Nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) W-CDMA và khả năng ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai

t) có độ rộng băng thông truyền dẫn tối thiểu là R/n, với R là tốc độ bit của dữ liệu m(t), n là số bit thông tin trong một ký hiệu: Sm (t) được trải phổ bởi mã trải phổ c(t) như hình 2.6, cho ra tín hiệu phát là: S(t) = Sm (t).c(t) = cos[)(2 tcP ω0t + θm(t)] (2.5) Máy thu sẽ nhận được tín hiệu này sau một thời gian trễ truyền dẫn Td cùng với can nhiễu và tạp âm; và giải trải phổ qua việc nhân tín hiệu thu r(t) với mã trải phổ c(t-T’d), trong đó T’d là thời gian trễ truyền dẫn do máy thu đánh giá. Tín hiệu sau trải phổ sẽ là: x(t) = cos[)'()(2 dd TtcTtcP −− ω0t + θm(t–T’d) + φ ] (2.6) trong đó φ là pha ngẫu nhiên gây nên bởi tạp âm và nhiễu Khi máy thu đồng bộ với máy phát hay Td = T’d và c(t) là các bit nhị phân ±1, thì c(t - Td)c(t – T’d) = 1; biểu thức (2.6) trở thành: x(t) = cos[2P ω0t + θm(t–T’d) + φ ] (2.7) 42 Do đó tại đầu ra bộ giải trải phổ, tín hiệu Sm (t) được phục hồi sai khác tín hiệu phát một góc pha ngẫu nhiên φ và sau khi Sm (t) được giải điều chế PSK kết hợp thông thường sẽ cho dữ liệu m(t) ban đầu. Trong trường hợp điều chế sóng mang BPSK với m(t) là tín hiệu nhị phân ±1 thì θm(t) sẽ nhận các giá trị 0 và π nên Sm (t) và St (t) sẽ trở thành: Sm (t) = ttmP 0cos)(2 ω (2.8) S(t) = ttctmP 0cos)()(2 ω (2.9) Lúc này chỉ cần sử dụng bộ điều chế pha số còn dữ liệu sẽ được cộng modun 2 với mã trải phổ trước khi đưa vào bộ điều chế pha. Khi này sơ đồ của trải phổ DS-BPSK có dạng như hình 2.8 P2 0ω P2 0ω Hình 2.8: Sơ đồ khối của DS-BPSK Hình 2.9 minh họa các dạng sóng tín hiệu trong trường hợp điều chế BPSK được sử dụng cho cả điều chế dữ liệu và điều chế trải phổ. Với hình a, b, c, d, là các dạng sóng dữ liệu, mã trải phổ, Sm (t) và St (t); hình 2.9e và 2.9f minh họa trường hợp thời gian trễ truyền dẫn Td = 0 nhưng mã trải phổ thu (hình 2.9e) không đồng pha với mã trải phổ phát nên sau giải trải phổ (hình 2.9f) không phục hồi được tín hiệu; hình 2.9g minh họa trường hợp thời gian 43 truyền dẫn Td = 0 và mã trải phổ thu đồng bộ với mã trải phổ phát nên tín hiệu sau trải phổ (hình 2.9g) phục hồi được là Sm (t). Hình 2.9: Các dạng sóng trong trải phổ DS-QPSK 2.2.4.2 Trải phổ DS-QPSK Để tận dụng hiệu quả băng tần truyền dẫn, các kỹ thuật điều chế nhiều mức được sử dụng. Sơ đồ khối mạch trải phổ DS sử dụng điều chế QPSK cân bằng như hình 2.10 Tại máy phát, sóng mang được điều chế pha bởi dữ liệu m(t): Sm (t) = cos[2P ω0t + θm(t)] (2.10) 44 Điều chế pha Hybird cầu phương Bộ chia công suất Lọc thông dải Giải điều chế pha m(t) )(tSm )(1 tc )(2 tc )(1 tS )](cos[ 0 ttP mθω + )](sin[2 0 ttP mθω + tP 0cos2 ω Dao động )'(2 dTtc − )'(1 dTtc − ])sin[(2 0 φωω ++ tIF ])cos[(2 0 φωω ++ tIF )'()( dTtstr −= r(t)r’(t) x(t) y(t) m(t) (a) (b) Hình 2.10: Sơ đồ khối trải phổ DS sử dụng QPSK (a) phần phát ; (b) phần thu Công suất đầu ra sau mạch Hybird sẽ bằng nửa công suất vào Sm (t) và tín hiệu phát S1 (t) sẽ là: St (t) = )](sin[)()](cos[)( 0201 tttcPtttcP mm θωθω +++ (2.11) Trong đó c1(t) và c2(t) là các mã trải phổ có giá trị ±1. Với thời gian trễ truyền dẫn là Td thì tín hiệu thu r(t) sẽ là: r(t) = )](sin[)()](cos[)( 0201 ttTtcPttTtcP mdmd θωθω +−++− (2.12) 45 Tín hiệu r(t) sẽ được giải trải phổ qua bộ điều chế QPSK với các thành phần x(t) và y(t) là: ( ) 12cPtx = ( ) ( ) ( )[ ]ttTtcTt mIdd θω −−− F'1 cos + ( ) ( ) ( )[ ]ttTtcTtcp mIdd θω −−− F"22 sin2 (2.13) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]ttTtcTtcPty mdd θω −−−−= IF'11 sin2/ + ( ) ( ) ( )[ ]ttTtcTtcP mdd θω −−− IF'21 cos2/ Khi trải phổ máy thu đồng bộ với máy phát hay thời gian trễ truyền dẫn do máy thu đánh giá ( ) ( ) ( ) ( ) 1'22'11 =−−=−− dddd TtcTtcTtcTtc (2.14) Thì tín hiệu ra sẽ là: ( ) ( ) ( ) ( )[ ]ttPtytxtz mI θω −=+= Fcos2 (2.15) Do đó tại đầu ra bộ giải trải phổ, tín hiệu )(tSm được phục hồi và sau khi )(tSm được giải điều chế PSK kết hợp sẽ cho dữ liệu m(t) ban đầu. 2.2.5 Đồng bộ trong trải phổ DS Sự đồng bộ của chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy thu và chuỗi giả ngẫu nhiên ở máy phát là yếu tố cơ bản để nhận đúng tín hiệu. Nó cho phép máy thu nhận ra thông tin hữu ích m(t). Hiệu quả của một hệ thống trải phổ tuỳ thuộc vào khả năng máy thu tạo ra một tín hiệu PN (hoặc chuỗi) như là một bản sao của tín hiệu PN thu được và đồng bộ nó với tín hiệu PN thu được. Máy thu đã biết tín hiệu PN được dùng, song nó không biết pha của tín hiệu khi tới máy thu. Đồng bộ PN thông thường cần có hai bước. Bước thứ nhất được gọi là bám, là bước điều chỉnh thô độ lệch pha của tín hiệu PN tới với tín hiệu PN nội vào trong một khoảng nào đó, cỡ một chíp hay nhỏ hơn. Bước thứ hai được gọi là dò tìm, thực hiện việc điều chỉnh tinh để làm cho sai lệch của hai pha tiến tới không. Nguyên lý thu mã DS-CDMA được trình bày trên hình 2.10 46 Giả sử tín hiệu thu nhận được là: ( ) ( ) ( )mttcPtS θω += 01 cos2 (2.16) Trước quá trình bám các chuỗi mã trải phổ ở đầu thu lệch pha so với ở đầu phát một giá trị δ nào đó, nên tín hiệu đầu ra bộ nhân có dạng: ( ) ( ) ( )δ+= tctStS 12 (2.17) Hình 2.11: Nguyên lý thu mã trong DS-CDMA Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông dải (BPF) có tần số trung tần cω , dải thông đủ rộng tương ứng với phổ m(t) nhưng đủ hẹp so với phổ của c(t). Tín hiệu sau bộ lọc dải thông đưa đến bộ tách sóng đường bao để phát hiện giá trị đỉnh của tín hiệu này. Nếu biên độ sóng mang điều chế bởi m(t) không đổi thì tín hiệu đầu ra bộ tách sóng đường bao có giá trị của hàm tự tương quan như sau: ( ) ( ) ( ) ( )δδ cRtctctS =+=4 (2.18) )(δcR nhận giá trị cực đại tại δ =0. Biên độ điện áp ra của bộ tách sóng đường bao phụ thuộc vào δ . Nếu giá trị điện áp ra nhỏ hơn ngưỡng thì δ được gia tăng trong thời gian chip T c . Quá trình được lặp lại cho đến khi biên 47 độ điện áp ra vượt quá ngưỡng (tương ứng với δ ≈0), thì nó sẽ chuyển sang quá trình dò tìm. Sơ đồ mô tả quá trình dò tìm như sau: ( )2/cc TR +δ ( )2/cc TR −δ Hình 2.12: Nguyên lý dò tìm trễ trong DS-CDMA Sau quá trình bám thì chuỗi mã PN có được do bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên trong nhánh “sớm” là ( )2/cTtc + , còn trong nhánh “trễ” là ( )2/cTtc − . Hai