Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Pon để quy hoạch, nâng cấp, tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3GWCDMA tại khu vực Thành phố Bắc Giang
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1023.73 KB, 69 trang )
Trang 1
ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ðẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên
:
Nguyễn Thị Chung
Ngày tháng năm sinh
:
Ngày 18 tháng 9 năm 1980
Nơi sinh
:
Bắc Giang
Nơi công tác
:
Trường Cao ðẳng Nghề Bắc Giang
Cơ sở ñào tạo
:
Trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Chuyên ngành
:
Kỹ thuật ñiện tử
Khóa học
:
K13- KTðT
TÊN ðỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ðỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP, TỐI
ƯU HOÁ VIỆC PHÂN BỔ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN 3G-WCDMA
TẠI KHU VỰC TP BẮC GIANG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ
Trường ðại học Thái Nguyên
Ngày giao ñề tài: / /
Ngày hoàn thành: / /
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
PGS.TS
Nguyễn Thanh Hà
HỌC VIÊN
Nguyễn Thị Chung
Trang 2
BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ðẠI HỌC
LỜI CAM ðOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Chung
Học viên lớp Cao học khoá 13- Kỹ thuật ñiện tử - Trường ðHKTCN Thái Nguyên
Xin cam ñoan: ðề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON ñể quy hoạch, nâng
cấp và tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3G” do thầy giáo PGS. TS.
Nguyễn Thanh Hà hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả
những nội dung trong luận văn ñúng như trong ñề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn.
Các tài liệu tham khảo ñều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Bắc Giang, ngày tháng năm 2012
Học viên
Nguyễn Thị Chung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 3
MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN……………………………………………………… … I
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………II
MỤC LỤC………………………………………………………………….III
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………………………V
LỜI NÓI ðẦU………………………………………………………….… 1
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ DI ðỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA……….…5
1.1 Giới thiệu chương………………………………………………………5
1.2 Cấu trúc mạng W-CDMA………………………………………………6
1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN……………………………9
1.2.2 Giao diên vô tuyến………………………………………… 10
1.3 Kết luận chương……………………………………………………… 13
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HOÁ PON……… 15
2.1. Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ ñộng PON………… 15
2.1.1. AON………………………… ……………………………….…15
2.1.2. Mạng PON……………………… …………………………… 16
2.1.3. Các chuẩn trong mạng PON………… ………………………….20
2.1.4. Bộ tách /ghép quang và topo trong mạng PON……… …………27
2.1.5. PON MAC layer…………………………………… ………… 35
2.2 Kết luận chương……………………………………………………… 43
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ðỂ QUY HOẠCH TỐI ƯU
HOÁ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN 3G-WCDMA TẠI KHU
VỰC TP BẮC GIANG………………………………………….44
3.1. Giới thiệu………………………………………………………………44
3.2. Nhu cầu tối ưu hoá mạng backhaul……………………………………45
3.3.Quy hoạch vị trí……………………………………………………… 47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 4
3.4. Sự sắp xếp nhiều ONU: Thuật toán Tham lam Greedy……………….49
3.5. Thuật toán ñể tối ưu hoá toàn cục…………………………………… 50
3.5.1. Mô phỏng thuật toán luyện kim simulated Annealing (SA)…….51
3.5.2. Áp dụng vấn ñề bố trí nhiều ONU theo SA…………………… 51
3.5.3. Hiệu suất học…………………………………………………….53
3.5.4. Thuật toán leo ñồi(
Hill-Climbing Algorithm (Steepest Descent))… 55
3.6. Kết luận chương……………………………… ……………………………57
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI……………… ………58
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 59
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 5
Lời nói ñầu
@
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như ñiện tử, tin học công nghệ thông
tin di ñộng trong những năm qua ñã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại hình dịch vụ ña
dạng ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Kể từ khi ra ñời vào cuối năm 1940
cho ñến nay thông tin di ñộng ñã phát triển qua nhiều thế hệ và ñã tiến một bước dài trên con
ñường công nghệ.
