ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: Giáo viên HD
Tìm Hiểu Chuyển Mạch Gói 3G UMTS :
Đỗ Văn Quyền
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Bá Thịnh Phạm Văn Tùng Lương Văn Sáng Nguyễn Đức Tuấn
Thái Nguyên 10/2010
I. GIỚI THIỆU CHUNG Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP đã đặt ra các yêu mới đối với công nghệ viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng được dịch vụ mới này. 3G (third-generation) công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa của ngành viễn thông di động. Nếu 1G (the first gerneration) của điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ có khả năng truyền thoại. 2G (the second generation) của ĐTDĐ gồm cả hai công năng truyền thoại và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số. Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT - 2000. IMT - 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện thông tin. Mục đích của IMT - 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. 3G mang lại cho người dùng các dịch vụ giá trị gia tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail và tin nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao. Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video và MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao…
II. TÌM HIỂU CHUYỂN MẠNH GÓI 3G UMTS 1. 3G và UMTS là gì?
3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (Third Generation). Đã có rất nhiều người nhầm lẫn một cách vô ý hoăc hữu ý giữa hai khái niệm 3G và UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems).Để hiểu thế nào là công nghệ 3G, chúng ta hãy xét qua đôi nét về lịch sử phát triển của các hệ thống điện thoại di động. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thử nghiệm đầu tiên đựơc sử dụng vào những năm 1930-1940 trong các sở cảnh sát Hoa Kỳ nhưng các hệ thống điện thoại di động thương mại thực sự chỉ ra đời vào khoảng cuối những năm 1970 đầu những năm 1980. Các hệ thống điện thoại thế hệ đầu sử dụng công nghệ tương tự và người ta gọi các hệ thống điện thoại kể trên là các hệ thống 1G. Khi số lượng các thuê bao trong mạng tăng lên, người ta thấy cần phải có biện pháp nâng cao dung lượng của mạng, chất lượng các cuộc đàm thoại cũng như cung cấp thêm một số dịch vụ bổ sung cho mạng. Để giải quyết vấn đề này người ta đã nghĩ đến việc số hoá các hệ thống điện thoại di động, và điều này dẫn tới sự ra đời của các hệ thống điện thoại di động thế hệ 2. Ở châu Âu, vào năm 1982 tổ chức các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông châu Âu (CEPT – Conférence Européene de Postes et Telécommunications) đã thống nhất thành lập một nhóm nghiên cứu đặc biệt gọi là Groupe Spéciale Mobile (GSM) có nhiệm vụ xây dựng bộ các chỉ tiêu kỹ thuật cho mạng điện thoại di động toàn châu Âu hoạt động ở dải tần 900 MHz. Nhóm nghiên cứu đã xem xét nhiều giải pháp khác nhau và cuối cùng đi đến thống nhất sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã băng hẹp (Narrow Band TDMA). Năm 1988 phiên bản dự thảo đầu tiên của GSM đã được hoàn thành và hệ thống GSM đầu tiên được triển khai vào khoảng năm 1991. Kể từ khi ra đời, các hệ thống thông tin di động GSM đã phát triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng, có mặt ở 140 quốc gia và có số thuê bao lên tới gần 1 tỷ. Lúc này thuật ngữ GSM có một ý nghĩa mới đó là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System Mobile). Cũng trong thời gian
