nghiên cứu, ứng dụng công nghệ pon để quy hoạch, nâng cấp và tối ưu hóa mạng truyền dẫn 3g

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ĐỂ
QUY HOẠCH, NÂNG CẤP VÀ TỐI ƢU HÓA
MẠNG TRUYỀN DẪN 3G WCDMA


Ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số :
Học viên : NGÔ MINH ĐỨC
Ngƣời HD khoa học : PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ

Thái Nguyên, năm 2011


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ĐỂ
QUY HOẠCH, NÂNG CẤP VÀ TỐI ƢU HÓA MẠNG
TRUYỀN DẪN 3G WCDMA

Học viên: NGÔ MINH ĐỨC
Mã số:
Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ







Thái Nguyên, năm 2011

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC




PGS.TS. NGUYỄN THANH HÀ
HỌC VIÊN

NGÔ MINH ĐỨC
KHOA SAU ĐẠI HỌC




BGH TRƢỜNG ĐHKTCN





LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là
trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình
nào khác. Trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong Luận văn.

Tác giả



Ngô Minh Đức

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà,
ngƣời đã hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hƣớng đề tài, tổ chức thực
nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô trong khoa Điện tử viễn
thông phòng Đào tạo, Khoa Sau đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi
sai sót, tác giả rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo,
các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.
Học viên


Ngô Minh Đức


1
Contents
Lời nói đầu 2
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 6
Chƣơng 1 : 14
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA 14

1.1 Giới thiệu công nghệ W-CDMA 14
1.2 Cấu trúc mạng W-CDMA 16
1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN. 18
1.2.1.1 Đặc trƣng của UTRAN 19
1.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN 19
1.2.1.3 Node B 20
1.2.2 Giao diện vô tuyến 20
1.2.2.1 Giao diện UTRAN – CN, IU 21
1.2.2.2 Giao diện RNC – RNC, I
Ur
22
1.2.2.3 Giao diện RNC – Node B, IUb 22
1.3 Kết luận chƣơng . 23
Chƣơng 2: CÔNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HÓA PON. 23
2.1 Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ động PON 23
2.1.1 AON 23
2.1.2 Mạng PON 25
2.1.3 Các chuẩn trong mạng PON 28
2.1.3.1 B-PON 28
2.1.3.2 BPON và Gigabit PON 29
2.1.3.3 WDM-PON 32
2.1.3.4 CDMA-PON 33
2.1.4. Bộ tách/ghép quang và topo trong mạng PON 34
2.1.4.1 Bộ tách/ghép quang 34
2.1.4.2.Topo hình cây 37
2.1.4.3 Topo dạng bus 38
2.1.4.4 Topo dạng vòng 39
2.1.4.5 Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đƣờng tải phụ 40
2.1.5. PON MAC layer 41
2.1.5.1 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi-Point Control Protocol) 41

2.1.5.2 PON với kiến trúc IEEE 802 46
CHƢƠNG 3: 50
ỨNG DỤNG PON 50
ĐỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP, TỐI ƢU HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CHO MẠNG 3G . 50
3.1 Giới thiệu: 50
3.2 Nhu cầu tối ƣu hóa mạng Backhaul 52
3.3 Quy hoạch mạng tích hợp PON-WCN 53
3.3.1 Mô hình hệ thống PON-WCN tích hợp 54
3.3.1.1 Các đối tƣợng chính trong PON-WCN tích hợp 55
3.3.1.2 Các chế độ tích hợp 55
3.3.2 Truyền dẫn kết hợp trong PON-WCN tích hợp. 56
3.3.3 Mô hình phủ và truyền sóng vô tuyến 57
Trong đó P là công suất của ONU-BS phối hợp gần nhất thu đƣợc tại SS. 58
3.3.4 Mô hình truyền dẫn trong sợi quang. 58
3.4 Giải pháp. 65
3.4.1 Chia tách các bài toán 66
3.4.2 Xấp xỉ tuyến tính dựa trên sự tái lập lại. 66


2
3.5 Các kết quả số học và các nghiên cứu điển hình. 69
3.6 Tổng kết 75
PHỤ LỤC 1 78
Chƣơng 4: 80
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TƢƠNG LAI 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

