Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ tích hợp dữ liệu và ánh trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.84 MB, 102 trang )
NGUYỄN QUỐC MINH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Nguyễn Quốc Minh
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ TÍCH HỢP
DỮ LIỆU VÀ ẢNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ BA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
KHOÁ 2008
Hà Nội – Năm 2011
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..............................................................................8
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................10
Chương I. Tổng quan về mạng di động thế hệ thứ ba. .......................................................13
1. Công nghệ 3G là gì?.................................................................................................13
2. Các tiêu chí chung để xây dựng IMT – 2000:..........................................................16
3. Các đặc điểm của mạng 3G:.....................................................................................17
4. Sự khác nhau cơ bản giữa mạng 3G và 2G:.............................................................18
5. Cấu trúc mạng 3G: ...................................................................................................19
6. Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động thế hệ 3: ..................................................23
Chương II. Truyền dữ liệu trong mạng di động thế hệ 3....................................................26
Chương III: Công nghệ GPS trong mạng WCDMA. .........................................................30
1. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS. .........................................................30
a. GPS là gì?..............................................................................................................30
b. Các thành phần của GPS.......................................................................................31
c. GPS có thể đo những gì? ......................................................................................35
d. Các kiểu định vị GPS............................................................................................37
e. Độ chính xác trong định vị bằng GPS ..................................................................40
2. Các phương pháp định vị trong mạng 3G (UMTS/WCDMA) ................................41
Chương IV. Công nghệ cảm biến .......................................................................................47
1. Cảm biến là gì?.........................................................................................................47
2. Các loại cảm biến. ....................................................................................................47
3. Cảm biến đo nhiệt độ................................................................................................47
Chương V: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ tích hợp truyền dữ liệu và ảnh tĩnh qua
mạng di động thế hệ ba.......................................................................................................58
1. Sơ đồ khối hệ thống..................................................................................................58
2. Lựa chọn linh kiện và thiết bị...................................................................................58
3. Thiết kế chế tạo phần cứng.......................................................................................72
4. Sơ đồ mạch thiết kế tổng thể. ...................................................................................85
a. Sơ đồ khối hệ thống sau khi đã lựa chọn thiết bị và linh kiện .................................85
5. Sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch và thiết kế kế mạch in......................................86
6. Lập trình cho vi điều khiển. .....................................................................................88
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..................................................99
1. Kết quả thực hiện. ....................................................................................................99
1
2. Những vấn đề còn tồn tại. ........................................................................................99
3. Hướng phát triển của đề tài: .....................................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................101
2
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan rằng tập luận văn này hoàn toàn do em tìm hiểu, nghiên cứu và
thực hiện, không hề có sự sao chép hoặc sử dụng các nội dung sẵn có trong các luận văn,
đồ án khác. Nếu các thầy cô phát hiện có sự sao chép nội dung từ các luận văn khác, em
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước các thầy cô giáo, Khoa Điện tử Viễn Thông và Viện
Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Hà Nội, tháng 3 năm 2011
Học viên
Nguyễn Quốc Minh
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Nguyên văn tiếng Anh
Giải nghĩa tiếng Việt
ADC
Analog to Digital Convertor
Bộ chuyển đổi tương tự - số
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bít
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập theo mã
CN
Core Network
Mạng lõi
DTE
Data Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối dữ liệu
DCE
Data Circuit - Terminating Equipment
Mạch truyền dẫn dữ liệu
DS/SS:
Direct Sequence Spreading Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
FH/SS
Frequency
Spectrum
Trải phổ kiểu nhảy tần
TH/SS
Time Hopping Spreading Spectrum
EDGE
Enhanced
Evolution
FDD
Frequency Division Duplex
Song công phân chia theo tần số
FDMA
Frequency Division Multiple Access
Đa truy nhập theo tần số
FTP
File Transfer Protocol
Giao thức truyền file
GGSN
Gateway GPRS Support Node
Nút hỗ trợ cổng GPRS
GMSC
Gateway Mobile Service Switching trung tâm chuyển mạch các dịch
Center
vụ di động cổng
GPRS
General Packet Radio Service
Hopping
Data
rate
Spreading
for
Trải phổ nhảy thời gian
GSM Các tốc độ số liệu tăng cường cho
phát triển GSM
Dịch vụ vô tuyến gói chung
4
GPS
Global Possition System
Hệ thống định vị toàn cầu
GSM
Global
System
Telecommunication
HLR
Home Location Register
Thanh ghi định vị thường trú
HSDPA
High Speed Downlink Pakage Access
Truy cập gói đường xuống tốc độ
cao
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet
ITU
International
Union
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ
MMS
MultiMedia Messaging Service
Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện
MS
Mobile Station
Trạm di động
MSC
Mobile Switching Centre
Trung tâm chuyển mạch các dịch
vụ di động
MT
Mobile Terminal
Đầu cuối di động
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Điều chế pha vuông góc.
