Giới thiệu hệ thống thông tin di động và xu thế phát triển truy nhập vô tuyến hệ thống UMTS truy nhập mạng UMTS và triển khai hệ thống UMTS

Mẫu bìa luận văn có in chữ nhũ

Khổ 210 x 297 mm

vũ khánh cường

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-------------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học

Điện tử viễn thông

hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ ba Umts

Vũ khánh cường

2003 2005
Hà Nội
2005

Hà nội 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ BA UMTS
Chuyên ngành: Điện tử – Viễn thông
Mã số:

Vũ Khánh Cường

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đức Thuận

Hà nội 2005


-1-

Mục lục
Mục lục ................................................................................................................. 1
Danh mục hình vẽ ................................................................................................ 3
Thuật ngữ viết tắt ................................................................................................. 5
Lời nói đầu ......................................................................................................... 13
Chương 1 Hệ thống thông tin di động và xu thế phát triển ............................... 15
1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ............................................ 15
1.2 Hệ thống thông tin di động GSM ............................................................. 19
1.3 Hệ thống thông tin di động 3G phát triển từ GSM ................................... 22
1.4 Kết luận ..................................................................................................... 24
Chương 2 Truy nhập vô tuyến hệ thống UMTS ................................................ 25
2.1 Kỹ thuật đa truy nhập ............................................................................... 26
2.1.1 Kỹ thuật đa truy nhập băng hẹp ......................................................... 26
2.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập băng rộng ........................................................ 27

2.1.2.1 Kỹ thuật trải phổ và điều chế ....................................................... 30
2.1.2.2 Tác động của nhiễu băng hẹp ...................................................... 32
2.1.2.3 Mã định kênh ............................................................................... 34
2.1.2.4 Mã giả ngẫu nhiên........................................................................ 35
2.2 Các hệ thống trải phổ ................................................................................ 36
2.3 Dung lượng của mạng WCDMA .............................................................. 40
2.3.1 Dung lượng đường lên ....................................................................... 41
2.3.2 Dung lượng đường xuống .................................................................. 43
2.4 Giao diện vô tuyến .................................................................................... 44
2.4.1 Kênh truyền tải ................................................................................... 45
2.4.1.1 Kênh riêng .................................................................................... 45
2.4.1.2 Kênh chung .................................................................................. 46
2.4.2 Kênh vật lý ......................................................................................... 48
2.4.2.1 Kênh Primary CCPCH ................................................................. 50
2.4.2.2 Kênh Second CCPCH ................................................................. 51

Hệ thông thông tin di động UMTS


-2-

2.4.2.2 Kênh SCH .................................................................................... 54
2.4.2.3 Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PRACH ................................. 55
2.4.2.4 Kênh PCHCH............................................................................... 58
2.4.2.5 Kênh DPDCH .............................................................................. 60
2.4.2.6 Kênh CPICH ................................................................................ 61
2.4.2.6 Kênh AICH .................................................................................. 62
2.4.2.7 Kênh PICH ................................................................................... 63
2.5 Kết luận ..................................................................................................... 63
Chương 3 Truy nhập mạng UMTS .................................................................... 65

3.1 Sự phát triển từ GSM đến UMTS ............................................................. 65
3.2 Cấu trúc của mạng UMTS ........................................................................ 68
3.2.1 UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access network ......................... 71
3.2.1.1 Cấu trúc của UTRAN .................................................................. 71
3.2.1.2 Giao thức vô tuyếndùng trong UTRAN ...................................... 74
3.2.2 CN - Core Network ............................................................................ 77
3.2.2.1 Thành phần chuyển mạch kênh ................................................... 79
3.2.2.2 Thành phần chuyển mạch gói ...................................................... 82
3.3 Kết luận ..................................................................................................... 84
Chương 4 Triển khai hệ thống UMTS ............................................................... 85
4.1 Nguyên lý cơ bản ...................................................................................... 87
4.1.1 Quy hoạch mạng vô tuyến .................................................................. 90
4.1.2 Quy hoạch mạng lõi ........................................................................... 97
4.2 Đề xuất triển khai UMTS ở mạng VinaPhone ......................................... 98
4.2.1 Hiện trạng mạng VinaPhone .............................................................. 99
4.2.2 Lộ trình triển khai nâng cấp mạng VinaPhone lên 3G ..................... 103
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI................................ 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 113

Hệ thông thông tin di động UMTS


-3-

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của GSM ........................................................ 19
Hình 1.2 Con đường phát triển từ GSM lên UMTS........................................... 23
Hình 2.1 TDMA, FDMA và CDMA.................................................................. 27
Hình 2.2.Nguyên tắc chung của trải phổ và điều chế. ....................................... 30
Hình 2.3 Sơ đồ khối khối trải phổ và giả trải phổ .............................................. 32

