Giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động trong tòa nhà cao tầng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CINR Carrier to Interference and Noise Ratio Giá trị tỉ số sóng

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



TRẦN ĐỨC TOÀN

GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

THÁI NGUYÊN - 2014

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



TRẦN ĐỨC TOÀN

GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn Khoa học: PGS-TS Bạch Nhật Hồng

THÁI NGUYÊN - 2014

Trang 3

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 là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Đức Toàn

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo khoa điện tử - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo và Phòng đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này

Tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Bạch Nhật Hồng 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 rất nhiều, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Vi vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin trân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Trần Đức Toàn

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

Trang iii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

Trang xi

DANH MỤC CÁC HÌNH xii

Trang xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 3

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 3

1.1 Quá trình phát triển của mạng thông tin 3

1.2 Hệ thống thông tin di động CDMA 3

1.2.1 Cấu trúc của hệ thống thông tin di động CDMA 3

1.2.1.1 Máy di động MS 4

1.2.1.2 Hệ thống trạm gốc BSS 4

1.2.1.3 Hệ thống chuyển mạch SS 4

1.2.1.4 Trung tâm vận hành bảo dưỡng OMC 5

1.3 Sự phát triển của mạng di động 3G W- CDMA 5

1.4 Ứng dụng của 4G LTE trong việc nâng cao chất lượng 6

1.4.1 Ứng dụng LTE 6

1.4.2 Nhu cầu chuyển đổi mạng 3G lên 4G/LTE 9

1.4.3 Phát triển các dịch vụ di động trong 4G/LTE 11

1.4.4 Sự thay đổi mạng lõi trong 3G W-CDMA 13

1.5 Kết luận chương 14

Chương 2 15

NHỮNG GIẢI PHÁP CẦN TRIỂN KHAI FEMTOCELL 15

CHO MẠNG 3G VÀ NGUYÊN TẮC TỔ CHỨC HỆ THỐNG 15

TẾ BÀO NHỎ 15

2.1 Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G 15

2.1.1 Vai trò, sự cần thiết của Femtocell 15

2.2 Lợi ích và sự cần thiết của femtocell 17

2.3 Kiến trúc kết nối femtocell tới mạng lõi 18

2.4 Những giải pháp kết nối femtocell đến mạng lõi 19

2.4.1 Nền tảng dựa trên UMTS 20

2.4.2 Kiến trúc UMA/GAN 24

2.4.3 Kiến trúc dựa trên IMS 25

2.5 Những nguyên tắc tổ chức hệ thống tế bào nhỏ 29

Trang 6

2.5.1 Nguyên tắc tế bào 29

2.5.2 Các kiểu tế bào và tại sao lại có femtocell? 30

2.5.3 Các hiệu quả cho phổ tần 31

2.5.4 Các phương án để hoàn thành vùng phủ trong nhà từ macro 33

2.5.5 Các thách thức trong đường trục 34

2.5.6 Các hệ số hình học 34

2.6 Một số hệ thống tế bào khác trong femtocell 35

2.6.1 Hệ thống anten phân tán 35

2.6.2 Picocell 36

2.6.3 Các hệ thống cục bộ không dây 36

2.6.4 Giải pháp tế bào nhỏ 37

2.7 Các yếu tố thành công cơ bản của femtocell 39

2.7.1 Các ứng dụng internet 39

2.7.2 Xử lý công xuất và chi phí 40

2.7.3 Chấp nhận những băng rộng 40

2.7.4 Sự thay thế cố định bằng di động 41

2.8 Kết luận 41

Chương 3 42

CÁC KIẾN TRÚC MẠNG VÀ NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI FEMTOCELL TRONG MỘT TÒA NHÀ 42

3.1 Các kiến trúc mạng femtocell 42

3.1.1 Các yêu cầu trong kiến trúc mạng 42

3.1.2 Các thách thức kiến trúc mạng 43

3.1.3 Một số lựa chọn kiến trúc cơ bản cho femtocell 44

3.1.3.1 Tích hợp mạng femtocell với mạng macro 44

3.1.3.2 Phân chia chức năng giữa FAP và FGW 45

3.1.3.3 Kết nối femtocell từ xa 46

3.1.3.4 Femtocell CDMA 47

3.1.3.5 Femtocell GSM 48

3.1.3.6 Femtocell LTE 48

3.1.3.7 Femtocell WiMAX 49

3.2 Nghiên cứu triển khai femtocell trong toà nhà 50

3.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống 50