ROM
Read only Memory
Bộ nhớ chỉ đọc
SGSN
Serving GPRS Support Node
Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS
SMS
Short Message Service
Dịch vụ nhắn tin ngắn
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập theo thời gian
TE
Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối
UMTS
Universal
for
Mobile Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
Telecommunications
Tổ chức viễn thông quốc tế
Mobile Hệ thống thông tin di động toàn
5
Telecommunications System
cầu
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Những điểm khác biệt chính giữa WCDMA và GSM......................................20
Bảng 4.1. Giới thiệu một số thông số kỹ thuật của LM35: ...............................................57
Bảng 5.1. Ký hiệu và thứ tự chân của cổng USB:.............................................................82
Bảng 5.2. Miêu tả chân PL2303: .......................................................................................86
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Phân bổ tần số trong FDD và TDD: ..................................................................21
Hình 1.2. Mô hình cấu trúc hệ thống 3G...........................................................................22
Hình 1.3. Sơ đồ khối tổng quát của mạng thông tin di động thế hệ 3:..............................22
Hình 1.4. Cấu trúc quản lý tài nguyên:.............................................................................24
Hình 1.5. Cấu trúc dịch vụ: ...............................................................................................25
Hình 1.6. Tín hiệu trải phổ ................................................................................................26
Hình 2.1. Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH:............................................................28
Hình 2.2. Quá trình truy nhập CPCH: ...............................................................................29
Hình 2.4. Sơ đồ khối của máy thu vô tuyến trong WCDMA............................................30
Hình 3.1. Hình ảnh trái đất nhìn từ vệ tinh........................................................................32
Hình 3.2. Ba thành phần cơ bản của GPS: ........................................................................33
Hình 3.3. Vệ tinh GPS:......................................................................................................34
Hình 3.4. Cấu trúc tín hiệu GPS:.......................................................................................45
Hình 3.5. Các trạm điều khiển GPS ..................................................................................46
Hình 3.6. Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh ................................................38
Hình 3.7. Kỹ thuật đa trị tại các máy thu...........................................................................38
Hình 3.8. Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS ....................................39
Hình 3.9. Kỹ thuật định vị tuyệt đối..................................................................................40
Hình 3.10. Kỹ thuật định vị tương đối ..............................................................................41
Hình 3.11. Tóm tắt độ chính xác của định vị GPS............................................................43
Hình 3.12. Các phương pháp định vị dựa trên cell............................................................44
Hình 3.13. Phương pháp đo OTDoA-IPDL ......................................................................45
Hình 3.14. Cơ sở hạ tầng A-GPS ......................................................................................46
Hình 4.1. Cấu tạo của cặp nhiệt điện.................................................................................50
Hình 4.2. Hình cặp nhiệt điện............................................................................................51
Hình 4.3. Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD.........................................................................51
Hình 4.4. Cảm biến dạng NTD..........................................................................................52
Hình 4.5. Cấu tạo Thermistor ............................................................................................52
Hình 4.6. Các dạng Thermistor .........................................................................................53
Hình 4.7. IC cảm biến nhiệt LM35 và cảm biến nhiệt dạng diode ...................................54
Hình 4.8. IC cảm biến nhiệt DS18B20..............................................................................54
Hình 4.9. Cảm biến LM35.................................................................................................56
