Luận văn Nghiên cứu công nghệ CDMA2000 1XEV-DO và đề xuất 1 số giải pháp ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CDMA2000 1XEV-DO VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG MÃ SỐ: NGUYỄN THÁI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: TS. HÀ QUỐC TRUNG HÀ NỘI 2006 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của chính bản thân. Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết, và hiểu biết thực tế của em, không sao chép. Tác giả luận văn Nguyễn Thái Trường MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 1 MỤC LỤC........................................................................................................ 2 CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... 5 DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. 7 DANH MỤC BẢNG........................................................................................ 9 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 1 PHẦN I: CÔNG NGHỆ CDMA 2000 VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN LÊN 3G............................................................................................................. 3 CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ CDMA 2000 VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN... 3 I.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 3 I.2 Ưu điểm của công nghệ CDMA ............................................................ 3 I.2.1 Tăng dung lượng hệ thống ........................................................... 3 I.2.2 Nâng cao chất lượng cuộc gọi...................................................... 7 I.2.3 Quá trình thiết kế được đơn giản hoá........................................... 8 I.2.4 Nâng cao tính bảo mật thông tin .................................................. 8 I.2.5 Cải thiện vùng phủ sóng............................................................... 8 I.2.6 Tăng thời gian sử dụng pin .......................................................... 8 I.2.7 Cung cấp dải thông theo yêu cầu ................................................. 9 I.2.8 Vấn đề nâng cấp mạng ................................................................. 9 I.3 Thực trạng mạng CDMA 2000 hiện nay ............................................... 9 I.4 Hướng phát triên lên 3G của CDMA 2000 1x .................................... 11 PHẦN II: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ 1X EV-DO............................... 14 CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ CDMA 2000 1x EV-DO.............................. 14 II.1 Cấu trúc mạng CDMA 2000 1x EVDO ............................................. 14 II.2 Các đặc điểm mới của 1xEVDO ........................................................ 17 II.2.1 Tăng tốc độ cụm dữ liệu ........................................................... 17 II.2.2 Cơ chế thích ứng tốc độ của EV-DO........................................ 18 II.2.3 Mô hình điều chế và mã hoá tiên tiến....................................... 19 II.2.4 Phân cực marco qua việc lựa chọn vô tuyến ............................ 19 II.2.5 Ghép kênh hiệu quả khi sử dụng phân cực đa người dùng....... 20 II.2.6 Các tính năng khác của EV-DO................................................ 22 II.2.7 Lý do lựa chọn 1x EVDO ......................................................... 24 II.3 Giao diện vô tuyến của 1x EV-DO .................................................... 26 II.3.1 Đường xuống ............................................................................ 26 II.3.2 Đường lên ................................................................................. 35 II.4 Cơ chế hoạt động của 1x EV-DO....................................................... 37 II.4.1 Điều khiển công suất................................................................. 37 II.4.2 Điều khiển tải trong 1x EVDO ................................................. 