng lõi. Tuy nhiên trong 3G chức năng của MM còn được thực hiện ở mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN) RRM bao gồm các thủ tục UTRAN thực hiện việc quản lí tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất chuyển giao và điều khiển tải hệ thống. Các chức năng điều khiển được kết hợp với các nhiệm vụ điều khiển sau: Điều khiển thông tin (COMC) duy trì các cơ chế như: 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 lí thiết lập kết nối vô tuyến và duy trì kết nối giữa UE với UTRAN. Cấu trúc dịch vụ UMTS Hệ thống 3G theo định hướng dịch vụ nhiều hơn so với mạng thông tin di động truyền thống. Theo quan điểm dịch vụ mạng 3G có cấu trúc như trên hình B-4 Đứng trên quan điểm cấu trúc dịch vụ mạng 3G và các phần tử của nó có thể chia thành bốn lớp khác nhau. Lớp truyền tải vật lí là lớp thấp nhất là nền tảng cho tất cả các lớp còn lại Lớp phần tử mạng hình thành do các nút sử dụng phương tiện truyền tải vật lí Lớp tao dịch vụ chứa các phần tử và chức năng tạo ra mỗi khối chức năng trong đó hình thành các dịch vụ phục vụ người sử dụng đầu cuối Lớp dịch vụ tạo ra ngữ cảnh cho các dịch vụ phức tạp Có hai quy tắc cho mô hình bốn lớp nói trên: Quy tắc A: lớp càng thấp thì chi phí đầu tư cho các phần tử mạng càng lớn nghĩa là trong hệ thống 3G tiền đầu tư cho các phần tử truyền dẫn và các phần tử mạng là nhiều nhất. Quy tắc B: lớp càng cao thì càng phải đầu tư nhiều cho ý tưởng. Đối với các lớp cao thì vấn đề công nghệ không còn thực sự quan trọng. Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Nhiệm vụ chính của UTRAN là tạo và duy trì các khênh mạng vô tuyến (RAB) để thực hiện thông tin gữa thiết bị di động (UE) với mạng lõi (CN). UTRAN nằm giữa hai giao diện mở là Uu và Iu nhiệm vụ của UTRAN là thực hiện các dịch vụ mạng qua các giao diện này. Nhiệm vụ đó được thực hiện với sự phối hợp của mạng lõi. Các kênh mang vô tuyến (RAB) thỏa mãn các yêu cầu QoS được thiết lập bởi mạng lõi (CN). Cấu trúc UTRAN ở lớp phần tử mạng gồm các hệ thống con mạng vô tuyến (RNS). Mỗi RNS gồm một số trạm gốc BS gọi là node B, giao diện Uu và một bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) Hình B.5 Các RNS giao tiếp với nhau sử dụng giao diện Iur giữa hai RNC. Iur là giao diện mở mang cả thông tin báo hiệu và lưu lượng. Trạm gốc Trạm gốc đặt giữa hai giao diện Uu và Iub (giao diện UMTS giữa BS và RNC). Nhiệm vụ chính của BS là thiết lập giao diện Uu với mạng và giao diện bằng cách sử dụng các lớp thủ tục dành cho các giao diện này. Cấu trúc bên trong của BS phụ thuộc vào nhà sản suất thiết bị. Tuy nhiên cấu trúc logic của nó trong hệ thống UTRAN có tính chất phổ biến. Theo quan điểm mạng. BS có thể phân chia thành các thực thể logic như hình B.6 Phía giao diện Iub, BS gồm hai thực thể: thực thể truyền tải dùng chung và một số điểm kết cuối lưu lượng (TTP). Thực thể truyền tải dùng chung có một cổng điều khiển node B để phục vụ cho việc vận hành và bảo dưỡng (O&M). Một TTP bao gồm một số ngữ cảnh thông tin node B. Ngữ cảnh thông tin node B gồm tất cả các nguồn tài nguyên dành riêng sử dụng khi UE hoạt động ở chế độ dành riêng. Do vậy một ngữ cảnh thông tin node B có ít nhất một kênh dành riêng DCH. Kênh phân chia hướng xuống DSCH cũng nằm trong khối ngữ cảnh này. Theo quan điểm cơ sở hạ tầng mạng UMTS, BS được coi như là một thực thể logic O&M, thực thể này phục vụ cho việc quản lí mạng. Theo khía cạnh mạng vô tuyến và phần điều khiển của nó, BS bao gồm một số thực thể logic khác gọi là cell. Một cell là thực thể nhỏ nhất của mạng vô tuyến và có một số nhận dạng ID riêng. Số nhận dạng này được nhận biết bởi các UE. Khi thực hiện cấu hình mạng vô tuyến số liệu về cell có thể thay đổi. Mỗi cell có một mã ngẫu nhiên riêng. UE nhận biết cell bằng hai số liệu đầu vào: mã ngẫu nhiên (khi UE đăng kí với cell) và cell ID (sử dụng cho topo mạng vô tuyến. Một cell có thể có một vài bộ thu phát TRX. TRX chuyển các thông tin quảng bá đến UE trên kênh vật lí điều khiển chung sơ cấp (P-CCPCH), nội dung kênh này chứa thông tin kênh quảng bá (BCH). TRX duy trì các kênh vật lí thông qua giao diện Uu, các kênh vật lí chứa các kênh truyền tải mang thông tin có thể là dùng chung hoặc dành riêng. Mỗi cell có tối thiểu một TRX. TRX là phần vật lí của BS thực hiện một số chức năng. Các dòng số liệu được truyền qua giao diện Iu đến đường truyền dẫn vô tuyến và ngược lại. Bộ điều khiển mạng vô tuyến Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) là phần tử chuyển mạch và điều khiển của UTRAN. RNC nằm giữa hai giao diện Uu và Iu. Ngoài ra, còn có giao diện Iur nằm giữa các RNS. Cấu trúc logic của RNC được thể hiện trên hình B-7 Chức năng RNC là điều khiển các ngữ cảnh thông tin của trạm gốc (node B) gọi là CRNC. Khi tính đến các kênh mang, RNC là điểm