Hình 2.4 Tác động quá trình giải trải phổ đến nhiễu băng hẹp.......................... 34
Hình 2.5 Cấu trúc cây mã định kênh .................................................................. 35
Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của FDD và TDD. ............................................ 38
Hình 2.7 Dải tần số của GSM, UMTS ............................................................... 39
Hình 2.8 Tốc độ bit Rb thay đổi theo từng khung 10ms. ................................... 50
Hình 2.9 Điều khiển công suất phát được thay đổi theo từng khe thời gian ..... 50
Hình 2.10 Cấu trúc khung của kênh CCPCH sơ cấp ......................................... 51
Hình 2.11 Cấu trúc của kênh CCPCH thứ cấp. .................................................. 52
Hình 2.12 Cấu trúc kênh đồng bộ SCH ............................................................. 54
Hình 2.13 Các khe truy nhập ngẫu nhiên ........................................................... 55
Hinh 2.14 Cấu trúc RACH ................................................................................. 56
Hình 2.15 Cấu trúc phần bản tin truy nhập ngẫu nhiên ..................................... 56
Hình 2.16 Cấu trúc của CPCH khi truyền .......................................................... 59
Hình 2.17 Cấu trúc bản tin CPCH...................................................................... 59
Hình 2.18 Cấu trúc khung kênh đường xuống DPCH ....................................... 60
Hình 2.19 Cấu truck hung của kênh hoa tiêu ..................................................... 62
Hình 2.20 Cấu trúc kênh AICH.......................................................................... 62
Hình 2.21Cấu trúc kênh chỉ thị tìm gọi. ............................................................. 63
Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống thơng tin di động thế hệ 2 GSM ............................ 66
Hình 3.2 Cấu trúc hệ thống mạng lõi UMTS ..................................................... 69
Hình 3.3 Cấu trúc giao thức vô tuyến của UTRAN ........................................... 75

Hệ thông thông tin di động UMTS


-4-

Hình 3.4 Thành phần UMTS phân chia theo lớp ............................................... 78
Hình 3.5 Cấu trúc thành phần chuyển mạch kênh của GSM và UMTS ............ 79
Hình 3.6 Quá trình chuyển giao trong GSM ...................................................... 81

Hình 3.7 Chuyển giao trong UMTS ................................................................... 82
Hình 4.1 Lưu lượng mềm trong WCDMA ........................................................ 88
Hình 4.2 Quan hệ giữa th bao và bán kính ơ .................................................. 89
Hình 4.3 Sự thay đổi kích thước, dung lượng theo tốc độ dịch vụ .................... 89
Hình 4.4 Quy hoạch mạng UMTS ..................................................................... 91
Hình 4.5 Số bản tin MMS trong giờ cao điểm ................................................. 101
Hình 4.6 Số phiên truy nhập Internet trong 1 giờ cao điểm............................. 102
Hình 4.7 Dự đốn số lượng thuê bao đến năm 2007 ....................................... 103
Hình 4.8 Lộ trình phát triển từ GSM đến WCDMA ........................................ 104
Hình 4.9 Lộ trình phát triển của VinaPhone .................................................... 107
Hình 4.10 Giải pháp UMTS cho mạng VinaPhone ......................................... 109

Hệ thông thông tin di động UMTS


-5-

Thuật ngữ viết tắt
2G
3G
AC
ACCH
ACK
AI
AICH
AM
AMR
AP
ARQ
AS

ATM
BCCH
BCH
BER
BMC

2th Generation
3Th Generation
Admission Control
associated Control
Channel
ACKnoledgement
Acquisition
Indicator
Acquisition
Indication Channel
Acknowledged
Mode
Adaptive Multi
Rate
Access Preamble
Automatic Repeat
Request
Access Stratum
Asynchronous
Transfer Mode
Broadcast Control
Channel
Broadcast Channel
Bite Error Rate

Broadcast/Multicast
Control

Hệ thông thông tin di động UMTS

Thông tin di động thế hệ thứ 2
Thông tin di động thế hệ thứ 3
Điều khiển cho phép
Kênh điều khiển liên kết
Chế độ phúc đáp
Chỉ thị bắt
Kênh chỉ thị bắt
Chế độ phúc đáp
Đa tốc độ thích hợp
Tiền tố truy nhập
Yêu cầu phát tự động
Tầng truy nhập
Chế độ truyền tải không đồng bộ
Kênh điều khiển quảng bá
Kênh quảng bá
Tỷ lệ lỗi bít
Điều khiển quảng bá/đa quảng bá


-6-

BPSK
BS
CA-ICH
CBS

CC
CCCH
CCH
CCPCH
CCTrCH
CD-ICH
CDMA
CN
CP
CPCH
CPICH
CRC
CRNC
CS

Binnary phase ship
Key
Base station
Channel asignment
Indication CHannel
Cell
broadcast
Service
Call
control,
Convolution Code
Commom Control
Channel
Control Channel
Common Control

Physical CHannel
Code Composite
Transport Channel
Collision Detection
Indication Channel
Code division
Multiple Access
Core Network
Control Plane
Common Packet
Channel
Common Pilot
Channel
Cyclic Redundancy
Check
Controlling RNC
Circuit Switched

