Hệ thống thông tin di dộng 3G - WCDMA

NỘI DUNG BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “ TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – WCDMA” MỞ ĐẦU Chương 1: Lịch sử và xu hướng phát triển hệ thống thông tin di dộng Quá trình phát triển hệ thống thông tin di động từ 1G lên 3G Xu hướng phát triển hệ thống thông tin di dộng. Chương 2: Giới thiệu tổng quan các chuẩn cho hệ thống 3G trên thế giới 2.1. Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống 3G 2.2. Chuẩn giao diện vô tuyến cho các hệ thống 3G. 2.3. Tình hình chuẩn hóa mạng lõi hệ thống 3G 2.3.1. Mạng lõi theo hướng lên WCDMA 2.3.2. Mạng lõi theo hướng lên CDMA2000 Chương 3: Giới thiệu hệ thống di dộng 3G - WCDMA 3.1. Cấu trúc hệ thống di dộng 3G - WCDMA 3.1.1. Cấu trúc mạng UTRAN và các giao diện cơ bản 3.1.2. Cấu trúc phân lớp của WCDMA 3.2. Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống 3G-WCDMA 2.2.1. Kỹ thuật trải phổ (spreading/despreading) và đa truy nhập CDMA 2.2.2. Kỹ thuật điều khiển công suất (Power Control) 2.2.3. Kỹ thuật chuyển giao (Handover) 2.2.4. Kỹ thuật MUD (Multi-User Detection) 3.3. Các dịch vụ và ứng dụng cơ bản 2.3.1. Các dịch vụ mang (Bearer Services) 2.3.2. Yêu cầu QoS của các loại dịch vụ 3.4. So sánh WCDMA với CDMA2000 KẾT LUẬN Chương 1 Lịch sử và xu hướng phát triển hệ thống thông tin di dộng Quá trình phát triển hệ thống thông tin di động từ 1G lên 3G Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 Thế hệ đầu tiên của hệ thống thông tin di động tổ ong xuất hiện vào những năm 1980. Trước đó đã có một số hệ thống thông tin di động nhưng không có dạng tổ ong. Dung lượng của các mạng di động thế hệ đầu tiên này rất nhỏ so với hệ thống di động tổ ong, cũng như hỗ trợ tính di động kém. Hơn nữa, các chúng chiếm phổ tần lớn và hiệu quả sử dụng phổ tần số rất thấp. Đó là điều không thể chấp nhận trong điều kiện hiện nay khi mà tàI nguyên vô tuyến được chia cho nhiều hệ thống viễn thông khác nhau. Các hệ thống di động đầu tiên sử dụng kỹ thuật truyền tương tự và chủ yếu là để truyền thoại. Có một số chuẩn nổi tiếng cho hệ thống này như: NMT (Nordic Mobile Telephone, TACS (Total Access Communications System), và AMPS (Advanced Mobile Phone Service ). Một số chuẩn khác thường do một nước xây dựng và sử dụng riêng. 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 và 2.5 Khác với hệ thống thế hệ 1, ở hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số và chuyển mạch kênh. Các hệ thống này hoạt động ở băng tần 900Mhz( UpLink Band: 890-915MHz ; DownLink Band: 935-960MHz ) với hiệu quả sử dụng phổ tần cao bởi sự kết hợp hai kỹ thuật TDMA-FDMA và các ưu điểm của hệ thống tổ ong. Mục đích của hệ thống này là giải quyết sự hạn chế về dung lượng tồn tại ở hệ thống thế hệ 1. Tồn tại bốn chuẩn chính cho hệ thống 2G đó là : GSM ; D-AMPS; CDMA IS-95, và PDC (Personal Digital Cellular). Trong đó chuẩn GSM là được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới và thành công nhất hiện nay. Trong khi đó ở Bắc Mỹ lại nghiên cứu và xây dựng hệ thống PCS-1900 (Personal Communication System- 1900MHz) đây thực chất là hệ thống GSM sử dụng ở băng tần 1900MHz. Hệ thống GSM đầu tiên đưa vào sử dụng là vào nâm 1991 ở Phần Lan. Đến tháng 9-1992 đã có tổng cộng 460 mạng GSM trên toàn cầu, phục vụ 747.5 triệu thuê bao. Bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với hệ thống 1G, hệ thống 2G –GSM cũng tồn tại một số nhược điểm cụ thể là: chuyển mạch kênh không thích ứng được với các tốc độ cao, và sự lãng phí tài nguyên do một kênh luôn ở trạng thái mở ngay cả khi không có lưu lượng đi qua. Hơn nữa, sự phát triển của Internet cũng đòi hỏi khả năng hỗ trợ truy cập Internet và thực hiện thương mại điện tử di động. Từ những yêu cầu trên đã xuất hiện hệ thống di động GPRS( General Packet Radio System ), được coi là hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G. Khắc phục nhược điểm chính của hệ thống GSM là chuyển mạch kênh, hệ thống GPRS là hệ thống sử dụng chuyển mạch gói , tức là chia nhỏ khối dữ liệu thành các gói nhỏ rồi truyền đi theo một trật tự quy định, và chỉ chiếm tài nguyên vô tuyến khi thật sự cần phát hoặc thu. Do đó nhiều user có thể chia sẻ chung một băng thông tăng hiệu quả sử dụng vô tuyến, và tốc độ tối đa theo lý thuyết là 170kbps gấp 10 lần tốc độ cao nhất của GSM hiện nay và gấp đôI tốc độ truy cập Internet theo cách truyền thống. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) Khi số lượng thuê bao di động và sự xuất hiện các loại dịch vụ dữ liệu tốc độ cao ngày càng tăng, thì năng lực của hệ thống 2G càng thể hiện rõ sự hạn chế của mình. Chính vì xu thế này mà ITU đã bắt tay vào xây dựng và phát triển hệ thống 3G từ năm 1985. Các mạng 3G còn có các tên gọi là hệ thống IMT -2000 theo ITU hay UMTS ở Châu Âu Các hệ thống 3G hoạt động ở băng tần 2GHz được thiết kế cho truyền thông đa phương tiện (Multi-media), cho phép truyền hình ảnh tĩnh và động chất lượng cao, có khả năng truy cập các mạng dữ liệu công cộng với tốc độ bit cao. Cùng với việc tiếp tục phát triển các hệ thống 2G và 2.5G lên 3G, nó còn tạo ra các cơ hội kinh doanh mới không chỉ cho các nhà sản xuất và khai thác mạng mà cả những nhà cung cấp thông tin và ứng dụng khi sử dụng các mạng này. Mạng 3G là sự tích hợp và kết hợp của một loạt các kỹ thuật tiên tiến như: kỹ thuật đa truy nhập CDMA; kỹ thuật chuyển giao; kỹ thuật điều khỉên công suất ; kỹ thuật chuyển giao mềm và mềm hơn sẽ làm tăng dung lượng hệ thống và sử dụng phổ tần số rất hiệu quả . IMT-2000 là một chuẩn quốc tế cho hệ thống thông tin di dộng thế hệ 3 do ITU xây dựng. Nó được trông đợi là một mạng có các thành phần do nhiều nhà sản xuất cung cấp và có sự vượt trội trong việc chuẩn hóa giao diện kết nối giữa các thành phần chức năng trong mạng. Với những ưu điểm của mình IMT-2000 được xây dựng và triển khai mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới và được đánh giá là công nghệ của thế kỷ 21. Cuối cùng qua 2 hình vẽ dưới đây ta có thể thấy được các con đường khác nhau đI đến mạng 3G và các dảI tần số mà các hệ thống thông tin di động sử dụng từ 1G đến 3G. Hình 1.1: Quá trình phát triển hệ thống di động tiến tới 3G Hình 1.1.2. Các băng tần sử dụng từ thế hệ 1G đến 3G Xu hướng phát triển hệ thống thông tin di động Các thông số kỹ thuật cũng như giao diện vô tuyến ban đầu của IMT-2000 được xây dựng và hoàn thành nằm trong khuyến nghị của ITU là ITU-2000-R M.1457. Trên cơ sở đó một số nước đã bắt tay thực hiện nghiên cứu, ứng dụng, cấp phép và triển khai hệ thống IMT-2000 kể từ năm 2001 và 2002. Điều đó đã giúp hoàn thiện các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống IMT-2000, phát triển cùng yêu cầu, kỳ vọng của thị trường cũng như sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ. Hiện nay số thuê bao di động đã tăng nhanh, đặc biệt là thông tin di động mặt đất. Dự đoán đén năm 2010 số thuê bao kà trên 1.7 tỷ thuê bao. Trong thời gian tới xu thế phát triển chung đối với lưu lượng của hệ thống mạng TTDĐ là sự chuyển dịch của xu thế hướng thoại sang xu thế đa phương tiện. Sự kỳ vọng còn nằm ở vai trò nổi bật của truy nhập không dây di động, cho phép đến một thời điểm không xa số thiết bị cầm tay di động truy cập Internet sẽ vượt quá số máy tính cá nhân được kết nối Internet. Trong tương lai không xa, thiết bị đầu cuối di động sẽ có giao diện người máy thân thiện, thay thế cho chiếc máy tính cá nhân. Các mạng và các hệ thống sẽ được thiết kế để truyền tảI các gói dữ liệu kinh tế hiệu quả dựa trên nền tảng IP, các dịch vụ truyền dữ liệu mới sẽ chiếm dụng băng tần lớn hơn. Điều này đòi hỏi yêu cầu yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn đối với các hệ thống trong tương lai. Các nghiên cứu thị trường cho thấy vào năm 2010 Châu Âu sẽ có lớn hơn 90 triệu thuê bao di động sử dụng các dịch vụ đa phương tiện, chiếm