Tài liệu đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điều khiển và giải phấp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông

Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông LỜI NÓI ĐẦU Trong ít năm gần đây, chúng ta đã và đang chứng kiến sự bùng nổ của các dịch vụ viễn thông. Thành công của các nhà cung cấp dịch vụ không chỉ phụ thuộc rất mạnh vào hạ tầng truyền dẫn mà còn bị chi phối bởi độ tin cậy của hệ thống điều khiển chất lượng dịch vụ (QoS). Vấn đề QoS xuất hiện rất tự nhiên và đồng hành với mạng viễn thông ngay từ khi các mạng còn ở trình độ sơ khai. Cùng với quá trình phát triển các công nghệ mạng, kỹ thuật điều khiển QoS đã có những bước phát triển nhảy vọt trong vài thập kỷ gần đây. Ngày nay hầu như không một khía cạnh nào của quá trình vận hành và khai thác mạng viễn thông lại không ít nhiều dính líu tới kỹ thuật điều khiển, điều khiển là trong khi xét cho cùng mục tiêu của điều khiển là nhắm tới thỏa mãn các yêu cầu về QoS. Điều này có nghĩa rằng, điều khiển QoS là một trong các tác vụ cốt lõi cấu thành quá trình vận hành tin cậy của một mạng. Bảo đảm QoS không chỉ có nghĩa các thuê bao sử dụng mạng viễn thông được hưởng lợi, mà chính những nhà quản trị và khai thác mạng lại là những người trước tiên thu được lợi nhuận do các thuộc tính tin cậy, hiệu quả, tối ưu và tương hợp của điều khiển QoS mang lại. Có thể nói không quá rằng QoS là một nửa hữu cơ cấu thành mạng viễn thông. Sở dĩ chúng ta chưa thấy được hết nửa này bởi nó ẩn sâu đằng sau những gì chúng ta thấy. Tuy nhiên ảnh hưởng của nó lên toàn cục đã là hiển nhiên và rất to lớn. Quá trình đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng viễn thông chủ yếu liên quan tới việc thiết lập các chính sách chia sẻ tài nguyên mạng, bao gồm băng thông, dung lượng bộ đệm rồi tự động thực thi các chính sách đó. Độ tin cậy, hiệu quả, tính tối ưu và tính tương hợp là các hàm mục tiêu trong bài toán tối ưu hóa được sử dụng để xây dựng các cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ trong mạng viễn thông. Hay nói cách khác, một hệ thống viễn thông được áp dụng điều khiển chất lượng dịch vụ luôn là một hệ thống tối ưu theo ít nhất một trong các chỉ tiêu nói trên. Một hệ thống như vậy rõ ràng sẽ đem lại giá trị gia tăng và hiệu quả kinh tế rất to lớn ngay trên nền các công nghệ viễn thông hiện hữu. Trong bối cảnh như thế, kỹ thuật điều khiển và nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng viễn thông, đặc biệt trong mạng 3G là một hướng nghiên cứu đang dành Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page i Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông được sự quan tâm của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. Và do đó em chọn đề tài tôt nghiệp là: “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VIỄN THÔNG TRONG MẠNG 3G” Trên cơ sở những kiến thức đã tích lũy được qua những năm học tập tại KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-THÔNG TIN trường VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI tôi đã hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này.Để hoàn thành bản đồ án này tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS HOÀNG MẠNH THẮNG đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thiện đồ án này. Đồ án tốt nghiệp hẳn không tránh khỏi những sai sót, em rất hy vọng nhận được những lời góp ý bổ ích từ phía Thầy, Cô và Các bạn. Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page ii Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông TÓM TẮT Đề tài tốt nghiệp "Kỹ thuật điều khiển và các giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông trong mạng 3G" tập trung làm sáng tỏ hai vấn đề: Vấn đề thứ nhất, nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển chất lượng dịch vụ, đề tài khai thác các cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ trong các môi trường viễn thông tốc độ cao, băng rộng như mạng không dây, chế độ truyền tải dị bộ ATM, mạng giao thức Internet (IP), mạng chuyển nhãn đa giao thức MPLS, mạng UMTS... đó là những loại mạng chính cấu thành mạng viễn thông hiện nay. Vấn đề thứ hai, đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ: QoS trong mạng 3G, yêu cầu QoS nói chung, yêu cầu QoS tại End-User, kiến trúc QoS End-toEnd...và những giải pháp khả thi cho mục đích nâng cao chất lượng dịch vụ. Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương: Chương 1. Lộ trình lên 3G của mạng viễn thông, chương này phác lại con đường lên 3G của mạng viễn thông toàn cầu. Chương 2. Bản chất lưu lượng và công nghệ mạng, chương 2 trình bày bản chất của lưu lượng (một đối tượng của điều khiển QoS), các công nghệ mạng không dây, ATM, mạng IP, MPLS, mạng phi thể thức. Chương 3. Điều khiển QoS tại lõi mạng, chương 3 đưa ra các phương pháp điều khiển QoS như: điều khiển chấp nhận cuộc nối, điều khiển dẫn nạp lưu lượng, lập lịch gói, triển khai hàng chờ gói công bằng, quản trị bộ đệm, điều khiển luồng và điều khiển nghẽn, định tuyến QoS. Các vấn đề về đảm bảo QoS trong mạng lõi được trình bày trong chương này. Chương 4. Điều khiển QoS tại các giao diện vô tuyến, chương 4 là chương trọng tâm. Chương này giải quyết các vấn đề điều khiển và nâng cao QoS tại các kết nối UE-BS trên cơ sở peer-to-peer, các kỹ thuật điều khiển công suất hay các kỹ thuật chuyển giao trong mạng WCDMA. Các vấn đề về nâng cao dung lượng mạng và chất lượng cuộc nối cũng sẽ được phân tích cụ thể. Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page iii Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông ABSTRACT The plan "CONTROL TECHNIQUES AND RESOLUTIONS TO RAISE QUATILY OF SERVICE IN 3G NETWORK" focus on resolving two problems: Firstly, research of QoS control techniques, this section exploits quality of service control mechanisms in high speed-wideband telecommunication environment, such as wireless network, asynchronous transfer mode (ATM), Internet protocol network (IP), multi protocol label switching network (MPLS), UMTS network…which construct the current telecommunication network. Secondly, give out resolutions to raise quatily of service. This section presents QoS problems in 3G network, QoS requirements in common, QoS requirement at enduser, QoS End-to-End architecture, and possible resolution for purpose to raise quality of service. This plan consits of four chapters: Chapter 1. The road to 3G of telecommunication network, this chapter sketches the road to 3G of global telecommunication network. Chapter 2. Throughput essence and network technologies, chapter 2 mentions on the essence of throughput (one obiect of QoS control), wireless network technologies, ATM, IP network, MPLS. Chapter 3. QoS control mechanisms at core network, chapter 3 give out methods to control QoS, such as connection admission control, packet scheduling, packet fair queuing deployment, buffer management, flow control, congestion control, QoS routing. QoS guarantee problems in core network is represented in this chapter. Chapter 4. QoS control mechanisms at radio interface, this is the main chapter which resolves problems of QoS raise an control at UE-BS connection on peer-to-peer basis, techniques of power control and handover in WCDMA network. Problems of network capacity improvement and quality of connection will be specifically analysed. Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page iv Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................i TÓM TẮT.............................................................................................................iii ABSTRACT..........................................................................................................iv MỤC LỤC..............................................................................................................v DANH MỤC HÌNH............................................................................................viii DANH MỤC BẢNG..............................................................................................x THUẬT NGỮ VIẾT TẮT....................................................................................xi CHƯƠNG 1. LỘ TRÌNH LÊN 3G CỦA MẠNG VIỄN THÔNG........................1 1.1. Lộ trình lên 3G....................................................................................................1 1.1.1. Tổng quan.....................................................................................................1 1.1.2. FDMA, TDMA và CDMA............................................................................3 1.1.3. Hướng về 3G................................................................................................4 1.1.4. Từ GSM lên 3G............................................................................................4 1.1.5. Từ IS-95 đến cdma2000................................................................................6 1.1.6. Kết luận.........................................................................................................7 1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3...............................................................7 1.2.1. Hệ thống viễn thông di động Quốc tế IMT-2000..........................................7 1.2.2. Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS...............................................9 CHƯƠNG 2. BẢN CHẤT LƯU LƯỢNG VÀ CÔNG NGHỆ MẠNG..............11 2.1. Bản chất của lưu lượng......................................................................................12 2.2. Các công nghệ mạng..........................................................................................12 2.2.1. Mạng không dây.........................................................................................12 2.2.2. ATM...........................................................................................................13 2.2.3. Intserv.........................................................................................................15 