đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điều khiển và giải phấp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
LỜI NÓI ĐẦU
Trong ít năm gần đây, chúng ta đã và đang chứng kiến sự bùng nổ của các dịch
vụ viễn thông. Thành công của các nhà cung cấp dịch vụ không chỉ phụ thuộc rất mạnh
vào hạ tầng truyền dẫn mà còn bị chi phối bởi độ tin cậy của hệ thống điều khiển chất
lượng dịch vụ (QoS). Vấn đề QoS xuất hiện rất tự nhiên và đồng hành với mạng viễn
thông ngay từ khi các mạng còn ở trình độ sơ khai. Cùng với quá trình phát triển các
công nghệ mạng, kỹ thuật điều khiển QoS đã có những bước phát triển nhảy vọt trong
vài thập kỷ gần đây. Ngày nay hầu như không một khía cạnh nào của quá trình vận
hành và khai thác mạng viễn thông lại không ít nhiều dính líu tới kỹ thuật điều khiển,
điều khiển là trong khi xét cho cùng mục tiêu của điều khiển là nhắm tới thỏa mãn các
yêu cầu về QoS. Điều này có nghĩa rằng, điều khiển QoS là một trong các tác vụ cốt lõi
cấu thành quá trình vận hành tin cậy của một mạng. Bảo đảm QoS không chỉ có nghĩa
các thuê bao sử dụng mạng viễn thông được hưởng lợi, mà chính những nhà quản trị và
khai thác mạng lại là những người trước tiên thu được lợi nhuận do các thuộc tính tin
cậy, hiệu quả, tối ưu và tương hợp của điều khiển QoS mang lại. Có thể nói không quá
rằng QoS là một nửa hữu cơ cấu thành mạng viễn thông. Sở dĩ chúng ta chưa thấy được
hết nửa này bởi nó ẩn sâu đằng sau những gì chúng ta thấy. Tuy nhiên ảnh hưởng của
nó lên toàn cục đã là hiển nhiên và rất to lớn.
Quá trình đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng viễn thông chủ yếu liên quan
tới việc thiết lập các chính sách chia sẻ tài nguyên mạng, bao gồm băng thông, dung
lượng bộ đệm rồi tự động thực thi các chính sách đó. Độ tin cậy, hiệu quả, tính tối ưu
và tính tương hợp là các hàm mục tiêu trong bài toán tối ưu hóa được sử dụng để xây
dựng các cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ trong mạng viễn thông. Hay nói cách
khác, một hệ thống viễn thông được áp dụng điều khiển chất lượng dịch vụ luôn là một
hệ thống tối ưu theo ít nhất một trong các chỉ tiêu nói trên. Một hệ thống như vậy rõ
ràng sẽ đem lại giá trị gia tăng và hiệu quả kinh tế rất to lớn ngay trên nền các công
nghệ viễn thông hiện hữu.
Trong bối cảnh như thế, kỹ thuật điều khiển và nâng cao chất lượng dịch vụ
trong mạng viễn thông, đặc biệt trong mạng 3G là một hướng nghiên cứu đang dành
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page i
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
được sự quan tâm của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. Và do đó em chọn đề tài
tôt nghiệp là: “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG DỊCH VỤ VIỄN THÔNG TRONG MẠNG 3G”
Trên cơ sở những kiến thức đã tích lũy được qua những năm học tập tại KHOA
CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-THÔNG TIN trường VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI tôi đã
hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này.Để hoàn thành bản đồ án này tôi xin chân thành
cảm ơn thầy giáo TS HOÀNG MẠNH THẮNG đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt
quá trình hoàn thiện đồ án này.
Đồ án tốt nghiệp hẳn không tránh khỏi những sai sót, em rất hy vọng nhận được
những lời góp ý bổ ích từ phía Thầy, Cô và Các bạn.
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page ii
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
TÓM TẮT
Đề tài tốt nghiệp "Kỹ thuật điều khiển và các giải pháp nâng cao chất lượng dịch
vụ viễn thông trong mạng 3G" tập trung làm sáng tỏ hai vấn đề:
Vấn đề thứ nhất, nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển chất lượng dịch vụ, đề tài
khai thác các cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ trong các môi trường viễn thông tốc
độ cao, băng rộng như mạng không dây, chế độ truyền tải dị bộ ATM, mạng giao thức
Internet (IP), mạng chuyển nhãn đa giao thức MPLS, mạng UMTS... đó là những loại
mạng chính cấu thành mạng viễn thông hiện nay.
Vấn đề thứ hai, đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ: QoS trong
mạng 3G, yêu cầu QoS nói chung, yêu cầu QoS tại End-User, kiến trúc QoS End-toEnd...và những giải pháp khả thi cho mục đích nâng cao chất lượng dịch vụ.
Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương:
Chương 1. Lộ trình lên 3G của mạng viễn thông, chương này phác lại con
đường lên 3G của mạng viễn thông toàn cầu.
Chương 2. Bản chất lưu lượng và công nghệ mạng, chương 2 trình bày bản
chất của lưu lượng (một đối tượng của điều khiển QoS), các công nghệ mạng không
dây, ATM, mạng IP, MPLS, mạng phi thể thức.
