NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3g WCDMA và PHÁT TRIỂN lên THẾ hệ 3,5g HSPA

1

LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940. Ngày nay thông tin di
động là ngành viễn thông có sự phát triển nhanh nhất. Bắt đầu là hệ thống thông
tin di động tương tự, đến nay khi các hệ thống di động thế hệ thứ ba được đưa vào
hoạt động và ứng dụng rộng rãi, có thể cung cấp được nhiều dịch vụ băng rộng và
các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao.
Tổ chức ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thứ
ba với tên gọi là IMT-2000 nhằm đáp ứng các mục tiêu chính như:
 Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như các dịch vụ
đa phương tiện và truy nhập Internet nhanh.
 Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và
điện thoại vệ tinh.
 Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự
phát triển liên tục của thông tin di động.
Có nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba IMT-2000
đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thống là WCDMA UMTS và cdma-2000 đã
được ITU chấp thuận và sẽ được đưa vào hoạt động trong những năm 2000.
WCDMA UMTS sẽ là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136.
Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link
Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa trong phát hành R5 với phiên bản tiêu chuẩn
đầu tiên vào năm 2002. Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA: High Speed
Up Link Packet Access) trong 3GPP được chuẩn hóa trong R6 vào tháng 12 năm
2004. Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA. Đây là công nghệ tiếp

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46

2
sau WCDMA trong quá trình tiến lên các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư,
nâng cao tốc độ truyền dữ liệu và cung cấp các dịch vụ mới.
Trong bối cảnh Việt Nam và các nước trên thế giới đang triển khai rộng rãi
hai công nghệ WCDMA và HSPA. Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hai công
nghệ trên nên em đã thực hiện đồ án: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THÔNG
TIN DI ĐỘNG 3G WCDMA VÀ PHÁT TRIỂN LÊN THẾ HỆ 3,5G HSPA”
Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương với nội dung chính sau:
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA
 Chương 2: Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống WCDMA
 Chương 3: Giao diện vô tuyến của mạng WCDMA UMTS
 Chương 4: Công nghệ truy nhập gói tốc độ cao HSPA
Trong quá trình hoàn thành đồ án không tránh khỏi có nhiều thiếu sót, em rất
mong nhận được những góp ý quý báu của thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn
thiện hơn.
Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn cô giáo, th.s Đàm Mỹ
Hạnh, các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật Viễn thông, gia đình và bạn bè đã
giúp em trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2010
Người thực hiện

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


3

MỤC LỤC

Trang

TỜ BÌA.........................................................................................................................1
NHIỆM VỤ THIẾT KẾT TỐT NGHIỆP.......................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................................4
MỤC LỤC.................................................................................................................... 6
CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................................9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................................................................................14
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ
BA WCDMA...............................................................................................................17
1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN THẾ HỆ
4G.............................................................................................................17
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất................................17
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai..................................18
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba...................................18
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư....................................19
1.2 KIẾN TRÚC CHUNG MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
3G.............................................................................................................20
1.2.1 Công nghệ WCDMA...................................................................20
1.2.2 Tổng quan hệ thống UMTS........................................................21
1.2.3 Kiến trúc chung của một mạng WCDMA...................................23
1.2.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được mạng 3G WCDMA hỗ trợ
............................................................................................................24
1.3 CÁC KIẾN TRÚC CHO CÔNG NGHỆ WCDMA THEO 3GPP.........25
SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