Hệ thơng thơng tin di động UMTS

Khố dịch pha nhị phân
Trạm gốc
Chỉ thị ấn định kênh
Dịch vụ quảng bá ô
Điều khiển cuộc gọi/ Mã xoắn
Kênh điều khiển chung
Kênh điều khiển
Kênh điều khiển truyền tải chung
Kênh truyền tải hỗn hợp
Kênh chỉ thị tìm xung đột

Đa truy nhập phân chia theo mã
Mạng lõi
Phần điều khiển
Kênh gói chung
Kênh hoa tiêu Chung
kiểm tra dư thừa vòng
RNC điều khiển
Chuyển mạch kênh


-7-

DCA

Dynamic Channel
Control
DCCH
Dedicated Control
Channel
DCH
Dedicated Channel
DL
Downlink
DPCCH
Dedicated Physical
Control Channel
DRNC
Drift RNC
DRX
Discontinuous

Reception
DS-CDMA Direct Spreading
Code division
Multiple Access
DSCH
Downlink Share
Channel
DTCH
Dedicated traffic
Channel
DTX
Discontinuous
Transmission
EDGE
Enhanced Data
rates for GSM
EFR
Enhanced full rate
speech codec
EIRP
Equivalent isotropic
Radiated Power
FACH
Forward Access
Channel
FBI
FeedBack
Information

Hệ thông thông tin di động UMTS

Kênh điều khiển động
Kênh điều khiển riêng
Kênh dùng riêng
Đường xuống
Kênh điều khiển vật lý chung
RNC trôi
Thu không liên tục
Tải phổ trực tiếp

Kênh dùng chung đường xuống
Kênh lưu lượng riêng
Phát không liên tục
Giải pháp nâng cao tốc độ dữ liệu cho
GSM
Mã hoá tốc độ nâng cao
Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng
Kênh truy nhập đường xuống
Thông tin phản hỗi


-8-

FDD
FDMA
FER
GGSN
GMSC
GMSK
GPRS

GPS
GSM

HO
IETF

IMSI

IMT-2000

IP
IS-136

Frequency Division Ghép song công phân chia theo tần số
Duplex
Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần số
Multiplex Access
Frame error rate
Tỷ lệ lỗi khung
Gateway
GPRS Nút hỗ trợ cổng GPRS
Support Node
Gateway MSC
Cổng MSC
Gausian Minimum Khoá dịch pha gaussian nhỏ nhất
Shift Keying
General
Packet Hệ thống vơ tuyến chuyển mạch gói
Radio System
Global Positioning

Hệ thống định vị tồn cầu
System
Global System for
Hệ thống thơng tin di động tồn cầu
Mobile
communication
Handover
Chuyển giao
Internet
Nhóm đặc trách về kỹ thuật internet
Engineering Task
Force
International
Nhận dạng thuê bao di động quốc tế
Mobile Subscriber
Identity
International Mobile Tiêu chuẩn thơng tin di động tồn cầu
Telecommunication2000
2000
Internet Protocol
Giao thức Internet
North American
Chuẩn TDMA của Bắc Mỹ
TDMA

Hệ thông thông tin di động UMTS


-9-

IS-2000
IS-95

ISDN
L1
L2
L3
LLC
MAC
Mcps
ME
NAS
NBAP
NF
NR
ODMA
OVSF
PACCH
PBCCH
PC
PCCCH

New version of
Chẩn 3G cho CDMA
CDMA
North American
Chuẩn CDMA của Bắc Mỹ
version of CDMA
standard
Integrated Service

Mạng dịch vụ số thích hợp
Digital Network
Physical layer
Lớp vật lý
Radio Data Link Layer Lớp truyền dữ liệu
Radio Network Layer
Lớp mạng
Logical Link Control
Điều khiển kết nối logic
Medium
Access Điều khiển truy nhập môi trường
Control
Mega chips per second Tốc độ chip trong 1 giây
Mobile Equipment
Thiết bị di động đầu cuối
Non-Access Stratum
Tầng không truy nhập
Node B application
Giao thức ứng dụng của nút B
Part
Noise Figure
Đặc trưng tạp âm
Noise Rise
Độ tăng tạp âm
Opportunity Drive
Đa truy nhập theo cơ hội
MultipleAccess
Orthogonal Variable
Hệ số trải phổ trực giao khả biến
Spreading Factor

Packet Accociate Control
Kênh điều khiển liên quan chuyển
Channel
mạch gói
Packet Broadcast Control
Kênh điều khiển chuyển mạch gói
CHannel
quảng bá
Power Control
Điều khiển công suất
Packet Common Control
Kênh điều khiển chuyển mạch gói

Hệ thơng thơng tin di động UMTS


- 10 -

Channel

chung

PCCH
PCCPCH

Paging Control Channel
Primary CCPCH

PCH
PCPCH

Paging Control Channel
Physical Common Packet
Channel
Physical DSCH

Kênh điều khiển tìm gọi
Kênh vật lý điều khiển chung sơ
cấp
Kênh tìm gọi
Kênh gói chung vật lý

