Luận văn Nghiên cứu công nghệ WCDMA và ứng dụng cho nâng cấp mạng GSM của Viettel lên 3G

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ WCDMA ỨNG DỤNG CHO NÂNG CẤP MẠNG GSM CỦA VIETTEL LÊN 3G ĐÀO QUANG ANH Hµ Néi 2008 HÀ NỘI 2008 BẢN CAM ĐOAN Tôi là Đào Quang Anh, học viên cao học lớp XLTT&TT khóa 2006 - 2008. Thầy giáo hướng dẫn là TS. Bạch Thành Lê. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn nay là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, trong quá trình nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu công nghệ CDMA ứng dụng cho nâng cấp mạng GSM của Viettel lên 3G”. Các kết quả và dữ liệu được nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và rõ ràng. Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này. Hà nội, ngày 06 tháng 11 năm 2008. HỌC VIÊN ĐÀO QUANG ANH MỤC LỤC TRANG 1 …………………………………………………………………………….. 1 LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………..…....2 MỤC LỤC …………………………………………………………………….……….3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................4 MỞ ĐẦU .........................................................................................................................6 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................8 1.1 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài.............................................................................8 1.2 Tình hình phát triển công nghệ 3G trên thế giới và tại Việt Nam..........................8 1.3 So sánh hệ thống WCDMA với các hệ thống 2G ...............................................19 1.4. So sánh, đánh giá 2 công nghệ W-CDMA và CDMA - 2000 .............................22 CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG WCDMA ..........................................................................25 2.1. Hệ thống thông tin trải phổ..................................................................................25 2.2. Giới thiệu chung hệ thống UMTS .......................................................................27 2.3. Mạng truy nhập UTRAN.....................................................................................29 2.4. Mạng lõi CN ........................................................................................................33 2.5. Thiết bị người sử dụng UE (user Equipment) .....................................................34 2.6. Mạng truyền dẫn ..................................................................................................35 CHƯƠNG 3 CÁC ĐIỀU KIỆN VỀ KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ CHO QUÁ TRÌNH CHUYỂN ĐỔI LÊN 3G ................................................................................37 3.1. Khả năng chuyển đổi 2G lên 3G .........................................................................37 3.2. Cấu trúc hệ thống GSM đang tồn tại ...................................................................40 3.3. Giai đoạn HSCSD................................................................................................44 3.4. Giai đoạn GPRS ..................................................................................................46 3.5. Giai đoạn EDGE ..................................................................................................49 3.6. Giai đoạn UMTS .................................................................................................52 CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG ÁN CÔNG NGHỆ VÀ GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN MẠNG 3G CHO VIETTEL ........................................................................................54 4.1 Giới thiệu về công ty Viettel Telecom .................................................................54 4.2. Đánh giá về cơ sở hạ tầng mạng hiện có .............................................................54 