Lời nói đầu
@

3
Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những
ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng
ngày. Các kĩ thuật không ngừng đƣợc hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của ngƣời tiêu
dùng. Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp nhiều cản
trở và sẽ sớm bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến hơn, hỗ trợ tối đa các dịch vụ
nhƣ Internet, truyền hình
Hệ thống viễn thông di động thế hệ hai là GSM và IS 95. Những công nghệ này
ban đầu đƣợc thiết kế để truyền tải giọng nói và nhắn tin. Để tận dụng đƣợc tính năng
của hệ thống 2G khi chuyển hƣớng sang 3G cần thiết có một giải pháp trung chuyển.
Các nhà khai thác mạng GSM có thể bắt đầu chuyển từ GSM sang 3G bằng cách nâng
cấp hệ thống mạng lên GPRS (Dịch vụ vô tuyến chuyển mạch gói), tiếp theo là EDGE
(tiêu chuẩn 3G trên băng tần GSM và hỗ trợ dữ liệu lên tới 384kbit) và UMTS (công
nghệ băng thông hẹp GSM sử dụng truyền dẫn CDMA), và WCDMA.
3G là một bƣớc đột phá của ngành di động, bởi vì nó cung cấp băng thông rộng
hơn cho ngƣời sử dụng. Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều thuận tiện
hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu nhƣ truyền thông hữu ích nhƣ
điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ
liệu dung lƣợng lớn, nghe nhạc và xem video chất lƣợng cao,… Truyền thông di động
ngày nay đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống. Việc vẫn có thể giữ
liên lạc với mọi ngƣời trong khi di chuyển đã làm thay đổi cuộc sống riêng tƣ và công
việc của chúng ta.
Tuy nhiên, thị trƣờng viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về
dung lƣợng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời
của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu nhƣ WCDMA hay
HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình
ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của ngƣời sử dụng.
Trong lộ trình phát triển, các mạng GPRS/EDGE và tiếp theo là UMTS đƣợc triển
khai trên nền mạng GSM truyền thống nhằm đem lại thêm tài nguyên vô tuyến để

cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, và tăng chất lƣợng dịch vụ thoại. Quá trình
phát triển này đòi hỏi dung lƣợng mạng truyền dẫn (backhaul) phải đƣợc mở rộng để


4
truyền tải lƣu lƣợng lớn hơn từ trạm gốc (BS) đến trung tâm chuyển mạch (MSC). Tuy
nhiên, hệ thống truyền dẫn của UMTS dựa trên công nghệ truyền dẫn IP hoặc ATM,
trong khi của mạng GSM truyền thống dựa trên công nghệ TDM. Vậy yêu cầu đặt ra
là cần phải nâng cấp mạng TDM của GSM. Việc xây dựng hai mạng riêng biệt cho
GSM và UMTS là không hiệu quả, đặc biệt khi các nhà khai thác di động hy vọng
UMTS sẽ dần thay thế GSM, và nhƣ vậy mạng truyền dẫn GSM dần dần sẽ bị xoá bỏ.
Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang (ONT) có khả năng hỗ trợ kết nối dịch vụ
điện thoại truyền thống qua giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và các giao
tiếp truyền dữ liệu tốc độ cao nhƣ Ethernet và DSL. Đầu cuối đƣờng dây quang (OLT)
bao gồm các khối giao tiếp PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và các phần tử điều
khiển NE (Network Element). Tại hƣớng xuống, OLT phát quảng bá dữ liệu tới tất cả
các ONU. Tín hiệu hƣớng xuống bao gồm dữ liệu cho các ONT, từ mào đầu Khai thác
Quản lý và Bảo dƣỡng (Operations Administration and Maintenance - OAM) và các
tín hiệu đồng bộ cho các ONT gửi dữ liệu hƣớng lên. Dựa vào các thông tin về khe
thời gian (kênh), địa chỉ gói/tế bào, bƣớc sóng, mã CDMA mà các ONT tách dữ liệu
tƣơng ứng với thuê bao của khách hàng. Trong hƣớng lên, mỗi một ONU cần có giao
thức điều khiển truy nhập môi trƣờng MAC (Medium Access Control) để chia sẻ
PON. Giao thức MAC thƣờng đƣợc sử dụng trong PON là đa truy nhập phân chia theo
thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), khi đó mỗi ONT đƣợc cấp một khe
thời gian (kênh) để gửi dữ liệu của mình tới OLT. Ngoài ra trong hƣớng lên cần phải
có khoảng thời gian bảo vệ giữa các nhóm gói dữ liệu của các ONT, khoảng thời gian
này phải đảm bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu không bị trùm phủ lên nhau.
Thông thƣờng các hệ thống TDMA PON gán trƣớc một tỷ lệ phân chia cố định
băng thông hƣớng lên cho các ONT mà không quan tâm có bao nhiêu dữ liệu đƣợc
gửi đi.