PDSCH
PDU
PG
PI
PICH
PLMN
PRACH
P-SCH
PSK
PU
QoS
QPSK
RACH
RAN
RANAP

RB

Packet Data Unit
Processing Gain
Page Indicator
Page Idication CHannel
Public Land Mobile
Network
Physical Random Access
Channel
Primary Synchronisation
Channel
Phase Shift Keying
Payload Unit
Quality Of Service
Quadrature/Quaternary
Phase Shift Keying
Random Access CHannel
Radio Access Network
Radio Access Network
Application Part
Radio Bearer

Hệ thông thông tin di động UMTS

Kênh dùng chung vật lý đường
xuống
Đơn vụ số liệu giao thức
Độ lợi xử lý
Chỉ thị tìm gọi
Kênh chỉ thi tìm gọi
Mạng di động công cộng mặt đất

Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý
Kênh đồng bộ thứ cấp
Khoá dịch pha
Đơn vị truyền tải
Chất lượng dịch vụ
Khố chuyển khoa vng góc.Khố
dịch pha cầu phương
Kênh truy nhập ngẫu nhiên
Hệ thống truy nhập vô tuyến
Phần ứng dụng mạng truy nhập vô
tuyến. Báo hiệu mạng truy nhập vô
tuyến tại Iu
Vật mạng vô tuyến


- 11 -

RF
RLC
RNC
RNS
RRC
RRM
RTCP
RTP
S-CCPCH
SCH
SDU
SDCCH
SF

SFN
SHO
SIP
SMS
SRNC
S-SCH
STTD
TCH
TB
TDD

Radio Frequency
Radio Link Control
Radio Network Controller
Radio Network Subsystem
Radio Resource Control
Radio Resource
Management
RTP Control Protocol
Real time Transport
Protocol
Secondary CCPCH
Synchronisation Channel
Service Data Unit
Standalone Dedicated
Control Channel
Spreading Factor
System Frame Number
Soft Handover
Session Initiation Protocol

Short Mesage Service
Serving Radio Network
Controller
Secondary SCH
Space Time Transmit
Diversity
Traffic Channel
Transport Block
Time Division Duplex

Hệ thông thông tin di động UMTS

Tần số vô tuyến
Điều khiển đoạn nối vô tuyến
Bộ điều khiển mạng vô tuyến
Hệ thống con mạng vô tuyến
Điều khiển tài nguyên vô tuyến
Quản lý tài nguyên vô tuyến
Giao thức điều khiển dịch vụ thời
gian thực
Giao thức truyền tải thời gian thực
Kênh điều khiển chung thứ cấp
Kênh đồng bộ
Khối số liệu dịch vụ
Kênh điều khiển riêng độc lập
Hệ số trải phổ
Số khung của hệ thống
Chuyển giao mềm
Giao thức khởi đầu phiên
Dịch vụ nhắn tin

Bộ điều khiển mạng vô tuyến
phục vụ
Kênh đồng bộ thứ cấp.
Phân tập phát thời gian không
gian
Kênh lưu lượng
Khối truyền tải
Ghép song công phân chia theo
thời gian


- 12 -

TDMA
TF
TFC
TFCI
TFI
TPC
TDPCH
TrCH
UE
UL
UMTS
USIM
UTRAN
WCDMA
WAP

Time Division Multiplex

Access
Transport Format
Transport Format
Combination
Transport Format
Combination Indicator
Transport Format Idicator
Transmit Power Control
Transmit Diversity Pilot
CHannel
Transport Channel
UMTS Equipment
UpLink
Universal Mobile
Telecommunication System
UMTS Subscriber Identity
Module
UMTS Radio Access
Network
Wideband Code Division
Multiplex Access
Wireless Application Protocol

Hệ thông thông tin di động UMTS

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
Khuôn dạng truyền tải
Tổ hợp khuôn dạng truyền tải
Chỉ thị tổ hợp khuôn dạng truyền

tải
Nhận dạng khuôn dạng truyền tải
Điều khiển công suất phát
Kênh hoa tiêu phân tập phát
Kênh truyền tải
Thiết bị đầu cuối cho UMTS
Đường lên
Hệ thống viễn thông di động
tồn cầu
Mơ đun nhận dạng th bao
UMTS
Mạng truy nhập vơ tuyến UMTS
Đa truy nhập vô tuyến phân
chia theo mã băng rộng
Giao thức ứng dụng không dây.


- 13 -

Lời nói đầu
Từ những năm đầu của thập kỷ 1990, kỹ thuật thơng tin di động đã có
những bước chuyển mình rõ rệt: từ kỹ thuật tương tự sang số, từ các dịch vụ
thoại đơn giản đến các dịch vụ đa phương tiện…. Có được như vậy là do những
phát triển vượt bậc của các công nghệ then chốt trong thông tin và nhu cầu ngày
càng tăng về truyn nhập Internet qua vô tuyến, với các yêu cầu chất lượng cao.
Để đáp ứng yêu cầu mới, chúng ta cần phát triển các hệ thống có dung
lượng truyền dẫn đạt tốc độ cao, từ vài kb/s cho thoại đến tốc đỗ cỡ Mb/s cho
các dịch vụ đa phương tiện, bao gồm truyền hình ảnh động, nhưng vẫn đảm bảo
tiết kiệm phổ tần số tối đa. Các hệ thống di động toàn cầu như GSM, CDMA ..
đã giúp cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu nhưng ở tốc độ thấp. Chính vì vậy Liên