khoảng 60% lưu lượng TTDĐ. IMT-2000 và các hệ thống trên IMT-2000 sẽ vẫn được tiếp tục phát triển. Chẳng hạn một số giao diện vô tuyên mặt đất đạng được mở rộng hướng tới tốc độ 10Mbps và thậm chí còn được dự đoán sẽ tiếp tục phát triển trong một thập niên nữa. Sự phát triển của IMT sẽ hướng tới việc nâng cao tốc độ đường xuống, dự tính là 30Mb/s vào năm 2005. Sự phát triển của IMT-2000 có liên hệ mật thiết với sự phát triển của các hệ thống vô tuyến khác. Các hệ thống trên IMT-2000 sẽ đòi hỏi các công nghệ truy cập vô tuyến mới bổ sung cho công nghệ của IMT-2000 đối với các thành phần mặt đất phát triển sau năm 2010. Các hệ thống tế bào số hiện tại sẽ được nâng cấp phát triển bổ sung dần các khả năng của hệ thống cho giống với các khả năng của hệ thống IMT-2000. CHƯƠNG 2: Giới thiệu tổng quan các chuẩn của hệ thống 3G trên thế giới 2.1. Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống 3G. Các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được thiết kế là nhằm phục vụ cho truyền thông đa phương tiện với tốc độ dữ liệu cao, truy cập được vào các mạng dữ liệu công cộng. Hệ thống này có thể cung cấp đa dịch vụ một cách đồng thời cho một user và cung cấp nhiều loại dịch vụ có yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau. Đặc biệt là phảI có khả năng dễ dàng liên kết với các mạng di động khác trên phạm vi quốc gia, khu vực, cũng như toàn cầu. Để xây dựng được một hệ thống di động như thế, hệ thống 3G theo chuẩn IMT-2000 phảI đảm bảo các yêu cầu sau: Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu Hiệu suất sử dụng phổ tần cao Hỗ trợ dịch vụ dữ liệu với tốc độ đường truyền tối thiểu là 144Kbps trong môI trường di động ngoàI trời và 2Mbps trong môI trường cố định trong nhà. Cung cấp cả hai khả năng truyền dữ liệu đối xứng và bất đối xứng. Cung cấp cả kết nối chuyển mạch (Circuit Switched Connection) và chuyển mạch gói (Packet Switched Connection). Cung cấp băng thông theo yêu cầu nhằm hỗ trợ một dảI rộng các dịch vụ yêu cầu tốc độ bit khác nhau. Khả năng Roaming toàn cầu Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng mới (Các yêu cầu tốc độ bit được xác định dựa trên tốc độ mạng ISDN. Tốc độ dữ liệu 144Kbps dành cho cấu hình kênh ISDN 2B+D; tốc độ 384kbps dành cho kênh ISDN- H0 và 1.92 Mbps cho các kênh ISDN - H12.) Thông tin băng rộng Phương tiện Dữ liệu/Internet Thông tin di động -Phát thanh -Truyền hình theo yêu cầu -Video tương tác -Thu và phát TV/Vô tuyến và dữ liệu -Dịch vụ (B-) ISDN -Điện thoại hình -Hội nghị truyền hình -Truyền hình theo yêu cầu -Thoại -Bản tin ngắn -Di động đầu cuối -Di động cá nhân -Dịch vụ tốc độ thấp -Truy nhập Internet -Thư điện tử -ảnh thời gian thực -Đa phương tiện 2.2. Chuẩn giao diện vô tuyến và phân bổ tần số 2.2.1. Các công nghệ truy cập vô tuyến mạng di dộng 3G. Hiện tại đã có rất nhiều đề xuất cho chuẩn giao diện vô tuyển của mạng thông tin di động thế hệ 3. Nếu xét về mặt công nghệ truy cập vô tuyến được sử dụng trong mỗi chuẩn thì ta thấy nó nằm trong một trong các công nghệ sau: WCDMA Băng thông của công nghệ WCDMA được quy định là từ 5MHz trở nên. Băng thông 5MHz được lấy là chuẩn cho tất cả các đề xuất cho tiêu chuẩn mạng 3G-WCDMA. Lý do chọn băng thông 5MHz là vì: Nó cho phép tốc độ dữ liệu từ 144kbps đề 384kbps và có thể đạt được tốc độ 2Mbps. TàI nguyên tần số có hạn, cùng với sự chiếm dụng các băng tần của các hệ thống đã xây dựng từ trước như cácmạng 2G, nên chỉ có thể dùng độ rộng băng tần tối thiểu cho phép. Với băng tần này có thể giảI quyết ảnh hưởng của Fading tốt hơn so với băng hẹp. Các đề xuất cho giao diện vô tuyến của 3G- CDMA có thể chia thành hai nhóm: Các mạng đồng bộ và các mạng không đồng bộ. Trong các mạng đồng bộ, tất cả các trạm gốc BS được đồng bộ về mặt thời gian với nhau. Nó mang lại sự hiệu quả nhưng yêu cầu chi phi tốn kém phần cứng ở BS. Ví dụ có thể đạt được sự đồng bộ nhờ vào các bộ thu của hệ thống GPS ở tất cả