Hình 4.10. Cảm biến LM35 nhìn từ dưới lên....................................................................56
8
Hình 4.11. Sơ đồ cảm biến LM35 với thang đo từ 2oC đến 150oC...................................57
Hình 4.12. Sơ đồ cảm biến LM35 với thang đo toàn dải từ -55oC đến 150oC..................57
Hình 4.13. Cảm biến nhiệt DS1820...................................................................................58
Hình 5.1. Vi điều khiển ATMEGA128 .............................................................................61
Hình 5.2. Module SIM5218A............................................................................................62
Hình 5.3. Sơ đồ chân của ATMEGA128...........................................................................66
Hình 5.4. Cấu trúc của ATMEGA128...............................................................................67
Hình 5.5. Sơ đồ khối của bộ truyền nhận UART ..............................................................68
Hình 5.6. Bộ dồn kênh.......................................................................................................70
Hình 5.7. Sơ đồ của bộ timer/counter0 8 bit .....................................................................70
Hình 5.8. Sơ đồ của bộ timer/counter1 16 bit ...................................................................71
Hình 5.9. Sơ đồ của bộ timer/counter2 8 bit .....................................................................71
Hình 5.10. Sơ đồ khối SIM5218A.....................................................................................73
Hình 5.11. Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho mạch.............................................................74
Hình 5.12. Kết nối camera module với SIM5218A ..........................................................77
Hình 5.13. Kết nối USIM và SIM5218A ..........................................................................78
Hình 5.14. Kết nối MIC và SIM5218A.............................................................................78
Hình 5.15. Kết nối SIM5218A với vi điều khiển ..............................................................79
Hình 5.16. Kết nối SIM5218A với cổng USB ..................................................................79
Hình 5.17. Sơ đồ khối hệ thống.........................................................................................85
Hình 5.18. Mạch in nhìn từ trên xuống (top view)............................................................86
Hình 5.19. Mạch in nhìn từ dưới lên (bottom view) .........................................................86
Hình 5.20. Mạch hoàn chỉnh .............................................................................................87
Hình 5.21. Mạch hoàn chỉnh với antenna 3G và antena GPS ...........................................87
9
MỞ ĐẦU
Ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX, thông tin di động được coi như là một
thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối
có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi vùng phủ sóng. Thành công
của con người trong lĩnh vực thông tin di động không chỉ dừng lại trong việc mở rộng
vùng phủ sóng phục vụ thuê bao ở khắp nơi trên toàn thế giới, các nhà cung dịch vụ, các
tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động đang nỗ lực hướng tới một hệ thống
thông tin di động hoàn hảo, các dịch vụ đa dạng, chất lượng dịch vụ cao.
Tại Việt Nam, thị trường di động trong những năm gần đây cũng đang phát triển
với tốc độ tương đối nhanh. Tính đến đầu năm 2009, cùng với “đại gia” di động
Vinaphone, Mobifone và Vietel, đã có thêm nhiều doanh nghiệp tham gia vào thị trường
này như EVNTelecom, S-fone và HanoiTelecom. Bên cạnh đó còn có một số doanh
nghiệp đã được cấp phép triển khai cung cấp dịch vụ di động theo mô hình MVNO như
Đông Dương Telecom và VTC. Mặc dù vậy, các nhà mạng vẫn chỉ sử dụng 2 công nghệ
chính là GSM (Vinaphone, Mobifone, Viettel) và CDMA (EVNTelecom, S-fone,
HanoiTelecom).
Khi nhu cầu sử dụng dịch vụ thoại đã dần trở nên đơn giản và bão hòa đối với phần
lớn bộ phận khách hàng thì các tính năng khác của dịch vụ di động, trong đó đặc biệt là
dịch vụ dữ liệu đã và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của các tầng lớp khách hàng.
Với GSM, các nhà mạng cũng chỉ có thể triển khai dịch vụ dữ liệu trên nền GPRS, còn
với công nghệ CDMA, tuy có hỗ trợ dịch vụ dữ liệu CDMA20001x nhưng tốc độ còn hạn
chế. Trong khi đó, số lượng trạm EVDO không nhiều dẫn đến vùng phủ hạn chế, hơn nữa
do khó khăn về thiết bị đầu cuối EVDO nên có thể nói khả năng đáp ứng của các nhà
cung cấp là rất hạn chế so với đòi hỏi từ phía khách hàng. Có thể nói, nhu cầu về tăng tốc
độ truyền dữ liệu (thoại, dữ liệu, ảnh) của người sử dụng qua mạng di động đang trở nên
ngày càng bức thiết.