4.3 Phân tích các phương án và lựa chọn giải pháp ...................................................63 4.4. Tính toán các thông số và xây dựng cấu trúc mạng ............................................73 4.5. Một số thiết bị mạng 3G của Siemens.................................................................90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TRIỂN KHAI ..........................................................100 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................102 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3G Third Generation – Thế hệ thứ ba 3GPP Third Generation Partnership Project – Dự án đối tác 3G ATM Asynchronous Transfer Mode – Chế độ truyền không đồng bộ BSC Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station Subsystem – Phân hệ trạm gốc BTS Base Transceiver Station – Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access – Đa truy nhập theo phân mã EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution – Tốc độ dữ liệu cao FDD Frequency Division Duplex – Song công phân tần GGSN Gateway GPRS Support Node – Nút hỗ trợ cổng GPRS GPRS General Packet Radio Service – Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile Communications – Hệ thống GSM HLR Home Location Register – Bộ đăng ký vị trí thường trú HSCSD High Speed Circuit Switched Data – Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao IP Internet Protocol – Giao thức Internet ITU International Telecommunications Union – Liên minh viễn thông quốc tế IPv6 IP version 6 – IP phiên bản 6 IWF Internetworking Functions – Khối chức năng liên mạng MAP Mobile Application Protocol – Giao thức ứng dụng di động MS Mobile Staion – Máy di động MSC Mobile Switching Center – Trung tâm chuyển mạch di động PLMN Public Land Mobile Network – Mạng di động mặt đất công cộng PSTN Public Switched Telephone Network – Mạng điện thoại chuyển mạch gói công cộng RAN Radio Access Network – Mạng truy nhập vô tuyến SGSN Serving GPRS Support Node – Nút hỗ trợ phục vụ GPRS SMS Short Message Service – Dịch vụ nhắn tin ngắn TCP Trasmission Control Protocol – Giao thức điều khiển truyền TDD Time Division Duplex – Song công phân thời TDMA Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống thông tin di động UMTS UTRA Universal Terrestrial Radio Access – Truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS VLR Visitor Location Register – Bộ đăng ký vị trí tạm trú VPN Virtual Private Network – Mạng riêng ảo WAP Wireless Application Protocol – Giao thức ứng dụng vô tuyến WCDMA Wideband Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân mã băng rộng MỞ ĐẦU Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Sự ra đời của thông tin di động là một bước ngoặt lịch sử trong ngành viễn thông cũng như bước phát triển quan trọng của loài người. Qua quá trình phát triển và cho đến ngày nay đó là mạng di động 3G. Cùng với việc cho phép kết nối mọi nơi, mọi lúc, là một trong những khả năng của mạng 3G. 3G mang tới nhiều tiện ích, ứng dụng hơn là khả năng di động cho Internet. Các dịch vụ mới sẽ xuất hiện như nhắn tin đa phương tiện, các dịch vụ định vị, các dịch vụ thụng tin cá nhân, vui chơi giải trí, các dịch vụ ngân hàng, thanh toán điện tử... sẽ phát triển mạnh. ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba cũng đã và sẽ được nhanh chóng triển khai. Để theo kịp xu thế chung của thế giới là tiến tới mạng thế hệ sau 3G và cung cấp các dịch vụ mới, việc nghiên cứu để triển khai, chuyển đổi sang mạng 3G tại Việt Nam là cần thiết. 