các trạm gốc. Các đặc trưng khác của WCDMA là có điều khiển công suất nhanh và có khả năng thay đổi tốc độ bit và các tham số dịch vụ đỗi với từng Frame sử dụng trảI phổ biến đổi. Có một đề xuất cho chuẩn hệ thống 3G khá thịnh hành là ETSI/ARIB WCDMA do các hãng nổi tiếng thể giới như Errisson, Nokia, và các công ty viễn thông lớn của Nhật bản (NTT DoCoMo) phối hợp nhiên cứu và xây dựng. Nó được các nhà sản xuất thiết bị viễn thông Châu Âu chấp nhận và được đổi tên thành UTRAN. Đây là hệ thống được xây dựng trên nền tảng mạng GSM có sẵn nên sẽ tiết kiệm chi phí đầu tư cho các nhà khai thác hơn so với các đề xuất khác. Chính vì vây đối với nhà khai thác nó là sự lựa chọn số một cho hệ thống 3G tương lai. Các chỉ tiêu kỹ thuật của UTRAN do nhóm 3GPP xây dựng và phát triển. Họ coi hệ thống IMT-2000 như là hệ thống thông tin di động toàn cầu UMTS. Đối với các quốc gia xây dụng mạng 3G từ các hệ thống IS-95 (chủ yếu ở Bắc Mỹ) họ lại rất quan tâm đến đề xuất CDMA2000, do các công ty lớn như Qualcomm, Lucent, và Motorola phối hợp nghiên cứu và phát triển. 3GPP2 là nhóm được ITU giao nhiệm vụ đưa ra các thông số kỹ thuật cho đề xuất này. TDMA Theo tiến trình của IMT-2000, chỉ có chuẩn UWC-136 là chuẩn 3G sử dụng công nghệ TDMA. UWC-136 là chuẩn tương thích với chuẩn IS-136 có thị phần chủ yếu ở Bắc Mỹ và nằm trong bộ chuẩn của IMT-2000 có tên là hệ thống ITM-SC. Nó sử dụng ba loại sóng mang khác nhau là: 30 KHz, 200KHz, và 1,6MHz. Loại 30KHz giống IS-136 là cùng sóng mang nhưng sử dụng phương pháp điều chế khác. Loại 200KHz sử dụng các tham số giống với hệ thống GSM EDGE và cung cấp tốc độ 384Kbps được thiết kế cho môI trường ngoàI trời. Còn sóng mang 1.6MHz chỉ dành cho môI trường trong nhà và có thể đạt tốc độ 2Mbps. CDMA/ TDMA ( Hybrid CDMA / TDMA). Đây là giảI pháp được thử nghiệm trong dự án FRAMES ở Châu Âu. Nguyên lý là mỗi khung TDMA được chia thành 8 Ts và trong mỗi Ts có các kênh khác nhau được ghép theo nguyên lý CDMA. Cấu trúc dạng khung như vậy sẽ không tương thích với hệ thống GSM. Nên đề xuất của ETSI này đã sớm bị từ chối. Mặc dù vậy, công nghệ này vẫn được sử dụng trong chế độ UTRAN TDD của công nghệ WCDMA, ở đó mỗi khung được chia thành 15 Ts và mỗi Ts chứa nhiều kênh khác nhau được ghép theo nguyên lý CDMA. OFDM Đây là công nghệ dựa trên nguyên lý điều chế đa sóng mang (Multi-carrier Modulation). Tức là chia luồng dữ liệu lớn thành các luồng dữ liệu con nhỏ hơn (Substream) có tốc độ bit thấp hơn rất nhiều so với luồng ban đầu. Các luồng con sau đó được điều chế sử dụng bộ mã trực giao. Nhờ tính trực giao mà các sóng mang mặc dù rất gần nhau (thậm chí còn chồng lên nhau) trên phổ tần số mà không gây nhiễu cho nhau. Hơn nữa, vì chu kỳ ký hiệu (symbol) của các kênh tốc độ thấp là lớn nên sẽ không có hiện tượng nhiễu giữa các ký tự ISI. Do đó hệ thống sử dụng phổ rất hiệu quả. Trong thực tế đã có rất nhiều ứng dụng sử dụng công nghệ OFDM. Ví dụ các hệ thống truyền thanh và truyền hình số quảng bá (DAB – Digital Audio Broadcasting và DVB- Digital Video Broading). NgoàI ra nó còn được sử dụng trong các chuẩn 802.11a, 802.11g, và trong các hệ thống HiperLAN2, WLAN, ADSL. Bản thân OFDM dựa trên cả hai công nghệ TDMA và CDMA. Với việc kết hợp này thì công nghệ này mang lại những ưu điểm sau: Sử dụng phổ tần hiệu quả, các sóng mang trực giao có thể chồng lên nhau một phần. Chống nhiễu băng hẹp (Narrowband Interference) Chống nhiễu đa đường (Multipath Interference) Nhược điểm chính của công nghệ OFDM là nó yêu cầu công suất phát trung bình cao. Mặc dù OFDM không được IMT-2000 chọn làm công nghệ cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3. Nhưng có một số công nghệ WLAN sử dụng công nghệ OFDM, và trong tương lai kết nối liên mạng WLAN - hệ thống di động tổ ong là con đường để OFDM xâm nhập vào mạng thông tin di động tổ ong. Các chuẩn giao diện vô tuyến của IMT-2000 Theo chuẩn IMT-2000 , có một số để suất