kể trên, ở Mỹ các hệ thống điện thoại tương tự thế hệ thứ nhất AMPS được phát triển thành các hệ thống điện thoại di động số thế hệ 2 tuân thủ tiêu chuẩn của hiệp hội viễn thông Mỹ IS-136. Khi công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access – IS-95) ra đời, các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động ở Mỹ cung cấp dịch vụ mode song song, cho phép thuê bao có thể truy cập vào cả hai mạng IS-136 và IS-95.Do nhận thức rõ về tầm quan trọng của các hệ thống thông tin di động mà ở Châu Âu, ngay khi quá trình tiêu chuẩn hoá GSM chưa kết thúc người ta đã tiến hành dự án nghiên cứu RACE 1043 với mục đích chính là xác định các dịch vụ và công nghệ cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cho năm 2000. Hệ thống 3G của châu Âu được gọi là UMTS. Những người thực hiện dự án mong muốn rằng hệ thống UMTS trong tương lai sẽ được phát triển từ các hệ thống GSM hiện tại. Ngoài ra người ta còn có một mong muốn rất lớn là hệ thống UMTS sẽ có khả năng kết hợp nhiều mạng khác nhau như PMR, MSS, WLAN… thành một mạng thống nhất có khả năng hỗ trợ các dịch vụ số liệu tốc độ cao và quan trọng hơn đây sẽ là một mạng hướng dịch vụ. Song song với châu Âu, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU – International Telecommunications Union) cũng đã thành lập một nhóm nghiên cứu để nghiên cứu về các hệ thống thông tin di động thế hệ 3, nhóm nghiên cứu TG8/1. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 của mình là Hệ thống Thông tin Di động Mặt đất Tương lai (FPLMTS – Future Public Land Mobile Telecommunications System). Sau này, nhóm nghiên cứu đổi tên hệ thống thông tin di động của mình thành Hệ thống Thông tin Di động Toàn cầu cho năm 2000 (IMT-2000 – International Mobile Telecommunications for the year 2000). Đương nhiên là các nhà phát triển UMTS (châu Âu) mong muốn ITU chấp nhận hệ thống, chấp nhận toàn bộ những đề xuất của mình và sử dụng hệ thống UMTS làm cơ sở cho hệ thống IMT-2000. Tuy nhiên vấn đề không phải đơn giản như vậy, đã có tới 16 đề xuất cho hệ thống thông tin di động IMT-2000 (bao gồm 10 đề xuất cho các hệ thống mặt đất và 6 đề xuất cho các hệ thống vệ tinh).
UMTS là viết tắt của Universal Mobile Telecommunication System. UMTS là hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ thứ 3 (3G) sử dụng kỹ thuật trải phổ W(wideband)-CDMA. UMTS được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP. UMTS được phát triển lên từ các nước sử dụng GSM. UMTS sử dụng băng tầng khác với GSM. UMTS đảm bảo cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói tốc độ cao ( lên đến 10 Mbit/s khi sử dụng công nghệ HSDPA kết hợp với MIMO).
2 . Đặc điểm cơ bản của 3G UMTS Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được xây dựng với mục đích cho ra đời một
mạng di động toàn cầu với các dịch vụ phong phú, bao gồm: thoại; nhắn tin;
Internet
và dữ liệu băng rộng. Tại Châu Âu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đã được tiêu chuẩn hoá bởi viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) phù hợp với tiêu chuẩn IMT2000 của ITU. Hệ thống có tên là “hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS)”. UMTS được xem là hệ thống kế thừa của hệ thống thế hệ thứ 2 (GSM), nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển của các dịch vụ di động và ứng dụng Internet. 3G UMTS được phát triển bởi đề án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP). Sử dụng dải tần quốc tế 2GHz như sau: đường lên: 1885-2025 MHz; đường xuống: 2110-2200 MHz. 3G UMTS được phát triển bởi đề án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP). Sử dụng dải tần quốc tế 2GHz như sau: đường lên: 1885-2025 MHz; đường xuống: 2110-2200 MHz. Hệ thống 3G UMTS sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA). WCDMA là công nghệ được sử dụng cho phần giao diện vô tuyến của hệ thống 3G UMTS. Các thông số nổi bật đặc trưng cho WCDMA như sau: +
WCDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Ở đây các bit thông tin được
trải ra trong một băng tần rộng bằng cách nhân dữ liệu cần truyền với các bit giả ngẫu nhiên (gọi là chip). Các bit này xuất phát từ các mã trải phổ CDMA. Để hỗ trợ tốc độ bit cao (lên tới 2Mb/s), cần sử dụng các kết nối đa mã và hệ số trải phổ khác nhau. +
WCDMA có tốc độ chip là 3,84 Mc/s dẫn đến băng thông của sóng mang xấp
xỉ 5MHz, nên được gọi là hệ thống băng rộng. Với băng thông này WCDMA có thể hỗ trợ
