Đề tài Tổng quan về công nghệ w-Cdma

Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 1 Tên đề tài: Tổng quan về công nghệ W-CDMA Sinh viên: Nguyễn Trung Tuấn GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà Lớp: 09LTĐT Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 2 LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ thống thông tin di động với khản năng giúp con người trao đổi thông tin mọi lúc, mọi nơi đã phát triển rất nhanh và đang trở thành không thể thiếu được trong xã hội thông tin ngày nay. Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1946, các hệ thống thông tin di động số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số lệu tốc độ thấp. Hệ thống thông tin di động 2G đánh dấu sự thành công của công nghệ GSM với hơn 70% thị phần thông tin di động trên toàn cầu hiện nay. Trong tương lai, nhu cầu các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng và có khản năng vượt quá thông tin thoại. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, video streaming, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)Đến nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã được đưa vào khai thác thương mại ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba cũng sẽ được triển khai trong cuối năm 2009 này. Đối với các nhà khai thác mạng di động GSM thì cái đích 3G là các hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT- 2000. Xuất phát từ định hướng này mà em chọn đề tài nghiên cứu về 3G. Đề tài “Tổng quan về công nghệ W-CDMA” gồm có 3 chương: Chƣơng 1: Giới thiệu các hệ thống thông tin di động Chƣơng 2: Mạng GSM và giải pháp nâng cấp lên 3G Chƣơng 3: Công nghệ W-CDMA Trong quá trình thực hiện đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Th.S. Trần Thanh Hà. Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng trong việc hoàn thành đồ án nhưng với thời gian và trình độ có hạn nên đồ án còn có nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp và chỉ dẫn thêm từ các thầy cô và các bạn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S. Trần Thanh Hà đã giúp em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 3 Nguyễn Trung Tuấn Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 4 BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT A AUC Authentication Centre Trung tâm nhận thực AMR Adaptive Multi Rate Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng ATM Asynchronous Tnsfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ B BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BSS Base Station Subsystem Hệ thống con trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSIC Base Transceiver Station Identity Code Mã nhận dạng trạm thu phát gốc BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc C CSPDN Circuit Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch CCH Control Channel Kênh điều khiển CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CGI Cell Global Identity Số nhận dạng ô CI Cell Identity Số nhận dạng tế bào CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CN Core Network Mạng lõi CS Circuit Switching Chuyển mạch kênh CTCH Common Traffic Channel Kênh lưu lượng chung CC Convolutional Code Mã xoắn CRC Cyclic Redundance Check Kiểm tra độ dư vòng D DTCH Deticated Traffic Channel Kênh lưu lượng dành riêng DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ dãy trực tiếp E ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Chân Âu EIR Equipment Identification Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị EDGE Enhanced Data tes for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM ECSD Enhanced Circuit Switched Data Tăng cường dữ liệu chuyển mạch kênh F Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 5 FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian FSK Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu FB Frequency Correction Burst Cụm hiệu chỉnh tần số FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FHSS Frequency Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy tần G GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống viễn thông toàn cầu GMSC Gateway MSC Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động cổng GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế khóa dịch pha cực tiểu Gauss GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GGSN GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS GSN GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS 3GPP Third Generation Partnership Pecject Tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin di động tế bào H HLR Home Location Register Bô ghi định vị trường trú HSCSD High Speed Circuit Switched Data Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HPSK Hybrid Phase Shift Keying Điều chế pha hỗn hợp I ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ IWF Interworking Function Các chức năng tương tác IMEI International Mobile Equipment Identity Số nhận dạng di động quốc tế IMSI International Mobile Subciber Identity Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IP Internet Protocol Giao thức Internet IF Intermediate Frequency Trung tần L LA Location Area Vùng định vị LAI Location Area Identity Số nhận dạng vùng định vị LAC Location Area Code Mã vùng định vị Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 6 LLC Logical Link Control Điều khiển kênh logic M MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động ME Mobile Equipment Thiết bị di động MSK Minimum Shift Keying Điều chế khóa pha cực tiểu MCC Mobile Country Code Mã quốc gia của mạng di động MNC Mobile Network Code Mã mạng thông tinn di động MSIN Mobile Station Identification Number Số nhận dạng trạm di động MSRN Mobile Station Roaming Number Số lưu động của thuê bao di động MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường N NMC Network Management Center Trung tâm quản lý mạng NSS Network Subsystem Phân hệ mạng O OSS Opration Subsystem Hệ thống con khai thác OMC Operation & Maintenance Center Trung tâm quản lý và bảo dưỡng P PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSPDN Packet Switched Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PDP Packet Data Protocol Giao thức dữ liệu gói PN Pseudo Noise Mã giả tạp âm PACCH Packet Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết gói PCCCH Packet Common Control Channel Kênh điều khiển gói chung PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh gói chung vật lý PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PDCP Packet Data Convergence Giao thức hội tụ số liệu gói PS Packet Switch Chuyển mạch gói PCCC Parallel Concatenated Mã xoắn móc nối song song Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 7 Convolutional Code R RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến RF Radio Frequency Tần số sóng mang RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network Subsystem Hệ thống mạng con vô tuyến RANAP Radio Access Network Application Part Phần ứng dụng truy nhập mạng vô tuyến S SS Switching Subsystem Hệ thống con chuyển mạch SIM Subscriber Identity Module Modul nhận dạng thuê bao SCH Synchoronization Channel Kênh đồng bộ SMS Short Message Service Dịch vụ bản tin ngắn SN Subcriber Number Số thuê bao SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SF Hệ số trải phổ T TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TRAU Transcoder/Rate Adapter Unit Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TCH Traffic Channel Kênh lưu lượng TAF Terminal Adaptation Function Chức năng thích ứng đầu cuối TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TS Time Slot Khe thời gian THSS Time Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy thời gian U UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS UE User Equipment Thiết bị người sử dụng USIM UMTS Subscriber Identity Module Modul nhận dạng thuê bao UMTS V VLR Visistor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 8 W WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng không dây W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy cập phân mã băng rộng 1G First Generation Thế hệ thứ 1 2G Second Generation Thế hệ thứ 2 3G Third Generation Thế hệ thứ 3 Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 9 MỤC LỤC CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương ................................................................................. 1 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) .............................................. 1 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) .............................................. 2 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) .............................................. 5 1.4.1 Các mạng 3G chính ...................................................................... 6 1.4.2 Các dịch vụ và ứng dụng trong thông tin di động ......................... 8 thế hệ thứ 3 (3G) 1.5 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo........................................... 9 1.6 Kết luận chương ................................................................................. 10 CHƢƠNG II MẠNG GSM VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CẤP LÊN 3G 2.1 Giới thiệu chung về GSM ................................................................... 11 2.1.1 Giới thiệu về GSM ..................................................................... 11 2.1.2 Lịch sử mạng.............................................................................. 11 2.1.3 Các chỉ tiêu kĩ thuật của mạng GSM .......................................... 11 2.1.4 Phương pháp truy nhập trong mạng GSM .................................. 13 2.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin di động GSM .................................... 14 2.2.1 Cấu trúc của hệ thống ................................................................. 14 2.2.2 Chức năng của các phần tử trong hệ thống ................................. 15 Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 10 2.3 Các trường hợp thông tin .................................................................... 17 2.3.1 Các trạng thái của máy di động MS ............................................ 17 2.3.2 Thủ tục nhập mạng ..................................................................... 18 2.3.3 Lưu động và cập nhật vị trí ......................................................... 18 2.3.4 Các trường hợp cuộc gọi ............................................................ 18 2.3.5 Thủ tục rời mạng ........................................................................ 21 2.3.6 Các trường hợp chuyển giao ....................................................... 21 2.4 Dịch vụ và bảo mật trong GSM .......................................................... 23 2.4.1 Các dịch vụ trong GSM .............................................................. 23 2.4.2 Bảo mật trong GSM ................................................................... 24 2.5 Kỹ thuật vô tuyến trong GSM ............................................................. 26 2.5.1 Mã hóa kênh............................................................................... 26 2.5.2 Điều chế ..................................................................................... 27 2.6 Nâng cấp lên 3G ................................................................................. 29 2.6.1 Các tiêu chí nâng cấp GSM lên 3G ............................................. 29 2.6.2 Giải pháp nâng cấp ..................................................................... 30 2.7 Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE) ....................... 31 2.7.1 Kỹ thuật điều chế trong EDGE ................................................... 32 2.7.2 Giao tiếp vô tuyến ...................................................................... 33 2.8 Kết luận chương ................................................................................. 