Thiết kế hệ thống truyền thông tin định vị qua mạng thông tin di động thế hệ thứ 3

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lâp – Tự do – Hạnh phúc
------------*-------------

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu của luận văn thạc sỹ khoa học này do
chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Luận văn sử dụng nhiều tài liệu tham khảo đều
có nguồn gốc rõ ràng, thông tin và số liệu được sử dụng trong luận văn là hoàn toàn
trung thực, chính xác.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà nội, ngày 29 tháng 10 năm 2010
Học viên
Phạm Thành An

i


BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT
AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động tiên
tiến

ARQ

Automatic Repeat Request

Yêu cầu lặp lại tự động

ACCH

Associated Control Channels

Kênh điều khiển liên kết.

BCC

Base Station Colour Code

Mã mẫu trạm gốc

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh quảng bá điều khiển.

BCH

Broadcast Channel

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

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

BHCA

Busy Hour Call Attempts

Gọi trong giờ bận

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BCC

Base Station Colour Code

Mã mẫu trạm gốc

C/I

Carrier to Interference ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu

CCITT

International Telegraph and

Uỷ ban quốc tế về điện thoại và

Telephone Consulative Committee

điện tín

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung.

CCCH

Kênh quảng bá

CODEC Code and DECode

Mã hoá và giải mã.

CPC

Close Loop Power Control

Điều khiển công suất vòng kín

CRC

Cyclic Redunancy Check

Kiểm tra dư vòng

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập chia theo mã

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng

DCE

Data Communication Equipment

Thiết bị truyền số liệu

DTX

Discontinuous Transmission

Truyền phát gián đoạn

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối số liệu

ETS

European Telecommunications

Tiêu chuẩn viễn thông châu Âu

Standard

ii


ETSI
FDMA

European Telecommunications

Viện Tiêu chuẩn viễn thông châu

Standards Institute

Âu

Frequence Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

FACCH Fast Associated Control Channel

Kênh điều khiển liên kết nhanh

FCCH

Frequency Correction Channel

Kênh hiệu chỉnh tần số

FSK

Frequency Shift Keying

Khoá điều chế dịch tần

GSM

Global System for Mobile

Thông tin di động toàn cầu

Communication
GOS

Grade Of Service

Cấp độ phục vụ

GPS

Global Position System

Hệ thống định vị toàn cầu

IMTS

Improved Mobile Telephone

Hệ thống điện thoại di động cải

Systems

tiến

International Mobile Subscriber

Số nhận dạng thuê bao di động

Identity

quốc tế

Integrated Servive Digital

Mạng số đa dịch vụ

IMSI
ISDN

Network
ITU

International Telecommunication

Liên đoàn viễn thông quốc tế

Union
MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Service Switching Center

Tổng đài di động

PAGCH Paging and Access

Kênh chấp nhận truy cập và nhắn
tin

PCH

Paging Channel

Kênh nhắn tin

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công cộng

PSTN

Public Switched Telephone

Mạng thoại công cộng có chuyển

Network

mạch

Random Access Channel

Kênh truy cập ngẫu nhiên

RACH

SACCH Slow Associated Control Channel

Kênh điều khiển liên kết chậm

SCH

Kênh đồng bộ

Synchronization Channel

iii


SDCCH Stand alone Dedicated Control

Kênh điều khiển dành riêng

Channel
SDMA

Space Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo không
gian

TACH

Traffic and Associated Channel

Kênh lưu lượng và liên kết

TCH

Traffic Channel

Kênh lưu lượng

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời
gian

TMN

Telephone Management Network

Mạng quản lý viễn thông

UTC

Universal Coordinated Time

Thời gian hợp tác toàn thế giới

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... ix
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................x
CHƯƠNG 1. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ........................................3
1.1.

Hệ thống thông tin di dộng thế hệ nhất ........................................................3

1.2.

Hệ thống thông tin di dộng thế hệ hai ..........................................................4

1.2.1.
1.3.

Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA .......................................4

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA .........................................6

1.3.1.

Cấu trúc mạng W-CDMA.....................................................................9

1.3.2.

Giao diện vô tuyến ..............................................................................12

1.3.2.1.

Giao diện UTRAN – CN, IU ........................................................13

1.3.2.2.

Giao diện RNC – RNC, IUr ..........................................................14

1.3.2.3.

Giao diện RNC – Node B, IUb .....................................................15

1.3.3.

1.3.3.1.

Nguyên tắc phân lớp trong hệ thống W-CDMA .........................15

1.3.3.2.

Lớp vật lý trong W-CDMA .........................................................16

1.3.4.

1.4.

Kiến trúc phân lớp trong WCDMA ....................................................15

Cấu trúc kênh trong WCDMA............................................................17

1.3.4.1.

Các kênh logic .............................................................................17

1.3.4.2.

Các kênh truyền tải ......................................................................18

1.3.4.3.

Các kênh vật lý. ...........................................................................21

Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo ...............................................30

CHƯƠNG 2. CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU .........................................33
2.1.

Giới thiệu chung .........................................................................................33

2.2. Khái quát và so sánh các thông số của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu
(GNSS) ..................................................................................................................33
2.2.1.

GPS .....................................................................................................33

v

2.2.2.

GLONASS ..........................................................................................34

2.2.3.

GALILEO ...........................................................................................34

2.3.

Độ chính xác của GPS................................................................................37

2.4.

Tín hiệu GPS ..............................................................................................38

2.5.

Nguồn lõi của tín hiệu GPS........................................................................39

2.6.

Bản tin GPS ................................................................................................40

2.7.

Ứng dụng của hệ thống GPS ......................................................................44

2.8.

Cơ cấu của hệ thống định vị toàn cầu ........................................................46

2.8.1.

Phần không gian (space segment).......................................................47

2.8.1.1.

Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS Block I ...............................49

2.8.1.2.

Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới) ..........50

2.8.2.

Phần điều khiển (control segment): ....................................................50

2.8.3.

Phần người sử dụng (user segment) và máy thu vệ tinh.....................52

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN ĐỊNH VỊ QUA
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA...............................................53
3.1.

Mô hình hệ thống .......................................................................................53

3.2.

Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đầu cuối .....................................................53

3.2.1.

Giới thiệu module GPS+GALILEO của hãng U-blox........................55

3.2.2.

Giới thiệu tổng quan ATMEGA128 ...................................................56

3.2.2.1.

Cấu trúc vi điều khiển AVR ........................................................57

3.2.2.2.

Các chân ATMEGA128 ..............................................................58

3.3.

Sơ đồ mạch in.............................................................................................65

3.4.

Sản phẩm ....................................................................................................66

3.5.

Giới thiệu hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm...............................................66

KẾT LUẬN ...............................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................68

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô tả phương pháp đa truy cập FDMA/TDMA/CDMA...........................4
Hình 1.2. Hệ thống di động thế hệ ba .........................................................................7
Hình 1.3. Các dịch vụ đa phương tiện trong thông tin di động thế hệ thứ ba.............9
Hình 1.4. Cấu trúc của WCDMA..............................................................................10
Hình 1.5. Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến của UTRAN...........................13
Hình 1.6. Kiến trúc phân lớp trong WCDMA ..........................................................16
Hình 1.7. Cấu trúc kênh vật lý của WCDMA ...........................................................17
Hình 1.8. Cấu trúc khung vô tuyến DPDCH/DPCCH cho đường lên ......................22
Hình 1.9. Số thứ tự các khe truy nhập RACH .........................................................23
Hình 1.10. Cấu trúc khung vô tuyến cho DPCH đường xuống ................................25
Hình 1.11. Cấu trúc khung vô tuyến của CPICH......................................................25
Hình 1.12. Cấu trúc khung vô tuyến của P-CCPCH.................................................26
Hình 1.13. Cấu trúc khung vô tuyến của S-CCPCH................................................27
Hình 1.14. Cấu trúc kênh đồng bộ. ...........................................................................28
Hình 1.15. Cấu trúc khung vô tuyến của P- DSCH ..................................................29
Hình 1.16. Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh AICH...............................................29
Hình 1.17. Các thế hệ di động..................................................................................31
Hình 2.1. Hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh ...............................................33
Hình 2.2. Hệ thống đinh vị GPS Vi sai....................................................................37
Hình 2.3. Tín hiệu GPS .............................................................................................39
Hình 2.4. Ứng dụng của GPS trong giao thông ........................................................45
Hình 2.5. Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu....................47
Hình 2.6. Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất ..................................48

