Nghiên cứu kỹ thuật chuyển giao trong WCDMA

-i-

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là do
em thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo ThS Nguyễn Văn Khởi. Mọi
sự tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ và rõ ràng.
Người cam đoan

Nguyễn Duy Phƣơng


-ii-

LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với
những ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin, dịch vụ và trong đời sống hàng
ngày. 3G là một bước đột phá của ngành di động, bởi vì nó cung cấp băng thông
rộng hơn cho người 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 như truyền thông hữu
ích như điện thoại truyền hình, định 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 động ngày nay đã và đang đóng một vai trò quan trọng
trong cuộc sống. Và hiện nay việc phát triển mạng thông tin di động WCDMA là
điều tất yếu và sẽ đảm bảo phục vụ tốt nhu cầu ngày càng cao của con người.
Một trong những khâu quan trọng của hệ thống thông tin di động nói chung
và hệ thống WCDMA nói riêng là Chuyển giao nhằm duy trì kết nối 1 cách liên tục,
khả năng chống lại fading, … Xuất phát từ tầm quan trọng đó nên em chọn đề tài tốt
nghiệp là “ Nghiên cứu kỹ thuật chuyển giao trong WCDMA”.
Đồ án gồm ba chương có nội dung chính như sau :
Chƣơng 1: “Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3
WCDMA/UMTS” sẽ giới thiệu tổng quan các vấn đề cơ bản về công nghệ

WCDMA, cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS, sơ lược về những dịch vụ và
ứng dụng trong hệ thống này trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba.
Chƣơng 2: “Cấu trúc và chức năng các phần tử trong hệ thống WCDMA”
sẽ trình bày cấu trúc của mạng và chức năng của các phần tử trong mạng.
Chƣơng 3: “Các thuật toán chuyển giao trong WCDMA” nhằm nghiên cứu
các mô hình điều khiển chuyển giao trong WCDMA.
Trong quá trình làm đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn
chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp,
hướng dẫn giải đáp của quý thầy cô cùng bạn bè.


-iii-

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đở tận tình của thầy ThS. Nguyễn Văn
Khởi cùng các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử, Bộ môn Kỹ thuât Viễn thông đã
giảng dạy và chỉ bảo em trong 5 năm học vừa qua cũng như thời gian làm đồ án tốt
nghiệp này.
Hà Nội, ngày 02 tháng 05 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Duy Phƣơng


-iv-

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................... vii

DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... xiii
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ
HỆ BA - WCDMA/UMTS. .......................................................................................1
1.1.Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ 1G lên 3.5G ................1
1.1.1.Hệ thống thông tin di động thế hệ 1. ..........................................................1
1.1.2.Hệ thống thông tin di động thế hệ 2. ..........................................................2
1.1.3.Hệ thống thông tin di động thế hệ 3. ..........................................................3
1.2. Hệ thống thông tin di động 3G phát triển theo 2 nhánh công nghệ chính. ......8
1.2.1 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA. ............................8
1.2.2 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA 2000. .......................9
1.3. Hệ thố ng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA/UMTS. .................................10
1.4 Cấu trúc địa lý của hệ thống thông tin di động thứ 3 ......................................13
1.4.1 Phân chia theo vùng mạng ........................................................................13
1.4.2 Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN .................................13
1.4.3 Phân chia theo vùng định vị và vùng định tuyến ......................................14
1.4.4 Phân chia theo ô. .......................................................................................16
1.4.5 Mẫu ô ......................................................................................................16
1.5 Tiến hoá của mạng WCDMA/UMTS. ............................................................17
1.5.1 Kiến trúc của mạng phát hành 3GPP 4. ....................................................17


-v-

1.5.2 Kiến trúc của mạng phát hành 3GPP 5. ....................................................19
1.6. Kết luận chương .............................................................................................20
CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ
THỐNG WCDMA ..................................................................................................21
2.1 Cấu trúc hệ thống.............................................................................................21
2.1.1 Các phần tử mạng truy nhập vô tuyến ......................................................21

