Tài liệu Nghiên cứu quy hoạch mạng 3g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ HẰNG NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH MẠNG 3 G LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà nội – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ HẰNG NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH MẠNG 3 G Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số :60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Quốc Tuấn Hà nội – 2010 1 MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................................................3 LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ......................................9 1.1 Giới thiệu chung ...........................................................................................................9 1.2 Tổng quan về hệ thống thông tin di động .....................................................................9 1.3 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 .........................................13 1.3.1. So sánh hệ thống CDMA với hệ thống sử dụng TDMA .........................14 1.3.1.1. Các phƣơng pháp đa truy nhập .............................................................14 1.3.1.2. So sánh hệ thống CDMA và hệ thống sử dụng TDMA ........................15 1.4 Các yêu cầu cơ bản về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 .................................16 1.4.1. Những mục tiêu chƣa thực hiện đƣợc của hệ thống di động thế hệ 2 ......16 1.4.2. Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3 .............16 1.5 Kết luận chƣơng .........................................................................................................17 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA – UMTS ................................18 2.1 Giới thiệu chung .........................................................................................................18 2.2 Cấu trúc hệ thống WCDMA .......................................................................................19 2.2.1. Mạng thâm nhập vô tuyến (UTRAN) ......................................................20 2.2.2 Mạng lõi(CN) ............................................................................................21 2.2.3. Thiết bị ngƣời sử dụng (UE) ....................................................................22 2.3 Công nghệ đa truy nhập W – CDMA .........................................................................23 2.3.1 Đa truy nhập phân chia theo mã................................................................24 2.3.2 Trải phổ và các mã trải phổ .......................................................................25 2.3.3 Điều khiển công suất ................................................................................26 2.3.4 Chuyển giao trong hệ thống W-CDMA ....................................................29 2.3.5 Truy nhập gói trong W-CDMA ...............................................................30 2.4 Kết luận chƣơng .........................................................................................................32 CHƢƠNG 3: QUY HOẠCH MẠNG 3G .............................................................................33 3.1 Giới thiệu chung .........................................................................................................33 3.2 Quá trình quy hoạch mạng..........................................................................................34 3.2.1 Xác định kích thƣớc ô (Định cỡ mạng).....................................................34 3.2.1.1 Phân tích vùng phủ .................................................................................35 3.2.1.2 Phân tích dung lƣợng .............................................................................39 3.2.2 Tính suy hao đƣờng truyền cho phép ........................................................47 3.2.2.1 Suy hao đƣờng truyền cực đại ................................................................47 3.2.2.2 Các mô hình truyền sóng .......................................................................48 3.2.3 Tính dung lƣợng ........................................................................................53 3.2.3.1. Tính dung lƣợng cực .............................................................................53 3.2.3.2 Tính dung lƣợng hệ thống ......................................................................55 3.3 Tối ƣu