chuyển mạch giữa các kênh mang Iu và kênh mang vô tuyến (RB). RB liên quan đến ngữ cảnh của UE. Ngữ cảnh UE là một bộ các tiêu chuẩn dùng trong giao diện mở Iub để phân bổ các kêt nối chung và kết nối dành riêng giữa UE và RNC. Do UTRAN sử dụng phân tập vĩ mô, cho nên UE có thể có một số kênh mang vô tuyến (RB) giữa chúng và RNC (trong trường hợp chuyển giao mềm). RNC phục vụ SRNC chứa các kênh mang Iu cho một UE nhất định. Chức năng logic còn lại của RNC là DRNC. Khi ở chế độ làm việc DRNC, RNC tự xác định các ngữ cảnh UE. Các yêu cầu cho hoạt động này xuất phát từ SRNC thông qua giao diện Iur. Hai chức năng SRNC và DRNC có thể hoán đổi cho nhau. Trong trường hợp UE di chuyển trong mạng khi thực hiện chuyển giao mềm, UE được truy nhập hoàn toàn nhờ một RNC không phải là SRNC. RNC này thực hiện việc thiết lập kênh mang vô tuyến RB đầu tiên cho UE. Trong trường hợp đó, chức năng SRNC được chuyển cho một RNC xác định (RNC thực tế xử lí kết nối vô tuyến của UE). Thủ tục này được gọi là định vị lại SRNC hoặc SRNS. Chức năng của toàn bộ RNC có thể được chia làm hai nhóm chính: nhóm chức năng quản lí tài nguyên vô tuyến UTRAN và nhóm chức năng điều khiển. RRM là một tập hợp các thuật toán được sử dụng để đảm bảo sự ổn định của đường truyền vô tuyến và QoS của kết nối vô tuyến bằng cách chia sẻ và quản lí tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả. Chức năng điều khiển UTRAN bao gồm tất cả các chức năng liên quan đến việc thiết lập, duy trì và giải phóng các kênh mang vô tuyến (RB) với sự hỗ trợ của các thuật toán RRM. Các chức năng điều khiển của UTRAN Để có thể điều khiển và quản lí các kênh mang vô tuyến RB, UTRAN thực hiện các chức năng khác ngoài chức năng quản lí 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 nhập ngẫu nhiên. Quản lí các kênh mang vô tuyến RB. Các chức năng an toàn trong mạng UTRAN. Quản lí di động lớp UTRAN. Xử lí cơ cở dữ liệu. Định vị thuê bao. Cấu trúc mạng lõi Tiêu chuẩn 3GPP R99 3G đưa ra phương pháp truy nhập vô tuyến mới WCDMA. WCDMA và những biến thể của nó mang tính toàn cầu, do đó tất cả mạng 3G có thể chấp nhận việc truy nhập bởi thuê bao ở mạng 3G bất kỳ. Ngoài tính toàn cầu, WCDMA đã được nghiên cứu rất kỹ trong phòng thí nghiệm và đã chứng tỏ được hiệu quả sử dụng phổ tốt hơn (trong các điều kiện xác định) và phù hợp hơn cho việc truyền dữ liệu gói so với các truy nhập vô tuyến trên cơ sở TDMA. Công nghệ WCDMA và các thiết bị truy nhập vô tuyến của nó không tương thích với các thiết bị mạng GSM, điều đó giải thích tại sao khi thêm WCDMA vào mạng lại cần thêm một số thầnh phần mới như RNC (Radio Network Controller ) và BS (Base Station). Mặt khác, một trong các yêu cầu cơ bản của UMTS là là khả năng hoạt động đồng thời GSM/UMTS, ví dụ như việc chuyển giao giữa hai hệ thống khi truy nhập vô tuyến thay đổi từ GSM sang WCDMA và ngược lại trong một cuộc gọi. Khả năng này đòi hỏi hai yêu cầu cụ thể là: Thứ nhất, giao diện diện vô tuyến GSM phải thay đổi sao cho có thể phát quảng bá c._.t di động, băng tần trên có khả năng đáp ứng được. Tuy nhiên, với các dịch vụ tương tác đa phương tiện như: hội nghị truyền hình, hiển thị hình ảnh từ xa và các mạng khu vực cá nhân di động (PAN) yêu cầu băng tần lên tới 80 đến 100Mbps. Trong số các xu hướng nâng cấp công nghệ ở lớp vật lí, hiệu suất sử dụng phổ tần có vai trò quan trọng. Sự cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần dẫn đến tăng mật độ thuê bao trong cell và mở rộng vùng phủ sang của cell. Những nghiên cứu lớp vật lí bao gồm: Băng tần: Tài nguyên vô tuyến bị hạn chế. Các băng tần 806 – 960 Mhz và 1710 – 1885 Mhz đã được sử dụng trong các hệ thống GSM – 900 Mhz , GSM – 1800 và PSC. Hệ thống 3G yêu cầu phổ tần mở rộng cho các yếu tố sau: Tăng số lượng thuê bao, ước tính số thuê bao di động trên toàn cầu là 2 tỉ người vao năm 2010. Tốc độ tăng trưởng nhanh của các dịch vụ số liệu di động. Yêu cầu phổ tần chung toàn cầu để thực hiện chuyển vùng và giảm giá thành máy cầm tay. Do đó, hội nghị thông tin di động thế giới 2000(WRC 2000) xác định các băng tần 1900 – 2025 và 2110 – 2200 MHz được sử dụng cho triển khai hệ thống 3G pha khởi tạo và các hệ thống thông tin vệ tinh. Các băng tần 806 – 960 MHz 1710 – 1885 MHz và 2500 – 2690 MHz sẽ được sử dụng trong các pha sau của các hệ thống 3G. Do các hệ thống 4G sẽ yêu cầu băng tần rộng hơn, chẳng hạn như hai băng tần không giấy phép bao gồm: một băng ở dải tần 5GHz và một băng ở dải tần 60GHz. Băng tần thứ nhất đã được nhiều hệ thống vô tuyến băng rộng sử dụng, ví dụ như WLAN. Băng tần thứ hai có thể có độ rộng lên tới 5GHz. Tuynhiên băng tần này sẽ nảh hưởng nhiều bởi can nhiễu hệ thống. Các hệ thống anten thông minh MIMO: MIMO tận dụng các đặc tính của môi trường truyền dẫn. Các hệ thống anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten với việc xử lí tín hiệu thông minhvà có hiệu quả để tối ưu hóa tín hiệu thu. Những nghiên cứu trong lĩnh vực này bao gồm: việc xử lí không gian, các mảng thích nghi, các mảng pha và tạo chùm số. Các nghiên cứu chỉ ra hoạt động ở dải tần 60 GHz cần tăng số lượng điểm truy nhập, nhưng cho phép sử dụng các thiết bị đầu cuối rẻ tiền. Các hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực phải so sánh giữa vùng phủ sóng và các khả năng QoS với giá thành và hạ tầng của thiết bị đầu cuối. Tỉ lệ mã hóa - điều chế thích nghi: Để đạt được hiệu quả sử dụng băng tần, truyền dẫn tín hiệu tối ưu và có hiệu quả, các hệ thống 4G phải có khả năng thích nghi động với tỉ lệ mã hóa và điều chế của mào đầu dựa trên các điều kiện và các ước lượng về chất lượng của kênh truyền dẫn. Các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM với tỉ lệ mào đầu sửa sai bằng 1/2, 2/3 và 3/4 có thể được sử dụng ở các hệ thống này. Ngoài ra, ở hệ thống 60 GHz, can nhiễu có thể xuất hiện trong các cụm ngắn. Việc sử dụng công nghệ nghép kênh theo tần số trực giao (OFDM) ở các hệ thống 4G có thể tránh được can nhiễu giữa các sóng mang và tăng khả năng chống chịu của hệ thống đối với các kênh bị suy giảm. Các công nghệ mã hóa thoại mới như truyền dẫn không liên tục (DTX) có thể tiết kiệm băng tần truyền dẫn mà không cần hiện diện của tích cực thoại và mã hóa có tốc độ bit thay đổi (VBR). Các phương pháp mã hóa thoại mới tăng dung lượng mạng và cải thiện vùng phủ ở rìa cell, và có thể giảm khoảng 50% yêu cầudung lượng đối với dịch vụ thoại. Vô tuyến phần mềm (radio software): Đây là công nghệ vô tuyến cho phép tính linh hoạt của hệ thống 4G so với các mạng vô tuyến khác. Công nghệ này điều khiển các phần tử số của thiết bị cầm tay thuê bao tự động tự động nạp và khởi tạo các modun phần mềm phù hợp để đáp ứng công nghệ của khu vực hiện tại. Cấu trúc mạng và dịch vụ Để hỗ trợ thông tin di động đa phương tiện, đa tốc độ ở mọi lúc, mọi nơi, một mình hệ thống di động cellular không thể thực hiện được mục đích này một cách kinh tế. Hệ thống 4G sẽ thực hiện một mạng toàn IP (cả mạng truy nhập và mạng lõi) kết hợp các hệ thống cố định, hệ thống cự li ngắn, WLAN, hệ thống không dây, cellular và hệ thống quảng bá. Mạng sẽ tích hựp các giao diện và môi trường truyền dẫn vô tuyến khác nhau trên một nền tảng linh hoạt và có khả năng mở rộng. Các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau sẽ được kết nối đến một mạng lõi duy nhất dựa trên giao thức IP Các chức năng bao gồm: Lớp kết nối giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi IP bao gồm việc quản lí di động. Tương tác giữa các phương thức truy nhập: trong cùng một hệ thống hay giữa các hệ thống khác nhau, chuyển giao, thảo thuận về QoS, bảo mật và thuộc tính di động. Khả năng giao tiếp với các giao diện vô tuyến đang tồn tại và các giao diện vô tuyến mới. Cấu trúc mạng. 4G thay thế các mạng lõi di động hiện tại bằng mạng lõi duy nhất dựa trên giao thức IP để phục vụ cho việc điều khiển, truyền hình ảnh, số liệu gói và VoIP. Hệ thống 4G dựa rên mạng truy nhạp và lõi IP với việc quản lí có hiệu quả QoS dựa trên giao thức IP. IPv6 sẽ thay thế IPv4 bởi nó thích nghi tốt hơn đối với mạng di động ở khía cạnh dung lượng địa chỉ, quản lí Multicast, các cơ chế bảo mật, cơ chế QoS và quản lí di động. Hình C.2 và C.3 thể hiện cấu trúc mạng đề xuất cho hệ thống 4G, cấu trúc mạng mạng này tích hợp các thiết bị đầu cuối người sử dụng ở các hệ thống khác nhau như: các hệ thống WLAN, các hệ thống cellular, không dây (Wireless), các kết nối cự li ngắn, các hệ thống quảng bá và các hệ thống cố định vào một nền chung linh hoạt và có khả năng mở rộng. Điều đo cho phép các dịch vụ khác nhau có thể kết nối thông suốt đến mạng lõi dựa trên giao thức IP. Mỗi thiết bị có một số nhận dạng riêng, một số điện thoại, PIN hoặc địa chỉ IP cho tất cả các công nghệ truy nhập. Khả năng làm việc tương tác sẽ được yêu cầu giữa các hệ thống khác nhau dựa trên việc chuyển giao trong cùng một hệ thống và giữa các hệ thống khác nhau. Như đã chỉ ra trên hình D-3, mô hình 5 lớp được đề xuất với các lớp: lớp phân bố, lớp cellular, lớp điểm nóng, lớp mạng cá nhân và lớp cố định. Mức độ di động được hỗ trợ và kích thước vùng phủ của cell tăng từ lớp cố định tới lớp phân bố. Các hệ thống phát quảng bá hình ảnh và âm thanh số và các hệ thống vệ tinh là những công nghệ thuộc lớp phân bố. Lớp này có vùng phủ sóng toàn cầu và có khả năng hỗ trợ tất cả các cell, hỗ trợ tính năng di động và truy nhập toàn cầu. Các dịch vụ có thể được sử dụng ở các hệ thống này là: các kênh băng rộng đường xuống để hỗ trợ internet tốc độ cao, trong đó các hệ thống truy nhập khác có thể được sử dụng để thực hiện các yêu cầu số liệu