3.2.2 Những vấn đề hạn chế trong việc phủ sóng di động trong toà nhà 50

3.2.3 Nguyên lý hoạt động của femtocell 51

3.2.4 Các chuẩn của femtocell 51

3.2.5 Các giải pháp để phủ sóng femtoceell trong toà nhà cao tầng 52

3.2.5.1 Nguyên tắc số lượng femtocell trong 1 toà nhà cao tầng 53

3.2.5.2 Vị trí thiết kế lắp đặt femtocell 53

3.3 Các nguyên tắc cơ bản của femtocell 54

3.3.1 Phổ tần 54

3.3.2 Lan truyền nhiễu trong femtocell 56

3.3.3 Vùng phủ trong femtocell 58

Trang 7

3.3.4 Nhiễu đường xuống 59

3.3.5 Ảnh hưởng của nhiễu và việc giảm thiểu nhiễu 62

3.3.6 Nhiễu giữa hệ thống femtocell 64

3.3.7 Đặc tính cao tần trong WCDMA 65

3.3.8 Thực hiện hệ thống theo mức 67

3.4 Kết luận và khuyến nghị 69

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Trang 8

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

3GPP Third Generation Global

Partneship Project

Dự án hội nhập toàn cầu thế hệ 3

2G Second Genration Mobile Di động thế hệ thứ 2

ARFCH Absolute Radio Frequentcy Channel Kênh tần số

APRU Average Revenue Per User Thu nhập trung bình trên thuê bao AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

AVDR Average Drop Call Rate Tỉ lệ rứt cuộc gọi

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quản bá

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSIC Base Station Identity Code Mã nhận dạng trạm gốc

BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BICC Bearer Independent Call Control Giao thức điều khiển cuộc gọi

đọc lập kênh mang BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

C/A Carrier to Adjacent Tỷ số sóng mang/ nhiễu kênh lân cận CCBR SDCCH Blocking Rate Tỷ lệ nghẽn mạch trên SDCCH CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung

CCDR SDCCH Drop Rate Tỷ lệ nghẽn mạch trên SDCCH

CCS7 Common Channel Signalling No7 Báo hiệu kênh chung số 7

Trang 9

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CINR Carrier to Interference and Noise Ratio Giá trị tỉ số sóng mang trên

nhiễu và tạp âm CPICH Common Pilot Channet Kênh hoa tiêu chung

C/I Carrier to Interference Tỷ số sóng mang/ nhiễu đồng kênh C/R Carrier to Reflection Tỷ số sóng mang/sóng phản xạ CSPDN Circuit Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển

mạch gói CSSR Call Successful Rate Tỷ lệ cuộc gọi thành công

DECT Digitanl Enhanced Cordless Viễn thông không dây số tăng cường DAC Distributed Antenna System Hệ thống an ten phân tán

DTF Domain Transfer Function Chức năng chuyển vùng

DHCP Dynamic Host Control Protocol Giao thức điều khiển hoạt động DSC Dynamic Cell Selection Lựa chọn tế bào động

DNS Domani Namme Server Máy chủ tên miền

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng EIR Equipment Identification Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

EM Electro – Magnetic Trường điện tử

EPC Evolved Packet Core Lõi gói tiến hoá

ESP Encapsulation Security Payload Đóng gói bảo an tải

EV- DO Evolution - Data Optimised Tối ưu dữ liệu tiến hoá

EDGE Enhanced Data Rates For Evolution Các tốc đọ dũ liệu tăng cường

cho sự tiến hoá ETSI European elecommunications

Standard Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu

FAP Femtocell Access Point Điểm truy nhập Femtocell

FAP - MS FAP Management System Hệ thống quản lý FAP

Trang 10

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số Fas IMS CN - femtocell AS interface Giao diện IMSCN-femto AS FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh FDD Frequency Division Duplex Phương thức song công phân

chia theo tần số FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số

GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GAN Generic Access Network Mạng truy cập chung

GGSN Gateway GPRS support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS

GSM Global System for Mobile Communication Thông tin di động toàn cầu HLR Home Location Register Bộ đăng định vị thường trú