Trong thế kỷ 21, thế giới ñã chứng kiến sự bùng nổ về nhu cầu truyền thông không dây cả
về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ. Tuy nhiên, theo ñánh giá thì công nghệ truyền
thông không dây hiện thời vẫn còn quá chậm và không ñáp ứng ñược các yêu cầu về dịch vụ
mới ñặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu ña phương tiện. ðiều này ñòi hỏi các nhà khai thác
phải có ñược công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và tốt hơn. ðể ñáp ứng yêu cầu ñó,
ngay từ những năm ñầu của thập kỷ 90 người ta ñã tiến hành nghiên cứu, hoạch ñịnh hệ thống
thông tin di ñộng thế hệ ba. ITU-R ñang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông
tin di ñộng toàn cầu IMT-2000, còn ở châu Âu ETSI ñang tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản
này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunnication System). Mục tiêu trước mắt
là tăng tốc ñộ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps. Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại,
và dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ truyền thông ña phương tiện ñến các thiết bị không dây.
Có nhiều chuẩn thông tin di ñộng thế hệ ba ñược ñề xuất, trong ñó chuẩn W-CDMA ñã
ñược ITU chấp thuận và hiện nay ñang ñược triển khai ở một số khu vực. Hệ thống W-CDMA
là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ hai sử dụng công nghệ
TDMA như GSM, PDC, IS-136 W-CDMA sử dụng công nghệ CDMA ñang là mục tiêu
hướng tới của các hệ thống thông tin di ñộng trên toàn thế giới, ñiều này cho phép thực hiện
tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến công nghệ truyền thông không dây trên toàn cầu.
Hiện nay, mạng thông tin di ñộng của Việt Nam ñang sử dụng công nghệ GSM, tuy nhiên
mạng GSM không ñáp ứng ñược các yêu cầu về dịch vụ mới cũng như ñòi hỏi chất lượng dịch
vụ ngày càng cao của người sử dụng 3G là một bước ñột phá của ngành di ñộng, bởi vì nó cung
cấp băng thông rộng hơn cho người sử dụng. ðiều ñó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 6
thuận tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu như truyền thông hữu ích
như ñiện thoại truyền hình, ñịnh vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet,truyền tải dữ liệu
dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao, Truyền thông di ñộng ngày nay ñã
và ñang ñóng góp một vai trò quan trọng trong cuộc sống. Việc vẫn có thể giữ liên lạc với mọi
người trong khi di chuyển ñã làm thay ñổi cuộc sống riêng tư và công việc của chúng ta.
Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung
lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di ñộng thứ hai. Sự ra ñời của hệ thống di ñộng
hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu ñể có thể ñáp
ứng ñược nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc ñộ cao, băng thông rộng của
người sử dụng.
Trong lộ trình phát triển, các mạng GPRS/EDGE và tiếp theo là UMTS ñược triển khai
trên nền mạng GSM truyền thống nhằm ñem lại thêm tài nguyên vô tuyến ñể cung cấp các dịch
vụ dữ liệu tốc ñộ cao, và tăng chất lượng dịch vụ thoại. Quá trình phát triển này ñòi hỏi dung
lượng mạng truyền dẫn (backhaul) phải ñược mở rộng ñể truyền tải lưu lượng lớn hơn từ trạm
gốc (BS) ñến trạm 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 ñặt 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, ñặc biệt khi các nhà khai thác
di ñộng hy vọng UMTS sẽ dần thay thế GSM, và như vậy mạng truyền dẫn GSM dần dần sẽ bị
xóa bỏ.
Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang (ONT) có khả năng hỗ trợ kết nối dịch vụ ñiện
thoại truyền thống qua giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và các giao tiếp truyền
dữ liệu tốc ñộ cao như Ethernet và DSL. ðầu cuối ñường dây quang (OLT) bao gồm các khối
giao tiếp PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và các phần tử ñiều khiển NE (Network
Element). Tại hướng xuống, ODL phát quảng bá dữ liệu tới tất cả các ONU. Tín hiệu hướng
xuống bao gồm dữ liệu cho các ONT, từ mào ñầu Khai thác Quản lý và Bảo dưỡng (Operations
Administration and Maintenance –OAM) và các tín hiệu ñồng bộ cho các ONT gửi dữ liệu
hướng lên. Dựa vào các thông tin về khe thời gian (kênh), ñịa chỉ gói/tế bào, bước sóng, mã
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 7
CDMA mà các ONT tách dữ liệu tương ứng với thuê bao của khách hàng. Trong hướng lên,
mỗi một ONU cần có giao thức ñiều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access
Control) ñể chia sẻ PON. Giao thức MAC thường ñược sử dụng trong PON là ña truy nhập
phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), khi ñó mỗi ONT ñược cấp
một khe thời gian (kênh) ñể gửi dữ liệu của mình tới OLT. Ngoài ra trong hướng lên cần phải
có khoảng thời gian bảo vệ giữa các nhóm gói dữ liệu của các ONT, khoảng thời gian này ñảm
bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu không bị trùm phủ lên nhau.