Một giải pháp để phân bổ băng thông cho các ONT là sử dụng giao thức phân bổ
băng thông động (Dynamic Bandwidth Allocation - DBA). DBA là giao thức cho phép
các ONT gửi yêu cầu về băng thông tới OLT nhằm sử dụng hiệu quả băng thông
hƣớng lên. Các thông tin yêu cầu có thể là các mức đầy hàng đợi đầu vào cho các lớp
dịch vụ khác nhau. OLT đánh giá các yêu cầu từ các ONT và gán băng thông cho gửi
dữ liệu hƣớng lên ở lần kế tiếp theo. OLT cũng có thể tích hợp chức năng thỏa thuận


5
mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) để kết hợp với DBA trong việc phân bổ
băng thông. Thông thƣờng các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hƣớng xuống và hƣớng
lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hƣớng cho phép sử
dụng cùng một bƣớc sóng cho cả 2 hƣớng, tuy nhiên đối với các hệ thống truyền tải
tốc độ cao để đảm bảo chất lƣợng thì thông thƣờng mỗi hƣớng sử dụng một bƣớc sóng
riêng. Trong các mạng PON các bƣớc sóng đƣợc sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm cho
hƣớng xuống và 1310nm cho tín hiệu đƣờng lên.
Luận văn này xem xét một giải pháp sử dụng cùng một mạng truyền dẫn có thể hỗ
trợ cho cả UMTS và GSM với GPRS/EDGE. Giải pháp này làm giảm yêu cầu dung
lƣợng cần truyền dẫn của mạng backhaul bằng việc sử dụng phƣơng pháp nén tiên tiến
cho lƣu lƣợng thoại GSM, lƣu lƣợng dữ liệu và phƣơng pháp ghép lƣu lƣợng thoại và
dữ liệu của cả hai mạng GSM và UMTS. Luận văn này mô tả công nghệ PON, 3G và
phát triển của mạng truyền dẫn GSM/UMTS để hỗ trợ EDGE và UMTS, nghiên cứu
một cấu trúc tối ƣu với trọng tâm là các kỹ thuật công nghệ PON nhằm làm giảm sự
lãng phí tài nguyên dải thông trên mạng truyền dẫn 3G để tiết kiệm dải thông, tối ƣu
mạng truyền dẫn di động 3G.
Xuất phát từ ý tƣởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA, mạng W-CDMA và
công nghệ PON tôi đã thực hiện luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON
để quy hoạch, nâng cấp và tối ƣu hóa mạng truyền dẫn 3G”.

Luận văn này tôi trình bày 3 chƣơng, với nội dung chính là chƣơng 2, chƣơng 3,
gồm có :
Chƣơng 1 : Hệ thống thông tin di động thê hệ thứ 3 W-CDMA,
Chƣơng 2 : Công nghệ PON và các chuẩn hóa PON,
Chƣơng 3 : Ứng dụng PON để quy hoạch, nâng cấp và tối ƣu hóa mạng truyền
dẫn 3G,


6
Chƣơng 4 : Kết luận và hƣớng mở của luận văn.
Trong quá trình làm luận văn khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của các
thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS, TS. Nguyễn Thanh Hà và các thầy cô giáo
đã giúp em hoàn thành luận văn này !.
Thái Nguyên, ngày tháng 11 năm 2010.
Học viên

Ngô Minh Đức








DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

AP

Access Point

ACCH
Associated Control Channels
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line
A-F
Amplify-and-Forward
AGC
Auto-gain Control
AI
Acquisition Indicator
AMPS
Advanced Mobile Phone System