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, luận văn đề cập đến (Nghiên cứu công nghệ CDMA ứng dụng cho nâng cấp mạng GSM của Viettel lên 3G) nghiên cứu tổng quan về công nghệ W-CDMA và hệ thống thông tin di động W-CDMA nói chung, phân tích các quá trình phát triển lên 3G từ đó ứng dụng lựa chọn, tính toán dụng lượng mạng trên cơ sở đó xây dựng cấu trúc 3G, phù hợp với xu hướng phát triển mạng thông tin di động Viettel. Luận văn được chia làm 4 chương: Chương 1: Giới thiệu chung về tình hình phát triển di động 3G tên thế giới và tại Việt nam. Chương 2: Hệ thống WCDMA: Giới thiệu tổng quan về công nghệ và hệ thống WCDMA Chương 3: Phân tích quá trình phát triển lên mạng 3G. Chương 4: Ứng dụng mạng 3G cho phát triển mạng Viettel. Mặc dù đã hết sức cố gắng và đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp quí báu từ các thầy cô giáo, nhưng do thời gian có hạn, luận văn chưa thể đi sâu vào nhiều khía cạnh kỹ thuật khác. Song những vấn đề mà luận văn đề cập tới là những yếu tố quan trọng đã và đang đưa vào sử dụng cũng như những ứng dụng của nó trong phát triển mạng thông tin di động 3G. Rất mong được sự đóng góp và giúp đỡ hơn nữa của các thầy cô giáo và đồng nghiệp để luận văn được kết quả tốt hơn. Sau cùng em xin chân thành cám ơn thầy giáo TS Bạch Thành Lê, người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin cám ơn các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ Thông tin đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình hoàn thành luận văn này. Tác giả Đào Quang Anh CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1.1.1 Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu công nghệ WCDMA và quá trình nâng cấp mạng GSM(2G) lên WCDMA(3G) để ứng dụng cho phát triển mạng thông tin di động Viettel. 1.1.2 Nhiệm vụ của đề tài Đánh giá tình hình phát triển công nghệ mạng 3G trên thế giới cũng như tại Việt Nam và nêu lên sự cần thiết phát triển 3G tại Việt Nam. Tổng quan công nghệ WCDMA và mạng UMTS phân tích các quá trình phát triển để nâng cấp mạng GSM (2G) lên mạng WCDMA (3G). Đưa ra các phương án có thể thực hiện phát triển mạng GSM lên 3G cho Viettel, lựa chọn và đề xuất phương án tối ưu, để đảm bảo khi phát triển mạng là tốt nhất cả về mặt kỹ thuật và về mặt kinh tế cho việc đầu tư là có hiệu quả nhất. Tính toán sơ bộ các thông số kỹ thuật mạng vô tuyến dựa trên khả năng tăng trưởng thuê bao 3G. Trên cơ sở đó lựa chọn giải pháp công nghệ và xây dựng cấu trúc mạng cho cả phần truy nhập vô tuyến và phần mạng lõi. 1.2 Tình hình phát triển công nghệ 3G trên thế giới và tại Việt Nam 1.2.1 Lịch sử và xu hướng phát triển
Hình 1.1. Các bước phát triển đến mạng thế hệ thứ 3 Lịch sử ra đời và sự phát triển của dịch vụ di động từ thế hệ đầu tiên 1G tới thế hệ 3G trải qua nhiều giai đoạn khác nhau. Bảng 1.1 cho thấy tóm lược quá trình tiến triển của công nghệ thông tin di động. Bảng 1.1 tóm lược quá trình tiến triển của công nghệ thông tin di động Quá trình bắt đầu với các thiết kế đầu tiên được biết đến như là 1G trong những năm 70 của thế kỷ trước. Các hệ thống ra đời sớm nhất được thực hiện dựa trên công nghệ tương tự và cấu trúc tế bào cơ bản của thông tin di động. Nhiều vấn đề có tính nguyên tắc cơ bản đã được giải quyết trong những hệ thống này. Và có nhiều các hệ thống không tương thích đã được đưa ra cung cấp dịch vụ trong những năm 80, như: AMPS, TACS, NMT,… Các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) được xây dựng trong những năm 80 vẫn được sử dụng chủ yếu cho thoại nhưng đã được thực hiện trên cơ sở công nghệ số, bao gồm các kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Các hệ thống 2G này cung cấp các dịch vụ thông tin dữ liệu chuyến mạch kênh ở tốc độ thấp. Tính cạnh tranh lại một lần nữa dẫn tới việc thiết kế và thực hiện các hệ thống bị phân hoá thành các chuẩn khác nhau không tương thích như: GSM (hệ thống di động toàn cầu) chủ yếu ở châu Âu, TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian) IS-54/IS-136 ở Mỹ, PDC (hệ thống di động tế bào số cá nhân) ở Nhật và CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) IS-95, một hệ thống khác tại Mỹ. Các hệ thống này hoạt động rộng khắp trên lãnh