4

1.1.3 Kiến trúc WCDMA UMTS R3.....................................................26
1.3.2 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R4...........................................32
1.3.3 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6.................................35
1.4 KIẾN TRÚC MẠNG DỊCH CHUYỂN TỪ GMS SANG UMTS...........38
CHƯƠNG 2 - CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA.............41
2.1 SƠ ĐỒ MÁY THU – PHÁT VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG
WCDMA...................................................................................................41
2.2 MÃ HÓA KIỂM SOÁT LỖI.................................................................43
2.2.1 Mã vòng.....................................................................................44
2.2.2 Mã xoắn.....................................................................................45
2.2.3 Mã hóa turbo..............................................................................46
2.3 PHỐI HỢP TỐC ĐỘ VÀ ĐAN XEN...................................................47
2.3.1 Phối hợp tốc độ..........................................................................47
2.3.2 Đan xen......................................................................................48
2.4 CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA.................................48
2.4.1 Các hệ thống thông tin trải phổ..................................................48
2.4.2 Nguyên lý chung của DSSS và áp dụng DSSS vào CDMA.........49
2.4.3 Hệ thống DSSS-BPSK................................................................53
2.4.4 Hệ thống DSSS-QPSK................................................................55
2.4.5 Mô hình hệ thống DS CDMA.....................................................57
2.5 NGẪU NHIÊN HÓA...........................................................................59
2.6 CÁC MÃ TRẢI PHỔ DÙNG TRONG WCDMA................................60
2.7 MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG – MÁY THU RAKE..................62
2.8 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT...............................................................64
2.9 CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG WCDMA...............................65
CHƯƠNG 3 - GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA MẠNG WCDMA UMTS......................67
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG........................................................................67
3.2 KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC CỦA GIAO DIỆN VÔ
TUYẾN.....................................................................................................68
3.3 CÁC KÊNH CỦA WCDMA................................................................70

3.4 KÊNH VẬT LÝ....................................................................................71
3.4.1 Các kênh vật lý...........................................................................71
3.4.2 Các kênh đường lên....................................................................73

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


5
3.4.3 Trải phổ và điều chế đường lên..................................................77
3.4.4 Các kênh đường xuống...............................................................80
3.4.5 Trải phổ và điều chế cho đường xuống......................................87
3.5 CÁC KÊNH TRUYỀN TẢI..................................................................89
3.5.1 Các kênh truyền tải....................................................................89
3.5.2 Chuyển đổi và ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý.......91
3.6 KÊNH LOGIC...................................................................................92
3.6.1 Các kênh điều khiển...................................................................92
3.6.2 Các kênh lưu lượng....................................................................93
3.7 THIẾT LẬP CUỘC GỌI TRONG WCDMA UMTS............................94
3.8 PHÂN TẬP PHÁT...............................................................................97
3.8.1. Phân tập vòng hở......................................................................97
3.8.2. Chế độ vòng kín.........................................................................98
CHƯƠNG 4 - CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO HSPA....................100
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG......................................................................100
4.2 KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN
HSPA......................................................................................................101
4.3 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG.......................102
4.3.2 Lập biểu phụ thuộc kênh..........................................................104
4.3.3 Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao.....................................105

4.3.4 HARQ với kết hợp mềm............................................................108
4.3.5 Kiến trúc...................................................................................109
4.4 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN..............................113
4.4.1 Lập biểu....................................................................................114
4.4.2 HARQ với kết hợp mềm............................................................117
4.4.3. Kiến trúc..................................................................................117
KẾT LUẬN.............................................................................................122
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........................................123
LỜI CẢM ƠN.........................................................................................124
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................125

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


6

CÁC TỪ VIẾT TẮT
2G

Second Generation

Thế hệ thứ 2

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

3GPP

3ird Genaration Partnership Project

Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

3GPP2

3ird Generation Patnership Project 2

Đề án đối tác thế hệ thứ ba hai

AICH

Acquisition Indication Channel

Kênh chỉ thị bắt

AMC

Adaptive Modulation and Coding

Mã hóa và điều chế thích ứng

AMR

Adaptive MultiRate

Đa tốc độ thích ứng

AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động tiên
tiến

ARQ

Automatic Repeat-reQuest

Yêu cầu phát lại tự động

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha hai trạng thái

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CD/CAICH

CPCH Collision Detection/
Channel Assignment Indicator

Channel

Kênh chỉ thị phát hiện va chạm
CPCH/ ấn định kênh

CN

Core Network

Mạng lõi

CPCH

Common Packet Channel

Kênh gói chung

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra vòng dư

CSICH

CPCH Status Indicator Channel

Kênh chỉ thị trạng thái CPCH

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển riêng

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


7

DCH

Dedicated Channel

Kênh điều khiển

DPCCH

Dedicated Physycal Control
Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH

Dedicated Physical Channel

Kênh vật lý riêng

DPDCH

Dedicated Physical Data Channel

Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DSSS

Direct-Sequence Spread Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

E-AGCH

Enhanced Absolute Grant Channel

Kênh cho phép tuyệt đối tăng

cường

E-DCH

Enhanced Dedicated Channel

Kênh riêng tăng cường

EDGE

Enhanced Data rates for GPRS
Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường để
phát triển GPRS

EIR

Equipment Identity Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

FACH

Forward Access Channel

Kênh truy nhập đường xuống

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo
thời gian

GERAN

GSM EDGE Radio Access
Network

Mạng truy nhập vô tuyến GSM
EDGE

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM

Global System For Mobile
Communications

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

GPS

Global Position System

Hệ thống định vị toàn cầu

HARQ

Hybrid Automatic Repeat request

Yêu cầu phát lại tự động lai
ghép

HHO

Hard Handover

Chuyển giao cứng

HLR

Home Location Register

Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA

High Speed Downlink Packet

Truy nhập hói đường xuống tốc

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


8
Access

độ cao

HSDPCCH

High-Speed Dedicated Physical
Control Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng tốc
độ cao

HSDSCH

High-Speed Dedicated Shared
Channel

Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

HSPDSCH

High-Speed Physical Dedicated
Shared Channel

Kênh chia sẻ riêng vật lý tốc độ
cao

HSSCCH

High-Speed Shared Control
Channel

Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ
cao

HSUPA

High-Speed Uplink Packet Access

Truy nhập gói đường lên tốc độ
cao

IMT2000

International Mobile
Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

IMS

IP Multimedia Subsystem

Phân hệ đa phương tiện IP

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ISDN

Integrated Servive Digital Network

Mạng số đa dịch vụ

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi
trường

MMS

Multimedia Messenging Service

Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện

MSC

Mobile Services Switching Center

Trung tâm chuyển mạch các
dịch vụ di động

Node B

Là nút logic kết cuối giao diện IuB với RNC

PCCPCH

Primary Common Control Physical
Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ
cấp

PCH

Paging Channel

Kênh tìm gọi

PCPCH

Physical Common Packet Channel

Kênh vật lý gói chung

PDCP

Packet-Data Convergence Protocol

Giao thức hội tụ số liệu gói

PDSCH

Physical Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống vật

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46

9
lý
PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

PICH

Page Indication Channel

Kênh chỉ thị tìm gọi

PS

Packet Switch

Chuyển mạch gói

PSTN

Public Switched Telephone
Network

Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quatrature Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha vuông góc

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển liên kết vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

SCCPCH

Secondary Common Control
Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ
cấp

SCH

Synchronization channel

Kênh đồng bộ

SF

Spreading Factor

Hệ số trải phổ

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SIM

Subscriber Identity Module

Modun nhận dạng thuê bao

SHO

Soft Handover

Chuyển giao mềm

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TDD

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia theo
thời gian

TDM

Time Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TDMA

Time Division Mulptiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


10
TFC

Transport Format Combination

Kết hợp khuôn dạng truyền tải

TTI

Transmission Time Interval

Khoảng thời gian phát

UE

User Equipment

Thiết bị người sử dụng

UMTS

Universal Mobile
Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn
cấu

UTRA

UMTS Terrestrial Radio Access

Truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access
Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt
đất UMTS

WCDMA Wideband Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng

Wifi

Wireless FIdelitity

Chất lượng không dây cao

WiMAX

Worldwide interoperability for
Microwave Access

Tương hỗ truy nhập vi ba toàn
cầu

VoIP

Voice over IP

Thoại trên IP

DANH MỤC CÁC HÌNH V

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


11

Hình 1.1. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G.......................17
Hình 1.2. Các phổ tần dùng trong UMTS..................................................................20
Hình 1.3. Kiến trúc tổng quát của một mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA........20
Hình 1.4. Vùng phủ sóng của UMTS..........................................................................22
Hình 1.5. Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999................................24
Hình 1.6. Kiến trúc mạng WCDMA UMTS phát hành 4.............................................31
Hình 1.7. Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6.................................................33
Hình 1.8. Kiến trúc tồn tại đồng thời GSM và UMTS................................................36
Hình 1.9. Kiến trúc mạng RAN tích hợp của 3GR2....................................................37
Hình 1.10. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3........................................................37
Hình 2.1. Máy phát vô tuyến......................................................................................40
Hình 2.2. Máy thu vô tuyến........................................................................................41
Hình 2.3. Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh...........................................................44
Hình 2.4. Cấu hình bộ mã hóa và giải mã turbo........................................................45
Hình 2.5. Trích bỏ các kênh TrCH được mã hóa turbo..............................................46
Hình 2.6. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)..................................................................49
Hình 2.7. Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ tập K