Chương 3. Điều khiển QoS tại lõi mạng, chương 3 đưa ra các phương pháp
điều khiển QoS như: điều khiển chấp nhận cuộc nối, điều khiển dẫn nạp lưu lượng, lập
lịch gói, triển khai hàng chờ gói công bằng, quản trị bộ đệm, điều khiển luồng và điều
khiển nghẽn, định tuyến QoS. Các vấn đề về đảm bảo QoS trong mạng lõi được trình
bày trong chương này.
Chương 4. Điều khiển QoS tại các giao diện vô tuyến, chương 4 là chương
trọng tâm. Chương này giải quyết các vấn đề điều khiển và nâng cao QoS tại các kết
nối UE-BS trên cơ sở peer-to-peer, các kỹ thuật điều khiển công suất hay các kỹ thuật
chuyển giao trong mạng WCDMA. Các vấn đề về nâng cao dung lượng mạng và chất
lượng cuộc nối cũng sẽ được phân tích cụ thể.
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page iii
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
ABSTRACT
The plan "CONTROL TECHNIQUES AND RESOLUTIONS TO RAISE
QUATILY OF SERVICE IN 3G NETWORK" focus on resolving two problems:
Firstly, research of QoS control techniques, this section exploits quality of
service control mechanisms in high speed-wideband telecommunication environment,
such as wireless network, asynchronous transfer mode (ATM), Internet protocol
network (IP), multi protocol label switching network (MPLS), UMTS network…which
construct the current telecommunication network.
Secondly, give out resolutions to raise quatily of service. This section presents
QoS problems in 3G network, QoS requirements in common, QoS requirement at enduser, QoS End-to-End architecture, and possible resolution for purpose to raise quality
of service.
This plan consits of four chapters:
Chapter 1. The road to 3G of telecommunication network, this chapter
sketches the road to 3G of global telecommunication network.
Chapter 2. Throughput essence and network technologies, chapter 2 mentions
on the essence of throughput (one obiect of QoS control), wireless network
technologies, ATM, IP network, MPLS.
Chapter 3. QoS control mechanisms at core network, chapter 3 give out
methods to control QoS, such as connection admission control, packet scheduling,
packet fair queuing deployment, buffer management, flow control, congestion control,
QoS routing. QoS guarantee problems in core network is represented in this chapter.
Chapter 4. QoS control mechanisms at radio interface, this is the main chapter
which resolves problems of QoS raise an control at UE-BS connection on peer-to-peer
basis, techniques of power control and handover in WCDMA network. Problems of
network capacity improvement and quality of connection will be specifically analysed.
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page iv
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................i
TÓM TẮT.............................................................................................................iii
ABSTRACT..........................................................................................................iv
MỤC LỤC..............................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH............................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG..............................................................................................x
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT....................................................................................xi
CHƯƠNG 1. LỘ TRÌNH LÊN 3G CỦA MẠNG VIỄN THÔNG........................1
1.1. Lộ trình lên 3G....................................................................................................1
1.1.1. Tổng quan.....................................................................................................1
1.1.2. FDMA, TDMA và CDMA............................................................................3
1.1.3. Hướng về 3G................................................................................................4
1.1.4. Từ GSM lên 3G............................................................................................4
1.1.5. Từ IS-95 đến cdma2000................................................................................6
1.1.6. Kết luận.........................................................................................................7
1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3...............................................................7
1.2.1. Hệ thống viễn thông di động Quốc tế IMT-2000..........................................7
1.2.2. Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS...............................................9
CHƯƠNG 2. BẢN CHẤT LƯU LƯỢNG VÀ CÔNG NGHỆ MẠNG..............11
2.1. Bản chất của lưu lượng......................................................................................12
2.2. Các công nghệ mạng..........................................................................................12
2.2.1. Mạng không dây.........................................................................................12
2.2.2. ATM...........................................................................................................13
2.2.3. Intserv.........................................................................................................15
2.2.4. Diffserv.......................................................................................................16
2.2.5 Chuyển nhãn đa giao thức MPLS................................................................17
2.2.6 Mạng phi thể thức Ad Hoc...........................................................................18
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN QoS TRONG MẠNG LÕI.....................................19
3.1. Điều khiển chấp nhận........................................................................................20
