Công nghệ WCDMA và qui hoạch mạng WCDMA

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công
trình đã có từ trước
Tôi xin cam đoan chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Đà Nẵng tháng 12 năm 2010
Người cam đoan

Phan Hữu Trung Nam

1

1


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Các từ viết tắt
Lời nói đầu
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ
1.1 Giới thiệu.....................................................................................................................................1
1.2 Hệ thống thông tin di động số 1..................................................................................................1
1.3 Hệ thống thông tin di động số 2..................................................................................................2
1.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.............................................................................3
1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA......................................................................................4
1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba.........................................................................................4
1.5 Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM.................................................................................5
1.5.1 Giới thiệu chung ......................................................................................................................5
1.5.2 Cấu trúc mạng GSM..................................................................................................................7
1.5.2.1 Trạm di động.........................................................................................................................8
1.5.2.2 Hệ thống con trạm gốc..........................................................................................................8

2

2


1.5.2.3 Hệ thống mạng con...............................................................................................................9
1.5.2.4 Đa truy cập trong GSM........................................................................................................10
1.5.2.5 Các thủ tục thông tin...........................................................................................................11
1.5.2.5.1 Đăng nhập thiết bị vào mạng............................................................................................11
1.5.2.5.2 Chuyển vùng.....................................................................................................................11
1.5.2.5.3 Thực hiện cuộc gọi............................................................................................................11
1.5.2.5.3.1 Cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định.......................................................11
1.5.2.5.3.2 Cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bi di động......................................................12
1.5.2.5.3.3 Cuộc gọi từ thiết bị di động đến thiết bị di động...........................................................13
1.5.2.5.3.4 Kết thúc cuộc gọi............................................................................................................14
1.6 Sự phát triển mạng GSM lên 3G.................................................................................................14
1.6.1 Hệ thống GSM sẽ được nâng cấp từng bước lên thế hệ ba...................................................14
1.6.2 Các giải pháp nâng cấp............................................................................................................15
1.7 Kết luận chương.........................................................................................................................16
Chương 2 CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA
2.1 Giới thiệu công nghệ W-CDMA..................................................................................................18
2.2 Cấu trúc mạng W-CDMA............................................................................................................20
2.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN............................................................................................22
2.2.1.1 Đặc trưng của UTRAN...........................................................................................................23
2.2.1.2 Bộ điều khiển vô tuyến UTRAN............................................................................................23
2.2.1.3 Node B..................................................................................................................................23
2.2.1.4 Giao diện vô tuyến...............................................................................................................24
2.2.1.5. Giao diện UTRAN – CN, IU .........................................................................................24

3

3


2.2.1.6 Giao diện RNC – RNC, IUr......................................................................................................26

2.2.1.7. Giao diện RNC – Node B, IUb ......................................................................................26
2.3 Kết luận chương ........................................................................................................................26

Chương 3 CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG W-CDMA.
3.1 Giới thiệu ................................................................................................................................27
3.2 Mã hóa.....................................................................................................................................27

3.2.1 Mã vòng..............................................................................................................................27
3.2.2 Mã xoắn .....................................................................................................................28
3.2.3. Mã Turbo.............................................................................................................................29
3.3 Điều chế BIT/SK và QPSK....................................................................................................29
3.3.1 Điều chế BIT/SK..................................................................................................................29
3.3.2 Điều chế QPSK.....................................................................................................................30
3.4 Trải phổ trong W-CDMA........................................................................................................32
3.4.1 Giới thiệu...............................................................................................................................32
3.4.1.1Nguyên lý trải phổ DSSS...................................................................................................33
3.4.1.2 Mã trải phổ.........................................................................................................................34
3.4.1.3 Các hàm trực giao..............................................................................................................36
3.5 Cấu trúc phân kênh của WCDMA.........................................................................................37
3.5.1Kênh vật lý.............................................................................................................................37
3.5.1.1 Kênh vật lý riêng đường lên............................................................................................37
3.5.1.2 Kênh vật lý chung đường lên..........................................................................................40
3.5.1.3 Kênh vật lý riêng đường xuống (DPCH).......................................................................43

4

4


3.5.1.4 Kênh vật lý chung đường xuống.....................................................................................43

3.5.2. Kênh truyền tải....................................................................................................................48
3.5.2.1 Kênh truyền tải riêng........................................................................................................48
3.5.2.2. Kênh truyền tải chung.....................................................................................................48
3.5.2.3 Sắp xếp kênh truyền tải lên kênh vật lý.........................................................................49
3.6 Truy nhập gói trong W-CDMA..............................................................................................50
3.6.1 Tổng quan về truy nhập gói trong W-CDMA...................................................................50

3.6.2.