HeNB Home Manaevolved Node B Node B gia đình tiến hoá

HMS HNB Management System Hệ thống quản lý HeNB

HSPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc

độ cao HSS Home Subscriber Server Server thuê bao mạng nhà

IHOSR Incoming Handover Successful Rate Tỷ lệ thành công chuyển giao đến IMSI International Mobile Subscriber Identity Số nhận dạng thuê bao di động

quốc tế

IP Internet Protoco; Giao thức Internet

Iu RNC- MSC/SGSN interfamce Giao diện RNC- MSS/SGSN Iuh HNB - HNB GW interface Giao diện HNB- HNB GW Iub NodeB- RNC interface Giao diện NodeB - RNC

HSDPA High Speed Downlink Paket Access Truy nhập gói đường xuống tốc

độ cao

Trang 11

ITU International Telecommunication

Union

Liên hợp viễn thông quốc tế

ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số đa dịch vụ

LTE Long Term Evolution Sự phát triển lâu dài

LAC Location Area Code Mã vùng định vị

LAI Location Area Identifier Số nhận dạng vùng định vị

MCC Mobile Country Code Mã quốc gia của mạng di động MNC Mobile Network Code Mã mạng thông tin di động MME Mobility management entity Thực thể quản lý di động

MC-CDMA

Multiple carrier code - division multiple access

CDMA đa sóng mang

MIMO Multiple - Input Multiple - Output Nhiểu đầu vào - nhiều đầu ra

MEGACO Media Gateway Control Điều khiển cổng các phương tiện

MSC Mobile Service Switching Center Tổng đài di động

MSIN Mobile Station Identification Number Số nhận dạng trạm di động MSISDN Mobile Station ISDN Number Số ISDN của trạm di động

MSRN MS Roaming Number Số vãng lai của thuê bao di động MMTel Multimedia Telephony Điện thoại đa phương tiện

NMC Network Management Center Trung tâm quản lý mạng

NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Bắc Âu

P-CPICH Prymary Common Pilot Channel Kênh dẫn đường chung thứ cấp

R3 ASN - CSN interface Giao diện ASN - CSN

Trang 12

R4 ASN - ASN interface Giao diện ASN - ASN

RAN Radio Access Netwwork Mạng truy cập vô tuyến

RNC RAN network Controller Bộ điều khiển mạng RAN

R&D Research and Development Nghiên cứu và t riển khai

USIM Universal Subscriber Identity Module Khối nhận dạng thuê bao chung UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến mắt đất UMTS

Uu UE- NodeB interface Giao diện UE-NodeB

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

Wi-Fi Wireless Fidelity Không dây tín hiệu

WiMAX Worldwide interoperability for

OSI Open System Interconnection Liên kết hệ thống mở

OSS Operation and Support Subsystem Phân hệ khai thác và hỗ trợ OMC Operation and Maintence Center Trung tâm khai thác và bảo dƣỡng PAGCH Paging and Access Grant Channel Kênh chấp nhận truy nhập và

nhắn tin

Trang 13

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các suy hao đường truyền n 57

Bảng 3.2 Các hệ số thâm nhập tầng nhà Lf (nf ) (dB) 57

Bảng 3.3 Các kỹ thuật giảm nhiễu với femtocell 63

Bảng 3.4 Phản hồi của nhà điều hành từ thử nghiệm femtocell dày đặc 65

Bảng 3.5 Giới hạn phổ bổ sung phát ra đối với BS gia đình, công suất cực đại BS 6≤ P ≤ 20 dBm 66

Bảng 3.6 Giới hạn phổ bổ sung phát ra đối với BS gia đình, công suất cực đại BS 6≤ P ≤ 6 dBm 66

Bảng 3.7 Tổng dung lượng mạng (mbps) khi có và không có femtocell 69

Trang 14

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Cấu trúc mạng thông tin di động 3

Hình 1.2 Kiến trúc hệ thống mạng 3G WCDMA 6

Hình1.3 Kiến trúc của mạng LTE 7

Hình 1.4 Sự phát triển LTE đến năm 2014 8

Hình 1.5 Thông lượng đỉnh của các mạng di động 3G và 4G 10

Hình 1.6 Chuyển mã trong MRF giúp giảm tính phức tạp của mạng và chi phí xử lý đa phương tiện trong kiến trúc LTE IMS 12