3.1.1. Nguyên lý điều khiển chấp nhận.................................................................20
3.1.2. Chiến lược điều khiển chấp nhận dựa trên công suất băng rộng.................21
3.2. Điều khiển dẫn nạp lưu lượng............................................................................22
3.3. Lập lịch gói........................................................................................................23
3.3.1. Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP)......................................................23
3.3.2. RTT............................................................................................................. 27
3.4. Triển khai hàng chờ gói công bằng PFQ............................................................30
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page v
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
3.5. Quản trị bộ đệm.................................................................................................31
3.6. Điều khiển luồng và điều khiển nghẽn...............................................................31
3.7. Định tuyến QoS.................................................................................................31
3.8. Kết luận.............................................................................................................32
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN QoS TRONG MẠNG TRUY NHẬP.....................35
4.1. Đo tải giao diện vô tuyến...................................................................................35
4.1.1. Tải hướng lên..............................................................................................35
4.1.1.1 Ước lượng tải dựa trên công suất thu băng rộng..................................36
4.1.1.2 Ước lượng tải dựa trên thông lượng....................................................36
4.1.1.3 So sánh các phương pháp ước lượng tải hướng lên.............................37
4.1.2. Tải hướng xuống.........................................................................................39
4.1.2.1. Ước lượng tải dựa trên công suất.......................................................39
4.1.2.2 Ước lượng tải dựa trên thông lượng....................................................40
4.2. Dự tính mạng vô tuyến......................................................................................40
4.2.1. Tài nguyên kết nối vô tuyến........................................................................41
4.2.2. Hệ số tải......................................................................................................47
4.2.2.1. Hệ số tải hướng lên..............................................................................47
4.2.2.2. Hệ số tải hướng xuống.........................................................................51
4.2.3. Phương pháp nâng cấp dung lượng.............................................................56
4.2.4. Dung lượng trên km2...................................................................................57
4.2.5. Nhiễu giữa các nhà cung cấp......................................................................58
4.2.5.1. Giới thiệu.............................................................................................58
4.2.5.2. Ảnh hưởng của hướng lên và hướng xuống.........................................60
4.2.5.3. Các giải pháp để tránh nhiễu kênh lân cận.........................................60
4.3. Điều khiển công suất..........................................................................................61
4.3.1. Điều khiển công suất mạch vòng kín..........................................................61
4.3.2. Điều khiển công suất nhanh........................................................................63
4.3.2.1. Độ lợi của điều khiển công suất nhanh................................................64
4.3.2.2. Điều khiển công suất và phân tập........................................................65
4.3.2.3. Điều khiển công suất trong chuyển giao mềm.....................................69
4.3.3. Điều khiển công suất vòng ngoài................................................................72
4.3.3.1. Độ lợi của điều khiển công suất vòng ngoài........................................74
4.3.3.2. Ước lượng chất lượng thu....................................................................75
4.3.3.3. Giải thuật điều khiển công suất vòng ngoài.........................................76
4.3.3.4. Dịch vụ chất lượng cao........................................................................77
4.3.3.5. Động lực điều khiển công suất giới hạn..............................................78
4.3.3.6. Đa dịch vụ...........................................................................................78
4.3.3.7. Điều khiển công suất vòng ngoài hướng xuống...................................79
4.4. Chuyển giao.......................................................................................................80
4.4.1. Chuyển giao mềm.......................................................................................80
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page vi
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
4.4.1.1. Nguyên lý chuyển giao mềm trong WCDMA.......................................81
4.4.1.2. Độ lợi và ảnh hưởng của chuyển giao mềm tới hệ thống.....................82
4.4.1.3. Giải thuật chuyển giao mềm................................................................82
4.4.1.4. Quyết định ngưỡng chuyển giao mềm..................................................89
4.4.2. Chuyển giao mềm hơn................................................................................90
4.4.3. Chuyển giao mềm và mềm hơn...................................................................90