Lưu lượng số liệu gói......................................................................................................51

3.6.3 Các phương pháp lập biểu gói.............................................................................................52
3.6.3.1 Lập biểu phân chia theo thời gian.................................................................................52
3.6.3.2. Lập biểu phân chia theo mã...........................................................................................52
3.7 Kết luận chương ........................................................................................................................53
Chương 4 QUY HOẠCH MẠNG W-CDMA
4.1 Giới thiệu...................................................................................................................................54
4.2 Quá trình quy hoạch............................................................................................54
4.3 Tính suy hao đường truyền cho phép........................................................................................56
4.4 Xác định kích thước Cell.............................................................................................................58
4.4.1 Mô hình Hata-Okumara...........................................................................................................58
4.4.2 Mô hình Walfsch-Ikegami........................................................................................................59

4.4.3 Tính toán dung lượng và vùng phủ..........................................................................................61
4.4.4 Tối ưu mạng.....................................................................................................64
4.5 Chương trình mô phỏng và tính toán.........................................................................................64
4.5.1 Lưu đồ tính toán......................................................................................................................64

5

5


4.5.2 Giao diện chương trình chính..................................................................................................65
4.5.2.1 Giao diện tính suy hao đường truyền...................................................................................65
4.5.2.2 Giao diện tính kích thước Cell..............................................................................................66
4.5.2.3 Giao diện tính dung lượng kênh...........................................................................................66
4.6 Kết luận chương.........................................................................................................................67
Kết luận và hướng phát triển đề tài
Phụ lục
Tài liệu tham khảo

6

6


7

7


 BẢNG TRA TỪ VIẾT TẮT

A
ACCH

Associated Control Channels
Kênh điều khiển liên kết.

AMPS

Advanced Mobile Phone System
Hệ thống điện thoại di động tiên tiến.

B
BCCH

Broadcast Control Channel
Kênh quảng bá điều khiển.

BCH

Broadcast Channel
Kênh quảng bá.

BER

Bit Error Ratio
Tỷ số bit lỗi.

BSC

Base Station Controler

Bộ điều khiển trạm gốc.

BSS

Base Station Subsystem
Phân hệ trạm gốc.

BTS

Base Tranceiver Station
Trạm vô tuyến gốc.

BPSK

Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân.

C
CCCH

Common Control Channel
Kênh điều khiển chung.

CDMA

Code Division Multiple Access
Đa truy cập chia theo mã.

C/I
8

Carrier to Interference ratio
8


Tỷ số sóng mang trên nhiễu.
CCCH

Common Control Chanel
Kênh điều khiển chung.

CCPCH

Common Control Physical Chanel
Kênh vật lý điều khiển chung.

CPCC

Common Power Control Chanel
Kênh điều khiển công suất chung.

CPCH

Common Packet Chanel.
Kênh gói chung.

CPICH

Common Pilot Chanel
Kênh hoa tiêu chung.

CR

Chip Rate
Tốc độ chip (tương đương với tốc độ trải phổ của kênh).

CS

Circuit Switch
Chuyển mạch kênh.

D
DCCH

Dedicated Control Channel
Kênh điều khiển dành riêng.

DSSS

Direct Sequence Spreading Spectrum
Trải phổ trực tiếp

DTCH

Dedicated Traffic Chanel
Kênh lưu lượng riêng.

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối số liệu.

DSCH

Dedicated Shared Chanel
Kênh đường xuống dùng chung.

E
EDGE
9

Enhanced Data rate for GSM Evolution.
9


Tăng tốc độ truyền dẫn…
ETSI

European Telecommunications Standards Institute
Viện Tiêu chuẩn viễn thông châu Âu.