người sử dụng............................................................................................................51
Hình 2.8. Sơ đồ khối của máy phát DSSS BPSK........................................................52
Hình 2.9. Sơ đồ máy thu của hệ thống DSSS-BPSK...................................................53
Hình 2.10. Sơ đồ trải phổ DSSS-QPSK......................................................................54
Hình 2.11. Sơ đồ khối máy thu DSSS-QPSK...............................................................55
Hình 2.12. Hệ thống DSCDMA: Máy phát và máy thu tương quan...........................58
Hình 2.13. Quan hệ giữa trải phổ và ngẫu nhiên hóa................................................59
Hình 2.14. Cây mã định kênh.....................................................................................60
Hình 2.15. Truyền sóng đa đường..............................................................................61
Hình: 2.16. Máy thu RAKE........................................................................................62
Hình 2.17. Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b)......................................................66

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


12
Hình 3.1. Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến WCDMA.................................69
Hình 3.2. Các kênh của lớp vật lý..............................................................................71
Hình 3.3. Cấu trúc khung vô tuyến cho DPDCH/DPCCH đường lên........................74
Hình 3.4. Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH.....................................................75
Hình 3.5. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên...........................................................76
Hình 3.6. Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin của RACH......................................76
Hình 3.7. Thủ tục truy nhập gói CPCH......................................................................77
Hình 3.8. Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên.................................78
Hình 3.9. Chúm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hóa phức.............79
Hình 3.10. Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH...............................................80
Hình 3.11. Cấu trúc khung cho DPCH đường xuống.................................................81
Hình 3.12. Cấu trúc khung cho kênh hoa tiêu chung..................................................82

Hình 3.13. Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh P-CCPCH..........................................83
Hình 3.14. Cấu trúc khung cho S-CCPCH.................................................................84
Hình 3.15. Cấu trúc kênh đồng bộ (SCH)..................................................................85
Hình 3.16. Cấu trúc khung cho PDSCH.....................................................................86
Hình 3.17. Cấu trúc kênh chỉ thị bắt (AICH)..............................................................86
Hình 3.18. Cấu trúc kênh chỉ thị tìm gọi (PICH).......................................................87
Hình 3.19. Sơ đồ trải phổ và điều chế cho các kênh vật lý đường xuống...................88
Hình 3.20. Chuyển đổi giữa kênh các kênh truyền tải và các kênh vật lý...................91
Hình 3.21. Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý.................................................92
Hình 3.22. Chuyển đổi giữa các kênh logic và các kênh truyền tải đường lên và
xuống.......................................................................................................................... 94
Hình 3.23. Thủ tục thiết lập cuộc gọi ở WCDMA UMTS...........................................96
Hình 3.24. Phân tập phát vòng hở của WCDMA.......................................................98
Hình 3.25. Phân tập phát vòng kín của WCDMA.......................................................99
Hình 4.1. Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (công nghệ HSDPA)............103
Hình 4.2. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA......................................104
Hình 4.3. Cấu trúc mã của HS-DSCH......................................................................106
Hình 4.4. Nguyên lý lập biểu HSDPA của node B....................................................107
SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


13
Hình 4.6. Chùm tín hiệu điều chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa
hai điểm tín hiệu.......................................................................................................110
Hình 4.7. Nguyên lý xử lý phát lại của node B..........................................................111
Hình 4.8. Kiến trúc HSDPA......................................................................................113
Hình 4.9. Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA...................................................113
Hình 4.11. Chương trình khung lập biểu của HSUPA...............................................118

Hình 4.12. Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH)....................121