Hình 2.1 Sơ đồ mô hình ứng dụng Femtocell 15

Hình 2.2 Kiến trúc kết nối femtocell tới mạng lõi 18

Hình 2.3 Kiến trúc mạng UMTS 20

Hình 2.4 Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP 21

Hình 2.5 Kiến trúc giải pháp Iu trên IP 22

Hình 2.6 Giao thức của giải pháp Iu trên IP 23

Hình 2.7 Giao thức dựa trên UMA/GAN 25

Hình 2.8 Kiến trúc giải pháp dựa trên IMS/SIP 28

Hình 2.9 Bộ nhớ dựa trên IMS/SIP 29

Hình 2.10 Độ sâu cho vùng phủ bổ sung (m) 33

Hình 2.11 Sự chọn lựa cho vùng phủ dành riêng trong các cao ốc khi có femtocell 37

Hình 2.12 Các lựa chọn từ femtocell và các phát triển khác 38

Hình 3.1 Giao diện tham chiếu femtocell CDMA 1x 47

Hình 3.2 Kiến thức femtocell GSM 48

Hình 3.3 Kiến trúc femtocell LTE 49

Hình 3.4 Kiến trúc femtocell WiMAX dự kiến 49

Hình 3.5 Chuẩn Standard Femtocell 51

Trang 15

Hình 3.6 Các lựa chọn phân bổ tần số 55 Hình 3.7 Bán kính vùng phủ femtocell đối với các môi trường có nhiễu 58 Hình 3.8 Bán kính vùng chết theo tín hiệu macro đối với giá trị công

suất femtocell cực đại 60 Hình 3.9 Công suất phát femtocell yêu cầu để cung cấp bán kính vùng

phủ là 20m 62 Hình 3.10 Thử nghiệm sự triểm khai dày đặc femtocell, Hình tròn đen

là femtocell và hình mũi tên là các bộ lặp trong nhà 64 Hình 3.11 Thông lượng trung bình của các thuê bao trong sự mô phỏng

có và không có femtocell 68

Trang 16

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học, công nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng ngày càng cao của người sử dụng Kể từ khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ

và đã tiến một bước dài trên con đường công nghệ

Với nhu cầu như vậy, ngày nay thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận nhất cho các nhà khai thác Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai Hệ thống di động thế hệ ba, với GSM là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia

Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba (3G) đang tăng với tốc độ chóng mặt và dự báo sẽ còn tiếp tục tăng nhanh trong nhiều năm tới Trong luận văn của

mình, em lựa chọn đề tài "Giải pháp femtocell cho mạng thông tin di động trong

tòa nhà cao tầng"là hướng nghiên cứu chính cho luận văn

Tuy nhiên femtocell còn rất mới lạ tại nước ta, để có thể triển khai trong thực tế cần có nghiên cứu kỹ lưỡng về các vấn đề kỹ thuật, tác động lên mạng di động 3G

2 Mục tiêu đề tài

- Luận văn sẽ đưa ra giả pháp kết nối femtocell vào mạng 3G UMTS và dịch

vụ thoại trên mạng chuyển nối mạch ( circuit –switched) với các kiến trúc: Kiến trúc dựa trên UMTS; Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN; Kiến trúc dựa trên IMS Trên cơ sở mô hình đó, đưa ra được các sơ đồ kiến trúc kết nối femtocell cho mạng thông tin di động

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Các kỹ thuật thu thập và lưu trữ dữ liệu;

- Các phương pháp phân nhóm dữ liệu;

- Tập trung nghiên cứu một số thuật toán phân nhóm cơ bản dựa vào mật độ phân bố của các đối tượng dữ liệu không gian

Trang 17

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu lý thuyết mạng thông tin di động

- Vấn đề nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn bởi vì các hệ thống thông tin rất được phổ biến trong thực tế

- Nhằm tăng hiệu quả kinh tế, nâng cao chất lượng và dung lượng mạng di động

b Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu tìm hiểu các vấn đề liên quan khi triển khai thực tế femtocell trong một tòa nhà nhằm mục tiêu: Giảm tải dữ liệu cho mạng thông tin di động, hướng tới một giải pháp cho hội tụ cố định - di động ,đề xuất mô hình tích hợp femtocell vào mạng làm việc với các thiết bị, phù hợp với các chuẩn giao diện đã tồn tại trong 2G, 3G