F

FACH

Forward Access Chanel
Kênh truy nhập đường xuống.

FCCCH

Forward Common Control Chanel
Kênh điều khiển chung đường xuống.

FCCH

Frequency Correction Channel
Kênh hiệu chỉnh tần số.

FDMA

Frequence Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo tần số

FDCCH

Forward Dedicated Control Chanel
Kênh điều khiển riêng đường xuống.

FSK

Frequency Shift Keying
Khoá điều chế dịch tần.

G
GOS

Grade Of Service
Cấp độ phục vụ.

GSM

Global System for Mobile Communication
Thông tin di động toàn cầu

GPS

Global Position System
Hệ thống định vị toàn cầu.

GPRS

General Packet Radio Services
Dịch vụ vô tuyến gói chung.

H
10

10


Handover

Chuyển giao.

HSCSD

Hight Speed Circuit Switched Data
Hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ cao.

I

IMT-2000

International Mobile Telecommunication
Tiêu chuẩn thông tin di động toàn cầu.

IP

Internet Protocol
Giao thức Internet.

IS-54

Interim Standard 54
Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA của Mỹ (do AT&T đề xuất).

IS-136

Interim Standard 136
Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ (AT&T).

IS-95A

Interim Standard 95A
Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ (Qualcomm)

ISDN

Integrated Servive Digital Network
Mạng số đa dịch vụ.

ITU-R

International Mobile Telecommunication Union Radio Sector
Liên minh viễn thông quốc tế - bộ phận vô tuyến.

L
LAC

Link Access Control
Điều khiển truy nhập liên kết.

LAI

Location Area Indentify
Nhận dạng vùng vị trí.

LR

Location Registration
Đăng ký vị trí.

M
ME

Mobile Equipment
Thiết bị di động.

11

11

MS

Mobile Station
Trạm di động.

MSC

Mobile Service Switching Center
Tổng đài di động.

N
Node B

Là nút logic kết cuối giao diện IuB với RNC.

NSS

Network and Switching Subsystem
Hệ thống chuyển mạch

O
ODMA

Opportunity Driven Multiplex
Đa truy cập theo cơ hội.

OM

Operation and Management
Khai thác và bảo dưỡng.

P
PAGCH

Paging and Access
Kênh chấp nhận truy cập và nhắn tin.

PCCH

Paging Contrlo Chanel
Kênh điều khiển tìm gọi.

PCH

Paging Channel
Kênh nhắn tin.

PCPCH

Physical Common Packet Chanel
Kênh gói chung vật lý.

PLMN

Public Land Mobile Network
Mạng di động mặt đất công cộng.

PSTN

Public Switched Telephone Network
Mạng chuyển mạch thoại công cộng.

Q
QPSK
12

Khóa dịch pha vuông góc.
12


R
RACH

Random Access Channel
Kênh truy cập ngẫu nhiên.

RRC

Radio Resource Control
Điều khiển tài nguyên vô tuyến.

S
SCH

Synchronization Channel
Kênh đồng bộ.

SDCCH

Stand alone Dedicated Control Channel
Kênh điều khiển dành riêng.

T
TCH

Traffic Channel
Kênh lưu lượng.

TDMA

Time Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo thời gian

U
UTRAN

Universal Terrestrial Radio Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu.

UMTS

Universal Mobile Telecommunnication System

W
WCDMA

Wideband Code Division Multiplex Access
Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng.

13

13


LỜI NÓI ĐẦU
----------@----------

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 được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của người 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 như Internet, truyền hình...
Hệ thống viễn thông di động thế hệ hai là GSM và IS 95. Những công nghệ này ban đầu được
thiết kế để truyền tải giọng nói và nhắn tin. Để tận dụng được tính năng của hệ thống 2G khi chuyển
hướng 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 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. Việc vẫn có thể
giữ liên lạc với mọi người trong khi di chuyển đã làm thay đổi cuộc sống riêng tư và công việc của chúng
ta.

