Tổng quan về 3G 2010

[Type text] 1
Tổng quan về 3G 2010
NỘI DUNG
1. TỔNG QUAN MẠNG 3G...........................................................................................................................5
1.1 Quá trình phát triển 3G.....................................................................................................................5
1.1.1. Lịch sử phát triển của truyền thông di động...........................................................................5
1.1.2. Đặc điểm của hệ thống GSM....................................................................................................6
1.1.3 Thuận lợi và khó khăn của 2G ..................................................................................................7
1.1.4 Bước đệm 2.5 G........................................................................................................................7
1.1.5 Công nghệ đương đại 3G...........................................................................................................7
1.2Hệ thống 3G.......................................................................................................................................8
1.2.1 Giới thiệu...................................................................................................................................8
1.2.2 Lộ trình phát triển từ Hệ thống thông tin di động 2G GSM sang hệ thống 3G WCDMA..........8
2. Công nghệ đa truy nhập của WCDMA..................................................................................................16
2.1. Trải phổ và đa truy cập theo mã....................................................................................................16
2.2.1. Các hệ thống thông tin trải phổ..............................................................................................16
2.2.2. Áp dụng DSSS cho CDMA........................................................................................................18
2.2. Điều khiển công suất......................................................................................................................20
3.GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS...........................................................................................21
3.1 Tổng quan WCDMA ........................................................................................................................21
3.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức..........................................................................................................22
3.3. Các thông số vật lý và quy hoạch tần số........................................................................................23
3.4. Các kênh của WCDMA....................................................................................................................27
3.5. Cấu trúc kênh vật lý riêng .............................................................................................................36
3.6. Sơ đồ máy phát và máy thu WCDMA............................................................................................38
3.7. Phân tập phát................................................................................................................................39
3.8. Điều khiển công suất trong WCDMA.............................................................................................41
3.8.1. Thí dụ về điều khiển công suất vòng hở cho PRACH..............................................................42
3.8.2. Điều khiển công suất vòng kín đường lên..............................................................................42

- Cho phép tăng hiệu quả kết nối các thiết bị
- Bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động –
khởi đầu là tin nhắn SMS.
[Type text] 6
Thời gian Sự kiện
1982-
1985
Tổ chức Conference des Postes et Telecommunications ( CEPT) đưa
chuẩn viễn thông số châu Âu ở băng tần 900 MHz. Chuẩn này về sau
trở thành hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động (GSM).
1986 Tổ chức thử nghiệm diễn ra ở Paris để quyết định kỹ thuật truyền
thông số nào sẽ được sử dụng, và đã chọn TDMA hoặc FDMA .
1987 Sự kết hợp giữa TDMA và FDMA được lựa chọn là kỹ thuật truy
cập đường truyền vô tuyến cho GSM.
1989 Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu ( ETSI ) nhận trách nhiệm về
các đặc tả kỹ thuật GSM.
1990 Các chi tiết kỹ thuật pha 1 được đưa ra để các nhà sản xuất phát triển
các thiết bị mạng.
1991 Chuẩn GSM 1800 được chấp thuận do Vương Quốc Anh đệ trình,
mở ra nhiều băng thông hơn cho các nhà khai thác.
1992 Các chi tiết kỹ thuật pha 1 được hoàn thành. Mạng thương mại GSM
pha 1 ra đời.
1993 Hệ thống DCS 1800 đầu tiên được cho ra đời ở Mỹ.
1995 Các chi tiết kỹ thuật cho hệ thống viễn thông cá nhân (PCS) được
phát triển ở Mỹ. Phiên bản này của GSM hoạt động ở băng tần 1900
Mhz.
1996 Hệ thống GSM 1900 được sử dụng.
Tổng quan về 3G 2010
1.1.3 Thuận lợi và khó khăn của 2G
Thuận lợi là tín hiệu số của giọng nói có thể được nén và ghép kênh hiệu quả hơn so