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu (sách, báo, tạp chí khoa học, Internet,…) liên quan đến kỹ thuật

6 Bố cục của luận văn

Ngoài các phần Mở đầu, Mục lục, Danh mục hình, Kết luận, Tài liệu tham khảo Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 03 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 3G

Chương 2: Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G và nguyên tắc tổ chức hệ thống tế bào nhỏ

Chương 3: Các kiến trúc mạng và nghiên cứu triển khai femtocell trong một tòa nhà

Trang 18

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.1 Quá trình phát triển của mạng thông tin

Thông tin ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, khi đó nó chỉ là hệ thống thông tin di động điều vận Đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ Thế hệ 1 là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ truy cập phân chia theo tân số ( FDMA - Frequency Division Multiple Access) Tiếp theo là thế hệ 2 và hiện nay là thế hệ 3 đang được triển khai nhiều quốc gia trên thế giới

1.2 Hệ thống thông tin di động CDMA

1.2.1 Cấu trúc của hệ thống thông tin di động CDMA

CDMA( Code Devision Multiple Access) là một hệ thống di động số sử dụng công nghệ đa truy cập theo mã có cấu trúc hệ thống gồm 4 phần chính sau:

- Máy di động MS (Mobile Station)

- Hệ thống trạm gốc BSS(Basic Station System)

- Hệ thống chuyển mạch SS(Switching System)

- Trung tâm vận hành, bảo dưỡng OMC (Operation and Maintennance Center)

Hình 1.1 Cấu trúc mạng thông tin di động

Trang 19

1.2.1.1 Máy di động MS

Một máy điện thoại di động gồm hai thành phần chính: Thiết bị di động hay đầu cuối là thiết bị tích hợp các khối mạch chức năng như: mã hóa, điều chế, khuyết đại dùng để thu tín hiệu vô tuyến và tái tạo lại dạng tín hiệu ban đầu; Module nhận thực thuê bao SIM là một Card thông minh dùng để nhận dạng ban đầu cuối, mỗi SIM Card có một mã nhận dạng cá nhân dùng để nhận thực thuê bao

1.2.1.2 Hệ thống trạm gốc BSS

BSS kết nối máy di động với MSC (Mobile Servicer Switching Center) Chịu trách nhiệm về việc phát và thu sóng vô tuyến BSS chia làm hai phần:

+ Trạm thu phát gốc, BTS (Basic Transceiver Station): gồm bộ thu phát và

các anten sử dụng trong mỗi cell Một BTS thường được đặt ở vị trí trung tâm của một cell BTS đảm nhiệm chính về các chức năng vô tuyến trong hệ thống

+ Bộ điều khiển trạm gốc, BSC (Basic Station Controller): điều khiển một

nhóm BTS và quản lý tài nguyên vô tuyến BSC chịu trách nhiệm điều khiển việc nhảy tần, các chức năng tổng đài và điều khiển các mức công suất tần số vô tuyến của BTS

1.2.1.3 Hệ thống chuyển mạch SS

Hệ thống chuyển mạch SS chịu trách nhiệm quản lý thông tin giữa người sử dụng di động đến các người sử dụng khác như người sử dụng di động, người sử dụng ISDN (Integrated Service Digital Network), người sử dụng điện thoại cố định nó còn bao gồm các cơ sở dữ liệu cần thiết để lưu trữ thông tin về thuê bao Một

số các đơn vị chức năng trong SS gồm:

+ Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động, MSC (Mobile service Switching

Center): đây là thành phần trung tâm của khối SS, thực hiện các chức năng chuyển mạch của mạng và cung cấp kết nối đến các mạng khác

+ Thanh ghi định vị thường trú, HLR (Home Location Register): HLR được

xem là một rất cơ sở dữ liệu quan trọng lưu trữ các thông tin về thuê bao thuộc vùng phủ sóng của MSC Nó còn lưu trữ vị trí hiện tại của các thuê bao cũng như các dịch vụ thuê bao mà đang được sử dụng