Thế giới đang có 2 hệ thống 3G được chuẩn hóa song song tồn tại, một dựa
trên công nghệ CDMA còn gọi là CDMA 2000, chuẩn còn lại do dự án 3rd Generation

Partnership Project (3GPP) thực hiện. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn UTRA - UMTS
Terrestrial Radio Access TS. Tiêu chuẩn này có 2 sơ đồ truy nhập vô tuyến. Một trong số
đó được gọi là CDMA băng thông rộng (WCDMA).
“Ngày 10/3/2005, Bộ BCVT đã tiến hành nghiệm thu đề tài xây dựng tiêu
chuẩn thiết bị đầu cuối thông tin di động WCDMA (UTRA-FDD) mã số 49-04-KTKT-TC
dành cho công nghệ 3G. Theo đánh giá của các thành viên phản biện, việc xây dựng và
14

14


hoàn thành công trình là một việc làm cần thiết, có ý nghĩa và đặc biệt là độ khả thi
trong giai đoạn hiện nay, khi nhu cầu phát triển lên 3G là một xu hướng tất yếu ở Việt
Nam, nhất là các nhà di động mạng GSM” (Theo báo điện tử VietNamNet).
Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA và mạng W-CDMA em
đã thực hiện đồ án: “Công nghệ W-CDMA và qui hoạch mạng W-CDMA”.
Đồ án này em trình bày 4 chương, với nội dung chính là chương2, chương3, chương 4, gồm
có :

Chương 1 :
Chương 2 :

Tổng quan về thông tin di động,

Công nghệ di động thế hệ ba W-CDMA,

Chương 3 :

Các giải pháp kỷ thuật trong W-CDMA

Chương 4 :

Quy hoạch mạng W-CDMA.

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo
và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn và các thầy cô giáo đã giúp em hoàn
thành đồ án này !.

15

15


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ
1.1 Giới thiệu.
Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế
hệ.Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập
phân chia phân chia theo tần số (FDMA).Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ
đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).Thế hệ thứ
3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế
hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói là thế hệ đang được
triển khai ở một số quốc gia trên thế giới.
Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động trên thế giới được thể hiện
sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular Mobile Telephone System)
và nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới một hệ thống chung toàn cầu trong tương lai.

Hình 1.1: Hệ thống điện thoại di động
1.2. Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 1
Phương pháp đơn giản nhất về truy nhập kênh là đa truy nhập phân chia tần số . Hệ

thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)
16

16


và chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang
dữ liệu thoại của mỗi người sử dụng .Với FDMA , khách hàng được cấp phát một kênh
trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống
FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều
khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về
kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng . Trong trường hợp nếu số thuê bao
nhiều hơn so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy
cập.
Đa truy nhập phân chia theo tần số nghĩa là nhiều khách hàng có thể sử dụng được
dãi tần đã gán cho họ mà không bị trùng nhờ việc chia phổ tần ra thành nhiều đoạn .Phổ
tần số quy định cho liên lạc di dộng được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và được cách
nhau bằng một dải tần phòng vệ. Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc. N dải
kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành
riêng cho liên lạc hướng xuống .
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 .
-BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS .
Hệ

thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến

(Advanced Mobile phone System - AMPS).
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn

giản. Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng
về cả dung lượng và tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống
thông tin di dộng thế hệ 2 ưu điểm hơn thế hệ 1 về cả dung lượng và các dịch vụ
được cung cấp.
1.3 . Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2

17

17


Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lượng và chất lượng,
hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các
thuê bao di động dựa trên công nghệ số .
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng 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).

•

Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access -CDMA).

1.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.
Với phương pháp truy cập TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và trục
thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử dụng
sao cho không có sự chồng chéo. Phổ quy định cho liên lạc di động được chia
thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc,
mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác

dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe
thời gian trong cấu trúc khung .
Đặc điểm :
-Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
-Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó
một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di
động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm
gốc. Việc phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt
động cùng một lúc mà không sợ can nhiễu nhau.
-Giảm số máy thu phát ở BTS.
-Giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global
System for Mobile Communications - GSM).
18

18


Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA. Hệ
thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá
106 lệnh trong 01 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn
50x106 lệnh trên giây.
1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.
Với phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải

phổ

cho nên

nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các

cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được
phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai. Kênh
vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này
cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN).
Đặc điểm của CDMA:
-Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
-Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
-Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường
rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA..
-Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển
giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.
1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba.

