Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G

Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC...................................................................................................................1 LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................4 CHƯƠNG 1. MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM.............................................5 I. Giới thiệu chung về GSM.................................................................................5 1. Giới thiệu về GSM.........................................................................................5 2. Lịch sử mạng GSM........................................................................................5 3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM............................................................5 4. Băng tần sử dụng trong mạng GSM..............................................................6 5. Phương pháp truy nhập trong mạng GSM.....................................................7 II. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động GSM............................................8 1. Cấu trúc của hệ thống....................................................................................8 2. Chức năng của các phần tử trong hệ thống....................................................9 2.1. Hệ thống con chuyển mạch SS..............................................................9 2.2. Hệ thống con trạm gốc BSS..................................................................10 2.3. Hệ thống con khai thác OSS.................................................................11 2.4. Trạm di động MS..................................................................................12 III. Quá trình xử lý các tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến..................12 1. Chuyển đổi A/D.............................................................................................13 2. Mã hóa tiếng..................................................................................................13 3. Mã hóa kênh..................................................................................................13 4. Ghép xen........................................................................................................14 5. Mật mã hóa....................................................................................................14 6. Điều chế.........................................................................................................15 7. Cân bằng Viterbi............................................................................................15 8. Chuyển đổi D/A.............................................................................................16 IV. Giao diện vô tuyến Um..................................................................................16 1. Kênh vật lý.....................................................................................................16 2. Kênh logic......................................................................................................19 2.1. Kênh lưu lượng TCH............................................................................19 2.2. Kênh báo hiệu điều khiển......................................................................19 V. Các trường hợp thông tin................................................................................20 1. Các trạng thái của máy di động MS...............................................................20 2. Thủ tục nhập mạng........................................................................................20 3. Lưu động và cập nhật vị trí............................................................................20 4. Thủ tục rời mạng...........................................................................................21 Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ1 Đồ án tốt nghiệp 5. Các trường hợp cuộc gọi................................................................................21 5.1. Trạm di động MS thực hiện cuộc gọi....................................................21 5.2. Trạm di động MS nhận cuộc gọi...........................................................23 6. Các trường hợp chuyển giao (Handover)......................................................25 VI. Các dịch vụ trong GSM.................................................................................25 VII. Bảo mật trong GSM.....................................................................................26 1. Đánh số nhận dạng thuê bao và các vùng mạng............................................26 2. Nhận thực thuê bao........................................................................................27 CHƯƠNG 2. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ GSM LÊN 3G................................28 I. Giới thiệu............................................................................................................28 II. Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G...............................................................28 1. Công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD............................29 2. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS................................................................31 2.1. Giới thiệu GPRS...................................................................................31 2.2. Các đặc điểm của mạng GPRS.............................................................31 2.3. Cấu trúc của mạng GPRS......................................................................33 2.4. Giao thức trong mạng GPRS.................................................................36 2.5. Giao diện vô tuyến................................................................................37 a. Lớp vật lý của GPRS..........................................................................37 b. RLC/MAC của GPRS.........................................................................38 c. Lớp điều khiển đường truyền logic LLC............................................38 2.6. Các chức năng của GPRS.....................................................................39 2.7. Nhập mạng GPRS.................................................................................47 2.8. Khả năng phát triển của GPRS lên 3G..................................................48 3. Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE).................................49 3.1. Kỹ thuật điều chế trong EDGE.............................................................49 3.2. Giao tiếp vô tuyến.................................................................................50 CHƯƠNG 3. CÔNG NGHỆ W-CDMA...................................................................52 I. Giới thiệu............................................................................................................52 II. Các đặc điểm của W-CDMA..........................................................................52 III. Các đặc tính cơ bản của W-CDMA.............................................................53 IV. Cấu trúc mạng W-CDMA.............................................................................54 V. Các dịch vụ trong mạng W-CDMA...............................................................58 VI. Giao diện vô tuyến..........................................................................................58 1. Các kênh logic...............................................................................................60 2. Các kênh truyền tải........................................................................................60 3. Các kênh vật lý..............................................................................................61 3.1. Các kênh vật lý đường lên.....................................................................61 3.2. Các kênh vật lý đường xuống...............................................................62 Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ2 Đồ án tốt nghiệp VII. Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA....................................................63 1. Thiết bị thu phát vô tuyến trong hệ thống TTDĐ thế hệ 3............................63 a. Máy phát...................................................................................................63 b. Máy thu....................................................................................................63 2. Mã hóa và đan xen.........................................................................................64 2.1. Mã vòng................................................................................................64 2.2. Mã xoắn.................................................................................................65 2.3. Mã Turbo...............................................................................................66 2.4. Đan xen trong W-CDMA......................................................................66 3. Điều chế BPSK và QPSK..............................................................................67 3.1. Điều chế BPSK.....................................................................................67 3.2. Điều chế QPSK.....................................................................................68 4. Điều khiển công suất và chuyển giao............................................................69 4.1. Điều khiển công suất.............................................................................69 a. Điều khiển công suất vòng hở OLPC.................................................70 b. Điều khiển công suất vòng kín CLPC................................................70 4.2. Chuyển giao..........................................................................................71 a. Chuyển giao mềm...............................................................................71 b. Chuyển giao mềm hơn........................................................................72 c. Chuyển giao cứng...............................................................................72 VIII. Kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA...........................................................72 1. Giới thiệu.......................................................................................................72 2. Nguyên lý trải phổ DSSS...............................................................................74 3. Mã trải phổ.....................................................................................................74 4. Các hệ thống DSSS – BPSK..........................................................................76 4.1. Máy phát DSSS – BPSK.......................................................................76 4.2. Máy thu DSSS – BPSK.........................................................................77 5. Các hệ thống DSSS – QPSK.........................................................................79 5.1. Máy phát DSSS – QPSK.......................................................................79 5.2. Máy thu DSSS – QPSK.........................................................................80 IX. Thiết lập một cuộc gọi trong W-CDMA UMTS.........................................81 KẾT LUẬN.................................................................................................................85 BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................92 Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ3 Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Từ xưa tới nay, thông tin liên lạc luôn là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội. Đặc biệt là ngày nay khi mà mạng thông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu của con người không chỉ dừng lại ở đó. Công nghệ GSM có những đặc tính nổi bật như dung lượng lớn, tính bảo mật cao,…Tuy nhiên vì là hệ thống băng thông hẹp, sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh nên GSM chỉ có thể hỗ trợ truyền số liệu với tốc độ tối đa là 9,6 kbit/s, không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng về các dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, điện thoại có hình, truy cập Internet tốc độ cao từ máy di động và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện khác. Vì những lí do trên, các nhà khai thác GSM đang từng bước nâng cấp mạng GSM. Tuy nhiên việc loại bỏ hẳn công nghệ đang dùng để tiếp cận ngay mạng 3G là rất tốn kém về mặt kinh tế. Vì vậy họ phải chọn giải pháp nâng cấp mạng GSM qua bước trung gian 2,5G để tạm thời đáp ứng nhu cầu của người sử dụng cũng như chuẩn bị cơ sở hạ tầng kỹ thuật sau đó mới tiến lên 3G. Để có thể nắm vững các kỹ thuật sử dụng trong quá trình nâng cấp GSM lên 3G cũng như tìm hiểu về công nghệ W-CDMA, em đã chọn đề tài “ Công nghệ GSM và quá trình phát triển GSM lên 3G ” . Nội dung trình