tín hiệu ở đầu ra bộ tách sóng đường bao sẽ trừ cho nhau tạo tín hiệu ( )δe : ( ) ( ) ( )2/2/ cccc TRTRe +−+= δδδ (2.19) Tín hiệu này sau khi qua bộ lọc vòng sẽ điều khiển quá trình tạo chuỗi c(t). Dấu của e(δ ) chỉ thị hướng điều chỉnh của việc tạo mã. 2.2.6 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ 2.2.6.1 Giảm nhiễu Kể từ khi ra đời, các hệ thống thông tin trải phổ đã và đang ngày càng phát triển. Các hệ thống này đã chứng tỏ được tính ưu việt của kỹ thuật trải phổ, đó là khả năng chống nhiễu cao. 48 Nếu chỉ xét đối với tạp âm trắng chuẩn cộng tính AWGN thì trải phổ không có ưu điểm làm giảm tạp âm AWGN. Song điều này không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hệ thống bởi vì tạp âm AWGN phân bố đồng đều và rộng vô hạn trên cả dải tần với mức công suất tín hiệu nhiễu khá nhỏ. Tuy nhiên đối với nhiễu cố ý thì trải phổ có hiệu quả tương đối cao. Điều này đã thoả mãn được yêu cầu cần đạt được ban đầu khi đề xuất ra ý tưởng trải phố tín hiệu. Để hiểu rõ được hệ thống thông tin trải phổ có khả năng chống nhiễu cố ý như thế nào, trước tiên ta cần hiểu rõ các phương thức gây nhiễu của đối phương ra sao. Việc gây nhiễu này được thực hiện bằng hai cách đó là: a) Gây nhiễu toàn bộ băng tần tín hiệu của hệ thống. Khi thực hiện phương pháp này thì mỗi toạ độ tín hiệu chỉ bị gây nhiễu với một mức năng lượng đồng đều và công suất tín hiệu nhiễu không cao. b) Gây nhiễu một số toạ độ tín hiệu hoặc là gây nhiễu toàn bộ dải tần tín hiệu nhưng công suất nhiễu ở các toạ độ khác nhau. Khi đó công suất tín hiệu nhiễu tại một toạ độ có thể đạt được khá lớn. Nhìn chung cả hai phương pháp trên đều khá hiệu quả đối với các hệ thống thông tin thông thường. Đối với hệ thống thông tin trải phổ, do phổ của tín hiệu được trải ra rất rộng cho nên việc gây nhiễu theo phương pháp thứ nhất thì năng lượng tại mỗi toạ độ tín hiệu rất nhỏ, khó có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Một điều khác biệt nhất của hệ thống trải phổ với hệ thống thông tin thông thường là: với cách gây nhiễu chọn lọc theo toạ độ tín hiệu thì tại máy thu chỉ có tín hiệu trải phổ mới tương quan với mã trải phổ và được khôi phục lại còn các tín hiệu nhiễu tuy có mức công suất khá lớn nhưng khi đó sẽ biến thành dạng tương tự như tạp âm AWGN và công suất khá nhỏ. Như vậy ta thấy rằng bằng việc trải phỏ tín hiệu thì tác động của nhiễu cố ý bị giảm đi đáng kể. 49 2.2.6.2 Giảm mật độ năng lượng Việc bảo đảm tính bảo mật của hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố phải kể đến đó là mật độ năng lượng của tín hiệu. Để tăng tính bảo mật của hệ thống, khả năng chống bị phát hiện và thu trộm, thì công suất tín hiệu phát đi phải rất thấp. Thế nhưng mật độ năng lượng của tín hiệu thấp thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm bE / 0N thấp theo, điều này đồng nghĩa với việc chất lượng của hệ thống giảm. Để giải quyết vấn đề trên, hệ thống thông tin trải phổ ra đời. Trong hệ thống trải phổ, phổ của tín hiệu được trải ra trên một băng tần rất rộng. Do đó mật độ năng lượng của tín hiệu khá thấp có thể thấp hơn tạp âm AWGN và như vậy tín hiệu bị chìm trong tạp âm nên khó có thể phát hiện được. Tuy nhiên phổ của tín hiệu lại được khôi phục nhờ việc giải trải phổ bằng mã trải phổ, do đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm bE / 0N vẫn được đảm bảo. 2.2.6.3 Đa truy nhập theo mã Khi hình thành ý tưởng trải phổ tín hiệu, người ta chỉ mong muốn với mục đích chống nhiễu và bảo mật cho hệ thống thông tin. Tuy nhiên sau này người ta còn phát hiện ra một tác dụng to lớn của trải phổ là khả năng đa truy nhập của hệ thống. Đây là một ưu điểm thực sự hấp dẫn không chỉ cho thông tin quân sự mà đặc biệt là sử dụng trong thông tin thương mại. Trước đây với một băng tần nhất định, thì ta chỉ có thể đáp ứng cho một số hạn chế người sử dụng. Còn đối với kỹ thuật trải phổ, về mặt lý thuyết ta có thể đáp ứng cho một số lượng người sử dụng rất lớn bằng cách phân phối cho mỗi đối tượng một mã trải phổ riêng biệt. 2.3 Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động IMT-2000 (3G) Trước các yêu cầu về dịch vụ mới, nhất là các dịch vụ truyền số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đưa ra các hệ thống thông tin di động mới. Trong bối cảnh đó Liên minh Viễn thông Quốc tế - ITU đã đưa ra đề án tiêu 50 chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) với tên gọi IMT- 2000. Trong đó có hai hệ thống W-CDMA và cdma-2000 được đưa vào hoạt động trong những năm đầu thập kỷ. Cũng như các hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật CDMA khác, nét quan trọng nhất trong hệ thống này là điều khiển công suất nhanh, nghiêm ngặt và nó cũng nó các phương pháp điều khiển sau đây: Điều khiển công suất vòng hở. Điều khiển công suất vòng kín (gồm điều khiển công suất vòng trong và điều khiển công suất vòng ngoài). Điều khiển công suất vòng hở thực hiện đánh giá gần đúng công suất đường xuống của tín hiệu kênh Pilot dựa trên tổn hao truyền sóng của tín hiệu này. Hệ thống sử dụng kỹ thuật W-CDMA thì phương pháp này chỉ được sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy nhập mạng lần đầu. Thủ tục điều khiển công suất trong lớp vật lý a) Thủ tục điểu khiển công suất nhanh vòng kín Thủ tục điều khiển cống suất nhanh vòng kín được ký hiệu trên các tiêu chuẩn của hệ thống mạng truy cập vô tuyến cho hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UTRAN: Universal Mobile Telecommunication System Terrestrial Radio Ascces Network) là điều khiển công suất vòng trong. Đây là một thủ tục rất quan trọng trong hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật CDMA để khắc phục hiệu ứng gần-xa ở đường lên. Thao tác điều khiển công suất nhanh hoạt động trên nguyên tắc một lệnh trên một khe, dẫn đến tốc độ lệnh là 1500Hz. Nấc điều chỉnh công suất là 1dB, ngoài ra nhiều nấc như vậy có thể được sử dụng và kích cỡ nhỏ hơn cũng được mô phỏng. Kích thước nhỏ hơn mô phỏng bằng cách nấc 1dB được sử dụng 2 khe một lần để mô phỏng kích cỡ 0,5dB. Kích cỡ thực sự nhỏ hơn 0,5dB rất khó thực hiện với một độ phức tạp cho phép, vì khó đảm bảo được độ chính xác trên một dải rộng lớn. 51 Tiêu chuẩn qui định độ chính xác cho nấc điều chỉnh công suất 1dB là ±0,5dB. Kích cỡ nấc “thực sự” khác được quy định là 2dB. Thao tác điều khiển công suất nhanh có hai trường hợp: khai thác với chuyển giao mềm và với chế độ nén kết hợp với đo chuyển giao. Chuyển giao mềm liên quan đến vấn đề nhiều trạm BS phát lệnh điều khiển duy trì kết nối đến một đầu cuối, trong khi đó với chế độ nén định kỳ các giai đoạn trong dòng lệnh được cung cấp cho đầu cuối. Trong chuyển giao mềm vấn đề chính với đầu cuối là phản ứng với nhiều lệnh điểu khiển công suất từ nhiều nguồn. Điều này được giải quyết bằng qui định khai thác sao cho đầu cuối không chỉ kết hợp các lệnh mà còn xét đến cả tính tin cậy của từng quyết định lệnh để quyết định tăng hay giảm công suất. Trường hợp chế độ nén, điều khiển công suất sử dụng kích cỡ bước dài hơn cho chu kỳ ngắn sau khâu nén. Điều này cho phép nhanh chóng hiệu chỉnh giá trị sau gián đoạn trong dòng lệnh nhanh hơn. Sự cần thiết của phương pháp này phụ thuộc chủ yếu vào môi trường và không liên quan đến thiết bị của người sử dụng UE (User Equipment) tốc độ thấp hay độ dài khoảng gián đoạn truyền dẫn ngắn. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR đích cho điều khiển công suất vòng kín được thiết lập bởi điều khiển công suất vòng ngoài. Ở phía UE qui định việc thực hiện điều khiển công suất UE. Ở phía mạng có thể tự do hơn trong việc quyết định BS hành động thế nào khi thu được lệnh điều khiển công suất, cơ sở để BS thông báo cho đầu cuối tăng hay giảm công suất. b) Thủ tục điều khiển công suất vòng hở Máy thu MS đo cường độ tín hiệu BS theo nguyên tắc nếu cường độ tín hiệu thu càng mạnh thì công suất phát của MS càng yếu. 52 Phương pháp này có độ chính xác không cao vì chúng ta đo cường độ tín hiệu ở tần số đường xuống nhưng lại điều khiển công suất phát ở tần số đường lên. Tuy không chính xác nhưng vẫn được sử dụng ở giai đoạn đầu khi chưa có kênh lưu lượng, chưa có bit điều khiển công suất. Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất vòng kín đường lên 53 Kết luận chương 2 Nội dung của chương 2 đề cập những vấn đề sau: • Tìm hiểu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) W-CDMA, về mục tiêu xây dựng hệ thống, băng tần sử dụng, chuẩn hoá hệ thống IMT-2000. Cấu trúc và các đặc tính cơ bản của hệ thống W-CDMA. • Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) sử dụng trong W-CDMA và các ưu nhược điểm của nó. Đây là kỹ thuật cơ bản để tăng dung lượng và mở rộng hệ thống. • Điều khiển công suất trong W-CDMA, đây cũng là một yêu cầu quan trọng hàng đầu trong công nghệ W-CDMA Qua việc tìm hiểu và thu thập các tài liệu kỹ thuật có liên quan, chương này đã nêu lên một cách khái quát về tổng thể cấu trúc mạng thông tin di động 3G, các vấn đề kỹ thuật và công nghệ được sử dụng trong W-CDMA. Trên cơ sở lý thuyết tìm hiểu ở chương 1 và 2, chương 3 của đồ án sẽ tìm hiểu về thực tế quá trình tiến lên 3G ở Viêt Nam trong tương lai, nhất là đối với mạng GSM tiến lên mạng W-CDMA. 54 CHƯƠNG 3: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA (3G) W-CDMA TỪ MẠNG GSM Ở VIỆT NAM TRONG TƯƠNG LAI Hiện nay, phần lớn các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ số thiết kế tối ưu cho dịch vụ thoại (2G), được phân loại theo kỹ thuật đa truy nhập với 2 loại chính là TDMA (các hệ thống GSM, TDMA, PDC) và CDMA (hệ thống IS-95 A/B). Tuy nhiên trong các công nghệ trên, GSM là phổ biến nhất với khoảng 80% số lượng thuê bao, triển khai rộng rãi trên thế giới. Tại Việt Nam các nhà khai thác GSM như Vinaphone, Mobiphone và Viettel đang tiến tới công nghệ 3G. Nên việc cải tiến hệ thống 2G và phát triển lên các công nghệ thế hệ mới xuất phát từ nhu cầu ngày càng gia tăng về sử dụng các dịch vụ thông tin số liệu cá nhân là vấn đề thiết yếu cho các nhà khai thác GSM. Chính vì vậy, chương này trình bày cấu trúc mạng GSM (2G) hiện tại và các yêu cầu thiết kế đối với hệ thống vô tuyến W-CDMA (3G) đi lên từ GSM (2G). 3.1 Cấu trúc mạng GSM (2G) hiện tại. Hệ thống GSM có thể chia làm ba phần chính: hệ thống trạm gốc BSS, hệ thống chuyển mạch NSS và hệ thống quản lý mạng NMS. Đa số các chức năng đặc biệt của hệ thống GSM được thực hiện bởi hệ thống các trạm phát BSS trong việc liên lạc với đầu cuối mobile. Hệ thống trạm gốc được chia thành hai khối chức năng: trạm phát BTS và bộ điều khiển trạm phát BSC. Một mạng GSM dung lượng cao thông thường có hàng ngàn trạm BTS. BTS cung cấp chức năng thu phát sóng vô tuyến và báo hiệu cho sự tương tác giữa các thành phần khác của mạng. Vùng phủ sóng của một trạm BTS gọi là một Cell. BSC thực hiện các chức năng chuyển mạch và điều khiển các kênh vô tuyến cho hệ thống BSS. BSC ấn định kênh vô tuyến trong toàn bộ thời 55 gian thiết lập cuộc gọi và giải phóng tài nguyên khi cuộc gọi kết thúc. Chức năng di động chỉ trong nội vùng hệ thống BSS được thực hiện bởi BSC. Các chức năng này làm cho cấu trúc của BSC cao hơn của BTS. Thông thường mỗi BSC điều khiển hàng chục BTS. Việc chuyển mạch giữa các thuê bao được thực hiện bởi trường chuyển mạch trong MSC. Một MSC kết nối với các mạng khác như là mạng thoại cố định PSTN, mạng ISDN, mạng số liệu gói PSPDN… Hình 3.1: Cấu trúc tổng quát hệ thống GSM Một bộ số liệu logic được gọi là bộ đăng ký dữ liệu chủ, chứa đựng các thông tin liên quan đến việc đăng ký của mỗi thuê bao như các dịch vụ và vị trí của thuê bao. Để có thể định tuyến các cuộc gọi tới, các thông tin địa chỉ của vùng khách được chứa trong HLR. Một ngân hàng dữ liệu là bộ đăng ký dữ liệu khách VLR phụ trách việc ghi chú các đăng ký yêu cầu và thông tn vị trí của các thuê bao cư trú trong vùng phục vụ của nó. Thêm vào đó bộ nhận thực thiết bị EIR được sử dụng để ngăn cản viêc sử dụng trộm hoặc các máy cầm tay không được phép. 56 Cuộc gọi tới máy di động MS được định tuyến tới tổng đài MSC cổng trong mạng di động công cộng mặt đất PLMN của thuê bao. Bằng cách sử dụng các thông tin chưa trong HLR và VLR, cuộc gọi được định tuyến tới tổng đài MSC mà thuê bao đang ở đó. Trong khi thuê bao đang ở trong mạng chủ thì tổng đài MSC chủ và MSC cổng là giống nhau. Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Resister) là nơi mà thông tin về các thuê bao được lưu trữ cố định. Chức năng chính của HLR là cơ sở dữ liệu về thuê bao. Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visistor Location Resister) với chức năng chính là duy trì bảo mật thông tin. AuC duy trì bảo mật thông tin và nhận dạng thuê bao cùng với VLR. EIR duy trì nhận dạng thiết bị di động liên kết với thông tin bảo mật cùng VLR. Tên chung cho trung tâm dịch vụ gọi node mạng tương ứng là phần dịch vụ giá trị gia tăng (VAS – Value Added Service) như hình 3.2 Hình 3.2: Phần cứng dịch vụ giá trị gia tăng 57 VAS đơn giản nhất cũng gồm hai loại thiết bị: trung tâm dịch vụ tin ngắn (SMSC) và hệ thống thư thoại (VMS). Về mặt kỹ thuật, VAS đảm bảo cung cấp một số loại dịch vụ nhất định bằng cách sử dụng các giao diện chuẩn với mạng GSM và nó có thể có hoặc không có các giao diện riêng ra các mạng khác. Trên quan điểm phát triển dịch vụ, VAS là bước đầu tiên để tạo danh thu với các dịch vụ giá trị gia tăng trên mạng GSM Hình 3.3:Mạng thông minh Khái niệm mạng thông minh IN (Intelligent Network) được tích hợp cùng với mạng GSM. Về mặt kỹ thuật, nó làm thay đổi cơ bản các phần tử của mạng chuyển mạch nhằm thêm vào chức năng IN, ngoài ra bản thân mạng IN là một bộ phận tương đối phức tạp. IN có khả năng phát triển dịch vụ hướng tới tính cá nhân và nhà khai thác mạng có thể nhờ IN để đảm bảo an toàn kinh doanh. Ví dụ các thuê bao trả trước hầu hết được triển khai nhờ công nghệ IN. [5] 58 Tóm lại: So với những khả năng vượt trội như truyền dữ liệu tố độ cao , dung lượng hệ thống lớn và chống lại ảnh hưởng của can nhiễu mà mạng thông tin di động thế hệ ba mang lại thì mạng 2G hiện tại sẽ không đáp ứng được. Chính vì vậy đi lên 3G là tất yếu mà con đường tiến lên 3G từ mạng GSM là CDMA băng thông rộng W-CDMA. 3.2 Khả năng tiến lên 3G ở Việt Nam Lịch sử phát triển của thông tin di động đã trải qua hai thế hệ và đang dần tiến sang thế hệ thứ ba 3G. Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động đã phát triển được gần 10 năm nay, lúc đầu chỉ có 2 nhà cung cấp dịch vụ của Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam VNPT là Vinaphone và Mobiphone đến nay thì đã có tới 6 nhà cung cấp thông tin di động là Viettel Mobile (Tổng công ty Viễn thông Quân đội), EVN Mobile (Điện lực), S-Fone, HT Mobile (Hà Nội Telecom). Sự ra đời của Viettel Mobile đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong sự phát triển các thuê bao di động ở Việt Nam. Với sự cạnh tranh nhau về giá thành và các giá trị gia tăng đã thu hút một số lượng khách hàng sử dụng điện thoại lớn. Tính đến nay ở nước ta có khoảng 23 triệu thuê bao điện thoại di động (tính cho cả 6 nhà cung cấp). Tuy đã có sự phát triển mạnh mẽ song về giá thành sử dụng dịch vụ thông tin di động ở nước ta vẫn còn cao so với thu nhập trung bình của người dân. Do vậy các nhà cung cấp cần phải có chiến lược giảm giá thành và nâng cao chất lượng phục vụ của mình để thu hút khách hàng nhiều hơn nữa. Các mạng di động hiện nay (GSM&CDMA) được thiết kế nhằm mục đích truyền thoại và các dịch vụ hướng tiếng nói (Voice – Oriented Service) cũng đã đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng. Sau khi các mạng này đưa ra thì chính những dịch vụ phụ (ví dụ SMS, MMS, EMS, định vị) chứ không phải là các dịch vụ hướng tiếng nói trở nên phổ biến qua các mạng di động. Đây không phải là điều được trông đợi từ trước. 59 Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng và phổ biến của Internet, nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao qua mạng di động tăng rất nhanh. Điều này thì mạng di động 2G hiện tại chưa đáp ứng đủ. Do vậy cần phải đưa vào các mạng di động hiện có các biện pháp nâng cấp chẳng hạn như: Dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao HSCSD, Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS. Việc nâng cấp này thì các nhà cung cấp dịch vụ mạng GSM là Vinaphone, Mobiphone, Viettel cũng đã thử nghiệm đưa vào khai thác. Tuy nhiên các nâng cấp này chỉ có khả năng giới hạn (ví dụ GPRS chỉ đạt tốc độ dữ liệu thực tế 50 Kbps hoặc HSCSD chỉ đạt tới 57,6 kbps). Ngoài ra, chúng không tạo ra các dịch vụ trong đó tốc độ dữ liệu có thể thay đổi được một cách mềm dẻo để hỗ trợ các giải pháp về chất lượng dịch vụ (QoS). Vấn đề lớn nữa là việc thiếu tài nguyên vô tuyến cho các dịch vụ, cùng với nhu cầu về các mạng di động hiệu quả hướng dữ liệu (data – Oriented), các tài nguyên vô tuyến trong các vùng mật độ dân cư cao đã bắt đầu có xu hướng cạn dần. Điều này đặc biệt thể hiện rõ ở những thị trường di động đã trưởng thành như vùng thành phố đông dân (ví dụ tỉ lệ sử dung tài nguyên vô tuyến ở các nước Bắc Âu là 50% đến 80%). Do vậy cần tới công nghệ truy nhập vô tuyến mới có thể giải quyết vấn đề trên. Mạng thông tin di động thế hệ ba 3G ra đời sẽ phần nào đáp ứng được nhu cầu đó Mạng 3G hứa hẹn có triển vọng rất lớn vói nhiều ưu điểm nổi trội như: • Hỗ trợ chuyển vùng toàn cầu (Global Roaming) • Hỗ trợ đa phương tiện (Voice, data và video) • Hỗ trợ tăng dung lượng kênh và hiệu quả phổ • Hỗ trợ mạng có cấu trúc IP (ví dụ: Mobile IP) • Hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao - 384 Kbps khi thiết bị di chuyển, - 2Mbps khi không di chuyển 60 Hình 3.4: Viễn cảnh 3G Những triển vọng của 3G: • Giải trí bằng thông tin (Infotainment) • Dich vụ bản tin da phương tiện (Multimedia Message Service) • Truy cập qua thiết bị di động vào Intranet/Extranet • Truy cập qua thiết bị di động vào Internet • Các dịch vụ dựa trên cơ sở vị trí • Các dịch vụ thoại có kèm thông tin như hình ảnh hay video (gọi chung là “Rich Voice” ) 61 3.3 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế đối với hệ thống W-CDMA. 3.3.1 Mục tiêu thiết kế đối với hệ thống vô tuyến W-CDMA trên cơ sở GSM. Có rất nhiều lựa chọn cho phép nhà khai thác phát triển mạng GSM hiện có của mình (hình 3.5). Mỗi lựa chọn đều có đặc điểm riêng mà các nhà khai thác mạng cần quan tâm để có sự lựa chọn đúng đắn nhất. Hình 3.5: Tùy chọn các phương án chuyển đổi từ GSM Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) GPRS là bước triển khai làm thay đổi mạnh mẽ cấu trúc mạng thông tin với phần chuyển mạch gói trong mạng lõi IP phục vụ hiệu quả các dịch vụ dữ liệu đến tốc độ trung bình. Để có thể cung cấp dịch vụ 3G một cách đầy đủ (tốc độ dữ liệu tới 2Mbps) thì việc triển khai hệ thống W-CDMA mới