Thông thường các hệ thống TDMA PON gán trước một tỷ lệ phân chia cố ñịnh băng
thông hướng lên cho các ONT mà không quan tâm có bao nhiêu dữ liệu ñược gửi ñi.
Một giải pháp ñể phân bổ băng thông cho các ONT là sử dụng giao thức phân bổ băng
thông ñộng (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 hướng lên. Các thông tin
yêu cầu có thể là các mức ñầy hàng ñợi ñầu vào cho các lớp dịch vụ khác nhau. OLT ñánh giá
các yêu cầu từ các ONT và gán băng thông gửi cho dữ liệu hướng lên ở lần kế tiếp theo. OLT
cũng có thể tích hợp chức năng thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) ñể
kết hợp với DBA trong việc phân bổ băng thông. Thông thường các hệ thống PON truyền dữ
liệu cả hướng xuống và hướng lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối
ñịnh hướng cho phép sử dụng cùng một bước sóng cho cả hai hướng, tuy nhiên ñối với các hệ
thống truyền tải tốc ñộ cao ñể ñảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng sử dụng một
bước sống riêng. Trong các mạng PON các bước sóng ñược sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm
cho hướng xuống và 1310nm cho tín hiệu hướng lên.
Luận văn này mô tả công nghệ PON, 3G và phát triển của mạng truyền dẫn
GSM/UMTS ñể hỗ trợ EDGE và UMTS, nghiên cứu một cấu trúc tối ưu 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 ñể tiết kiệm ñường dải thông, tối ưu mạng truyền dẫn di ñộng 3G.
Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA, mạng W-CDMA và công
nghệ PON tôi ñã thực hiện luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON ñể quy hoạch,
nâng cấp và tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3G”.
Luận văn này tôi trình bày 3 chương, với nội dung chính là chương 2, chương 3, gồm có:
Chương 1: Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ thứ 3 W-CDMA.
Chương 2: Công nghệ PON và các chuẩn hóa PON.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 8
Chương 3: Ứng dụng PON ñể phân bổ vị trí và quy hoạch tần số trong mang 3G tại khu vực TP
Bắc Giang.
Chương 4: Kết luận và hướng mở của luận văn.
Trong quá trình làm luận văn khó tránh khỏi những sai sót, em rất mong ñược sự chỉ dẫn
của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn ñể luận văn ñược hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS, TS. Nguyễn Thanh Hà và các thầy cô giáo ñã giúp
em hoàn thiện luận văn này!
Thái Nguyên, ngày tháng năm
Học viên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 9
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
AP Access Point
ACCH Associated Control Channels
ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line
A-F Amplify-and-Forward
AGC Auto-gain Control
AI Acquisition Indicator
AMPS Advanced Mobile Phone System
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 Staysion
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 10
BSC Base Staysion Controler
BSS Base Staysion Subsystem
BTS Base Tranceiver Station
BWA Wroadband Wireless Access
C/I CarriertoInterferenceratio
CAPEX Captical Expenditure
CATV Cable Television
CCCH Common Control Channel
CCPCH Common Control Physical Channel
CDMA Code Division Multiple Access
CDMA-PON Code Division Multiple Access Passive Optical Network
CDR Clock Data Rercovery
C-F Compress-and-Forward
CMRP Caspacity Maximization with RS Placement
CO Central Office
CP Candidate Position
CPCC Common Power Control Channel
CPCH Common Packet Channel
CPICH Common Pilot Channel
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 Plainning
DPCCH Dedicated Physical Control Chanel
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 11
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 Passsive Optical Network
ETSI European Telecomunications Tandards Indtitute
FACCH Fast Associated Control Channel
FACH Forward Access Chanel
FAUSCH Fast Uplink Signalling Chanel
FCCCH Forward Common Control Chanel
FCCH Frequency Correction Channel
FDCCH Forward Delicated Control Chanel
FDD Frequency Division Duplex
FDMA FrequencyDivision 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 12
GPON Gigrabit Passive Optical Network
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 Electrics Engineering
IETF Internet Engineering Task Force
ILP Integer Linear Program
IMSI International Mobile Subscriber Identity
IMT-2000 International Mobile Telecommunication
IP Internet Protocol
IPTV Internet Protocol Tele Vision