7
AON
Active Optical Network
APC
Auto Power Control
APD
Avalanche Photodiode
ARQ
Automatic Repeat Request
AS
Access Stratum
ATC
Automatic Threshold Control
ATM

Automated Teller Machine
AWG
Array Waveguide Grating
AWGN
Additive White Gaussian Noise
BAN
Broadband Access Networks

BCCH
Broadcast Control Channel
BCH
Broadcast Channel
BER
Bit Error Ratio
BLD
Bottom Level Detector
BM-CDR
Burst-mode Clock Data Recovery
BM-LDD
Burst-mode Laser Diode Driver
BOSA
Bidirectional Optical Sub-Assembly
BPON
Broadband Passive Optical Network
BPSK
Binary Phase Shift Keying
BS
Base Station
BSC
Base Station Controler

BSS
Base Station Subsystem
BTS
Base Tranceiver Station
BWA
Broadband Wireless Access
C/I
Carrier to Interference ratio
CAPEX
Captical Expenditure
CATV
Cable Television
CCCH
Common Control Channel
CCPCH
Common Control Physical Chanel
CDMA
Code Division Multiple Access
CDMA-
PON
Code Division Multiple Access Passive Optical Network
CDR
Clock Data Recovery
C-F
Compress-and-Forward


8
CMRP
Capacity Maximization with RS Placement

CO
Central Office
CP
Candidate Position
CPCC
Common Power Control Chanel
CPCH
Common Packet Chanel.
CPICH
Common Pilot Chanel
CR
Chip Rate
CR
Cooperative Relaying
CRC
Cyclic Redundancy Check
CS
Circuit Switch
CT
Cooperative Transmissions
DBA
Dynamic Bandwidth Allocation
DCA
Dynamic Chanel Allocation
DCCH
Dedicated Control Channel
D-F
Decode-and-Forward
DFB
Distributed Feedback Bragg

DLP
Dimensioning and Location Planning
DPCCH
Dedicated Physical Control Chanel
DPCH
Dedicated Physical Chanel
DPDCH
Dedicated Physical Data Chanel
DSCH
Downlink Shared Chanel
DSL
Digital Subscriber Line
DSP
Dimensioning and Site Planning
DTCH
Dedicated Traffic Chanel
DTE
Data Terminal Equipment
EDGE
Enhanced Data rate for GSM Evolution.
EFM
Ethernet in First Mile
EPON
Ethernet Passive Optical Networks
ETSI
European Telecommunications Standards Institute
FACCH
Fast Associated Control Channel
FACH
Forward Access Chanel

FAUSCH
Fast Uplink Signalling Chanel
FCCCH
Forward Common Control Chanel


9
FCCH
Frequency Correction Channel
FDCCH
Forward Dedicated Control Chanel
FDD
Frequency Division Duplex
FDMA
Frequency Division Multiple Access
FDMA
Frequence Division Multiple Access
FMC
Fixed Mobile Convergence
F-P
Fabry Perot
FRS
Feasible-Relay-Sequence
FSAN
Full Service Access Network
FSK
Frequency Shift Keying
FTP
File Transfer Protocol
FTTC

Fiber-to-the-Curb
FTTH
Fiber-to-the-Home
GA
Genetic Algorithm
GEM
GPON Encapsulation Method
GOS
Grade Of Service
GPON
Gigabit Passive Optical Network
GPON
Gigabit Passive Optical Networks
GPRS
General Packet Radio Services
GPS
Global Position System
GSM
Global System for Mobile Communication
GTC
GPON Tranmission Conversion
Handover
Chuyển giao.
HDTV
High-definition Television
HFC
Hybrid Fiber Coaxial
HH
Hard Handoff
HSCSD

Hight Speed Circuit Switched Data
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineering
IETF
Internet Engineering Task Force
ILP
Integer Linear Program
IMSI
International Mobile Subscriber Identity
IMT-2000
International Mobile Telecommunication
IP
Internet Protocol


10
IPTV
Internet Protocol TeleVision
IS-136
Interim Standard 136
IS-54
Interim Standard 54
IS-95A
Interim Standard 95A
ISDN
Integrated Servive Digital Network
ITU-R
International Mobile Telecommunication Union Radio Sector
IWF
InterWorking Function