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA
1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN THẾ HỆ 4G
Trong quá trình phát triển của mình, các công nghệ thông tin di động được
chia thành các thế hệ: Thứ nhất, thứ hai, thứ ba và thứ tư; được viết tắt là 1G, 2G,
3G và 4G.
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất
Hệ thống thông tin di động thế hệ một (1G) sử dụng phương pháp đa truy
nhập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hỗ 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. Đa
truy nhập phân chia theo tấn số là phương thức truy nhập mà trong đó mỗi kênh
dành cho người sử dụng được cấp phát một tần số cố định, không trùng với các
kênh người dùng khác nhờ phân chia phổ tần số thành nhiều đoạn riêng biệt.
Một số hệ thống FDMA điển hình là:

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


14
 Hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone Servise – Dịch vụ điện thoại
di động tiên tiến) được sử dụng trên toàn nước Mỹ.
 NMT (Nordic Mobile Telephone System – Hệ thống điện thoại di động
Bắc Âu)
 TACS (Total Access Communication System – Hệ thống thông tin truy
nhập toàn bộ)
Tuy nhiên, thông thường các công nghệ 1G thường được triển khai tại một

số nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế. Không
thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dung lượng và tốc độ. Chính
vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ hai được đưa ra giới thiệu.
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai
Khác với thế hệ thứ nhất, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
được thiết kế để triển khai quốc tế, các thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương
thích, khả năng chuyển mạch phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên các
kênh vô tuyến.
Hệ thống 2G sử dụng hai phương pháp đa truy nhập: Đa truy nhập phân
chia theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).
Một số hệ thống trong mạng 2G điển hình là:
GSM (Global for System Mobile Communications - Hệ thống thông tin di động
toàn cầu), cdma One, ngoài ra còn một số hệ thống khác đó là: iDEN, D-AMPS,
GPRS (2,5G), HSCSD và WiDEN.
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba
Để đáp ứng yêu cầu phát triển dung lượng mạng, tốc độ (tốc độ dịch
chuyển dữ liệu) và những ứng dụng đa phương tiện, chuẩn 3G bắt đầu được đưa
ra. Những hệ thống trong chuẩn này là sự phát triển tuyến tính của hệ thống 2G,
chúng dựa vào hai cơ sở hạ tầng chính cùng tồn tại song song đó là những node
chuyển mạch kênh và những node chuyển mạch gói.

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


15
Một hệ thống thông tin di động là 3G nếu nó đáp ứng một số yêu cầu được
ITU đề ra như sau:
-

Hoạt động trong một trong số các tần số được ấn định cho các dịch
vụ 3G.

-

Phải cung cấp các dịch vụ số liệu mới cho người sử dụng bao gồm cả
các dịch vụ đa phương tiện, độc lập với các công nghệ ở giao diện vô
tuyến.

-

Phải hỗ trợ truyền dẫn số liệu di động tại 144 kbps cho người sử
dụng di động tốc độ cao và truyền dẫn số liệu lên đến 2 Mbps cho
người sử dụng cố định hoặc tốc độ thấp.

-

Phải cung cấp các dịch vụ số liệu gói.

-

Đảm bảo tính độc lập của mạng lõi với giao diện vô tuyến.

Một số hệ thống 3G: UMTS (WCDMA), CDMA2000&1xEV-DO, iS865,
TD-SCDMA; 3,5G: UMTS (HSPA).
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư
Việc triển khai tại một số nước đã chỉ ra một vài vấn đề mà 3G chưa giải
quyết được hoặc mới chỉ giải quyết được một phần là:
 Sự khó khăn trong việc tăng liên tục băng thông và tốc độ dữ liệu để

thỏa mãn nhu cầu ngày càng đa dạng các dịch vụ đa phương tiện, các
dịch vụ khác nhau với nhu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) và băng
thông khác nhau.
 Sự giới hạn của giải phổ sử dụng.
 Dù có sự thỏa thuận về các khả năng chuyển vùng toàn cầu nhưng do
tồn tại những chuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trong
việc chuyển vùng (roaming) giữa các môi trường dịch vụ khác biệt trong
các băng tần số khác nhau.
SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