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 Setor
IWF Inter Working 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 13
LOS Line of Sight
LR Location Registration
LTE Long Term Evolution
LVCMOS Low-Voltage CMOS
MAC Medium 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
NCR Non-Cooperative Relaying
NE Network Element
NLOS Non Line of Sight
Node B Là nút logic kết cuối giao diện IuB với RNC
NPA Network Power Assemply
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 14
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 Persional Computer
PCCC Parallel Concatenated Convoluntional Code
PCCH Paging Control 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
PMP Point-to-Multi-Point
PON Passive Optical Networks
POTS Plain Old Telephone Service
PS Potential Sitephone
PSTN Public Switched Telephone Network
PtPE Point toPoint Emulation
QAM Quadrature Amplititude Modulation
QoS Qualaty of Service
RACH Random Access Channel
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 15
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
SS Subscriber Station
TACH Traffic and Associated Channel
TCH Traffic Channel
TCP Tranmission Control Protocol
TDD Time Division Duplexing
TDM Time Division Multiplexing
TDMA Time Division Multiplex Access
TDMA-PON Time Division Multiplex Access Passive Optical Network
TDP Transmit and Dispersion Penalty
TIA Transimpedance Amplifier
TOSA Tranmit Optical Sub-Assembly
TP Test Point
UB Upper Bound
UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 16
UT User Terminal
UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network
UWB Ultra-WideBand
VA Voice Activity factor
VBR Variable Bit Rate
VCI Vertical Cirrcuit Identifier
VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
VIP Very Important Point
VOD Voice on Demand Protocol
VPI Virtual Path Identifier
VPN Virtual Private Network
WCDMA Wideband Code Division Multiplex Access
WCN Wireless Cooperative Network
WDM Waveleght Division Multiplexing
WDM-PON Waveleght Division Multiplexing Passive Optical Network
Wi-Fi Wireless Fidelity
WiMAX Workwide Interoperability Microwave Access
WLAN Wireless Local Area Network
WSN Wireless Metropolitan Area Networks WPAN
1-D One Dimensional
2-D Two Dimensional
3GPP The Third Generation Partnership Project
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 17
CHƯƠNG 1
CÔNG NGHỆ DI ðỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA
1.1 Giới thiệu chương
Công nghệ EDGE là một bước cải tiến của chuẩn GPRS ñể ñạt tốc ñộ truyền dữ liệu theo
yêu cầu của thông tin di ñộng thế hệ ba. Tuy nhiên EDGE vẫn dựa trên cấu trúc mạng GSM,
chỉ thay ñổi kỹ thuật ñiều chế vô tuyến kết hợp với dịch vụ chuyển mạch vô tuyến gói chung
(GPRS) nên tốc ñộ vẫn còn hạn chế. ðiều này gây khó khăn cho việc ứng dụng các dịch vụ
truyền thông ña phương tiện ñòi hỏi việc chuyển mạch linh ñộng và tốc ñộ truyền dữ liệu lớn
hơn. ðể giải quyết vấn ñề này, giải pháp ñưa ra là nâng cấp EDGE lên chuẩn di ñộng thế hệ ba
W-CDMA.
W-CDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di ñộng thế hệ ba (3G) giúp tăng
tốc ñộ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt ñộng ở
băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di ñộng thế hệ ba thì W-
CDMA nhận ñược sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ
các kiểu dịch vụ khác nhau ñặc biệt là dịch vụ tốc ñộ bit thấp và trung bình.
* W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :
- Hoạt ñộng ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.
- Lớp vật lý mềm dẻo ñể tích hợp ñược tất cả thông tin trên một sóng mang.
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
Nhược ñiểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD phát liên
tục cũng như không tạo ñiều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi trường làm việc khác
nhau.
Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc ñộ bit
lên ñến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn ñối xứng và không ñối xứng,
thông tin ñiểm ñến ñiểm và thông tin ña ñiểm. Với khả năng ñó, các hệ thống thông tin di ñộng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 18
thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới như : ñiện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh,
ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ ña phương tiện khác.