Công nghệ thông tin di động số thế hệ ba. Công nghệ này liên quan đến những cải
tiến đang được thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại và dữ liệu
thông qua bất kỳ chuẩn nào trong những chuẩn hiện nay. Đầu tiên là tăng tốc độ bit
truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps. Khi số lượng thiết bị cầm tay được thiết kế để truy cập
Internet gia tăng, yêu cầu đặt ra là phải có được công nghệ truyền thông không dây nhanh
hơn và chất lượng hơn. Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại, và dịch vụ dữ liệu
19

19


sẽ hỗ trợ việc gửi nội dung video và multimedia đến các thiết bị cầm tay và điện thoại di
động.
Các hệ thống thông tin di động số hiện nay đang ở giai đoạn chuyển từ thế hệ 2.5G
sang thế hệ 3 (3 - Generation). Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và các dịch vụ thông
tin di động, ngay từ đầu những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu

hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba. ITU-R đang tiến hành công tác tiêu
chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở châu Âu ETSI đang tiến
hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile
Telecommunnication System). Hệ thống mới này sẽ làm việc ở dải tần 2GHz. Nó sẽ cung
cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ cao, video và
truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên đến 2Mbps. Người ta cũng
đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tư có tốc độ lên đến
32Mbps.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng trên cơ sở IMT – 2000 với các
tiêu chí sau :
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz với đường lên có dải tần 1885-2025MHz
và đường xuống có dải tần 2110-2200MHz.
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến, tích
hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tương tác với mọi loại dịch vụ
viễn thông.
- Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trường khai thác khác nhau.
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE – Vitual Home
Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch toàn cầu;
Đảm bảo chuyển mạng quốc tế; Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại,
số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
- Dể dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện.
Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay là :
GSM, cdmaOne (IS-95), TDMA (IS-136), PDC. Trong quá trình thiết kế hệ thống thông
tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ hai được cơ quan chuẩn hóa của từng vùng xem
20

20


xét để đưa ra các đề xuất tương ứng thích hợp với mỗi vùng.

1.5 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM
1.5.1 Giới thiệu chung

Phần này sẽ giới thiệu về sự hình thành và phát triển của hệ thống thông tin di động
GSM, kiến trúc mạng GSM , phương pháp đa truy cập trong GSM , các thủ tục thông tin
của thuê bao sử dụng trong mạng và sự cần thiết phải nâng cấp mạng GSM lên thế hệ 3G.
Lịch sử hình thành GSM bắt đầu từ một đề xuất vào năm 1982 của Nordic Telecom và
Netherlands tại CEPT (Conference of European Post and Telecommunication) để phát
triển một chuẩn tế bào số mới đáp ứng với nhu cầu ngày càng tăng của mạng di động
Châu Âu.
Ủy ban Châu Âu (EC) đưa ra lời hướng dẫn yêu cầu các quốc gia thành viên sử
dụng GSM cho phép liên lạc di động trong băng tần 900MHz. Viện tiêu chuẩn viễn
thông Châu Âu (ETSI) định nghĩa GSM khi quốc tế chấp nhận tiêu chuẩn hệ thống điện
thoại tế bào số.
Lời đề xuất có kết quả vào tháng 9 năm 1987, khi 13 nhà điều hành và quản lý của
nhóm cố vấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp định GSM MoU “Club”, với ngày khởi đầu
là 1 tháng 7 năm 1991.
GSM là từ viết tắt của Global System for Mobile Communications (hệ thống thông
tin di động toàn cầu), trước đây có tên là Groupe Spécial Mobile.
Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là hệ thống thông tin tế bào số tích hợp
và toàn diện, được phát triển đầu tiên ở Châu Âu và đã nhanh chóng phát triển trên toàn
thế giới. Mạng được thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN và các dịch vụ mà GSM cung
cấp là một hệ thống con của dịch vụ ISDN chuẩn.

21

21


Hình 1.2 Mạng tế bào vô tuyến

GSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890-915 MHz và 935-960 MHz,
hiện nay là 1.8GHz. Một vài tiêu chuẩn chính được đề nghị cho hệ thống :
•

Chất lượng âm thoại chính thực sự tốt.