KẾT LUẬN..........................................................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................95
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page vii
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 : Lộ trình lên 3G..........................................................................................2
Hình 1.2 : Họ các hệ thống Radio của IMT-2000......................................................8
Hình 3.1 : Đường cong tải hướng lên và sự ước lượng
độ tăng tải khi thêm một UE...................................................................22
Hình 3.2 : Ánh xạ của các lớp lưu lượng UMTS tới
lập lịch và các kênh vận tải.....................................................................24
Hình 3.3 : Các giao thức gói điển hình trong WCDMA........................................... 24
Hình 3.4 : Chồng giao thức kế hoạch người dùng
cho duyệt Web HTTP.............................................................................25
Hình 3.5 : Ví dụ của lợi thế cửa sổ TCP..................................................................26
Hình 3.6 : Ví dụ về cửa sổ tắc nghẽn trong bắt đầu
chậm và chuyển giao nhanh....................................................................27
Hình 3.7 : Sự thiết lập (a) và giải phóng (b) kết nối TCP........................................29
Hình 4.1 : Ước lượng tải dựa trên thông lượng và công suất băng rộng..................38
Hình 4.2 : Quá trình dự tính mạng vô tuyến WCDMA............................................ 41
Hình 4.3 : Tính toán khoảng cách tế bào.................................................................47
Hình 4.4 : Độ tăng tạp âm hướng lên là hàm của
thông lượng dữ liệu hướng lên................................................................51
Hình 4.5 : Mô hình chuyển giao mềm với hai cell................................................... 53
Hình 4.6 : Tổn hao đường truyền cực đại và trung bình trong các cell lớn..............54
Hình 4.7 : Cung cấp dung lượng cho site macro 3 sector......................................... 56
Hình 4.8 : Dung lượng trên km2 cho một nhà cung cấp
UMTS với các lớp lớn và nhỏ.................................................................57
Hình 4.9 : Điều khiển công suất mạch vòng kín trong WCDMA............................61
Hình 4.10: Điều khiển công suất mạch vòng kín chống lại Fading........................... 63
Hình 4.11: Công suất phát và thu trong kênh Fading
Rayleigh hai đường tại 3km/h.................................................................66
Hình 4.12: Công suất phát và thu trong kênh Fading
Rayleigh ba đường tại 3km/h..................................................................66
Hình 4.13: Sự tăng công suất trong kênh Fading với
điều khiển công suất nhanh.....................................................................67
Hình 4.14: Ảnh hưởng của công suất thu và phát đến các mức nhiễu.......................68
Hình 4.15: Độ dịch công suất hướng xuống trong chuyển giao mềm.......................69
Hình 4.16: Kiểm tra tính chân thực của các lệnh điều khiển công suất
hướng lên trong UE, chuyển giao mềm...................................................71
Hình 4.17: Độ lệch công suất để nâng cao chất lượng
báo hiệu hướng xuống.............................................................................71
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page viii
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
Hình 4.18: Điều khiển công suất vòng ngoài............................................................ 73
Hình 4.19: Điều khiển công suất vòng ngoài hướng lên trong RNC.........................74
Hình 4.20: Thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài chung................................74
Hình 4.21: Ước lượng chất lượng thu vòng ngoài trong RNC.................................. 76
Hình 4.22: Mã giả ngẫu nhiên của một thuật toán điều khiển
công suất vòng ngoài..............................................................................77
Hình 4.23: Đích Eb/N0 trong kênh ITU Pedestrian A, mã hóathoại AMR,
kích thước bước 0.5dB, đích BLER 1%, tốc độ 3km/h...........................77
Hình 4.24: Điều khiển công suất vòng ngoài hướng lên
đa dịch vụ trên một kết nối......................................................................79
Hình 4.25: Giải thuật chuyển giao mềm................................................................... 83
Hình 4.26: Báo cáo định kì tạo ra bởi sự kiện 1A, 1B.............................................. 86
Hình 4.27: Báo cáo tạo ra bởi sự kiện 1C................................................................. 87
Hình 4.28: Chuyển giao mềm hơn............................................................................91
Hình 4.29: Chuyển giao mềm................................................................................... 92
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page ix
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3
Bảng 4.4
Bảng 4.5
: So sánh các phương pháp ước lượng tải hướng lên................................ 37
: Các giả thiết cho MS.............................................................................. 42
: Các giả thiết cho BS............................................................................... 43
: Ngân sách liên kết tham chiếu của dịch vụ thoại 122kbps AMR............43
: Ngân sách liên kết tham chiếu của dịch vụ dữ liệu
thời gian thực 144kbps............................................................................44
Bảng 4.6 : Ngân sách liên kết tham chiếu của dịch vụ dữ liệu
thời gian không thực 384kbps.................................................................45
Bảng 4.7 : Các tham số sử dụng trong tính toán hệ số tải hướng lên.......................50