39 II.4.3 Cơ chế bảo mật của 1xEVDO................................................... 41 II.4.4 Chuyển giao .............................................................................. 42 II.5 Cơ chế xử lý cuộc gọi......................................................................... 51 II.5.1 Các trạng thái của AT ............................................................... 51 II.5.2 Các thủ tục xử lý ....................................................................... 53 II.5.3 Quá trình thực hiện cuộc gọi dữ liệu gói .................................. 58 II.5.4 Thủ tục báo hiệu cuộc gọi 1x EVDO........................................ 62 PHẦN III: GIẢI PHÁP CHO MẠNG 1X EV-DO VIỆT NAM ............... 65 CHƯƠNG III: THỰC TRẠNG MẠNG CDMA 2000 VIỆT NAM ......... 65 III.1 Thực trạng mạng CDMA 2000 ......................................................... 65 III.2 Các khó khăn và tồn tại..................................................................... 65 III.3 Phương hướng giải quyết chung ....................................................... 66 CHƯƠNG IV: MỘT SỐ GIẢI PHÁP CỤ THỂ ........................................ 67 IV.1 Thiết kế mạng CDMA 2000 1x EV-DO........................................... 67 IV.1.1 Giả thiết thông số đầu vào....................................................... 67 IV.1.2 Tính toán thông lượng cho các loại hình thuê bao.................. 68 IV.1.3 Tính toán cấu hình card kênh cho BTS................................... 70 IV.1.4 Tính toán đơn vị dịch vụ dữ liệu gói cho PCF........................ 71 IV.1.5 Tính toán dung lượng trung kế................................................ 71 IV.1.6 Tính toán dung lượng báo hiệu ............................................... 71 IV.1.7 Tính toán độ dự trữ đường truyền và xác suất phủ sóng......... 74 IV.2 Vấn đề chuyển vùng cho mạng CDMA 2000 Việt Nam.................. 79 IV.2.1 Định nghĩa chuyển vùng ......................................................... 79 IV.2.2 Các lợi ích của việc roaming................................................... 79 IV.2.3 Nguyên tắc thực hiện roaming ................................................ 80 IV.2.4 Vấn đề roaming của mạng CDMA Việt Nam........................ 84 PHẦN IV: KẾT LUẬN................................................................................. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 92 CÁC TỪ VIẾT TẮT AAA Authentication, Authorization, and Accounting AN Access Network ANSI American National Standards Institute AT Access Terminal BHCA Busy Hour Call Attempts BHSM number of Busy Hour Short Message BSC Base Station Controller BTS Base Trasciever Station CCS7 Common Channel signaling System 7 CDMA Code Division Multiple Access DRC Data Rate Control EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution EV-DO Evolution Data Optimized EV-DV EVolution Data and Voice FCH Fundamental Channel FER Frame Error Ratio GSM Globle System for Mobile Communication HA Home Agent HLR Home Location Register IMSI International Mobile Station Identity IS-2000 Interim Standard -2000 IS-856 Interim Standard -856 IS-95 Interim Standard 95 ISUP ISDN User Part MAC Medium Access Control MDN Mobile Directory Number MO Mobile Originated MSC Mobile Swiching Center MSU Message Signalling Unit MT Mobile Terminated PCF Packet Control Function PCM Pulse Code Modulation PDSN Packet Data Serving Node PN Pseudo Noise PPP Point-to-Point Protocol PSK Phase-Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation RA Reverse Activity RAN Radio Access Network RLP Radio Link Protocol RPC Reverse Power Control RRI Reverse Rate Indicator RSSI Received Signal Strength Indication R-UIM Removable User Identity Module SCH Supplemental Channel SMSC Short Message Service Center TCH Traffic CHannel TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TDMA Time Division Multple Access TIA/EIA Electrical Industries Association/Telecommunications Industry Association TLDN Temporary Locator Directory Number UATI Unicast Access Termination Identifier UMTS Universal Mobile Telecommunications System VLR Visited Location Register WCDMA Wideband Code Division Multiple Access DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tốc độ tăng trưởng thuê bao của CDMA 2000. ............................. 