2.1.2 Các phần tử chính của mạng lõi ...............................................................22
2.2. Giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA/UMTS. ......................................25
2.3 Kênh trong hệ thống WCDMA/UMTS ...........................................................27
2.3.1 Các khái niệm cơ bản................................................................................27
2.3.2 Các kênh vô tuyến WCDMA ....................................................................33
2.3.3 Cấu trúc khung WCDMA .........................................................................44
2.4 Kỹ thuật trải phổ trong hệ thống thông tin di động WCDMA. .......................48
2.5. Quản lý tài nguyên vô tuyến trong WCDMA/UMTS ....................................49
2.5.1 Giới thiệu về quản lý tài nguyên vô tuyến WCDMA ...............................49
2.5.2 Điều khiển công suất ................................................................................50
2.5.3 Điều khiển chuyển giao. ...........................................................................54
2.5.4 Điều khiển thu nạp ....................................................................................58
2.5.5 Điều khiển tải (điều khiển nghẽn) ............................................................60
2.6. Kết luận chương .............................................................................................61
CHƢƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO TRONG WCDMA ............62
3.1 Các kiểu chuyển giao trong WCDMA ............................................................62
3.2 Thuật toán chuyển giao trong WCDMA .........................................................66
3.3 Lưu đồ thực hiện chuyển giao .........................................................................69
3.4 Ưu nhược điểm của chuyển giao mềm ............................................................72


-vi-

3.5 Chuyể n giao giữa các hê ̣ thố ng WCDMA/UMTS và GSM ............................73
3.6 So sánh chuyể n giao IS-95A và WCDMA/UMTS ..........................................75
3.6.1 Sự giố ng nhau của chuyể n giao IS-95A và WCDMA/UMTS..................75
3.6.2 Sự khác nhau của chuyể n giao IS-95A và WCDMA/UMTS ...................75
3.7. Kết luận chương .............................................................................................76
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..............................................77
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ...................................................78

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT ....................................................78
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................80


-vii-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Viế t đầ y đủ

Ý nghĩa

1G

First Generation

Thế hệ 1

2G

Second Generation

Thế hệ thứ 2

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

3GPP

3ird Genaration Partnership Project

Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

ANSI

American National Standard Institute

Viê ̣n tiêu chuẩ n Hoa Kỳ

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha hai trạng thái

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

CC

Convolutional Code

Mã xoắn

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CN

Core Network

Mạng lõi

CPCH

Common Packet Channel

Kênh gói chung

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

CQI

Channel Quality Indicator

Chỉ thị chất lượng kênh

CS

Circuit Switch

Chuyển mạch kênh

CSICH

CPCH Status Indicator Channel

Kênh chỉ thị trạng thái CPCH

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển riêng

DCH

Dedicated Channel

Kênh điều khiển

DL

Downlink

Đường xuống

DPCCH

Dedicated Physycal Control Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH

Dedicated Physical Channel

Kênh vật lý riêng

DPDCH

Dedicated Physical Data Channel

Kênh số liệu vật lý riêng


-viii-

DSCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DSSS

Direct-Sequence Spread Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

EDGE

Enhanced Data rates for GPRS

Tốc độ số liệu tăng cường để

Evolution

phát triển GPRS

EIR

Equipment Identity Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

FACH

Forward Access Channel

Kênh truy nhập đường xuống

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo

FDD

thời gian
Mạng truy nhập vô tuyến GSM

GERAN

GSM EDGE Radio Access Network

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

Global System For Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Communications

cầu

HHO

Hard Handover

Chuyên giao cứng

HLR

Home Location Register

Bộ ghi định vị thường trú

GSM

IMT-2000

IS-95(A/B)

International Mobile
Telecommunications 2000
North American Version of the
CDMA Standard

EDGE

Thông tin di động quốc tế 2000
Một phiên bản CDMA Bắc Mỹ

LA

Location Area

Vùng định vị

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MIMO

Multi Input Multi Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

P-CCPCH

Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di động

Node B

Nút B

Primary Common Control Physical

Kênh vật lý điều khiển chung sơ


-ix-

Channel

cấp

PCH

Paging Channel

Kênh tìm gọi

PCPCH

Physical Common Packet Channel

Kênh vật lý gói chung

PICH

Page Indication Channel

Kênh chỉ thị tìm gọi

PS

Packet Switch

Chuyển mạch gói

PSTN

Public Switched Telephone Network

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quatrature Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha vuông góc