•

Giá dịch vụ và thuê bao giảm.

•

Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế.

•

Khả năng hỗ trợ thiết bị đầu cuối trao tay.

•

Hỗ trợ các phương tiện thuận lợi và dịch vụ mới.

•

Năng suất quang phổ.

•

Khả năng tương thích ISDN.

Tiêu chuẩn được ban hành vào tháng giêng năm 1990 và những hệ thống thương mại
đầu tiên được khởi đầu vào giữa năm 1992.

Tổ chức MoU (Memorandum of

Understanding) thành lập bởi nhà điều hành và quản lý GSM được cấp phép đầu tiên, lúc
đó có 13 hiệp định được ký kết và đến nay đã có 191 thành viên ở khắp thế giới. Tổ chức
MoU có quyền lực tối đa, được quyền định chuẩn GSM.
1.5.2 Cấu trúc mạng GSM
Mạng GSM gồm nhiều khối chức năng khác nhau. Hình dưới cho thấy cách bố trí
của mạng GSM tổng quát. Mạng GSM có thể chia thành ba phần chính. Trạm di động
(Mobile Station_MS) do thuê bao giữ.

Hệ thống con trạm gốc (Base Station

Subsystem_BSS) điều khiển liên kết với trạm di động. Hệ thống mạng con (Network
Subsystem_NS) là phần chính của trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile
22

22


services Switching Center), thực hiện chuyển mạch cuộc gọi giữa những người sử dụng
điện thoại di động, và giữa di động với thuê bao mạng cố định. MSC xử lý các hoạt động
quản lý di động. Trong hình không có trình bày trung tâm duy trì và điều hành
(Operations and Maintenance Center_OMS), giám sát điều hành và cơ cấu của mạng.
Trạm di động và hệ thống con trạm gốc thông tin dùng giao tiếp Um, còn được gọi là
giao tiếp không trung hay liên kết vô tuyến. Hệ thống con trạm gốc liên lạc với trung tâm
chuyển mạch dịch vụ di động dùng giao tiếp A.

Hình 1.3: Mô hình hệ thống di động tế bào
1.5.2.1 Trạm di động
Trạm di động (Mobile Station_MS) gồm có thiết bị di động (đầu cuối) và một card
thông minh gọi là module nhận dạng thuê bao (Subscriber Identity Module_SIM). SIM
cung cấp thông tin cá nhân di động, vì thế người sử dụng truy cập vào các dịch vụ thuê
bao không phụ thuộc vào loại thiết bị đầu cuối. Bằng cách gắn SIM vào đầu cuối GSM,
người sử dụng có thể nhận, gọi và nhận các dịch vụ thuê bao khác trên thiết bị đầu cuối
này.
Thiết bị di động được nhận dạng duy nhất bằng số nhận dạng thiết bị di động quốc
tế (International Mobile Equipment Identity_IMEI). SIM card chứa số nhận dạng thuê
23

23


bao di động quốc tế (International Mobile Subscriber Identity_IMSI) sử dụng để nhận
dạng thuê bao trong hệ thống, dùng để xác định chủ quyền và thông tin khác. Số IMEI
và IMSI độc lập nhau. SIM card có thể được bảo vệ chống lại việc sử dụng trái phép
bằng password hoặc số nhận dạng cá nhân.
1.5.2.2 Hệ thống con trạm gốc
Hệ thống con trạm gốc gồm hai phần: trạm gốc thu phát (BTS) và trạm gốc điều
khiển (BSC). Hai hệ thống này liên kết dùng giao tiếp Abis chuẩn hoá, cho phép điều
hành các bộ phận cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau.
Trạm thu phát gốc là nơi máy thu phát vô tuyến phủ một cell và điều khiển các giao
thức liên kết vô tuyến với trạm di động. Trong một thành phố lớn, có nhiều khả năng
triển khai nhiều BTS, do đó yêu cầu BTS phải chính xác, tin cậy, di chuyển được và giá
thành thấp.
Trạm gốc điều khiển tài nguyên vô tuyến của một hoặc nhiều BTS. Trạm điều khiển
cách thiết lập kênh truyền vô tuyến, nhảy tần và trao tay. BSC là kết nối giữa trạm di
động và tổng đài di động (MSC).