là điều tất yếu. Điều kiện đặt ra là nhà khai thác đã phải có một mạng GSM rộng khắp. Chẳng hạn như Viettel Mobile ngay từ đầu đã phủ sóng 64 tỉnh thành trên toàn quốc, đây là một điều kiện thuận lợi chính cho Viettel khi triển khai GPRS. Nhu cầu dịch vụ dữ liệu chủ yếu là các dịch vụ dữ liệu tốc độ trung bình (tới 115kbps). Hạ tầng mạng đã triển khai là rất lớn, nhà khai thác muốn tận dụng tối đa hạ tầng hiện có cho dịch vụ dữ liệu 62 Về kỹ thuật, hệ thống mạng truy nhập GSM được giữ nguyên và chỉ cần nâng cấp phần mềm. Cụ thể BTS, BSC phải được nâng cấp phần mềm, MS phải có chức năng GPRS, phân hệ mạng lõi được bổ sung thêm phần chuyển mạch gói với hai nút chính: nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) và nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN). Bằng cách này, với nâng cấp không đáng kể, hệ thống có thể cung cấp dịch vụ dữ liệu gói cho thuê bao di động rất thích hợp với các dịch vụ dữ liệu không đối xứng. Nâng cao tốc độ dữ liệu cho sự phát triển GSM (EDGE) Bên cạnh đó, có một lựa chọn cho phép nhà khai thác GSM có thể tối ưu hoá việc phát triển của mình, đó là công nghệ EDGE với những cải tiến về máy thu phát vô tuyến (tập trung vào mạng ruy nhập vô tuyến) cho phép cung cấp dịch vụ dữ liệu cao hơn và tăng dung lương hệ thống mà không làm thay đổi lớn đến cấu trúc mạng di động. Để tiếp tục tối ưu hoá hệ thống GSM của mình, nhà khai thác có thể sử dụng công nghệ EDGE. Việc quy hoạch mạng vô tuyến sẽ ít bị ảnh hưởng khi triển khai công nghệ EDGE. Cụ thể, các BTS tiếp tục được sử dụng, các nút chuyển mạch gói cũng không bị ảnh hưởng do chức năng độc lập với tốc độ bit của thuê bao. Toàn bộ thay đổi đối với các nút chuyển mạch của mạng chỉ là việc nâng cấp phần mềm. Thiết kế cũng cho phép đầu cuối EDGE nhỏ gọn và giá cạnh tranh được. Các kênh truyền dẫn trong EDGE cũng thích hợp cho các dịch vụ GSM và không có sự phân biệt giữa dịch vụ EDGE, GPRS hay GSM. Xét trên quan điểm nhà khai thác thì các dịch vụ EDGE nên triển khai trước tiên cho các khu vực nóng sau đó mở rộng dần theo nhu cầu cụ thể. Việc nâng cấp phần cứng BSS theo công nghệ EDGE có thể quan niệm như nâng cấp và mở rộng để đáp ứng phát triển thuê bao thông thường. Khả năng 3G băng rộng có thể thực hiện từng bước bằng cách triển khai dần giao diện vô tuyến mới 3G trên mạng lõi GSM hiện tại. Đối với các nhà khai thác có giấy phép cho băng tần mới 2GHz thì có thể triển khai IMT-2000 cho các khu vực phủ sóng sớm do có nhu cầu lớn nhất về 63 các dịch vụ 3G. Đầu cuối hai chế độ EDGE/IMT-2000 sẽ cho phép thuê bao thực hiện chuyển vùng và chuyển giao giữa các hệ thống. So với phương án xây dựng mạng 3G hoàn toàn mới thì việc phát triển dần trên mạng GSM sẽ nhanh chóng và rẻ tiền hơn. Các bước trung gian GPRS và EDGE cũng có thuận lợi là phát triển tiếp lên 3G dễ dàng. Thực tế, việc tăng tốc độ dữ liệu trên giao diện vô tuyến đòi hỏi thiết kế lại phương thức truyền dẫn vật lý, khuôn dạng khung, giao thức báo hiệu tại các giao diện mạng khác nhau. Nên tuỳ thuộc yêu cầu cụ thể về tốc độ dữ liệu mà lựa chọn phướng án nâng cấp hệ thống nhằm tăng tốc độ dữ liệu trên giao diện A-bis. Đa truy nhập theo mã băng rộng (W-CDMA) Điều kiện triển khai là nhu cầu dịch vụ dữ liệu chiếm phần lớn trong lưu lượng. Để triển khai mạng một cách nhanh chóng và hiệu quả, hệ thống phải tương thích ngược với mạng lõi GSM-MAP của GSM. Hệ thống báo hiệu, đầu cuối di động có thể chuyển vùng với hệ thống GSM hiện có, tuy nhiên đòi hỏi máy cầm tay phải có hai chế độ GSM/GPRS hay GSM/GPRS/W-CDMA. Có rất nhiều vấn đề kỹ thuật trong việc chuyền đổi cần được quan tâm. Để đáp ứng chuyển đổi đã có 3 bản chuẩn hoá mạng lõi của 3GPP: • 3GPP R99 Phương án chuyển đổi nhằm tận dụng tối đa hạ tầng mạng GSM và GPRS hiện có. Mạng lõi của 3G có cả phần chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Mạng truy nhập vô tuyến của 3G có thể nối cả phần chuyển mạch kênh của GSM sau khi đã có phần bổ sung cho 3G. Phần mạng lõi với hai nút mạng SGSN và GGSN của GPRS trước đây được sử dụng lại hoàn toàn. Như vậy phương án này là phù hợp cho thị trường có cả dịch vụ yêu cầu chuyển mạch kênh (thoại, hình) và dịch vụ chuyển mạch gói. 64 • 3GPP R4 Phần gói với GGSN và SGSN vẫn được giữ nguyên. Trung tâm chuyển mạch di động MSC của hệ thống được tách thành hai phần: phần điều khiển chuyển mạch và cổng đa phương tiện (thực hiện chức năng chuyển mạch). Một bộ điều khiển có thể quản lý được rất nhiều cổng chuyển mạch đa phương tiện. • 3GPP R5 Đây là biện pháp sử dụng mạng lõi toàn IP, có thể được truyền dẫn trên ATM. Như vậy vai trò của mạng truy nhập vô tuyến chỉ là thành giao diện vô tuyến của 3G. Mạng lõi IP có thể tương thích với bất kì công nghệ truy nhập vô tuyến nào: W-CDMA, cdma2000, EDGE…hệ thống hoàn toàn không còn phần chuyển mạch kênh. Thoại cũng sẽ được truyền trên IP. Như vậy công nghệ này sẽ còn phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển của VoIP. • 3GPP R6 Đang được tiếp tục nghiên cứu để khắc phục những nhược điểm của 3GPP R5. 3.3.2 Các yêu cầu kỹ thuật thực hiện chuyển đổi trên cơ sở hệ thống GSM Điều kiện cho chuyển đổi và các vấn đề về kỹ thuật đặt ra cho mỗi bước chuyển đổi theo giai đoạn trên cơ sở hệ thống GSM lên 3G sẽ phải kể đến ba khía cạnh chính được thể hiện ở sơ đồ sau: Hình 3.6: Chuyển đổi chung từ 2G lên 3G 65 3.3.2.1 Sự chuyền đổi về kỹ thuật. Sự chuyển đổi về kỹ thuật là con đường phát triển chỉ rõ phương thức để triển khai các phần tử mạng và loại công nghệ để thực thi kỹ thuật đó. Đây chính là bước phát triển trực tiếp theo các xu hướng chung về công nghệ. Do các phần tử mạng là yếu tố tạo lập nên mạng, nên về mặt lý thuyết sự chuyền đổi về mặt kỹ thuật sẽ tương ứng với sự phát triển mạng. Trong giai đoạn một, do tính chất mở của các giao diện được định nghĩa trong chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống, mạng 3G có thể được kết hợp từ nhiều chủng loại thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Sự chuyển đổi về kỹ thuật có thể xử lý được điều này. Tuy nhiên, với sự khác nhau về tốc độ và bước triển khai cụ thể trong mối kết hợp của các thiết bị giữa các hãng khác nhau và yêu cầu thích ứng với các thay đổi của chỉ tiêu kỹ thuật 3G nên trong