LỜI MỞ ĐẦU

- Mặc dù so với các loại hình dịch vụ viễn thông khác thì thông tin di động ra đời khá muộn, chỉ mới xuất hiện trong vài chục năm qua. Nhưng do mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người sử dụng nên dịch vụ này đã tăng trưởng một cách bùng nổ. Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, hệ thống thông tin di động 2G đánh dấu sự thành công của công nghệ GSM với 70% thị phần thông tin di động trên toàn cầu hiện nay. Nhưng khi vấn đề internet toàn cầu và các mạng riêng khác phát triển cả về quy mô và mức độ tiện ích đã xuất hiện nhu cầu về dịch vụ truyền số liệu mọi lúc mọi nơi. Người sử dụng có nhu cầu về các dịch vụ mới như: truyền số liệu tốc độ cao, điện thoại có hình, truy cập internet tốc độ cao từ máy điện thoại di động và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện khác. Điều đó khiến cho các hệ thống 2G phải bộc lộ những nhược điểm, điều này tạo điều kiện xuất hiện hệ thống thông tin di động 3G đáp ứng các nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và khắc phục những nhược điểm khác của hệ thống 2G-Ở Việt Nam hiện nay, các mạng di động lớn như Mobiphone, Vinaphone, Viettel, liên doanh EVN Telecom và Vietnammobile…đã dành được quyền cấp phát 3G và đang thực hiện triển khai công nghệ này với mong muốn đưa đến cho người sử dụng trong thời gian sớm nhất.

Chương: 1GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 3G

Chương: 2KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ

THỐNGTHÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

I.Các chủ đề được trình bầy trong chương

∙ 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 lưu lượng và các loại dịch vù 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 lược chuyển dịch GSM lên 3G UMTS

1. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G

Hình 1.1. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

2. Chuyển mạch kênh (CS), chuyển mạch gói (PS). Dich vụ chuyển mạch kênh và dịch vụ chuyển mạch gói.

Hình 1.2. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS).

Hình 1.3. Đóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền tunnel

Hình 1.4. Thiết lập kết nối tunnel trong chuyển mạch tunnel

3. Các loại lưu lượng và dịch vụ đượng 3GWCDMA UMTS hỗ trợ

Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

II.Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên

1. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

Hình 1.5. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN.

2.1. RNCRNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN.

Hình 1.6. Vai trò logic của SRNC và DRNC

2.2 Nút BTrong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó.

2.3. Mạng lõiMạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE. Miền PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM.

2.4 SGSNSGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn.

2.5. GGSNGGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng) là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác.

2.6 BGBG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN với các mạng khác. 2.7 VLRVLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao của HLR cho mạng phục vụ (SN: Serving Network).

2.8 MSCMSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình. 2.9 GMSCGMSC có thể là một trong số các MSC.GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS. 2.10 Môi trường nhàMôi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác. 2.11 Các mạng ngoàiCác mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cần thiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác.

2.12 Các giao diệnVai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diện khác nhau.

3. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.7 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4. Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm.

Hình 1.7. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

4.Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện IP (hình 2.8). Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi.

Hình 2.8. Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6

Hình 2.9. Chuyển đổi dần từ R4 sang R5

5. Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS

5.1. 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn

Hình 2.10. Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1)

5.2. 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 được thực hiện bằng cách đưa ra các thiết bị đa tiêu chuẩn như: Nút B kết hợp BTS (MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2). Các chức năng khai thác và bảo dưỡng mạng vô tuyến cũng có thể được thực hiện chung bởi cùng một OMC-R (V2).

Hình 2 .11. Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1).

5.3. 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất

Trong kiến trúc RAN của phát hành này được 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 và GSM. Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ. Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP. GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng. Kiến trúc RAN của 3GR1.3 được thể hiện trên hình 1.12.