1.5.2.3 Hệ thống mạng con
Thành phần chính của hệ thống mạng con là tổng đài di động, hoạt động như một nút
chuyển mạch bình thường của PSTN hoặc ISDN, và cung cấp tất cả các chức năng cần có
để điều khiển một thuê bao di động, như đăng ký, xác nhận, cập nhật tọa độ, trao tay, và
định tuyến cuộc gọi cho một thuê bao liên lạc di động. Những dịch vụ này được cung
cấp chung với nhiều bộ phận chức năng khác, tạo nên hệ thống mạng con. MSC cung
cấp kết nối đến mạng cố định (như PSTN hoặc ISDN). Báo hiệu giữa các bộ phận chức
năng trong hệ thống mạng con là hệ thống báo hiệu số 7 (SS7) sử dụng cho báo hiệu
trung kế trong mạng ISDN và mở rộng sử dụng trong mạng công cộng hiện tại.
Bộ ghi định vị thường trú (HLR) và bộ ghi định vị tạm trú (VLR) cùng với MSC
cung cấp định tuyến cuộc gọi và khả năng liên lạc di động của GSM. HLR chứa tất cả
thông tin quản trị của mỗi thuê bao đã đăng ký trong mạng GSM tương ứng, cùng với vị
trí hiện tại của di động. Vị trí của di động thường ở dưới dạng địa chỉ báo hiệu của VLR
chứa trạm di động.
24

24


Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) chứa thông tin quản trị được chọn từ HLR, cần thiết
cho điều khiển cuộc gọi và cung cấp các dịch vụ thuê bao, cho mỗi thuê bao hiện tại nằm
trong vùng địa lý điều khiển bởi VLR. Mặc dù mỗi bộ phận chức năng chung có thể
được thực hiện độc lập nhưng tất cả các nhà sản xuất thiết bị chuyển mạch cho đến nay
đều sản xuất VLR với MSC, vì thế vùng địa lý điều khiển bởi MSC sẽ tương ứng với
điều khiển bởi VLR đó, do đó đơn giản hóa báo hiệu cần thiết. Lưu ý rằng MSC không
chứa thông tin các trạm di động – thông tin này lưu trữ trong các thanh ghi vị trí.
Có hai bộ ghi khác sử dụng cho mục đích xác nhận và bảo mật. Bộ ghi nhận thực
thiết bị (EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách tất cả các thiết bị di động hợp lệ
trên mạng, mỗi trạm di động được xác nhận bằng số nhận dạng thiết bị di động quốc tế
(IMEI). Số IMEI bị đánh dấu là không hợp lệ nếu được thông báo mất cắp hoặc không

được chấp thuận. Trung tâm nhận thực AuC là cơ sở dữ liệu được bảo vệ chứa bản sao
khóa mã trong SIM card của thuê bao, sử dụng để nhận thực và mã hóa trên kênh vô
tuyến.
1.5.2.4 Đa truy cập trong GSM
Mạng GSM kết hợp hai phương pháp đa truy cập là FDMA và TDMA. Dải tần 935
– 960MHz được sử dụng cho đường lên và 890 – 915MHz cho đường xuống (GSM 900).
Dải băng thông tần một kênh là 200KHz, dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng 200KHz nên ta
có tổng số kênh trong FDMA là 124. Một dải thông TDMA là một khung có tám khe thời
gian, một khung kéo dài trong 4.616ms. Khung đường lên trễ 3 khe thời gian so với
khung đường xuống, nhờ trễ này mà MS có có thể sử dụng một khe thời gian có cùng số
thứ tự ở cả đường lên lẫn đường xuống để truyền tin bán song công.
Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dãy tần số quy định 900Mhz xác
định theo công thức sau:
FL = 890,2 + 0,2.(n-1) MHz
FU = FL(n) + 45

MHz

1 ≤ n ≤ 124
Từ công thức trên FL là tần số ở nửa băng thấp, FU là tần số ở nửa băng cao, 0,2MHz
là khoảng cách giữa các kênh lân cận, 45Mhz là khoảng cách thu phát, n số kênh tần vô
25

25