Đồ án Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G umts

TRƯỜNG ĐH TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN 4 TÌM HIỂU HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG 3G UMTS Giảng viên hướng dẫn: ĐỖ ĐÌNH THUẤN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TRỌNG TUẤN MSSV: 081563D Lớp: 08DD4D Khóa: 12 Tp.HCM, ngày 01 tháng 05 năm 2011 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 2 LỜI CÁM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy ĐỖ ĐÌNH THUẤN trên cƣơng vị là ngƣời hƣớng dẫn chính của đề tài, đã hƣớng dẫn tận tâm cho em trong thời gian qua để hoàn thành đồ án 4 Em cũng xin cám ơn các thầy cô khoa Điện – Điện tử trong thời gian qua đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích giúp em hoàn thành đồ án 4 này một cách hoàn thiện hơn. Trong suốt quá trình hoàn thành đồ án này, với sự hạn hẹp về kiến thức của mình, chắc chắn rằng sẽ không tránh khỏi những sai sót, kính mong sự phê bình và góp ý của quý thầy cô và các bạn. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 3 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Tuấn - 081563D Lớp: 08DD4D Khoa: Điện – Điện Tử Tên đề tài: Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS Nhận xét của giảng viên hƣớng dẫn: .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. Ngày……tháng …….năm 2011 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 4 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Tuấn - 081563D Lớp: 08DD4D Khoa: Điện – Điện Tử Tên đề tài: Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS Nhận xét của giảng viên hƣớng dẫn: .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. Ngày……tháng …….năm 2011 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 5 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 6 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS .......................................... 8 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................ 8 1.2 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G ................... 8 1.3 KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G ........................................................................................................ 10 1.4 CHUYỂN MẠCH KÊNH(CS),CHUYỂN MẠCH GÓI(PS),DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH KÊNH VÀ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI ....... 11 1.5 CÁC LOẠI LƢU LƢỢNG VÀ DỊCH VỤ ĐƢỢC 3G WCDMA UMTS HỖ TRỢ ............................................................................ 14 1.6 KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R3........................................................ 16 1.7 KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4........................................................ 23 1.8 KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 và R6 ............................................. 25 1.9 CHIẾN LƢỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS ........................ 30 1.10 CẤU HÌNH ĐỊA LÝ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G ...... 33 1.11 TỔNG KẾT .................................................................................................. 37 CHƢƠNG 2: NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA ............................................ 38 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................... 38 2.2 TRẢI PHỔ VÀ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ ..................... 38 2.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT .................................................................. 43 2.4 CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG CDMA ....................................... 44 2.5 MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƢỜNG HAY MÁY THU RAKE .................... 46 2.6 CÁC MÃ TRẢI PHỔ SỬ DỤNG TRONG WCDMA ..................................... 48 2.7 TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƢỜNG LÊN ...................................................... 50 2.8 TỔNG KẾT ........................................................................................................ 52 THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT .......................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 57 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 6 LỜI MỞ ĐẦU Ngày này thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,6 tỷ tính đến cuối năm 2008. Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít ngƣời đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thế hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu cao cho ngƣời sử dụng kể cả các chức năng camera, MP3 và PDA. Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày các trở nên phổ biến này, nhu cầu 3G cũng nhƣ phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết. ITU đã đƣa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba với tên gọi IMT-2000 để đạt đƣợc các mục tiêu chính sau đây:  Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng nhƣ truy nhập internet nhanh hoặc các ứng dụng đa phƣơng tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ này.  Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới nhƣ đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ của các hệ thống thông tin di động.  Tƣơng thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động . Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã đƣợc đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và cdma-2000 đã đƣợc ITU chấp thuận và đã đƣợc đƣa vào hoạt động. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin động thế hệ ba. HSDPA (High Speech Downlink Packet Access: truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ cao) là một mở rộng của các hệ thống 3G WCDMA UMTS đã có thể cung cấp tốc độ lên đến 10 Mbps trên đƣờng xuống. HSDPA là một chuẩn tăng cƣờng của 3GPP-3G nhằm tăng dung lƣợng đƣờng xuống bằng cách thay thế điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA.HSDPA hoạt động trên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian(TDM)với ghép kênh theo mã và sử dụng thích ứng đƣờng truyền. Nó cũng đƣa ra một kênh điều khiển riêng để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu. Các kỹ thuật tƣơng tự cũng đƣợc áp dụng cho đƣờng lên trong chuẩn HSUPA(High Speech Uplink Packet Access). Hai công nghệ truy nhập HSDPA và HSUPA đƣợc gọi chung là HSPA (High Speed Packet Data). Để làm cho công nghệ 3GPP UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh hơn nữa (chủ yếu là để cạnh tranh với các công nghệ mới của 3GPP2 và WiMAX), 3GPP quyết định phát triển E-UTRA và E-UTRAN (E: Elvolved ký hiệu cho phát triển) còn đƣợc gọi là siêu 3G (Super-3G) hay LTE (Long Term Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 7 Evolution) mà thực chất là giai đoạn đầu 4G. Công việc phát triển sẽ tiến hành trong 10 năm và sau đó nhƣ là sự phát triển dài hạn (LTE: Long Term Evolution) của công nghệ truy nhập vô tuyến 3GPP. Trong giai đoạn này tốc độ số liệu đạt đƣợc 30-100Mbps với băng thông 20MHz. Tiếp sau LTE,IMT-Adv (IMT tiên tiến) sẽ đƣợc phát triển, đây sẽ là thời kỳ phát triển của 4G với tốc độ từ 100 đến 1000 Mbps và băng thông 100MHz. Hình L.1 cho thấy viễn cảnh của thông tin di động 4G về khả năng đáp ứng tốc độ chuyển động và và tốc độ truyền số liệu. Hiện nay tại Việt Nam băng tần I dành cho WCDMA đã đƣợc chia là bốn khe và đƣợc cấp phát cho bốn nhà khai thác: Viettel, VMS, GPC, EVN+HT. Trong các năm tới 3GWCDMA UMTS sẽ đƣợc triển khai trên băng tần này. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 1.1.1. Mục đích chương  Hiểu lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G  Hiểu đƣợc kiến trúc tổng quát của một mạng thông tin di động 3G.  Hiểu các kiến trúc mạng 3G WCDMA UMTS: R3, R4 và R5 và chiến lƣợc chuyển dịch GSM lên 3G UMTS 1.1.2. Các chủ đề được trình bày trong chương  Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G  Kiến trúc chung của một mạng thông tin di động 3G  Các khái niệm về các dịch vụ chuyển mạch kênh và các dịch vụ chuyển mạch gói  Các loại lƣu lƣợng và các loại dịch vụ mà 3G WCDMA UMTS có thể hỗ trợ  Kiến trúc 3G WCDMA UMTS qua các phát hành khác nhau: R3, R4, R5 và R6  Chiến lƣợc chuyển dịch GSM lên 3G UMTS 1.2 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G đƣợc cho trên hình 1.1 và lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP đƣợc cho trên hình 1.2. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 9 Hình 1.1. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G AMPS: Advanced Mobile Phone System TACS: Total Access Communication System GSM: Global System for Mobile Telecommucations WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access EVDO: Evolution Data Only IMT: International Mobile Telecommnications IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers WiFi: Wireless Fidelitity WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access LTE: Long Term Evolution UMB: Untra Mobile Broadband Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 10 1.3 KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đƣờng phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần đƣợc thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (nhƣ tiếng và video) cuối cùng sẽ đƣợc truyền trên cùng một môi trƣờng IP bằng các chuyển mạch gói. Hình 1.4 dƣới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi. Hình 1.4. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh PS: Packet Switch: chuyển mạch gói SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin Server: máy chủ PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng Điện thoại chuyển mạch công cộng PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt Đất Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) đƣợc thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này đƣợc đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 11 trong một nút duy nhất để đƣợc một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phƣơng tiện khác nhau: từ lƣu lƣợng tiếng đến lƣu lƣợng số liệu dung lƣợng lớn. 