cho chuẩn của giao diện vô tuyến dựa trên các công nghệ đa truy nhập CDMA hoặc TDMA và hai kỹ thuật truyền song công TDD và FDD. Có thể tóm tắt bằng hình vẽ sơ đồ sau : IMT-2000 TDMA CDMA SC MC DS 3.84Mcps MC 3.6864Mcps TDD Hình 2.2.2. Phân nhóm IMT-2000 theo ITU-R HIện nay ITU đã chấp nhận 5 họ công nghệ khác nhau cho phần mạng truy nhập vô tuyến , đó là: IMT-MC: CDMA2000 IMT-DS: WCDMA- FDD IMT-TC: WCDMA-TDD IMT-SC: TDMA một sóng mang, còn gọi là UWC-136 và EDGE IMT-FT: DECT Chuẩn IMT-2000 được chia làm hai nhóm thực hiện nghiên cứu và phát triển 3GPP (3rd Generation Partnership Project) và 3GPP2, nhằm đưa ra các thông số kỹ thuật mang tính chất chuẩn quốc tế. Việc xây bộ tiêu chuẩn 3GPP là docác tổ chức chuẩn hoá gồm: ARIB (Nhật Bản), ESTI (Châu Âu), TTA( Hàn quốc), TTC( Nhật Bản) và TIPI (Mỹ) và các nhà sản suất và khai thác trực thuộc các tổ chức này làm thành viên. Đối với 3GPP xây dựng mạng IMT-2000 dựa trên hệ thống GSM và IMT-2000 được xem như là hệ thống viên thông di động toàn câu UMTS hoặc là W-CDMA. Nhiệm vụ của dự án 3GPP là phảI xây dựng bốn nhóm thông số kỹ thuật cần phảI xây dựng, đó là các nhóm thông số kỹ thuật cho các phần: mạng truy nhập vô tuyến (RAN); mạng lõi (CN); dịch vụ ; và đầu cuối. Thực hiện đồng thời với dự án 3GPP là dự án 3GPP2. Dự án này tập trung vào xây dựng mạng 3G từ mạng CDMA2000 ở chế độ trảI phổ trực tiếp (DS)và đa sóng mang(MC). Công nghệ CDMA 2000 cung cấp dịch vụ 3G, bao gồm hai nhóm công nghệ CDMA20001X và CDMA20001XEV. Mạng CDMA 20001X có khả năng cung cấp dung lượng thoại gấp đôI so với mạng cdmaOne và có tốc độ truyền gói dữ liệu là 307Kbps trong môI trường di động. Trong khi đó CDMA2000 -xEVgồm hai dòng công nghệ là CDMA2000 1xEV-DO cho phép tốc độ truyền gói dữ liệu 2Mbps, hỗ trợ truyền tảI MP3 và hội nghị truyền hình và CDMA2000 1xEV-DV cung cấp đồng thời dịch vụ thoại và dịch vụ Multi-media tốc độ cao lên đến 3.09Mbps. Uu điểm của CDMA2000 là không chỉ cho phép cung cấp các dịch vụ 3G mà mức độ chiếm dụng phổ tần cũng rất nhỏ(125MHz /1 Carrier)cho phép nhà khai thác tiết kiệm được phổ tần. Hơn nữa, phổ tần của CDMA2000 không chỉ nằm trong phổ tần IMT-2000 mà còn hoạt động ở hầu hết các băng tần dành cho dịch vụ wireless, dảI băng tần: 450MHz – 2100MHz. Tình hình chuẩn hóa mạng lõi 3G 2.3.1.Mạng lõi theo hướng lên WCDMA Kiến trúc mạng lõi GPRS/WCDMA được trình bày trong hình 2.3.1 dưới đây: GGSN HLR PSTN/IDSN Networks Data Networks (Internet, X.25, private networks) Gb Gs Gr Gc lu Radio Access Network (RAN) Core Network (CN) 2.5G Radio Access Network 3G Radio Access Network acc MSC/VLR SGSN Hình 2.3.1. Cấu trúc mạng lõi GPRS/WCDMA Mạng lõi WCDMA về mặt logic có thể chia làm hai miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) riêng biệt. Miền chuyển mạch kênh về cơ bản phù hợp với mạng GSM đã được triển khai ở Châu Âu và trên khắp thế giới nhằm tận dụng giao thức quản lý tính di động đã được định nghĩa thành GSM-MAP. Miền chuyển mạch gió tận dụng mạng lõi của GPRS với hai nút cơ sở hạ tầng cơ bản là GGSN và SGSN, và dựa trên giao thức IPv6. Số liệu thêu bao và thông tin định tuyến được giữ trong một HLR chung, HLR này được chia sẻ giữa GPRS và các chức năng chuyển mạch kênh của GSM. Vì WCDMA chia sẻ mạng lõi chung với GPRS/EDGE, mọi dịch vụ như: tính cước, bảo mật và chuyển vùng được triển khai để hỗ trợ các dịch vụ GPRS dựa trên GSM cũng sẽ hỗ trợ các dịch vụ WCDMA. Công suất phát cực đại Néi dung b¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp §Ò tµi: “ Tæng quan hÖ thèng th«ng tin di ®éng 3G – WCDMA” Më ®Çu Ch­¬ng 1: LÞch sö vµ xu h­íng ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin di déng Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin di ®éng tõ 1G lªn 3G Xu h­íng ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin di déng. Ch­¬ng 2: Giíi thiÖu tæng quan c¸c chuÈn cho hÖ thèng 3G trªn thÕ giíi 2.1. C¸c yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi hÖ thèng 3G 2.2. ChuÈn giao diÖn v« tuyÕn cho c¸c hÖ thèng 3G. 2.3. T×nh h×nh chuÈn hãa m¹ng lâi hÖ thèng 3G 2.3.1. M¹ng lâi theo h­íng lªn WCDMA 2.3.2. M¹ng lâi theo h­íng lªn CDMA2000 Ch­¬ng 3: Giíi thiÖu hÖ thèng di déng 3G - WCDMA 3.1. CÊu tróc hÖ thèng di déng 3G - WCDMA 3.1.1. CÊu tróc m¹ng UTRAN vµ c¸c giao diÖn c¬ b¶n 3.1.2. CÊu tróc ph©n líp cña WCDMA 3.2. C¸c kü thuËt sö dông trong hÖ thèng 3G-WCDMA 2.2.1. Kü thuËt tr¶i phæ (spreading/despreading) vµ ®a truy nhËp CDMA 2.2.2. Kü thuËt ®iÒu khiÓn c«ng suÊt (Power Control) 2.2.3. Kü thuËt chuyÓn giao (Handover) 2.2.4. Kü thuËt MUD (Multi-User Detection) 3.3. C¸c dÞch vô vµ øng dông c¬ b¶n 2.3.1. C¸c dÞch vô mang (Bearer Services) 2.3.2. Yªu cÇu QoS cña c¸c lo¹i dÞch vô 3.4. So s¸nh WCDMA víi CDMA2000 KÕt luËn Ch­¬ng 1 LÞch sö vµ xu h­íng ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin di déng Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin di ®éng tõ 1G lªn 3G HÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ 1 ThÕ hÖ ®Çu tiªn cña hÖ thèng th«ng tin di ®éng tæ ong xuÊt hiÖn vµo nh÷ng n¨m 1980. Tr­íc ®ã ®· cã mét sè hÖ thèng th«ng tin di ®éng nh­ng kh«ng cã d¹ng tæ ong. Dung l­îng cña c¸c m¹ng di ®éng thÕ hÖ ®Çu tiªn nµy rÊt nhá so víi hÖ thèng di ®éng tæ ong, còng nh­ hç trî tÝnh di ®éng kÐm. H¬n n÷a, c¸c chóng chiÕm phæ tÇn lín vµ hiÖu qu¶ sö dông phæ tÇn sè rÊt thÊp. §ã lµ ®iÒu kh«ng thÓ chÊp nhËn trong ®iÒu kiÖn hiÖn nay khi mµ tµI nguyªn v« tuyÕn ®­îc chia cho nhiÒu hÖ thèng viÔn th«ng kh¸c nhau. C¸c hÖ thèng di ®éng ®Çu tiªn sö dông kü thuËt truyÒn t­¬ng tù vµ chñ yÕu lµ ®Ó truyÒn tho¹i. Cã mét sè chuÈn næi tiÕng cho hÖ thèng nµy nh­: NMT (Nordic Mobile Telephone, TACS (Total Access Communications System), vµ AMPS (Advanced Mobile Phone Service ). Mét sè chuÈn kh¸c th­êng do mét n­íc x©y dùng vµ sö dông riªng. 1.1.2. HÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ 2 vµ 2.5 Kh¸c víi hÖ thèng thÕ hÖ 1, ë hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ 2 sö dông kü thuËt truyÒn dÉn sè vµ chuyÓn m¹ch kªnh. C¸c hÖ thèng nµy ho¹t ®éng ë b¨ng tÇn 900Mhz( UpLink Band: 890-915MHz ; DownLink Band: 935-960MHz ) víi hiÖu qu¶ sö dông phæ tÇn cao bëi sù kÕt hîp hai kü thuËt TDMA-FDMA vµ c¸c ­u ®iÓm cña hÖ thèng tæ ong. Môc ®Ých cña hÖ thèng nµy lµ gi¶i quyÕt sù h¹n chÕ vÒ dung l­îng tån t¹i ë hÖ thèng thÕ hÖ 1. Tån t¹i bèn chuÈn chÝnh cho hÖ thèng 2G ®ã lµ : GSM ; D-AMPS; CDMA IS-95, vµ PDC (Personal Digital Cellular). Trong ®ã chuÈn GSM lµ ®­îc sö dông réng r·i trªn kh¾p thÕ giíi vµ thµnh c«ng nhÊt hiÖn nay. Trong khi ®ã ë B¾c Mü l¹i nghiªn cøu vµ x©y dùng hÖ thèng PCS-1900 (Personal Communication System- 1900MHz) ®©y thùc chÊt lµ hÖ thèng GSM sö dông ë b¨ng tÇn 1900MHz. HÖ thèng GSM ®Çu tiªn ®­a vµo sö dông lµ vµo n©m 1991 ë PhÇn Lan. §Õn th¸ng 9-1992 ®· cã tæng céng 460 m¹ng GSM trªn toµn cÇu, phôc vô 747.5 triÖu thuª bao. Bªn c¹nh nh÷ng ­u ®iÓm v­ît tréi so víi hÖ thèng 1G, hÖ thèng 2G –GSM còng tån t¹i mét sè nh­îc ®iÓm cô thÓ lµ: chuyÓn m¹ch kªnh kh«ng thÝch øng ®­îc víi c¸c tèc ®é cao, vµ sù l·ng phÝ tµi nguyªn do mét kªnh lu«n ë tr¹ng th¸i më ngay c¶ khi kh«ng cã l­u l­îng ®i qua. H¬n n÷a, sù ph¸t triÓn cña Internet còng ®ßi hái kh¶ n¨ng hç trî truy cËp Internet vµ thùc hiÖn th­¬ng m¹i ®iÖn tö di ®éng. Tõ nh÷ng yªu cÇu trªn ®· xuÊt hiÖn hÖ thèng di ®éng GPRS( General Packet Radio System ), ®­îc coi lµ hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ 2.5G. Kh¾c phôc nh­îc ®iÓm chÝnh cña hÖ thèng GSM lµ chuyÓn m¹ch kªnh, hÖ thèng GPRS lµ hÖ thèng sö dông chuyÓn m¹ch gãi , tøc lµ chia nhá khèi d÷ liÖu thµnh c¸c gãi nhá råi truyÒn ®i theo mét trËt tù quy ®Þnh, vµ chØ chiÕm tµi nguyªn v« tuyÕn khi thËt sù cÇn ph¸t hoÆc thu. Do ®ã nhiÒu user cã thÓ chia sÎ chung mét b¨ng th«ng t¨ng hiÖu qu¶ sö dông v« tuyÕn, vµ tèc ®é tèi ®a theo lý thuyÕt lµ 170kbps gÊp 10 lÇn tèc ®é cao nhÊt cña GSM hiÖn