Trang 20

+ Thanh ghi định vị tạm trú, HLR (Visitor Location Register): lưu trữ các

thông tin cần thiết để cung cấp dịch vụ thuê bao cho các máy di động từ xa đến Khi một thuê bao nhập vào vùng phủ sóng của một MSC mới, VLR sẽ kết hợp với MSC yêu cầu các thông tin về thuê bao này từ HLR tương ứng, lúc này VLR sẽ có đủ thông tin để đảm bảo cung cấp dịch vụ thuê bao mà không cần hỏi lại HLR mỗi lần thiết lập cuộc gọi VLR luôn đi kèm với một MSC do đó vùng phục vụ dưới sự điều khiển của MSC cũng là vùng dưới sự điều khiển của VLR đó

+ Trung tâm nhận thực: AuC(Authentication Center): Thanh ghi AuC được

dùng cho mục đích bảo mật Nó cung cấp các tham số cần thiết cho chức năng nhận thực và mã hóa Các tham số này giúp xác minh sự nhận dạng thuê bao

+ Thanh ghi nhận dạng thiết bị, EIR (Equipment Identity Register): EIR

cũng được dùng cho mục đích bảo mật Nó là một thanh ghi lưu trữ các thông tin

về các thiết bị di động

+ Cổng MSC, GMSC (Gate MSC): điểm kết nối giữa hai mạng Cổng MSC

là nơi giao tiếp giữa mạng di động và mạng cố định Nó chịu trách nhiệm định tuyến cuộc gọi từ mạng cố định đến mạng di động và ngược lại

1.2.1.4 Trung tâm vận hành bảo dưỡng OMC

OMC được kết nối đến các thành phần khác nhau của MSC và đến BSC để điều khiển và giám sát hệ thống MSC Nó còn chịu trách nhiệm điều khiển lưu lượng của BSS

1.3 Sự phát triển của mạng di động 3G W- CDMA

W-CDMA(Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động hệ ba(3G) giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GMS

W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2,5 MBit /s( WCDMA và lên tới 13,5 đến 14.6 Mbit/s khi nâng cấp lên HSDPA +

Với công nghệ HSDPA giúp cho tốc độ truy cập Internet tăng gấp 6 đến 7 lần so với EDGE và khoảng 10 lần với GPRS

Hiện nay UMTS sử dụng mạng lõi của GSM/GPRS Phần vô tuyến của UMTS hoàn toàn khác với GSM /GPRS nên phải triển khai các Node B và RNC

Trang 21

Angten UMTS (Node B) sẽ được lặp trùng với các Angten GSM có sẵn Nhưng vì bán kính phủ sóng của UMTS không giống GSM, nên nếu muốn có vùng phủ UMTS toàn diện phải thêm nhiều Node B hơn là số BTS cần cho GSM Một kiến trúc mạng 3G theo công nghệ WCDMA điển hình được thể hiện như hình dưới đây

dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở

và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 - 15 km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 - 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 - 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)

Trang 22

Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút

ít trong phạm vi đến 30km Từ 30 - 100 km thì không hạn chế

Hình1.3 Kiến trúc của mạng LTE

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Hỗ trợ cả

2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output - đa nhập đa xuất) Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD

LTE được phát triển bởi 3GPP nhằm hướng tới một công nghệ thứ 4 với các thông số thực hiện cao hơn các công nghệ 3G hiện tại Đối tượng hướng tới của LTE là tăng dung lượng và thông lượng của mạng bằng cách tạo ra các tốc độ lớn hơn và độ chế gói thấp hơn Điều này sẽ mở ra cơ hội phát triển cho các ứng dụng

đa phương tiện và các công nghệ băng rộng vô tuyến LTE dựa trên một khái niện hoàn toàn mới trong mạng di động với kiến trúc đơn giản trong khi tăng khả năng kết nối Một mạng LTE sẽ cho phép các nhà khai thác hoạt động hiệu quả hơn,

Trang 23

mạng linh động hơn và dễ dàng trong triển khai và khai thác Nó cho phép thích ứng với cả các nhà khai thác GSM và CDMA, do đó nó đang được cho là bước tiếp theo của các mạng 3G hiện nay như WCDMA, HSPA, HSPA+ LTE được nhiều nhà khai thác kỳ vọng sẽ trở thành tiêu chuẩn toàn cầu cho thông tin tế bào