2.2.4. Diffserv.......................................................................................................16 2.2.5 Chuyển nhãn đa giao thức MPLS................................................................17 2.2.6 Mạng phi thể thức Ad Hoc...........................................................................18 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN QoS TRONG MẠNG LÕI.....................................19 3.1. Điều khiển chấp nhận........................................................................................20 3.1.1. Nguyên lý điều khiển chấp nhận.................................................................20 3.1.2. Chiến lược điều khiển chấp nhận dựa trên công suất băng rộng.................21 3.2. Điều khiển dẫn nạp lưu lượng............................................................................22 3.3. Lập lịch gói........................................................................................................23 3.3.1. Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP)......................................................23 3.3.2. RTT............................................................................................................. 27 3.4. Triển khai hàng chờ gói công bằng PFQ............................................................30 Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page v Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông 3.5. Quản trị bộ đệm.................................................................................................31 3.6. Điều khiển luồng và điều khiển nghẽn...............................................................31 3.7. Định tuyến QoS.................................................................................................31 3.8. Kết luận.............................................................................................................32 CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN QoS TRONG MẠNG TRUY NHẬP.....................35 4.1. Đo tải giao diện vô tuyến...................................................................................35 4.1.1. Tải hướng lên..............................................................................................35 4.1.1.1 Ước lượng tải dựa trên công suất thu băng rộng..................................36 4.1.1.2 Ước lượng tải dựa trên thông lượng....................................................36 4.1.1.3 So sánh các phương pháp ước lượng tải hướng lên.............................37 4.1.2. Tải hướng xuống.........................................................................................39 4.1.2.1. Ước lượng tải dựa trên công suất.......................................................39 4.1.2.2 Ước lượng tải dựa trên thông lượng....................................................40 4.2. Dự tính mạng vô tuyến......................................................................................40 4.2.1. Tài nguyên kết nối vô tuyến........................................................................41 4.2.2. Hệ số tải......................................................................................................47 4.2.2.1. Hệ số tải hướng lên..............................................................................47 4.2.2.2. Hệ số tải hướng xuống.........................................................................51 4.2.3. Phương pháp nâng cấp dung lượng.............................................................56 4.2.4. Dung lượng trên km2...................................................................................57 4.2.5. Nhiễu giữa các nhà cung cấp......................................................................58 4.2.5.1. Giới thiệu.............................................................................................58 4.2.5.2. Ảnh hưởng của hướng lên và hướng xuống.........................................60 4.2.5.3. Các giải pháp để tránh nhiễu kênh lân cận.........................................60 4.3. Điều khiển công suất..........................................................................................61 4.3.1. Điều khiển công suất mạch vòng kín..........................................................61 4.3.2. Điều khiển công suất nhanh........................................................................63 4.3.2.1. Độ lợi của điều khiển công suất nhanh................................................64 4.3.2.2. Điều khiển công suất và phân tập........................................................65 4.3.2.3. Điều khiển công suất trong chuyển giao mềm.....................................69 4.3.3. Điều khiển công suất vòng ngoài................................................................72 4.3.3.1. Độ lợi của điều khiển công suất vòng ngoài........................................74 4.3.3.2. Ước lượng chất lượng thu....................................................................75 4.3.3.3. Giải thuật điều khiển công suất