Hình 2.12. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1

III. Cấu hình địa lý của hệ thống thông tin di động 3G1. Phân chia theo vùng mạng

Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào đó phải được thực hiện thông qua tổng đài cổng. Các vùng mạng di động 3G được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC hoặc GGSN. Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến đến GMSC hoặc GGSN. Tổng đài này làm việc như một tổng đài trung kế vào cho mạng 3G. Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di động. GMSC/GGSN cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngoài đến nơi nhậncuối cùng: các trạm di động bị gọi.

2. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN

Một mạng thông tin di động được phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 2.13a), hay SGSN (2.13b) Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR hay SGSN.

Hình 2.13. Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGS

3. Phân chia theo vùng định vị và vùng định tuyến

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị: LA (Location Area) (hình 2.14a). Mỗi vùng phục vụ của SGSN được chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area) (2.14b).

Hình 2.14. Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng định vị (LA: Location Area) và định tuyến (RA: Routing Area)

4. Phân chia theo ô

Vùng định vị hay vùng định tuyến được chia thành một số ô (hình2.15).

Hình 2.15 Phân chia LA và RA

5. Mẫu ôMẫu ô có hai kiểu: vô hướng ngang (omnidirectional) và phân đoạn (sectorized). Các mẫu này được cho trên hình 2.16.

Hình 1.16. Các kiểu mẫu ô

6. Tổng kết phân chia vùng địa lý trong các hệ thống thông tin di động 3G

Hình 2.17. Các khái niệm phân chia vùng địa lý trong 3G WCDMA UMTS.

7.Tổng kết

Chương này trước hết xét tổng quan quá trình phát triển thông tin di động lên 4G. Nếu công nghệ đa truy nhập cho 3G là CDMA thì công nghệ đa truy nhập cho 4G là OFDMA. Sau đó kiến trúc mạng 3G được xét. Mạng lõi 3G bao gồm hai vùng chuyển mạch: (1) vùng chuyển mạch các dịch vụ CS và (2) vùng chuyển mạch các dịch vụ PS. Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS được xét: R3, R4, R5 và R6. R3 bao gồm hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong đó kết nối giữa các nút chuyển mạch gọi là TDM (ghép kênh theo thời gian). R4 là sự phát triển của R3 trong đó miền chuyển mạch kênh chuyển thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng bằng IP. R5 và R6 hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện IP hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói. Để đáp ứng được nhiệm vụ này ngoài miền chuyển mạch gói, mạng được bổ sung thêm phân hệ đa phương tiên IP (IMS). Cốt lõi của IMS là CSCF thực hiện khởi đầu kết nối đa phương tiện IP dựa trên giao thức khởi đầu phiên (SIP Session Initiation Protocol). Ngoài ra IMS vẫn còn chứa chuyển mạch mềm để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch kênh (MGCF). Hiện nay mạng 3GWCDMA UMTS đang ở giai doạn chuyển dần từ R4 sang R5 (hình 1.12). Cuối chương trình bày cấu trúc địa lý của một mạng thông tin di đông 3G có chứa cả vùng chuyển mạch kênh và vùng chuyển mạch gói.

Chương: 3TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO

(HSPA)

I.Tổng quan truy nhập gói tốc độ cao (HSPA)1. Mở đầuTruy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet Access)được 3GPP chuẩn hóa ra trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002. Truy nhậpgói đường lên tốc độ cao (HSUPA) được 3GPP chuẩn hóa trong R6 và tháng 12 năm 2004.

2.Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại vào năm 2007. Các thông số tốc độ đỉnh của R6 HSPA được cho trong bảng 3.1.

Bảng 3.1. Các thông số tốc độ đỉnh R6 HSPA

Hình 3.1. Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA

Hình 3.2. Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (trường hợp HSDPA)

III.Kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSPA cho số liệu người sử dụng

Hình 3.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng

Hình 3.4. Các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA

IV.Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA)

HSDPA được thiết kế để tăng thông lượng số liệu gói đường xuống bằng cách kết hợp các công nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và thích ứng nhanh được truyền theo sự điều khiển của nút B.

