1
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
TỜ BÌA
2
4
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
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.
6
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
MỤC LỤC
Trang
TỜ BÌA 1
NHIỆM VỤ THIẾT KẾT TỐT NGHIỆP 2
LỜI NÓI ĐẦU 4
MỤC LỤC 6
CÁC TỪ VIẾT TẮT 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 13
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA
WCDMA 16
1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN THẾ HỆ
4G 16
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 16
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 17
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 17
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tƣ 18
1.2 KIẾN TRÚC CHUNG MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
3G 19
1.2.1 Công nghệ WCDMA 19
1.2.2 Tổng quan hệ thống UMTS 20
1.2.3 Kiến trúc chung của một mạng WCDMA 22
1.2.4 Các loại lƣu lƣợng và dịch vụ đƣợc mạng 3G WCDMA hỗ trợ 23
1.3 CÁC KIẾN TRÚC CHO CÔNG NGHỆ WCDMA THEO 3GPP 24
1.1.3 Kiến trúc WCDMA UMTS R3 25
1.3.2 Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R4 31
TUYẾN 68
3.3 CÁC KÊNH CỦA WCDMA 69
3.4 KÊNH VẬT LÝ 70
3.4.1 Các kênh vật lý 70
3.4.2 Các kênh đƣờng lên 73
3.4.3 Trải phổ và điều chế đƣờng lên 77
3.4.4 Các kênh đƣờng xuống 80
3.4.5 Trải phổ và điều chế cho đƣờng xuống 86
3.5 CÁC KÊNH TRUYỀN TẢI 88
3.5.1 Các kênh truyền tải 89
3.5.2 Chuyển đổi và ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 90
3.6 KÊNH LOGIC 92
3.6.1 Các kênh điều khiển 92
3.6.2 Các kênh lƣu lƣợng 92
8
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
3.7 THIẾT LẬP CUỘC GỌI TRONG WCDMA UMTS 93
3.8 PHÂN TẬP PHÁT 97
3.8.1. Phân tập vòng hở 97
3.8.2. Chế độ vòng kín 98
CHƢƠNG 4 - CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO HSPA 99
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 99
4.2 KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN
HSPA 100
4.3 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƢỜNG XUỐNG 102
4.3.2 Lập biểu phụ thuộc kênh 103
4.3.3 Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao 105
4.3.4 HARQ với kết hợp mềm 107
9
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
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
DCCH
Dedicated Control Channel
Kênh điều khiển riêng
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
10
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
DSSS
Direct-Sequence Spread Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
E-AGCH
Enhanced Absolute Grant Channel
Kênh cho phép tuyệt đối tăng
cường
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
Access
Truy nhập hói đường xuống tốc
độ cao
HS-
DPCCH
High-Speed Dedicated Physical
Control Channel
Kênh điều khiển vật lý riêng tốc
độ cao
HS-
DSCH
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
P-
CCPCH
Primary Common Control Physical
Channel
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên độ vuông góc
12
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
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
S-
CCPCH
Secondary Common Control
TDMA
Time Division Mulptiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
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
13
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access
Network
Mạng truy nhập vô tuyến mặt
Hình 1.5. Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999 25
Hình 1.6. Kiến trúc mạng WCDMA UMTS phát hành 4 32
Hình 1.7. Kiến trúc mạng WCDMA UMTS R5 và R6 34
Hình 1.8. Kiến trúc tồn tại đồng thời GSM và UMTS 37
Hình 1.9. Kiến trúc mạng RAN tích hợp của 3GR2 38
14
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
Hình 1.10. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3 39
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 46
Hình 2.5. Trích bỏ các kênh TrCH đƣợc mã hóa turbo 47
Hình 2.6. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 50
Hình 2.7. Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của ngƣời sử dụng k từ tập K
ngƣời sử dụng 52
Hình 2.8. Sơ đồ khối của máy phát DSSS BPSK 52
Hình 2.9. Sơ đồ máy thu của hệ thống DSSS-BPSK 54
Hình 2.10. Sơ đồ trải phổ DSSS-QPSK 55
Hình 2.11. Sơ đồ khối máy thu DSSS-QPSK 55
Hình 2.12. Hệ thống DSCDMA: Máy phát và máy thu tƣơng 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 đƣờng 62
Hình: 2.16. Máy thu RAKE 63
Hình 2.17. Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b) 66
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 4.3. Cấu trúc mã của HS-DSCH 103
Hình 4.4. Nguyên lý lập biểu HSDPA của node B 104
Hình 4.6. Chùm tín hiệu điều chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa
hai điểm tín hiệu 106
Hình 4.7. Nguyên lý xử lý phát lại của node B 108
Hình 4.8. Kiến trúc HSDPA 110
Hình 4.9. Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA 110
Hình 4.11. Chƣơng trình khung lập biểu của HSUPA 115
Hình 4.12. Kiến trúc mạng đƣợc lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH) 118
16
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46 CHƢƠNG 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.
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.
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.
18
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
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 tƣ
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
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.
AMPS
TASC
GSM
cdma One
WCDMA
cdma 20001x
HSPA
1xEVDO
LTE
UMB
1G
2G
3G
3G
+
E3G
WiFi
WiMax
4G
Tốc độ số liệu
Thời gian
Khả năng di động
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
21
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
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.
1900 ÷ 1920 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD
UMTS
Satellite
22
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
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 ngƣời 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
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.
PLMN
Nút kết hợp dịch vụ CS và PS
23
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
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
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 lƣu lƣợng và dịch vụ đƣợc 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
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
25
SVTH: Phạm Đức Việt Lớp: KTVT B - K46
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.
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
Gf
Gn
n
Gc
Gr
PSTN
ISDN
Inter
net
Iu
Uu
UE
UTRAN
CN
Copyright: Tài liệu đại học ©