16
 Thiếu cơ chế chuyển tải “liền mạch” giữa đầu cuối với đầu cuối khi mở
rộng mạng con di động với mạng cố định.
Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G, để hướng tới mục tiêu tạo ra
một mạng di động có khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại,
truyền dữ liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia tại mọi nơi, mọi
lúc; do vậy mạng di động thế hệ thứ tư (4G) đã được đề xuất nghiên cứu và hứa
hẹn những bước triển khai đầu tiên. Cơ sở hạ tầng cho 4G sẽ chỉ là gói (all-IP)
Những kỹ thuật đang được xem xét như pre-4G là Wimax, WiBro, iBurst,
3GPP Long Term Evolution và 3GPP2 Ultra Mobile Broadband.

Khả năng di động
1985

1995

2000

2005

HSPA
1xEVDO

Cao
GSM
cdma One

2G
1G
Thấp

2010

LTE
UMB

Thời gian

4G

E3G

WCDMA
cdma 20001x
WiMax

AMPS

TASC

< 10 kbps

3G

3G+

2015

WiFi

< 200 kbps

SVTH: Phạm Đức Việt

300kbps – 10Mbps

Tốc độ số liệu
< 100 Mbps

100Mbps – 1Gbps

Lớp: KTVT B - K46


17
Hình 1.1. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G
1.2 KIẾN TRÚC CHUNG MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G
1.2.1 Công nghệ WCDMA

WCDMA (Wideband CDMA) là một công nghệ phát triển của GSM để
tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu bằng cách sử dụng kỹ thuật CDMA hoạt động ở
băng rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ thứ
ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật
lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bít thấp
và trung bình.
Một số đặc điểm của WCDMA:
 Là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ
bit cao (lên đến 2 Mbps)
 Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 Mhz, do đó hỗ trợ tốc
độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập.
 Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục. Mỗi người sử dụng được
cung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng
tốc độ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.
 Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD. Trong mô hình FDD sóng
mang 5 Mhz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hình
TDD sóng mang 5 Mhz chia sẻ theo thời gian giữa đường lên và đường
xuống.
 WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ
dàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ.
 WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên
kênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ.
 WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ
sóng và dung lượng của mạng.

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46

18
 Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng
mang.
 Hệ số tái sử dụng bằng 1.
 Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
1.2.2 Tổng quan hệ thống UMTS
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được xây dựng với mục đích cung
cấp cho một mạng di động toàn cầu với các dịch vụ phong phú bao gồm thoại,
nhắn tin, internet và dữ liệu băng rộng.
Tại Châu Âu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đã được tiêu chuẩn
hóa bởi học viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI: European
Telecommunications Standard Institute) phù hợp với tiêu chuẩn ITM-2000 của
ITU (International Telecommunication Union).
Hệ thống có tên là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System).
UMTS được xem là hệ thống kế thừa của hệ thống GSM, nhằm đáp ứng các yêu
cầu phát triển của các dịch vụ di động và ứng dụng internet với tốc độ truyền dẫn
lên tới 2 Mbps và cũng cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu.
UMTS được phát triển bởi Third Generation Partnership Project (3GPP) là
dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩn hóa (SDO) như: ETSI (Châu
Âu), ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và CWTS (Trung
Quốc).
Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dùng cho hệ
thống UMTS:
 1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD
(Frequency Division Duplex: Ghép kênh theo tần số) đường lên và
đường xuống, khoảng cách kênh là 5MHz.

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46

19
 1900 ÷ 1920 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD
(Time Division Duplex: Ghép kênh theo tần số), khoảng cách kênh là
5MHZ.
 1980 ÷ 2010 MHz và 2170 ÷ 2200 MHz: Đường xuống và đường lên vệ
tinh.
1900

20

1920

1980

60

2010

30

2025

15

UMTS TDD

2110

2170

85

60

2200

MHz

30

UMTS
Satellite

UMTS FDD

Hình 1.2. Các phổ tần dùng trong UMTS

1.2.3 Kiến trúc chung của một mạng WCDMA
Mạng thông tin di động thế hệ ba ban đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng
chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh để truyền dữ liệu gói và tiếng. Các trung
tâm chuyển mạch gói là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trong quá
trình phát triển đến sử dụng toàn mạng IP, chuyển mạch kênh dần được thay thế
bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ số liệu và thời gian thực cuối cùng sẽ được
chuyển trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói.
1.2.3.1 Thiết bị người sử dụng
Thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment): Thực hiện chức năng giao
tiếp người sử dụng với hệ thống.
1.2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