1. Truyền dẫn kênh chia sẻ

Hình 3.5. Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH

2. Lập biểu phụ thuộc kênh

Hình 3.6. Lập biểu phụ thuộc kênh cho HSDPA

Hình 3.7. Nguyên lý lập biểu HSDPA của nút B

3. Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao

Điều khiển tốc độ đã được coi là phương tiện thích ứng đường truyền cho các dịch vụ truyền số liệu hiệu quả hơn so với điều khiển công suất thường được sử dụng trong CDMA, đặc biệt là khi nó được sử dụng cùng với lập biểu phụ thuộc kênh.

3.1. Mã hóa kênh HS-DSCH

Hình 3.8. Mã hóa turbo và đục lỗ

3.2. Điều chế HS-DSCH

Hình 3.9. Chùm tín hiệu đièu chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu

3.3. Truyền dẫn thích ứng trên cơ sở điều chế và mã hóa kênh thích ứngTruyền dẫn thích ứng là quá trình truyền dẫn trong đó tốc độ số liệu được thay đổi tùy thuộc vào chất lượng đường truyền: tốc độ đường truyền được tăng khi chất lượng đường truyền tốt hơn, ngược lại tốc độ đường truyền bị giảm

4. HARQ với kết hợp mềm

HARQ với kết hợp mềm cho phép đầu cuối yêu cầu phát lại các khối thu mắc lỗi, đồng thời điều chỉnh mịn tỷ lệ mã hiệu dụng và bù trừ các lỗi gây ra do cơ chế thích ứng đường truyền.

Hình 3.10. Nguyên lý xử lý phát lại của nút B

Hình 3.11. HARQ kết hợp phần dư tăng sử dụng mã turbo

5. Kiến trúc

Hình 3.12. Kiến trúc HSDPA

Hình 3.13. Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA

6. HSDPA MIMO

MIMO là một trong tính năng mới được đưa vào R7 để tăng các tốc độ số liệu đỉnh thông qua truyền dẫn luồng.

Hình 3.14. Sơ đồ MIMO 2x2

7. Tăng tốc độ đỉnh bằng việc sử dụng MIMO và điều chế bậc cao 16QAM/64QAM

Bảng 4.2. Các loại đầu cuối HSDPA khác nhau

V. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN (HSUPA)-Cốt lõi của HSUPA cũng sử dụng hai công nghệ cơ sở như HSDPA: lập biểu nhanh và HARQ nhanh với kết hợp mềm.

1. Lập biểu

Hình 3.15. Nguyên lý lập biểu HSUPA của nút B

Hình 3.16. Chương trình khung lập biểu của HSUPA

2. HARQ với kết hợp mềm

HARQ nhanh với kết hợp mềm được HSUPA sử dụng với mục đích cơ bản giống như HSDPA: để đảm bảo tính bền vững chống lại các sai lỗi truyền dẫn ngẫu nhiên. 3. Kiến trúc

Hình 3.17. Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH).

Hình 3.18. Các kênh cần thiết cho một UE có khả năng HSUPA

Hình 3.19 cùng với các kênh sử dụng cho HSDPA.

4. Các loại đầu cuối HSUPA

Bảng 4.3. Các loại đầu cuối R6 HSUPA

5. CHUYỂN GIAO TRONG HSDPA

Trong HSDPA chỉ có chuyển giao cứng. Tồn tại các kiểu chuyển giao sau đây trong HSDPA: Chuyển giao trong cùng một RNC Chuyển giao giữa các RNC Chuyển giao từ kênh HS-DSCH sang DCHĐể thực hiện chuyển giao UE phải báo cho SRNC về ô tốt nhất.