Bảng 4.8 : Các tham số sử dụng trong tính toán hệ số tải hướng xuống..................52
Bảng 4.9 : Các giá trị Eb/N0 yêu cầu có và không có điều
khiển công suất nhanh.............................................................................64
Bảng 4.10: Các công suất truyền dẫn tương đối yêu cầu có và không
có điều khiển công suất nhanh................................................................64
Bảng 4.11: Độ tăng công suất được mô phỏng. Kênh ITU người đi bộ A
đa đường với phân tập Anten..................................................................67
Bảng 4.12: Các đích Eb/N0 trung bình trong các môi trường khác nhau....................75
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page x
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ABR
Available Bit Rate
Tốc độ bít khả dụng
ATM
Asynchronous Transfer Mode
Chế độ truyền tải dị bộ
BER
Bit Error Ratio
Tỉ lệ lỗi bít
B-ISDN
Broadband Integrated Services
Digital Network
Mạng số đa dịch vụ tích hợp
băng rộng
BLER
Block Error Ratio
Tỉ lệ lỗi khối
BS
Base Station
Trạm gốc
BTS
Base Transceiver Station
Trạm thu phát gốc
CAC
Connection Admision Control
Điều khiển chập nhận cuộc nối
CBR
Constant Bit rate
Tốc độ bít bất biến
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo mã
CDVT
Cell Delay Variation Tolerance
Dung sai biến động trễ cell
CLS
Controlled Load Service
Dịch vụ điều hòa tải
CPCH
Common Packet Channel
Kênh gói chung
CPICH
Common Pilot Channel
Kênh Pilot chung
CRC
Cyclic Redundancy Check
Mã kiểm tra độ dư vòng
DCH
Dedicated Channel
Kênh dành riêng
DPCCH
Dedicated Physical Control
Channel
Kênh điều khiển vật lý dành
riêng
DPDCH
Dedicated Physical Data Channel
Kênh dữ liệu vật lý dành riêng
DSCH
Downlink Shared Channel
Kênh chia sẻ hướng xuống
DSCP
DiffServ Code Point
Điểm mã Diffserv
DTX
Discontinuos Transmission
European Telecommunications
Standards Institue
Evolution Data Only
Truyền dẫn rời rạc
Viện tiêu chuẩn viễn thông châu
Âu
Phát triển chỉ dữ liệu
ETSI
EV-DO
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page xi
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
EV-DV
Evolution Data and Voice
Phát triển chỉ dữ liệu và thoại
FACH
Forward Access Channel
Kênh truy cập trước
FDD
Frequency Division Duplex
Song công phân chia theo tần số
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo tần
số
FIFO
First In First Out
Cơ chế vào trước ra trước
FR
Frame Relay
Công nghệ frame relay
FTP
File Transfer Protocol
Giao thức truyền tệp
GCRA
Generic Cell rate Algorithm
Thuật toán tốc độ cell phổ quát
GFR
Guarantee Frame Rate
Tốc đô khung bảo hành
GPRS
General Packet Radio Services
Dịch vụ vô tuyến gói chung
GS
Guarantee Services
Dịch vụ bảo hành
GSM
Global System for Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
HSCSD
High Speed Circuit Switched
Data
Dữ liệu chuyển mạch vòng tốc
độ cao
HS-DSCH
High Speed Downlink Shared
Channel
Kênh chia sẻ hướng xuống tốc
độ cao
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet
ISDN
Integrated Service Digital
Network
Mạng số đa dịch vụ tích hợp
ITU
International Telecommunication
Union
Hiệp hội viễn thông quốc tế
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ
LSP
Label Switched Path
Lộ trình chuyển nhãn
LSR
Label Switch Router
Router chuyển nhãn
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy nhập phương
tiện
MPLS
Multi Protocol Label Switching
Chuyển nhãn đa giao thức
MRC
Maximum Rate Combination
Kết hợp tỉ lệ tối đa
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page xii
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
MS
Mobile Station
Thuê bao di động
nrt-VBR
non-real-time Variable Bit Rate
Tốc độ bít khả biến không thời
gian thực
OVSF
Orthogonal Variable Spreading
Factor
Hệ số trải biến thiên trực giao
PCR
Peak Cell Rate
Tốc độ cell đỉnh
PDA
Personal Digital Assistant
Thiết bị số hỗ trợ cá nhân
PDCP
Packet Data Converge Protocol
Giao thức hội tụ gói dữ liệu
PFQ
Packet Fair Queuing
Hàng chờ gói công bằng
PHB
Per Hop Behavior
Ứng xử từng bước nhảy
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
RACH
Random Access Channel
Kênh truy nhập ngẫu nhiên
RLC
Radio Link Controller
Điều khiển liên kết vô tuyến
RM
Resource Management
Quản lý tài nguyên
RNC
Radio Network Controller
Bộ điều khiển mạng vô tuyến
RTP
Real Time Protocol
Giao thức thời gian thực
RSVP
Resource Reservation Protocol
Giao thức dành tài nguyên
RTO
Retransmission Time Out
Time out truyền dẫn lại
rt-VBR
real time Variable Bit Rate
Tốc độ bít khả biến thời gian
thực
SCR
Sustainable Cell Rate
Tốc độ cell xác nhận được
SIR
Signal to Interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
TCP
Transport Control Protocol
Giao thức điều khiển truyền dẫn
TDD
Time Division Duplex
Song công phân chia theo thời
gian
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
TD-SCDMA
Time Division Synchronous
CDMA
CDMA đồng bộ phân chia theo
thời gian
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page xiii
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng
dịch vụ viễn thông
TFCI
Transport Format Combination
Indicator
Chỉ thị kết hợp định dạng truyền
dẫn
TOS
Type Of Services
Loại dịch vụ
UBR
Undefined Bit Rate
Tốc độ bít không xác định
UDP
User Datagram Protocol
Giao thức khối dữ liệu người
dùng
UE
User Equipment
Thiết bị người dùng
UMTS
Universal Mobile
Telecommunication Services
Dịch vụ viễn thông di động toàn
cầu
VBR
Variable Bit Rate
Tốc độ bít khả biến
VoIP
Voice over Internet Protocol
Thoại trên nền giao thức
Internet
VPN
Virtual Private Network
Mạng riêng ảo
WCDMA
Wideband Code Division
Multiple Access
CDMA băng rộng
Wifi
Wireless Fidelity
Công nghệ mạng cục bộ không
dây chuẩn IEEE 802.11
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng cục bộ không dây
Nguyễn Đình Thịnh
[Type text]
Page xiv
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương
dịch vụ viễn thông
Chương 1.