34 CHƢƠNG III CÔNG NGHỆ W-CDMA 3.1 Giới thiệu chương................. .35 3.2 Cấu trúc mạng . 35 Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 11 3.2.1 Các đặc điểm của W-CDMA .. ................................................... 35 3.2.2 Các đặc tính cơ bản của W-CDMA ............................................ 37 3.2.3 Cấu trúc mạng W-CDMA ..... .. .................................................. 38 3.3 Các giao diện vô tuyến .................. .. .................................................. 42 3.4 Các giải pháp kĩ thuật trong W-CDMA .............................................. 44 3.4.1 Mã hóa và đan xen ................ .. .................................................. 44 3.4.1.1 Mã vòng ..................... .. .................................................. 44 3.4.1.2 Mã xoắn ..................... .. .................................................. 45 3.4.1.3 Mã TURBO ................ .. .................................................. 47 3.4.1.4 Đan xen trong W-CDMA ................................................ 47 3.4.2 Điều chế BPSK và QPSK ...... .. .................................................. 48 3.4.2.1 Điều chế BPSK .......... .. .................................................. 48 3.4.2.2 Điều chế QPSK .......... .. .................................................. 49 3.5 Kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA 51 3.5.1 Giới thiệu .............................. .. .................................................. 51 3.5.2 Nguyên lý trải phổ DSSS ....... ................................................... 53 3.5.3 Mã trải phổ ............................ .. .................................................. 54 3.6 Truy nhập gói ................................ .. .................................................. 56 3.6.1 Tổng quan về truy nhập gói trong W-CDMA ............................. 56 3.6.2 Lưu lượng số liệu gói ............ .. .................................................. 56 3.6.3 Các phương pháp lập biểu gói ................................................... 57 3.6.3.1 Lập biểu phân chia theo thời gian .................................... 58 Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 12 3.6.3.2 Lập biểu phân chia theo mã ............................................. 58 3.7 Thiết lập một cuộc gọi trong W-CDMA UMTS .................................. 59 3.8 Kết luận chương ............................ .. .................................................. 61 Kết luận và phương hướng phát triển đề tài .............................................. 62 Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 13 Chƣơng I GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Trong xu thế phát triển chung của xã hội hiện đại thì sự ra đời của thông tin di động đã giúp cho con người trong việc liên lạc với nhau ở mọi nơi, mọi lúc. Và không dừng lại ở đó, khi việc liên lạc thoại đã được đáp ứng tốt thì nhu cầu về các dịch vụ gia tăng trên thông tin di động như truy cập Internet, truyền dữ liệu tốc độ caobắt đầu phát triển. Chương 1 của đồ án trình bày về lịch sử hình thành và phát triển của thông tin di động qua các thế hệ và những vấn đề chủ yếu của loại hình thông tin hiện đại này. 1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 1 (1G First Generation ) Các hệ thống thông tin thế hệ thứ nhất (1G) hoạt động ở dải tần số 450-900 MHZ, sử dụng phương pháp điều chế FM và phương pháp truy cập FDMA, có mục đích chính là truyền thoại. các hệ thống này sử dụng kĩ thuật tương tự nên chất lượng thoại không cao, bị ảnh hưởng lớn bởi nhiễu, bảo mật kém và hạn chế đáng kể số lượng người dùng. hình 1.1 mô tả phương pháp đa truy cập với 5 người dùng. hình 1.1a mô tả phổ của hệ thống FDMA, băng thông của hệ thống được chia thành các băng khác nhau giữa các băng kề nhau có một tần số bảo vệ để tránh chồng phổ. Khi một người dùng gửi yêu cầu kết nối tới tổng đài, tổng đài sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và dành riêng cho người dùng đó trong suốt cuộc gọi. ngay khi cuộc gọi kết thúc, kênh được ấn định lại cho người khác. khi có 5 người dùng thì duy trì cuộc gọi như hình 1.1b, có thể ấn định kênh như trên hình 1.1c Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 14 1.3 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 2 (2G Second Generation ) Các hệ thống thông tin thế hệ thứ 2 (2G) có nhiều ưu điểm vượt trội so với thế hệ thứ nhất (1G). các ưu điểm vượt trội đó là việc sử dụng các công nghệ số cho phép cải thiện chất lượng thông tin và tăng số lượng người sử dụng. các hệ thống này sử dụng băng tần 450-900MHZ và sử dụng kết hợp phương pháp đa truy cập theo mã và tần số (CDMA/FDMA) làm tăng số lượng người sử dụng. không những thế có thêm các dịch vụ di động mới như SMS, Fax và các dịch vụ bổ sung cho thoại Phổ Tần số Băng tần hệ thống Khoảng bảo vệ Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh N .......... Người dùng 2 Người dùng 1 Người dùng 3 Người dùng 5 Người dùng 4 Thời gian Kênh 2 Tần số Kênh 1 Kênh 3 Thời gian Người dùng 1,4 Người dùng 2,5 Người dùng 3 Hình 1.1 Khái niệm về hệ thống FDMA: (a) Phổ tần của hệ thống FDMA; (b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng; (c) Phân bố kênh. Băng tần Đồ Án Tổng Hợp Đề Tài: Tổng Quan Về Công Nghệ W-CDMA GVHD: Th.S. Trần Thanh Hà SVTH: Nguyễn Trung Tuấn 15  Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) Các hệ thống TDMA khắc phục vấn đề dung lượng kênh bằng cách phân chia kênh vô tuyến đơn thành các khe thời gian và phân bổ một khe thời gian cho mỗi thuê bao. Ví dụ như hệ thống TDMA của hoa kỳ có 3 khe thời gian trên mỗi kênh trong khi hệ thống GMS có 8 khe thời gian trên mỗi kênh. Để sử dụng các khe thời gian tín hiệu thoại tương tự cần chuyển sang dạng số. một bộ mã hóa thoại gọi là Vocoder thực hiện công việc này. Dung lượng có được ban đầu hơi nhỏ song việc dùng các Vocoder tốc độ bi