10
Cho đến tháng 4/2009, Bộ Thông tin và Truyền thông đã tổ chức thi tuyển và cấp
phép triển khai mạng 3G cho 5 nhà mạng. Viettel, Vinaphone và Mobifone dành được
giấy phép riêng, còn liên danh EVNTelecom và HanoiTelecom (nay là Vietnamobile) sở
hữu chung 1 giấy phép. Các giấy phép thiết lập mạng 3G theo tiêu chuẩn IMT-2000 đã
mở ra một kỷ nguyên mới trong lộ trình triển khai và cung cấp các ứng dụng dữ liệu băng
rộng cho khách hàng. Thực tế là cho đến thời điểm hiện nay, chỉ còn Vietnamobile chưa
triển khai hạ tầng cung cấp dịch vụ, còn tất cả các nhà mạng giành được giấy phép đều đã
triển khai hạ tầng và chính thức cung cấp dịch vụ cho khách hàng trên nền công nghệ
WCDMA.
Xuất phát từ thực tế triển khai Mạng thông tin di động dựa trên công nghệ
WCDMA tại Việt Nam và nhu cầu về tăng tốc độ truyền dữ liệu (thoại, dữ liệu, ảnh) của
người sử dụng qua mạng di động, em xin trình bày bài luận văn tốt nghiệp với đề tài
“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ tích hợp truyền dữ liệu và ảnh trong hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ ba”.
Trên thế giới, nhiều hãng sản xuất thiết bị đầu cuối hỗ trợ 3G như Nokia (Phần
Lan), Sony Ericsson (Thụy Điển) hay Apple (Mỹ) đã cho ra đời các sản phẩm chạy ứng
dụng truyền dữ liệu và ảnh tĩnh qua mạng 3G. Tuy nhiên, đó là các thiết bị được đóng gói
hoàn chỉnh và chúng ta rất khó tìm hiểu cách thức thiết kế và thực hiện sản phẩm đó. Dựa
trên kiến thức thu được trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, em thực hiện đề tài này với khát vọng tìm hiểu công nghệ và chế tạo thử
nghiệm các thiết bị đầu cuối truyền nhận dữ liệu trên mạng 3G. Trong tương lai không xa,
dịch vụ 3G sẽ trở nên phổ biến ở nước ta. Và em hy vọng rằng, xuất phát từ những ý
tưởng và khát vọng cùng những kết quả thực nghiệm của mình, em sẽ góp phần vào công
cuộc cách mạng sản xuất những thiết bị đầu cuối 3G “made in Việt Nam” trong thời gian
tới.
Nội dung luận văn gồm có 5 chương:
- Chương I: Tổng quan về mạng di động thế hệ ba.
- Chương II: Công nghệ truyền ảnh tĩnh qua mạng WCDMA.
11
- Chương III: Công nghệ GPS trong mạng WCDMA.
- Chương IV: Công nghệ cảm biến.
- Chương V: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ tích hợp truyền dữ liệu và ảnh tĩnh
trong máy di động cho hệ thống WCDMA.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, PGS. TS Vũ Văn Yêm đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo cho em những kiến thức bổ ích và định hướng cho em thực hiện những ý
tưởng của mình. Em xin cảm ơn các anh chị và các bạn tại Trung tâm Viễn thông Di động
Điện lực – EVNTelecom, đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực nghiệm đề tài
này.
Do đây là một đề tài tương đối phức tạp và đề cập đến nhiều nội dung, trong khi đó
thời gian nghiên cứu còn hạn chế, do đó chắc tập luận văn này không tránh khỏi thiếu sót.
Kính mong các thầy giáo, anh chị và các bạn cho ý kiến góp ý để đề tài được hoàn thiện
hơn. Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, tháng 3 năm 2011
Học viên
Nguyễn Quốc Minh.
12
Chương I. Tổng quan về mạng di động thế hệ thứ ba.
Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP đã đặt ra các yêu mới đối với
công nghệ viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ số
nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không
thể đáp ứng được dịch vụ mới này. 3G (third generation), công nghệ truyền thông thế hệ
thứ ba, là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa của ngành viễn thông di động. Nếu 1G (the
first gerneration) điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ có khả năng truyền thoại,
2G (the second generation) ĐTDĐ gồm cả hai công năng truyền thoại và dữ liệu giới hạn
dựa trên kỹ thuật số, thì 3G (third Generation), hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với
tên gọi IMT – 2000, đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng
nhiều phương tiện thông tin. Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới
nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ hai (2G) vào những năm 2000. 3G mang lại cho người dùng các dịch vụ giá trị gia
tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail và tin
nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao. Các ứng dụng 3G
thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại máy
ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video và MP3; thay
cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA và nhắn tin dạng chữ với chất
lượng cao… Công nghệ di động 3G đã được triển khai thành công trên thế giới từ vài năm
qua. Tại Việt Nam, từ năm 2010, đã có 4 nhà khai thác viễn thông là Viettel, Vinaphone,
Mobifone và EVNTelecom cung cấp dịch vụ 3G.
1.
Công nghệ 3G là gì?
3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (Third
Generation). Để hiểu thế nào là công nghệ 3G, chúng ta hãy xét qua đôi nét về lịch sử
phát triển của các hệ thống điện thoại di động. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thử
nghiệm đầu tiên đựơc sử dụng vào những năm 1930-1940 trong trong các sở cảnh sát Hoa
Kỳ nhưng các hệ thống điện thoại di động thương mại thực sự chỉ ra đời vào khoảng cuối
13
những năm 1970 đầu những năm 1980. Các hệ thống điện thoại thế hệ đầu sử dụng công
nghệ tương tự và người ta gọi các hệ thống điện thoại kể trên là các hệ thống 1G. Đặc
điểm của công nghệ 1G là:
- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong
cellular.
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS.
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản, do đó không
thể thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Những
hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1:
- Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.
- Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường
fading đa tia.
- Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng.
- Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.
- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho
thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác.
- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật
thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả
dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động
thế hệ 2.
Ở châu Âu, vào năm 1982 tổ chức các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông châu Âu
(CEPT – Conférence Européene de Postes et Telécommunications) đã thống nhất thành
lập một nhóm nghiên cứu đặc biệt gọi là Groupe Spéciale Mobile (GSM) có nhiệm vụ xây
dựng bộ các chỉ tiêu kỹ thuật cho mạng điện thoại di động toàn châu Âu hoạt động ở dải
tần 900 MHz. Nhóm nghiên cứu đã xem xét nhiều giải pháp khác nhau và cuối cùng đi
14
đến thống nhất sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã băng hẹp (Narrow Band
TDMA). Năm 1988 phiên bản dự thảo đầu tiên của GSM đã được hoàn thành và hệ thống
GSM đầu tiên được triển khai vào khoảng năm 1991. Kể từ khi ra đời, các hệ thống thông
tin di động GSM đã phát triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng, có mặt ở 140 quốc gia
và có số thuê bao lên tới gần 1 tỷ. Lúc này thuật ngữ GSM có một ý nghĩa mới đó là hệ
thống thông tin di động toàn cầu (Global System Mobile).
Cũng trong thời gian kể trên, ở Mỹ các hệ thống điện thoại tương tự thế hệ thứ nhất
AMPS được phát triển thành các hệ thống điện thoại di động số thế hệ 2 tuân thủ tiêu
chuẩn của hiệp hội viễn thông Mỹ IS-136. Khi công nghệ CDMA (Code Division
Multiple Access – IS-95) ra đời, các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động ở Mỹ cung
cấp dịch vụ ở chế độ song song, cho phép thuê bao có thể truy cập vào cả hai mạng IS136 và IS-95.
Do nhận thức rõ về tầm quan trọng của các hệ thống thông tin di động mà ở Châu
Âu, ngay khi quá trình tiêu chuẩn hoá GSM chưa kết thúc người ta đã tiến hành dự án
nghiên cứu RACE 1043 với mục đích chính là xác định các dịch vụ và công nghệ cho hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cho năm 2000. Hệ thống 3G của châu Âu được gọi là
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Những người thực hiện dự án
mong muốn rằng hệ thống UMTS trong tương lai sẽ được phát triển từ các hệ thống GSM
hiện tại. Ngoài ra người ta còn có một mong muốn rất lớn là hệ thống UMTS sẽ có khả
năng kết hợp nhiều mạng khác nhau như PMR, MSS, WLAN… thành một mạng thống
nhất có khả năng hỗ trợ các dịch vụ số liệu tốc độ cao và quan trọng hơn đây sẽ là một
mạng hướng dịch vụ.