và các tín hiệu phản hồi để thực hiện các dịch vụ bất đối xứng. Lớp cellular chứa các hệ thống 2G và 3G, các hệ thống này có dung lượng người sử dụng và tốc độ số liệu trên một đơn vị địa lí lớn và có tốc độ số liệu lên tới 2 Mbps. Các hệ thống này hỗ trợ vùng phủ toàn phần, đặc tính di động và chuyển vùng toàn cầu. Các ứng dụng đa phương tiện tốc độ trung bình của máy di động được thực hiện ở lớp này. Lớp điểm nóng bao gồm các hệ thống có dạng WLAN đang được phát triển như: kết nối HiperLAN/2, IEEE 802.11 hoặc hệ thống thông tin di động đa phương tiện tiên tiến MMAC. Các hệ thống này có một số đặc điểm rất linh hoạt như: các tốc độ số liệu được hỗ trợ, các phương thức điều chế thích nghi và các dịch vụ số liệu bất đối xứng. Lớp này hỗ trợ các ứng dụng có tốc độ bit rất cao và các kết nối đơn. Các hệ thống này được khai thác ở phạm vi công ty, trung tâm hội nghị và sân bay…Các thiết bị hotspot sẽ có cự li thông tin ngắn hơn so với lớp cellular, hỗ trợ vùng phủ khu vực, đặc tính di động khu vực và chuyển vùng toàn cầu. Lớp mạng cá nhân sẽ được sử dụng ở môi trường trong nhà và văn phòng được thực hiện dựa trên các thiết bị khác nhau như: máy sách tay, máy in, PDA và các ứng dụng gia dụng như: tủ lạnh, lò nướng, máy giặt sử dụng các bộ cảm biến thông minh. Đây sẽ là sự của một môi trường thông tin mọi nơi, trong đó môi trường sống của con người trở nên thông minh hơn chứa nhiều thiết bị thông tin không dây và máy tính nhỏ hơn. Các công nghệ hiện tại có thể được sử dụng như: Bluetooth, WiFi, HomeRF và DECT cũng như các công nghệ khác có thể sẽ xuất hiện trong tương lai người ta sắp cho ra đơi một công nghệ không dây cự li ngắn tốc độ rất cao bằng cách bắn vào không khí một lượng thông tin rất lớn. Các hệ thống này có thể được sử dụng để kết nối trực tiếp đến các hệ thống truy nhập trung gian hoặc tới các đầu cuối đa chế độ. Hệ thống này được trang bị khả năng kết nối giữa các thiết bị trong hệ thống cũng như kết nối tới mạng công cộng. Các hệ thống mạng cá nhân không có khả năng hỗ trợ đặc tính di động nhưng có khả năng hỗ trợ chuyển vùng toàn cầu. Cuối cùng, lớp cố định chứa các thành phần như: các hệ thống cáp quang, các hệ thống day xoắn các hệ thống cáp đồng trục. Các hệ thống có dung lượng lớn và có khả năng hỗ trợ các kết nối đơn. Khả năng tái cấu hình mạng Đặc tính tái cấu hình mạng là khả năng tái cấu hình đầu cuối cho phép thiết bị đầu cuối có thể chuyển vùng qua nhiều giao diện vô tuyến khác nhau bằng cách thay đổi cấu hình phần mềm; nó cũng cung cấp các dịch vụ động linh hoạt và thỏa hiệp truy nhập qua nhiều hệ thống mạng khác nhau sử dụng các nút mạng tối ưu trong kết nối đầu cuối đến đầu cuối. Điều này liên quan đến việc tái cấu hình của các lớp thủ tục, khả năng lập trình được của các nút mạng và khả năng tái cấu hình của các trạm gốc và các thiết bị đầu cuối. Yêu cầu là thực hiện điều khiển việc tái cấu hình phân bố. Hình D-4 mô tả khả năng tái cấu hình của nút bên trong và bên ngoài mạng. Việc tái cấu hình bên trong phải điều khiển tính chức năng của các nút mạng trước, trong và sau khi tái cấu hình và thỏa mãn các tiêu chuẩn và quy định truyền dẫn. Việc quản lí và tái cấu hình bên ngoài được yêu cầu để điều khiển lưu lượng đảm bảo các phương tiện truyền dẫn giữa các đầu cuối và các cổng mạng được đồng bộ và đảm bảo việc giám sát các cơ sở dữ liệu cần thiết sử dụng cho các phần mềm tái cấu hình có thể tải được. Đặc điểm cấu trúc mạng toàn IP Cấu trúc mạng di động thế hệ mới được mong đợi là sự hội tụ của các cấu trúc mạng phức hợp, phân bố và mạng toàn IP thay cho mạng lõi ATM truyền thống. Mạng lõi IP 4G sử dụng công nghệ chuyển mạch gói phi kết nối và giao tiếp thông qua các bộ định tuyến truy nhập với nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến trong nhà như: IEEE 802.11a, HiperLAN/2, Bluetooth… và các mạng cellular 3G/4G. Các bộ định tuyến cổng giao tiếp với mạng sử dụng dây dẫn và giao diện vô tuyến kế thừa từ các hệ thống thông tin trước đây như các mạng PSTN/ISDN và các công nghệ 2G/2G+ như: GSM, DCS, GPRS, CDMA. Việc quản lí di động đơn nhất cho phép xử lí chung các tham số của khách hàng và các địa chỉ internet, vị trí thuê bao và các chức năng nhận thực, chấp nhận nhân thực và thanh toán, thực hiện dễ dàng chuyển giao giữa các mạng vô tuyến của nhiều nhà sử dụng. Các mạng phân bố phức hợp và các mạng tự phát được sử dụng ở các băng tần không giấy phép sẽ cạnh tranh với mạng của các nhà khai thác và tạo ra các mạng trn cá nhân. Những lĩnh vực nghiên cứu đối với hệ thống 4G tập trung ở những vấn dề sau: Các mạng khu vực cá nhân/phức hợp: Các mạng thế hệ mới sẽ hỗ trợ tính linh động của các mạng phức hợp và các mạng thông tin cá nhân. Mạng khu vực cá nhân PAN chứa các thiết bị của người sử dụng mạng. Tích hợp giữa 