LỘ TRÌNH LÊN 3G CỦA MẠNG VIỄN THÔNG
Điện thoại di động là một trong những thành tựu nổi bật về công nghệ và thương
mại trong những năm gần đây. Kể từ khi có sự ra đời của điện thoại di động, vị trí của
nó trong thị trường đã phát triển một cách chóng mặt từ một thiết bị mang tính chuyên
biệt, rồi trở thành vật dụng thiết yếu đối với cuộc sống và kinh doanh. Qua hai thập lỷ
gần đây, kết hợp với sự giảm đáng kể chi phí cho hoạt động và sự phát triển của những
ứng dụng, dịch vụ mới lạ, thị trường công nghệ ngày càng lớn mạnh. Vào khoảng giữa
năm 2000, ở châu Âu có trên 220 triệu thuê bao di động, và trên toàn cầu, con số này là
580 triệu. Ở Vương Quốc Anh, cứ hai người thì một người có máy điện thoại di động,
trong khi đó ở Phần Lan, số lượng máy điện thoại di động tính theo đầu người đã vượt
quá số hộ sử dụng điện thoại cố định.
Sự phát triển của truyền thông di động đã trải qua hai thế hệ và hiện tại chúng ta
đang bước vào thế hệ thứ ba (3G). Chương này sẽ phác thảo lại con đường tiến lên 3G
của mạng viễn thông toàn cầu, từ thế hệ thứ nhất (1G) với công nghệ tương tự và loại
hình dịch vụ chủ yếu là truyền thoại, tới thế hệ thứ hai (2G) với công nghệ số, và hiện
tại là thế hệ 3G. Với hệ thống truyền thông di động 3G, khả năng cung cấp đa dạng các
loại hình dịch vụ và ứng dụng tốc độ cao đã thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng.
1.1. Lộ trình lên 3G
1.1.1. Tổng quan
Nguyễn Đình Thịnh
lớp K9C
1
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương
dịch vụ viễn thông
Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G),
sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền
kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Nhược điểm của các hệ
thống này là chất lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp và dung lượng nhỏ. Vào cuối thập
niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ hai (2G) được đưa vào khai thác sử dụng công nghệ
số, đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) kết hợp đa truy nhập phân chia theo
tần số. Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di
động toàn cầu GSM ở Châu Âu. Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy nhập phân chia theo
mã (CDMA) trở thành loại hệ thống 2G thứ hai khi Hàn Quốc đưa ra công nghệ
CDMA (năm 1990) và sau đó Mỹ đưa ra Tiêu chuẩn nội địa IS-95, nay gọi là
cdmaOne.
TDMA
TDMA
(GSM
(GSM -- Châu
Châu Âu)
Âu)
WCDMA
WCDMA
(UMTS)
(UMTS)
CDMA/IS-95
CDMA/IS-95
(Hàn
(Hàn Quốc/Mỹ)
Quốc/Mỹ)
cdma2000
cdma2000
2G
2G
3G
3G
FDMA
FDMA
1G
1G
Hình 1.1: Lộ trình lên 3G
Tất cả các hệ thống 2G đều có khả năng cung cấp chất lượng và dung lượng cao
hơn. Chuyển vùng trở thành một phần của dịch vụ và vùng phủ sóng cũng ngày một
rộng hơn, nhưng vẫn phải đối mặt với các vấn đề hạn chế về dung lượng trên nhiều thị
trường. Thông tin di động ngày nay đang tiến tới một hệ thống thế hệ thứ ba hứa hẹn
dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dữ liệu di động tốc độ cao hơn và sử dụng các ứng
dụng đa phương tiện. Các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ 3 (3G) cần cung cấp dịch vụ
thoại với chất lượng tương đương các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền số liệu có
tốc độ từ 144Kbps đến 2 Mbps. Hiện đang có 2 hệ thống tiêu chuẩn hoá: một chuẩn
Nguyễn Đình Thịnh
lớp K9C
2
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương
dịch vụ viễn thông
dựa trên hệ thống CDMA băng hẹp IS-95, được gọi là cdma2000. Chuẩn kia là sự kết
hợp của các tiêu chuẩn Nhật Bản và châu Âu do Dự án Hợp tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) tổ
chức. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn vô tuyến tên là truy nhập vô tuyến mặt đất
(UTRA - UMTS Terrestrial Radio Access) UMTS. Tiêu chuẩn này có 2 sơ đồ truy
nhập vô tuyến. Một trong số đó sắp xếp các cặp dải tần thông qua ghép song công phân
chia theo tần số (FDD) - thường gọi là CDMA băng thông rộng (WCDMA). Hình vẽ
dưới đây mô tả sơ lược con đường tiến lên 3G của hệ thống thông tin di động.
1.1.2. FDMA, TDMA và CDMA
Trước khi xem xét tương lai 3G, cũng cần khảo sát hoạt động của từng giao diện
nói trên. Thứ nhất, các kênh này được ghép cặp sao cho một kênh đi từ trạm di động
đến trạm gốc và kênh kia đi từ trạm gốc đến trạm di động, tạo điều kiện cho liên lạc
song công. Thứ hai, có một tập các kênh điều khiển 2 chiều dùng để điều khiển các
kênh thoại. Cuối cùng, giao diện không gian cần một quy trình mà ở đó, các kênh thoại
được phân bổ cho nhiều người dùng đồng thời. Chúng ta gọi FDMA, TDMA và
CDMA là các phương thức phân bổ kênh của giao diện không gian.