Hình 2.7. Vệ tinh NAVSTAR ...................................................................................49
Hình 2.8. Vệ tinh NAVSTAR ...................................................................................49
Hình 2.9. GPS IIR-M1 launched in Sep 2005..........................................................50
Hình 2.10. Các trạm điều khiển và kiểm tra .............................................................51
Hình 2.11. Các thành phần của GPS .........................................................................52

vii


Hình 3.1. Mô hình hệ thống ......................................................................................53
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý thiết bị đầu cuối..............................................................54
Hình 3.3. Module GPS+GALILEO ..........................................................................55
Hình 3.4. Sơ đồ khối hoạt động ................................................................................56
Hình 3.5. Cấu trúc vi điều khiển AVR......................................................................58
Hình 3.6. Chip vi điều khiển AVR...........................................................................59
Hình 3.7. Mặt trên mạch in .......................................................................................65
Hình 3.8. Mặt dưới mạch in ......................................................................................65
Hình 3.9. Hình ảnh sản phẩm....................................................................................66

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại kênh truyền tải ..........................................................................18
Bảng 1.2. Phân loại kênh vật lý.................................................................................21
Bảng 1.3. Các giá trị tương ứng của a với việc mã hoá STTD .................................28
Bảng 1.4. So sánh tốc độ cao nhất lý thuyết và thực tế ............................................32
Bảng 2.1. So sánh một số thông số kỹ thuật của ba hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn
cầu (Yasuda, 2001)....................................................................................................35
Bảng 3.1. Địa chỉ của các port ..................................................................................60

ix


MỞ ĐẦU

Đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống dẫn đường vô tuyến
điện (radio-based navigation systems) và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh thế
giới thứ hai. Tuy nhiên hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được
phát trên mặt đất là chỉ có hai lựa chọn: hoặc là hệ thống rất chính xác nhưng không
bao phủ được vùng rộng lớn, hoặc là hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn
nhưng lại không chính xác.
Chính vì vậy những nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng
chính xác trên toàn thế giới là đặt những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần đặt
trong không gian và phát sóng xuống trái đất. Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống
định vị toàn cầu (GNSS). Ý tưởng này đã đúc kết lại 2,000 năm sự tiến bộ trong
khoa học dẫn đuờng bằng cách tạo ra “những hải đăng trong vũ trụ” làm đồng bộ
được với thời gian tiêu chuẩn có thể dùng để xác định vị trí chính xác.
Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của Khoa Học – Kỹ Thuật, các
ứng dụng của hệ thống GNSS vào trong đời sống ngày càng đa dạng và phong phú.
Nhằm phục vụ cuộc sống của con người ngày càng tốt hơn, nhiều hệ thống định vị
đã ra đời nhưng nổi trội hơn cả là hai hệ thống GPS của Mỹ và Galileo của Châu
Âu. Hai hệ thống này về cơ bản là giống nhau; vì vậy, xu hướng của tương lai là sử
dụng các thiết bị có thể hoạt động đồng thời với hai hệ thống trên. Kết hợp với nền
tảng mạng viễn thông di động thế hệ thứ ba tốc độ cao, đề tài này sẽ nghiên cứu và
thiết kế thiết bị đầu cuối truyền thông tin định vị qua mạng thông tin di động thế hệ
thứ ba.
Tôi xin cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Vũ Văn Yêm đã giúp đỡ tôi trong việc
định hướng đề tài và các cơ sở vật chất để hoàn thành đề tài. Tôi cũng xin cảm ơn
tất cả các Thầy, Cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách

Khoa Hà Nội đã góp ý và chia sẻ kinh nghiệm với tôi để tôi hoàn thành đề tài này.
Hà nội, ngày 29 tháng 10 năm 2010

x


1

CHƯƠNG 1. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã
hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và
thông tin di động càng khẳng định được sự cần và tính tiện dụng của nó. Cho đến
nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di
động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4. Trong
chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin
di động.

1.1. Hệ thống thông tin di dộng thế hệ nhất
Hệ thống di động thế hệ 1 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 và sử dụng phương
pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Ở đây, băng thông của hệ thống
được chia thành các băng con. Giữa các kênh kề nhau có một khoảng bảo vệ để
tránh chồng phổ do sự không ổn định của tần số sóng mang. Khi một người dùng
gởi yêu cầu tới BS, BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và giành riêng
cho người dùng đó trong suốt cuộc gọi. Tuy nhiên, ngay khi cuộc gọi kết thúc, kênh
được ấn định lại cho người khác.
Đặc điểm:
ƒ Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến
ƒ Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

ƒ 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 di động thế hệ thứ nhất sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản
(FDMA). 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 di dộng thế hệ hai ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung
cấp.

3


Hình 1.1. Mô tả phương pháp đa truy cập FDMA/TDMA/CDMA

1.2. Hệ thống thông tin di dộng thế hệ hai
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế
hệ hai 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 hai sử dụng điều chế số và phương
pháp đa truy cập:
ƒ Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)
ƒ Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA).

1.2.1. Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
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 :
ƒ Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.

ƒ

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 tuyến

4


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.
ƒ

Giảm số máy thu phát ở BTS

ƒ Giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global
System for Mobile - 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 một giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106
lệnh trên giây.
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
Thông tin di động 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 ô (cell) trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau
nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN (Pseudo Noise)

Đặc điểm:
ƒ Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz
ƒ Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp
ƒ Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ
trường hiệu quả hơn FDMA, TDMA. Giảm nhiễu Fading đa đường
ƒ

Liên lạc song công ,mỗi hướng ở các dải tần khác nhau

ƒ Việc các thuê bao MS trong ô 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 ô rất
linh hoạt.
Hệ thống điển hình cho công nghệ CDMA là IS-95.

5


1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA
Hệ thống thông tin di động thế hệ hai vẫn chưa thực hiện được các mục tiêu ban
đầu đề ra, không thể đáp ứng được nhu 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. 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 ba. Sau đây là những mục tiêu chính mà hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ hai chưa đạt được:
ƒ Chưa hình thành hệ thống tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu.
ƒ 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.
ƒ Dung lượng thông tin không đủ.
Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai
đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe
hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ
tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa
vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ ba này các hệ
thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả
năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin
di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ
thống thông tin di động băng rộng.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được
đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và
đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000. Các hệ thống này
đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế
giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.

6


ƒ WCDMA : là sự nâng cấp từ TDMA – GSM – GPRS – EDGE –
WCDMA
ƒ CDMA 2000 : CDMA – CDMA 2000 IS 95A - CDMA 2000 IS 95B
– CDMA 2000x1 – CDMA 2000x1 EV-DO.