RA

Routing Area

Vùng định tuyến

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAT

Radio Access Technology

Công nghệ truy nhập vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

SCH

Synchronization channel

Kênh đồng bộ

SF

Spreading Factor

Hệ số trải phổ

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SIM

Subscriber Identity Module

Mođun nhận dạng thuê bao

SMS

Short Message Service

Dịch vụ nhắn tin

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SHO

Soft Handover

Chuyển giao mềm

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia theo

TDD

Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng

thời gian

TDM

Time Division Multiplex

TDMA

Time Division Mulptiple Access

Ghép kênh phân chia theo thời
gian
Đa truy nhập phân chia theo thời


-x-

gian
TrCH

Transport Channel

Kênh truyền tải

UE

User Equipment

Thiết bị người sử dụng

UL

Up Link

Đường lên

Universal Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Telecommunications System

cấu

UMTS

UTRA

UTRAN

WCDMA

UMTS Terrestrial Radio Access

Truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS

UMTS Terrestrial Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Network

UMTS

Wideband Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo mã

Access

băng rộng


-xi-

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính .........................4
Hình 1.2 Định hướng phát triển công nghệ 4G ..........................................................5
Hình 1.3 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA ........8
Hình 1.4 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA 2000. ................................9
Hình 1.5Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN ............14
Hình 1.6 Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng định vị 15
Hình 1.7 Phân chia LA và RA ...................................................................................16
Hình 1.8 Các kiểu mẫu ô ...........................................................................................16
Hình 1.9 Kiến trúc mạng phân bố phát hành UMTS R4 ...........................................18
Hình 1.10 Kiến trúc của phát hành UMTS R5 ..........................................................19

Hình 2. 1 Các phần tử của mạng PLMN ...................................................................21
Hình 2. 2 Chức năng logic của RNC đối với một kết nối UTRAN của UE ...............23
Hình 2. 3 Kiến trúc giao thức vô tuyến cho UTRA FDD. .........................................25
Hình 2. 4 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). ...............................................27
Hình 2. 5 Tần số sóng mang WCDMA trên một hướng và .......................................28
Hình 2. 6 Giao diện WCDMA và xử lý bit. ...............................................................29
Hình 2. 7 Bit, chip và ký hiệu, cũng với chu trình....................................................30
Hình 2.8 Các kênh vật lý, kênh truyền tải và kênh logic...........................................34
Hình 2. 9 Bố trí và xếp đặt các loại kênh UMTS ở các phần tử mạng .....................36
Hình 2. 10 Các kênh vật lý WCDMA ........................................................................40

Hình 2. 11. Tổ chức các kênh DPDCH và DPCCH .................................................41
Hình 2. 12. Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên cơ bản. .............................................42


-xii-

Hình 2. 13. Cấu trúc khung WCDMA .......................................................................44
Hình 2. 14. Cấu trúc khung kênh vật lý riêng đường lên ..........................................45
Hình 2. 15. Cấu trúc khung kênh vật lý riêng đường xuống .....................................45
Hình 2. 16. Tín hiệu trải phổ. ....................................................................................48
Hình 2. 17. Các cơ chế điều khiển công suất của WCDMA. ....................................51
Hình 2. 18. OLPC đường lên ....................................................................................52
Hình 2. 19. Cơ chế điều khiển công suất CLPC. ......................................................52
Hình 2. 20. Điều khiển công suất kết hợp với chuyển giao mềm. .............................53
Hình 2. 21. Chuyển giao mềm - mềm hơn .................................................................55
Hình 2. 22. Chuyển giao giữa các hệ thống GSM và WCDMA. ...............................56
Hình 2. 23. Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống. ................................................57
Hình 2. 24. Nhu cầu chuyển giao giữa các tần số sóng mang WCDMA ..................58
Hình 2. 25. Thủ tục chuyển giao giữa các tần số......................................................58
Hình 2. 26. Đường cong tải.......................................................................................59

Hình 3. 1. Chuyển giao cứng cùng tần số .................................................................63
Hình 3. 2. Chuyển giao cứng khác tần số .................................................................64
Hình 3. 3. Chuyển giao mềm cùng tần số .................................................................65
Hình 3. 4. Chuyển giao mềm hơn cùng tần số ..........................................................66
Hình 3. 5. Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao ..................................67
Hình 3. 6. Lưu đồ thuật toán quyết định chuyển giao ...............................................69
Hình 3. 7. Chuyển giao mềm bắt đầu ........................................................................70
Hình 3. 8. Kết thúc quá trình chuyển giao MS rời bỏ BS phục vụ ............................71
Hình 3. 9. Chuyể n giao giữa hê ̣ thố ng WCDMA và GSM.........................................74

