ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ĐỂ
QUY HOẠCH, NÂNG CẤP VÀ TỐI ƢU HÓA
MẠNG TRUYỀN DẪN 3G WCDMA Ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số :
Học viên : NGÔ MINH ĐỨC
Ngƣời HD khoa học : PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ
Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGÔ MINH ĐỨC
KHOA SAU ĐẠI HỌC
BGH TRƢỜNG ĐHKTCN LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là
trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình
nào khác. Trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong Luận văn.
Tác giả
Ngô Minh Đức
1.1 Giới thiệu công nghệ W-CDMA 14
1.2 Cấu trúc mạng W-CDMA 16
1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN. 18
1.2.1.1 Đặc trƣng của UTRAN 19
1.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN 19
1.2.1.3 Node B 20
1.2.2 Giao diện vô tuyến 20
1.2.2.1 Giao diện UTRAN – CN, IU 21
1.2.2.2 Giao diện RNC – RNC, I
Ur
22
1.2.2.3 Giao diện RNC – Node B, IUb 22
1.3 Kết luận chƣơng . 23
Chƣơng 2: CÔNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HÓA PON. 23
2.1 Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ động PON 23
2.1.1 AON 23
2.1.2 Mạng PON 25
2.1.3 Các chuẩn trong mạng PON 28
2.1.3.1 B-PON 28
2.1.3.2 BPON và Gigabit PON 29
2.1.3.3 WDM-PON 32
2.1.3.4 CDMA-PON 33
2.1.4. Bộ tách/ghép quang và topo trong mạng PON 34
2.1.4.1 Bộ tách/ghép quang 34
2.1.4.2.Topo hình cây 37
2.1.4.3 Topo dạng bus 38
2.1.4.4 Topo dạng vòng 39
2.1.4.5 Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đƣờng tải phụ 40
2.1.5. PON MAC layer 41
2.1.5.1 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi-Point Control Protocol) 41
3
Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những
ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng
ngày. Các kĩ thuật không ngừng đƣợc hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của ngƣời tiêu
dùng. Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp nhiều cản
trở và sẽ sớm bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến hơn, hỗ trợ tối đa các dịch vụ
nhƣ Internet, truyền hình
Hệ thống viễn thông di động thế hệ hai là GSM và IS 95. Những công nghệ này
ban đầu đƣợc thiết kế để truyền tải giọng nói và nhắn tin. Để tận dụng đƣợc tính năng
của hệ thống 2G khi chuyển hƣớng sang 3G cần thiết có một giải pháp trung chuyển.
Các nhà khai thác mạng GSM có thể bắt đầu chuyển từ GSM sang 3G bằng cách nâng
cấp hệ thống mạng lên GPRS (Dịch vụ vô tuyến chuyển mạch gói), tiếp theo là EDGE
(tiêu chuẩn 3G trên băng tần GSM và hỗ trợ dữ liệu lên tới 384kbit) và UMTS (công
nghệ băng thông hẹp GSM sử dụng truyền dẫn CDMA), và WCDMA.
3G là một bƣớc đột phá của ngành di động, bởi vì nó cung cấp băng thông rộng
hơn cho ngƣời sử dụng. Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều thuận tiện
hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu nhƣ truyền thông hữu ích nhƣ
điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ
liệu dung lƣợng lớn, nghe nhạc và xem video chất lƣợng cao,… Truyền thông di động
ngày nay đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống. Việc vẫn có thể giữ
liên lạc với mọi ngƣời trong khi di chuyển đã làm thay đổi cuộc sống riêng tƣ và công
việc của chúng ta.
Tuy nhiên, thị trƣờng viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về
dung lƣợng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời
của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu nhƣ WCDMA hay
HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình
ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của ngƣời sử dụng.
Trong lộ trình phát triển, các mạng GPRS/EDGE và tiếp theo là UMTS đƣợc triển
khai trên nền mạng GSM truyền thống nhằm đem lại thêm tài nguyên vô tuyến để
Một giải pháp để phân bổ băng thông cho các ONT là sử dụng giao thức phân bổ
băng thông động (Dynamic Bandwidth Allocation - DBA). DBA là giao thức cho phép
các ONT gửi yêu cầu về băng thông tới OLT nhằm sử dụng hiệu quả băng thông
hƣớng lên. Các thông tin yêu cầu có thể là các mức đầy hàng đợi đầu vào cho các lớp
dịch vụ khác nhau. OLT đánh giá các yêu cầu từ các ONT và gán băng thông cho gửi
dữ liệu hƣớng lên ở lần kế tiếp theo. OLT cũng có thể tích hợp chức năng thỏa thuận 5
mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) để kết hợp với DBA trong việc phân bổ
băng thông. Thông thƣờng các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hƣớng xuống và hƣớng
lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hƣớng cho phép sử
dụng cùng một bƣớc sóng cho cả 2 hƣớng, tuy nhiên đối với các hệ thống truyền tải
tốc độ cao để đảm bảo chất lƣợng thì thông thƣờng mỗi hƣớng sử dụng một bƣớc sóng
riêng. Trong các mạng PON các bƣớc sóng đƣợc sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm cho
hƣớng xuống và 1310nm cho tín hiệu đƣờng lên.