vòng ngoài.........................................76 4.3.3.4. Dịch vụ chất lượng cao........................................................................77 4.3.3.5. Động lực điều khiển công suất giới hạn..............................................78 4.3.3.6. Đa dịch vụ...........................................................................................78 4.3.3.7. Điều khiển công suất vòng ngoài hướng xuống...................................79 4.4. Chuyển giao.......................................................................................................80 4.4.1. Chuyển giao mềm.......................................................................................80 Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page vi Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông 4.4.1.1. Nguyên lý chuyển giao mềm trong WCDMA.......................................81 4.4.1.2. Độ lợi và ảnh hưởng của chuyển giao mềm tới hệ thống.....................82 4.4.1.3. Giải thuật chuyển giao mềm................................................................82 4.4.1.4. Quyết định ngưỡng chuyển giao mềm..................................................89 4.4.2. Chuyển giao mềm hơn................................................................................90 4.4.3. Chuyển giao mềm và mềm hơn...................................................................90 KẾT LUẬN..........................................................................................................94 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................95 Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page vii Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 : Lộ trình lên 3G..........................................................................................2 Hình 1.2 : Họ các hệ thống Radio của IMT-2000......................................................8 Hình 3.1 : Đường cong tải hướng lên và sự ước lượng độ tăng tải khi thêm một UE...................................................................22 Hình 3.2 : Ánh xạ của các lớp lưu lượng UMTS tới lập lịch và các kênh vận tải.....................................................................24 Hình 3.3 : Các giao thức gói điển hình trong WCDMA........................................... 24 Hình 3.4 : Chồng giao thức kế hoạch người dùng cho duyệt Web HTTP.............................................................................25 Hình 3.5 : Ví dụ của lợi thế cửa sổ TCP..................................................................26 Hình 3.6 : Ví dụ về cửa sổ tắc nghẽn trong bắt đầu chậm và chuyển giao nhanh....................................................................27 Hình 3.7 : Sự thiết lập (a) và giải phóng (b) kết nối TCP........................................29 Hình 4.1 : Ước lượng tải dựa trên thông lượng và công suất băng rộng..................38 Hình 4.2 : Quá trình dự tính mạng vô tuyến WCDMA............................................ 41 Hình 4.3 : Tính toán khoảng cách tế bào.................................................................47 Hình 4.4 : Độ tăng tạp âm hướng lên là hàm của thông lượng dữ liệu hướng lên................................................................51 Hình 4.5 : Mô hình chuyển giao mềm với hai cell................................................... 53 Hình 4.6 : Tổn hao đường truyền cực đại và trung bình trong các cell lớn..............54 Hình 4.7 : Cung cấp dung lượng cho site macro 3 sector......................................... 56 Hình 4.8 : Dung lượng trên km2 cho một nhà cung cấp UMTS với các lớp lớn và nhỏ.................................................................57 Hình 4.9 : Điều khiển công suất mạch vòng kín trong WCDMA............................61 Hình 4.10: Điều khiển công suất mạch vòng kín chống lại Fading........................... 63 Hình 4.11: Công suất phát và thu trong kênh Fading Rayleigh hai đường tại 3km/h.................................................................66 Hình 4.12: Công suất phát và thu trong kênh Fading Rayleigh ba đường tại 3km/h..................................................................66 Hình 4.13: Sự tăng công suất trong kênh Fading với điều khiển công suất nhanh.....................................................................67 Hình 4.14: Ảnh hưởng của công suất thu và phát đến các mức nhiễu.......................68 Hình 4.15: Độ dịch công suất hướng xuống trong chuyển giao mềm.......................69 Hình 4.16: Kiểm tra tính chân thực của các lệnh điều khiển công suất hướng lên trong UE, chuyển giao mềm...................................................71 Hình 4.17: Độ lệch công suất để nâng cao chất lượng báo hiệu hướng xuống.............................................................................71 Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page viii Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông Hình 4.18: Điều khiển công suất vòng ngoài............................................................ 