nhiều trường hợp nếu không xem xét thấu đáo thì kết quả có thể không như mong muốn. 3.3.2.2 Sự chuyển đổi về dịch vụ. Khác với chuyển đổi về mặt kỹ thuật, sự chuyển đổi dịch vụ dựa trên nhu cầu của người sử dụng và nhu cầu này có thể là thực tế hoặc chỉ là tưởng tượng. Đôi khi các nhà khai thác mạng và chế tạo thiết bị cung cấp các dịch vụ vượt qua sự kỳ vọng của các thuê bao. Rõ ràng nếu hai yếu tố này không tương đồng thì việc kinh doanh các dịch vụ thông tin di động sẽ khó khăn. 3.3.3.3 Sự chuyển đổi về mạng. Chỉ tiêu kỹ thuật của GSM đảm bảo tính mở của các giao diện quyết định nên thành phần chuẩn của hệ thống GSM. Với giao diện mở này, nhà khai thác có thể sử dụng các thiết bị mạng khác nhau từ các nhà cung cấp thiết bị mạng GSM khác nhau. Tính mở của giao diện được thể hiện là nó xác định một cách nghiêm ngặt các chức năng hệ thống thực hiện tại giao diện, đồng thời xác định rõ các chức năng nào cho phép nhà khai thác có thể sử dụng trong nội bộ mạng tại hai phía của giao diện. 66 3.4 Cấu trúc hệ thống theo các phương pháp chuyển đổi từ GSM. 3.4.1 Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) Trong giai đoạn đầu, thuê bao GSM sử dụng đường truyền dữ liệu chuyển mạch gói, đối xứng với tốc độ 9,6kbps. Do sức ép của Internet và thư điện tử nên đường truyền dữ liệu di động tăng nhanh, hơn nữa thực tế cho thấy sự phát triển này đã bị đánh giá quá thấp tại thời điểm thiết kế mạng GSM. Hiện nay về mặy kỹ thuật có hai giải pháp sau: • Tốc độ tối ưu mã hoá kênh. Thực hiện được việc này đã làm tăng tốc độ từ 9,6kbps lên 14,4 kbps. • Làm cho dữ liệu đi qua giao diện Um nhiều hơn bằng cách sử dụng một vài kênh lưu lương thay cho một kênh. Giải pháp này được gọi là chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD Hình 3.7: Tác động của mã hoá kênh và HSCSD Trong môi trường tối ưu, thuê bao HSCSD có thể đạt đến tốc độ truyền dữ liệu 40-50 kbps. Giải pháp kỹ thuật này có hạn chế là lãng phí tài nguyên 67 và giá cước sẽ cao hơn. Việc sử dụng giải pháp HSCSD phụ thuộc rất nhiều vào chính sách giá của nhà khai thác mạng. Một vấn đề khác là phần lớn lưu lượng dữ liệu về bản chất là không đối xứng, điển hình là dùng đường truyền tốc độ thấp từ thiết bị đầu cuối đến mạng (đường lên) và dùng tốc độ cao cho đường ngược lại (đường xuống). Về mặt kỹ thuật, giao diện chuyển mạch kênh không đối xứng Um không phải là môi trường truy nhập tốt nhất cho kết nối dữ liệu. Điều này đặt ra yêu cầu phải nâng cấp mạng GSM nhằm thích hợp hơn cho việc truyền dữ liệu một cách hiệu quả. 3.4.2 Dịch vụ vô tuyến gói chung ( GPRS) Giải pháp GPRS yêu cầu thêm hai nút dịch vụ vào mạng di động là SNSG (Serving GPRS Support Node) và GGSN (Getway GPRS Support Node). Bằng việc sử dụng hai nút này MS có thể tạo lập nên một kết nối chuyển mạch gói qua mạng GSM tới một mạng dữ liệu gói bên ngoài, ví dụ mạng Internet. Hình 3.8: Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 68 GPRS có khả năng sử dụng kết nối không đối xứng khi có yêu cầu và do vậy tài nguyên mạng có thể được sử dụng tốt hơn. Giải pháp GPRS là bước kỹ thuật nhằm cung cấp khả năng IP di động và khả năng Internet cho các thuê bao di động Cellular. Theo quan điểm dịch vụ GPRS mở đầu cho bước phát triển để nhiều loại dịch vụ chuyển mạch gói truyền thống có thể được chuyển đổi và sử dụng qua công nghệ GPRS thích hợp hơn cho các kết nối chuyển mạch gói. Một ví dụ điển hình là WAP(Wireless Access Point ) mà tiềm năng của nó sẽ được khai thác mạnh khi sử dụng GPRS. Khi kết nối, chuyển mạch gói được sử dụng, chất lượng dịch vụ QoS là vấn đề có tính quan trọng hàng đầu. Về nguyên lý GPRS hỗ trợ QoS nhưng trong thực tế thì không như vậy. Lý do ở đây là lưu lượng GPRS luôn ở mức ưu tiên thứ hai trong GSM, nói cách khác chỉ có các tài nguyên chưa sử dụng ở giao diện Um mới được dành lưu lượng GPRS. Rõ ràng không ai có thể đảm bảo luôn dành một độ rộng băng nhất định cho lưu lượng GPRS vì không thể biết trước lượng tài nguyên chưa sử dụng tại giao diện Um. 3.4.3 Công nghệ EDGE Hình 3.9: Tác động của EDGE lên hệ thống 69 Một kỹ thuật điều chế mới có thể được áp dụng tại giao diện vô tuyến là 8-PSK sao cho một ký tự có thể mang 3 bit thông tin và do vậy tốc độ sẽ được cải thiện đáng kể. Khi kỹ thuật này được kết hợp với các kỹ thuật mã hóa kênh phức tạp, người ta có thể đạt được tốc độ dữ liệu 48kb/s so với 9,6kb/s cho một kênh ở GSM truyền thống và trong trường hợp này một bit thông tin chính làm một ký tự tại giao diện vô tuyến. Kỹ thuật làm tăng tốc độ dữ liệu trên được gọi là EDGE như hình 3.9. Sự phát triển của EDGE được chia làm hai giai đoạn: EDGE giai đoạn một được biết như là E-GPRS (Enhanced GPRS). Cũng như vậy BSS biến đổi thành E-RAN (Mạng truy nhập vô tuyến EDGE). Giai đoạn 1, EDGE xác định các phương pháp điều chế và mã hóa kênh nhằm đạt được tốc độ dữ liệu lên đến 384kb/s cho lưu lượng chuyển mạch gói dưới các điều kiện xác định. Giả thiết ở đây là các thiết bị đầu cuối sẽ có 8 khe thời gian của giao diện Um sẽ cho một đường kết nối, do đó 8 x 48 kb/s=384kb/s. Ngoài ra, thiết bị đầu cuối EDGE phải ở gần BTS để sử dụng tốc độ mã hóa kênh cao hơn. EDGE giai đoạn 2 có tên thương mại là E-HSCSD và nhằm đạt được tốc độ truyền dữ liệu trên các dịch vụ chuyển mạch kênh. Đứng trên quan điểm phát riển mạng thì nói chung EDGE có cả ưu điểm và nhược điểm. Ưu điểm chính của công nghệ này là có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu gần như tương đương với yêu cầu phủ sóng ở vùng đô thị của công nghệ UMTS. Nhược điểm là tốc độ dữ liệu này khó đạt được cho toàn bộ các thuê bao trên toàn Cell phủ sóng. Nếu yêu cầu cho toàn bộ một vùng với công nghệ EDGE thì chắc chắn số lượng Cell phủ sóng trong vùng này sẽ phải tăng lên đáng kể. Nói cách khác, EDGE là giải pháp đắt giá về công nghệ sử dụng cho một trường hợp. Tương lai của công nghệ EDGE theo khía cạnh này còn phải được kiểm chứng khi nó phải cạnh tranh với các giải pháp công nghệ thực sự 3G. 70 3.4.4 Mạng thông tin di động W-CDMA (UTRAN – 3G) 3GPP R99 Hình 3.10: Phương án mạng 3G (3GPP R99) Hình 3.10 mô tả mạng 3G triển khai theo chỉ tiêu kỹ thuật của 3GPP R99. 