Các nhà
khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ ñối với khách hàng, từ các dịch vụ ñiện thoại khác
nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các dịch vụ không liên quan ñến cuộc gọi như thư
ñiện tử, FPT…
1.2. Cấu trúc mạng W-CDMA
Hệ thống W-CDMA ñược 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 ñó 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 ñể hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn
có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống. Từ quan ñiểm
chuẩn hóa, cả UE và UTRAN ñều bao gồm những giao thức mới ñược thiết kế dựa trên công
nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi ñược ñịnh nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. ðiều này
cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM.
KBit/s
ðối xứng Không ñối xứng ða phương
ðiểm ñến ñiểm ða ñiểm
ða phương tiện di ñộng Quảng bá
Truyền hình hội
nghị
(Chất lượng cao)
Truyền hình hội
nghị
(Chất lượng thấp)
ðàm thoại hội
nghị
ðiện thoại
Truy
nhập
Internet
WWW
Thư
ñiện tử
Y tế từ xa
Thư tiếng
Truy nhập cơ sở dữ liệu
Mua
hàng
theo
Catalog
Video
theo
yêu
c
ầ
u
Báo
ñiện
t
ử
Karaoke
ISDN
Xuất bản
ñ
i
ệ
n t
ử
Thư ñiện tử FAX
Các dịch vụ
phân phối
thông tin
Tin tức
Dự báo
thời tiết
Truyền
hình di
ñộng
Truyền
thanh di
ñộng
Tiếng
Số liệu
H.ảnh
1.2
2.4
9.6
16
32
64
384
2M
Hình 1.1 Các dịch vụ ña phương tiện trong hệ thống thông tin di ñộng thế hệ ba
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 19
UE (User Equipment)
Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE
gồm hai phần :
- Thiết bị di ñộng (ME : Mobile Equipment) : Là ñầu cuối vô tuyến ñược 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, lưu giữ các khóa nhận thực và
một số thông tin thuê bao cần thiết cho ñầu cuối.
UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan ñến truy nhập vô
tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
- Nút B : Thực hiện chuyển ñổi dòng số liệu giữa các giao diện I
ub
và U
u
. Nó cũng tham
gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
- Bộ ñiều khiển mạng vô tuyến RNC : Có chức năng sở hữu và ñiều khiển các tài nguyên
vô tuyến ở trong vùng (các nút B ñược kết nối với nó). RNC còn là ñiểm truy cập tất cả các
PLMN,PST
NISDN
Internet
Các
mạng
MSC/
VLR
GMSC
GGSN
SGSN
HLR
CN
RNC
Node B
Node B
RNC
Node B
Node B
I
Ub
I
Ur
UTRAN
I
U
USI
M
USIM
C
U
UE
U
U
Hình 1.2 Cấu trúc của UMTS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 20
dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
CN (Core Network)
- HLR (Home Location Register) : Là thanh ghi ñịnh vị thường trú lưu giữ thông tin chính
về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm : Thông tin về các dịch vụ
ñược phép, các vùng không ñược chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng
thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) : Là tổng ñài
(MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) ñể 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 lưu giữ
bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống ñang phục
vụ.
- GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
- SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng ñược sử dụng cho các
dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng 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 ñó UE truy cập các phần tử cố ñịnh 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 21
- 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
ñược tiêu chuẩn
hóa như 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 Subsystem).
Một RNS gồm một bộ ñiều khiển mạng vô tuyến RNC với các node B. Các RNC ñược kết nối
với nhau bằng giao diện Iur và kết nối với node B bằng giao diện Iub.
1.3. Cấu trúc UTRAN
1.2.1.1. ðặc trưng của UTRAN
Các ñặc tính của UTRAN là cơ sở ñể thiết kế cấu trúc UTRAN cũng như các giao thức.
UTRAN có các ñặc tính chính sau:
- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, ñặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật
toán quản lý tài nguyên ñặc thù của W-CDMA.
- ðảm bảo tính chung nhất cho việc xử lí số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch
gói bằng cách sử dụng các giao thức vô tuyến duy nhất ñể kết nối từ UTRAN ñến cả hai vùng
của mạng lõi.
- ðảm 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 ñiều khiển mạng vô tuyến UTRAN
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm ñiều khiển tài nguyên vô tuyến của UTRAN.