2G

2.5G

GSM

World (TDMA)

Japan

PDC
(TDMA)

US

iDEN
(TDMA)

US

IS-136
(TDMA)

US
Asia

IS-95A
(CDMA)

3G

GPRS

EDGE

UMTS

(WCDMA)

IS-95B
(CDMA)

1xRTT
(CDMA2000)

HSPA

1xEV-DO
(CDMA2000)
1xEV-DV
(CDMA2000)

Hình 1.2. Hệ thống di động thế hệ ba
Công nghệ EDGE là một bước cải tiến của chuẩn GPRS để đạt tốc độ truyền
dữ liệu theo yêu cầu của thông tin di động thế hệ ba. Tuy nhiên EDGE vẫn dựa trên
cấu trúc mạng GSM, chỉ thay đổi kỹ thuật điều chế vô tuyến kết hợp với dịch vụ
chuyển mạch vô tuyến gói chung (GPRS) nên tốc độ vẫn còn hạn chế. Điều này gây
khó khăn cho việc ứng dụng các dịch vụ truyền thông đa phương tiện đòi hỏi việc
chuyển mạch linh động và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn. Để giải quyết vấn đề này,
giải pháp đưa ra là nâng cấp EDGE lên chuẩn di động thế hệ ba W-CDMA WCDMA có các tính năng cơ sở sau :

7


ƒ Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.
ƒ Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng
mang.

ƒ Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.
ƒ Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD
phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi
trường làm việc khác nhau.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ
với tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối
xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả
năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch
vụ mới như : điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các
dịch vụ đa phương tiện khác.

8


Đa phương tiện di động

KBit/s
2M
Truyền hình
hội nghị
(Chất lượng
cao)
384

64

Truyền hình
hội nghị
(Chất lượng

thấp)

Truy nhập cơ sở
dữ liệu

Y tế từ
xa
Truy
nhập
Internet

Đàm thoại
hội nghị

WWW
Thư
điện tử

16

Điện
thoại IP

Video
theo
yêu
cầu

Mua
hàng

theo
Catalog
Video

Báo
điện
tử

FTP
32

Quảng bá

Thư
tiếng

Karaoke
ISDN

Truyền
hình di
động

Tin tức
Dự báo
thời tiết
Thông tin
lưu lượng

Truyền

thanh
di động

Thông tin
nghỉ ngơi

Xuất bản
điện tử

vv…

Các dịch vụ
phân phối
thông tin

H.ảnh

9.6
2.4

Số liệu

Điện thoại

Thư điện tử

FAX
Tiếng

1.2

Đối xứng

Không đối xứng

Đa phương
Đa điểm

Điểm đến điểm

Hình 1.3. Các dịch vụ đa phương tiện trong thông tin di động thế hệ thứ ba

Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ
các dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các dịch vụ
không liên quan đến cuộc gọi như thư điện tử, FPT…

1.3.1. Cấu trúc mạng W-CDMA
Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức
năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng
truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần
cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-

9


CDMA. Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử
dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn
hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên
công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên
GSM. Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ

sở công nghệ GSM

Hình 1.4. Cấu trúc của WCDMA
y UE ( User Equipment)
Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ
thống. UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử
dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa
thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các
khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
y UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

10


Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến
truy nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu. Nó
cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC : Có chức năng sở hữu và điều khiển các
tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó). RNC còn là điểm
truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
y CN (Core Network)
- HLR (Home Location Register) : Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ
thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm :
Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các
thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển
hướng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) :

Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch
kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển
mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như
vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.
- GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
- SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng
cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng chỉ
phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
y Các mạng ngoài
- Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
- Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.

11


y Các giao diện vô tuyến
- Giao diện CU : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này
tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.
- Giao diện UU : Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của
hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.
- Giao diện IU : Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà
khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.
- Giao diện IUr : Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất
khác nhau.
- Giao diện IUb : Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. IUb được
tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn.

1.3.2. Giao diện vô tuyến
Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử

mạng mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic. Cấu trúc giao diện được
xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với nhau, điều
này cho phép thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên
các phần còn lại.
Hiện tại tiến trình tiêu chuẩn hoá UMTS đang được triển khai. Phần mạng
truy nhập của UMTS là UTRAN đã được chuẩn hoá. Tháng 01/1998, ETSI quyết
định sử dụng UTRA FDD hay W-CDMA trên băng tần đôi và UTRA TDD hay
TD/CDMA trên băng tần đơn.

