ĐATN ngành điện tử viễn thông 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

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


1.1 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
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


2.2.1.4 Giao diện vô tuyến...................................................................................................24
2.2.1.5. Giao diện UTRAN – CN, IU .................................................................................24
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
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

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
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

4


5

 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

Carrier to Interference ratio
Tỷ số sóng mang trên nhiễu.

CCCH

Common Control Chanel

6


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

Enhanced Data rate for GSM Evolution.
Tăng tốc độ truyền dẫn…

ETSI

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

F

7


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
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.

8


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.

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

9


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

Khóa dịch pha vuông góc.

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.

1


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.

1


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-

12


KTKT-TC dành cho công nghệ 3G. Theo đánh giá của các thành viên phản biện,
việc xây dựng và 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 WCDMA em đã thực hiện đồ án: “Công nghệ W-CDMA và qui hoạch mạng WCDMA”.
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 !.

1


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

1


số (FDMA) 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
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 .

15


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).

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


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 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

1


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 18852025MHz 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 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

1


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.

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.

1


•

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 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.

20


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 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.

21


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.
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

22


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 tuyến. Ta thấy tổng số kênh tần số có thể tổ chức cho mạng GSM là
124 kênh. Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một ô
của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô chỉ được sử dụng lại tần số
ở khoảng cách cho phép.

23


Truyền dẫn vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm (BURST) chứa hàng
trăm bit đã được điều chế. Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian 577μs ở
trong một kênh tần số có độ rộng 200 Khz nói trên. Mỗi một kênh tần số cho phép
tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ
0 – 7 (TS0, TS1,...TS7).
1.5.2.5 Các thủ tục thông tin
1.5.2.5.1 Đăng nhập thiết bị vào mạng
Khi một thuê bao không ở trạng thái gọi, nó sẽ quét 21 kênh thiết lập trên tổng
số 416 kênh. Sau đó nó chọn một kênh mạnh nhất và khóa ở kênh này. Sau 60s qúa
trình tự định vị được lặp lại.
Khi thuê bao bật lên, thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển. Sau đó, thiết bị
đo cường độ của tín hiệu từ các kênh và ghi lại. Cuối cùng chuyển sang kết nối với
kênh có tín hiệu mạnh nhất.
1.5.2.5.2 Chuyển vùng
Vì GSM là một chuẩn chung nên thuê bao có thể dùng điện thoại hệ GSM tại
hầu hết các mạng GSM trên thế giới. Trong khi di chuyển thiết bị liên tục dò kênh
để luôn duy trì tín hiệu với trạm là mạnh nhất. Khi tìm thấy trạm có tín hiệu mạnh
hơn, thiết bị sẽ tự động chuyển sang trạm mới, nếu trạm mới nằm trong vùng phủ
khác thiết bị sẽ báo cho mạng biết vị trí mới của mình.
Riêng trong chế độ chuyển vùng quốc tế hoặc chuyển vùng giữa mạng của hai
nhà khai thác dịch vụ khác nhau thì quá trình cập nhật vị trí đòi hỏi phải có sự chấp
thuận và hổ trợ từ cấp nhà khai thác dịch vụ.
1.5.2.5.3 Thực hiện cuộc gọi
1.5.2.5.3.1 Cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định
Trình tự thiết lập cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định như sau :
1. Thiết bị gửi yêu cầu một kênh báo hiệu.
2. BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu.

3. Thiết bị gửi yêu cầu cuộc gọi cho MSC/VLR. Thao tác đăng ký trạng thái
tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị, gửi số được gọi

24


cho mạng, kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi ra đều được thực hiện
trong bước này.
4. Nếu hợp lệ MSC/VLR báo cho BSC/TRC một kênh đang rỗi.
5. MSC/VLR chuyển tiếp số được gọi cho mạng PSTN.
6. Nếu máy được gọi trả lời, kết nối sẽ thiết lập.
GSM/PLMN

PSTN

1
2
3
4

1
2
3
4

4

BSC/TRC

MSC/VLR

5

Thiết bị
đầu cuối

6

Hình 1.4. Gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định
1.5.2.5.3.2 Cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động.
Điểm khác biệt quan trọng so với gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết bị
không được biết chính xác. Chính vì thế trước khi kết nối, mạng phải thực hiện
công việc xác định vị trí của thiết bị di động.
1. Từ điện thoại cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạng PSTN.
Mạng sẽ phân tích và nếu phát hiện ra từ khóa gọi mạng di động, mạng PSTN sẽ kết
nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp
2. GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốc trong
HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ.
3. HLR phân tích số di động gọi đến để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ cho
thiết bị. Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽ được trả về
GMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến.
4. HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ.
5. MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC.
6. GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR.

25