73 Hình 4.19: Điều khiển công suất vòng ngoài hướng lên trong RNC.........................74 Hình 4.20: Thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài chung................................74 Hình 4.21: Ước lượng chất lượng thu vòng ngoài trong RNC.................................. 76 Hình 4.22: Mã giả ngẫu nhiên của một thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài..............................................................................77 Hình 4.23: Đích Eb/N0 trong kênh ITU Pedestrian A, mã hóathoại AMR, kích thước bước 0.5dB, đích BLER 1%, tốc độ 3km/h...........................77 Hình 4.24: Điều khiển công suất vòng ngoài hướng lên đa dịch vụ trên một kết nối......................................................................79 Hình 4.25: Giải thuật chuyển giao mềm................................................................... 83 Hình 4.26: Báo cáo định kì tạo ra bởi sự kiện 1A, 1B.............................................. 86 Hình 4.27: Báo cáo tạo ra bởi sự kiện 1C................................................................. 87 Hình 4.28: Chuyển giao mềm hơn............................................................................91 Hình 4.29: Chuyển giao mềm................................................................................... 92 Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page ix Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Bảng 4.5 : So sánh các phương pháp ước lượng tải hướng lên................................ 37 : Các giả thiết cho MS.............................................................................. 42 : Các giả thiết cho BS............................................................................... 43 : Ngân sách liên kết tham chiếu của dịch vụ thoại 122kbps AMR............43 : Ngân sách liên kết tham chiếu của dịch vụ dữ liệu thời gian thực 144kbps............................................................................44 Bảng 4.6 : Ngân sách liên kết tham chiếu của dịch vụ dữ liệu thời gian không thực 384kbps.................................................................45 Bảng 4.7 : Các tham số sử dụng trong tính toán hệ số tải hướng lên.......................50 Bảng 4.8 : Các tham số sử dụng trong tính toán hệ số tải hướng xuống..................52 Bảng 4.9 : Các giá trị Eb/N0 yêu cầu có và không có điều khiển công suất nhanh.............................................................................64 Bảng 4.10: Các công suất truyền dẫn tương đối yêu cầu có và không có điều khiển công suất nhanh................................................................64 Bảng 4.11: Độ tăng công suất được mô phỏng. Kênh ITU người đi bộ A đa đường với phân tập Anten..................................................................67 Bảng 4.12: Các đích Eb/N0 trung bình trong các môi trường khác nhau....................75 Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page x Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ABR Available Bit Rate Tốc độ bít khả dụng ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải dị bộ BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bít B-ISDN Broadband Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ tích hợp băng rộng BLER Block Error Ratio Tỉ lệ lỗi khối BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CAC Connection Admision Control Điều khiển chập nhận cuộc nối CBR Constant Bit rate Tốc độ bít bất biến CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CDVT Cell Delay Variation Tolerance Dung sai biến động trễ cell CLS Controlled Load Service Dịch vụ điều hòa tải CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung CPICH Common Pilot Channel Kênh Pilot chung CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra độ dư vòng DCH Dedicated Channel Kênh dành riêng DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý dành riêng DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh dữ liệu vật lý dành riêng DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ hướng xuống DSCP DiffServ Code Point Điểm mã Diffserv DTX Discontinuos Transmission European Telecommunications Standards Institue Evolution Data Only Truyền dẫn rời rạc Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu Phát triển chỉ dữ liệu ETSI EV-DO Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page xi Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông EV-DV Evolution Data and Voice Phát triển chỉ dữ liệu và thoại FACH Forward Access Channel Kênh truy cập trước FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FIFO First In First Out Cơ chế vào trước ra trước FR Frame Relay Công nghệ frame relay FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp GCRA Generic Cell rate Algorithm Thuật toán tốc độ cell phổ quát GFR Guarantee Frame Rate Tốc đô khung bảo hành GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GS Guarantee Services Dịch vụ bảo hành GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu HSCSD High Speed Circuit Switched Data Dữ liệu chuyển mạch vòng tốc độ cao HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ hướng xuống tốc độ cao IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số đa dịch vụ tích hợp ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế LAN Local Area Network Mạng cục bộ LSP Label Switched Path Lộ trình chuyển nhãn LSR Label Switch Router Router chuyển nhãn MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển nhãn đa giao thức MRC Maximum Rate Combination Kết hợp tỉ lệ tối đa Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page xii Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông MS Mobile Station Thuê bao di động nrt-VBR non-real-time Variable Bit Rate Tốc độ bít khả biến không thời gian thực OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Hệ số trải biến thiên trực giao PCR Peak Cell Rate Tốc độ cell đỉnh PDA Personal Digital Assistant Thiết bị số hỗ trợ cá nhân PDCP Packet Data Converge Protocol Giao thức hội tụ gói dữ liệu PFQ Packet Fair Queuing Hàng chờ gói công bằng PHB Per Hop Behavior Ứng xử từng bước nhảy QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RLC Radio Link Controller Điều khiển liên kết vô tuyến RM Resource Management Quản lý tài nguyên RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành tài nguyên RTO Retransmission Time Out Time out truyền dẫn lại rt-VBR real time Variable Bit Rate Tốc độ bít khả biến thời gian thực SCR Sustainable Cell Rate Tốc độ cell xác nhận được SIR Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TD-SCDMA Time Division Synchronous CDMA CDMA đồng bộ phân chia theo thời gian Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page xiii Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông TFCI Transport Format Combination Indicator Chỉ thị kết hợp định dạng truyền dẫn TOS Type Of Services Loại dịch vụ UBR Undefined Bit Rate Tốc độ bít không xác định UDP User Datagram Protocol Giao thức khối dữ liệu người dùng UE User Equipment Thiết bị người dùng UMTS Universal Mobile Telecommunication Services Dịch vụ viễn thông di động toàn cầu VBR Variable Bit Rate Tốc độ bít khả biến VoIP Voice over Internet Protocol Thoại trên nền giao thức Internet VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo WCDMA Wideband Code Division Multiple Access CDMA băng rộng Wifi Wireless Fidelity Công nghệ mạng cục bộ không dây chuẩn IEEE 802.11 WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây Nguyễn Đình Thịnh [Type text] Page xiv Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương dịch vụ viễn thông Chương 1. LỘ TRÌNH LÊN 3G CỦA MẠNG VIỄN THÔNG Điện thoại di động là một trong những thành tựu nổi bật về công nghệ và thương mại trong những năm gần đây. Kể từ khi có sự ra đời của điện thoại di động, vị trí của nó trong thị trường đã phát triển một cách chóng mặt từ một thiết bị mang tính chuyên biệt, rồi trở thành vật dụng thiết yếu đối với cuộc sống và kinh doanh. Qua hai thập lỷ gần đây, kết hợp với sự giảm đáng kể chi phí cho hoạt động và sự phát triển của những ứng dụng, dịch vụ mới lạ, thị trường công nghệ ngày càng lớn mạnh. Vào khoảng giữa năm 2000, ở châu Âu có trên 220 triệu thuê bao di động, và trên toàn cầu, con số này là 580 triệu. Ở Vương Quốc Anh, cứ hai người thì một người có máy điện thoại di động, trong khi đó ở Phần Lan, số lượng máy điện thoại di động tính theo đầu người đã vượt quá số hộ sử dụng điện thoại cố định. Sự phát triển của truyền thông di động đã trải qua hai thế hệ và hiện tại chúng ta đang bước vào thế hệ thứ ba (3G). Chương này sẽ phác thảo lại con đường tiến lên 3G của mạng viễn thông toàn cầu, từ thế hệ thứ nhất (1G) với công nghệ tương tự và loại hình dịch vụ chủ yếu là truyền thoại, tới thế hệ thứ hai (2G) với công nghệ số, và hiện tại là thế hệ 3G. Với hệ thống truyền thông di động 3G, khả năng cung cấp đa dạng các loại hình dịch vụ và ứng dụng tốc độ cao đã thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng. 1.1. Lộ trình lên 3G 1.1.1. Tổng quan Nguyễn Đình Thịnh lớp K9C 1 Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương dịch vụ viễn thông Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Nhược điểm của các hệ thống này là chất lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp và dung lượng nhỏ. Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ hai (2G) được đưa vào khai thác sử dụng công nghệ số, đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) kết hợp đa truy nhập phân chia theo tần số. Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở Châu Âu. Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) trở thành loại hệ thống 2G thứ hai khi Hàn Quốc đưa ra công nghệ CDMA (năm 1990) và sau đó Mỹ đưa ra Tiêu chuẩn nội địa IS-95, nay gọi là cdmaOne. TDMA TDMA (GSM (GSM -- Châu Châu Âu) Âu) WCDMA WCDMA (UMTS) (UMTS) CDMA/IS-95 CDMA/IS-95 (Hàn (Hàn Quốc/Mỹ) Quốc/Mỹ) cdma2000 cdma2000 2G 2G 3G 3G FDMA FDMA 1G 1G Hình 1.1: Lộ trình lên 3G Tất cả các hệ thống 2G đều có khả năng cung cấp chất lượng và dung lượng cao hơn. Chuyển vùng trở thành một phần của dịch vụ và vùng phủ sóng cũng ngày một rộng hơn, nhưng vẫn phải đối mặt với các vấn đề hạn chế về dung lượng trên nhiều thị trường. Thông tin di động ngày nay đang tiến tới một hệ thống thế hệ thứ ba hứa hẹn dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dữ liệu di động tốc độ cao hơn và sử dụng các ứng dụng đa phương tiện. Các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ 3 (3G) cần cung cấp dịch vụ thoại với chất lượng tương đương các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền số liệu có tốc độ từ 144Kbps đến 2 Mbps. Hiện đang có 2 hệ thống tiêu chuẩn hoá: một chuẩn Nguyễn Đình Thịnh lớp K9C 2 Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương dịch vụ viễn thông dựa trên hệ thống CDMA băng hẹp IS-95, được gọi là cdma2000. Chuẩn kia là sự kết hợp của các tiêu chuẩn Nhật Bản và châu Âu do Dự án Hợp tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) tổ chức. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn vô tuyến tên là truy nhập vô tuyến mặt đất (UTRA - UMTS Terrestrial Radio Access) UMTS. Tiêu chuẩn này có 2 sơ đồ truy nhập vô tuyến. Một trong số đó sắp xếp các cặp dải tần thông qua ghép song công phân chia theo tần số (FDD) - thường gọi là CDMA băng thông rộng (WCDMA). Hình vẽ dưới đây mô tả sơ lược con đường tiến lên 3G của hệ thống thông tin di động. 1.1.2. FDMA, TDMA và CDMA Trước khi xem xét tương lai 3G, cũng cần khảo sát hoạt động của từng giao diện nói trên. Thứ nhất, các kênh này được ghép cặp sao cho một kênh đi từ trạm di động đến trạm gốc và kênh kia đi từ trạm gốc đến trạm di động, tạo điều kiện cho liên lạc song công. Thứ hai, có một tập các kênh điều khiển 2 chiều dùng để điều khiển các kênh thoại. Cuối cùng, giao diện không gian cần một quy trình mà ở đó, các kênh thoại được phân bổ cho nhiều người dùng đồng thời. Chúng ta gọi FDMA, TDMA và CDMA là các phương thức phân bổ kênh của giao diện không gian. FDMA là phương thức phân bổ đầu tiên và ra đời sớm nhất. Một thuê bao muốn tạo một cuộc gọi sẽ phải nhập số điện thoại cần gọi và nhấn phím gửi. Nếu còn dung lượng thoại cho tế bào, một cặp kênh sẽ được phân bổ cho trạm di động để phục vụ đàm thoại - mỗi kênh cho một chiều thoại. Xét trên một sơ đồ phân bổ tế bào điển hình, số chiều thoại tối đa của một tế bào bất kỳ là khoảng 60. Rõ ràng là không thể phục vụ hàng triệu người dùng với một dung lượng hạn chế như thế. Các hệ thống TDMA khắc phục vấn đề dung lượng kênh bằng cách chia kênh vô tuyến đơn thành các khe thời gian và phân bổ 1 khe thời gian cho mỗi thuê bao. Ví dụ, hệ thống TDMA của Hoa Kỳ có 3 khe thời gian trên mỗi kênh trong khi hệ thống GSM có 8 khe thời gian trên mỗi kênh. Để sử dụng các khe thời gian, tín hiệu thoại tương tự cần được chuyển sang dạng số. Một bộ mã hoá thoại, được gọi là vocoder, thực hiện công việc này. Dung lượng có được ban đầu hơi nhỏ song với việc dùng các vocoder tốc độ bít thấp, số kênh thoại trên mỗi kênh vô tuyến có thể được tăng lên đáng kể. Nguyễn Đình Thịnh lớp K9C 3 Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương dịch vụ viễn thông Các hệ thống CDMA giải quyết vấn đề dung lượng theo một cách hoàn toàn khác. Nó cũng dùng vocoder để số hoá tín hiệu thoại nhưng không phân bổ khe thời gian mà gán cho mỗi chiều thoại một mã duy nhất trước khi đưa lên kênh vật lý. Quá trình này còn được gọi là điều chế tạp âm vì tín hiệu đầu ra của nó giống như tạp âm nền. Điều này có nghĩa là số tối đa các cuộc gọi trong hệ thống CDMA là một phương trình của tạp âm nền cộng với các tạp âm do mỗi cuộc gọi tạo ra. So sánh với TDMA, CDMA có dung lượng cao hơn với chất lượng bằng hoặc tốt hơn. Con đường GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (WCDMA) trong khi CDMA sẽ là cdma2000. 1.1.3. Hướng về 3G Từ thập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động. Kết quả là một sản phẩm được gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000). Con số 2000 có nghĩa là sản phẩm này sẽ có mặt vào khoảng năm 2000, nhưng thực tế là chậm đến 2, 3 năm. IMT2000 không chỉ là một bộ dịch vụ, nó đáp ứng ước mơ liên lạc từ bất cứ nơi đâu và vào bất cứ lúc nào. Để được như vậy, IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất và/hoặc vệ tinh. Hơn thế nữa, IMT-2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương tiện di động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng. Như đã nói, các hệ thống 3G cần phải hoạt động trên một dải phổ đủ rộng và cung cấp được các dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện. Đối với một thuê bao hoạt động trên một ô siêu nhỏ (picocell), tốc độ dữ liệu có thể đến 2,048 Mbps. Với một thuê bao di động với tốc độ chậm hoạt động trên một ô cực nhỏ (microcell), tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 348 Kbps. Với một người dùng di động trên phương tiện giao thông hoạt động trên một ô lớn (macrocell), tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 144 Kbps. Một phần quan