FDMA là phương thức phân bổ đầu tiên và ra đời sớm nhất. Một thuê bao muốn
tạo một cuộc gọi sẽ phải nhập số điện thoại cần gọi và nhấn phím gửi. Nếu còn dung
lượng thoại cho tế bào, một cặp kênh sẽ được phân bổ cho trạm di động để phục vụ
đàm thoại - mỗi kênh cho một chiều thoại. Xét trên một sơ đồ phân bổ tế bào điển hình,
số chiều thoại tối đa của một tế bào bất kỳ là khoảng 60. Rõ ràng là không thể phục vụ
hàng triệu người dùng với một dung lượng hạn chế như thế.
Các hệ thống TDMA khắc phục vấn đề dung lượng kênh bằng cách chia kênh
vô tuyến đơn thành các khe thời gian và phân bổ 1 khe thời gian cho mỗi thuê bao. Ví
dụ, hệ thống TDMA của Hoa Kỳ có 3 khe thời gian trên mỗi kênh trong khi hệ thống
GSM có 8 khe thời gian trên mỗi kênh. Để sử dụng các khe thời gian, tín hiệu thoại
tương tự cần được chuyển sang dạng số. Một bộ mã hoá thoại, được gọi là vocoder,
thực hiện công việc này. Dung lượng có được ban đầu hơi nhỏ song với việc dùng các
vocoder tốc độ bít thấp, số kênh thoại trên mỗi kênh vô tuyến có thể được tăng lên
đáng kể.
Nguyễn Đình Thịnh
lớp K9C
3
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương
dịch vụ viễn thông
Các hệ thống CDMA giải quyết vấn đề dung lượng theo một cách hoàn toàn
khác. Nó cũng dùng vocoder để số hoá tín hiệu thoại nhưng không phân bổ khe thời
gian mà gán cho mỗi chiều thoại một mã duy nhất trước khi đưa lên kênh vật lý. Quá
trình này còn được gọi là điều chế tạp âm vì tín hiệu đầu ra của nó giống như tạp âm
nền. Điều này có nghĩa là số tối đa các cuộc gọi trong hệ thống CDMA là một phương
trình của tạp âm nền cộng với các tạp âm do mỗi cuộc gọi tạo ra. So sánh với TDMA,
CDMA có dung lượng cao hơn với chất lượng bằng hoặc tốt hơn. Con đường GSM sẽ
tới là CDMA băng thông rộng (WCDMA) trong khi CDMA sẽ là cdma2000.
1.1.3. Hướng về 3G
Từ thập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển
một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động. Kết quả là một sản phẩm
được gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000). Con số 2000 có nghĩa là sản
phẩm này sẽ có mặt vào khoảng năm 2000, nhưng thực tế là chậm đến 2, 3 năm. IMT2000 không chỉ là một bộ dịch vụ, nó đáp ứng ước mơ liên lạc từ bất cứ nơi đâu và vào
bất cứ lúc nào. Để được như vậy, IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất
và/hoặc vệ tinh. Hơn thế nữa, IMT-2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ
các mạng cố định và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương
tiện di động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng.
Như đã nói, các hệ thống 3G cần phải hoạt động trên một dải phổ đủ rộng và
cung cấp được các dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện. Đối với một thuê bao hoạt
động trên một ô siêu nhỏ (picocell), tốc độ dữ liệu có thể đến 2,048 Mbps. Với một
thuê bao di động với tốc độ chậm hoạt động trên một ô cực nhỏ (microcell), tốc độ dữ
liệu có thể đạt tới 348 Kbps. Với một người dùng di động trên phương tiện giao thông
hoạt động trên một ô lớn (macrocell), tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 144 Kbps. Một phần
quan trọng của hệ thống này là dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu. Con đường tiến lên
3G từ 2G bắt đầu từ sự ra đời của các dịch vụ dữ liệu bùng nổ và theo gói.
1.1.4. Từ GSM lên 3G
Nguyễn Đình Thịnh
lớp K9C
4
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương
dịch vụ viễn thông
Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng
(WCDMA). Trên thị trường châu Âu, WCDMA được gọi là Hệ thống viễn thông di
động toàn cầu (UMTS). Trong cấu trúc dịch vụ 3G, cần có băng thông rất lớn và như
thế cần nhiều phổ tần hơn. Các nhà cung cấp dịch vụ châu Âu dùng hơn 100 tỷ USD để
mua phổ tần cho các dịch vụ 3G; các nhà cung cấp dịch vụ khác trên thế giới cũng đã
phân bổ phổ 3G. ở Hoa Kỳ, FCC chưa thể nhanh chóng phân bổ bất cứ phổ nào cho
các dịch vụ 3G. Hoa Kỳ có khoảng 190MHz phổ tần phân bổ cho các dịch vụ vô tuyến
di động trong khi phần còn lại của thế giới chỉ được phân bổ 400 MHz. Vì thế có thể
tin rằng sự phát triển lên 3G ở Hoa Kỳ sẽ rất khác với phần còn lại của thế giới.