minh Viễn thơng quốc tế ITU (International Telecommunication Union) đã đưa
ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thứ ba IMT-2000
(International Mobile Telephony 2000) năm 1992 nhằm đạt được các mục tiêu
chính sau:
• Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng thông rộng như
Internet và các dịch vụ đa phương tiện.
• Linh hoạt để đảm bảo có khả năng cung cấp các dịch vụ mới, mở
rộng khả năng thông tin của các hệ thống thơng tin di động.
• Tương thích với các hệ thống thơng tin di động hiện.
Và hệ thống UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) sẽ là
bước phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng
công nghệ TDMA như GSM, PDC… Để đáp ứng đuợc các yêu cầu trên, UMTS
có nhiều thay đổi so với mạng GSM nhưng đồng thời vẫn phải tương thích với

Hệ thơng thơng tin di động UMTS


- 14 -

hệ thống GSM đang hoạt động. Luận văn sẽ đề cập đến công nghệ dùng trong
mạng UMTS, thông qua đó đánh giá tình hình và đưa ra hướng phát triển cho
quá trình quá độ lên 3G của các mạng thông tin di động tại Việt Nam.
Luận văn bao gồm 4 chương chính:
• Chương một khái qt chung về hệ thống thơng tin di động 3G và
UMTS.
• Chương hai sẽ đề cập đến công nghệ dùng trong UMTS, các
nguyên lý cơ bản của nó như trải phổ, cấu trúc truy nhập vơ tuyến.
• Chương ba tập trung vào các thành phần mạng, giao thức truy nhập
mạng.
• Chương bốn sẽ nghiên cứu quá trình triển khai một mạng UMTS

và đưa ra một giải pháp cho quá trình tiến lên mạng 3G sử dụng
công nghệ UMTS cho mạng di động trong nước.
Tác giả cũng xin cám ơn sâu sắc tới thày giáo hướng dẫn của tôi PGS-TS
Nguyễn Đức Thuận đã hướng dẫn tơi và đóng góp những ý kiến q báu trong
suốt thời gian làm luận văn.
Bài luận văn không thể tránh khỏi các lỗi, tác giả xin tiếp thu các ý kiến
của các giảng viên và các bạn.

Hệ thông thông tin di động UMTS


- 15 -

Chương 1
Hệ thống thông tin di động
và xu thế phát triển

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Thông tin di động như chúng ta thấy ngày nay chỉ thực sự bắt đầu vào
cuối những năm 70 của thế kỷ trước bằng việc triển khai một hệ thống thử
nghiệm ở Chicago (Mỹ) năm 1978. Hệ thống dùng công nghệ AMPS
(Advanced Mobile Phone Service), hoạt động ở băng tần 800 Mhz. Anh quốc
cũng giới thiệu một công nghệ khác vào năm 1985, công nghệ này là TACS
(Total Access Communications System), hoạt động ở băng tần 900MHz, về cơ
bản, nó chính là một phiên bản được sửa đổi từ AMPS. Hệ thống của Châu Âu
dùng công nghệ NMT (Nordic Mobile Telephony - Điện thoại di động Bắc Âu),
hoạt động ở băng tần 450 Mhz. Sau đó một phiên bản của NMT được phát triển
và hoạt động ở băng tần 900 Mhz gọi là NMT900. Đó là các hệ thống thơng tin
di động thế hệ thứ nhất với tính năng cơ bản là thoại. Đặc điểm chính của các
hệ thống này đều sử dụng kỹ thuật tương tự. Với thế hệ thứ nhất, thị trường

thông tin di động đã phát triển tới gần 20 triệu thuê bao năm 1990.
Thông tin di dộng nhanh chóng trở thành một phần quan trọng trong đời
sống. Và thế hệ thứ hai đã ra đời bởi yêu cầu tăng chất lượng truyền sóng, khả
năng của hệ thống cùng với đòi hỏi mở rộng vùng phát sóng. Khơng chỉ thoại vơ
tuyến mà giờ đây nhu cầu truyền dữ liệu như fax, tin nhắn và dữ liệu cũng đã
tăng. Thế hệ thứ hai bao gồm GSM, AMPS số (D-AMPS), CMDA (Code
Division Multiple Access), PDC (Personal Digital Communication). Hai công
Hệ thông thông tin di động UMTS