3G đưa ra phương pháp truy nhập vô tuyến mới W-CDMA và những biến thể của nó mang tính toàn cầu, do đó tất cả mạng 3G có thể chấp nhận việc truy nhập bởi thuê bao ở mạng 3G bất kỳ. Ngoài tính toàn cầu, W- CDMA đã được nghiên cứu rất dễ trong phòng thí nghiệm và đã chứng tỏ được hiệu quả sử dụng phổ tốt hơn (trong các điều kiện xác định) và phù hợp hơn cho việc truyền dữ liệu gói so với các truy nhập vô tuyến trên cơ sở TDMA. Công nghệ W-CDMA và các thiết bị truy nhập vô tuyến của nó không tương thích với mạng GSM, điều đó giải thích tại sao khi thêm W- CDMA vào mạng lại cần thêm một số thành phần mới như RNC và BS. Mặt 71 khác, trong các yêu cầu cơ bản của UMTS là khả năng hoạt động đồng thời GSM/UMTS, ví dụ như việc chuyển giao giữa hai hệ thống khi truy nhập vô tuyến thay đổi từ GSM sang W-CDMA và ngược lại trong một cuộc gọi. Khả năng này đòi hỏi hai yêu cầu cụ thể: • Thứ nhất, giao diện vô tuyến GSM phải thay đổi sao cho có thể phát quảng bá các thông tin hệ thống về mạng vô tuyến W-CDMA tại đường xuống. Đương nhiên mạng truy nhập vô tuyến W-CDMA cũng có thể phát quảng bá thông tin hệ thống về mạng GSM tại đường xuống. • Thứ hai, nhằm giảm thiểu chi phí khai thác, các chỉ tiêu kỹ thuật quy định trong 3GPP cho khả năng đảm bảo các chức năng liên mạng của hệ thống để các MSC/VLR 2G nâng cấp có thể xử lý được truy nhập vô tuyến băng rộng UTRAN. Mạng 3G triển khai theo 3GPP R99 cung cấp các loại dịch vụ giống với mạng 2,5G. Trong giai đoạn này hầu hết các dịch vụ được chuyển đổi sang dạng gói khi ứng dụng có yêu cầu. WAP là một trong những ứng cử viên thuộc loại này, bởi vì về bản chất thông tin truyền đi thì WAP là loại chuyển mạch gói. Các dịch vụ chuyển mạch gói chia làm các nhánh dịch vụ khác nhau. Bước phát triển cụ thể sau 3GPP R99 hiện nay còn chưa đạt mức cụ thể mà chỉ được xác định các xu hướng chung. Các xu hướng chính đó là việc tách biệt phần kết nối cuộc gọi, phần điều khiển và phần dịch vụ, đồng thời yêu cầu chuyển đổi mạng theo hướng hoàn toàn trên cơ sở IP. Trên quan điểm phát triển dịch vụ, các bước phát triển này phải làm cho mạng 3G có thể cung cấp tốt các dịch vụ đa phương tiện, ví dụ các dịch vụ kết hợp đồng thời thoại và hình ảnh. 72 3GPP R4 Hình 3.11: Phương án thực hiện 3GPP R4 Trong giai đoạn 3GPP R4 mới chỉ triển khai việc tách biệt phần kết nối cuộc gọi, phần điều khiển và phần dịch vụ cho phần mạng lõi chuyển mạch kênh. Trong mạng lõi này, lưu lượng dữ liệu thuê bao sẽ đi qua cổng đa phương tiện MGW (Media Getaways) là phần đảm bảo kết nối và các chức năng chuyển mạch khi có yêu cầu. Toàn bộ quá trình này được quản lý bởi một MSC Server được nâng cấp từ MSC/VLR. Một MSC Server có thể điều khiển nhiều MGW và do vậy mạng lõi chuyển mạch kênh có thể mở rộng dễ dàng. Khi nhà khai thác muốn tăng thêm phần dung lượng cho điều khiển thì có thể thiết lập thêm một MSC Server, ngược lại khi muốn tăng dung lượng chuyển mạch thì thiết lập thêm các MGW. Khi đã thiết lập một mạng như trên thì các bước phát triển về công nghệ và chỉ tiêu kỹ thuật sẽ xác định giới hạn tiếp theo của mạng này. Khi IPv6 càng được phát triển nhiều trên mạng 3G thì số kết nối của mạng 3G có 73 thể chuyển sang IPv6 ngày càng tăng và do vậy sẽ làm giảm yêu cầu chuyển đổi giữa IPv4 và IPv6. Trong giai đoạn này, tỉ trọng lưu lượng giữa dữ liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói sẽ thay đổi đáng kể. Hầu hết lưu lượng sẽ là chuyển mạch gói và một số dịch vụ chuyển mạch kênh truyền thống ví dụ như thoại ít nhất sẽ một phần trở thành gói VoIP. Ví dụ một cuộc gọi GSM truyền thống được thay bằng một cuộc gọi VoIP qua MGW mà BSS kết nối tới. Trên thực tế có nhiều cách để triển khai các cuộc gọi VoIP song người ta sẽ thêm các phương pháp thống nhất để xử lý cuộc gọi VoIP. Ngoài ra IMS còn đồng thời được sử dụng cho các dịch vụ đa phương tiện trên cơ sở IP. Đương nhiên phân hệ BSS cũng phải được triển khai nâng cấp để sử dụng IP song thời điểm còn chưa xác định. 3GPP R5 Hình 3.12: Phương án 3GPP R5 (toàn IP) Trong 3GPP R5 công nghệ sẽ tiếp tục phát triển và toàn bộ các lưu lượng trong mạng 3G sẽ là lưu lượng IP. Lấy ví dụ một cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mạng tới mạng PSTN thì nó phải chuyển qua mạng 3G theo 74 dạng gói và từ GGSN, cuộc gọi VoIP sẽ được định tuyến qua IMS có các chức năng chuyển đổi để tới PSTN. Trên quan điểm của đầu cuối di động thì mạng luôn luôn giống nhau trong các giai đoạn phát triển theo các hình 3.10, 12, 13. Tuy nhiên, trong nội bộ mạng thì hầu như mọi thứ thay đổi. Thay đổi chính trước hết là công nghệ truyền tải mà trong triển khai 3GPP R99 là ATM và sau này 3GPP R4 và R5 chuyển sang IP. Do hệ thống cần phải tương thích ngược nên nhà khai thác luôn có lựa chọn là sử dụng công nghệ truyền tải ATM hoặc IP, hoặc là có giải pháp cho cả hai công nghệ này. ATM có thế mạnh là hỗ trợ QoS ngay từ đầu, sau đó công nghệ IP sẽ có cơ chế bảo đảm QoS triển khai cho không chỉ cho ATM mà còn cho nhiều loại phân hệ khác nhau. Sang giai đoạn này, dịch vụ và mạng trở nên quan trọng hơn là bản thân công nghệ, và do vậy loại công nghệ truy nhập vô tuyến sử dụng sẽ giảm ý nghĩa quan trọng của mình. Tiêu chuẩn để lựa chọn loại công nghệ truy nhập vô tuyến sử dụng là khả năng cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ yêu cầu. Trong tương lai, các mạng lõi 3G sẽ có giao diện cho một vài công nghệ truy nhập vô tuyến, ví dụ như GSM, EDGE, cdma2000, W-CDMA và WLAN. Đương nhiên nó sẽ đặt ra nhiều yêu cầu cho các nhà chế tạo thiết bị đầu cuối và yêu cầu thị trường sẽ phải có các đầu cuối xử lý được nhiều loại công nghệ truy nhập vô tuyến. Đầu cuối 3G dần dần sẽ trở thành vật bất ly thân với nhiều chức năng như một điện thoại, ví, card ID, … 3.5 NGN- Mobile và định hướng phát triển của Viettel Mobile. Trên mạng cố định (fixed Network) đang diễn ra một quá trình hội tụ về công nghệ và dịch vụ giữa mạng viễn thông và Internet dựa trên kỹ thuật chuyển mạch gói IP, thuật ngữ NGN (Next General Network)- mạng thế hệ sau được nhắc đến rất nhiều trong những năm gần đây. Mặt khác, mạng Internet cũng đang phát triển từng ngày, từ các modem tốc độ thấp, đến nay đã phát triển nhiều phương thức truy nhập tốc độ cao và linh hoạt hơn trong 75 đó Wireless-LAN thực sự là một thách thức với mạng di động tuy khả năng di động còn hạn chế