12


Hình 1.5. Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến của UTRAN

1.3.2.1. Giao diện UTRAN – CN, IU
Giao diện IU là một giao diện mở có chức năng kết nối UTRAN với CN. Iu có
hai kiểu : Iu CS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh và Iu PS để kết nối
UTRAN với chuyển mạch gói.
• Cấu trúc IU CS
IU CS sử dụng phương thức truyền tải ATM trên lớp vật lý là kết nối vô tuyến,
cáp quang hay cáp đồng. Có thể lựa chọn các công nghệ truyền dẫn khác nhau như
SONET, STM-1 hay E1 để thực hiện lớp vật lý.
- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển : Gồm RANAP trên đỉnh giao diện SS7
băng rộng và các lớp ứng dụng là phần điều khiển kết nối báo hiệu SCCP, phần
truyền bản tin MTP3-b, và lớp thích ứng báo hiệu ATM cho các giao diện mạng

13


SAAL-NNI.

- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải : Gồm các giao thức báo
hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630) và lớp thích ứng Q.2150 ở đỉnh các giao
thức SS7 băng rộng.
- Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng : Gồm một kết nối AAL2 được dành
trước cho từng dịch vụ CS.
• Cấu trúc IU PS
Phương thức truyền tải ATM được áp dụng cho cả phía điều khiển và phía
người sử dụng.
- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển IU PS : Chứa RANAP và vật mang báo
hiệu SS7. Ngoài ra cũng có thể định nghĩa vật mang báo hiệu IP ở ngăn xếp này.
Vật mang báo hiệu trên cơ sở IP bao gồm : M3UA (SS7 MTP3 User Adaption
Layer), SCTP (Simple Control Transmission Protocol), IP (Internet Protocol) và
ALL5 chung cho cả hai tuỳ chọn.
- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải IU PS : Phía điều khiển
mạng truyền tải không áp dụng cho IU PS. Các phần tử thông tin sử dụng để đánh
địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 giống như các phần tử thông tin được sử dụng
trong CS.
- Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng Iu PS : Luồng số liệu gói được ghép
chung lên một hay nhiều AAL5 PVC (Permanent Virtual Connection). Phần người
sử dụng GTP-U là lớp ghép kênh để cung cấp các nhận dạng cho từng luồng số liệu
gói. Các luồng số liệu sử dụng truyền tải không theo nối thông và đánh địa chỉ IP.
1.3.2.2. Giao diện RNC – RNC, IUr
IUr là giao diện vô tuyến giữa các bộ điều khiển mạng vô tuyến. Lúc đầu giao
diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trong quá trình
phát triển tiêu chuẩn nhiều tính năng đã được bổ sung và đến nay giao diện IUr phải
đảm bảo 4 chức năng sau :

14

- Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC.
- Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng.
- Hõ trợ kênh lưu lượng chung.
- Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu.
1.3.2.3. Giao diện RNC – Node B, IUb
Giao thức IUb định nghĩa cấu trúc khung và các thủ tục điều khiển trong băng
cho các từng kiểu kênh truyền tải. Các chức năng chính của IUb :
- Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến
đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng.
- Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vô tuyến.
- Xữ lý các kênh riêng và kênh chung.
- Xữ lý kết hợp chuyển giao.
- Quản lý sự cố kết nối vô tuyến.