-xiii-

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. So sánh WCDMA và GSM ...........................................................................11
Bảng 2. Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA ...........................................12
Bảng 3. Các băng tần hoạt động đưa ra bởi 3GPP cho các ....................................28
Bảng 4. Quan hệ của hệ số trải phổ, tốc độ ký hiệu và tốc độ bít ............................31
Bảng 5. Quan hệ hệ số trải phổ, tốc độ theo ký hiệu và tốc độ theo bít ở hướng
xuống. .................................................................................................................32
Bảng 6. Các loại mã WCDMA. ................................................................................32
Bảng 7. Các đặc điểm chính của phương pháp WCDMA – FDD ............................47
Bảng 8. Sự khác nhau giữa chuyể n giao của IS-95A và WCDMA/UMTS. ...............76


-1-

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ
HỆ BA - WCDMA/UMTS.
1.1.Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ 1G lên 3.5G
1.1.1.Hệ thống thông tin di động thế hệ 1.
Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất
(1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Với
FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong
lĩnh vực tần số. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh
tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập.
Đặc điểm:
+ Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.

+ Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
+ Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong
cellular.
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS.
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên hệ
thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và
tốc độ.
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1:
+ Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.
+ Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường
fading đa tia.
+ Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng.
+ Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.
+ Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho thuê
bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác.
+ Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.


-2-

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ
thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm
hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Vì vậy đã xuất hiện hệ thống
thông tin di động thế hệ 2.
1.1.2.Hệ thống thông tin di động thế hệ 2.
Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian
(TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM (Global
System for Mobile Communication) và hệ thống D-AMPS (Mỹ) sử dụng công nghệ
đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, IS-95 ở Mỹ và Hàn Quốc sử dụng
công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA băng hẹp. Do tính chuẩn hóa và

tương thích qui mô vùng. Nhiều mạng 2G đã gặt hái được thành công đáng kể về cả
giải pháp kỹ thuật cũng như hiệu quả kinh doanh. Với sự phát triển nhanh chóng
của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số
lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ
thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng
cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác. Ở Việt Nam,
hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được
các mạng thông tin di động số VinaPhone, MobiFone, Viettel khai thác rất hiệu quả
theo tiêu chuẩn GSM.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số. Và
chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:
- Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
- Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA):
phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 2:
Hệ thống thông tin di động thế hệ hai mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng là
dịch vụ băng hẹp nên vẫn chưa thực hiện được các mục tiêu ban đầu đề ra, không


-3-

thể đáp ứng được các yêu cầu truyền tải tốc độ cao của một số người sử dụng,
không thể thực hiện hiệu quả một số kỹ thuật mới như IP...Những nhu cầu này
chính là động lực để phát triển hệ thống thông tin di động tốc độ cao và do vậy
những hệ thống mới bắt đầu xuất hiện và trở thành kỹ thuật trung gian quá độ sang
hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba.
+ Chưa hình thành hệ thống tiêu chuẩn hoá toàn cầu.
+ Dịch vụ đơn nhất (chủ yếu là dịch vụ thoại, chỉ có thể truyền tải những thông tin
ngắn và đơn giản).
+ Không thể thực hiện trên toàn cầu do: tiêu chuẩn phân tán và bảo hộ kinh tế nên

không thể thống nhất toàn cầu và chuyển vùng toàn cầu.
+ Dung lượng không lớn do hệ thống là băng hẹp.
1.1.3.Hệ thống thông tin di động thế hệ 3.
Định hướng thiết lập một hệ thống thông tin di động toàn cầu. Từ nhu cầu thực
tiễn cần phải phát triển lên 3G, các nhà cung cấp dịch vụ mạng đã đưa ra các tiêu
chí chung để phát triển lên mạng di động 3G như sau:
+ Hệ thống phải được chuẩn hóa hoàn toàn; các giao diện chính phải được chuẩn
hóa và mở;
+ Hệ thống phải bổ sung cho hệ thống hiện tại trên mọi khía cạnh;
+ Multimedia và tất cả các thành phần của multimedia phải được hệ thống hỗ trợ;
+ Truy nhập radio của 3G phải cung cấp khả năng băng rộng;
+ Các dịch vụ đối với người dùng đầu cuối độc lập với chi tiết công nghệ, và hạ
tầng mạng không giới hạn đưa ra dịch vụ. Vậy nên phải tách biệt platform công
nghệ với dịch vụ sử dụng platform đó.
Ý tưởng sau 3G là chuẩn bị một hạ tầng vạn năng có khả năng tải các dịch vụ
hiện tại và tương lai. Hạ tầng phải được thiết kế sao cho những đổi thay và tiến triển
công nghệ có thể được mạng hỗ trợ không gây ra một bất ổn nào đối với các dịch vụ
sử dụng cấu trúc mạng hiện tại. Để làm được vậy, 3G tách biệt công nghệ truy cập,
công nghệ truyền tải, công nghệ dịch vụ (điều khiển đấu nối) và những ứng dụng
người dùng.


