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) [...]... truyền tải đƣợc thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ đƣợc hỗ trợ bởi phát hành này của mạng Kiến trúc RAN của 3GR1.3 đƣợc thể hiện trên hình 1.15 Đồ án 4 32 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn 1.10 CẤU HÌNH ĐỊA LÝ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải đƣợc tổ... HLR/HSS Rất nhiều giao thức đƣợc sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM Tuy nhiên mạng phải giao di n với các mạng Đồ án 4 24 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phƣơng tiện Ngoài ra mạng cũng phải giao di n với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao di n này đƣợc thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW)... V2 và OMC-R V2 đƣợc đƣa ra để phục vụ cho cả UMTS và GSM Hình 1.13 cho thấy kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS đƣợc phát triển trong giai đoạn triển khai UMTS ban đầu (3GR1.1) Đồ án 4 30 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn 1.9.2 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM Trong giai đoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp đầu tiên giữa hai mạng sẽ đƣợc thực hiện bằng cách đƣa ra các.. .Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn 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... trạm di động có thể chuyển động tự do và không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR (hay SGSN) quản lý vị trí này Có thể nói vùng định vị (hay vùng định tuyến) là vị trí cụ thể nhất của trạm di động mà mạng Đồ án 4 34 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn cần biết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nó Ở vùng định vị này thông báo tìm sẽ đƣợc phát quảng bá để tìm thuê bao di. .. dƣỡng mạng vô tuyến cũng có thể đƣợc thực hiện chung bởi cùng một OMC-R (V2) Hình 1.14 mô tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai Đồ án 4 31 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn 1.9.3 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất Trong kiến trúc RAN của phát hành này đƣợc xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống UMTS. .. V2 đƣợc đƣa ra để phục vụ cho cả UMTS và GSM Hình 1.13 cho thấy kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS đƣợc phát triển trong giai đoạn triển khai UMTS ban đầu (3GR1.1) Đồ án 4 27 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Điểm mới của R5 và R6 là nó đƣa ra một miền mới đƣợc gọi là phân hệ đa phƣơng tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) Đây là một miền mạng IP đƣợc thiết kế để hỗ trợ các... máy di động (UE) khi nó chuyển từ vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt (SGSN1) này sang một vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt khác (SGSN2) thông qua giao thức GTP Đồ án 4 13 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Vì 3G WCDMA UMTS đƣợc phát triển từ những năm 1999 khi mà ATM là công nghệ chuyển mạch gói còn ngự trị nên các tiêu chuẩn cũng đƣợc xây dựng trên công nghệ... toàn di n của tiếng và số liệu Điểm mới của R5 và R6 là nó đƣa ra một miền mới đƣợc gọi là phân hệ đa phƣơng tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) Đây là một Đồ án 4 25 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn miền mạng IP đƣợc thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phƣơng tiện thời gian thực IP Từ hình 1.11 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao di n cách biệt; chỉ có một giao di n... UTRAN cho cả giao di n IuCS và IuPS Nhƣng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập CN  Giao di n Iur Đây là giao di n RNC-RNC Ban đầu đƣợc thiết kế để Đồ án 4 22 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn đảm bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhƣng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới đƣợc bổ sung Giao di n này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau: 1 Di động giữa các . 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. 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