3G và mạng LAN vô tuyến chiếm thị trường lớn và đang được kỳ vọng có tốc độ phát triển nhanh hơn nữa ở cả băng tần 2.4 GHz. Do có sự sử dụng rộng rãi của mạng LAN vô tuyến, các thuê bao di động trong tương lai sẽ có thể chuyển vùng thông suốt giữa mạng LAN vô tuyến và các mạng di động tế bào. Thủ tục đầu tiên có khả năng giải quyết vấn đề chuyển vùng là thủ tục IP vô tuyến. Lúc đó, nhiều thủ tục khác nhau sẽ được đề xuất để nhằm đối mặt với những hạn chế về QoS và trễ đường truyền có xu hướng gia tăng của thủ tục IP vô tuyến. Ví dụ như các thủ tục: IP vô tuyến có cấu trúc, IP tổ ong, chuyển giao nhận biết cơ sở hạ tầng truy cập Internet vô tuyến (HAWALL), IPv6 di động, IPv6 di động có cấu trúc và chuyển giao nhanh. Đặc tính di độngIP thông suốt: Đặc tính di động toàn cầu được mong đợi là một đặc điểm vô giá của mạng 4G. Bên cạnh việc tích hợp mạng LAN vô tuyến và mạng di động cellular, các mạng không dây 4G sẽ kết hợp nhiều nhà khai thác và nhiều công nghệ mạng để phủ sóng một vị trí địa lý đặc thù. Mỗi mạng GSM, DCS, GPRS, CDMAx, UMTS, Bluetooth, IEEE 802.11x, HiperLAN có thể phù hợp với nhiều tiêu chuẩn khác nhau và chứa số cell khác nhau, KHi có việc chồng lấn giữa các cell không nằm ngoài dự đoán. Bán kính logic và bán kính vật lí của cell và các đặc điểm truyền dẫn có thể thay đổi rất nhiều. Đặc biệt đối với các trường hợp của các hệ thống 60GHz, các tình huống phủ sóng và chuyển giao không ổn định sẽ là một trong những hạn chế chính của mạng. Quản lí vị trí: Đặc tính di động thông suốt của các mạng hỗn hợp nhiều nhà cung cấp 4G yêu cầu việc quy hoạch mở rộng của các thanh ghi định vị thường trú HLR và các thanh ghi định vị tạm trú VLR như trên hình D6 và một cơ chế quản lí vị trí tiên tiến để sử dụng các thông tin đã đăng ký và xác định chính xác vị trí của các thuê bao ở trong hệ thống cell. Việc quản lí vị trí hỗ trợ hai hoạt động: Hoạt động cập nhật hoặc đăng ký vị trí, hoạt động tìm kiếm hay nhắn tìm. Việc thỏa thuận về giá thành giữa việc cập nhập vị trí và tìm gọi được xác định dựa trên nhiều tham số khác nhau như: tốc độ đến của cuộc gọi, kích thước và số lượng cell, tốc độ và hướng của thuê bao. Nghiên cứu trong lĩnh vực quản lý vị trí ở các mạng 4G kết hợp với các công nghệ dựa trên vị trí tiên tiến như: hệ thống định vị toàn cầu GPS, cell gốc COO cường độ tín hiệu tăng cường ESS… Ngoài ra, các máy chủ quản lí vị trí của các mạng 4G đóng vai trò quan trọng hơn, ngoài việc định vị đơn thuần chúng còn xử lí các thông tin khác như: ID của thuê bao, tiểu sử của thuê bao, ID của nhiều thuê bao, các địa chỉ IP và việc tính cước đơn nhất. Cấu trúc vô tuyến bất đối xứng và việc phát quảng bá địa chỉ IP: hệ thống Internet di động là một đặc trưng của các hệ thống không dây tương lai. Yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến giá thành triển khai mạng. Các hệ thống phần mềm Để thực hiện khả năng tái cấu hình ở các nút mạng và các thiết bị đầu cuối, chúng ta cần một lớp middleware. Lớp này bao gồm đặc điểm thông minh của mạng dưới dạng các môi trường hỗ trợ và xử lý phân bố hướng đối tượng. Các môi trường này hỗ trợ khả năng xóa bỏ các ranh giới truyền thống để có thể tương tác hoạt động và giám sát hệ thống. Xu hướng sử dụng tác tử phần mềm di động là đặc biệt quan trọng nhằm hỗ trợ khả năng xử lí phức tạp của các hệ thống phân bố. Trong hệ thống di động có một số đối tượng mà việc đánh địa chỉ, đặt tên và vị trí của chúng là những vấn đề chủ chốt. Một bước phát triển xa hơn nữa là sự ứng dụng của mô hình dịch vụ Web thay cho nguyên tắc master/slaver. Cùng với những ứng dụng mạng, sẽ có nhiều ứng dụng và dịch vụ trong hệ thống 4G mà kết hợp với các đối tượng, các giao diện API và các thủ tục. Các công nghệ này chứa trong lớp Middleware sử dụng cho hệ thống phần mềm 4G. ứng dụng nổi bật của hệ thống 4G chắc chắn sẽ là thiết bị trợ giúp cá nhân di động PMA. Thiết bị này có những chức năng như sau: Chức năng thông minh: Khả năng tự học hỏi theo kinh nghiệm. Khả năng quyết định để tổ chức cùng với các PMA khác và các chức năng kế hoạch của cơ sở dữ liệu mạng như: Nhật ký, việc đi lại, nghie ngơi… Một số chế độ thông tin: Thoại, hình ảnh động… Các thông tin định vị, định hướng và các dịch vụ phụ thuộc vị trí. Xác định và thông báo vị trí của trẻ em, vật nuôi… Xác định vị trí phương tiện giao thông và lập tuyến đường đi, các cảnh báo cho khách bộ hành. Tự động thông báo tai nạn. Những kiến thức đạt được do truy cập Internet thông minh. Các phương tiện thương mại điện tử. Các cảnh báo và điều chỉnh liên quan đến sức khỏe. Các dịch vụ giải trí: Phim ảnh, âm nhạc… Truy nhập vô tuyến Trong các phần trước, chúng ta đã phân tích các loại hình mạng và hệ thống phần mềm yêu cầu để thực hiện tái cấu hình, thích nghi, quản lý và điều khiển các dịch vụ đa tốc độ, đa phương tiện và các kết nối mạng. Sẽ có nhiều loại giao diện truy nhập vô tuyến dược tối ưu cho các môi trường và các dịch vụ mà chúng hỗ trợ. Phần vô tuyến của hệ thống 4G sẽ bị ảnh hưởng nhiều của môi trường truyền dẫn vô tuyến khác nhau, những hạn chế về phổ tần và môi trường hoạt động với tốc độ bit thay đổi và cao hơn nhiều so với các hệ thống trước đây ở chế độ truyền gói. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm: Khả năng tái cấu hình thích nghi – các thuật toán. Hiệu suất phổ tần – thiết kế giao diện vô tuyến và phân bổ băng tần. Vùng phủ theo điều kiện môi trường. Phần mềm sử dụng cho truy nhập mạng và truy nhập vô tuyến. Công nghệ: Tích hợp, công suất thấp, thời gian thông tin dài… Việc sử dụng xử lý tín hiệu thích nghi ở cả trạm gốc và thiết bị di động theo lý thuyết có thể tăng tốc độ bit hiệu dụngvới một băng tần cho trước. Trong hệ thống 3G, việc sử lý tín hiệu bị giới hạn ở trạm gốc, thách thức đối với hệ thống di động thế hệ mới là chuyển việc xử lý này tới các thiết bị đầu cuối để tạo ra sự phối hợp giữa hai trạm đầu (trạm gốc và thiết bị di động). Thiết bị này yêu cầu sự phối hợp chặt chẽ giữa trạm gốc và các thiết bị di động về thông tin của kênh báo hiệu, trong khi thực hiện việc quyết định phân bổ nguồn tài nguyên động. Ngoài ra, dung lượng ở cả hai đầu của kết nối phải được biết đồng thời do kênh truyền thay đổi về cả không gian và thời gian. Để tối đa hóa liên tục một kết nối, mạng vô tuyến phải đạt được và xử lý các biểu hiện chính xác về các tham số chỉ thị hiệu năng của hệ thống hiện tại ví dụ như: tạp âm, can nhiễu trong hệ thống và từ các hệ thống khác, vị trí, những thay đổi về tốc độ, dự đoán chất lượng kênh truyền. Những thông tin như vậy và độ chính xác của nó phải được truyền đến các lớp cao hơn của thủ tục hệ thống mà thực hiện việc quyết dịnh và ảnh hưởng đến việc phân bố tài nguyên. Hiển nhiên ở hệ thống 3G trạm gốc được chú ý đến nhiều hơn so với các thiết bị đầu cuối bởi vì nó chứa nguồn tài nguyên và dung lượng để thực hiện việc xử lý không gian-thời gian liên quan đến kỹ thuật DSP được sử dụng để xử lí mảng anten cùng với các cấu trúc anten hiện đại. Thách thức đối với các hệ thống di động thế hệ mới là việc chuyển việc xử lý này đến các thiết bị đầu cuối sử dụng các thuật toán và kĩ thuật điện tử hiệu quả mà vẫn cho phép nhiều dịch vụ và đảm bảo chất lượng cuộc gọi. Tính sẵn sàng của các tham số kết nối riêng cũng được sử dụng tại lớp mạng để thực hiện việc tối ưu hóa động nguồn tài nguyên mạng và tạo ra một mạng có khả năng tự quy hoạch. Yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đối với việc truy nhập vô tuyến là tính sẵn sàng của băng tần và việc sử dụng phổ tần. Hệ thống 3G hiện tại bị giới hạn ở dải tần 2 GHz nhưng dải tần này bị hạn chế ngay cả khi sử dụngthêm băng tần mở rộng. Do vậy, hệ thống 4G sẽ phải sử dụng băng tần mới. Chương 2. Một số công nghệ có thể được sử dụng trong hệ thống 4G Công nghệ vô tuyến phần mềm và khả năng tái cấu hình Giới thiệu chung Tái cấu hình liên quan đến việc định nghĩa lại phần mềm và/hoặc sự thích nghi của mỗi phần tử trong mỗi lớp của chuỗi thông tin. Những thuận lợi mà việc tái cấu hình có thể mang lại bao gồm: Đối với người sử dụng: Lựa chọn mạng tùy thuộc vào các yêu cầu dịch vụ và giá thành. Kết nối đến bất kỳ mạng nào (chuyển vùng toàn cầu). Truy nhập đến các dịch vụ mới. Đối với người diều hành: Phản ứng đối với những yêu cầu lưu lượng thay đổi (cân bằng tải). Việc nâng cấp và sử dụng các dịch vụ tích hợp. Sửa lỗi phần mềm và nâng cấp các thiết bị đầu cuối. Việc phát triển nhanh của các dịch vụ khách hàng và các dịch vụ cá nhân. Đối với nhà sản xuất: Một nền duy nhất cho tất cả các thị trường. Tăng tính linh hoạt và hiệu quả của sản phẩm. Khả năng tái cấu hình dựa trên công nghệ vô tuyến phần mềm (SDR). Khái niệm vô tuyến phần mềm xuất hiện như một “chủ đề nóng bỏng” trong các hệ thống thông tin di động từ đầu những năm 1990, tại thời điểm đó nhiều người coi công nghệ này như một giải pháp cho các vấn đề xử lý IF và RF phức tạp được yêu cầu trong các thiết bị đầu cuối di động đa chế độ/đa băng tần. Hiện nay, phần mềm vô tuyến được coi như một công nghệ cho phép tái cấu hình thiết bị đầu cuối. Công nghệ SDR được định nghĩa là một “công nghệ vô tuyến cho phép điều khiển bằng phần mềm nhiều loại kỹ thuật điều chế, các hoạt động băng hẹp hoặc băng rộng, các chức năng bảo mật thông tin và các yêu cầu về dạng sóng của các tiêu chuẩn hiện tại hoặc tương lai trong một phạm vi tần số rộng”. Một cách ngắn gọn, SDR liên quan đén công nghệ mà trong đó các môđun phần mềm hoạt động trên nền phần cứng chung bao gồm: DSP và các bộ vi xử lý công dụng chung được sử dụng để thực hiện các chức năng vô tuyến như: việc tạo các tín hiệu