trọng của hệ thống này là dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu. Con đường tiến lên 3G từ 2G bắt đầu từ sự ra đời của các dịch vụ dữ liệu bùng nổ và theo gói. 1.1.4. Từ GSM lên 3G Nguyễn Đình Thịnh lớp K9C 4 Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương dịch vụ viễn thông Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng (WCDMA). Trên thị trường châu Âu, WCDMA được gọi là Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS). Trong cấu trúc dịch vụ 3G, cần có băng thông rất lớn và như thế cần nhiều phổ tần hơn. Các nhà cung cấp dịch vụ châu Âu dùng hơn 100 tỷ USD để mua phổ tần cho các dịch vụ 3G; các nhà cung cấp dịch vụ khác trên thế giới cũng đã phân bổ phổ 3G. ở Hoa Kỳ, FCC chưa thể nhanh chóng phân bổ bất cứ phổ nào cho các dịch vụ 3G. Hoa Kỳ có khoảng 190MHz phổ tần phân bổ cho các dịch vụ vô tuyến di động trong khi phần còn lại của thế giới chỉ được phân bổ 400 MHz. Vì thế có thể tin rằng sự phát triển lên 3G ở Hoa Kỳ sẽ rất khác với phần còn lại của thế giới. Để đến 3G có lẽ cần phải đi qua giai đoạn 2.5G. Nói chung, 2.5G bao gồm một hoặc tất cả các công nghệ sau: Dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS), Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE). HSCSD là phương thức đơn giản nhất để nâng cao tốc độ. Thay vì một khe thời gian, một trạm di động có thể sử dụng một số khe thời gian để kết nối dữ liệu. Trong các ứng dụng thương mại hiện nay, thông thường sử dụng tối đa 4 khe thời gian, một khe thời gian có thể sử dụng hoặc tốc độ 9,6kbit/s hoặc 14,4Kbps. Đây là cách không tốn kém nhằm tăng dung lượng dữ liệu chỉ bằng cách nâng cấp phần mềm của mạng (dĩ nhiên là cả các máy tương thích HSCSD). Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến. Bởi đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sử dụng các khe thời gian một cách liên tục, thậm chí ngay cả khi không có tín hiệu trên đường truyền. Giải pháp tiếp theo là GPRS và dường như là giải pháp được nhiều nhà cung cấp lựa chọn. Tốc độ dữ liệu của nó có thể lên tới 115,2kbit/s bằng việc dùng 8 khe thời gian. Nó được quan tâm vì là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó không sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có một cái gì đó để gửi đi. GPRS đặc biệt thích hợp với các ứng dụng phi thời gian thực như email, lướt Web. Triển khai hệ thống GPRS thì tốn kém hơn hệ thống HSCSD. Mạng này cần các thành phần mới, cũng như cần sửa đổi các thành phần hiện có nhưng nó được xem là bước đi cần thiết để tiến tới tăng dung lượng, dịch vụ. Một mạng GSM mà không có khả năng GPRS sẽ không tồn tại lâu trong tương lai. Nguyễn Đình Thịnh lớp K9C 5 Đồ án tốt nghiệp:kỹ thuật điều khiển và giải pháp nâng cao chất lương dịch vụ viễn thông Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE), tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384Kbps với 8 khe thời gian. Thay vì 14,4Kbps cho mỗi khe thời gian, EDGE đạt tới 48Kbps cho một khe thời gian. ý tưởng của EDGE là sử dụng một phương pháp điều chế mới được gọi là 8PSK. EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với các mạng GSM vì nó chỉ yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc. Nó không thay thế hay nói đúng hơn cùng tồn tại với phương pháp điều chế khóa dịch tối thiểu Gaussian (GMSK), được sử dụng trong GSM, nên các thuê bao có thể tiếp tục sử dụng máy di động cũ của mình nếu không cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn. Xét trên khía cạnh kỹ thuật, cũng cần giữ lại GMSK cũ vì 8PSK chỉ có hiệu quả ở vùng hẹp, với vùng rộng vẫn cần GMSK. Nếu EDGE được sử dụng cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp (EGPRS), còn sự kết hợp của EDGE và HSCSD được gọi là ECSD. WCDMA thực sự là một dịch vụ vô tuyến băng thông rộng sử dụng băng tần 5MHz để đạt được tốc độ dữ liệu lên tới 2Mbit/s. Hiện tại cả châu Âu và Nhật Bản đều đang thử nghiệm/triển khai WCDMA và công nghệ này đang tiến triển nhanh trên con đường thương mại hoá. 1.1.5. Từ IS-95 đến cdma2000 CDMA không chuyển ngay sang 3G do thiếu phổ tần trên thị trường Hoa Kỳ. Thị trường Hàn Quốc đã thử nghiệm cdma2000 trên phổ tần 3G của mình. Cũng như đối với GSM, Hoa Kỳ và phần còn lại của thế giới có những con đường rất khác nhau để đi đến 3G. cdma2000 được cấu trúc theo cách để cho phép nhiều mức dịch vụ 3G trên kênh IS-95 1,25MHz truyền thống. Các dịch vụ này là cdma2000 1xRTT (một thời được gọi là công nghệ truyền dẫn vô tuyến kích thước kênh IS-95). Với công suất 3G tối đa, cdma2000 sử dụng một kênh 3,75 MHz, lớn gấp 3 lần kênh truyền thống, gọi là 3xRTT. Hệ thống 1xRTT sử dụng một sơ đồ điều chế hiệu quả hơn để tăng gấp đôi số lượng thuê bao thoại và tạo ra các kênh dữ liệu lên tới 144Kbps. Tốc độ này đã cho phép một số nhà cung cấp dịch vụ cho rằng mình đang thực hiện 3G. Trong thực tế, tốc độ người dùng sẽ ở trong khoảng 50-60Kbps. Dữ liệu theo sơ đồ 1xRTT sẽ được chuyển mạch gói để đảm bảo sử dụng kênh hiệu quả. Tốc độ lên tới 2,4Mbps có thể đạt Nguyễn Đình Thịnh lớp K9C 6