nay vµ gÊp ®«I tèc ®é truy cËp Internet theo c¸ch truyÒn thèng. HÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ 3 (3G) Khi sè l­îng thuª bao di ®éng vµ sù xuÊt hiÖn c¸c lo¹i dÞch vô d÷ liÖu tèc ®é cao ngµy cµng t¨ng, th× n¨ng lùc cña hÖ thèng 2G cµng thÓ hiÖn râ sù h¹n chÕ cña m×nh. ChÝnh v× xu thÕ nµy mµ ITU ®· b¾t tay vµo x©y dùng vµ ph¸t triÓn hÖ thèng 3G tõ n¨m 1985. C¸c m¹ng 3G cßn cã c¸c tªn gäi lµ hÖ thèng IMT -2000 theo ITU hay UMTS ë Ch©u ¢u C¸c hÖ thèng 3G ho¹t ®éng ë b¨ng tÇn 2GHz ®­îc thiÕt kÕ cho truyÒn th«ng ®a ph­¬ng tiÖn (Multi-media), cho phÐp truyÒn h×nh ¶nh tÜnh vµ ®éng chÊt l­îng cao, cã kh¶ n¨ng truy cËp c¸c m¹ng d÷ liÖu c«ng céng víi tèc ®é bit cao. Cïng víi viÖc tiÕp tôc ph¸t triÓn c¸c hÖ thèng 2G vµ 2.5G lªn 3G, nã cßn t¹o ra c¸c c¬ héi kinh doanh míi kh«ng chØ cho c¸c nhµ s¶n xuÊt vµ khai th¸c m¹ng mµ c¶ nh÷ng nhµ cung cÊp th«ng tin vµ øng dông khi sö dông c¸c m¹ng nµy. M¹ng 3G lµ sù tÝch hîp vµ kÕt hîp cña mét lo¹t c¸c kü thuËt tiªn tiÕn nh­: kü thuËt ®a truy nhËp CDMA; kü thuËt chuyÓn giao; kü thuËt ®iÒu khتn c«ng suÊt ; kü thuËt chuyÓn giao mÒm vµ mÒm h¬n sÏ lµm t¨ng dung l­îng hÖ thèng vµ sö dông phæ tÇn sè rÊt hiÖu qu¶ . IMT-2000 lµ mét chuÈn quèc tÕ cho hÖ thèng th«ng tin di déng thÕ hÖ 3 do ITU x©y dùng. Nã ®­îc tr«ng ®îi lµ mét m¹ng cã c¸c thµnh phÇn do nhiÒu nhµ s¶n xuÊt cung cÊp vµ cã sù v­ît tréi trong viÖc chuÈn hãa giao diÖn kÕt nèi gi÷a c¸c thµnh phÇn chøc n¨ng trong m¹ng. Víi nh÷ng ­u ®iÓm cña m×nh IMT-2000 ®­îc x©y dùng vµ triÓn khai m¹nh mÏ trªn ph¹m vi toµn thÕ giíi vµ ®­îc ®¸nh gi¸ lµ c«ng nghÖ cña thÕ kû 21. Cuèi cïng qua 2 h×nh vÏ d­íi ®©y ta cã thÓ thÊy ®­îc c¸c con ®­êng kh¸c nhau ®I ®Õn m¹ng 3G vµ c¸c d¶I tÇn sè mµ c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng sö dông tõ 1G ®Õn 3G. H×nh 1.1: Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn hÖ thèng di ®éng tiÕn tíi 3G H×nh 1.1.2. C¸c b¨ng tÇn sö dông tõ thÕ hÖ 1G ®Õn 3G Xu h­íng ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin di ®éng C¸c th«ng sè kü thuËt còng nh­ giao diÖn v« tuyÕn ban ®Çu cña IMT-2000 ®­îc x©y dùng vµ hoµn thµnh n»m trong khuyÕn nghÞ cña ITU lµ ITU-2000-R M.1457. Trªn c¬ së ®ã mét sè n­íc ®· b¾t tay thùc hiÖn nghiªn cøu, øng dông, cÊp phÐp vµ triÓn khai hÖ thèng IMT-2000 kÓ tõ n¨m 2001 vµ 2002. §iÒu ®ã ®· gióp hoµn thiÖn c¸c yªu cÇu kü thuËt ®èi víi hÖ thèng IMT-2000, ph¸t triÓn cïng yªu cÇu, kú väng cña thÞ tr­êng còng nh­ sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ. HiÖn nay sè thuª bao di ®éng ®· t¨ng nhanh, ®Æc biÖt lµ th«ng tin di ®éng mÆt ®Êt. Dù ®o¸n ®Ðn n¨m 2010 sè thuª bao kµ trªn 1.7 tû thuª bao. Trong thêi gian tíi xu thÕ ph¸t triÓn chung ®èi víi l­u l­îng cña hÖ thèng m¹ng TTD§ lµ sù chuyÓn dÞch cña xu thÕ h­íng tho¹i sang xu thÕ ®a ph­¬ng tiÖn. Sù kú väng cßn n»m ë vai trß næi bËt cña truy nhËp kh«ng d©y di ®éng, cho phÐp ®Õn mét thêi ®iÓm kh«ng xa sè thiÕt bÞ cÇm tay di ®éng truy cËp Internet sÏ v­ît qu¸ sè m¸y tÝnh c¸ nh©n ®­îc kÕt nèi Internet. Trong t­¬ng lai kh«ng xa, thiÕt bÞ ®Çu cuèi di ®éng sÏ cã giao diÖn ng­êi m¸y th©n thiÖn, thay thÕ cho chiÕc m¸y tÝnh c¸ nh©n. C¸c m¹ng vµ c¸c hÖ thèng sÏ ®­îc thiÕt kÕ ®Ó truyÒn t¶I c¸c gãi d÷ liÖu kinh tÕ hiÖu qu¶ dùa trªn nÒn t¶ng IP, c¸c dÞch vô truyÒn d÷ liÖu míi sÏ chiÕm dông b¨ng tÇn lín h¬n. §iÒu nµy ®ßi hái yªu cÇu yªu cÇu tèc ®é d÷ liÖu cao h¬n ®èi víi c¸c hÖ thèng trong t­¬ng lai. C¸c nghiªn cøu thÞ tr­êng cho thÊy vµo n¨m 2010 Ch©u ¢u sÏ cã lín h¬n 90 triÖu thuª bao di ®éng sö dông c¸c dÞch vô ®a ph­¬ng tiÖn, chiÕm kho¶ng 60% l­u l­îng TTD§. IMT-2000 vµ c¸c hÖ thèng trªn IMT-2000 sÏ vÉn ®­îc tiÕp tôc ph¸t triÓn. Ch¼ng h¹n mét sè giao diÖn v« tuyªn mÆt ®Êt ®¹ng ®­îc më réng h­íng tíi tèc ®é 10Mbps vµ thËm chÝ cßn ®­îc dù ®o¸n sÏ tiÕp tôc ph¸t triÓn trong mét thËp niªn n÷a. Sù ph¸t triÓn cña IMT sÏ h­íng tíi viÖc n©ng cao tèc ®é ®­êng xuèng, dù tÝnh lµ 30Mb/s vµo n¨m 2005. Sù ph¸t triÓn cña