10 Hình 1.2 Lộ trình phát triển của các công nghệ............................................. 11 Hình 1.3 Tình hình triển khai CDMA 2000 1xEV trên thế giới ................... 12 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát của mạng 1xEVDO. ............................................. 14 Hình 2.2 1x EV-DO yêu cầu 01 sóng mang riêng biệt.................................. 15 Hình 2.3 Minh hoạ thích ứng tốc độ của 1xEV-DO...................................... 18 Hình 2.4 Thông lượng hệ thống khi sử dụng phân cực đa người dùng......... 21 Hình 2.5 So sánh khả năng cung cấp dịch vụ của các công nghệ ................. 25 Hình 2.6 Tối đa thông lượng nhờ sử dụng hiệu quả công suất phát BTS. .... 26 Hình 2.7 Chu kỳ của kênh điều khiển đường xuống. .................................... 27 Hình 2.8 Cấu trúc khe thời gian đường xuống của 1xEVDO. ...................... 27 Hình 2.9 Cấu trúc kênh đường xuống của 1xEV-DO. .................................. 28 Hình 2.10 RPC và DRCLock được ghép kênh theo thời gian......................... 29 Hình 2.11 Các cấu trúc tốc độ đường xuống của 1xEVDO. ........................... 30 Hình 2.12 Cấu trúc gói tin lớp vật lý của kênh lưu lượng đường xuống. ....... 31 Hình 2.13 Kênh điều khiển được ghép kênh theo thời gian............................ 32 Hình 2.14 AT lựa chọn sector có tốc độ cao để gửi yêu cầu phục vụ ............. 34 Hình 2.15 Cấu trúc khe thời gian đường lên của 1xEVDO............................. 35 Hình 2.16 Cấu trúc kênh đường lên của 1xEV-DO......................................... 35 Hình 2.17 Các cấu trúc tốc độ đường lên của 1xEVDO. ................................ 37 Hình 2.18 Điều khiển công suất vòng kín ....................................................... 38 Hình 2.19 Thêm một pilot vào active set......................................................... 45 Hình 2.20 Chuyển giao soft handoff ảo........................................................... 47 Hình 2.21 Chuyển đổi trạng thái của AT trong trạng thái trống ..................... 52 Hình 2.22 Chuyển đổi trạng thái của AT trong trạng thái kết nối................... 53 Hình 2.23 Thủ tục khởi tạo. ............................................................................. 54 Hình 2.24 Thủ tục đăng ký. ............................................................................. 54 Hình 2.25 Thủ tục sắp xếp phiên. .................................................................... 55 Hình 2.26 Thủ tục yêu cầu kết nối................................................................... 56 Hình 2.27 Thủ tục sắp xếp kết nối ................................................................... 56 Hình 2.28 Thiết lập phiên PPP. ....................................................................... 57 Hình 2.29 Thủ tục chuyển giao soft/softer ...................................................... 58 Hình 2.30 Chu trình xử lý cuộc gọi dữ liệu gói............................................... 59 Hình 2.31 AT khởi tạo kết nối từ trạng thái chờ ............................................. 59 Hình 2.32 AT kết thúc kết nối và chuyển về trạng thái chờ............................ 60 Hình 2.33 AN kết thúc kết nối và chuyển về trạng thái chờ ........................... 61 Hình 2.34 AT tái khởi tạo kết nối từ trạng thái chờ ........................................ 61 Hình 2.35 AN tái khởi tạo kết nối từ trạng thái chờ ........................................ 62 Hình 2.36 Khởi tạo cuộc gọi bởi AT ............................................................... 62 Hình 2.37 Tái kích hoạt kết nối bởi AN .......................................................... 