• 144kbps khi di động
[Type text] 7
Tổng quan về 3G 2010
Hình 1. 1 Công nghệ truy nhập đường truyền WCDMA
1.2 Hệ thống 3G
1.2.1 Giới thiệu
Năm 2000, ITU-T đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ thứ
3 với tên gọi IMT-200.
Hiện nay, có 2 tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 là :
• WCDMA được xây dựng bởi 3GPP
• CDMA2000 được xây dựng bởi 3GPP2
1.2.2 Lộ trình phát triển từ Hệ thống thông tin di động 2G GSM sang hệ thống
3G WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - truy cập đa phân mã băng rộng)
là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa
phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo hình...
WCDMA đã được xác nhận là giải pháp nâng lên 3G cho các mạng thông tin di động
GSM hiện tại. WCDMA hoạt động với phổ tần vô tuyến cực rộng 5MHz. Do đó
WCDMA FDD, gồm chiều lên và xuống cần 10 MHz để triển khai.
Con đường phát triển lên 3G của các hệ thống thông tin di động :
[Type text] 8
Tổng quan về 3G 2010
Hình 1. 2 Con đường phát triển của di động
 Kiến trúc mạng 2 G
Hình 1. 3 Kiến trúc mạng 2G
 Kiến trúc mạng 2.5G
[Type text] 9
Tổng quan về 3G 2010
Hình 1. 4 Cấu trúc mạng 2.5G
Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho lưu lượng chuyển mạch kênh nên việc đưa dịch vụ

 Mạng lõi :
Hình 1. 9 Kiến trúc mạng 3G W-CDMA
Mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch di động (MSC: Mobile Switching Center) và
các nút hỗ trợ chuyển mạch gói phục vụ (SGSN: Serving General Packet Radio
Service Support Node). Các kênh thoại và số liệu chuyển mạch gói được kết nối với các
mạng ngoài qua các trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói cổng: GMSC
và GGSN. Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử
làm chức năng tương tác mạng (IWF). Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và nút
chuyển mạch gói, mạng lõi còn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho các mạng di động
như: HLR, AUC và EIR.
Ở nơi mà cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ có một cổng
các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi GMSC server : chuyển thoại được
đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần
thực hiện tại điểm này. Ví dụ: Giả thiết nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại
tốc độ 12,2 kbit/s thì tốc độ này phải được chuyển vào 64 kbit/s ở MGW giao tiếp với
PSTN. Truyền tải kiểu đóng gói này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất
là khi các MGW cách xa nhau.
 Mạng truy cập vô tuyến - Radio Access Network
[Type text] 14
Tổng quan về 3G 2010
Hình 1. 10 Mạng truy cập vô tuyến
Chứa các phần tử sau:
- RNC (Radio Network Controller) : Bộ điều khiển mạng vô tuyến, đóng vai trò như
BSC ở GSM
- Nút B đóng vai trò như các BTS ở các mạng GSM
- UE: User Equipment - thiết bị của người sử dụng .
Trong các quy định của 3GPP, trạm gốc được gọi là nút B. Nút B được nối đến một bộ
điều khiển trạm vô tuyến RNC. RNC điều khiển các tài nguyên vô tuyến của các nút B
được nối với nó. RNC đóng vai trò như BSC ở GSM. RNC kết hợp với các nút B nối
với nó được gọi là hệ thống con mạng vô tuyến RNS(Radio Network Subsystem). Giao

tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ
số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc
độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc
và kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v...).
Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần
của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi chỉ có
một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả.
Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung
một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn
duy trì được các ưu điểm của trải phổ.
Một hệ thống thông tin số được coi là SS nếu:
• Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng
băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin.
• Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.
[Type text] 16
Tổng quan về 3G 2010
Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading
Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời
gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum). Cũng có thể nhận được các hệ thống
lai ghép từ các hệ thống nói trên. WCDMA sử dụng DSSS. DSSS đạt được trải phổ
bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có tốc độ chip (R
c
=1/T
c
, T
c
là
thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (R
b
=1/T

b
là thời gian một bit của luồng số cần phát,
R
b
=1/T
b
là tốc độ bit của luồng số cần truyền; T
c
là thời gian một chip của mã trải phổ,
R
c
=1/T
c
là tốc độ chip của mã trải phổ. R
c
=15R
b
và T
b
=15T
c
.
Hình 2. 1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)
[Type text] 17
Tổng quan về 3G 2010
2.2.2. Áp dụng DSSS cho CDMA
Trong công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã dựa trên CDMA, một tập mã trực giao
được sử dụng và mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ riêng. Các mã trải phổ
này phải đảm bảo điều kiện trực giao sau đây:
1. Tích hai mã giống nhau bằng 1: c