Song song với châu Âu, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU – International
Telecommunications Union) cũng đã thành lập một nhóm nghiên cứu để nghiên cứu về
các hệ thống thông tin di động thế hệ 3, nhóm nghiên cứu TG8/1. Nhóm nghiên cứu đặt
tên cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 của mình là Hệ thống Thông tin Di động
Mặt đất Tương lai (FPLMTS – Future Public Land Mobile Telecommunications System).
Sau này, nhóm nghiên cứu đổi tên hệ thống thông tin di động của mình thành Hệ thống
15
Thông tin Di động Toàn cầu cho năm 2000 (IMT-2000 – International Mobile
Telecommunications for the year 2000).
2.
Các tiêu chí chung để xây dựng IMT – 2000:
IMT-2000 cung cấp hạ tầng kỹ thuật cho các dịch vụ gia tăng và các ứng dụng trên
một chuẩn duy nhất cho mạng thông tin di động.
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau: Đuờng lên: 1885 – 2025 MHz;
đường xuống: 2110-2200 MHz. IMT-2000 hỗ trợ tốc độ đường truyền cao hơn:
tốc độ tối thiểu là 2Mbps cho người dùng văn phòng hoặc đi bộ; 348Kbps khi di
chuyển trên xe. Trong khi đó, hệ thống viễn thông 2G chỉ có tốc độ từ 9,6Kbps
tới 28,8Kbps.
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:
o Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến
o Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông từ cố định, di động, thoại, dữ liệu,
Internet đến các dịch vụ đa phương tiện
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
o Các phương tiện tại nhà ảo trên cơ sở mạng thông minh, di động các nhân và
chuyển mạng toàn cầu
o Đảm bảo chuyển mạng quốc tế cho phép người dùng có thể di chuyển đến bất
kỳ quốc gia nào cũng có thể sử dụng một số điện thoại duy nhất.
o Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho tiếng, số liệu chuyển mạch
kênh và số liệu chuyển mạch gói.
- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.
Môi trường hoạt động của IMT – 2000 được chia thành 4 vùng với tốc độ bit R như
sau:
- Vùng 1: Trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2 Mbit/s
- Vùng 2: Thành phố, ô macrô, R b ≤ 384 kbit/s
- Vùng 2: Ngoại ô, ô macrô, Rb ≤ 144 kbit/s
- Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 9,6 kbit/s.
16
3.
Các đặc điểm của mạng 3G:
- Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện, nghĩa là
mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbit/s.
- Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu và
cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng, chẳng hạn: tốc độ bit cao ở
đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên hoặc ngược lại.
- Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu.
- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định.
- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh.
Hiện nay, châu Âu và các quốc gia sử dụng GSM cùng với Nhật đang phát triển
WCDMA trên cơ sở UMTS, còn Mỹ thì tập trung phát triển thế hệ hai (IS-95) và mở rộng
tiêu chuẩn này đến IS-2000. Các tiêu chuẩn di động băng rộng mới được xây dựng trên cơ
sở CDMA hoặc CDMA kết hợp TDMA.
Công nghệ WCDMA được nghiên cứu để đưa ra đề xuất cho hệ thống thông tin di
động thế hệ 3 có các tính năng cơ sở sau:
- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.
- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả các tốc độ trên một sóng mang.
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.
Ngoài ra công nghệ này còn được tăng cường các tính năng sau:
- Phân tập phát.
- Anten thích ứng.
- Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến.
Như vậy, WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ ba
giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA
hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong 3G thì WCDMA nhận được sự ủng
hộ lớn nhất trước hết nhờ tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ
khác nhau đặc biệt là các dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.
17
4.
Sự khác nhau cơ bản giữa mạng 3G và 2G:
Để hiểu được nền tảng sự khác nhau cơ bản giữa hai hệ thống 2G và 3G, ta tóm tắt
các yêu cầu mới của các hệ thống thế hệ thứ 3 như sau:
- Tốc độ bit lên tới 2 Mbit/s, và thay đổi theo yêu cầu về dải thông.
- Tính chất đa phương tiện.