63 Hình 2.38 Tái kích hoạt kết nối bởi AT.......................................................... 63 Hình 2.39 Giải phóng kết nối bởi AT.............................................................. 64 Hình 2.40 Giải phóng phiên bởi AT................................................................ 64 Hình 4.1 Mô hình kết nối roaming giữa hai mạng ........................................ 80 Hình 4.2 Quá trình xử lý roaming cho cuộc gọi thoại ................................... 81 Hình 4.3 Quá trình xử lý roaming cho nhắn tin............................................. 82 Hình 4.4 Quá trình nhận thực cho cuộc gọi dữ liệu gói roaming.................. 83 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 So sánh dung lượng thoại giữa các công nghệ. ................................ 4 Bảng 1.2 So sánh tốc độ dữ liệu giữa các công nghệ....................................... 4 Bảng 2.1 So sánh thông lượng giữa các công nghệ. ...................................... 17 Bảng 2.2 So sánh tốc độ download giữa các công nghệ. ............................... 24 Bảng 2.3 So sánh giữa công nghệ CDMA 2000 1x và 1xEV-DO................. 25 Bảng 4.1 Thông số giả thiết cho thoại 1x. ..................................................... 68 Bảng 4.2 Thông số giả thiết cho dữ liệu gói 1x. ............................................ 69 Bảng 4.3 Thông số giả thiết cho dữ liệu kênh 1x. ......................................... 69 Bảng 4.4 Thông số giả thiết cho dữ liệu 1xEV-DO ...................................... 70 Bảng 4.5 Bán kính phủ sóng đường xuống của 1x EV-DO........................... 76 Bảng 4.6 Xác suất phủ sóng đường lên của 1x EV-DO................................. 76 Bảng 4.7 Kết quả tính toán cho đường lên (Reverse Link). .......................... 77 Bảng 4.8 Kết quả tính toán cho đường xuống (Forward Link)...................... 78 LUẬN VĂN CAO HỌC Lời nói đầu Nguyễn Thái Trường - 1 - LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ CDMA trước đây chủ yếu được quân đội Mỹ sử dụng với mục đích quân sự. Từ năm 1985, Chính phủ Mỹ cho phép Qualcomm phát triển thành công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã dành được nhiều kết quả nghiên cứu, ứng dụng về công nghệ này. Năm 1995, Qualcomm đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên gọi là IS-95A. Hệ thống thông tin di động CDMA IS-95 dựa trên công nghệ điều chế trải phổ. Công nghệ và lý thuyết trải phổ đã trở thành động lực phát triển và được ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp vô tuyến như truyền thông cá nhân, truyền thông đa truy nhập truyền thông thuê bao vô tuyến ở mạng nội hạt, truyền thông vệ tinh, định vị toàn cầu, ra đa xung... Hiệu suất sử dụng độ rộng băng tần cao và khả năng truy nhập là những yếu tố đã làm cho công nghệ CDMA trở thành công nghệ quản lý tắc nghẽn hàng đầu trong các mạng điện thoại vô tuyến di động với số lượng thuê bao ngày càng lớn. Đáp ứng các yêu cầu của thực tế, các phiên bản mới của CDMA như CDMA 20001x, CDMA 2000 1xEV-DO đã được đưa vào ứng dụng trong thông tin di động và đã được nhiều nhà khai thác lựa chọn với nhiều ưu điểm như: dung lượng mạng lớn, tính năng cải thiện chất lượng thoại, dễ dàng phát triển mạng và khả năng truyền số liệu tốc độ cao, đáp ứng được các dịch vụ tiên tiến sử dụng băng thông rộng như truyền số liệu tốc độ cao, các dịch vụ giải trí multimedia.... Tuy nhiên việc sử sụng các công nghệ CDMA mới nói chung và ở Việt nam nói riêng gặp một số khó khăn, ví dụ như khả năng roaming bị hạn chế, không tương thích với các công nghệ hiện có ... Đây là một vấn đề rất được quan tâm trong hoạt động tác nghiệp, nghiên cứu hàng ngày của tôi. Vì những lý do trên, tôi đã lựa chọn Công nghệ CDMA2000 1xEV-DO để thực hiện đề tài nghiên cứu tốt nghiệp cao học của mình. LUẬN VĂN CAO HỌC Lời nói đầu Nguyễn Thái Trường - 2 - Luận văn “Nghiên cứu công nghệ CDMA 2000 1xEV-DO và đề xuất một số giải pháp