và trong tương lai gần là công nghệ WIMAX. Đứng trước sự phát triển của Internet cùng với các dịch vụ phong phú mới của mạng cố định, các nhà cung cấp dịch vụ di động không thể thoả mãn với mạng di động 2G hiện chỉ có ứng dụng thoại, nhắn tin ngắn SMS và một vài dịch vụ dữ liệu tốc độ thấp. Nhiều tổ chức viễn thông lớn và các tổ chức chuẩn hoá quốc tế cố gắng đưa ra một kiến trúc mạng di động mới nhằm thích ứng linh hoạt với sự phát triển của công nghệ IP, có thể đáp ứng tốt nhu cầu của khách hàng về các dịch vụ mới. 3GPP là tổ chức mở về chuẩn hoá mạng di động trong thế hệ mới với việc nghiên cứu và đưa ra các khuyến nghị cho mạng di động trên con đường tiến tới sự hội tụ. 3GPP đã tiến hành các nghiên cứu cho các mạng di động khác nhau nhưng đều hướng tới một cái đích chung, đó là mạng di động thế hệ thứ ba (3G). Một loạt các khuyến nghị, đề xuất cũng được ITU chấp nhận trong bộ tiêu chuẩn về 3G (IMT-2000). Hình 3.13: Tiến trình phát triển của công nghệ thông tin di động và xu thế hội tụ trong tương lai 76 Theo 3GPP, xu hướng phát triển lên NGN-Mobile của mạng lõi mạng di động bắt đầu từ R97/98 GPRS; R99 GPRS/UMTS; và hiện nay là phiên bản cuối cùng là phiên bản R00 (R4/R5). Với phiên bản R00, sự xuất hiện của phân hệ IMS các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động hướng tới mạng NGN-mobile bằng một mô hình chuẩn cho các dịch vụ hội tụ dữ liệu và thoại trên IP trong mạng di động. Vì vậy, mô hình này còn được gọi là mô hình All-IP Mobile System. Hình 3.14: Mô hình mạng thông tin di động R00 (R5) có bao gồm phân hệ IMS Hình 3.14 ở trên là một cách nhìn đơn giản hóa về mạng NGN-Mobile R00 với IMS. Mạng truy nhập vô tuyến RNC đảm bảo kết nối vô tuyến từ thiết bị người sử dụng đến mạng lõi, nó cũng cung cấp dịch vụ quản l ý di động ở mức thấp. Mạng lõi chuyển mạch gói PCN (Packet Core Network) cung cấp phương tiện truyền tải báo hiệu và dịch vụ và quản lý di động ở mức cao. Còn phân hệ IMS đảm trách việc điều khiển báo hiệu các ứng dụng, các 77 phiên và việc chuyển đổi các dạng phương tiện. Ngay tại bên trong IMS, các chức năng trên cũng được thực thi trong những phần riêng biệt. Mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 với sự xuất hiện của phân hệ IMS chính là mạng thông tin di động thế hệ R00 (R5) hay còn gọi là mạng UMTS PS và HSDPA (High-Speed Data Packet Access). Thế hệ mạng này chính là định hướng về mặt công nghệ của Viettel mobile trong mảng thông tin di động. Hình 3.15: Định hướng công nghệ của Viettel Mobile Với định hướng như trên, mạng UMTS và HSPDA của Viettel mang lại các lợi ích rõ ràng là khả năng cung cấp mềm dẻo và đa dạng nhiều loại hình dịch vụ, đặc biệt là dịch vụ thông tin đa phương tiện thời gian thực, các dịch vụ dữ liệu yêu cầu tốc độ từ thấp đến cao. Sau đây là các lợi ích cơ bản của mạng UMTS và HSPDA: • Một mạng lõi duy nhất: Mạng UMTS và HSPDA có một mạng lõi dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, tăng cường khả năng sử dụng tối ưu tài nguyên. Đặc biệt, với đặc điểm là mạng lõi sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, mạng UMTS và HSPDA có thể sử dụng chung toàn bộ hoặc 1 phần với mạng IP NGN của Tổng công ty Viettel dựa trên công nghệ MPLS. 78 • Tính hội tụ truy nhập: Cho phép nhiều loại hình đa truy nhập mạng bao gồm cả di động và cố định. Đồng thời vẫn kế thừa mạng GSM/GPRS2,5 vốn có. • Dịch vụ đa dạng: Ngoài các dịch vụ truyền thống, với sự xuất hiện của phân hệ IMS, mạng UMTS và HSPDA cho phép phát triển các loại hình dịch vụ gia tăng, đặc biệt là các dịch vụ truyền đa phương tiện trên IP vì với HSDPA, băng thông đường xuống có thể đạt tới 14,4Mb/s trên lý thuyết. • Kiến trúc mở: Các nhà phát triển dịch vụ hay ứng dụng 3G có thể dễ dàng tích hợp và tham gia vào việc cung cấp dịch vụ mới bằng cách sử dụng các hàm API do mạng cung cấp. 79 Kết luận chương 3 Trong phạm vi của chương 3 đề cập đến những vấn đề sau: • Tìm hiểu về cấu trúc mạng GSM (2G) hiện tại đang khai thác và phục vụ ở Việt Nam. • Với những nhu cầu sử dụng các dịch vụ đa phương tiện thì đi lên 3G là điều tất yếu. • Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế đối với hệ thống thông tin di động W- CDMA. Trong đó đặt ra các yêu cầu chuyển đổi chuyển đổi giữa hai hệ thống mạng GSM và W-CDMA. • Đưa ra các mô hình, cấu trúc hệ thống theo các phương pháp chuyển đổi từ mạng GSM sang W-CDMA theo các chuẩn của tổ chức 3GPP. • Mô hình định hướng phát triển lên 3G của Viettel Mobile Qua việc nghiên cứu tìm hiểu tài liệu trong, chương 3 của đồ án cũng đã đưa ra con đường phát triển cho hệ thống thông tin di động từ 2G lên 3G. Và khả năng áp dụng vào mạng thông tin di động ở Việt Nam là rất có triển vọng. 80 KẾT LUẬN CHUNG Sau thời gian tiến hành học tập, nghiên cứu và tìm hiểu các tài liệu chuyên môn có liên quan cùng với sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn, em đã hoàn thành đồ án theo đúng mục tiêu đề ra. Các kết quả đạt được của đồ án bao gồm các nội dung sau: 1. Tìm hiểu về cấu trúc mạng thông tin di động thế hệ ba W-CDMA theo chuẩn IMT-2000 đã được thử nghiệm triển khai trên thế giới và Việt Nam. Nó đã cho thấy được ưu điểm nổi trội hơn hẳn so với hệ thống 2G như: tốc độ truyền số liệu cao hơn hẳn, dung lượng cao hơn, ít bị ảnh hưởng của nhiễu... 2. Tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA, các công nghệ W- CDMA, điều khiển công suất, để thoả mãn các yêu về chất lượng của hệ thống 3G. 3. Dựa trên cơ sở lý thuyết và các mô hình của 3GPP đó đã đưa ra định hướng phát triển cho hệ thống thông tin di động ở Việt Nam đi lên 3G cụ thể đối với mạng 2G GSM lên 3G W-CDMA. Tuy đó chỉ là những vấn đề mang tính lý thuyết nhưng hi vọng đó sẽ là một ý kiến của em góp phần vào sự phát triển chung của hệ thống thông tin di động ở Việt Nam. Qua đây, một lần nữa em xin được cảm ơn thầy giáo Đại tá, PGS,TS Trương Văn Cập và các thầy cô giáo trong Khoa Vô tuyến điiện tử - HVKTQS đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Vì thời gian có hạn, phương tiện tìm hiểu còn thiếu thốn, cộng với kinh nghiệm và kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em xin trân trọng tiếp thu những ý kiến đóng góp quí báu của các thầy cô giáo và các bạn cùng quan tâm tới vấn đề này.