- 16 -

nghệ thành công nhất của thế hệ này là IS-95 CDMA và GSM (Global System
for Mobile Communication). Mỗi công nghệ lại đi theo những hướng rất khác
nhau.
Mạng di động GSM là một ví dụ điển hình. Nó đã phát triển nhanh chóng
ở Châu Âu và Châu Á. GSM đã đạt tới 250 triệu thuê bao năm 1992 với 140
nước và 400 mạng. GSM là tiêu chuẩn thông tin di động được ETSI xây dựng từ
những năm 1990. Đây là tiêu chuẩn được ứng dụng nhiều nhất trong các mạng di
động hiện nay. Đặc trưng của công nghệ GSM là dùng kỹ thuật đa truy nhập
phân phân chia theo thời gian. Mỗi sóng mang được chia làm 8 khe thời gian,
mỗi thuê bao di động trong ô được cấp một khe thời gian để liên lạc. Theo chuẩn
GSM, độ rộng băng tần của một sóng mang là 200 KHz. Mỗi trạm thu phátBTS
(Base Transceiver Station) có thể có một hay nhiều sóng mang. Dải tần của GSM
được phân bổ ở các tần số 800MHz, 900 MHz, 1800MHz, 1900MHz.
Một số ưu thế mà thế hệ hai cộng GSM đạt được:
-

-

-

Các dịch vụ mang mới và cải thiện các dịch vụ liên quan
đến truyền số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số
liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD: High Speed
Circuit Swiched Data), dịch vụ vơ tuyến gói đa năng
(GPRS: General Packet Radio Service) và số liệu
14.4Kbps.
Các công việc liên quan đến dịch vụ thoại như: Codec
tiếng toàn tốc cải tiến (EFC: Enhanced Full Rate Codec),
Codec đa tốc độ thích ứng và khai thác tự do đầu cuối các
Codec tiếng.
Các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị
tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi
mới.

Hệ thông thông tin di động UMTS


- 17 -

-

-

-

Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn (SMS: Short
Massage Service) như: móc nối các SMS, mở rộng bảng
chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS.

Các cơng việc liên quan tới tính cước như: các dịch vụ trả
tiền trước, tính cước nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia
đình.
Tăng cường cơng nghệ SIM

Bên cạnh đó, hệ thống CDMA cũng đạt được những thành cơng to lớn và
đặc biệt là cơng nghệ mà nó dùng để truyền tải vô tuyên thông tin người dùng.
CDMA là kỹ thuật cho phép nhiều người sử dụng cùng lúc chia sẻ chung một
tần số. Rõ ràng là nếu nhiều người sử dụng một tần số vào cùng một thời điểm,
họ sẽ gây nhiễu lẫn nhau. Vấn đề là làm sao để tách được tín hiệu của một
người sử dụng ra khỏi các tín hiệu khác trên cùng một tần số. Điều này có thể
thực hiện nếu tín hiệu của mỗi người sử dụng được điều chế với một chuỗi mã
duy nhất có tốc độ bít cao hơn rất nhiều tốc độ của thông tin được gửi. Ở đầu
thu, thông tin về chuỗi mã dùng để điều chế tín hiệu thông tin tương ứng cho
phép thông tin cần thu được giải mã thành công. Đây là một kỹ thuật tiên tiến
và có nhiều ưu điểm mà đặc biệt là tính bảo mật của chúng.
Hiện nay, hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động của Việt
Nam như VinaPhone, MobilePhone, Viettel đều sử dụng công nghệ GSM.
Tuy nhiên cùng với sụ phát triển của công nghệ thông tin, và địi hỏi của
người dùng, các hệ thốn thơng tin di động thứ hai đều gặp giới hạn. Liên minh
Viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) đã đưa ra đề
án tiêu chuẩn hóa hệ thống thơng tin di động thứ ba IMT-2000. Các yêu cầu
được đặt ra cho hệ thống thong tin di động thứ ba là:
• Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng thông rộng như
Internet và các dịch vụ đa phương tiện.

Hệ thông thông tin di động UMTS


- 18 -

• Linh hoạt để đảm bảo có khả năng cung cấp các dịch vụ mới, mở
rộng lhả năng thơng tin của các hệ thống thơng tin di động.
• Tương thích với các hệ thống thơng tin di động hiện có để đảm bảo
sự phát triển lien tục của thong tin di động.
Thông tin di độngthế hệ ba sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các
dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện. Hộp thư thoại sẽ được
thay thế bằng bưu thiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại
thơng thường trước đây sẽ được bổ xung các hình ảnh để trở thành thoại có
hình. Nó sẽ địi hỏi có băng thơng dữ liệu lớn hơn, chất lượng cuộc gọi tốt hơn,
các dịch vụ đa phương tiện nhiều hơn và có khả năng phục vụ nhiều thuê bao
hơn.
Các yêu cầu đặt ra là tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng
thông rộng như Internet và các dịch vụ đa phương tiện, linh hoạt để đảm bảo có
khả năng cung cấp các dịch vụ mới, mở rộng khả năng thông tin của các hệ
thống thông tin di động và tương thích với các hệ thống thơng tin di động hiện.
cdma2000
Hệ thống 2G IS-95/ cdmaOne

ARIB /
DOMOCO

UMTS

UWC-136

PDC

GSM

IS-136

Giao diện vô
tuyến 3G

cdma2000

W-CDMA

UTRA (WCDMA/
TD-CDMA)

IS-136+/ 136HS/ 136+HS

Giao diện
mạng 3G

ANSI-41 nâng
cấp

MAP GSM
nâng cấp

MAP GSM nâng
cấp

ANSI-41 nâng
cấp

Các cơ quan

tiêu chuẩn

TIA TR-45
(được CDG hỗ
trợ)

ETSI

TIA TR-45
(được UWCC
hỗ trợ)

ARIB

Bảng 1.1 Các đề xuất IMT-2000.