ứng dụng” sẽ được chia làm 3 phần với 4 chương trong đó phần 1 sẽ tập trung nghiên cứu về công nghệ CDMA 2000 1x và CDMA 2000 1xEV-DO; phần 2 là một số đề xuất ứng dụng cho mạng CDMA với các giải pháp về thiết kế mạng và roaming cho các mạng CDMA Việt Nam; phần 3 là một số kết luận tóm tắt về luận văn. Cụ thể: Chương I: “Công nghệ CDMA 2000 và hướng phát triển” sẽ trình bày về các ưu điểm của công nghệ CDMA 2000 so với các công nghệ di động khác và xu hướng phát triển lên 3G để đáp ứng các yêu cầu về chất lượng và dịch vụ của khách hàng. Chương II: “Công nghệ CDMA 2000 1xEV-DO” sẽ tập trung nghiên cứu về cấu trúc, cơ chế hoạt động và các điểm mới của CDMA 2000 1x EV- DO. Chương III: “Thực trạng mạng CDMA 2000 tại Việt Nam” sẽ giới thiệu sơ lược về hệ thống mạng CDMA Việt Nam hiện nay, các khó khăn, tồn tại và những phương hướng giải quyết chung để thúc đẩy mạng CDMA phát triển. Chương IV: “ Một số giải pháp cụ thể” sẽ đề xuất một giải pháp ứng dụng cụ thể gồm giải pháp về thiết kế một hệ thống CDMA 2000 1xEV-DO tiêu chuẩn và đề xuất roaming cho mạng CDMA Việt Nam. Do khả năng và kiến thức còn hạn chế nên cuốn luận văn này chắc chắn sẽ không khỏi có những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những góp ý của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và bạn đọc để hoàn thiện cuốn luận văn này. LUẬN VĂN CAO HỌC Chương I: Công nghệ CDMA 2000 và hướng phát triển Nguyễn Thái Trường - 3 - PHẦN I: CÔNG NGHỆ CDMA 2000 VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN LÊN 3G CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ CDMA 2000 VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN I.1 Giới thiệu chung Thông tin di động đang phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới. Sự ra đời của thông tin di động số GSM đã tạo nên bước ngoặt lớn, đem tới cho con người những lợi ích không thể phủ nhận được về thời gian, chi phí, tính tiện dụng... Trên thế giới, GSM chiếm 70% số thuê bao di động, 30% còn lại chia sẻ bởi các công nghệ TDMA khác như IS-95 (CDMA), AMPS, IS96, PDC... Tuy nhiên, khi nhu cầu về thông tin di động của con người ngày càng tăng, ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ, chất lượng, loại hình, chi phí ... thì GSM đã bộc lộ những nhược điểm không thể đáp ứng được các yêu cầu này. Trước tình hình đó, xu thế tất yếu của thông tin di động là phải phát triển công nghệ mới, khắc phục nhược điểm của thông tin di động thế hệ 2, đem lại những dịch vụ di động cao cấp hơn, đưa thông tin di động phát triển lên một tầm cao mới - đó là thông tin di động thế hệ 3 mà một trong những đại diện là công nghệ CDMA2000. Trong các phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về các đặc điểm của công nghệ CDMA2000, lý do nó được lựa chọn làm công nghệ của thế hệ thứ ba và phiên bản công nghệ thê hệ thứ 3 của CDMA2000. I.2 Ưu điểm của công nghệ CDMA I.2.1 Tăng dung lượng hệ thống Với dải tần là 10MHz thì W-CDMA chỉ có 2 sóng mang/sector (mỗi sóng mang là 5MHz), còn CDMA 2000 có tới 7 sóng mang/sector (mỗi sóng LUẬN VĂN CAO HỌC Chương I: Công nghệ CDMA 2000 và hướng phát triển Nguyễn Thái Trường - 4 - mang là 1,25MHz). Như vậy với 62 kênh lưu lượng TCH/sóng mang thì W- CDMA có tối đa 124TCH/sector còn CDMA 2000 1x có tới 266TCH/sector. TDMA GSM GSM WCDMA CDMA 2000 1x Erl 37 21 ÷ 35 29 ÷ 47 111 ÷ 176 230.9 ÷ 328.7 User/Sector 48 29 ÷ 44 38 ÷ 58 124 ÷ 190 245 ÷ 343 Re-use 7/21 4/12 3/9 1/1 1/1 Bảng 1.1 So sánh dung lượng thoại giữa các công nghệ. Với các giả định như trên từ bảng so sánh trên ta thấy dung lượng thoại của CDMA 2000 1x là lớn nhất trong các công nghệ TDMA, GSM, W- CDMA và do đó số người sử dụng cùng một lúc là lớn nhất. GPRS EDGE WCDMA CDMA 2000 1x CDMA 2000 1xEV-DO Lưu lượng trung bình (Kbps) 256 768 1800 2450 11060 Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 3/9 1/1 1/1 1/1 Bảng 1.2 So sánh tốc độ dữ liệu giữa các công nghệ. Qua bảng trên ta thấy dung lượng số liệu của CDMA 2000 1