Luận văn này xem xét một giải pháp sử dụng cùng một mạng truyền dẫn có thể hỗ
trợ cho cả UMTS và GSM với GPRS/EDGE. Giải pháp này làm giảm yêu cầu dung
lƣợng cần truyền dẫn của mạng backhaul bằng việc sử dụng phƣơng pháp nén tiên tiến
cho lƣu lƣợng thoại GSM, lƣu lƣợng dữ liệu và phƣơng pháp ghép lƣu lƣợng thoại và
dữ liệu của cả hai mạng GSM và UMTS. Luận văn này mô tả công nghệ PON, 3G và
phát triển của mạng truyền dẫn GSM/UMTS để hỗ trợ EDGE và UMTS, nghiên cứu
một cấu trúc tối ƣu với trọng tâm là các kỹ thuật công nghệ PON nhằm làm giảm sự
lãng phí tài nguyên dải thông trên mạng truyền dẫn 3G để tiết kiệm dải thông, tối ƣu
mạng truyền dẫn di động 3G.
Xuất phát từ ý tƣởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA, mạng W-CDMA và
công nghệ PON tôi đã thực hiện luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON
để quy hoạch, nâng cấp và tối ƣu hóa mạng truyền dẫn 3G”.
Access Point
ACCH
Associated Control Channels
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line
A-F
Amplify-and-Forward
AGC
Auto-gain Control
AI
Acquisition Indicator
AMPS
Advanced Mobile Phone System 7
AON
Active Optical Network
APC
Auto Power Control
APD
Avalanche Photodiode
ARQ
Automatic Repeat Request
AS
Access Stratum
ATC
Automatic Threshold Control
ATM
BSS
Base Station Subsystem
BTS
Base Tranceiver Station
BWA
Broadband Wireless Access
C/I
Carrier to Interference ratio
CAPEX
Captical Expenditure
CATV
Cable Television
CCCH
Common Control Channel
CCPCH
Common Control Physical Chanel
CDMA
Code Division Multiple Access
CDMA-
PON
Code Division Multiple Access Passive Optical Network
CDR
Clock Data Recovery
C-F
Compress-and-Forward 8
CMRP
Capacity Maximization with RS Placement
DLP
Dimensioning and Location Planning
DPCCH
Dedicated Physical Control Chanel
DPCH
Dedicated Physical Chanel
DPDCH
Dedicated Physical Data Chanel
DSCH
Downlink Shared Chanel
DSL
Digital Subscriber Line
DSP
Dimensioning and Site Planning
DTCH
Dedicated Traffic Chanel
DTE
Data Terminal Equipment
EDGE
Enhanced Data rate for GSM Evolution.
EFM
Ethernet in First Mile
EPON
Ethernet Passive Optical Networks
ETSI
European Telecommunications Standards Institute
FACCH
Fast Associated Control Channel
FACH
Forward Access Chanel
Fiber-to-the-Curb
FTTH
Fiber-to-the-Home
GA
Genetic Algorithm
GEM
GPON Encapsulation Method
GOS
Grade Of Service
GPON
Gigabit Passive Optical Network
GPON
Gigabit Passive Optical Networks
GPRS
General Packet Radio Services
GPS
Global Position System
GSM
Global System for Mobile Communication
GTC
GPON Tranmission Conversion
Handover
Chuyển giao.
HDTV
High-definition Television
HFC
Hybrid Fiber Coaxial
HH
Hard Handoff
HSCSD
LAC
Link Access Control
LAI
Location Area Indentify
LB
Lower Bound
LDS
Laser Driver Stage
LED
Light Emitting Diode
LLC
Logical Link Control
LLID
Link Logic ID
LOS
Line of Sight
LR
Location Registration
LTE
Long Term Evolution
LVCMOS
Low-Voltage CMOS
MAC
Medium Access Control
MAC
Media Access Control
MAN
Metropolitan Area Network
ME
Mobile Equipment
Network Power Assembly
NP-
HARD
Nondeterministic Polynomial-time hard
NSS
Network and Switching Subsystem
NTT
Nippon Telegraph and Telephone
OAM
Operations Administration and Maintenance
ODMA
Opportunity Driven Multiplex Access
ODN
Optical Distribution Network
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplex
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OLT
Optical Line Terminal
OM
Operation and Management
ONT
Optical Network Terminal
ONU
Optical Network Unit
OPEX
Operational Expenditure
OSA
Optical Sub-Assembly
PMD
Physical Media Dependant 12
PMP
Point-to-Multi-Point
PON
Passive Optical Networks
POTS
Plain Old Telephone Service
PS
Potential Site
PSTN
Public Switched Telephone Network
PtPE
Point to Point Emulation
QAM
Quadrature Amplititude Modulation
QoS
Quality of Service
RACH
Random Access Channel
RBA
Resource Breakdown Assignment
ROF
Radio- Over-Fiber
ROSA
Receive Optical Sub-Assembly
RRC
Subscriber Station
TACH
Traffic and Associated Channel
TCH
Traffic Channel
TCP
Transmission Control Protocol
TDD
Time Division Duplexing
TDM
Time Division Multiplexing 13
TDMA
Time Division Multiple Access
TDMA-
PON
Time Division Multiple Access Passive Optical Network
TDP
Transmit and Dispersion Penalty
TIA
Transimpedance Amplifier
TOSA
Transmit Optical Sub-Assembly
TP
Test Point
UB
Upper Bound
UMTS
Wireless Cooperative Network
WDM
Wavelength Division Multiplexing
WDM-
PON
Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network
Wi-Fi
Wireless Fidelity
WiMAX
Worldwide Interoperability Microwave Access
WLAN
Wireless Local Area Network
WMAN
Wireless Metropolitan Area Networks WPAN
WSN
Wireless Sensor Networks
1-D
One Dimensional
2-D
Two Dimensional
3GPP
The Third Generation Partnership Project 14
trƣờng làm việc khác nhau.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với
tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn nhƣ truyền dẫn đối xứng
và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả năng đó,
các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới nhƣ
: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa
phƣơng tiện khác.
Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ các
dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng nhƣ các dịch vụ không
liên quan đến cuộc gọi nhƣ thƣ điện tử, FPT…
Công trình nghiên cứu của các nƣớc châu Âu cho W-CDMA bắt đầu từ đề án
KBit/s
Đối xứng
Không đối xứng
Đa phương
Điểm đến điểm
Đa điểm
Đa phương tiện di động
Quảng bá
Truyền hình hội
nghị
(Chất lượng cao)
Truyền hình hội
nghị (Chất lƣợng
thấp)
Đàm thoại hội
nghị
cầu
Báo
điện
tử
Karaoke
ISDN
Xuất bản
điện tử
Thư điện tử
FAX
Các dịch vụ
phân phối
thông tin
Tin tức
Dự báo
thời tiết
Thông tin
lưu lượng
Thông tin
nghỉ ngơi
Truyền
hình di
động
1.2 Cấu trúc mạng W-CDMA
Hệ thống W-CDMA đƣợc xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng có
thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy nhập
vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng
GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA. Ngoài ra để
hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị ngƣời sử dụng (UE) thực hiện
giao diện ngƣời sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN
đều bao gồm những giao thức mới đƣợc thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-
CDMA, trái lại mạng lõi đƣợc định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép
hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM. 17
UE (User Equipment)
Thiết bị ngƣời sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp ngƣời sử dụng với hệ thống.
UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến đƣợc sử dụng
cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông
tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lƣu giữ các khóa
nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy
nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện I
ub
và U
u
. Nó cũng
tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
Node B
I
Ub
I
Ur
UTRAN
I
U
USIM
USIM
C
U
UE
U
U
Hình 1.2. Cấu trúc của UMTS 18
tin chính về lý lịch dịch vụ của ngƣời sử dụng. Các thông tin này bao gồm : Thông tin
về các dịch vụ đƣợc phép, các vùng không đƣợc chuyển mạng và các thông tin về dịch
vụ bổ sung nhƣ : trạng thái chuyển hƣớng cuộc gọi, số lần chuyển hƣớng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) : Là
tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh
cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh.
VLR có chức năng lƣu giữ bản sao về lý lịch ngƣời sử dụng cũng nhƣ vị trí chính xác
đƣợc
tiêu chuẩn hóa nhƣ là một giao diện mở hoàn toàn.
1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN.
UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS (Radio Network 19
Subsystem). Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các node B.
Các RNC đƣợc kết nối với nhau bằng giao diện Iur và kết nối với node B bằng giao
diện Iub.1.2.1.1 Đặc trưng của UTRAN
Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN cũng nhƣ các giao
thức. UTRAN có các đặc tính chính sau :
- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các
thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.
- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển
mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả
hai vùng của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
1.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của
UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thƣờng là với một MSC và một SGSN) qua giao
diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc
ngẽn cho các ô của mình. Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ
Node B
Node B
RNC
mạng truy nhập vô tuyến) tƣơng ứng từ mạng lõi. SRNC cũng là kết cuối báo hiệu
điều khiển tài nguyên vô tuyến. Nó thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu
tới các tài nguyên vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một node B nào đó đƣợc sử
dụng để MS kết nối với UTRAN.
- RNC trôi (Drif RNC) : DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển
các ô đƣợc MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân tập vĩ mô.
DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ định tuyến số
liệu giữa các giao diện I
Ub
và I
Ur
. Một UE có thể không có hoặc có một hay nhiều
DRNC.
1.2.1.3 Node B
Chức năng chính của node B là thực hiện xữ lý trên lớp vật lý của giao diện vô
tuyến nhƣ mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…Nó cũng thực hiện phần
khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến nhƣ điều khiển công suất vòng trong. Về phần
chức năng nó giống nhƣ trạm gốc của GSM.
1.2.2 Giao diện vô tuyến
Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng
mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic. Cấu trúc giao diện đƣợc xây dựng
trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với nhau, điều này cho phép
thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần còn lại.
Copyright: Tài liệu đại học ©