truyền dẫn tại máy phát (điều chế) và phát hiện tín hiệu thu tại máy thu (giải điều chế). Công nghệ vô tuyến phần mềm có thể được ứng dụng trong các hệ thống di động khác nhau như: Bluetooth, WLAN, GPRS, WCDMA… Những yếu tố thúc đẩy đối với công nghệ vô tuyến phần mềm SDR đã trở thành mối quan tâm trong công nghiệp thông tin di động, do công nghệ này có khả năng đem lại nhiều lợi ích thiết thực. ở hệ thống mạng vô tuyếnầm cơ sở hạ tầng mạng và các thiết bị đầu cuối thực hiện chủ yếu bằng phần cứng sẽ gặp phải những bất lợi sau: Các tiêu chuẩn mạng di động đàn phát triển từ hệ thống 2G đến 2.5G/3G và hệ thống 4G. Mỗi hệ thống mạng có sự khác nhau lớn ở các tiêu chuẩn thủ tục lớp liên kết. Vấn đề này gây ảnh hưởng tới các thuê bao, các nhà điều hành mạng và các nhà cung cấp thiết bị. Khách hàng buộc phải mua máy cầm tay mới mỗi khimột thế hệ tiêu chuẩn mạng mới được triển khai. Những nhà điều hành mạng gặp phải rắc rối khi nâng cấp mạng bởi một số lượng lớn các thuê bao đang sử dụng thiết bị cầm tay thế hệ cũ, những thiết bị này không tương thích với các tiêu chuẩn của mạng thế hệ mới. Các nhà điều hành mạng cũng phải gánh chịu giá thành thiết bị cao khi chuyển sang mạng thế hệ mới. Những nhà cung cấp thiết bị gặp phải rắc rối về vấn đề thời gian đưa thiết bị ra thị trường vì cấu trúc phần cứng của thiết bị phức tạp ở các thế hệ mạng sau này. Các giao diện vô tuyến và các thủ tục ở lớp liên kết dữ liệu của các hệ thống khác nhau là khác nhau (ví dụ như: tiêu chuẩn GSM/TDMA được sử dụng cho châu Âu, IS 95/CDMA sử dụng ở Mỹ…). Vấn đề này sẽ ngăn cản việc thực hiện chuyển vùng quốc tế và như vậy sẽ gây bất tiện cho những người sử dụng thường xuyên di chuyển giữa các châu lục. Các nhà cung cấp dịch vụ gặp phải khó khăn khi đưa ra thị trường các sản phẩm đầu cuối di động đa chế độ. Những nhà điều hành mạng sẽ gặp rắc rối khi thực hiện các dịch vụ hoặc các đặc tính mới vì điều này sẽ cần đến những thay đổi ở các máy đầu cuối di động. SDR cho phép thực hiện các chức năng vô tuyến ở các thiết bị cơ sở hạ tầng mạng và các đầu cuối thuê bao như là các Môđun phần mềm chạy trên nền phần cứng chung. Khi đó việc nâng cấp mạng sẽ trở nên đơn giản, chỉ cần nâng cấp phần mềm. Do đó các chức năng vô tuyến được thực hiện bởi các môđun phần mền cho nên nhiều môđun phần mềm sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau có thể cùng tồn tại trong một thiết bị mạng hoặc một máy cầm tay. Một môđun phần mềm nhất định có thể được kích hoạt bởi người sử dụng hoặc bởi mạng tùy theo yêu cầu trong mạng . Do vậy, có thể dễ dàng thực hiện các đầu cuối đa chế độ để thực hiện các kết nối thông suốt không phụ thuộc vào loại công nghệ đang sử dụng. Công nghệ SDR hỗ trợ việc tải các môđun phần mềm qua giao diện vô tuyến tới các thuê bao di động. Khi đó các nhà điều hành mạng có thể thực hiện việc điều chỉnh trên diện rộng các thiết bị cầm tay của thuê bao bằng cách tải lên một số môđun phần mềm phù hợp. Như vậy nhà điều hành mạng có thể thực hiện việc triển khai các dịch vụ mới một cách nhanh gọn. Nhà sản xuất có thể thực hiện việc kiểm tra định kỳ từ xa các thiết bị do họ cung cấp, và có khả năng khắc phục các sự cố thiết bị bằng cách tải lên các phiên bản phần mềm mới tới thiết bị cầm tay của khách hàng. Tuy nhiên SDR cũng cómotj số hạn chế như: công suất tieu thụ lớn, yêu cầu năng lực xử lý cao và giá thành khởi tạo cao. Do vậy, công nghệ SDR không phù hợp với tất cả các loại thiết bị vô tuyến. Các yếu tố đó cần phải cân nhắc kỹ lưỡng trước khi sử dụng công nghệ SDR thay cho các giải pháp phần cứng. Chẳng hạn như: SDR không phù hợp đối với các thiết bị cầm tay tuy nhiên nó sẽ có lợi thế khi sử dụng ở trạm gốc. Các đặc điẻm của công nghệ SDR Các đặc điểm chủ yếu của công nghệ SDR bao gồm: Khả năng tái cấu hình: SDR cho phép nhiều môđun phần mềm thực hiện bởi các tiêu chuẩn khác nhau tồn tại trong cùng một hệ thống. Công nghệ này cho phép thực hiện cấu hình động hệ thống bằng cách kích hoạt các môđun phần mềm phù hợp. Cấu hình động phù hợp với cả các máy cầm tay lẫn các thiết bị hạ tầng mạng . Hạ tầng mạng vô tuyến có thể tự động thực hiện việc tái cấu hình để phù hợp với chủng loại thiết bị di động hoặc ngược lại các thiết bị di động thực hiện việc tái cấu hình để tương thích với công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng. Công nghệ DSR cho phép thực hiện các đầu cuối và các phần tử mạng đa dịch vụ, đa chế độ, đa tiêu chuẩn và đa băng tần . Khả năng kết nối thông suốt: SDR cho phép thực hiện các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến như là các môđun phần mềm và nhiều mẫu môđun này được thực hiện bởi các tiêu chuẩn khác nhau có thể cùng tồn tại trong một cơ sở hạ tầng các thiết bị và các máy cầm tay. Do vậy, nó sẽ hỗ trợ tính năng chuyển vùng