-4-

Hiện tại có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G nên sẽ có nhiều chuẩn công nghệ 3G đi
theo, tuy nhiên trên thực tế chỉ có 2 tiêu chuẩn quan trọng nhất đã có sản phẩm
thương mại và có khả năng được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới là WCDMA
(FDD) và CDMA 2000. WCDMA được phát triển trên cơ sở tương thích với giao
thức của mạng lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm tới 65% thị trường thế
giới. Còn CDMA 2000 nhằm tương thích với mạng lõi IS-41, hiện chiếm 15% thị

trường. Quá trình phát triển lên 3G cũng sẽ tập trung vào 2 hướng chính.

TACS

GSM (900)
GPRS

NMT
(900)

WCDMA

GSM (1800)
GSM (1900)
IS-136
(1900)
IS-95
(J-STD-008)
(1900)

GPRS

EDGE

IS-136
TDMA (800)
AMPS

IS-95
CDMA (800)

SMR

iDEN (800)

1G

2G

cdma2000
1x

2.5G

cdma2000
Mx

3G

Hình 1.1 Quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính
1.1.4.Hệ thống thông tin di động thế hệ 4.
Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều luôn mong muốn và hướng tới các
công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính
năng và chất lượng dịch vụ cao hơn. Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông


-5-

quốc tế (ITU) đã và đang làm việc để hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào
mới thế hệ thứ tư 4G. ITU đã lên kế hoạch để có thể cho ra đời chuẩn này một vài

năm tới. Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương
tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay.
Về lý thuyết, theo tính toán dự kiến tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 288 Mb/s.
Cho đến hiện nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông qua.
Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề cho ITU xem
xét để phát triển cho chuẩn 4G. Các sở cứ quan trọng để ITU thông qua cho chuẩn
4G đó chính là từ hỗ trợ của các công ty di động toàn cầu; các tổ chức chuẩn hóa và
đặc biệt là sự xuất hiện của ba công nghệ cho việc phát triển mạng di động tế bào
LTE (Long-Term Evolution), UMB (Ultramobile Broadband) và WiMAX II (IEEE
802.16m). Ba công nghệ này có thể được xem là các công nghệ tiền 4G. Chúng sẽ
là các công nghệ quan trọng giúp ITU xây dựng các phát hành cho chuẩn 4G trong
thời gian tới.
Sự phát triển của cộng nghệ 3G
3G
EV-DO
WCDMA

3.5G
EV-DO
HSDP

LTE
EV-DO Rev
UMB

4G
Sự phát triển của cộng nghệ không dây băng rộng
3G
WIFI
OFD

WIMAX
802.16
OFDM

WIMAC II
802.16m
OFDM

Hình 1.2 Định hướng phát triển công nghệ 4G
Sau đây xem xét ba công nghệ được xem là các công nghệ tiền 4G, đó là các
công nghệ làm sở cứ để xây dựng nên chuẩn 4G trong tương lai, gồm:
- LTE (Long-Term Evolution)


-6-

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động 3G UMTS 3GPP bao
gồm các tổ chức chuẩn hóa của các nước châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ đã bắt đầu
chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G là LTE.
LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM, vì thế nó dễ dàng thay thế và triển
khai cho nhiều nhà cung cấp dịch vụ. Nhưng khác với GSM, LTE sử dụng phương
thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). LTE sử dụng phổ tần một
cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz
cho tới 20MHz. Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất về lý thuyết của LTE có thể đạt tới
250Mb/s khi độ rộng băng tần là 20MHz. LTE khác với các công nghệ tiền 4G khác
như WiMAX II ở chỗ nó chỉ sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao ở
hướng lên, còn ở hướng xuống nó sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số đơn
sóng mang để nâng cao hiệu quả trong việc điều khiển công suất và nâng cao thời
gian sử dụng pin cho thiết bị đầu cuối của khách hàng.