Hệ thông thông tin di động UMTS


- 19 -

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thê hệ thứ ba đã đựoc đề
xuất nhưng hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận.
WCDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thong tin di động thế hệ
thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như GSM, PDC, … CDMA2000 là sự phát
triển tiếp theo của hệ thống thong tin di động thế hệ thứ hai sử dung công nghê
CDMA như IS-95.
1.2 Hệ thống thông tin di động GSM
Hệ thống GSM được chia làm hai phần chính: Hệ thống chuyển mạch
(SS) và hệ thống trạm gốc (BSS). Mỗi phần này lại được chia thành các khối

chức năng, mỗi khối chức năng thực hiện một hoặc một tập các chức năng
riêng. Phần BSS bao gồm BTS, BSC và TRAU. Phần SS bao gồm các khối
chức năng cịn lại.

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của GSM
SS: (Switching System)
AUC: (Authentication Center)
VLR: (Visitor Location Register) HLR:
(Home Location Reginster)
EIR: (Equipment Identity Register)
Hệ thông thông tin di động UMTS

Hệ thống chuyển mạch
Trung tâm nhận thực
Bộ ghi định vị tạm trú
Bộ ghi định vị thường trú
Bộ nhận dạng thiết bị


- 20 -

MSC: (Mobile Switching Center)
BSS: (Base Station System)
BTS: (Base Transceiver Station)
BSC: (Base Station Controller)
MS: (Mobile Station) Máy di động
OSS: (Operation and Support System)
ISDN: (Intergrated Services Digital
Network)
PSPDN: (Packet Switching Public Digital

Network)
CSPDN: (Circuit Switching Public Digital
Network)
PSTN: (Public Switching Telephone
Network)
PLMN: ( Public Land Mobile Network)

Trung tâm chuyển
Hệ thống trạm gốc
Trạm thu phát gốc
Bộ điểu khiển trạm gốc
Máy di động
Hệ thống khai thác và hỗ trợ
Mạng số tổ hợp đa dịch vụ
Mạng chuyển mạch gói cơng cộng
Mạng chuyển mạch kênh cộng cộng
Mạng chuyển mạch thoại công cộng
Mạng di động mặt đất công cộng

Cũng như các hệ thống thông tin di động khác, phần tử ngun tố của hệ
thống là ơ, hay cịn gọi là tế bào (cell), mỗi cell do một trạm thu phát gốc (BTS)
điểu khiển. BTS làm việc ở một hoặc một nhóm các kênh vơ tuyến. Các kênh
này khác với các kênh lân cận để tránh giao thoa. Nhiệm vụ của BTS là thu phát
tín hiệu từ/tới MS, quản lý tìm gọi và các u cầu về cấp kênh vơ tuyến cho
MS. MS có thể di chuyển giữa các cell và nó đwược chuyển giao để tránh làm
gián đoạn cuộc gọi.
Bộ điểu khiển trạm gốc (BSC) quản lý một số BTS. BSC điểu khiển các
chức năng như chuyển giao và điều khiển cơng suất, quản lý tìm gọi và cấp
kênh vô tuyến cho MS.
Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC) điều khiển một số

các BSC. MSC điểu khiển các cuộc gọi từ/tới máy di động (MS). Các MSC có
chức năng cổng (Gateway MSC) được kết nối với các mạng ISDN, PSTN.. để
có thể đảm bảo liên lạc giữa mạng di động và các mạng bên ngoài khác.

Hệ thông thông tin di động UMTS


- 21 -

Do đặc điểm của MS là luôn di chuyển, cần phải có một bộ phận ln
cập nhật vị trí của MS để khi các máy khác tìm gọi, hệ thống có thể tìm được vị
trí của MS để thiết lập kênh liên lạc. Cơ sở dữ liệu về MS được lưu trữ trong bộ
định vị thường trú (HLR). Khi một cá nhân đăng ký thuê bao di động, dữ liệu
của thuê bao sẽ được lưu giữ trong HLR. Các dữ liệu này bao gồm các thông tin
về dịch vụ của thuê bao, các thông số nhận thực, vị trí của MS. Khi MS di
chuyển, nó sẽ gửi các thơng tin vị trí của mình tới cơ sở dữ liệu gốc của nó đặt
trong HLR. Khi thuê bao ở nơi khác muốn gọi đến MS, hệ thống di động sẽ gửi
u cầu tìm vị trí của MS tới HLR để xác định xem MS hiện đang ở vùng phục
vụ nào trong mạng di động, từ đó hệ thống di động sẽ điều khiển việc kết nối
giữa thuê bao gọi với MS.
HLR nối với trung tâm nhận thực (AUC). Chức năng của AUC là cung
cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho việc
bảo mật.
MSC được nối tới bộ ghi định vị tạm trú (VLR). VLR là một cơ sở dữ
liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang nằm trong vùng phục vụ của
MSC. Khi MS đi vào vùng phục vụ của một MSC mới, VLR của MSC này sẽ
gửi yêu cầu về các thông số của MS tới HLR. HLR khi đó sẽ thơng báo cho
VLR các thơng số của MS. Đồng thời HLR cũng được VLR thông báo vị trí
hiện thời của MS (MS đang ở vùng phục vụ của MSC nào). Nếu sau đó MS
muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông số cần thiết để thiết