Để đến 3G có lẽ cần phải đi qua giai đoạn 2.5G. Nói chung, 2.5G bao gồm một
hoặc tất cả các công nghệ sau: Dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), Dịch vụ
vô tuyến gói chung (GPRS), Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn
cầu (EDGE).
HSCSD là phương thức đơn giản nhất để nâng cao tốc độ. Thay vì một khe thời
gian, một trạm di động có thể sử dụng một số khe thời gian để kết nối dữ liệu. Trong
các ứng dụng thương mại hiện nay, thông thường sử dụng tối đa 4 khe thời gian, một
khe thời gian có thể sử dụng hoặc tốc độ 9,6kbit/s hoặc 14,4Kbps. Đây là cách không
tốn kém nhằm tăng dung lượng dữ liệu chỉ bằng cách nâng cấp phần mềm của mạng (dĩ
nhiên là cả các máy tương thích HSCSD). Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là cách
sử dụng tài nguyên vô tuyến. Bởi đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định
việc sử dụng các khe thời gian một cách liên tục, thậm chí ngay cả khi không có tín
hiệu trên đường truyền.
Giải pháp tiếp theo là GPRS và dường như là giải pháp được nhiều nhà cung cấp
lựa chọn. Tốc độ dữ liệu của nó có thể lên tới 115,2kbit/s bằng việc dùng 8 khe thời
gian. Nó được quan tâm vì là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó không sử dụng tài
nguyên vô tuyến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có một cái gì đó để gửi đi.
GPRS đặc biệt thích hợp với các ứng dụng phi thời gian thực như email, lướt Web.
Triển khai hệ thống GPRS thì tốn kém hơn hệ thống HSCSD. Mạng này cần các thành
phần mới, cũng như cần sửa đổi các thành phần hiện có nhưng nó được xem là bước đi
cần thiết để tiến tới tăng dung lượng, dịch vụ. Một mạng GSM mà không có khả năng
GPRS sẽ không tồn tại lâu trong tương lai.
Nguyễn Đình Thịnh
lớp K9C
5
Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương
dịch vụ viễn thông
Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển
GSM hay toàn cầu (EDGE), tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384Kbps với 8 khe thời gian.
Thay vì 14,4Kbps cho mỗi khe thời gian, EDGE đạt tới 48Kbps cho một khe thời gian.
ý tưởng của EDGE là sử dụng một phương pháp điều chế mới được gọi là 8PSK.
EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với các mạng GSM vì nó chỉ yêu cầu
một phần mềm nâng cấp trạm gốc. Nó không thay thế hay nói đúng hơn cùng tồn tại
với phương pháp điều chế khóa dịch tối thiểu Gaussian (GMSK), được sử dụng trong
GSM, nên các thuê bao có thể tiếp tục sử dụng máy di động cũ của mình nếu không
cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn. Xét trên khía cạnh kỹ thuật, cũng cần
giữ lại GMSK cũ vì 8PSK chỉ có hiệu quả ở vùng hẹp, với vùng rộng vẫn cần GMSK.
Nếu EDGE được sử dụng cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng
cấp (EGPRS), còn sự kết hợp của EDGE và HSCSD được gọi là ECSD.
WCDMA thực sự là một dịch vụ vô tuyến băng thông rộng sử dụng băng tần
5MHz để đạt được tốc độ dữ liệu lên tới 2Mbit/s. Hiện tại cả châu Âu và Nhật Bản đều
đang thử nghiệm/triển khai WCDMA và công nghệ này đang tiến triển nhanh trên con
đường thương mại hoá.
1.1.5. Từ IS-95 đến cdma2000
CDMA không chuyển ngay sang 3G do thiếu phổ tần trên thị trường Hoa Kỳ.
Thị trường Hàn Quốc đã thử nghiệm cdma2000 trên phổ tần 3G của mình. Cũng như
đối với GSM, Hoa Kỳ và phần còn lại của thế giới có những con đường rất khác nhau
để đi đến 3G. cdma2000 được cấu trúc theo cách để cho phép nhiều mức dịch vụ 3G
trên kênh IS-95 1,25MHz truyền thống. Các dịch vụ này là cdma2000 1xRTT (một thời
được gọi là công nghệ truyền dẫn vô tuyến kích thước kênh IS-95). Với công suất 3G
tối đa, cdma2000 sử dụng một kênh 3,75 MHz, lớn gấp 3 lần kênh truyền thống, gọi là
3xRTT. Hệ thống 1xRTT sử dụng một sơ đồ điều chế hiệu quả hơn để tăng gấp đôi số
lượng thuê bao thoại và tạo ra các kênh dữ liệu lên tới 144Kbps. Tốc độ này đã cho
phép một số nhà cung cấp dịch vụ cho rằng mình đang thực hiện 3G. Trong thực tế, tốc
độ người dùng sẽ ở trong khoảng 50-60Kbps. Dữ liệu theo sơ đồ 1xRTT sẽ được
chuyển mạch gói để đảm bảo sử dụng kênh hiệu quả. Tốc độ lên tới 2,4Mbps có thể đạt
Nguyễn Đình Thịnh
lớp K9C
6
- Xem thêm -