toàn cầu. Nếu ở một khu vực nhất định các thiết bị đầu cuối không tương thích với công nghệ mạng đang sử dụng, thì một môđun phần mềm phù hợp cần phải được cài đặt trong thiết bị cầm taydó (có thể thực hiện thông qua giao diện vô tuyến). Ngoài ra, nếu thiết bị ầm taybị lạc hậu thì mạng sẽ sử dụng các phần mềm cũ để giao tiếp với nó. Khả năng phối hợp hoạt động: SDR tạo điều kiện cho việc thực hiện các hệ thống vô tuyến cấu trúc mở. Người sử dụng đầu cuối có thể sử dụng các ứng dụng của nàh cung cấp thứ ba ở các thiết bị cầm tay của họ. Công nghệ tác tử Một tác tử là một phần tử phần mềm (một đối tượng) được đặt bên trong môi trường có khả năng kích hoạt và có khả năng hoạt động một cách tự động thay cho một người sử dụng hoặc một tiến trình để thực hiện một mục đích nhất định. Các đặc trưng của công nghệ tác tử: Các đặc trưng bắt buộc: - Tính phản ứng: Cảm nhận những thay đổi của điều kiện môi trường và phản ứng lại tùy theo những thay đổi đó. - Tính tự hành: tự điều khiển hoạt động của chúng. - Tính mục đích: thực hiện một công việc theo mục đích đã xác định từ trước Các đặc trưng khác: Tính hợp tác: giao tiếp/thỏa thuận cùng với các tác tử khác. Tính di động: di chuyển được từ máy chủ này sang máy chủ khác. Tính học hỏi: thích nghi theo kinh nghiệm. Tính tin cậy: tin cậy đối với người sử dụng. Tác tử giao diện. Tác tử hợp tác. Tác tử thông minh (kết hợp cả giao diện và hợp tác). Các tác tử giao diện Tác tử giao diện yêu cầu tính tự hành và kả năng học hỏi để thực hiện nhiệm vụ đại diện cho người sử dụng. Tác tửu giao diện có thể được coi là một người trợ giúp có khả năng làm việc cùng với những người sử dụng chúng. Ví dụ về vai trò của tác tử giao diện như: tự động thực hiện hoặc đơn giản hóa một số nhiệm vụ, tìm kiếm và lọc thông tin, phân loại thư điện tử, tải các trang web, điều hành và thích ứng với các hoạt động của người sử dụng và tìm hiểu phong cách, sở thích của người sử dụng. Tác tử hợp tác Tác tử hợp tác yêu cầu các thuộc tính: tự hành và phối hợp để thực hiện thông tin và tương tác theo nhóm đại diện cho người sử dụng các tổ chức và các dịch vụ. Tác tử hợp tác thực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà một tác tử không thể thực hiện được. Các ví dụ về tác tử hợp tác bao gồm: thỏa thuận mua bán qua mạng, mạng cảm biến phân bố, các hệ thống hỗ trợ thực hiện quyết định và giám sát các dịch vụ viễn thông. Tác tử di động Trong khi các tác tử tĩnh tồn tại như một tiến trình xử lí đơn trên một máy chủ, thì các tác tử di động có thể dời đi và chuyển đoạn mã của chúng đến một máy chủ mới mà tại đó chúng có thể hoạt động lại. Tác tử di động được sử dụng để điều hành mạng và phân phối dịch vụ, ví dụ như đào tạo từ xa. Trong môi trường nhiều nhà cung cấp dịch vụ, người sử dụng yêu cầu một phương pháp đơn giản để lựa chọn một dịch vụ mong muốn và cơ chế phân phát dịch vụ đó trong thời gian thực với nỗ lực tối thiểu. Việc sử dụng tác tử di động sẽ vượt qua được những trở ngại trong các ứng dụng do hiệu năng xử lí của các thiết bị đầu cuối bị hạn chế và tốc độ di chuyển của chúng. Công nghệ điều chế UWB. Điều chế UWB sử dụng các dạng xung băng gốc có sườn trước và sau rất dốc. Những xung như vậy tạo ra một phổ tần rộng thực sự trải dài từ tần số DC tới vài GHz, không cần chuyển đổi lên tần số như đối với việc điều chế tín hiệu băng tần hẹp trước đây. UWB còn được gọi là kĩ thuật vô tuyến xung (Impulse Radio) cho phép sử dụng các thiết bị truyền dẫn băng rộng và giá thành rất thấp do dạng xung của máy phát được truyền trực tiếp tới anten mà không cần chuyển đổi lên(Upconvertion). Việc định dạng phổ tần được thực hiện bằng cách điều chỉnh dạng tín hiệu của xung có chu kỳ cực ngắn (xung đơn – monopulse) và thực hiện bằng cách điều chỉnh các tính tải của các phần tử anten đối với xung đó. Chu kỳ đỉnh đỉnh của xung đơn trong khoảng từ vài chục đến vài trăm pico giây. Chu kỳ đó xác định dạng phổ tần truyền dẫn. Các dạng tín hiệu UWB có dạng xung hẹp có mật độ công suất phổ rất thấp cho phép chúng có thể dùng đồng thời với các thiết bị RF khác sử dụng cùng phổ tần. Theo quy định của FCC, phổ tần của tín hiệu UWB nằm trong dải 3,1-10,6 GHz, với mức công suất phát nhỏ hơn 41 dBm trong băng tần đó. Để bảo vệ các ứng dụng cho hệ thống GPS và các dải tần cho quân sự, hàng không, dải tần của UWB bị giới hạn trong khoảng 960 MHz – 3,1 GHz. Băng tần rất rộng của tín hiệu UWB cho phép truyền dẫn số liệu tốc độ cao, có thể được sử dụng cho hệ thống LAN vô tuyến thế hệ mới. UWB có thể sử dụng các phương pháp xử lí tín hiệu băng gốc khác như: OOK, PAM, hoặc điều chế theo vị trí xung PPM. Ngoài ra, nhiều xung đơn có thể được truyền dẫn để tạo thành một bit tín hiệu đơn, do đó sẽ tạo ra tăng ích và phân tập mã có thể được sử dụng ở các máy thu UWB. ._.