các tốc độ dữ liệu cao của người dùng và đem lại những lợi ích hiệu suất xác định. Các nhà vận hành mạng có thể sử dụng nhiều sóng mang 5MHz để tăng thêm dung lượng, cũng có thể sử dụng các lớp tế bào phân cấp. Khoảng cách giữa các sóng mang thực tế có thể được chọn trong khoảng từ 4,4MHz đến 5MHz, tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang. +
WCDMA hỗ trợ tốt các tốc độ dữ liệu người dùng khác nhau hay nói cách khác là
hỗ trợ tốt đặc tính băng thông theo yêu cầu. Mỗi người sử dụng được cấp các khung có độ rộng 10ms, trong khi tốc độ người sử dụng được giữ không đổi. Tuy nhiên dung lượng người sử dụng có thể thay đổi giữa các khung. Việc cấp phát nhanh dung lượng vô tuyến thông thường sẽ được điều khiển bởi mạng để đạt được thông lượng tối ưu cho các dịch vụ dữ liệu gói. +
WCDMA hỗ trợ hai mô hình hoạt động cơ bản. Chế độ song công phân chia
theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD). Trong chế độ FDD, đường lên và đường xuống sử dụng các sóng mang 5MHz có tần số khác nhau. Trong khi ở chế đố TDD, các đường lên và xuống sử dụng cùng tần số nhưng ở các khoảng thời gian khác nhau. +
WCDMA hỗ trợ hoạt động của các trạm gốc dị bộ. Điều này khác với hệ thống
đồng bộ IS-95, nên không cần chuẩn thời gian toàn cầu như ở hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Việc triển khai các trạm gốc micro và trạm gốc indoor sẽ dễ dàng hơn khi nhận tín hiệu mà không cần GPS. +
WCDMA áp dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp trên cả đường lên và đường
xuống dựa vào việc sử dụng kênh hoa tiêu. +
Giao diện vô tuyến WCDMA được xây dựng một cách khéo léo theo cách của
các bộ thu RAKE tiên tiến, có khả năng tách sóng của nhiều người dùng và các anten thích ứng thông minh, giao diện vô tuyến có thể được triển khai bởi các nhà điều khiển mạng như một hệ thống được chọn lựa để tăng dung lượng và vùng phủ sóng.
3. Chuyển mạch trong 3G UMTS 3.1. Chuyển mạch kênh a.Chuyển mạch kênh Được định nghĩa là kỹ thuật chuyển mạch đảm bảo việc thiết lập các đường truyền dẫn dành riêng cho việc truyền tin của một quá trình trao đổi thông tin giữa hai hay nhiều thuê bao khác nhau. Chuyển mạch kênh được ứng dụng cho việc liên lạc một cách tức thời, quá trình chuyển mạch được đưa ra một cách không có cảm giác về sự chậm trễ (thời gian thực) và độ trễ biến thiên giữa nơi thu và nơi phân phối tin hay ở bất kỳ phần nào của hệ thống truyền tin. Chuyển mạch kênh tín hiệu số là quá trình kết nối, trao đổi thông tin các khe thời gian giữa một số đoạn của tuyến truyền dẫn TDM số. Có hai cơ chế thực hiện quá trình chuyển mạch kênh tín hiệu số.Cơ chế chuyển mạch không gian số (tạo ra các ma trận chuyển mạch) và cơ chế chuyển mạch thời gian số (thưc hiện chuyển mạch giữa các khe thời gian).Hai kĩ thuật định tuyến cơ bản thường sử dụng trong mạng chuyển mạch kênh là định tuyến cố định và định tuyến luân phiên. Định tuyến cố định là kĩ thuật định tuyến trong đó việc định tuyến chỉ phải thực hiện một lần khi xây dựng mạng, sau đó các thông tin về việc định tuyến được lưu trong các bảng định tuyến cho các nút. Định tuyến luân phiên là kỹ thuật trong đó mối gói tin chỉ cần mang địa chỉ đích là đủ. Định tuyến luân phiên đáp ứng nhanh hơn với những thay đổi trong mạng. Là sơ đồ chuyển mạch trong đó thiết bị chuyển mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối chiếm một tài nguyên mạng nhất định trong suốt cuộc truyền tin. Kết nối này là tạm thời, liên tục và dành riêng. Tạm thời vì nó chỉ được duy trì trong thời gian cuộc gọi. Liên tục vì nó được cung cấp liên tục một tài nguyên nhất định (băng thông hay dung lượng và công suất) trong suốt thời gian cuộc gọi. Dành riêng vì kết nối này và tài nguyên chỉ dành riêng cho cuộc gọi này. Thiết bị chuyển mạch sử dụng cho chuyển mạch kênh (CS) trong các tổng đài của hệ thống 2G thực hiện chuyển mạch kênh trên cơ sở ghép kênh theo thời gian. Trong đó mỗi kênh có tốc độ 64Kb/s và vì thế phù hợp cho việc truyền các ứng dụng làm việc tại tốc độ cố định 64Kb/s (chẳng hạn tiếng được mã hoá PCM).