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) đƣợc gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS). Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA đƣợc gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dƣa trên công nghệ EDGE của GSM). Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS đƣợc gọi là 3G WCDMA UMTS. 1.4 CHUYỂN MẠCH KÊNH(CS),CHUYỂN MẠCH GÓI(PS),DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH KÊNH VÀ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI 3G cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh nhƣ tiếng, video và các dịch vụ chuyển mạch gói chủ yếu để truy nhập internet. Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch) là sơ đồ chuyển mạch trong đó thiết bị chuyển mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối chiếm một tài nguyên mạng nhất định trong toàn bộ cuộc truyền tin. Kết nối này là tạm thời, liên tục và dành riêng. Tạm thời vì nó chỉ đƣợc duy trì trong thời gian cuộc gọi. Liên tục vì nó đƣợc cung cấp liên tục một tài nguyên nhất định (băng thông hay dung lƣợng và công suất) trong suốt thời gian cuộc gọi. Dành riêng vì kết nối này và tài nguyên chỉ dành riêng cho cuộc gọi này. Thiết bị chuyển mạch sử dụng cho CS trong các tổng đài của TTDĐ 2G thực hiện chuyển mạch kênh trên trên cơ sở ghép kênh theo thời gian trong đó mỗi kênh có tốc độ 64 kbps và vì thế phù hợp cho việc truyền các ứng dụng làm việc tại tốc độ cố định 64 kbps (chẳng hạn tiếng đƣợc mã hoá PCM). Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch) là sơ đồ chuyển mạch thực hiện phân chia số liệu của một kết nối thành các gói có độ dài nhất định và chuyển mạch các gói này theo thông tin về nơi nhận đƣợc gắn với từng gói và ở PS tài nguyên mạng chỉ bị chiếm dụng khi có gói cần truyền. Chuyển mạch gói cho phép nhóm tất cả các số liệu của nhiều kết nối khác nhau phụ thuộc vào nội dung, kiểu hay cấu trúc số liệu thành các gói có kích thƣớc phù hợp và truyền chúng trên một kênh chia sẻ. Việc nhóm các số liệu cần truyền đƣợc thực hiện bằng ghép kênh thống kê với ấn định tài nguyên động. Các công nghệ sử dụng cho chuyển mạch gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc IP. Hình 1.5. cho thấy cấu trúc của CS và PS. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 12 Hình 1.5. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS). Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service) là dịch vụ trong đó mỗi đầu cuối đƣợc cấp phát một kênh riêng và nó toàn quyển sử dụng tài nguyên của kênh này trong thời gian cuộc gọi tuy nhiên phải trả tiền cho toàn bộ thời gian này dù có truyền tin hay không. Dịch vụ chuyển mạch kênh có thể đƣợc thực hiện trên chuyển mạch kênh (CS) hoặc chuyển mạch gói (PS). Thông thƣờng dịch vụ này đƣợc áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (thoại). Dịch vụ chuyển mạch gói (PS Service) là dịch vụ trong đó nhiều đầu cuối cùng chia sẻ một kênh và mỗi đầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này khi có thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lƣợng tin đƣợc truyền trên kênh. Dịch vụ chuyển mạch gói chỉ có thể đƣợc thực hiện trên chuyển mạch gói (PS). Dịch vụ này rất phù hợp cho các dịch vụ phi thời gian thực (truyền số liệu), tuy nhiên nhờ sự phát triển của công nghệ dịch vụ này cũng đƣợc áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (VoIP). Chuyển mạch gói có thể thực hiện trên cơ sở ATM hoặc IP. ATM (Asynchronous Transfer Mode: chế độ truyền dị bộ) là công nghệ thực hiện phân chia thông tin cần phát thành các tế bào 53 byte để truyền dẫn và chuyển mạch. Một tế bào ATM gồm 5 byte tiêu đề (có chứa thông tin định tuyến) và 48 byte tải tin (chứa số liệu của ngƣời sử dụng). Thiết bị chuyển mạch ATM cho phép chuyển mạch nhanh trên cơ sở chuyển mạch phần cứng tham chuẩn theo thông tin định tuyến tiêu đề mà không thực hiện phát hiện lỗi trong từng tế bào. Thông tin định tuyến trong tiêu đề gồm: đƣờng dẫn ảo (VP) và kênh ảo (VC). Điều khiển kết nối bằng VC (tƣơng ứng với kênh của ngƣời sử dụng) và VP (là một bó các VC) cho phép khai thác và quản lý có khả năng mở rộng và có độ linh hoạt cao. Thông Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 13 thƣờng VP đƣợc thiết lập trên cơ sở số liệu của hệ thống tại thời điểm xây dựng mạng. Việc sử dụng ATM trong mạng lõi cho ta nhiều cái lợi: có thể quản lý lƣu lƣợng kết hợp với RAN, cho phép thực hiện các chức năng CS và PS trong cùng một kiến trúc và thực hiện khai thác cũng nhƣ điều khiển chất lƣợng liên kết. Chuyển mạch hay Router IP (Internet Prot