thổ quốc ra hoặc quốc tế và hiện nay chúng vẫn chiếm vai trò là các hệ thống chủ đạo, mặc dù tốc độ dữ liệu của các thuê bao trong hệ thống bị giới hạn nhiều. Bước chuyển tiếp giữa 2G và 3G là 2.5G. Thế hệ 2,5G được phát triển từ 2G với dịch vụ dữ liệu và các phương thức chuyển mạch gói, và nó cũng chú trọng tới các dịch vụ 3G cho các mạng 2G. Về cơ bản nó là sự phát triển của công nghệ 2G để tăng dung lượng trên các kênh tần số vô tuyến của 2G và bước đầu đưa các dịch vụ dữ liệu dung lượng cao hơn vào, có thể nâng tới 384 Kbps. Một khía cạnh rất quan trọng của 2.5G là các kênh dữ liệu được tối ưu hoá cho dữ liệu gói truy nhập vào Internet từ các thiết bị di động như điện thoại, PDA hoặc máy tính xách tay. Trên cùng một mạng lưới với 2G, thế hệ 2.5G đã đưa internet vào thế giới thông tin di động cá nhân. Đây thực sự đã là một khái niệm mang tính cách mạng cho hệ thống viễn thông lai ghép hybrid. Trong thập kỷ 90, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa ra hệ thống di động thế hệ kế tiếp, thế hệ thứ 3, đã loại trừ được những sự không tương thích của các hệ thống trước đây và thực sự trở thành hệ thống toàn cầu. Hệ thống 3G có các kênh thoại chất lượng cao cũng như các khả năng về dữ liệu băng rộng, có thể đạt tới 2Mbps. Các hệ thống 3G hứa hẹn cung cấp những dịch vụ viễn thông tốc độ cao hơn, bao gồm thoại, fax và internet ở bất cứ thời gian nào, bất cứ nơi đâu với sự chuyển vùng roaming toàn cầu không gián đoạn. Chuẩn 3G toàn cầu của ITU đã mở đường cho các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo (ví dụ loại hình giải trí đa phương tiện, các dịch vụ dựa trên vị trí,…). Mạng 3G đầu tiên được thiết lập tại Nhật bản năm 2001. Các mạng 2.5G, như là GPRS (dịch vụ vô tuyến gói chung) đã sẵn sàng ở Châu Âu. Công nghệ 3G hỗ trợ băng thông 144 Kbps với tốc độ di chuyển lớn (trên xe hơi), 384 Kbps (trong một khu vực), và 2 Mb ps (đối với trường hợp trong nhà). Hình 1.2 thể hiện các dịch vụ được tích hợp ở mang thế hệ thứ 3. Entertainme Financial Services Telecommunication Broadcasting Game Music Inter VOD TV Cable TV Interactive TV ervice Hình 1.2. Các dịch vụ được tích hợp ở mạng thế hệ thứ 3 Các dịch vụ dữ liệu (data) của WCDMA WCDMA cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốt độ cao hơn và sử dụng hiệu quả phổ băng tần hơn các công nghệ trước đó như GSM, GPRS hoặc EDGE. Phiên bản đầu tiên của WCDMA là R99 và phiên bản mới nhất gần đây là HSDPA (Release 5), HSUPA (Release 6) cung cấp tốt độ dữ liệu tốc độ cao cho đường lên UL và đường xuống riêng biệt DL. Phiên bản trong tương lai sẽ là HSPA (Release 7) và LTE (Release 8), như trong hình 1.3
Hình 1.3 Các dịch vụ dữ liệu (data) của WCDMA 1.2.2 Tình hình phát triển 3G trên thế giới Cho đến tháng 1/2008, có 197 nhà khai thác kinh doanh thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) hoạt động trên thế giới đã có 87 nước và vùng lãnh thổ, phục vụ cho 180 triệu thuê bao. Sau đây là sơ đồ các nước sử dụng dịch vụ 3G.
Hình 1.4. Các nước triển khai dịch vụ 3G Dịch vụ 3G ở Nhật Bản và Hàn Quốc phát triển rất cao. Nhờ có sự thúc đẩy của chính phủ và thái độ tích cực của các nhà khai thác, ứng dụng công nghệ 3G ở hai nước này từ năm 2001; việc kích thích thị trường thời gian đầu khá tốt, người dùng cũng tha thiết với dịch vụ mới. Các nước Đông Nam Á cũng phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, đặc biệt là Singapore và Thái Lan. Mức độ phát triển chung thị trường thông tin di động ở các nước Châu Âu rất cao, mức phổ cập dịch vụ di động lên đến khoảng 90%, nhưng các nhà khai thác truyền thống triển khai dịch vụ 3G tương đối thận trọng, nước đầu tiên triển khai ở Châu Âu là Bỉ là vào 2002. Sự phát triển dịch vụ 3G ở Châu Mỹ tương đối chậm chạp so với các vùng khác trên thế giới. Đến năm 2005 ở Mỹ mới bắt đầu triển khai 3G. Mức độ phát triển dịch vụ 3G của Nhật Bản và Hàn