1.3.3. Kiến trúc phân lớp trong WCDMA
1.3.3.1. Nguyên tắc phân lớp trong hệ thống W-CDMA
Xét tổng thể, các hệ thống cdmaOne, cdma2000, W-CDMA đều xây dựng dựa
trên mô hình OSI, trợ giúp chức năng của lớp vật lý, lớp tuyến và lớp mạng. Lớp
vật lý có nhiệm vụ truyền dẫn từng bit qua kênh vô tuyến. Lớp tuyến thực hiện việc
chuyển không có lỗi các bit 0 và 1 từ lớp vật lý lên lớp mạng. Lớp tuyến phân dữ
liệu thành các khung (độ dài khung tuỳ thuộc chuẩn của cdmaOne, cdma2000 hay
W-CDMA) rồi truyền theo trình tự, phát hiện lỗi khi nhận khung từ phía đối
phương để yêu cầu đối phương truyền lại khung và thực hiện việc truyền lại khung
nếu được đối phương yêu cầu. Lớp mạng nhận thông tin từ các host, biến đổi chúng
thành các gói và định hướng các gói tới đích. Lớp mạng còn làm nhiệm vụ điều
khiển tuyến cho các gói, đảm trách xử lý cuộc gọi. Trong các hệ thống này, các ứng
dụng báo hiệu thông tin trực tiếp với lớp ba (lớp mạng). Các lớp trên là rỗng. Tương

15

tự các ứng dụng lưu lượng (thoại hoặc số liệu) thông tin trực tiếp với lớp một (lớp
vật lý). Do đó, chỉ có lớp vật lý là trợ giúp cho ứng dụng lưu lượng. Xét cụ thể, cấu
trúc phân lớp của W-CDMA được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn của hệ
thống UMTS: Lớp vật lý, lớp kết nối số liệu được chia thành các lớp con và lớp
mạng.

Hình 1.6. Kiến trúc phân lớp trong WCDMA
1.3.3.2. Lớp vật lý trong W-CDMA
Kênh truyền tải được truyền dẫn nhờ kênh vật lý. Kênh vật lý được tổ chức
dưới dạng các siêu khung, khung vô tuyến, khe thời gian như chỉ ra trong hình vẽ
dưới. Lý thuyết của cấu trúc khung phân cấp này cũng giống phần nào lớp khung
GSM TDMA. Tuy nhiên, nếu với GSM, mỗi người sử dụng TDMA có 1 vị trí khe
riêng thì trong W-CDMA, số người có thể sử dụng đồng thời phụ thuộc vào tốc độ
bit yêu cầu của thuê bao và hệ số trải phổ hợp của chúng. Các mức di động có thể
phát liên tục hoặc gián đoạn ở mọi khe thời gian, ví dụ như khi dùng bộ tách thoại
VAD.

16


Hình 1.7. Cấu trúc kênh vật lý của WCDMA
Siêu khung UTRA/IMT-2000 gồm 72 khung vô tuyến, với 16 khe thời gian
trong mỗi khung. Độ dài của mỗi khe thời gian là 0,625ms tạo ra 10ms và 720ms
cho khung vô tuyến và siêu khung tương ứng. Độ dài khung 10ms cũng phù hợp với
độ dài khung của mã thoại ITU-G729 cho thông tin thoại trong khi nó là “tích con”
của nhiều độ dài khung mã thoại toàn tốc và tốc độ một nửa của hệ thống GSM. Ta
cũng thấy rằng việc xếp ghép của luồng hình của mã Videophone H.263 có thể
được xắp xếp trên các khung vô tuyến 10ms để hỗ trợ các dịch vụ hình tương tác
khi đang di chuyển. Trên đường xuống của UTRA, kênh DPDCH và DPCCH được

nối bằng cách ghép thời gian. Trên đường lên chúng được xếp ghép thành các
nhánh modem I và Q. Ở chế độ FDD, kênh vật lý đường xuống được định nghĩa bởi
mã trải phổ và tần số của nó. Hơn nữa, ở đường lên, các kênh bốn pha và "in-pha"
trực giao của modem được dùng để phát thông tin điều khiển và dữ liệu đồng thời
song song trên nhánh I và Q của modem và do đó pha sóng mang tương đối (I hoặc
Q) được biết sẽ tạo thành phần nhận dạng của kênh vật lý. Trái lại, ở chế độ TDD, 1
kênh vật lý được xác định bởi mã trải phổ, tần số và khe thời gian của nó.

1.3.4. Cấu trúc kênh trong WCDMA
1.3.4.1. Các kênh logic

17