20

Điều khiển dịch vụ

Thông tin vị trí

Mạng báo hiệu

TE
Node
B

RNC

BTS

BSC

Internet

Thiết
bị
cổng

Chức năng
dịch vụ CS

Chức năng
dịch vụ CS

Chức năng
dịch vụ PS

Chức năng
dịch vụ PS

ME
PLMN

Nút kết hợp dịch vụ CS và PS

Hình 1.3. Kiến trúc tổng quát của một mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA
Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN: UMTS Terestrial RadioAccess
Network): Có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến.
Kiến trúc ban đầu của mạng 3G có thể sử dụng hai kiểu mạng truy nhập vô tuyến.
Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA được gọi là UTRAN.
Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM
EDGE Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến dựa trên công nghệ
EDGE của GSM).
1.2.3.3 Mạng lõi
Mạng lõi (CN: Core Network): Thực hiện chức năng chuyển mạch, định
tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu. Mạng lõi là kết hợp của chuyển mạch kênh và
chuyển mạch gói được thể hiện bằng nhóm các đơn vị chức năng logic (hình 1.3).
Trong thực thế các miền chức năng này đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Như

chức năng chuyển mạch kênh CS (MGC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói
(SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


21
chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau từ lưu lượng tiếng đến
lưu lượng số liệu dung lượng lớn.
1.2.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được mạng 3G WCDMA hỗ trợ
WCDMA UMTS cung cấp các loại dịch vụ xa (teleservices) như dịch vụ
điện thoại hoặc bản tin ngắn (SMS) và các loại dịch vụ mang (bearer service: Một
dịch vụ viễn thông cung cấp khả năng truyền tín hiệu giữa hai giao diện người sử
dụng - mạng).Vì thế, nói chung mạng 3G hỗ trợ các dịch vụ truyền thông đa
phương tiện. Do đó với mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định
tùy theo ứng dụng của dịch vụ. QoS ở hệ thống WCDMA UMTS được phân loại
như sau:
 Loại hội thoại (Thoại, thoại thấy hình): Thông tin tương tác yêu cầu trễ
nhỏ.
 Loại luồng (đa phương tiện, video theo yêu cầu): Thông tin một chiều
đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ.
 Loại tương tác (duyệt web, trò chơi qua mạng, truy nhập cơ sở dữ
liệu..): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỉ lệ lỗi thấp.
 Loại cơ bản (thư điện tử, SMS, tải dữ liệu xuống): Đòi hỏi các dịch vụ
nỗ lực nhất được thực hiện trên nền cơ sở.
Vùng phủ sóng của mạng WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng với các
tốc độ bít Rb phục vụ như sau:
-

Vùng 1: Vùng trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2 Mbps

-

Vùng 2: Vùng thành phố, ô micro, Rb ≤ 384 Kbps

-

Vùng 3: Vùng ngoại ô, ô macro, Rb ≤ 144 Kbps

-

Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 12,2 Kbps

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


22

Hình 1.4. Vùng phủ sóng của UMTS
1.3 CÁC KIẾN TRÚC CHO CÔNG NGHỆ WCDMA THEO 3GPP
Mạng di động thế hệ 3 được xây dựng theo các phát hành chính được gọi là
R3, R4, R5 và R6. Trong đó R3 và R4 có mạng lõi bao gồm hai miền chuyển
mạch: Miền CS (Circuit Switch: Chuyển mạch kênh) và PS (Packet Switch:
Chuyển mạch gói). Việc kết hợp này phù hợp với giai đoạn đầu khi PS chưa đáp
ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh. Khi đó miền CS sẽ thực
hiện các dịch vụ thoại, còn các dịch vụ số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát

triển hơn R3 ở chỗ CS chuyển sang chuyển mạch mềm, vì thế toàn bộ mạng truyền
tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP.
Lịch trình nghiên cứu trong 3GPP:
-

Phát hành 1999 (R3) tháng 12/1999

-

Phát hành 4 (R4) tháng 03/2001

-

Phát hành 5 (R5) tháng 02/2001

-

Phát hành 6 (R6) tháng 12/2004

1.1.3 Kiến trúc WCDMA UMTS R3
Đây là kiến trúc mạng 3G sử dụng công nghệ WCDMA trong 3GPP năm
1999, tập tiêu chuẩn đầu tiên cho hệ thống UMTS.