IMT-2000 cã liªn hÖ mËt thiÕt víi sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng v« tuyÕn kh¸c. C¸c hÖ thèng trªn IMT-2000 sÏ ®ßi hái c¸c c«ng nghÖ truy cËp v« tuyÕn míi bæ sung cho c«ng nghÖ cña IMT-2000 ®èi víi c¸c thµnh phÇn mÆt ®Êt ph¸t triÓn sau n¨m 2010. C¸c hÖ thèng tÕ bµo sè hiÖn t¹i sÏ ®­îc n©ng cÊp ph¸t triÓn bæ sung dÇn c¸c kh¶ n¨ng cña hÖ thèng cho gièng víi c¸c kh¶ n¨ng cña hÖ thèng IMT-2000. Ch­¬ng 2: Giíi thiÖu tæng quan c¸c chuÈn cña hÖ thèng 3G trªn thÕ giíi 2.1. C¸c yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi hÖ thèng 3G. C¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ 3 ®­îc thiÕt kÕ lµ nh»m phôc vô cho truyÒn th«ng ®a ph­¬ng tiÖn víi tèc ®é d÷ liÖu cao, truy cËp ®­îc vµo c¸c m¹ng d÷ liÖu c«ng céng. HÖ thèng nµy cã thÓ cung cÊp ®a dÞch vô mét c¸ch ®ång thêi cho mét user vµ cung cÊp nhiÒu lo¹i dÞch vô cã yªu cÇu chÊt l­îng dÞch vô (QoS) kh¸c nhau. §Æc biÖt lµ ph¶I cã kh¶ n¨ng dÔ dµng liªn kÕt víi c¸c m¹ng di ®éng kh¸c trªn ph¹m vi quèc gia, khu vùc, còng nh­ toµn cÇu. §Ó x©y dùng ®­îc mét hÖ thèng di ®éng nh­ thÕ, hÖ thèng 3G theo chuÈn IMT-2000 ph¶I ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu sau: Tiªu chuÈn thèng nhÊt toµn cÇu HiÖu suÊt sö dông phæ tÇn cao Hç trî dÞch vô d÷ liÖu víi tèc ®é ®­êng truyÒn tèi thiÓu lµ 144Kbps trong m«I tr­êng di ®éng ngoµI trêi vµ 2Mbps trong m«I tr­êng cè ®Þnh trong nhµ. Cung cÊp c¶ hai kh¶ n¨ng truyÒn d÷ liÖu ®èi xøng vµ bÊt ®èi xøng. Cung cÊp c¶ kÕt nèi chuyÓn m¹ch (Circuit Switched Connection) vµ chuyÓn m¹ch gãi (Packet Switched Connection). Cung cÊp b¨ng th«ng theo yªu cÇu nh»m hç trî mét d¶I réng c¸c dÞch vô yªu cÇu tèc ®é bit kh¸c nhau. Kh¶ n¨ng Roaming toµn cÇu DÔ dµng hç trî c¸c dÞch vô vµ øng dông míi (C¸c yªu cÇu tèc ®é bit ®­îc x¸c ®Þnh dùa trªn tèc ®é m¹ng ISDN. Tèc ®é d÷ liÖu 144Kbps dµnh cho cÊu h×nh kªnh ISDN 2B+D; tèc ®é 384kbps dµnh cho kªnh ISDN- H0 vµ 1.92 Mbps cho c¸c kªnh ISDN - H12.) Th«ng tin b¨ng réng Ph­¬ng tiÖn D÷ liÖu/Internet Th«ng tin di ®éng -Ph¸t thanh -TruyÒn h×nh theo yªu cÇu -Video t­¬ng t¸c -Thu vµ ph¸t TV/V« tuyÕn vµ d÷ liÖu -DÞch vô (B-) ISDN -§iÖn tho¹i h×nh -Héi nghÞ truyÒn h×nh -TruyÒn h×nh theo yªu cÇu -Tho¹i -B¶n tin ng¾n -Di ®éng ®Çu cuèi -Di ®éng c¸ nh©n -DÞch vô tèc ®é thÊp -Truy nhËp Internet -Th­ ®iÖn tö -¶nh thêi gian thùc -§a ph­¬ng tiÖn 2.2. ChuÈn giao diÖn v« tuyÕn vµ ph©n bæ tÇn sè 2.2.1. C¸c c«ng nghÖ truy cËp v« tuyÕn m¹ng di déng 3G. HiÖn t¹i ®· cã rÊt nhiÒu ®Ò xuÊt cho chuÈn giao diÖn v« tuyÓn cña m¹ng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ 3. NÕu xÐt vÒ mÆt c«ng nghÖ truy cËp v« tuyÕn ®­îc sö dông trong mçi chuÈn th× ta thÊy nã n»m trong mét trong c¸c c«ng nghÖ sau: WCDMA B¨ng th«ng cña c«ng nghÖ WCDMA ®­îc quy ®Þnh lµ tõ 5MHz trë nªn. B¨ng th«ng 5MHz ®­îc lÊy lµ chuÈn cho tÊt c¶ c¸c ®Ò xuÊt cho tiªu chuÈn m¹ng 3G-WCDMA. Lý do chän b¨ng th«ng 5MHz lµ v×: Nã cho phÐp tèc ®é d÷ liÖu tõ 144kbps ®Ò 384kbps vµ cã thÓ ®¹t ®­îc tèc ®é 2Mbps. TµI nguyªn tÇn sè cã h¹n, cïng víi sù chiÕm dông c¸c b¨ng tÇn cña c¸c hÖ thèng ®· x©y dùng tõ tr­íc nh­ c¸cm¹ng 2G, nªn chØ cã thÓ dïng ®é réng b¨ng tÇn tèi thiÓu cho phÐp. Víi b¨ng tÇn nµy cã thÓ gi¶I quyÕt ¶nh h­ëng cña Fading tèt h¬n so víi b¨ng hÑp. C¸c ®Ò xuÊt cho giao diÖn v« tuyÕn cña 3G- CDMA cã thÓ chia thµnh hai nhãm: C¸c m¹ng ®ång bé vµ c¸c m¹ng kh«ng ®ång bé. Trong c¸c m¹ng ®ång bé, tÊt c¶ c¸c tr¹m gèc BS ®­îc ®ång bé vÒ mÆt thêi gian víi nhau. Nã mang l¹i sù hiÖu qu¶ nh­ng yªu cÇu chi phi tèn kÐm phÇn cøng ë BS. VÝ dô cã thÓ ®¹t ®­îc sù ®ång bé nhê vµo c¸c bé thu cña hÖ thèng GPS ë tÊt c¶ c¸c tr¹m gèc. C¸c ®Æc tr­ng kh¸c cña WCDMA lµ cã ®iÒu khiÓn c«ng suÊt nhanh vµ cã kh¶ n¨ng thay ®æi tèc ®é bit vµ c¸c tham sè dÞch vô ®çi víi tõng Frame sö dông tr¶I phæ biÕn ®æi. Cã mét ®Ò xuÊt cho chuÈn hÖ thèng 3G kh¸ thÞnh hµnh lµ ETSI/ARIB WCDMA do c¸c h·ng næi tiÕng thÓ giíi nh­ Errisson, Nokia, vµ c¸c c«ng ty viÔn t._.