LAC
Link Access Control
LAI
Location Area Indentify
LB
Lower Bound
LDS
Laser Driver Stage
LED
Light Emitting Diode
LLC
Logical Link Control
LLID
Link Logic ID
LOS
Line of Sight
LR
Location Registration
LTE
Long Term Evolution
LVCMOS
Low-Voltage CMOS
MAC
Medium Access Control
MAC
Media Access Control
MAN
Metropolitan Area Network
ME
Mobile Equipment

MIMO
Multiple Input Multiple Output
MINLP
Mixed Integer Non-Linear Program
MMR
Mobile Multi-hop Reply
MPCPDU
Muli-Point Control Protocol Data Unit
MS
Mobile Station
MSC
Mobile Service Switching Center
MTBF
Mean Time Between Failure
MTP
Message Transfer Part
NAS
Non-Access Stratum
NCT
Non-Cooperative Relaying
NE
Network Element


11
NLOS
Non Line of Sight
Node B
Là nút logic kết cuối giao diện IuB với RNC.
NPA

Network Power Assembly
NP-
HARD
Nondeterministic Polynomial-time hard
NSS
Network and Switching Subsystem
NTT
Nippon Telegraph and Telephone
OAM
Operations Administration and Maintenance
ODMA
Opportunity Driven Multiplex Access
ODN
Optical Distribution Network
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplex
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OLT
Optical Line Terminal
OM
Operation and Management
ONT
Optical Network Terminal
ONU
Optical Network Unit
OPEX
Operational Expenditure
OSA
Optical Sub-Assembly

P2P
Peer to Peer
PAGCH
Paging and Access
PC
Personal Computer
PCCC
Parallel Concatenated Convolutional Code
PCCH
Paging Contrlo Chanel
PCH
Paging Channel
PCPCH
Physical Common Packet Chanel
PCS
Personal Communication Services
PD
Photodiode
PECL
Positive Emitter-Coupler Logic
PHY
Physical
PLM
Power Leveling Mechanism
PLMN
Public Land Mobile Network
PLOAM
Physical Layer Operation Administration and Maintenance
PLP
Packet Layer Preample

PMD
Physical Media Dependant


12
PMP
Point-to-Multi-Point
PON
Passive Optical Networks
POTS
Plain Old Telephone Service
PS
Potential Site
PSTN
Public Switched Telephone Network
PtPE
Point to Point Emulation
QAM
Quadrature Amplititude Modulation
QoS
Quality of Service
RACH
Random Access Channel
RBA
Resource Breakdown Assignment
ROF
Radio- Over-Fiber
ROSA
Receive Optical Sub-Assembly
RRC

Radio Resource Control
RS
Relay Station
RTT
Round Trip Time
SCH
Synchronization Channel
SDCCH
Stand alone Dedicated Control Channel
SDH
Synchronous Digital Hierarchy
SDMA
Space Division Multiple Access
SDV
Switched Digital Video
SerDes
Serializer/Deserializer
SFF
Small Form Factor
SLA
Service Level Agreement
SME
Share Medium Emulation
SNR
Signal-to-Noise Ratio
SRD
Step Recovery-Time Diode
SNR
Signal-to-Noise Ratio
SS

Subscriber Station
TACH
Traffic and Associated Channel
TCH
Traffic Channel
TCP
Transmission Control Protocol
TDD
Time Division Duplexing
TDM
Time Division Multiplexing


13
TDMA
Time Division Multiple Access
TDMA-
PON
Time Division Multiple Access Passive Optical Network
TDP
Transmit and Dispersion Penalty
TIA
Transimpedance Amplifier
TOSA
Transmit Optical Sub-Assembly
TP
Test Point
UB
Upper Bound
UMTS

Universal Mobile Telecommunications Systems
UT
User Terminal
UTRAN
Universal Terrestrial Radio Access Network
UWB
Ultra-WideBand
UWB
Ultra-WideBand
VA
Voice Activity factor
VBR
Variable Bit Rate
VCI
Virtual Circuit Identifier
VCSEL
Vertical Cavity Surface Emitting Laser
VIP
Very Important Point
VOD
Voice on Demand
VoIP
Voice over Internet Protocol
VPI
Virtual Path Identifier
VPN
Virtual Private Network
WCDMA
Wideband Code Division Multiplex Access
WCN