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


23

UE

UTRAN
Uu

TE

Node B

CN
Iu

Iu
b

MSC/VLR

RNC

R

Node B

Iur

D
EIR

Node B

HLR/AuC

Gr

Gf
RNC

USIM

GMSC
C

F

ME
Cu

PSTN
ISDN

E

Gc

SGSN

Node B

Internet

GGSN
Gn
n

Hình 1.5. Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999
Mạng UMTS R3 có hỗ trợ cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Tốc
độ thông tin lên tới 384 Kbps trong miền chuyển mạch kênh và 2 Mbps trong
miền chuyển mạch gói. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các
dịch vụ mới cho người sử dụng di động gồm: Điện thoại có hình (hội nghị Video)
âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối.
Mạng UMTS R3 gồm ba phần chính đó là: Thiết bị di động (UE: User
Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial
Radio Network) và mạng lõi (CN: Core Network).
1.3.1.1 Thiết bị người sử dụng
Thiết bị người sử dụng (UE): Là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng.
là phần có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng
dụng và các dịch vụ khả dụng.
Thiết bị đầu cuối (TE: Terminal Equipment): Trong mạng 3G, thiết bị đầu cuối
không đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp dịch vụ số liệu mới.

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


24
Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến để giao tiếp với
mạng qua đường vô tuyến.
Modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subcriber Identity Modulo)
Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao. USIM chứa các hàm và

số liệu cần để nhận dạng, nhận thực thuê bao và có thể giữ các khóa nhận thực
cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho thiết bị đầu cuối. Người sử dụng phải
tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điều này đảm bảo rằng
chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhạp UMTS, và mạng cũng chỉ cung
cấp dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng
ký.
1.3.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access
Netwok): Là mạng liên kết giữa người sử dụng và mạng lõi. Nó bao gồm một hay
nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem), trong một
RNS gồm một RNC và gồm một hay nhiều nút B (node B).
UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện: Giao diện Iu giữa UTRAN
và mạng lõi (CN) gồm hai phần là IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho
miền chuyển mạch kênh và giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người dùng
(UE).
Các đặc tính chính của UTRAN:
-

Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan. Đặc biệt là các ảnh
hưởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một
đầu cuối kết nối qua hai hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lý
tài nguyên đặc thù WCDMA.

-

Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và
chuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy
nhất và bằng cách sử dụng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả
hai vùng PS và CS của mạng lõi.

-

Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết.

SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46


25
-

Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
Hai thành phần của UTRAN là bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và

node B.
Bộ điều khiển mạng vô tuyến
Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Controller): Là một
phần tử mạng, chịu tránh nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển tài
nguyên cho chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung
cấp cho mạng lõi (CN). Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền
chuyển mạch gói đến SGSN và một đến chuyển mạch kênh đến MSC.
Các chức năng chính của RNC:
-

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

-

Cấp phát kênh

-

Thiết lập điều khiển công suất

-

Điều khiển công suất vòng hở

-

Điều khiển chuyển giao

-

Phân tập Macro

-

Mật mã hóa

-

Báo hiệu quảng bá

Node B
Trong hệ thống UMTS, trạm gốc được gọi là node B và nhiệm vụ của nó là
thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao
diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng
thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như “điều khiển công

suất vòng trong”. Tính năng này là để phòng ngừa vấn đề gần xa, nghĩa là khi tất
các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần node B nhất sẽ che
lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Node B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối
khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho
node B luôn thu được công suất như nhau tại tất cả các đầu cuối.
SVTH: Phạm Đức Việt

Lớp: KTVT B - K46