- UMB (Ultra Mobile Broadband): Tổ chức chuẩn hóa công nghệ thông tin di
động 3G CDMA2000 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) được thành lập
và phát triển bởi các tổ chức viễn thông của Nhật, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn
Quốc đã đề xuất phát triển UMB. Thành viên của 3GPP2, Qualcomm là người đi
đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù công ty này cũng chú tâm cả vào việc
phát triển LTE.
UMB dựa trên CDMA có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz đến
20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số. UMB được đề xuất với tốc độ truyền dữ liệu
lên tới 288Mb/s cho luồng xuống và 75Mb/s cho luồng trên với độ rộng băng tần sử
dụng là 20MHz. Công nghệ này sẽ cung cấp kết nối thông qua các sóng mang dựa
trên đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.
- IEEE 802.16m (WiMAX II): Như chúng ta đã biết, WiMAX hay chuẩn 802.16
ban đầu được xây dựng cho mục đích chính là cung cấp các dịch vụ mạng cố định.
Chuẩn IEEE 802.16e được phát triển thêm tính năng di động từ các chuẩn WiMAX
trước đó. IEEE 802.16m hay còn gọi là WiMAX II là công nghệ duy nhất trong các
công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân


-7-

chia theo tần số trực giao OFDMA. WiMAX II được phát triển lên từ chuẩn IEEE
802.16e. Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100Mb/s cho
các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng tĩnh. Khoảng cách
truyền cho WiMAX II sẽ khoảng 2 km ở môi trường thành thị và là khoảng 10 km
cho các khu vực nông thôn.
Bảng 1. 0-1. Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản
Công
nghệ
Năm
thiết kế

Năm
triển khai

1G

2G

chuẩn
Băng
thông
Ghép
kênh
Mạng lõi

4G

1980

1985

1990

2000

1984

1991

1999

2002

2010

kỹ Năng

lực

tự, tốc độ số thuật số, tin cao hơn, dữ
liệu 9.6kbps nhắn ngắn

Tiêu

3G

1970

Thoại tương Thoại
Dịch vụ

2.5G

liệu gói

AMPS,

TDMA, PDC GPRS,

TACS,

CDMA,

EDGE,

NMT, etc.

GSM,

1xRTT

1.9kbps

14.4kbps

384kbps

TDMA,

TDMA,

CDMA

CDMA

PSTN

PSTN, Gói

FDMA
PSTN

Năng lực cao
hơn, tốc độ
số

liệu

2Mbps

WCDMA,
CDMA2000

Hoàn

thành

IP,

Đa

phương tiện,
tốc độ dữ liệu
hàng Mbps
1 Chuẩn

2 Mbps

200 Mbps

CDMA

CDMA?

Mạng gói

Internet


-8-

1.2. Hệ thống thông tin di động 3G phát triển theo 2 nhánh công nghệ chính.
1.2.1 Hƣớng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA.
WCDMA là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G của IMT-2000 được phát triển chủ
yếu ở Châu Âu với mục đích cho phép các mạng cung cấp khả năng chuyển vùng
toàn cầu và để hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại, dịch vụ đa phương tiện. Các mạng
WCDMA được xây dựng dựa trên cơ sở mạng GSM, tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có
của các nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển từ GSM lên WCDMA qua
các giai đoạn trung gian, có thể được tóm tắt trong sơ đồ sau đây:

GSM

GPRS
1999

EDGE

WCDMA

2000

2002

Hình 1.3 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA
- GPRS: GPRS cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên
tới 171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ
vậy tăng cường đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM.
Công việc tích hợp GPRS vào mạng GSM hiện tại là một quá trình đơn giản. Một
phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu
gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động. Còn mạng lõi GSM được
tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộng bằng cách thêm vào các
nút chuyển mạch số liệu Gateway mới, được gọi là GGSN và SGSN. GPRS là một
giải pháp đã được chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể chuyển
thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi.
- EDGE: Hệ thống 2,5G tiếp theo đối với GSM là EDGE. EDGE áp dụng phương
pháp điều chế 8PSK, điều này làm tăng tốc độ của GSM lên 3 lần. EDGE là lý
tưởng đối với phát triển GSM, nó chỉ cần nâng cấp phần mềm ở trạm gốc. Nếu
EDGE được kết hợp cùng với GPRS thì khi đó được gọi là EGPRS. Tốc độ tối đa
đối với EGPRS khi sử dụng cả 8 khe thời gian là 384kbps.


