Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 3G –WCDMA 1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Thông tin di động đã được đưa vào sử dụng đầu tiên ở Mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này có 6 kênh sử dụng cấu trúc ô rộng với tần số 150MHz. Mặc dù các khái niệm tế bào, các khái niệm trải phổ, điều chế số và các công nghệ hiện đại khác được biết đến hơn 50 năm trước đây, nhưng cho đến đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện trong các dạng ứng dụng và khi đó nó chỉ là sửa đổi, thích ứng của các hệ thống điều vận, các hệ thống điện thoại này có ít tiện lợi và dung lượng thấp. Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại di dộng tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện, đây là hệ thống tương tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G). Các hệ thống di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: Hệ thống di động tiên tiến (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin truy nhập toàn diện (TACS) và hệ thống NTT.
Hạn chế của các hệ thống này là: Phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn của khách hàng…. Giải pháp để loại bỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số và sử dụng các dịch vụ đa truy nhập mới. Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên ra đời trên thế giới là GSM. GSM được phát triển từ năm 1982, CEPT quy định việc ổn định tần số dịch vụ viễn thông Châu Âu ở băng tần 900MHz.
Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động được đưa vào hoạt động năm 1993, song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng, máy cầm tay không dây số cũng được nghiên cứu 1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Học viên: Nguyễn Bảo Trung phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại máy này là DECT (Digital Enhanced Cordless Telecom) của Châu Âu và PHS của Nhật cũng được đưa vào khai thác. Ngoài kỹ thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA được đưa vào sử dụng ở một số nước. Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật số nói trên sử dụng phương pháp truy nhập TDMA như GSM (Châu Âu), PDC (Nhật) hoặc phương pháp truy nhập CDMA (CDMA – IS 95) đều thuộc hệ thống thông tin di động thứ 2 (2G).
Các hệ thống thông tin di động tế bào số có nhiều điểm nổi bật như: Tốc độ thông tin được cải thiện nhờ các công nghệ xử lý số khác nhau, nhiều dịch vụ mới (các dịch vụ phi thoại) kỹ thuật mã hoá được cải tiến tương thích tốt hơn với các mạng số và phát huy hiệu quả dải phổ vô tuyến.1 mô tả các thông số cơ bản của các tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin tế bào số của Nhật, Mỹ và Châu Âu.1: Các thông số cơ bản của Hệ Thống Thông Tin Tế Bào Số Nhật Bản Bắc Mỹ GSM Châu Âu IS-54 IS-95 Băng tần 800MHz/1.5 800MHz 800MHz GHz Khoảng 50KHz 1.25MHz 400KHz (xen kẽ cách 50KHz (xen (xen kẽ 200KHz) tần số kẽ 25KHz) 25KHz) Cơ chế truy TDMA/FDD TDMA/F DS-CDMA/FD TDMA/FDD nhập DD D Cơ chế mã 11.8kbit/s hoá thoại VSELP VSELP QCELP tốc độ RPE-LTP.LPC biến thiên 4 nấc 11.4kbit/s EVSI Phương QBSK QBSK Hướng GMSK pháp điều xuống chế QBSK Hướng lên: OQBSK 2 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Học viên: Nguyễn Bảo Trung RPE: Mã hoá dữ báo kích thích xung đều. LTP: Mã hoá dữ báo dài hạn. LPC: Mã hoá dữ báo tuyến tính. FDD: Song công chia tần số.
PSI – CELP dữ báo tuyến tính kích thích mã – đổi đồng bộ âm. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng hệ thống thông tin di động thứ 3–IMT2000 đã và đang được nghiên cứu sử dụng. Khác với hệ thống thông tin di động thứ 1(tương tự) và thứ 2(số), hệ thống thông tin di động thứ 3(3G) có xu thế chuẩn hoá toàn cầu và khả năng cung cấp các dịch vụ ở tốc độ bit lên tới 2Mb/s (có thể truy cập internet, truyền hình và các dịch vụ khác). Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 còn được gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng.