Wireless Cooperative Network
WDM
Wavelength Division Multiplexing
WDM-
PON
Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network
Wi-Fi
Wireless Fidelity
WiMAX
Worldwide Interoperability Microwave Access
WLAN
Wireless Local Area Network
WMAN
Wireless Metropolitan Area Networks WPAN
WSN

Wireless Sensor Networks
1-D
One Dimensional
2-D
Two Dimensional
3GPP
The Third Generation Partnership Project


14

Chương 1 :
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA
1.1 Giới thiệu công nghệ W-CDMA
Chƣơng này sẽ giới thiệu về công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạng W-CDMA,
mạng truy nhập vô tuyến UTRAN, các giao diện vô tuyến và đặc trƣng riêng của
chúng, ta sẽ có cái nhìn tổng quan về mạng W-CDMA 3G .
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - truy cập đa phân mã
băng rộng) là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch
vụ đa phƣơng tiện tốc độ cao nhƣ video, truy cập Internet, hội thảo hình WCDMA
nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170 MHz.
W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách
dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các công
nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận đƣợc sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào
tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là
dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.
W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :
- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.
- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp đƣợc tất cả thông tin trên một sóng mang.


15
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
Nhƣợc điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD
phát liên tục cũng nhƣ không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi

trƣờng làm việc khác nhau.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với
tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn nhƣ truyền dẫn đối xứng
và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả năng đó,
các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới nhƣ
: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa
phƣơng tiện khác.

Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ các
dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng nhƣ các dịch vụ không
liên quan đến cuộc gọi nhƣ thƣ điện tử, FPT…
Công trình nghiên cứu của các nƣớc châu Âu cho W-CDMA bắt đầu từ đề án
KBit/s
Đối xứng
Không đối xứng
Đa phương
Điểm đến điểm
Đa điểm
Đa phương tiện di động
Quảng bá
Truyền hình hội
nghị
(Chất lượng cao)
Truyền hình hội
nghị (Chất lƣợng
thấp)

Đàm thoại hội
nghị

Điện thoại


Truy
nhập
Interne
t

WWW

Thư
điện tử

FTP

Điện
thoại IP

vv…
Y tế từ xa
Thư tiếng
Truy nhập cơ sở dữ liệu
Mua
hàng
theo
Catalog
Video
Video
theo
yêu

cầu
Báo
điện
tử
Karaoke
ISDN
Xuất bản
điện tử
Thư điện tử
FAX
Các dịch vụ
phân phối
thông tin




Tin tức

Dự báo
thời tiết

Thông tin
lưu lượng

Thông tin
nghỉ ngơi
Truyền
hình di
động

Truyền
thanh di
động

Tiếng

Số liệu

H.ảnh
1.2
2.4
9.6
16
32
64
384
2M
Hình 1.1 Các dịch vụ đa phƣơng tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba


16
CODIT (Code Division Multiplex Testbed : Phòng thí nghiệm đa truy cập theo mã) và
FRAMES (Future Radio Multiplex Access Scheme : Kỹ thuật đa truy cập vô tuyến
trong tƣơng lai) từ đầu thập niên 90. Các dự án này đã tiến hành thử nghiệm các hệ
thống W-CDMA để đánh giá chất lƣợng đƣờng truyền.
Theo các chuyên gia trong ngành viễn thông, đƣờng tới 3G của GSM là
WCDMA. Nhƣng trên con đƣờng đó, các nhà khai thác dịch vụ điện thoại di động
phải trải qua giai đoạn 2,5G. Thế hệ 2,5G bao gồm những gì? Đó là: dữ liệu chuyển
mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS và Enhanced Data
Rates for Global Evolution (EDGE).

1.2 Cấu trúc mạng W-CDMA
Hệ thống W-CDMA đƣợc xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng có
thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy nhập
vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng
GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA. Ngoài ra để
hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị ngƣời sử dụng (UE) thực hiện
giao diện ngƣời sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN
đều bao gồm những giao thức mới đƣợc thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-
CDMA, trái lại mạng lõi đƣợc định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép
hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM.