Quốc, hai nước Châu Á, là chiếm hàng đầu của thế giới; biểu hiện thị trường 3G ở Châu Âu nói chung là bình bình, nhưng cũng có điểm sáng, chủ yếu là ở Italia và Anh; ở Châu Mỹ thì sự phát triển ở Mỹ là tương đối nổi bật; còn Châu Phi là thị trường sẽ được khai phá trong tương lai. Cùng với ra đời dịch vụ 3G của các nhà khai thác, các nhà cung cấp thiết bị đầu cuối đã nhanh chóng đưa ra đa dạng chủng loại. Hiện nay máy đầu cuối WCDMA đã có 26 nhãn hiệu, 186 loại sản phẩm; sản phẩm đầu cuối EV-DO cũng lên đến 156 loại. Trong các loại dịch vụ của 3G, đóng góp lớn nhất vào thu nhập vẫn là dịch vụ điện thoại, chiếm hơn 90% tổng thu nhập, nhưng đóng góp vào thu nhập của các dịch vụ phi thoại đang tăng trưởng đều. Dịch vụ 3G được đánh giá cao nhất trong tương lai bao gồm đa truyền thông, truyền hình thu qua máy cầm tay.v.v Doanh thu từ các dịch vụ nội dung và video chiếm tỷ trọng lớn trong mạng 3G, và doanh thu trên một đầu thuê bao ARPU cao hơn 2G 40%. Hình 1.5 thể hiện kết cấu doanh thu các dịch vụ 3G. 3G Worldwide Revenues Composition 2008 Businiess MMS, 7% Mobile Internet Access, 3% Location-Based Services, 2%  Simple Voice, 28% Customised infotainment, 36%  Mobile Intranet/Extranet, 14%  Rich Voice, 4% Consumer MMS, 6% Hình 1.5 Kết cấu doanh thu các dịch vụ 3G Do hoàn cảnh thị trường ở các nước có khác nhau, sách lược phát triển 3G mà các nhà khai thác lựa chọn cũng không hoàn toàn giống nhau. Ở Nhật Bản các nhà khai thác, như DoCoMo, chủ yếu là thông qua sự tiến bộ của kỹ thuật và sáng tạo mới về dịch vụ để đi đến thành công. Hiện nay mạng 3G ở Nhật đã phủ sóng đến 99,7%. 94% thuê bao dùng 2G đang quá độ sang 3G, tỷ lệ này là cao nhất trên toàn thế giới. Các nhà khai thác và các nhà sản xuất máy cầm tay phối hợp với nhau thiết kế chế tạo máy đầu cuối. Giá cả của máy cầm tay 3G đã tương đương với máy cầm tay 2G, cho nên các thuê bao dùng muốn đổi máy cầm tay. Các nhà khai thác đưa ra các dịch vụ mới rất hấp dẫn trên mạng, ví dụ như trích xuất âm nhạc, mua hàng qua máy cầm tay v.v… Công ty 3G của Hutchison có trụ sở chính đóng tại Hongkong cũng là một trong số các nhà khai thác đi đầu về dịch vụ 3G trên toàn cầu; nắm 10 giấy phép 3G ở các thị trường úc, áo, Đan Mạch, Hongkong, Italia, Ai Len, Israel, Na Uy, Anh, Thụy Điển v.v đến 175 triệu dân, chỉ chi cho giấy phép tổng cộng đến 10,2 tỷ USD. Đầu tư xây dựng mạng lưới 3G của công ty đã vượt 27 tỷ USD. Sách lược phát triển 3G của Công ty 3G Hutchison là cước phí linh hoạt. Số thuê bao dùng 3G của công ty này chưa đến 6 triệu, năm nay sẽ đột phá 10 triệu. Sự phát triển dịch vụ 3G của đại đa số các nhà khai thác Châu Âu là tương đối chậm chạp. Nguyên nhân chủ yếu, một là chi trả cho giấy phép quá cao, làm cho các nhà khai thác thiếu lực để phát triển; hai là nhu cầu thị trường đối với 3G chưa nhiều, chỉ khoảng 6% thuê bao dùng di động có nhu cầu 3G; thông thường tỷ lệ này phải đạt đến 33%, nhà khai thác mới có thể thực hiện cân bằng thu - chi. 1.2.3 Xu hướng phát triển 3G tại Việt Nam Các ứng dụng truyền thông hữu ích như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao... cùng nhiều ứng dụng dịch vụ viễn thông tiên tiến khác có thể thực hiện được trên mạng di động 3G. Nhưng ở Việt Nam 3G mới chỉ đang “bước” chập chững. Thế giới đang có 2 hệ thống 3G được 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 được gọi là CDMA băng thông rộng (WCDMA). Căn cứ vào những thông tin nói trên thì Việt Nam đã gia nhập vào nhóm các nước đã triển khai dịch vụ điện thoại thế hệ thứ 3 (3G), đó chính là dịch vụ điện thoại di động CDMA của nhà khai thác mạng S-Fone. Tuy nhiên, công nghệ CDMA-2000 1X mà S-Fone triển khai cũng chỉ được coi là giai đoạn khởi đầu của một hệ thống 3G hoàn chỉnh, vì CDMA-2000 có đến ba phiên bản: CDMA-2000 1X, CDMA-2000 1xEV-DO và CDMA-2000 1xEV-DV. CDMA2000 1X dành cho thoại và dữ liệu, hoạt động trên kênh