Từ năm 2001, các hệ thống IMT-2000 sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA) bắt đầu được đưa vào khai thác. Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động lên 3G được minh họa ở hình 1. CDMA One MẠNG LÕI IS-41 IS – 95B CDMA2000 1X EV-DO CDMA One CDMA2000 1X IS – 95A CDMA2000 TDMA 1X EV-DV EDGE W-CDMA GSM GPRS MẠNG LÕI GSM 2G 2,5G 3G Hình 1.1: Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G 3 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Học viên: Nguyễn Bảo Trung 1.2 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ GSM LÊN 3G W-CDMA Để đảm bảo đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế, tính hệ thống, thông tin di động thế hệ hai sẽ được chuyển đổi từng bước sang thế hệ ba. Tổng quát quá trình chuyển đổi này như hình vẽ 1.2 GSM HSCSD GPRS EDGE W-CDMA Hình 1.2: Lộ trình phát triển từ GSM đến W-CDMA.1 Công nghệ GSM GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới.
Khả năng phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second Generation, 2G). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn.
Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng. GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới. Giao diện vô tuyến - GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cell) do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần, hầu hết thì hoạt động ở băng 900 MHz và 1800 MHz.
Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 MHz và 1900 MHz do băng 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước. Các mạng sử dụng băng tần 900 MHz thì đường lên (từ thuê bao di động đến trạm truyền dẫn uplink) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đường xuống downlink sử dụng 4 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Học viên: Nguyễn Bảo Trung tần số trong dải 935–960 MHz. Và chia các băng tần này thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz. Khoảng cách song công (đường lên & xuống cho 1 thuê bao) là 45 MHz.
Ở một số nước, băng tần chuẩn GSM900 được mở rộng thành E-GSM, nhằm đạt được dải tần rộng hơn. E-GSM dùng 880–915 MHz cho đường lên và 925–960 MHz cho đường xuống, như vậy đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến 1023 và 0) so với băng GSM-900 ban đầu. - Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing), cho phép truyền 8 kênh thoại toàn tốc hay 16 kênh thoại bán tốc trên 1 kênh vô tuyến. Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA.
Các kênh bán tốc sử dụng các khung luân phiên trong cùng khe thời gian. Tốc độ truyền dữ liệu cho cả 8 kênh là 270.833 kbit/s và chu kỳ của một khung là 4. Cấu trúc cơ bản của hệ thống GSM Bao gồm ba phân hệ chính như hình 1.3 đó là BSS, NSS và NMS. BSS Hệ thống được thực hiện như là một mạng gồm nhiều ô vô tuyến cạnh nhau để đảm bảo toàn bộ vùng phủ của vùng phục vụ.
Mỗi ô có một trạm vô tuyến gốc (BTS) làm việc ở tập hợp các kênh vô tuyến. Các kênh này khác với các kênh làm việc của ô kế cận để tránh nhiễu giao thoa. BTS được điều khiển bởi bộ điều khiển trạm gốc BSC. Các BSC được phục vụ bởi trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động (MSC).
Một BSC điều khiển nhiều BTS. NSS NSS trong GSM là một mạng thông minh. NSS quản lý giao diện giữa người sử dụng mạng GSM với người sử dụng mạng viễn thông khác. 5 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Học viên: Nguyễn Bảo Trung Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản của hệ thống GSM NMS Là hệ thống quản lý mạng, qua hệ thống này thì mạng lưới được vận hành và khai thác một cách hiệu quả nhất với mục đích mang lại chất lượng dịch vụ tốt nhất cho khách hàng.2 Hệ thống 2,5G GPRS GPRS - General Packet Radio Service, là một dịch vụ dữ liệu di động dạng gói dành cho những người dùng hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) và điện thoại di động IS-136.
Nó cung cấp dữ liệu ở tốc độ đỉnh là 171,2 kb/s, có hỗ trợ giao thức TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cường đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM. Các hệ thống di động 2G kết hợp với GPRS thường được gọi là "2.5G", có nghĩa là, một công nghệ trung gian giữa thế hệ điện thoại di động thứ hai (2G) và thứ ba (3G). Phương pháp đa truy cập dùng trong GSM kết hợp GPRS dựa trên song công chia theo tần số (FDD) và đa truy cập theo phân chia thời gian (TDMA). Trong suốt một phiên kết nối, người dùng được gán cho một cặp kênh tần số tải lên và tải xuống.
Cái này sẽ phối hợp với ghép kênh thống kê theo miền thời gian, có nghĩa là liên lạc theo chế độ gói tin, điều này sẽ giúp cho vài người dùng có thể chia sẻ cùng một kênh tần số. 6 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Học viên: Nguyễn Bảo Trung Hình 1.