17
 UE (User Equipment)
Thiết bị ngƣời sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp ngƣời sử dụng với hệ thống.
UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến đƣợc sử dụng
cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông
tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lƣu giữ các khóa
nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy
nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện I
ub
và U
u
. Nó cũng
tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài
nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B đƣợc kết nối với nó). RNC còn là điểm truy
cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
 CN (Core Network)
- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thƣờng trú lƣu giữ thông
PLMN,PSTNIS
DN
Internet
Các mạng
ngoài
MSC/
VLR

GMSC

GGSN

SGSN
HLR
CN
RNC

Node B


Node B

RNC

Node B

Node B

I
Ub
I
Ur
UTRAN
I
U
USIM
USIM
C
U
UE
U
U

Hình 1.2. Cấu trúc của UMTS


18
tin chính về lý lịch dịch vụ của ngƣời sử dụng. Các thông tin này bao gồm : Thông tin
về các dịch vụ đƣợc phép, các vùng không đƣợc chuyển mạng và các thông tin về dịch
vụ bổ sung nhƣ : trạng thái chuyển hƣớng cuộc gọi, số lần chuyển hƣớng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) : Là
tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh
cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh.
VLR có chức năng lƣu giữ bản sao về lý lịch ngƣời sử dụng cũng nhƣ vị trí chính xác

của UE trong hệ thống đang phục vụ.
- GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
- SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng nhƣ MSC/VLR nhƣng đƣợc sử dụng cho
các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng nhƣ GMSC nhƣng chỉ
phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
 Các mạng ngoài
- Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
- Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
 Các giao diện vô tuyến
- Giao diện C
U
: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này
tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.
- Giao diện U
U
: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ
thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.
- Giao diện I
U
: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai
thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.
- Giao diện I
Ur
: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất
khác nhau.
- Giao diện I
Ub
: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. I
Ub

đƣợc
tiêu chuẩn hóa nhƣ là một giao diện mở hoàn toàn.
1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN.
UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS (Radio Network


19
Subsystem). Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các node B.
Các RNC đƣợc kết nối với nhau bằng giao diện Iur và kết nối với node B bằng giao
diện Iub.


1.2.1.1 Đặc trưng của UTRAN
Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN cũng nhƣ các giao
thức. UTRAN có các đặc tính chính sau :
- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các
thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.
- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển
mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả
hai vùng của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
1.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của
UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thƣờng là với một MSC và một SGSN) qua giao
diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc
ngẽn cho các ô của mình. Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ
Node B
Node B
RNC

Node B
Node B
RNC
RNS
RNS
I
ub

Iur
UTRAN
MSC/VLR
GGSN
CN
I
U
CS
IU PS
U
U
USIM
USIM
CU
UE
Hình 1.3. Cấu trúc UTRAN


20
nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng bịêt
- RNC phục vụ (Serving RNC) : SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cả
đƣờng nối Iu để truyền số liệu ngƣời sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng dụng

mạng truy nhập vô tuyến) tƣơng ứng từ mạng lõi. SRNC cũng là kết cuối báo hiệu
điều khiển tài nguyên vô tuyến. Nó thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu
tới các tài nguyên vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một node B nào đó đƣợc sử
dụng để MS kết nối với UTRAN.
- RNC trôi (Drif RNC) : DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển
các ô đƣợc MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân tập vĩ mô.
DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ định tuyến số
liệu giữa các giao diện I
Ub
và I
Ur
. Một UE có thể không có hoặc có một hay nhiều
DRNC.
1.2.1.3 Node B
Chức năng chính của node B là thực hiện xữ lý trên lớp vật lý của giao diện vô
tuyến nhƣ mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…Nó cũng thực hiện phần
khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến nhƣ điều khiển công suất vòng trong. Về phần
chức năng nó giống nhƣ trạm gốc của GSM.
1.2.2 Giao diện vô tuyến
Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng
mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic. Cấu trúc giao diện đƣợc xây dựng
trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với nhau, điều này cho phép
thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần còn lại.