bày trong bản đồ án: Chương 1: Mạng thông tin di động GSM Chương 2: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G Chương 3: Công nghệ W-CDMA Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Quốc Trung đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ trường Đại Học Vinh đã chỉ bảo cho em trong suốt thời gian qua. Vinh, ngày 03 tháng 05 năm 2009 Sinh viên thực hiện Hoàng Thị Huệ Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ4 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GSM 1. Giới thiệu về GSM GSM (Global System for Mobile Communication) - hệ thống viễn thông toàn cầu, sử dụng tần số 900 MHz cũng như 1800 MHz ở Châu Âu và 1900 MHz ở Bắc Mỹ. GSM hỗ trợ truyền thoại với tốc độ 13 kbit/s và truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s. Mạng GSM sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA kết hợp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA. 2. Lịch sử mạng GSM Vào đầu thập niên 1980, tại Châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực. Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) và tạo ra Groupe Spéccial Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu. Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi Radiolinja ở Phần Lan. Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) và các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990. Vào cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia. 3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các thuê bao trong châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng của nước khác khi di chuyển qua biên giới. Trạm di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thông tin tại bất cứ nơi nào trong vùng phủ sóng quốc tế. * Về khả năng phục vụ: - Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được trong tất cả các nước có mạng. - Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ5 Đồ án tốt nghiệp - Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tàu viễn dương như một mạng mở rộng cho các dịch vụ di động mặt đất. * Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật: - Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệ thống di động tương tự trước đó trong điều kiện vận hành thực tế. - Hệ thống có khả năng mật mã hoá thông tin người dùng mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao khác không dùng đến khả năng này. * Về sử dụng tần số: - Hệ thống cho phép mức độ cao về hiệu quả của dải tần mà có thể phục vụ ở vùng thành thị và nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển. - Dải tần số hoạt động là 890-915 và 935-960 Mhz. - Hệ thống GSM 900Mhz phải có thể cùng tồn tại với các hệ thống dùng 900Mhz trước đây. * Về mạng: - Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT. - Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT. - Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được dùng trong các mạng khác nhau. - Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu được tiêu chuẩn hoá quốc tế. - Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phải được cung cấp trong hệ thống 4. Băng tần sử dụng trong mạng GSM Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 – 960 MHz, chia làm 2 phần: - Băng tần lên (Uplink band) từ 890 – 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ MS đến BTS - Băng tần xuống (Downlink band) từ 935 – 960 MHz cho các kênh vô tuyến từ BTS đến MS Mỗi băng rộng 25MHz, chia làm 124 sóng mang tương đương với 124 kênh vô tuyến. Các sóng mang cạnh nhau cách nhau 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ6 Đồ án tốt nghiệp biệt cho đường lên và cho đường xuống. Các kênh này được gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi và bằng 45MHz. Kênh vô tuyến này có 8 khe thời gian, mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi giữa BTS và MS. Ngoài băng tần cơ sở còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS: - Băng tần GSM mở rộng: 882 – 915MHz và 927 – 960 MHz - Băng tần DCS: 1710 – 1785 MHz và 1805 – 1880 MHz 5. Phương pháp truy nhập trong mạng GSM Mạng GSM sử dụng phương pháp TDMA (Time Division Multiple Access) kết hợp FDMA (Frequency Division Multiple Access). - Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA: Khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định. Các thuê bao khác nhau dùng chung một kênh nhờ cài xen thời gian. Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe. - Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA: Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau. Người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp các kênh trong lĩnh vực tần số. Phổ tần số được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ. Mỗi dải tần được gán cho một kênh liên lạc, N dải dành cho liên lạc hướng lên, N dải còn lại cho liên lạc hướng xuống. Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dải tần quy định 900 MHz xác định theo công thức: FL = 890,2+0,2(n-1) MHz FU = FL(n) + 45 MHz 1 ≤ n ≤ 124 Trong đó: FL: Tần số ở nửa băng thấp FU: Tần số ở nửa băng cao 0,2 MHz: Khoảng cách giữa các kênh lân cận 45 MHz: Khoảng cách thu phát n: Số kênh tần vô tuyến Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ7 Đồ án tốt nghiệp Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một ô của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô sử dụng các tần số giống nhau hoặc gần nhau cũng phải xa nhau. Truyền dẫn ở GSM được chia thành các cụm (Burst) chứa hàng trăm bit đã được điều chế. Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian 577 µs ở trong một kênh tần số có độ rộng 200KHz. Mỗi một kênh tần số cho phép tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ TS0 đến TS7. II. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1. Cấu trúc của hệ thống Một hệ thống GSM được chia thành các hệ thống con sau đây: - Hệ thống con chuyển mạch (SS – Switching Subsystem ) - Hệ thống con trạm gốc (BSS – Base Station Subsystem) - Hệ thống con khai thác (OSS – Opration Subsystem) - Trạm di động (MS – Mobile Station) * Hệ thống con chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng sau: - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC – Mobile Services Switching Center) - Bộ ghi định vị thường trú ( HLR – Home Location Register) - Bộ ghi định vị tạm trú ( VLR – Visitor Location Registor) - Trung tâm nhận thực ( AUC – Authentication Center) - Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR – Equipment Identification Register) - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động cổng (GMSC – Gateway MSC) * Hệ thố