, …, c
7
.
Bảng 2.3 và 2.4 cho thấy thí dụ khi nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được 1 và
nhân hai mã khác nhau trong bảng 2.1 ta được một mã mới
..
Hình 2. 2. Thí dụ bộ tám mã trực giao
c
0
+1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1
c
1
+1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
c
2
+1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1
c
3
+1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1
c
4
+1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1
c
5
+1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1
c
6
+1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1
c
7

1 1
K K
i i i
i i
y y c x
= =
= =
∑ ∑
(2.1)
Ta xét quá trình xử lý tín hiệu này tại một máy thu k. Nhiệm vụ của máy thu này là phải
lấy ra x
k
và loại bỏ các tín hiệu khác (các tín hiệu này được gọi là nhiễu đồng kênh vì
trong hệ thống CDMA chúng được phát trên cùng một tần số với x
k
). Nhân (2.1) với x
k

và áp dụng quy tắc trực giao nói trên ta được:
1
K
k k i i
i
i k
x x c x
=
≠
= +
∑
%

được gọi là độ lợi xử lý (TA: Processing Gain).
2.2. Điều khiển công suất
Trong trường hợp một máy phát gây nhiễu đến gần máy thu k (đến gần nút B chẳng
hạn), công suất của máy phát này tăng cao dẫn đến MAI tăng cao, tỷ số tín hiệu trên
nhiễu giảm mạnh và máy thu k không thể tách ra được tín hiệu của mình. Hiện tượng
này được gọi là hiện tượng gần và xa. Để tránh hiện tượng này hệ thống phải điều khiển
công suất sao cho công suất thu tại nút B của tất cả các UE đều bằng nhau (lý tưởng).
Điều khiển công suất trong WCDMA được chia thành:
• Điều khiển công suất vòng hở
• Điều khiển công suất vòng kín
Điều khiển công suất vòng hở được thực hiện tự động tại UE khi nó thực hiện thủ tục
xin truy nhập Nút B (dựa trên công suất mà nó thu được từ kênh hoa tiêu phát đi từ B),
khi này UE chưa có kết nối với nút này. Còn điều khiển công suất vòng kín được thực
hiện khi UE đã kết nối với nút B. Điều khiển công suất vòng hở lại được chia thành:
[Type text] 20
Tổng quan về 3G 2010
• Điều khiển công suất vòng trong được thực hiện tại nút B. Điều khiển
công suất vòng trong được thực hiện nhanh với 1500 lần trong một
giây dựa trên so sánh SIR thu với SIR đích
• Điều khiển công suất vòng ngoài được thực hiện tại RNC để thiết lập
SIR đích cho nút B. Điều khiển công suất này dựa trên so sánh tỷ lệ
lỗi khối (BLER) thu được với tỷ lệ đích.
3.GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS
3.1 Tổng quan WCDMA
WCDMA UMTS là một trong các tiêu chuẩn của IMT-2000 nhằm phát triển của GSM
để cung cấp các khả năng cho thế hệ ba. WCDMA UMTS sử dụng mạng đa truy nhập
vô tuyến trên cơ sở W-CDMA và mạng lõi được phát triển từ GSM/GPRS. W-CDMA
có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số
(FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD:
Time Division Duplex). Cả hai giao diện này đều sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-