Một lộ trình dự báo chung cho LTE được thể hiện như trong hình 1.4:

Hình 1.4 Sự phát triển LTE đến năm 2014

LTE, viết tắt của cụm từ Long-Term Evolution, được thương mại hoá trên thị trường với cái tên phổ biến là 4G LTE, là công nghệ truyền thông không dây tốc độc cao dành cho các thiết bị di động và trạm dữ liệu Trên lý thuyết, LTE hoạt động dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA - cho phép tăng cường hiệu năng và tốc độ tải mạng nhờ vào việc sử dụng các phương thức vô tuyến khác nhau, DSP mới (bộ xử lý tín hiệu), bộ điều chỉnh tần số, cùng với những cải tiến ở lõi mạng - đó cũng chính là mục tiêu trước mắt mà LTE đang hướng đến Còn mục tiêu về lâu về dài, những nhà phát triển muốn LTE phải có sứ mệnh thiết

kế lại và đơn giản hoá kiến trục mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP với độ trễ truyền tải dữ liệu giảm thấp hơn nhiều lần so với chuẩn mạng 3G Về cơ bản thì mạng LTE không thể hoạt động chung với 2G và 3G, vì vậy nó phải được sử dụng trên một số phổ mạng nhất định

Trang 24

LTE cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn với giá thành thấp hơn, cải thiện hiệu quả phổ tần với việc giảm trễ và băng thông kênh linh động Để đạt được những kết quả này, các thông số kỹ thuật của LTE phải kết hợp với các thành phần mạng (NEs - Network Elements) Điều mẫu chốt trong LTE là sự đơn giản của thỏa thuận với chỉ một giao thức mạng trong mọt mạng toàn cầu IP trong khi hướng tới một kiến trúc phẳng dựa trên gói để loại bỏ các bộ điều khiển riêng biệt như các thiết bị BSC và RNC

Về mặt cơ sở hạ tầng, sự khác biệt chính giữa LTE và các công nghệ truyền thống là LTE cung cấp một cơ sở hạ tầng phẳng trong khi các công nghệ truyền thống là cơ sở hạ tầng phân cấp

1.4.2 Nhu cầu chuyển đổi mạng 3G lên 4G/LTE

Nhu cầu sử dụng video và dữ liệu di động đang bùng nổ, theo dự đoán của Cisco lưu lượng truy cập dữ liệu di động toàn cầu sẽ tăng 26 lần từ năm 2010 đến

2015 Theo đó, đến năm 2015 lưu lượng video di động sẽ chiếm 66% tổng lưu lượng dữ liệu di động, chủ yếu là từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay và máy tính bảng, chúng đang tiêu thụ một lượng băng thông lớn và dần gây tắc nghẽn mạng, dẫn đến sự xuống cấp dịch vụ.Theo khảo sát của Cisco, điện thoại thông minh, ví dụ một thiết bị iPhone hoặc Android sẽ tạo ra lưu lượng dữ liệu nhiều hơn 24 chiếc điện thoại di động có tính năng cơ bản

Sự hội tụ của mạng viễn thông và IP, cùng với sự tăng trưởng liên tục của các dịch vụ và ứng dụng đòi hỏi nhiều băng thông đã thúc đẩy nhu cầu phát triển các tiêu chuẩn, công nghệ và nền tảng mới Và tiêu chuẩn công nghệ 4G/LTE

ra đời với mục tiêu đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng, đặc biệt đối với các ứng dụng nhạy cảm về trễ như thoại và video trực tuyến Bên cạnh đó là những ứng dụng đa phương tiện phong phú và cải tiến.LTE cung cấp thông lượng cao hơn nhiều (ví dụ, gấp 4 lần ở đường xuống và gần 8 lần ở đường lên) hơn so với công nghệ HSPA (Hình 1.5)