- Yêu cầu chất lượng từ 10% lỗi khung và 10-6 BER.
- Cùng tồn tại cả mạng thế hệ 2 và 3 và chuyển giao qua lại giữa chúng để mở rộng
vùng bao phủ và cân bằng tải.
- Yêu cầu bất đối xứng lưu lượng giữa hướng lên và hướng xuống.
- Hiệu quả sử dụng phổ tần cao.
- Cùng tồn tại cả FDD và TDD.
Đặc điểm so sánh
WCDMA
GSM
Khoảng cách sóng mang
5 MHz
200 KHz
Hệ số tái sử dụng tần số
1
1 -18
Tần số điều khiển công suất
1500 Hz
2 Hz hay thấp hơn
Sự phân tập về tần số
Điều khiển chất lượng
Dữ liệu gói
Sự phân tập hướng xuống
Với dải tần 5 MHZ tạo nên sự
đa dạng cho phân tập tần số
Kỹ thuật nhảy tần
Thuật toán quản lý tài nguyên Quy
hoạch
mạng
vô tuyến
(quy hoạch tần số)
Tải theo phương thức gói
Dùng khe thời gian
Cung cấp cho việc cải thiện Không được hỗ trợ
dung lượng hướng xuống
bởi các tiêu chuẩn
Bảng 1.1. Những điểm khác biệt chính giữa WCDMA và GSM.
WCDMA có khả năng làm việc ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng
hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.
18
- FDD: là phương pháp ghép song công trong đó truyền dẫn đường lên và đường
xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Do đó hệ thống được phân bố một cặp băng
tần riêng biệt.
- TDD: là phương pháp ghép song công trong đó đường lên và đường xuống được
thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những khe thời gian luân phiên
và được chia thành hai phần: phần phát và phần thu. Thông tin đường xuống và
đường lên được truyền dẫn luân phiên.
1920
1900
1980
2010
2025
2170 (MHz)
2110
TDD
FDD
TDD
FDD
RX/TX
Uplink
RX/TX
Downlink
5MHz
FDD
t
t
5MHz
5MHz
Đường
lên
Đường
xuống
Đường
xuống
TDD
Khoảng bảo vệ
Đường
lên
f
f
Phân cách song công 190 MHz
Hình 1.1. Phân bố tần số trong FDD và TDD.
5.
Cấu trúc mạng 3G:
Hệ thống 3G WCDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng
có thể chia cấu trúc mạng WCDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy cập vô
tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS,
còn mạng truy cập vô tuyến là phần nâng cấp của WCDMA. Ngoài ra để hoàn thiện hệ
thống, trong WCDMA 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 WCDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa
hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống WCDMA phát triển mang tính toàn
cầu trên cơ sở công nghệ GSM.
19
Hình 1.2. Mô hình cấu trúc hệ thống 3G.
WCDMA là một giao diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di
động, nó sẽ là công nghệ xây dựng cơ sở hạ tầng và kiến trúc mạng tế bào của hầu hết
mạng 3G trên thế giới, hình thành kết nối giữa thiết bị di động của người sử dụng cùng
với mạng lõi.
Hình vẽ dưới đây thể hiện 2 phần của mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA:
Mạng đường trục
PSTN/ISDN
PDN
AuC
PLMN
HLR
IWF
GMSC
GGSN
EIR
VLR
MSC
SGSN
Iucs
Mạng lõi
Iups
RNC
RNC
Iur
NB
NB
NB
NB
NB
NB
TE
TE
MT
MT
Mạng truy cập vô tuyến
Hình 1.3. Sơ đồ khối tổng quát của mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA.
20
Giải thích các thành phần trong mạng 3G:
- UE (User Equipment).
Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống.
UE gồm hai phần:
o Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng
cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
o 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.
- UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network).
Mạng truy cập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy cập
vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
o NodeB: Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu. Nó
cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
o 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.
- CN (Core Network). Gồm có các thành phần:
o HLR (Home Location Register)
o MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register):
o GMSC (Gateway MSC): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng kết
nối với mạng ngoài.
o SGSN (Servicing GPRS Support Node): Node hỗ trợ GPRS
o GGSN (Gateway GPRS Support Node): Node hỗ trợ GPRS cổng.
o AuC và EIR.