ghép chúng vào kênh vật lý. Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập
CDMA kết hợp với FDMA/FDD. Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và
một mã trải phổ. Ngoài ra kênh vật lý đường lên còn được đặc trưng bởi góc pha. Trong
phần dưới đây ta trước hết ta xét kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến sau đó ta sẽ
xét giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD, sau đó sẽ xét các kênh này.
3.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức
Kiến trúc giao diện vô tuyến của WCDMA được cho trên hình 3.1.
UP: Mặt phẳng người sử dụng
CP: Mặt phẳng điều khiển
Hình 3. 1. Kiến trúc giao thức vô tuyến cho UTRA FDD.
Ngăn xếp giao thức của giao diện vô tuyến bao gồm 3 lớp giao thức:
• Lớp vật lý (L1). Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến như điều
chế và mã hóa, trải phổ v.v..
[Type text] 22
Tổng quan về 3G 2010
• Lớp liên kết nối số liệu (L2). Lập khuôn số liệu vào các khối số liệu và đảm
bảo truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp
• Lớp mạng (L3). Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến
Mỗi khối thể hiện một trường hợp của giao thức tương ứng. Đường không liền nét thể
hiện các giao diện điều khiển, qua đó giao thức RRC điều khiển và lập cấu hình các lớp
dưới.
Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy
nhập môi trường) và RLC (Radio link Control: điều khiển liên kết), PDCP (Packet Data
Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC (Broadcast/Multicast
Control: Điều khiển quảng bá/đa phương ).
Lớp 3 và RLC được chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C-Plane) và mặt
phẳng người sử dụng (U-Plane). PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U.
Trong mặt phẳng C lớp 3 bao gồm RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài
nguyên vô tuyến) kết cuối tại RAN và các lớp con cao hơn: MM (Mobility
Management) và CC (Connection Management), GMM (GPRS Mobility Management),

PSK) = khóa chuyển pha vuông góc trực giao
CS-ACELP: Conjugate Structure-Algebraic Code Excited Linear Prediction = Dự
báo tuyến tính kích thích theo mã lđại số cấu trúc phức hợp
3GPP: Third Generation Parnership Project: Đề án của các đối tác thế hệ ba
ETSI: European Telecommunications Standards Institute: Viện tiêu chuẩn viễn thông
Châu Âu
ARIB: Association of Radio Industries and Business: Liên hiệp công nghiệp và kinh
doanh vô tuyến
3.4.2. Quy hoạch tần số
Các băng tần sử dụng cho WCDMA FDD trên toàn cầu được cho trên hình
3.2a.WCDMA sử dụng phân bố tần số quy định cho IMT-2000 (International Mobile
Telecommunications-2000) (hình 3.2b) như sau. Ở châu Âu và hầu hết các nước châu Á
băng tần IMT-2000 là 2×60 MHz (1920-1980 MHz cộng với 2110-2170 MHz) có thể
sử dụng cho WCDMA/ FDD. Băng tần sử dụng cho TDD ở châu Âu thay đổi, băng tần
được cấp theo giấy phép có thể là 25 MHz cho sử dụng TDD ở 1900-1920 (TDD1) và
2020-2025 MHz (TDD2). Băng tần cho các ứng dụng TDD không cần xin phép (SPA=
Self Provided Application: ứng dụng tự cấp) có thể là 2010-2020 MHz. Các hệ thống
FDD sử dụng các băng tần khác nhau cho đường lên và đường xuống với phân cách là
khoảng cách song công, còn các hệ thống TDD sử dụng cùng tần số cho cả đường lên
và đường xuống.
UMTS quy định khai thác song công phân chia theo tần số là chế độ tiêu chuẩn cho
thông tin thoại và số liệu. Hoạt động đồng thời và liên tục của các mạch điện phát và
thu là các thay đổi đáng kể nhất so với họat động của GSM.
[Type text] 24
Tổng quan về 3G 2010
Hình 3. 3. Phân bố tần số cho WCDMA/FDD. a) Các băng có thể dùng cho WCDMA
FDD toàn cầu; b) Băng tần IMT-2000.
Băng tần cho họat động FDD cho các băng I, II và III được cho trên hình 3.4. Băng I
(B1) là ấn định băng chính ở Châu Âu. Quy định dành hai cấp phát 60MHz với khoảng
cách song công chuẩn 190MHz, tuy nhiên quy định cũng cho phép song công khả biến,