mạng................................................................................................................58 Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 2 3.4 Kết luận chƣơng .........................................................................................................59 CHƢƠNG 4: QUY HOẠCH VÙNG PHỦ SÓNG TỈNH THÁI BÌNH...............................60 4.1 Giới thiệu chƣơng .......................................................................................................60 4.2 Giải thuật PAM (Partition Around Mediods) .............................................................61 4.2.1 Giới thiệu thuật toán PAM ........................................................................61 4.2.2 Giải thuật M-PAM (Modified – PAM) .....................................................63 4.2.3 Giải thuật CWN-PAM (Clustering with Weighted Node – PAM) ...........64 4.2.4 So sánh giải thuật M –PAM và CWN – PAM ..........................................65 4.3 Áp dụng quy hoạch vùng phủ sóng tỉnh Thái Bình ....................................................66 4.3.1 Bản đồ khu vực khảo sát ...........................................................................66 4.3.2 Các số liệu đƣợc thống kê trong khu vực khảo sát ...................................66 4.3.3 Quy hoạch vùng phủ sóng .........................................................................67 4.3.4 Nhận xét về giải thuật và khả năng áp dụng thực tế .................................71 KẾT LUẬN ..........................................................................................................................73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................74 PHỤ LỤC .............................................................................................................................76 Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 3 CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1G First Generation Thế hệ 1 2G Second Generation Thế hệ 2 3G Third Generation Thế hệ 3 AuC Authentication Centre Trung tâm nhận thực AMPS Advanced Mobile phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến AGC Auto Control Điều khiển bộ tăng ích tự động BHCA Busy Hours Call Attemp Nỗ lực gọi trong giờ bận BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BS Basic Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập chia theo mã CDMT Code Divisiion Multiple Testbed Bộ thí nghiệm đa truy nhập theo mã C/I Carrier to Interference ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu CMTS Cellular Mobile Telephone System Hệ thống điện thoại tổ ong A B C Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh CSPND CGI Cell Global Indentify Nhận dạng ô toàn cầu CN Core Network Mạng lõi Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 4 Chuyển mạch kênh CS D DL Downlink Đƣờng lên DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA Direct Spread –CDMA CDMA trải phổ dãy trực tiếp EIR Equipment Identity Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIRP Effective Isotropically Radiated Power Công suất phát xạ đẳng hƣớng hiệu dụng FDMA Frequency Access Đa truy cập phân chia tần số FRAMES Future Radio Multiple Access Kiểu đa truy nhập vô tuyến tƣơng lai Scheme FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia tần số FER Frame Error Rate Tỉ lệ lỗi khung GMSC Gateway MSC Cổng MSC GoS Grade of Service Cấp độ dịch vụ GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GGSN Gateway GPRS Support Node Nút chuyển mạch cổng GPRS HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thƣờng trú HO Hand over Chuyển giao HHO Hard Handover Chuyển giao cứng IS-95A Interim Standard 95A Chuẩn Interim 95A (Qualcomm) ISDN Integrated Service Digital Net Mạng số đa dịch vụ E F Division Multiple G H HSPA I Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 5 I WF Inter-Working Function Chức năng tƣơng tác mạng Giao diện giữa MSC & RNC Iu-CS L LA Location Area Khu vực định vị LAC Location Area Code Mã định vị LAI Location Area Identity Chỉ thị định vị MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập ME Mobile Equipment Thiết bị di động MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động MSIM Module SIM Module nhận dạng thiết bị Operations and Maintenance Vận hành và bảo dƣỡng PN Pseudo Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PS Paging System Nhắn tin PS Packet Scheduler Bộ lập biểu gói QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc RLB Radio Link Budgets Quỹ liên kết vô tuyến RRC Radio Resource Control Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến M O O&M OSS P Q R Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 6 RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RNC Radio Network Control Bộ điều khiển mạng vô tuyến Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu S SNR Nút hỗ trợ chuyển mạch gói SGSN SHO Shoft Hand-Over Chuyển giao mềm SHO-HO Shofter Handover Chuyển giao mềm hơn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian UE User Equipment Thiết bị ngƣời sử dụng UL Uplink Đƣờng lên UMTS Universal Mobile Telecommunication System Nhận dạng thiết bị UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network Mang truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị thƣờng trú VHE Virtual Home Environment Môi trƣờng thanh ghi ảo Wide-Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng T U V W W-CDMA Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 7 LỜI MỞ ĐẦU Sự ra đời của hệ thống thông tin liên lạc đã đánh dấu bƣớc nhảy vọt về ngành viễn thông và ngày nay thông tin liên lạc không ngừng lớn mạnh và phát triển. Đó cũng là nhu cầu tất yết trong cuộc sống hiện đại ngày nay. Các hệ thống thông tin di động ra đời đã tạo cho con ngƣời khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Các thế hệ thông tin di động ban đầu 1G, 2G đơn giản chỉ nhận và gửi các tin nhắn và cuộc gọi thoại đơn giản. Sự ra đời của thế hệ 3G đã đánh dấu sự bùng nổ nhƣ vũ bão về thông tin liên lạc cũng nhƣ sự đa dạng của dịch vụ 3G (Third – Generation ) đem đến. 3G là một bƣớc đột phá, bƣớc ngoặt của ngành thông tin 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 có hình (hai ngƣời đàm thoại với nhau có thể nhìn thấy nhau), 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. Thế giới đang có 2 hệ thống 3G đƣợc chuẩn hóa song song tồn tại, một dựa trên công nghệ CDMA còn gọi là CDMA 2000, chuẩn còn lại do dự án 3rd Generation Partnership Project (3GPP) thực hiện. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn UTRA - UMTS Terrestrial Radio Access TS. Tiêu chuẩn này có 2 sơ đồ truy nhập vô tuyến. Một trong số đó đƣợc gọi là CDMA băng thông rộng (WCDMA). Việc quy hoạch mạng 3G có ý nghĩa quan trọng trong việc hoạch định các chính sách và khai thác sử dụng mạng có hiệu suất cao. Hiện nay, các mạng thông tinh di động 3G – UMTS đang đƣợc các nhà cung cấp VinaPhone, Viettel … đƣa vào hoạt động tại Việt nam. Việc quy hoạch mạng W-CDMA 3G có ý nghĩa vô cùng quan trọng cả về khoa học lẫn khai thác sử dụng, chính ý nghi muốn đi tìm hiểu về mạng 3G. Chính lí do đó đã thúc đẩã quan trọng đó em thực hiện luận văn: “Nghiên cứu quy hoạch mạng 3G” (WCDMA). Luận văn trình bày 4 chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan về thông tin di động, Chƣơng 2: Công nghệ di động thế hệ 3 WCDMA Chƣơng 3: Quy hoạch mạng W-CDMA, Chƣơng 4: Quy hoạch vùng phủ sóng tỉnh Thái Bình Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 8 Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Tuấn và các thầy cô giáo cùng bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này !. Luận văn thạc sĩ này nằm trong khuôn khổ và đƣợc hỗ trợ bởi đề tài nghiên cứu khoa học số QG.10.44 cấp Đại học Quốc Gia Hà Nội Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010. Ngƣời thực hiện Học viên: Trần Thị Hằng Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 9 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tƣơng tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia phân chia theo tần số (FDMA). Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA). Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lƣợng và ứng dụng so với các thế hệ trƣớc đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phƣơng tiện gói là thế hệ đang đƣợc triển khai ở một số quốc gia trên thế giới. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động trên thế giới đƣợc thể hiện sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular Mobile Telephone System) và nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới một hệ thống chung toàn cầu trong tƣơng lai. 1.2 Tổng quan về hệ thống thông tin di động Toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động tổ ong đƣợc chia thành nhiều vùng phục vụ nhỏ, gọi là các ô (cell), mỗi ô có một trạm gốc quản lý và đƣợc điều khiển bởi tổng đài sao cho thuê bao có thể vẫn duy trì đƣợc cuộc gọi một cách liên tục khi di chuyển giữa các ô. Hình 1.1. Hệ thống thông tin di động tổ ong Trong hệ thống điện thoại di động tổ ong thì tần số mà các máy di động sử dụng là không cố định ở một kênh nào đó mà các kênh đƣợc xác định nhờ kênh báo hiệu và máy di động đƣợc đồng bộ về tần số một cách tự động. Vì vậy các ô kề nhau nên sử Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 10 dụng tần số khác nhau còn các ô ở cách xa hơn là một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó. Để cho phép các máy di động có thể duy trì cuộc gọi liên tục trong khi di chuyển giữa các ô thì tổng đài sẻ điều khiển các kênh báo hiệu hoặc kênh lƣu lƣợng theo sự di chuyển của máy di động để chuyển đổi tần số của máy di động đó thành một tần số thích hợp một cách tự động. 1.2.1 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 1 Phƣơng pháp đơn giản nhất về truy nhập kênh là đa truy nhập phân chia tần số. Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phƣơng pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tƣơng tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tƣơng tự để mang dữ liệu thoại của mỗi ngƣời sử dụng .Với FDMA, khách hàng đƣợc cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận đƣợc dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lƣu lƣợng ngƣời dùng . Trong trƣờng hợp nếu số thuê bao nhiều hơn so với các kênh tần số có thể, thì một số ngƣời bị chặn lại không đƣợc truy cập. Đa truy nhập phân chia theo tần số nghĩa là nhiều khách hàng có thể sử dụng đƣợc dãi tần đã gán cho họ mà không bị trùng nhờ việc chia phổ tần ra thành nhiều đoạn .Phổ tần số quy định cho liên lạc di dộng đƣợc chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và đƣợc cách nhau bằng một dải tần phòng vệ. Mỗi dải tần số đƣợc gán cho một kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành cho liên lạc hƣớng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hƣớng xuống . Đặc điểm : - Mỗi MS đƣợc cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến . - Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể . - BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS . Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (Advanced Mobile phone System - AMPS). Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) sử dụng phƣơng pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của ngƣời dùng về cả dung lƣợng và tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đƣa ra hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2 ƣu điểm hơn thế hệ 1 về cả dung lƣợng và các dịch vụ đƣợc cung cấp. Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 11 1.2.2 . Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2 Sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lƣợng và chất lƣợng đòi hỏi hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đƣợc đƣa ra cho các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Thông tin di động 2G sử dụng 2 phƣơng pháp đa truy cập khác nhau: - Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA). - Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA). 1.2.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA. Với phƣơng pháp truy cập TDMA thì nhiều ngƣời sử dụng một sóng mang và trục thời gian đƣợc chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều ngƣời sử dụng sao cho không có sự chồng chéo. Phổ quy định cho liên lạc di động đƣợc chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao đƣợc cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung. Đặc điểm của GSM : - Tín hiệu của thuê bao đƣợc truyền dẫn số. - Liên lạc song công mỗi hƣớng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một băng tần đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng tần đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc phân chia tần nhƣ vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không sợ can nhiễu nhau. - Giảm số máy thu phát ở BTS. - Giảm nhiễu giao thoa. Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM). Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tƣơng tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 01 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106 lệnh trên giây. 1.2.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA. Phƣơng pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều ngƣời sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những ngƣời sử dụng nói trên đƣợc phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trƣng không trùng với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến CDMA đƣợc dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, những kênh này cũng đƣợc phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN). Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 12 Đặc điểm của CDMA : - Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz. - Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp. - Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cƣờng độ trƣờng rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.. - Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lƣợng cell rất linh hoạt. Cell là vùng định vị đƣợc chia thành một số ô địa lý đƣợc bao phủ vô tuyến (hình 1.2) và đƣợc mạng định danh bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI). Trạm di động tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC). Hình 1.2: Phân vùng một vùng phục vụ MSC thành các vùng định vị và các ô 1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Hệ thống thông tin di động số thế hệ ba liên quan đến những cải tiến đang đƣợc thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại và dữ liệu thông qua nhiều chuẩn trong những chuẩn hiện nay. Khi số lƣợng thiết bị cầm tay đƣợc thiết kế để truy cập Internet gia tăng, yêu cầu đặt ra là phải có đƣợc công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn (từ 9.5Kbps tăng dần lên 2Mbps) và chất lƣợng hơn. 3G đòi hỏi việc nâng cao chất lƣợng thoại, và dịch vụ dữ liệu để hỗ trợ việc gửi nội dung video và multimedia đến các thiết bị cầm tay và điện thoại di động. Các hệ thống thông tin di động số hiện nay đang ở giai đoạn chuyển từ thế hệ 2.5G sang thế hệ 3G. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và các dịch vụ thông tin di động, ngay từ đầu những năm đầu của thập kỷ 90 ngƣời ta đã tiến hành nghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba. ITU-R đang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở châu Âu ETSI đang tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunnication System). Hệ thống mới này sẽ làm việc ở dải tần 2GHz. Nó sẽ Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 13 cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của ngƣời sử dụng có thể lên đến 2Mbps. Ngƣời ta cũng đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tƣ có tốc độ lên đến 32Mbps. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G) đƣợc xây dựng trên cơ sở IMT – 2000 với các tiêu chí sau:  Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz với đƣờng lên có dải tần 18852025MHz và đƣờng xuống có dải tần 2110-2200MHz.  Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến, tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tƣơng tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.  Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trƣờng khai thác khác nhau.  Có thể hỗ trợ các dịch vụ nhƣ : Môi trƣờng thông tin nhà ảo (VHE – Vitual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch toàn cầu, đảm bảo chuyển mạng quốc tế, đảm bảo các dịch vụ đa phƣơng tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.  Dể dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện. Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay là : GSM, cdmaOne (IS-95), TDMA (IS-136), PDC. Trong quá trình thiết kế hệ thống thông tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ hai đƣợc cơ quan chuẩn hóa của từng vùng xem xét để đƣa ra các đề xuất tƣơng ứng thích hợp với mỗi vùng. 1.3 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 Công trình nghiên cứu của các nƣớc Châu Âu cho W-CDMA đã bắt đầu từ các đề án CDMT (Code Division Multiple Testbed): Phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã) và FRAMES (Future Radio Multiple Access Scheme: Sơ đồ đa truy nhập vô tuyến tƣơng lai) từ đầu thập niên 90. Các dự án này cũng tiến hành thực nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lƣọng đƣờng truyền. Công tác tiêu chuẩn hoá chi tiết đƣợc thực hiện ở 3GPP. Lịch trình triển khai W-CDMA đƣợc cho hình vẽ. Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 14 Hình 1.2. Lịch trình triển khai W – CDMA Hệ thống W-CDMA đƣợc đƣa ra khai thác vào đầu năm 2002. Lịch trình nghiên cứu và vào khai thác của cdma2000/3GPP2 chia thành 2 giai đoạn:  Giai đoạn 1: (1997 – 1999) + Nghiên cứu phát triển mẫu đầu tiên của hệ thống; + Năm 1997: Xây dựng tiêu chuẩn , xây dụng cấu trúc mẫu đầu tiên hệ thống và thiết kế các phƣơng tiện thử nghiệm chung. + Năm 1998: Tiếp tục xây dựng mẫu thử đầu tiên của hệ thống và các phƣơng tiện thử nghiệm chung; + Năm 1999: Kiểm tra kết nối cho mô hình đầu tiên của hệ thống.  