b. Dịch vụ của chuyển mạch kênh Là dịch vụ trong đó mỗi đầu cuối được cấp phát một kênh riêng và nó toàn quyền sử dụng tài nguyên của kênh này trong thời gian cuộc gọi, tuy nhiên phải trả tiền cho toàn bộ thời gian này dù có truyền tin hay không. Dịch vụ chuyển mạch kênh có thể được thực hiện trên chuyển mạch kênh (CS) hoặc chuyển mạch gói (PS). Thông thường dịch vụ này được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (như thoại).
3.2 Chuyển mạch gói a. Chuyển mạch gói Là sơ đồ chuyển mạch thực hiện phân chia số liệu của một kết nối thành các gói có độ dài nhất định và được truyền đến nơi nhận theo thông tin gắn trên tiêu đề của từng gói. Ở chuyển mạch gói (PS) tài nguyên mạng chỉ bị chiếm dụng khi có gói cần truyền. Chuyển mạch gói cho phép nhóm tất cả các số liệu của nhiều kết nối khác nhau phụ thuộc vào nội dung, kiểu hay cấu trúc số liệu thành các gói có kích thước phù hợp và truyền chúng trên một kênh chia sẻ. Việc nhóm các số liệu cần truyền được thực hiện bằng ghép kênh thống kê với ấn định tài nguyên động. Các công nghệ sử dụng cho chuyển mạch gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc IP. Kỹ thuật chuyển mạch gói ngày nay đã trở thành một kỹ thuật rất có tiềm năng và quan trọng trong lĩnh vực Viễn thông bởi vì nó cho phép các nguồn tài nguyên viễn thông sử dụng một cách hiệu quả nhất. Chuyển mạch gói có thể thích ứng với diện rất rộng các dịch vụ và yêu cầu của khách hàng.Nguyên lý của chuyển mạch gói là dựa trên khả năng của các máy tính tốc độ cao và các quy tắc để tác động vào bản tin cần truyền sao cho có thể chia cắt các cuộc gọi, các bản tin hoặc các giao dịch (Transaction) thành các thành phần nhỏ gọi là "Gói" tin. Tuỳ thuộc vào việc thực hiện và hình thức của thông tin mà có thể có nhiều mức phân chia.Đặc điểm của kĩ thuật này: Kênh xác lập tùy biến, chia sẻ tài nguyên kết nối, tiến hành đồng thời 3 pha và thực hiện kết nối không định hướng. Khởi tạo từng phần khi có lỗi, ghép kênh thống kê và xử lý theo kiểu hàng đợi xử lý. Cách thực hiện phổ biến được áp dụng của chuyển mạch gói hiện nay là dựa vào nguyên lý cắt mảnh, bản tin của người sử dụng được chia thành các phân đoạn (Segments) và sau đó
các Segments lại được chia tiếp thành các gói (Packet) có kích thước chuẩn hoá. Sau đó được gắn thêm các yếu tố cần thiết gửi đi trên mạng theo nguyên tắc "lưu đệm và phát chuyển tiếp". Ưu điểm: kênh truyền dẫn chỉ bị chiếm dùng trong thời gian thực sự truyền gói tin, sau đó kênh sẽ trở thành rỗi và khả dụng cho các gói tin của các thiết bị đầu cuối số liệu khác. Ngoài ra, nhiều gói tin của cùng một bản tin có thể được truyền một cách đồng thời và có thể theo các tuyến hoàn toàn khác nhau, nhờ đó mà chuyển mạch gói có thể sử dụng một cách triệt để hoàn toàn các tính năng truyền dẫn cuả hệ thống.Kỹ thuật định tuyến trong chuyển mạch gói: chính xác, đơn giản, đáp ứng tốt với đột biến (lỗi), ổn định, công bằng, tối ưu (hiệu quả).
b. Các dịch vụ của chuyển mạch gói Là dịch vụ trong đó nhiều đầu cuối cùng chia sẻ một kênh và mỗi đầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này khi có thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lượng tin được truyền trên kênh. Dịch vụ chuyển mạch gói chỉ có thể được thực hiện trên chuyển mạch gói (PS). Dịch vụ này rất phù hợp cho các dịch vụ phi thời gian thực (như số liệu). Tuy nhiên, nhờ sự phát triển của công nghệ dịch vụ này cũng được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (như VoIP). Chuyển mạch gói có thể thực hiện trên cơ sở ATM hoặc IP. Phương thức truyền dẫn không đồng bộ (ATM): là công nghệ thực hiện phân chia thông tin cần phát thành các tế bào 53 byte để truyền dẫn và chuyển mạch. Một tế bào ATM gồm 5 byte tiêu đề (có chứa thông tin định tuyến) và 48 byte tải tin (chứa số liệu của người sử dụng). Thiết bị chuyển mạch ATM cho phép chuyển mạch nhanh trên cơ sở chuyển mạch phần cứng tham chuẩn theo thông tin định tuyến trong tiêu đề mà không thực hiện phát hiện lỗi trong từng tế bào. Thông tin định tuyến trong tiêu đề gồm: đường dẫn ảo (VP) và kênh ảo (VC). Điều khiển kết nối bằng VC (tương ứng với kênh của người sử dụng) và VP (là một bó các VC) cho phép việc khai thác và quản lý có khả năng mở rộng và có độ linh hoạt cao. Thông thường VP được thiết lập trên cơ sở số liệu của hệ thống tại thời điểm xây dựng mạng. Việc sử dụng ATM trong mạng
lõi có nhiều ưu điểm: có thể quản lý lưu lượng kết hợp với RAN, cho phép thực hiện các chức năng CS và PS trong cùng một kiến trúc và thực hiện khai thác cũng như điều khiển chất lượng liên kết. Chuyển mạch hay Router IP: cũng là một công nghệ thực hiện phân chia thông tin phát thành các khối được gọi là tải tin (Payload). Sau đó mỗi khối được gán một tiêu đề chứa các thông tin địa chỉ cần thiết cho chuyển mạch. Trong thông tin di động do vị trí của đầu cuối di động thay đổi nên cần phải có thêm tiêu đề bổ sung để định tuyến theo vị trí hiện thời của MS. Quá trình định tuyến này được gọi là truyền đường hầm (Tunnel). Có hai cơ chế để thực hiện điều này: IP di động (MIP) và giao thức đường hầm GPRS (GTP). Tunnel là một đường truyền mà tại đầu vào của nó gói IP được đóng bao vào một tiêu đề mang địa chỉ nơi nhận (trong trường hợp này là địa chỉ hiện thời của máy di động) và tại đầu ra gói IP được tháo bao bằng cách loại bỏ tiêu đề bọc ngoài. Vì 3G UMTS được phát triển từ những năm 1999 khi mà ATM là công nghệ chuyển mạch gói chủ đạo nên các tiêu chuẩn cũng được xây dựng trên công nghệ này. Tuy nhiên hiện nay và tương lai mạng viễn thông sẽ được xây dựng trên cơ sở Internet. Vì thế các chuyển mạch gói sẽ là chuyển mạch hoặc Router IP.