RNC kết nối với CN (thông thường là với một MSC và với một SGSN) qua giao diện vô tuyến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 22
I
U
. RNC ñiều khiển node B chịu trách nhiệm ñiều khiển tải và tránh tắc nghẽn cho các ô của
mình. Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì các RNC này
sẽ có hai vai trò logic riêng biệt:
- RNC phục vụ (Serving RNC): SRNC ñối với một MS là RNC kết nối cả ñường nối
Iu ñể truyền tải số liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng dụng mạng truy nhập
vô tuyến) tương ứng từ mạng lõi. SRNC cũng là kết cuối báo hiệu ñiều khiển tài nguyên vô
tuyến. Nó thực hiện sử lí số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến.
SRNC cũng là CRNC của một node B nào ñó sử dụng ñể MS kết nối với UTRAN.
- RNC trôi (Drif RNC): DRNC là một RNC bất kì khác với SRNC ñể ñiều khiển các ô
ñược MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể kết hợp phân tâp vĩ mô. DRNC không thực hiện
xử lý dữ liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ ñịnh 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 xử lý trên lớp vật lí của giao diện vô tuyến như:
mã hóa kênh, ñan xen, thích ứng tốc ñộ, trải phổ Nó cũng thực hiện phần khai thác quản lý tài
nguyên vô tuyến như ñiều khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng của nó giống trạm
gốc của GSM.
1.2.2. Giao diện vô tuyến
Cấu trúc UMTS không ñịnh nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng mà chỉ
ñịnh nghĩa giao diện giữa các phần tử logic. Cấu trúc giao diện ñược xây dựng trên nguyên tắc
là các lớp và các phần cao ñộc lập logic với nhau, ñiều này cho phép thay ñổi một phần của cấu
trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần còn lại.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 23
1.2.2.1. Giao diện UTRAN – CN, I
U
Giao diện I
U
là một giao diện mở có chức năng kết nối UTRAN với CN. Iu có hai kiểu : Iu
CS ñể kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh và Iu PS ñể kết nối UTRAN với chuyển
mạch gói.
• Cấu trúc I
U
CS
I
U
CS sử dụng phương thức truyền tải ATM trên lớp vật lý là kết nối vô tuyến, cáp quang
hay cáp ñồng. Có thể lựa chọn các công nghệ truyền dẫn khác nhau như SONET, STM-1 hay
E1 ñể thực hiện lớp vật lý.
- Ngăn xếp giao thức phía ñiều khiển: Gồm RANAP trên ñỉnh giao diện SS7 băng rộng
và các lớp ứng dụng là phần ñiều khiển kết nối báo hiệu SCCP, phần truyền bản tin MTP3-b,
và lớp thích ứng báo hiệu ATM cho các giao diện mạng SAAL-NNI.
- Ngăn xếp giao thức phía ñiều khiển mạng truyền tải : Gồm các giao thức báo hiệu ñể
thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630) và lớp thích ứng Q.2150 ở ñỉnh các giao thức SS7 băng rộng.
- Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng: Gồm một kết nối AAL2 ñược dành trước cho
Giao thức
ứ
ng d
ụ
ng
Mạng
báo hi
ệ
u
Mạng
s
ố
li
ệ
u
Mạng
báo hi
ệ
u
ALCAP
Luồng
s
ố
li
ệ
u
Phía ñiều
khiển mạng
truyền tải
Phía người sử
dụng mạng
truyền tải
Phía người sử
dụng mạng
truyền tải
Lớp vật lý
Lớp mạng
vô tuy
ế
n
Lớp mạng
truy
ề
n t
ả
i
Hình 1.4. Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến của UTRAN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 24
từng dịch vụ CS.
• Cấu trúc I
U
PS
Phương thức truyền tải ATM ñược áp dụng cho cả phía ñiều khiển và phía người sử dụng.
- Ngăn xếp giao thức phía ñiều khiển I
U
PS: Chứa RANAP và vật mang báo hiệu SS7.
Ngoài ra cũng có thể ñịnh nghĩa vật mang báo hiệu IP ở ngăn xếp này. Vật mang báo hiệu trên
cơ sở IP bao gồm : M3UA (SS7 MTP3 User Adaption Layer), SCTP (Simple Control
Transmission Protocol), IP (Internet Protocol) và ALL5 chung cho cả hai tuỳ chọn.
- Ngăn xếp giao thức phía ñiều khiển mạng truyền tải I
U
PS: Phía ñiều khiển mạng truyền
tải không áp dụng cho I
U
PS. Các phần tử thông tin sử dụng ñể ñánh ñịa chỉ và nhận dạng báo
hiệu AAL2 giống như các phần tử thông tin ñược sử dụng trong CS.
- Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng Iu PS: Luồng số liệu gói ñược ghép chung lên
một hay nhiều AAL5 PVC (Permanent Virtual Connection). Phần người sử dụng GTP-U là lớp
ghép kênh ñể cung cấp các nhận dạng cho từng luồng số liệu gói. Các luồng số liệu sử dụng
truyền tải không theo nối thông và ñánh ñịa chỉ IP.
1.2.2.2. Giao diện RNC – RNC, I
Ur
I
Ur
là giao diện vô tuyến giữa các bộ ñiều khiển mạng vô tuyến. Lúc ñầu giao diện này
ñược thiết kế ñể hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trong quá trình phát triển tiêu chuẩn
nhiều tính năng ñã ñược bổ sung và ñến nay giao diện I
Ur
phải ñảm bảo 4 chức năng sau :
- Hỗ trợ tính di ñộng cơ sở giữa các RNC.
- Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng.
- Hỗ trợ kênh lưu lượng chung.
- Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu.
1.2.2.3. Giao diện RNC – Node B, I
Ub
Giao thức I
Ub
ñịnh nghĩa cấu trúc khung và các thủ tục ñiều khiển trong băng cho các từng
kiểu kênh truyền tải. Các chức năng chính của I
Ub
:
- Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến ñầu tiên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 25
của một UE và chọn ñiểm kết cuối lưu lượng.
- Khởi tạo và báo cáo các ñặc thù ô, node B, kết nối vô tuyến.
- Xữ lý các kênh riêng và kênh chung.
- Xữ lý kết hợp chuyển giao.
- Quản lý sự cố kết nối vô tuyến.
1.3. Kết luận chương
Chương này ñã giới thiệu ñược công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạng W-CDMA, mạng
truy nhập vô tuyến UTRAN và các giao diện vô tuyến. ðặc ñiểm mới nổi bật của UMTS là tốc
ñộ bit người sử dụng cao hơn: có thể ñạt ñược tốc ñộ của kết nối chuyển mạch kênh 384kbps,
kết nối chuyển mạch gói lên tới 2Mbps. Tốc ñộ bit dữ liệu cao hơn cung cấp các dịch vụ mới
như ñiện thoại hình, và tải dữ liệu nhanh hơn.
So với GSM và các mạng di ñộng ñang tồn tại, UMTS cung cấp các ñặc tính mới và
quan trọng, ñó là nó cho phép thoả thuận các ñặc tính của một bộ mang vô tuyến. Các thuộc
tính ñịnh nghĩa ñặc trưng của chuyển vận bao gồm: thông lượng, trễ truyền, và tỷ số lỗi dữ liệu.
Là một hệ thống hoàn hảo, UMTS phải hỗ trợ rất nhiều các dịch vụ có các yêu cầu chất lượng
dịch vụ (QoS) khác nhau. Hiện tại, ta cũng không dự ñoán ñược hết các ñặc ñiểm và cách sử
dụng của rất nhiều các dịch vụ ñó và cũng khó có thể tối ưu các dịch vụ UMTS thành chỉ một
tập hợp các ứng dụng. Cho nên các bộ mang UMTS phải có ñặc ñiểm chung, ñể hỗ trợ các ứng
dụng ñang tồn tại ñồng thời thuận tiện cho việc cho việc phát triển các ứng dụng mới. Hỗ trợ
các chức năng truy nhập vô tuyến, ñặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài
nguyên ñặc thù của W-CDMA. Từ ñó có thể thấy mạng 3G vẫn còn nguồn tài nguyên rất
phong phú cho các nhà mạng khai thác từ các ứng dụng mở của nó bằng việc quy hoạch và tối
ưu mạng, nhằm mang lai chất lượng phục vụ tốt và chi phí lắp ñặt tối ưu. Nội dung của toàn
chương một là cơ sở cho việc ứng dụng mạng kết hợp PON – 3G tại chương 3 dưới ñây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