lập cuộc gọi mà không cần phải thơng qua HLR. Như vậy, có thể coi VLR như
một HLR tạm thời của MS. Do dung lượng trao đổi thông tin giữa MSC và
VLR rất lớn nên hai khối này thường được đặt ở cùng một vị trí hoặc được tích
hợp lại thành một thiết bị.
Mỗi MS có một SIM (Subscriber Identity Module), SIM cùng với thiết bị
trạm ME (Mobile Equipment) hợp thành máy di động MS. Hệ thống đăng ký
với MS chính là đăng ký với SIM, tức là một thuê bao đăng ký các thông số với

Hệ thông thông tin di động UMTS


- 22 -

mạng thông qua SIM chứ không phải thông qua ME. Do đó, thuê bao có thể
dùng SIM của mình nối với một ME khác để gọi. Tuy nhiên, để tránh trường
hợp mất cắp máy di động, hệ thống di động sử dụng bộ nhận dạng thiết bị EIR
để quản lý ME. Mỗi ME có một số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI.
Thông số này được đăng ký và kiểm sốt qua EIR. Bằng cách đó, EIR có thể
cấm một thiết bị có thơng số khơng được khai báo liên lạc với hệ thống. Bộ
nhận dạng thiết bị (EIR) được nối với MSC qua một đường báo hiệu.
Nếu có một thuê bao cố định thuộc mạng PSTN muốn liên lạc với một
thuê bao di động. Mạng PSTN sẽ hướng cuộc gọi này tới một MSC có chức
năng cổng (GMSC). GMSC sẽ tìm ra vị trí của MS cần liên lạc bằng cách hỏi
HLR nơi MS đăng ký. HLR sẽ trả lời về địa chỉ vùng MSC/VLR nơi MS đang
hoạt động. GMSC sau đó có đủ thơng tin để định tuyến cuộc gọi đến vùng MSC
hiện đang quản lý MS. MSC này sẽ hỏi VLR của nó về vị trí vùng định vị cụ
thể của MS. Sau đó MSC ra lệnh cho BSC ở vùng định vị của MS phát thơng
báo tìm gọi MS.
1.3 Hệ thống thơng tin di động 3G phát triển từ GSM
Quá trình ra đời của GSM được tiến hành theo tương bước (Phase).

Phase1 của GSM – GSM900 đã được ETSI hoàn thiện năm 1990, nó bao gồm
đầy đủ các tính năng cho một hệ thống thông tin di động thế hệ hai. Tất cả các
dịch vụ viễn thông như thoại, tin nhắn, truyền dữ liệu (9,6 kbps) đều là những
dịch vụ rất căn bản. Đến năm 1996, ETSI triển khai Phase 2 và có một số kỹ
thuật tương thích với thế hệ thứ ba.
Phase 2 đã bước đầu đưa vào những thuộc tính cơ bản của 3G như mạng
thông minh IN (Intelligent network), các dịch vụ với ứng dụng mới theo yêu
cầu (CAMEL), bộ mã hóa tiếng nói cải tiến (CODEC), kỹ thuật mã hóa tồn tốc
cải tiến EFR (Enhanced Full Rate), kỹ thuật mã hóa đa tốc tương thích AMR
(Adaptive multirate), các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao như HSCSD, GPRS,
EDGE.
Hệ thông thông tin di động UMTS


- 23 -

Và tại IMT-2000, chuẩn UMTS đã được coi là người kế thừa của GSM
và tương thích hồn tồn với GSM.
Theo IMT-2000, kỹ thuật WCDMA sẽ được ứng dụng vào UMTS.
UMTS cho phép triển khai nhiều ứng dụng hơn trên nền bản của GSM hiện tại
với một sự nâng cấp nhất định. Nó cũng có thể đáp ứng được nhu cầu ngày
càng tăng của các ứng dụng Internet cho các th bao. Theo đó, băng thơng lên
tới 2M cho mỗi thuê bao và có thể giúp thuê bao thực hiện cuộc gọi và các dịch
vụ trên tồn cầu.

Hình 1.2 Con đường phát triển từ GSM lên UMTS
UMTS sẽ có giao diện vô tuyến mới, được gọi là UTRA (UMTS
terrestrial radio access), và kỹ thuật W-CDMA sẽ được sử dụng. Bên cạnh đó,
UTRA cũng hỗ trợ cả kỹ thuật đa truy nhật phân chia theo thời gian và tần số.

Hệ thông thông tin di động UMTS