-9-

- WCDMA: WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một công
nghệ truy nhập vô tuyến được phát triển mạnh ở Châu Âu. Hệ thống này hoạt động
ở chế độ FDD & TDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS- Direct
Sequence Spectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84Mcps bên trong băng tần 5MHz.
WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ
cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói hoạt
động ở mức hiệu quả cao nhất. Hơn nữa WCDMA có thể hỗ trợ các tốc độ số liệu
khác nhau, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ.

1.2.2 Hƣớng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA 2000.
Hệ thống CDMA 2000 gồm một số nhánh hoặc giai đoạn phát triển khác
nhau để hỗ trợ các dịch vụ phụ được tăng cường. Nói chung CDMA 2000 là một
cách tiếp cận đa sóng mang cho các sóng có độ rộng n lần 1,25MHz hoạt động ở
chế độ FDD. Nhưng công việc chuẩn hoá tập trung vào giải pháp một sóng mang
đơn 1,25MHz (1x) với tốc độ chip gần giống IS-95. CDMA 2000 được phát triển từ
các mạng IS-95 của hệ thống thông tin di động 2G, có thể mô tả quá trình phát triển
trong hình vẽ sau:
IS-95A

IS-95B
1999

CDMA
2000 1x
2000

CDMA
2000 Mx
2002

Hình 1.4 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA 2000.
- IS-95B: IS-95B hay CDMA One được coi là công nghệ thông tin di động 2,5G
thuộc nhánh phát triển CDMA 2000, là một tiêu chuẩn khá linh hoạt cho phép cung
cấp dịch vụ số liệu tốc độ lên đến 115Kbps
- CDMA 2000 1xRTT: Giai đoạn đầu của CDMA2000 được gọi là 1xRTT hay chỉ
là 1xEV-DO, được thiết kế nhằm cải thiện dung lượng thoại của IS-95B và để hỗ
trợ khả năng truyền số liệu ở tốc độ đỉnh lên tới 307,2Kbps. Tuy nhiên, các thiết bị
đầu cuối thương mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ số liệu đỉnh lên tới 153,6kbps.

-10-

-CDMA 2000 1xEV-DO: 1xEV-DO được hình thành từ công nghệ HDR (High
Data Rate) của Qualcomm và được chấp nhận với tên này như là một tiêu chuẩn
thông tin di động 3G vào tháng 8 năm 2001 và báo hiệu cho sự phát triển của giải
pháp đơn sóng mang đối với truyền số liệu gói riêng biệt.
Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là chia các dịch vụ thoại và dịch vụ số liệu tốc
độ cao vào các sóng mang khác nhau. 1xEV-DO có thể được xem như một mạng số
liệu “xếp chồng”, yêu cầu một sóng mang riêng. Để tiến hành các cuộc gọi vừa có
thoại, vừa có số liệu trên cấu trúc “xếp chồng” này cần có các thiết bị hoạt động ở 2
chế độ 1x và 1xEV-DO.
- CDMA 2000 1xEV-DV: Trong công nghệ 1xEV-DO có sự dư thừa về tài nguyên
do sự phân biệt cố định tài nguyên dành cho thoại và tài nguyên dành cho số liệu.
Do đó CDG (nhóm phát triển CDMA) khởi đầu pha thứ ba của CDMA 2000 bằng
các đưa các dịch vụ thoại và số liệu quay về chỉ dùng một sóng mang 1,25MHz và
tiếp tục duy trì sự tương thích ngược với 1xRTT. Tốc độ số liệu cực đại của người
sử dụng lên tới 3,1Mbps tương ứng với kích thước gói dữ liệu 3.940 bit trong
khoảng thời gian 1,25ms.
- CDMA 2000 3x(MC- CDMA ): CDMA 2000 3x hay 3xRTT đề cập đến sự
lựa chọn đa sóng mang ban đầu trong cấu hình vô tuyến CDMA 2000 và được gọi
là MC-CDMA (Multi carrier) thuộc IMT-MC trong IMT-2000. Công nghệ này liên
quan đến việc sử dụng 3 sóng mang 1x để tăng tốc độ số liệu và được thiết kế cho
dải tần 5MHz (gồm 3 kênh 1,25Mhz). Sự lựa chọn đa sóng mang này chỉ áp dụng
được trong truyền dẫn đường xuống. Đường lên trải phổ trực tiếp, giống như
WCDMA với tốc độ chip hơi thấp hơn một ít 3,6864Mcps (3 lần 1,2288Mcps).
1.3. Hệ thố ng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA/UMTS.
WCDMA là tiến hoá của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ ba.
WCDMA có hai giải pháp được đề xuất cho giao diện vô tuyến: ghép song công
phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phân

chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex). Cả hai giao diện này đều sử dụng
công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng trải phổ chuỗi trực tiếp. Giải


-11-

pháp FDD được triển khai rộng rãi còn giải pháp TDD chủ yếu dùng cho các ô quy
mô nhỏ như ô micro hay ô pico.
Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau
190 MHz: đường lên sử dụng dải tần trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz,
đường xuống sử dụng dải tần trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 MHz. Mặc dù
sóng mang 5 MHz là sóng mang danh định nhưng ta có thể sử dụng sóng mang từ
4,4 MHz đến 5 MHz với nấc tăng là 200 KHz. Việc chọn độ rộng băng đúng đắn
cho phép ta tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà
khai thác khác.
Giải pháp TDD sử dụng các tần số trong dải từ 1900 đến 1920 MHz và từ 2010
đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần.
Bảng 1. So sánh WCDMA và GSM
Tham số

WCDMA

GSM

5 MHz

200 KHz

Tái sử dụng tần số

1

1-18

Tần số điều khiển công suất

1500 Hz

2 Hz hoặc thấp hơn

Khoảng cách giữa các sóng
mang

Điều khiển chất lƣợng

Các thuật toán quản lý tài Quy hoạch mạng (quy
nguyên vô tuyến RRM

hoạch tần số)

Phân tập tần số

Sử dụng máy thu Rake

Nhẩy tần

Số liệu gói

Thời hạn gói dựa trên tải

Phân tập phát đƣờng xuống

Được hỗ trợ cho cải thiện
dung lượng đường xuống

Thời hạn gói dựa trên
TS với GPRS
Không được hỗ trợ
theo tiêu chuẩn nhưng
có thể áp dụng

Giao diện không gian của WCDMA hoàn toàn khác với GSM và GPRS,
WCDMA sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84
Mcps. Ở WCDMA mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS


-12-

Terrestrial Radio Access Nework). Các phần tử của mạng UTRAN rất khác với các
phần tử ở mạng truy nhập vô tuyến GSM. Vì vậy khả năng sử dụng lại các BTS và
BSC của GSM là rất hạn chế, một số nhà sản xuất cũng đã có kế hoạch nâng cấp
các GSM BTS cho WCDMA nhưng con số này rất hạn hữu, đa số các nhà sản xuất
thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA.
Tốc độ chip của hệ thống là 3,84 Mcps, độ dài khung là 10 ms, mỗi khung
chia ra thành 15 khe (2560 chip/slot). Hệ số trải phổ từ 256 đến 4 ở đường lên và từ
512 đến 4 ở đường xuống. Do đó tốc độ ký hiệu điều chế tương ứng biến đổi từ 960
ksps đến 15 ksps đối với đường lên FDD. Để phân biệt các kênh từ cùng một
nguồn, sử dụng mã định kênh dựa trên cơ sở kỹ thuật hệ số trải phổ khả biến trực
giao (OVSF). Đường xuống, mã Gold với chu kỳ 10 ms được sử dụng để phân biệt
các ô khác nhau. Đường lên mã Gold hoặc các mã ngắn luân phiên với chu kỳ 256

chip được dùng để phân biệt các UE khác nhau.
Bảng 2. Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA
Sơ đồ đa thâm nhập

DS-WCDMA băng rộng

Độ rộng băng tần (MHz)

5/10/15/20

Tốc độ chip (Mcps)

1,28/3,84/7,68/11,52/15,36

Độ dài khung (ms)

10

Đồng bộ giữa các BTS

Dị bộ/đồng bộ

Điều chế đƣờng lên/đƣờng xuống

QPSK/BPSK

Trải phổ đƣờng lên/đƣờng xuống

QPSK/OCQPSK

Vocoder

CS-ACELP/(AMR)

Tổ chức tiêu chuẩn

3GPP/ETSI/ARIB

Về mặt mã hoá kênh thì có ba tuỳ chọn được hỗ trợ: mã vòng, mã xoắn và mã
turbo. Việc tuỳ chọn loại mã hoá kênh nào là tuỳ thuộc vào các lớp trên.