5.1. Xác định ô tốt nhất và chuyển giao

Hình 3.20. Sự kiện đo và báo cáo ô (đoạn ô) phục vụ HS-DSCH tốt nhất

5.2. Chuyển giao HS-DSCH giữa các ô (hay đoạn ô) trong cùng một RNC.

Hình 3.21. Chuyển giao HS-DSCH giữa hai đoạn ô thuộc cùng một nút B

5.3. Chuyển giao HS-DSCH giữa hai các ô (đoạn ô)thuộc hai RNC khác nhau.

Hình 3.22. Chuyển giao HS-DSCH giữa các đoạn ô thuộc hai RNC khác nhau

5.4. Chuyển giao HS-DSCH sang ô chỉ có DCH

Hình 3.23. Chuyển giao HS-DSCH từ nút B có HS-DSCH sang một nút B chỉ có DCH.

VI. TỔNG KẾT

HSPA là công nghệ tăng cường cho 3G WCDMA còn được gọi là 3G+. HSPA là công nghệ truyền dẫn gói phù hợp cho truyền thông đa phương tiện IP băng rộng. HSDPA sử dụng kênh chia sẻ đường xuống trên cơ sở ghép nhiều kênh mã với hệ số trải phổ SF=16, trong đó tối đa số kênh mã dành cho lưu lượng lên đến 15 và một kênh mã được dành cho báo hiệu và điều khiển. HSUPA sử dụng kênh tăng cường E-DCH để truyền lưu lượng. Cả HSDPA và HSUPA đều sử dụng truyền dẫn thích ứng trên cở sở lập biểu và HARQ. Truyền dẫn thích ứng là công nghệ trong đó tài nguyên vô tuyến dược phân bổ cho người sử dụng dựa trên tình trạng của kênh truyền sóng tức thời đến người sử dụng này: (1) nếu điều kiện truyền sóng tốt người sử dụng được phân phối nhiều tài nguyên hơn, ngược lại người này được phân phối ít tài nguyên. HSDPA sử dụng phân phối tài nguyên theo mã hoặc thời gian trong đó công suất truyền dẫn không đổi và tốc độ truyền dẫn có thể thay đổi số lượng mã, số khe được cấp phát hoặc bằng cách thay đổi sơ đồ truyền dẫn (AMC: Adaptive Modulation and Coding: mã hóa và điều chế thích ứng), còn HSUPA sử dụng phân phối tài nguyên theo công suất với điều kiện công suất được cấp phát cho mỗi máy di động không gây nhiễu cho các máy khác.

-Khi được cấp phát công suất cao hơn máy di động có thể truyền dẫn tốc độ cao hơn bằng cách sử dụng nhiều mã hơn cho kênh E-DCH hay giảm hệ số trải phổ SF nhưng không thay đổi sơ đồ truyền dẫn (điều chế luôn là BPSK). -Cả hai HSDPA và HSUPA đều sử dụng HARQ, trong đó bản tin được yêu cầu phát lại được lưu trong bộ nhớ đệm để sau đó kết hợp với bản tin được phát lại tạo thành một bản tin tốt hơn trước khi xử lý lỗi. -Cơ chế phát lại với phần dư tăng cho phép mỗi lần phát lại chỉ cần phát lại một bộ phần của phần dư chưa được phát vì thế tiết kiệm được dung lượng đường truyền. -Điểm khác biệt giữa HSDPA và HSUPA là HSDPA không sử dụng điều khiển công suất và chuyển giao mềm trái lại HSUPA sử dụng cả hai kỹ thuật này, ngoài ra HSUPA chỉ sử dụng một kiểu điều chế BPSK vì thế nó không áp dụng kỹ thuật điều chế mà mã hóa thích ứng (AMC: Adaptive Modulation and Coding).

-Cuối chương chuyển giao cứng cho HSDPA được trình bày cho. -Trong HSDPA chỉ có chuyển giao cứng. -Để thực hiện chuyển giao, UE phải đo tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh P-CPICH của tất cả các ô hoặc các đoạn ô nằm trong tập tích cực (thậm chí có thể cả trong tập ứng cử). -----Từ kết quả đo nó gửi báo cáo về ô tốt nhất đến SRNC. SRNC sẽ quyết định chuyển giao

The end.

Thank you for listening.