Giai đoạn 2: (2000 -2002) + Phát triển hệ thống với mục tiêu thƣơng mại ở các nhà sản xuất hàng đầu ; + Năm 2002: Bắt đầu dịch vụ thƣơng mại Hình 1.3. Lịch trình nghiên cứu 1.3.1. So sánh hệ thống CDMA với hệ thống sử dụng TDMA 1.3.1.1. Các phƣơng pháp đa truy nhập Đa truy nhập phƣơng pháp điều khiển là phân chia tài nguyên thông tin một cách hợp lý để đảm bảo cho nhiều ngƣời đồng thời cùng chia sẻ sử dụng tài nguyên hệ thống với hiệu suất cao. Truy nhập vô tuyến thông tin di động thƣờng sử dụng đa truy cập theo các phƣơng pháp đa truy nhập nhƣ chỉ ra trong hình 1.9:  Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các tần số khác nhau. Hệ thống FDMA, ngƣời dùng đƣợc cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong dải tần số.  Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau. Đối với hệ thống TDMA mỗi thuê bao đƣợc cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung và đƣợc dành riêng trong suốt thời gian thoại. Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 15 tần số tần số tần số thời gian thời gian thời gian Hình 1.4. Các phương pháp đa truy nhập  Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau. Đối với hệ thống CDMA, tất cả ngƣời dùng sẻ sử dụng cùng lúc một băng tần. Tín hiệu truyền đi sẻ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống. Tuy nhiên, các tín hiệu của mỗi ngƣời dùng đƣợc phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã. Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều ngƣời sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Kênh vô tuyến CDMA đƣợc dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng đƣợc phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN. 1.3.1.2. So sánh hệ thống CDMA và hệ thống sử dụng TDMA Từ cấu trúc, đặc tính CDMA và các phƣơng pháp đa truy nhập ta rút ra bảng so sánh giữa hệ thống thông tin di động CDMA và hệ thống thông tin di động sử dụng phƣơng pháp đa truy nhập TDMA. Từ đó ta thấy những ƣu điểm của hệ thống thông tin di động CDMA hơn các hệ thống khác. Bảng 1.1. So sánh giữa mạng thông tin di động động CDMA và mạng GSM Đặc tính Băng tần sử dụng Dải tần số CDMA GMS 1,23 MHz 200 kHz - Hƣớng lên: 890–915 MHz - Hƣớng lên: 824–849 MHz - Hƣớng xuống: 869–894 MHz - Hƣớng xuống: 935–960 MHz Kênh sử dụng Nhiều ngƣời sử dụng chung một kênh Một ngƣời sử dụng một khe thời gian của một kênh Nhiễu giao thoa Ít bị ICI giữa các kênh, ảnh Ảnh hƣởng của các kênh lân Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 16 hƣởng đồng kênh cận Công suất phát Thấp để giảm nhiễu cho hệ thống Lớn để khắc phục fading Điều khiển công suất Giảm công suất phát của MS và ảnh hƣởng đến dung lƣợng Không làm thay đổi dung lƣợng của hệ thống Chất lƣợng thoại Tốt hơn Dung lƣợng Bảo mật Thấp hơn - Điều khiển dung lƣợng linh hoạt - Điều khiển dung lƣợng kém linh hoạt - Dung lƣợng hệ thống lớn - - Không có giới hạn rỏ ràng về số ngƣời sử dụng trong một cell - Số ngƣời sử dụng trong một cell là cố định Có tính bảo mật cao hơn nhờ mã trải phổ Dung lƣợng thấp Tính bao mật thông tin thấp 1.4 Các yêu cầu cơ bản về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 1.4.1. Những mục tiêu chƣa thực hiện đƣợc của hệ thống di động thế hệ 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ hai vẫn chƣa thực hiện đƣợc các mục tiêu ban đầu đề ra, không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu truyền tải tốc độ cao của một số ngƣời sử dụng, hiệu suất sử dụng thấp, không thể thực hiện hiệu quả một số kỹ thuật mới nhƣ IP... Những nhu cầu này chính là động lực để phát triển hệ thống thông tin di động tốc độ cao và do vậy những hệ thống mới bắt đầu xuất hiện và trở thành kỹ thuật trung gian quá độ sang hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Sau đây là những mục tiêu chính mà hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chƣa đạt đƣợc:  Chƣa hình thành hệ thống tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu.  Dịch vụ đơn nhất (chủ yếu là dịch vụ thoại, chỉ có thể truyền tải những thông tin ngắn và đơn giản).  Không thể thực hiện trên toàn cầu: do tiêu chuẩn phân tán và bảo hộ kinh tế nên không thể thống nhất toàn cầu và chuyển vùng toàn cầu.  Dung lƣợng thông tin không đủ. 1.4.2. Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ngoài việc giải quyết những vấn đề mà hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chƣa thực hiện đƣợc còn phải có khả năng đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của con ngƣời đối với khả năng truyền số liệu. Vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba phải thực hiện đƣợc những mục tiêu cơ bản sau: Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 17 a) Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu b) Có khả năng truyền tải đa phƣơng tiện: Hệ thống thông tin di động 3G có thể thực hiện truyền tải dịch vụ MultiMedia đa tốc độ, tốc độ cao nhất là 2Mbps. c) Tăng dịch vụ chuyển mạch gói: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chỉ có phƣơng thức chuyển mạch kênh truyền thống, hiệu suất kênh tƣơng đối thấp. Trong khi đó, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba tồn tại đồng thời cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. d) Tăng phƣơng thức truyền tải không đối xứng: Do dịch vụ số liệu mới nhƣ WWW có đặc tính không đối xứng: truyền tải đƣờng lên thƣờng chỉ cần vài Kbit/s, còn truyền tải đƣờng xuống có thể cần trăm Kbit/s. Trong khi đó, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chỉ hỗ trợ dịch vụ đối xứng. e) Khả năng tăng cƣờng số liệu: Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sẽ nâng cao hơn về phƣơng diện WWW và khả năng truyền số liệu so với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. f) Chất lƣợng truyền và chất lƣợng dịch vụ không thua kém mạng cố định: Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 làm cho chất lƣợng truyền tải đạt đến hoặc gần đến chất lƣợng của hệ thống hữu tuyến, có thể cung cấp tốc độ truyền là 144Kbps cho ngƣời đi xe, 384Kbps cho ngƣời đi bộ và 2 Mbps cho ngƣời sử dụng trong nhà. g) Nâng cao tuổi thọ của acquy: Công nghệ tích hợp tiêu hao công suất thấp đang đƣợc nghiên cứu và hi vọng có thể đƣợc ứng dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo. Kỹ thuật tích hợp silic xạ tần là hƣớng phát triển quan trọng khác có thể giảm thể tích, trọng lƣợng và sự tổn hao năng lƣợng của hệ thống. h) Hiệu suất tần phổ cao hơn: Qua việc ứng dụng những kỹ thuật mới nhƣ: điều khiển công suất nhanh, chuyển giao mềm, hệ thống anten thông minh… đã nâng cao hiệu suất phổ của hệ thống mới một cách hiệu quả. i) Hiệu suất kênh cao hơn 1.5 Kết luận chƣơng Những khái niệm và giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động đã làm nổi bật lên cơ sở và nhu cầu cấp thiết tiến lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G). Nhu cầu ngày càng tăng của ngƣời sử dụng cả về chất lƣợng và số lƣợng, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao và đa dạng và sự phát triển là tất yếu. Để hiểu rõ hơn những công nghệ và cấu trúc của hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sẽ đƣợc trình bày rõ nét trong chƣơng tiếp theo. Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà 18 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA – UMTS 2.1 Giới thiệu chung WCDMA là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G của IMT-2000 đƣợc phát triển chủ yếu ở Châu Âu với mục đích cho phép các mạng cung cấp khả năng chuyển vùng toàn cầu và để hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại, dịch vụ đa phƣơng tiện. Các mạng WCDMA đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở mạng GSM, tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của các nhà khai thác mạng GSM . Các mục tiếp theo sẽ giới thiệu cấu trúc và nguyên lý mạng WCDMA. WCDMA - truy cập đa phân mã băng rộng là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA băng hẹp có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phƣơng tiện tốc độ cao nhƣ video, truy cập Internet, hội thảo hình ảnh... WCDMA phát trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170 MHz. W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận đƣợc 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 bit thấp và trung bình. W-CDMA có các tính năng cơ sở sau : - Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz. - Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp đƣợc tất cả thông tin trên một sóng mang. - Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1. - Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến. Nhƣợc điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD phát liên tục cũng nhƣ không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi 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 Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 Nội ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà