Quy hoạch mạng vô tuyến umts 3g và áp dụng triển khai cho mạng vinaphone khu vực tp bắc ninh

Để đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao của xã hội, thông tin di động đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm, bắt đầu với các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ analog,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Quy hoạch mạng vô tuyến UMTS 3G và áp dụng triển khai cho mạng VinaPhone khu vực Tp Bắc Ninh

Ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70 Học viên: Nguyễn Văn Ngọc

Giáo viên hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Khang

Thái Nguyên, năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước đó

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2012

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Ngọc

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn

PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian

thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua

Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Ngọc

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin liên lạc là một nhu cầu của bất kỳ một xã hội phát triển nào Để đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao của xã hội, thông tin di động đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm, bắt đầu với các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ analog, cho đến nay các mạng di động sử dụng công nghệ số đang được ứng dụng rộng rãi và phát triển vô cùng mạnh mẽ Một xu hướng rõ nét trong lĩnh vực thông tin di động hiện nay là các nhà cung cấp dịch vụ ngoài việc mở rộng dung lượng khai thác hiện có thì việc áp dụng nghiên cứu cũng như xác định lộ trình phát triển công nghệ để tăng cường khả năng cung cấp đa dịch vụ tốt hơn đến khách hàng ngày càng được quan tâm nhiều hơn Trong đó 3G - Hệ thống thông tin

di động thế hệ 3 chính là giải pháp công nghệ tiên tiến đang được các nhà khai thác mạng triển khai

Chúng ta tiến tới sẽ phải nâng cấp lên 3,5G và 4G nhưng để tận dụng tốt các lợi thế sẵn của của nhà mạng thì việc nên quy hoạch mạng 3G để cho phù hợp với nước ta hiện nay đó là một yêu cầ u cấp thiết của các nhà cung cấp dịch vụ vì vậy trong luận văn này em muốn đề cập đến việc quy hoạch mạng 3G và ứng dụng tại các thành phố, tỉnh trong cả nước

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS TS Nguễn Văn Khang c ùng các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung:

“Quy hoạch mạng vô tuyến UMTS 3G và áp dụng triển khai cho mạng VinaPhone

khu vực Tp Bắc Ninh”

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI NÓI ĐẦU iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5

1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 8

1.2.1 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA 8

1.2.2 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA 2000 9

1.3 MẠNG UMTS 3G VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA VINAPHONE 11

1.3.1 Định hướng công nghệ & dịch vụ theo tiêu chuẩn châu Âu do 3GPP qui định áp dụng cho mạng Vinaphone 11

1.3.2 Phiên bản tiêu chuẩn 3GPP 11

1.3.2.1 GPP R99 12

1.3.2.2 3GPP R4 14

1.3.2.3 3GPP R5 15

1.3.2.4 3GPP R6 17

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 18

Chương 2: HỆ THỐNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN UMTS 3G 19

2.1 NGUYÊN LÝ CDMA 19

2.1.1 Nguyên lý trải phổ CDMA 19

2.1.2 Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ 20

2.1.3 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA 20

2.2 MỘT SỐ ĐẶC TRUNG LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG TRUY NHẬP WCDMA 22

2.2.1 Phương thức song công 22

2.2.2 Dung lượng mạng 23

2.2.3 Các kênh giao diện vô tuyến UTRA FDD 23

2.2.4 Cấu trúc Cell 24

2.3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN UMTS 25

2.3.1 Node-B 26

2.3.2 RNC (Radio Network Control) 26

2.3.3 Các giao diện mở cơ bản của UMTS 27

2.4 CÁC CHỨC NĂNG TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 27

2.4.1 Giới thiệu về quản lý tài nguyên vô tuyến WCDMA 27

2.4.2 Điều khiển công suất 28

2.4.3 Điều khiển chuyển giao 30

2.4.3.1 Chuyển giao trong cùng tần số 30

2.4.3.2 Chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM 31

2.4.3.3 Chuyển giao giữa các tần số trong WCDMA 33

2.4.4 Điều khiển thu nạp 34

2.4.5 Điều khiển tải (điểu khiển nghẽn) 36

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 37

Chương 3: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN UMTS 3G 38

3.1 QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN 38

3.1.1 Nguyên lý chung 38

3.1.2 Một số đặc điểm cần lưu ý trong quy hoạch mạng 39

3.1.2.1 Dự báo 39

3.1.2.2 Quy hoạch vùng phủ vô tuyến 40

3.1.2.3 Nhiễu từ nhiều nhà khai thác khác 41

3.2 QUY HOẠCH ĐỊNH CỠ MẠNG 41

3.2.1 Tính toán vùng phủ sóng 42

3.2.1.1 Phân tích vùng phủ 42

3.2.1.2 Tính toán quỹ đường truyền vô tuyến 44

3.2.1.3 Tính toán bán kính cell 49

3.2.2 Phân tích dung lượng 50

3.2.2.1 Giới thiệu mô hình tính toán dung lượng Erlang-B 50

3.2.2.2 Các phương pháp chuyển đổi lưu lượng hệ thống UMTS theo mô hình Erlang 52

3.2.2.3 Định cỡ dung lượng mạng 53

3.3 QUY HOẠCH VÙNG PHỦ VÀ DUNG LƯỢNG CHI TIẾT 55

3.4 TỐI ƯU MẠNG 56

3.5 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 57

3.5.1 Lưu đồ thuật toán 57

3.5.2 Giao diện chương trình 58

3.5.3 Tính toán mô phỏng 59

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 59

Chương 4: MẠNG VINAPHONE VÀ ĐỊNH HƯỚNG TRIỂN KHAI MẠNG UMTS 3G 60

4.1 TỔNG QUAN MẠNG VINAPHONE 60

4.1.1 Tình hình phát triển của Vinaphone năm 2011 60

4.1.2 Tình hình mạng lưới tính đến hết năm 2011 61

4.2 HIỆN TRẠNG MẠNG VÔ TUYẾN 63

4.2.1 Tổ chức mạng vô tuyến 63

4.2.2 Dung lượng mạng vô tuyến 64

4.3 HIỆN TRẠNG MẠNG LÕI VÀ DỊCH VỤ 65

4.3.1 Cấu hình mạng lõi và dịch vụ hiện tại 65

4.3.2 Dung lượng mạng lõi 65

4.4 ĐỊNH HƯỚNG VÀ KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI MẠNG 3G 67

4.4.1 Định hướng kinh doanh – thương mại 67

4.4.2 Kế hoạch và dự định triển khai mạng 3G 68

4.5 PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI MẠNG VÔ TUYẾN UMTS 3G 71

4.5.1 Quy mô triển khai 71

4.5.2 Triển khai chung cơ sở hạ tầng mạng 3G/2G 72

4.6 TRIỂN KHAI MẠNG UMTS 3G MẠNG VINAPHONE KHU VỰC BẮC NINH 76

4.6.1 Khái quát tình hình kinh tế xã hội tại Tp Bắc Ninh 76

4.6.2 Tình hình phát triển mạng viễn thông tại TP Bắc Ninh 78

4.6.3 Hiện trạng mạng Vinaphone khu vực Tp Bắc Ninh 79

4.6.4 Tình hình phát triển thuê bao mạng VinaPhone khu vực TP Bắc Ninh 79

4.6.5 Dự báo phát triển thuê bao 3G mạng Vinaphone khu vực Tp Bắc Ninh 80 4.6.6 Thiết kế quy hoạch mạng 81

4.6.6.1 Tính số node-B cần thiết 81

4.6.6.2 Tính toán dung lượng cho Node-B 83

4.6.6.3 Định cỡ RNC 84

4.6.6.4 Vị trí Node – B và RNC 85

4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 86

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3-1 Các loại hình phủ sóng phổ biến 43

Bảng 3-2 Các loại loại dịch vụ chính của WCDMA 43

Bảng 3-3 Giá trị SFM thông dụng 47

Bảng 3-4 Thông số giả định của MS 48

Bảng 3-5 Thông số giả định của Node-B 48

Bảng 3-6 Thông số độ cao anten theo vùng phủ sóng 48

Bảng 3-7 Giá trị K theo cấu hình site 49

Bảng 3-8 Bảng tính R-Cell tham khảo 49

Bảng 3-9 Tính lưu lượng hệ thống tham khảo 1 54

Bảng 3-10 Tính lưu lượng hệ thống tham khảo 2 54

Bảng 3-11 Tính lưu lượng hệ thống tham khảo 3 55

Bảng 4.1 Thống kê mạng vô tuyến GSM Vinaphone 64

Bảng 4.2 Dung lượng mạng lõi 66

Bảng 4.3 Dự kiến triển khai vùng phủ sóng 3G của Vinaphone 68

Bảng 4.4 Kế hoạch triển khai kỹ thuật công nghệ 70

Bảng 4.5 Quy mô mạng lưới 3G trong 15 năm 71

Bảng 4.6 Dự báo phát triển thuê bao mạng Vinaphone Tp Bắc Ninh 81

Bảng 4.7: Dự kiến loại hình phủ sóng 3G và dịch vụ trên địa bàn Tp Bắc Ninh 82

Bảng 4.8 Dự kiến số lượng Node-B triển khai tại Tp Bắc Ninh 83

Bảng 4.9 Mô hình traffic Model dự kiến của mạng Vinaphone 83

Bảng 4.10: Node B lắp đặt dự kiến pha 1 84

Bảng 4.11: Node B lắp đặt dự kiến pha 2 84

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G 8

Hình 1-2 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA 9

Hình 1-3 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA 2000 10

Hình 1.4 Cấu trúc mạng 3G theo tiêu chuẩn 3GPP R99 13

Hình 1.5 Cấu trúc mạng 3G theo tiêu chuẩn 3GPP R4 15

Hình 1.6 Cấu trúc mạng 3G theo tiêu chuẩn 3GPP R5 16

Hình 1.7 Mô hình cung cấp dịch vụ sử dụng giao thức SIP trên IMS 17

Hình 2-1 Quá trình trải phổ và giải trải phổ 20

Hình 2-2 Các công nghệ đa truy nhập 21

Hình 2-3 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ 21

Hình 2-4 Phân bố phổ tần cho UMTS châu Âu 22

Hình 2-5 Sơ đồ ánh xạ giữa các kênh khác nhau 23

Hình 2-6 Cấu trúc cell UMTS 24

Hình 2-7 Cấu trúc tổng thể hệ thống UMTS/GSM 25

Hình 2-8 Các vị trí điển hình của các chức năng RRM trong mạng WCDMA 28

Hình 2-9 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm 31

Hình 2-10 Chuyển giao giữa các hệ thống GSM và WCDMA 32

Hình 2-11 Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống 33

Hình 2-12 Nhu cầu chuyển giao giữa các tần số sóng mang WCDMA 34

Hình 2-13 Thủ tục chuyển giao giữa các tần số 34

Hình 2-14 Đường cong tải 35

Hình 3-1 Quá trình quy hoạch và triển khai mạng WCDMA 39

Hình 3-2 Quá trình tính bán kính vùng phủ sóng 42

Hình 3-3 Vùng phủ sóng của cell theo các loại dịch vụ khác nhau 44

Hình 3-4 Ảnh hưởng của SFM đến vùng phủ sóng 47

Hình 4.1 Mô tả thiết bị 3G dùng chung cơ sở hạ tầng 2G 73

Hình 4.2 Phương án sử dụng anten cho 3G 74

Hình 4.3 Mô tả khái quát việc dùng chung feeder 74

Hình 4.4 Mô tả dùng chung thiết bị nguồn 75

Hình 4.5 Mô tả dùng chung nhà trạm 76

Bộ điều khiển tăng ích tự động

Bộ mã hoá và giải mã đa tốc độ thích nghi

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến (Mỹ)

Số cuộc gọi trong giờ bận Tốc độ lỗi bit

Tốc độ lỗi Block Khoá dịch pha nhị phân

Mã nhận dạng trạm gốc Bộ điều khiển trạm gốc Phân hệ trạm gốc Trạm gốc

Cylic Redundancy Check

Nhóm phát triển CDMA Truy nhập phân chia theo mã Mạng lõi

Mã vòng kiểm tra dư thừa

D

DL

DSSS

Downlink Direct Sequence Spread Spectrum

Các tốc độ dữ liệu tăng cường cho

sự tiến hoá Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

ETSI Standard Institute Viện chuẩn hoá viễn thông Châu

Phương thức song công phân chia theo tần số

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Global Positioning System Global System for Mobile Telecommunication

Nút hỗ trợ cổng GPRS Dịch vụ vô tuyến gói chung

High Speed Uplink Packet Access Handover

Bộ đăng ký thường trú Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

Truy nhập gói lên xuống tốc độ cao Chuyển giao

Internet Protocol International Telecommunication Union

Thông tin di động toàn cầu 2000

IMT đa sóng mang

Giao thức Internet Liên hợp viễn thông quốc tế

Giao diện giữa RNC và nút B Giao diện giữa 2 RNC

Thiết bị di động Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện

Mobile Service Switching Centre MSC server

Nút cổng của Softswitch Chuyển mạch nhãn đa giao thức

Đa phân tập Anten In/Out Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động

Nút chuyển mạch của Softswitch

O

OFDM

OMC

Orthogonal frequency-division multiplexing

Operation Mainternance Center

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Trung tâm điều hành quản lý khai thác

Đơn vị điều khiển gói Giả tạp âm

Hệ thống điều khiển thuê bao trả trước IN

Chế độ truy nhập vô tuyến

Công nghệ truy nhập vô tuyến

Bộ điều khiển mạng vô tuyến Phân hệ mạng vô tuyến

Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến

Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến

Serving GPRS Support Node

Soft Handover Session Initiation Protocol Signal to Interference Ratio Short Messaging Service

Giao thức khởi tạo phiên

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Dịch vụ nhắn tin ngắn

Universal Mobile Telecommunication System UMTS Subscriber Identify Module UMTS Terrestrial Radio Access Network

Thiết bị người sử dụng Đường xuống

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Modul nhận dạng thuê bao UMTS Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Thông tin liên lạc là một nhu cầu của bất kỳ một xã hội phát triển nào Để đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao của xã hội, thông tin di động đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm, bắt đầu với các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ analog, cho đến nay các mạng di động sử dụng công nghệ số đang được ứng dụng rộng rãi và phát triển vô cùng mạnh mẽ Một xu hướng rõ nét trong lĩnh vực thông tin di động hiện nay là các nhà cung cấp dịch vụ ngoài việc mở rộng dung lượng khai thác hiện có thì việc áp dụng nghiên cứu cũng như xác định lộ trình phát triển công nghệ để tăng cường khả năng cung cấp đa dịch vụ tốt hơn đến khách hàng ngày càng được quan tâm nhiều hơn Trong đó 3G - Hệ thống thông tin

di động thế hệ 3 chính là giải pháp công nghệ tiên tiến đang được các nhà khai thác mạng triển khai

Tại Việt Nam, trải qua hơn hai thập kỷ phát triển, cho đến nay cả nước đã có 7 nhà khai thác dịch vụ thông tin di động sử dụng công nghệ GSM và CDMA Điều

đó minh chứng cho cho sự phát triển không ngừng của hạ tầng mạng thông tin di động trong nước trong xu thế hội nhập và thể hiện sự cạnh tranh khốc liệt trong lĩnh vực này Thực tế phát triển thị trường tại Việt Nam cho thấy, đến nay các mạng di động sử dụng công nghệ GSM đang chiếm ưu thế tuyệt đối về số lượng khách hàng với 56,5 triệu thuê bao trên tổng số 63,5 triệu thuê bao di động (số liệu của Tạp chí Khoa học kỹ thuật và kinh tế Bưu điện) Với số lượng thuê bao phát triển lớn mạnh như vậy trong thời gian qua cùng với việc cạnh tranh khốc liệt giữa các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động thì hạ tầng mạng thông tin di động 2G & 2,5G đã được khai thác tối đa cho các dịch vụ truyền thống Do vậy để có hạ tầng mạng thích hợp cung cấp các dịch vụ trên nền IP/Internet, các dịch vụ truyền thông

đa phương tiện multimedia, các dịch vụ gia tăng mới, các dịch vụ hội tụ

di động - cố định…, nhất là dịch vụ truyền tiếng nói dưới dạng gói VoIP và đủ điều kiện cho phép hạ giá thành cung cấp các dịch vụ này nhằm tăng tính cạnh

tranh với các doanh nghiệp viễn thông khác thì bắt buộc cần phải có những bước chuyển đổi, phát triển, nâng cấp hạ tầng đối với mạng di động hiện tại là điều tất yếu và hết sức cấp thiết

Cùng hòa chung với sự tăng trưởng mạnh không ngừng của phát triển kinh tế

xã hội Việt Nam nói chung và thị trường viễn thông nói riêng, trong những năm qua với nhiều bước phát triển vượt bậc đã đưa mạng VinaPhone cùng với Mobile-Phone, Viettel trở thành các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động lớn tại Việt Nam về quy mô phát triển thuê bao cũng như hạ tầng mạng: tổng số thuê bao toàn mạng VinaPhone đến cuối năm 2011 là 30 triệu thuê bao cùng với hạ tầng mạng lớn mạnh gồm: 45 tổng đài, 170 BSC và trên 9.000 BTS Với xu thế chung phát triển thuê bao di động tại Việt Nam và nhu cầu tăng cao về các dịch vụ di động Multimedia của khách hàng trong thời gian đến, mạng VinaPhone trên toàn quốc nói chung và khu vực Tp Bắc Ninh nói riêng cần phải gấp rút thực hiện nâng cấp và xây dựng hạ tầng mạng 3G theo định hướng NGN-Mobile Việc nghiên cứu tìm hiểu và đưa ra giải pháp quy hoạch thiết kế chi tiết hệ thống vô tuyến UMTS-3G trong thời gian ngắn là vô cùng cấp thiết đối với việc kinh doanh và phát triển của mạng VinaPhone trong thời gian đến Và công tác quy hoạch thiết kế chi tiết sẽ giúp VinaPhone tối ưu về mặt tài nguyên xử lý hệ thống, tối ưu về mặt khai thác vận hành bảo dưỡng, chi phí đầu tư mạng 3G và phù hợp với quy hoạch tối ưu hóa mạng phân vùng thiết bị 2G

Đề tài “Quy hoạch mạng vô tuyến UMTS 3G và áp dụng triển khai cho

mạng VinaPhone khu vực Tp Bắc Ninh” sẽ đáp ứng được nhu cầu thiết thực trong

phát triển mạng VinaPhone nói chung và khu vực Tp Bắc Ninh nói riêng, đưa ra dịch vụ 3G sớm nhất có thể là điều rất quan trọng và tác động trực tiếp đến thương hiệu, uy tín, năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu, tìm hiểu và đánh giá hiện trạng mạng VinaPhone nói chung và khu vực Tp Bắc Ninh nói riêng Dự báo nhu cầu tăng trưởng thuê bao 3G của mạng VinaPhone

- Nghiên cứu giải pháp quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến UMTS 3G

- Triển khai quy hoạch cụ thể mạng truy nhập vô tuyến UMTS 3G cho mạng VinaPhone khu vực Tp Bắc Ninh

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a) Đối tượng nghiên cứu:

- Mạng truy nhập vô tuyến VinaPhone khu vực Tp Bắc Ninh

- Lý thuyết tổng quan truy nhập vô tuyến WCDMA và các đặc điểm liên quan: điều khiển công suất và chuyển giao trong quản lý tài nguyên vô tuyến

- Lý thuyết quy hoạch hệ thống truy nhập WCDMA và kỹ thuật thiết kế vùng phủ sóng, thiết kế lưu lượng

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu các thông số liên quan đến quy hoạch và thiết

kế mạng vô tuyến UMTS 3G như: quỹ công suất đường truyền cho các loại dịch vụ,

hệ số tải, thông lượng ceel…Đưa ra lưu đồ thuật toán tính các thông số liên quan đến việc thiết kế vùng phủ sóng, đồng thời xây dựng chương trình mô phỏng tính toán

- Khảo sát vùng sóng theo yêu cầu thực tế cũng như tình hình kinh tế, xã hội, tình hình phát triển mạng viễn thông trên địa bàn Tp Bắc Ninh, kết hợp với định hướng phát triển và hiện trạng của mạng VinaPhone Trên cơ sở đó, dự báo và tính toán nhu cầu dung lượng để định cỡ mạng nhằm phục vụ cho việc xây dựng cấu hình mạng Sau khi định cỡ mạng, quy hoạch vùng phủ sẽ đi đến quy hoạch chi tiết, tính toán số lượng các node, chọn vị trí đặt trạm và dự kiến phương án truyền dẫn

cho các node

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Lý thuyết về quy hoạch mạng vô tuyến UMTS 3G cũng như các mô hình mạng thông tin di động 3G đã được nghiên cứu và chuẩn hóa rộng rãi trên toàn thế giới Tuy nhiên việc áp dụng vào thực tế tại mỗi quốc gia, ứng với mỗi nhà khai thác lại không thể áp dụng theo một lộ trình cứng nhắc nào, điều đó tùy thuộc vào hoàn cảnh cụ thể, vào điều kiện phát triển của thị trường và thị phần của nhà khai thác đó Đối với mạng VinaPhone, do lượng khách hàng ngày càng tăng cả về số lượng và nhu cầu dịch vụ, việc triển khai quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến UMTS 3G áp dụng các giải pháp kỹ thuật cũng cần có các nghiên cứu và đánh giá dựa trên đặc điểm cụ thể của từng vùng, đề tài này chính là một trong những nghiên cứu công tác quy hoạch đánh giá, nhằm triển khai xây dựng hệ thống truy nhập vô tuyến mới vào thực tế một cách bài bản, hiệu quả, không chỉ đáp ứng nhu cầu trước mắt

mà còn là nhu cầu phát triển lâu dài theo lộ trình và định hướng nhất định Kết quả của đề tài chính là một đề án chi tiết nhằm triển khai mạng vô tuyến UMTS 3G sát với thực tế cho mạng VinaPhone khu vực Tp Bắc Ninh trong thời gian gần nhất, do

đó mang tính thực tiễn cao

6 KẾT CẤU CỦA ĐỀ TÀI

Chương 1: TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Chương 2: HỆ THỐNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN UMTS 3G

Chương 3: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN UMTS 3G Chương 4: MẠNG VINAPHONE VÀ ĐỊNH HƯỚNG TRIỂN KHAI MẠNG UMTS 3G

Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hệ thống thông tin di động theo lộ trình phát triển đến nay có các thế hệ sau

 Thế hệ thứ nhất (1G)

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người và sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần s (FDMA) Với FDMA, khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Sơ

đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì

nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm dữ liệu về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể thì một

số người bị chặn lại không được truy cập

Đặc điểm:

+ Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông tuyến + Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể

+ BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện di động AMPS (Advanced Mobile Phone System) Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy nhập đơn giản Tuy nhiên, hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng cả về dung lượng và tốc độ Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cả dung lượng và tốc độ

 Thế hệ thứ hai (2G)

Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số

và hai phương pháp đa truy nhập:

+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

+ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên tạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kì một khung Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát một khe thời gian trong cấu trúc khung

Đặc điểm:

+ Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

+ Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẫn nhau

+ Giảm số máy thu ở BTS

+ Giảm nhiễu giao thoa

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM Máy di động

kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong

MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106

lệnh trong 1 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý 50x 106 lệnh trong 1 giây

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi

mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người

sử dụng

Đặc điểm:

+ Dải tần tín hiệu rộng

+ Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp

+ Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA

Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn đơn giản và việc thay đổi, chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực hiện rất linh hoạt

 Thế hệ thứ 3 (3G)

Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngay càng phong phú và đa dạng của người

sử dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế

hệ thứ 3 Hệ thống thông tin di đông thế hệ thứ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các mục tiêu chính sau:

+ Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện

+ Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệ thống thông tin di động

+ Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động

3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh, 384 Kbps cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto Công nghệ 3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất trong đó 2

hệ thống là WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong những năm gần đây Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép được thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin

vô tuyến

Hình 1.1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G

 Thế hệ thứ tư (4G)

Các nhà cung cấp dich vụ và người dùng đều luôn mong muốn và hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dich vụ hơn với tính năng và chất lượng dịch vụ cao hơn Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đã và đang làm việc để hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư 4G ITU đã lên kế hoạch để có thể cho ra đời chuẩn này một vài năm tới Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay

Về lý thuyết, theo tính toán dự kiến tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 288Mb/s

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.2.1 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA

WCDMA là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G của IMT-2000 được phát triển chủ yếu ở Châu Âu với mục đích cho phép các mạng cung cấp khả năng chuyển vùng toàn cầu và để hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại, dịch vụ đa phương tiện Các mạng WCDMA được xây dựng dựa trên cơ sở mạng GSM, tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của các nhà khai thác mạng GSM Quá trình phát triển từ GSM lên WCDMA qua các giai đoạn trung gian, có thể được tóm tắt trong sơ đồ sau đây:

GSM GPRS EDGE WCDMA

Hình 1-2 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA

- GPRS: GPRS cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ

truyền lên tới 171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP

và X25, nhờ vậy tăng cường đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM

Công việc tích hợp GPRS vào mạng GSM hiện tại là một quá trình đơn giản Một phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động Còn mạng lõi GSM được tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộng bằng cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu Gateway mới, được gọi là GGSN và SGSN GPRS là một giải pháp đã được chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi

- EDGE: Hệ thống 2,5G tiếp theo đối với GSM là EDGE EDGE áp dụng

phương pháp điều chế 8PSK, điều này làm tăng tốc độ của GSM lên 3 lần EDGE là

lý tưởng đối với phát triển GSM, nó chỉ cần nâng cấp phần mềm ở trạm gốc Nếu EDGE được kết hợp cùng với GPRS thì khi đó được gọi là EGPRS Tốc độ tối đa đối với EGPRS khi sử dụng cả 8 khe thời gian là 384kbps

- WCDMA: WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một công

nghệ truy nhập vô tuyến được phát triển mạnh ở Châu Âu Hệ thống này hoạt động ở chế

độ FDD & TDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS- Direct Sequence Spectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84Mcps bên trong băng tần 5MHz WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói hoạt động ở mức hiệu quả cao nhất Hơn nữa WCDMA có thể hỗ trợ các tốc độ số liệu khác nhau, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ

1.2.2 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA 2000

Hệ thống CDMA 2000 gồm một số nhánh hoặc giai đoạn phát triển khác nhau để hỗ trợ các dịch vụ phụ được tăng cường Nói chung CDMA 2000 là một cách tiếp cận đa sóng mang cho các sóng có độ rộng n lần 1,25MHz hoạt động ở

chế độ FDD Nhưng công việc chuẩn hoá tập trung vào giải pháp một sóng mang đơn 1,25MHz (1x) với tốc độ chip gần giống IS-95 CDMA 2000 được phát triển từ các mạng IS-95 của hệ thống thông tin di động 2G, có thể mô tả quá trình phát triển trong hình vẽ sau:

IS-95A IS-95B Cdma2000 1x Cdma2000 Mx

Hình 1-3 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA 2000

- IS-95B: IS-95B hay CDMA One được coi là công nghệ thông tin di động

2,5G thuộc nhánh phát triển CDMA 2000, là một tiêu chuẩn khá linh hoạt cho phép

cung cấp dịch vụ số liệu tốc độ lên đến 115Kbps

- CDMA 2000 1xRTT: Giai đoạn đầu của CDMA2000 được gọi là 1xRTT

hay chỉ là 1xEV-DO, được thiết kế nhằm cải thiện dung lượng thoại của IS-95B và

để hỗ trợ khả năng truyền số liệu ở tốc độ đỉnh lên tới 307,2Kbps Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối thương mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ số liệu đỉnh lên tới

153,6kbps

-CDMA 2000 1xEV-DO: 1xEV-DO được hình thành từ công nghệ HDR

(High Data Rate) của Qualcomm và được chấp nhận với tên này như là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G vào tháng 8 năm 2001 và báo hiệu cho sự phát triển của

giải pháp đơn sóng mang đối với truyền số liệu gói riêng biệt

Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là chia các dịch vụ thoại và dịch vụ số liệu tốc độ cao vào các sóng mang khác nhau 1xEV-DO có thể được xem như một

mạng số liệu “xếp chồng”, yêu cầu một sóng mang riêng Để tiến hành các cuộc gọi vừa có thoại, vừa có số liệu trên cấu trúc “xếp chồng” này cần có các thiết bị hoạt

động ở 2 chế độ 1x và 1xEV-DO

- CDMA 2000 1xEV-DV: Trong công nghệ 1xEV-DO có sự dư thừa về tài

nguyên do sự phân biệt cố định tài nguyên dành cho thoại và tài nguyên dành cho số liệu Do đó CDG (nhóm phát triển CDMA) khởi đầu pha thứ ba của CDMA 2000 bằng cách đưa các dịch vụ thoại và số liệu quay về chỉ dùng một sóng mang

1,25MHz và tiếp tục duy trì sự tương thích ngược với 1xRTT Tốc độ số liệu cực đại của người sử dụng lên tới 3,1Mbps tương ứng với kích thước gói dữ liệu 3.940

bit trong khoảng thời gian 1,25ms

- CDMA 2000 3x(MC- CDMA ): CDMA 2000 3x hay 3xRTT đề cập đến sự lựa

chọn đa sóng mang ban đầu trong cấu hình vô tuyến CDMA 2000 và được gọi là CDMA (Multi carrier) thuộc IMT-MC trong IMT-2000 Công nghệ này liên quan đến việc

MC-sử dụng 3 sóng mang 1x để tăng tốc độ số liệu và được thiết kế cho dải tần 5MHz (gồm 3 kênh 1,25Mhz) Sự lựa chọn đa sóng mang này chỉ áp dụng được trong truyền dẫn đường xuống Đường lên trải phổ trực tiếp, giống như WCDMA với tốc độ chip hơi thấp hơn một

ít 3,6864Mcps (3 lần 1,2288Mcps)

1.3 MẠNG UMTS 3G VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA VINAPHONE 1.3.1 Định hướng công nghệ & dịch vụ theo tiêu chuẩn châu Âu do 3GPP qui định áp dụng cho mạng Vinaphone

Chuẩn 3GPP qui định phát triển công nghệ và cấu trúc mạng GSM 2G truyền thống phát triển lên UMTS 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA với xu hướng sử dụng truyền tải TDM tiến đến một mạng "All IP" theo trình tự phiên bản: 3GPP R99, 3GPP R4, 3GPP R5 và 3GPP R6 Mạng Vinaphone trong giai đoạn hơn

13 năm qua đã đầu tư trở thành mạng GSM 2,5G và là phần đầu trong quá trình chuẩn hoá 3 GPP Vì vậy Lựa chọn định hướng tiến triển thông tin di động lên 3G cho mạng Vinaphone theo tiêu chuẩn châu Âu do 3GPP khuyến nghị vì:

- Chuẩn ETSI cho thông tin di động GSM đồng nhất cho các nước châu Âu đã

có thể sử dụng để toàn cầu hóa thông tin mobile định hướng 3G;

- Mạng VINAPHONE đang theo chuẩn GSM/ETSI – châu Âu đó là GSM 900/1800

- UMTS thừa hưởng nhiều phần tử chức năng từ GSM hiện tại Nên việc tận dụng các thiết bị đang có trên mạng sẽ đem lại nhiều thuận lợi lớn cho Vinaphone

1.3.2 Phiên bản tiêu chuẩn 3GPP

ETSI là tổ chức tiêu chuẩn thông tin di động GSM trong những năm 1980 và

1990 ETSI còn xây dựng cấu trúc chuẩn hóa mạng GPRS Chuẩn cuối cùng ETSI xây dựng năm 1998

3GPP thành lập năm 1998 là tổ chức kết hợp của các tổ chức tiêu chuẩn hóa: châu Âu, Nhật, Nam Triều tiên, Mỹ và Trung quốc Mục đích chuẩn hóa hệ thống thông tin di động 3G theo định hướng:

- Phần truy nhập vô tuyến sử dụng WCDMA và TD-CDMA;

- Phần core: phát triển từ GSM, kế thừa những những tiêu chuẩn ETSI do SMG xây dựng

Đến năm 2001, sau khi hoàn thành phiên bản 3GPP R99, 3GPP chia thành hai tổ chức:

- 3GPP: xây dựng các tiêu chuẩn phát triển mạng core, dịch vụ, cấu trúc hệ thống, truy cập radio WCDMA và TD-CDMA;

- ETSI SMG: phát triển truy nhập radio GSM và EDGE

Trong đó 3GPP xây dựng các bộ tiêu chuẩn trên cơ sở năm Phiên bản đầu tiên là 3GPP Release 99 (3GPP R99) Đến nay 3GPP đã có 04 phiên bản đã và đang được các nhà khai thác trên thế giới áp dụng:

- 3GPP release 99 (3GPP R99): chính thức được áp dụng từ tháng 3/2001;

- 3GPP release 4 (3GPP R4): chính thức được áp dụng từ tháng 9/2002;

- 3GPP release 5 (3GPP R5): tháng 12/2003 đang được áp dụng;

- 3GPP release 6 (3GPP R6): bổ sung những điểm thiếu trong IMS 3GPP R5

và đưa thêm vào một số features mới; tiến tới một mạng truyền tải “All IP”

Nội dung cơ bản từng phiên bản 3GPP qui định như sau:

1.3.2.1 GPP R99

a) Những yêu cầu chính

Tập trung vào sự đang hiện diện của mạng GSM, có 02 yêu cầu đặt ra là:

- Mạng UMTS phải tương thích với mạng GSM đang tồn tại;

- Hai mạng UMTS và GSM phải có khả năng làm việc tương tác

Truy nhập vô tuyến WCDMA là điểm mấu chốt nhất mà 3GPP R99 giải quyết Thêm vào đó, UTRAN cũng được đưa ra với giao diện Iu

So sánh với các giao diện A và Gb trong GSM, 3GPP R99 đạt được hai điểm

cơ bản:

- Transcoding cho speech trên Iu được core đảm nhiệm thay cho BTS trong GSM;

- Mã hóa số liệu di động ở mức cell trên giao diện Iu được RNC đảm nhận thay cho SGSN đối với GPRS

Vậy đơn giản, mạng 3G R99 là hệ thống mạng GSM-based Đó là một mạng GSM có hai mạng truy cập và hai mạng truy cập cung cấp lưu lượng có tốc độ khác nhau cho cả hai miền core CS và PS

b) Cấu hình kỹ thuật

3GPP đưa ra một phương pháp truy nhập vô tuyến mới WCDMA Thiết bị vô tuyến WCDMA không tương thích với thiết bị vô tuyến GSM nên phải đưa bổ sung một hệ thống thiết bị mới đó là RNC và Node-B Phần mạng vô tuyến WCDMA gọi

là UTRAN

Một yêu cầu chính cho UMTS là hoạt động tương tác GSM/UMTS Ví dụ

„handover‟ từ GERAN sang UTRAN và ngược lại Yêu cầu này được thực hiện bởi:

- Thứ nhất: hướng downlink, giao diện air GSM được được phát triển để có thể quảng bá thông tin sóng WCDMA Cũng như vậy downlink của radio WCDMA cũng quảng bá thông tin về sóng GSM;

- Thứ hai: nhằm giảm thiểu đầu tư, các chuẩn 3GPP yêu cầu 2G MSC/VLR GSM phải làm việc được với UTRAN

Hình 1.4 Cấu trúc mạng 3G theo tiêu chuẩn 3GPP R99

Các điểm quan trọng của phần Core trong 3GPP R99, gồm:

- Các node core trong miền CS như MSC/VLR và HLR/AuC/EIR phải thay đổi vì phải sử lý đồng thời cả thuê bao 2G và 3G

- Với miền PS: tên và số lượng các node mạng GPRS giống trong 2G, nhưng chức năng SGSN thì rất khác Trong 2G, SGSN đảm nhiệm chức năng quản lý di động (MM) cho nối mạch gói số liệu Trong 3G chức năng MM được RNC và SGSN san sẻ Nghĩa là miền PS không quản lý sự thay đổi cell của thuê bao trong UTRAN mà là RNC

1.3.2.2 3GPP R4

a) Những yêu cầu chính

Chưa có IMS, chỉ ấn định những thay đổi trong miền CS core UMTS – tách luồng dữ liệu người dùng ra khỏi các cơ chế điều khiển cùng một số khía cạnh khác, chủ yếu như sau:

- Chức năng điều khiển sử dụng MSC Server Chức năng chuyển mạch dữ liệu người sử dụng dùng MGW;

- IP transport cho các giao thức mạng core;

- IP hóa cho giao diện Gb miền PS;

- Về cơ bản 3GPP R4 không cung cấp, cải thiện thêm dịch vụ

- Cấu trúc 3GPP R4 bắt đầu đưa IP vào hệ thống Core CS Cấu trúc softwsitch tạo bởi MSC Server – MGW tạo tiền đề định hướng “transport All IP” Giảm chi phí truyền dẫn, phân lớp cấu trúc chức năng; định hướng phát triển dịch vụ độc lập với hạ tầng mạng

Hình 1.5 Cấu trúc mạng 3G theo tiêu chuẩn 3GPP R4

Điểm quan trọng nhất trong 3G R4 là:

- 3G R4 là động thái IP hóa toàn bộ miền CS Truyền tải cũng IP/ATM, chuyển mạch cũng IP/ATM Công nghệ SOFTSWITCH được đưa vào nhằm mục đích này Công nghệ SOFTSWITCH tách MSC cổ điển thành:

+ MSC-Server là phần tử điều khiển, nối IP giao thức MEGACO đến

+ Media Gateway – là phần tử chuyển mạch dịch vụ người dùng Dịch vụ người dùng là dịch vụ có trên miền chuyển mạch kênh CS truyền thống, nhưng lại dùng chuyển mạch IP/ATM

1.3.2.3 3GPP R5

a) Những yêu cầu chính

- Đưa IMS vào mạng UMTS, cung cấp cơ chế và tổ chức multimedia IP và các giao thức trên IP cũng sẽ được sử dụng làm cơ chế điều khiển Dữ liệu người dùng về cơ bản cũng dựa trên IP IP cũng được sử dụng làm giao thức truyền thay thế SS7, một giao thức chính đang dùng trong dịch vụ chuyển mạch kênh

- 3GPP R5 đưa IMS vào tiêu chuẩn hóa IMS được hỗ trợ bởi cấu trúc tiêu chuẩn độc lập dựa trên IP và được nối với các mạng thoại và số liệu hiện tại cho cả người sử dụng mạng cố định (như PSTN, ISDN, Internet) và mobile (như GSM, CDMA)

- Kiến trúc IMS có khả năng thiết lập truyền thông IP peer-to-peer với tất cả các lient với yêu cầu chất lượng dịch vụ Thêm vào khả năng quản lý phiên làm

việc, kiến trúc IMS cũng có các chức năng địa chỉ, mà đó là điều cần thiết để tổ chức dịch vụ (như đăng ký, bảo mật, cước, điều khiển truyền thông, roaming) IMS

sẽ tạo nên trái tim của mạng core

3GPP R5 cũng đã chuẩn hóa cơ chế dịch vụ IP multimedia dựa trên SIP SIP chứa các chức năng phần tử logic, mô tả phương cách nối các phần tử, đưa ra các giao thức và các thủ tục

b) Cấu hình kỹ thuật

Hình 1.6 Cấu trúc mạng 3G theo tiêu chuẩn 3GPP R5

Những điểm chính tập trung vào:

- Vận chuyển IP trên toàn bộ hệ thống mạng từ BS đến network border gateway;

- Đưa IMS vào để bắt đầu ứng dụng các dịch vụ multimedia;

- Hợp nhất giao diện mở giữa các mạng truy cập và mạng core khác nhau;

- Đạt được năng lực cao trên giao diện vô tuyến UTRAN hướng downlink 3G R5 đơn giản hóa cấu trúc mạng cho phép các giao thức truyền tải sử dụng hiệu quả hơn so với 3G R4, IP hóa toàn bộ truyền tải làm đơn giản hóa cấu trúc truyền tải

Về dịch vụ, IMS đóng vai trò chính trong 3G R5 và trong cả những phát triển dịch vụ tương lai

Trong pha này, 3GPP khuyến nghị vô tuyến UTRAN triển khai công nghệ

HSDPA – tăng tốc độ số liệu downlink nhằm cung cấp hiệu quả các dịch vụ “không đối xứng” (tải số liệu downlink lớn hơn uplink nhiều)

c) IMS

Một mạng 3G UMTS hoàn thiện qua 3G R99, R4 đã cung cấp được một hạ tầng mạng truyền tải IP linh hoạt cho các terminal sử dụng GPRS, EDGE, và WCDMA cho các dịch vụ số liệu

IMS là một giải pháp phát triển tách biệt nhưng IMS làm hạ tầng cho phép triển khai cung cấp dịch vụ trên nhiều hạ tầng mạng khác nhau Một trong số đó là mạng 3G UMTS

Hình 1.7 Mô hình cung cấp dịch vụ sử dụng giao thức SIP trên IMS

IMS cung cấp một cơ chế nối mạch nối các terminal sử dụng IP Hình I.5, IMS dùng giao thức SIP trên miền PS điều khiển phiên cung cấp các dịch vụ multimedia Qua IP và qua IMS , người dùng sử dụng terminal IP thiết lập các nối mạch với các Server Dịch vụ khác nhau để nhận dịch vụ, và đặc biệt, dùng các dịch

vụ IP giữa các máy đầu cuối

 Lúc này phát triển dịch vụ 3G là phát triển các ứng dụng Aplication Server trên nền IMS

1.3.2.4 3GPP R6

3GPP R6 bổ xung những điểm thiếu trong IMS 3GPP R5 và đưa thêm vào một số features mới được định hình rõ ràng

Những nội dung khác chỉ là xu hướng Xu hướng phát triển các phiên bản 3GPP cao hơn R5 bao gồm:

- Hoàn thiện IP hóa toàn mạng UMTS;

- Triển khai công nghệ truy cập HSUPA cho WCDMA nhằm nâng khả năng uplink cho các dịch dùng IP

- Nghiên cứu đa truy nhập và các mạng hoạt động tương tác định hướng hội tụ

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Mới thực sự phát triển trong vòng 20 năm, nhưng những bước tiến trong công nghệ cũng như trong sự phát triển thị trường của mạng di động cho thấy thông tin di động là một nhu cầu thiết yếu và quan trọng đối với người dùng Đến nay, điện thoại di không chỉ dùng để gọi điện, nhắn tin SMS mà còn có thể gửi và nhận MMS, email; lưu các tệp âm thanh, hình ảnh, dữ liệu cùng chức năng nghe nhạc, giải trí; lướt web, xem TV trực tuyến…

Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều luôn mong muốn và hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng và chất lượng dịch vụ cao hơn Qua đó các giai đoạn phát triển các thế hệ thông tin di động từ 1G, 2G, 3G và 4G trong tương lai đều gắn chặt với nhu cầu của người dùng thông qua các tốc độ dịch vụ của các thế hệ

Hiện nay, phần lớn các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đều lên kế hoạch thực hiện 4G cho các vùng đô thị, nơi mà có nhiều các tổ chức, công ty cũng như số lượng khách hàng lớn - các đối tượng mà luôn mong muốn các dịch vụ chất lượng tốt và tốc độ truyền dữ liệu cao Tuy nhiên, trước mắt các nhà đầu tư sẽ tiếp tục cung cấp các dịch vụ 3G cũng như 3,5G và nó được xem như là quá trình thực hiện từng bước cho 4G Điều này không chỉ giúp họ tiếp tục mở rộng vùng phủ sóng, gia tăng số lượng khách hàng và giúp thu hồi vốn đã đầu tư cho 3G Với người dùng, họ có thể chuyển dễ dàng sang công nghệ 4G, bởi đơn giản với họ đó

chỉ là sự mở rộng các ứng dụng của mạng 3G hay 3,5G mà họ đang dùng

Chương 2

HỆ THỐNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN UMTS 3G

2.1 NGUYÊN LÝ CDMA

2.1.1 Nguyên lý trải phổ CDMA

Theo nguyên lý dung lượng kênh truyền của Shannon được mô tả trong (1.1), thì dung lượng kênh truyền có thể được tăng lên bằng cách tăng băng tần kênh truyền

Vì vậy, với một tỉ số S/N cụ thể, dung lượng tăng lên nếu băng thông sử dụng

để truyền tăng CDMA là công nghệ thực hiện trải tín hiệu gốc thành tín hiệu băng rộng trước khi truyền đi Tỷ số độ rộng băng tần truyền thực với độ rộng băng tần của thông tin cần truyền được gọi là độ lợi xử lý (GP ) hoặc là hệ số trải phổ

t p

i

B G

Trong đó Bt :là độ rộng băng tần truyền thực tế

Bi : độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin

2.1.2 Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ

Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản nhất trong các hệ thống CDMA Dữ liệu người sử dụng giả sử là chuỗi bit được điều chế BPSK có tốc độ là

DS-R Hoạt động trải phổ chính là nhân mỗi bit dữ liệu người sử dụng với một chuỗi n bit mã, được gọi là các chip Ở đây, ta lấy n=8 thì hệ số trải phổ là 8, nghĩa là khi thực hiện điều chế trải phổ BPSK thì kết quả tốc độ dữ liệu sẽ là 8xR và có dạng

xuất hiện ngẫu nhiên như là mã trải phổ Việc tăng tốc độ dữ liệu lên 8 lần đáp ứng việc mở rộng (với hệ số là 8) phổ của tín hiệu dữ liệu người sử dụng được trải ra Tín hiệu băng rộng này sẽ được truyền qua các kênh vô tuyến đến đầu cuối thu

Hình 2-1 Quá trình trải phổ và giải trải phổ

Trong quá trình giải trải phổ, các chuỗi chip/dữ liệu người sử dụng trải phổ được nhân từng bit với cùng các chip mã 8 đã được sử dụng trong quá trình trải phổ Như trên hình vẽ tín hiệu người sử dụng ban đầu được khôi phục hoàn toàn

2.1.3 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA

Một mạng thông tin di động là một hệ thống nhiều người sử dụng, trong đó một số lượng lớn người sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lý chung để truyền

và nhận thông tin Dung lượng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơ bản của

hệ thống Trong lịch sử thông tin di động đã tồn tại các công nghệ đa truy nhập khác nhau : TDMA, FDMA và CDMA Sự khác nhau giữa chúng được chỉ ra trong hình 2-2

Hình 2-2 Các công nghệ đa truy nhập

Trong hệ thống CDMA, các tín hiệu cho người sử dụng khác nhau được truyền đi trong cùng một băng tần tại cùng một thời điểm Mỗi tín hiệu người sử dụng đóng vai trò như là nhiễu đối với tín hiệu của người sử dụng khác, do đó dung lượng của hệ thống CDMA gần như là mức nhiễu và không có con số lớn nhất cố định nên dung lượng của hệ thống CDMA được gọi là dung lượng mềm

Hình 2-3 chỉ ra một ví dụ làm thế nào 3 người sử dụng có thể truy nhập đồng thời trong một hệ thống CDMA

Hình 2-3 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ

Tại bên thu, người sử dụng 2 sẽ giải trải phổ tín hiệu thông tin của nó trở lại tín hiệu băng hẹp, chứ không phải tín hiệu của bất cứ người nào khác Bởi vì sự tương quan chéo giữa mã của người sử dụng mong muốn và các mã của người sử dụng khác là rất nhỏ

Độ lợi xử lý và đặc điểm băng rộng của quá trình xử lý đem lại nhiều lợi ích cho các hệ thống CDMA, như hiệu suất phổ cao và dung lượng mềm Tuy nhiên, tất

cả những lợi ích đĩ yêu cầu việc sử dụng kỹ thuật điều khiển cơng suất một cách nghiêm ngặt và chuyển giao mềm nhằm để tránh cho tín hiệu của người sử dụng này che thơng tin của người sử dụng khác

2.2 MỘT SỐ ĐẶC TRUNG LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG TRUY NHẬP WCDMA

2.2.1 Phương thức song cơng

Hai phương thức song cơng được sử dụng trong kiến trúc WCDMA: Song cơng phân chia theo thời gian (TDD) và song cơng phân chia theo tần số (FDD) Phương pháp FDD cần hai băng tần cho đường lên và đường xuống Phương thức TDD chỉ cần một băng tần Thơng thường phổ tần số được bán cho các nhà khai thác theo các dải cĩ thể bằng 2x10MHz hoặc 2x15MHz cho mỗi bộ điều khiển Mặc

dù cĩ một số đặc điểm khác nhau nhưng cả hai phương thức đều cĩ tổng hiệu suất gần giống nhau Chế độ TDD khơng cho phép giữa máy di động và trạm gốc cĩ trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây ra đụng độ giữa các khe thời gian thu và phát Vì vậy mà chế độ TDD phù hợp với các mơi trường cĩ trễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD vận hành ở các pico cell Một ưu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đường lên và đường xuống cĩ thể rất khác nhau, vì vậy mà phù hợp cho các ứng dụng cĩ đặc tính bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống, chẳng hạn như Web browsing Trong quá trình hoạch định mạng, các ưu điểm và nhược điểm của hai phương pháp này

cĩ thể bù trừ Luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu chế độ FDD

Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ phân bố phổ tần số của hệ thống UMTS Châu Âu

1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 MHz

Đơn băng

Đơn

băng

Song băng Đường lên Đường xuống

Hình 2-4 Phân bố phổ tần cho UMTS châu Âu

số mã thì mức tăng nhiễu do tăng tải là cơ cấu giới hạn dung lƣợng chính trong mạng Việc các cell bị co hẹp lại do tải cao và việc tăng dung lƣợng của các cell mà các cell lân cận nó có mức nhiễu thấp là các hiệu ứng thể hiện đặc điểm dung lƣợng xác định nhiễu trong các mạng CDMA Chính vì thế mà trong các mạng CDMA có đặc điểm

“dung lƣợng mềm” Đặc biệt, khi quan tâm đến chuyển giao mềm thì các cơ cấu này làm cho việc hoạch định mạng trở nên phức tạp

2.2.3 Các kênh giao diện vô tuyến UTRA FDD

Giao diện vô tuyến UTRA FDD có các kênh logic, chúng đƣợc ánh xạ vào các kênh chuyển vận, các kênh chuyển vận lại ánh xạ vào kênh vật lý Hình vẽ sau chỉ

ra sơ đồ các kênh và sự ánh xạ của chúng vào các kênh khác

Hình 2-5 Sơ đồ ánh xạ giữa các kênh khác nhau

2.2.4 Cấu trúc Cell

Trong suốt quá trình thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chú ý nhiều hơn đến sự phân tập môi trường của người sử dụng Các môi trường nông thôn ngoài trời, đô thị ngoài trời, hay đô thị trong nhà được hỗ trợ bên cạnh các mô hình di động khác nhau gồm người sử dụng tĩnh, người đi bộ đến người sử dụng trong môi trường xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao Để yêu cầu một vùng phủ sóng rộng khắp và khả năng roaming toàn cầu, UMTS đã phát triển cấu trúc lớp các miền phân cấp với khả năng phủ sóng khác nhau Lớp cao nhất bao gồm các vệ tinh bao phủ toàn bộ trái đất; Lớp thấp hơn hình thành nên mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN Mỗi lớp được xây dựng từ các cell, các lớp càng thấp các vùng địa lý bao phủ bởi các cell càng nhỏ Vì vậy các cell nhỏ được xây dựng để hỗ trợ mật độ người sử dụng cao hơn Các cell macro đề nghị cho vùng phủ mặt đất rộng kết hợp với các micro cell để tăng dung lượng cho các vùng mật độ dân số cao Các cell pico được dùng cho các vùng được coi như là các “điểm nóng” yêu cầu dung lượng cao trong các vùng hẹp (ví dụ như sân bay…) Những điều này tuân theo 2 nguyên

lý thiết kế đã biết trong việc triển khai các mạng tế bào: các cell nhỏ hơn có thể được sử dụng để tăng dung lượng trên một vùng địa lý, các cell lớn hơn có thể mở rộng vùng phủ sóng

Hình 2-6 Cấu trúc cell UMTS

2.3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN UMTS

Một hệ thống UMTS sau khi đƣợc nâng cấp và mở rộng từ hệ thống GSM hiện

có thì cấu trúc hệ thống có thể đƣợc mô tả tổng quan nhƣ sau:

Hình 2-7 Cấu trúc tổng thể hệ thống UMTS/GSM

Trong đó UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vô tuyến (RNS), một RNS là một mạng con trong UTRAN và bao gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến

(RNC) và một hay nhiều Node-B

Các yêu cầu chính để thiết kế kiến trúc, giao thức và chức năng UTRAN:

- Tính hỗ trợ của UTRAN và các chức năng liên quan: Yêu cầu tác động đến thiết kế của UTRAN là các yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một thiết bị đầu cuối kết nối tới mạng thông qua 2 hay nhiều cell đang hoạt động) và các thuật toán quản

lý nguồn tài nguyên vô tuyến đặc biệt của WCDMA

SMS- IWMSC

MSC BSC

BTS

Um

ISDN PSTN PSPDN CSPDN PDN: -Intranet -Extranet

- Làm tăng sự tương đồng trong việc điều khiển dữ liệu chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh với một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và với việc sử dụng cùng một giao diện cho các kết nối từ UTRAN đến miền chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh của mạng lõi

- Làm tăng tính tương đồng với GSM

- Sử dụng kiểu chuyển vận trên cơ sở IP như là cơ cấu chuyển vận thay thế trong UTRAN kể từ Release 5 trở đi

- Các thiết bị UTRAN với chi phí CAPEX và OPEX được tiết kiệm tối đa Đồng thời các thiết bị UTRAN được thiết kế module hóa và có tính linh hoạt hợp

lý cho việc mở rộng dung lượng trong tương lai Hệ thống UTRAN có khả năng nâng cấp lên phiên bản phần mềm cao hơn mà chỉ gây ra tác động rất nhỏ tới hoạt động thông thường của hệ thống

vô tuyến và được điều khiển bởi RNC (Radio Network Controller) Việc sử dụng công nghệ WCDMA cho phép một cell thuộc một Node B hoặc các Node B khác nhau cùng được quản lý bởi các RNC khác nhau để chồng lên nhau và vẫn sử dụng một tần số giống nhau (trên thực tế, toàn bộ mạng có thể dùng chỉ một cặp tần số) Node B bao gồm các loại cấu hình: Macro Indoor, Macro Outdoor, Mini Indoor, Mini outdoor, Micro Indoor, Micro Outdoor, Pico,

2.3.2 RNC (Radio Network Control)

RNC là một thành phần trong mạng truy nhập vô tuyến UTMS RNC về cơ

bản có những chức năng giống BSC trong hệ thống BSS GSM:

- Trung gian giữa trạm gốc (Node B trong UMTS) và hệ thống mạng lõi;

- Điều khiển cuộc gọi vô tuyến (quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển và quản lý chuyển giao cuộc gọi …);