- Các giao diện vô tuyến.
o 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.
21
o 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.
o 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.
o Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất
khác nhau.
o 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.
- Cấu trúc quản lý tài nguyên:
Cấu trúc quản lý tài nguyên dựa trên cơ sở phân chia các chức năng quản lý chủ yếu
sau:
o Quản lý kết nối (CM): bao gồm tất cả các thủ tục, các chức năng liên quan đến
việc quản lý kết nối của người sử dụng.
o Quản lý di động (MM): gồm tất cả các chức năng , các thủ tục quản lý di động
và bảo mật như các thủ tục bảo mật kết nối, các thủ tục cập nhật vị trí.
o Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM): bao gồm các thủ tục thực hiện việc quản
lý tài nguyên vô tuyến (điều khiển công suất, chuyển giao và điều khiển tải hệ
thống).
Điều khiển thông tin
CM
MM
Điều khiển di động
MM
CM
Điều khiển di động
MM
Điều khiển tài nguyên vô tuyến
RRM
RRM
Giao diện mở Uu
Giao diện mở Iu
UTRAN
UE
CN
NMS
Hình 1.4. Cấu trúc quản lý tài nguyên.
22
Các chức năng điều khiển được kết hợp với nhóm các dịch vụ điều khiển sau:
o Điều khiển thông tin (COMC): duy trì các cơ chế như điều khiển cuộc gọi,
điều khiển phiên trong chuyển mạch gói.
o Điều khiển di động (MOBC): duy trì điều khiển cập nhật vị trí và bảo mật.
o Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC): thực hiện chức năng quản lý thiết lập
kết nối vô tuyến và duy trì kết nối giữa UE với UTRAN.
- Cấu trúc dịch vụ của mạng 3G:
Hệ thống 3G được xây dựng theo định hướng dịch vụ nhiều hơn so với mạng thông
tin di động truyền thống. Theo quan điểm dịch vụ, mô hình mạng 3G có dạng như sau:
LỚP DỊCH VỤ
Quản
lý
mạng
LỚP TẠO DỊCH VỤ
LỚP PHẦN TỬ MẠNG
LỚP TRUYỀN TẢI VẬT LÝ
Chức
năng
bảo
mật
Hình1.5. Cấu trúc dịch vụ.
Lớp thấp nhất là nền tảng cho các lớp còn lại là lớp truyền tải vật lý. Các nút sử dụng
phương tiện truyền tải vật lý hình thành một lớp gọi là lớp phần tử mạng. Lớp thứ ba chứa
các phần tử và chức năng tạo ra mỗi khối chức năng trong đó hình thành các dịch vụ phục
vụ người sử dụng đầu cuối. Lớp dịch vụ ở trên cùng trong mô hình dịch vụ tạo ra ngữ
cảnh cho các dịch vụ phức tạp.
6.
Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động thế hệ 3:
Trong WCDMA với băng tần 5MHz thì chỉ tồn tại duy nhất phương thức trải phổ
chuỗi trực tiếp DS với tốc độ chip là 3.84 Mcps.
Trong WCDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp
TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập CDMA hoạt
động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Trong các hệ thống thông
tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được
thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt.
23
Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum), độ rộng băng tần
của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi chỉ có
một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả.
Nhưng trong môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung
một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu
Mật độ công suất
W/Hz
điểm của trải phổ.
Tín hiệu băng hẹp chưa
trải phổ
Tín hiệu băng rộng đã
được trải phổ
R
Tần số
W
Hình 1.6. Tín hiệu trải phổ.
Một hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu:
- Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần
thiết để phát thông tin.
- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.
- Có ba kiểu hệ thống trải phổ cơ bản:
- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence Spreading Spectrum).
- Trải phổ kiểu nhảy tần (FH/SS: Frequency Hopping Spreading Spectrum).
- Trải phổ nhảy thời gian (TH/SS: Time Hopping Spreading Spectrum).
Ngoài ra cũng có thể tổng hợp các hệ thống trên thành hệ thống lai ghép.
Ở máy phát, bản tin được trải phổ bởi mã giả ngẫu nhiên. Mã giả ngẫu nhiên phải
được thiết kế để có độ rộng băng lớn hơn nhiều so với độ rộng băng của bản tin. Ở phía
thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ
bên máy phát.
24