Trang 25

Hình 1.5 Thông lượng đỉnh của các mạng di động 3G và 4G

Hơn nữa, LTE còn có nhiều ưu điểm khác như hiệu suất mạng tốt hơn, độ trễ được cải thiện, chi phí cho mỗi GB dữ liệu thấp hơn, trong khi phục phục vụ nhiều người dùng với chất lượng dịch vụ(QoS) tốt hơn Tuy nhiên, băng thông cao hơn (4-8 lần) từ LTE có thể vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu phát triển của thuê bao (26 lần vào năm 2015), do đó các nhà mạng nên áp dụng đồng thời những giải pháp cần thiết khác để giảm bớt áp lực về dung lượng mạng Ví dụ,

có thể cắt giảm mức tiêu thụ băng thông bằng cách chuyển tốc độ và chuyển

mã các luồng video, một chức năng của MRF trong kiến trúc IMS

Công nghệ 4G LTE sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần với trễ thấp hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn gần 100 lần so với 3G, để đạt được điều này 4G LTE phải có kiến trúc phẳng hơn dựa trên nề của IP, hỗ trợ các kỹ thuật truy cập không dây như OFDMA, ngoài ra mạng 4G LTE cũng hỗ trợ một khung mở, cho phép hỗ trợ nhiều loại giao thức di động, QoS và các dịch vụ nhân thức

Vậy hệ thống 4G LTE sẽ mang lại nhiều lợi ích về dung lượng xử lý cho các trạm gốc Với nhiều cải tiến mới, kiến trúc mạng 4G LTE sẽ phẳng hơn với ít node hơn, do đó có tốc độ thấp hơn trễ Kết quả dẫn đến yêu cầu về một mạng lõi toàn IP

để hỗ trợ thông lượng dữ liệu tốc độ cao và nhìn chung có thể truy cập vào bởi các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau thông qua các giao diện cổng

Trang 26

1.4.3 Phát triển các dịch vụ di động trong 4G/LTE

Việc chuyển đổi mạng lên 4G/LTE tạo ra nhiều cơ hội cung cấp dịch vụ mới cho thuê bao cũng như tăng doanh thu cho các nhà mạng Ngoài ra lợi thế về băng thông lớn còn mở ra một cánh cửa mới cho các nhà cung cấp phần mềm độc lập (ISV - Independent Sofware Vendor) phát triển thêm nhiều dịch vụ sáng tạo mà hiện nay chưa thể thực hiện do sự hạn chế băng thông của các mạng 3G Trên cơ sở đó, các nhà cung cấp dịch vụ có thể thiết lập những quan hệ đối tác mới để cung cấp nhiều nội dung và ứng dụng phong phú, nhằm mở rộng mô hình kinh doanh băng rộng di động

Các mạng 4G/LTE với tốc độ nhanh và hiệu quả về chi phí hơn sẽ hỗ trợ một loạt các thiết bị tiêu dùng (ví dụ,điện thoại thông minh, máy tính xách tay và máy tính bảng), kết hợp với các ứng dụng không dây mới như xe ô tô kết nối, camera giám sát và máy móc, mang lại những trải nghiệm và khả năng tuyệt vời cho người

sử dụng.Các hệ thống định vị sẽ cho phép thuê bao xem trước các địa điểm quan tâm, hiển thị quảng cáo hướng mục tiêu tùy theo thông tin của những người qua đường Hệ thống khám chữa bệnh từ xa sẽ thiết lập các hội nghị video trực tuyến, an toàn giữa các bác sĩ và bệnh nhân theo thời gian thực Các kịch bản như vậy có thể chuyển thành các cơ hội doanh thu mới cho các nhà cung cấp dịch vụ, trong đó sự gia tăng của các ứng dụng máy - máy(M2M) đang tạo ra một dạng thiết

bị được kết nối mới cần phải được quản lý và hỗ trợ qua Internet

Có thể nói trung tâm của sự hội tụ này là khối tài nguyên đa phương tiện MRF Nó đóng vai trò như bộ chuyển đổi cho nhiều loại thiết bị và công nghệ liên quan, cho phép chúng giao tiếp với nhau một cách hiệu quả và tin cậy Với sự phát triển và mở rộng về số lượng và sự đa dạng của các MRF thực hiện chức năng chuyển đổi codec (chuyển mã), nhằm cho mã âm thanh và video được sử dụng trong các mạng viễn thông hiện cho phép nhiều loại thiết bị khác nhau có thể chia sẻ thông tin MRF còn giúp năng cao hiệu năng mạng, nó mã hóa lại luồng video với tốc độ bit thấp hơn, (hay còn gọi là chuyển tốc độ), mà không làm thay đổi nội dung, do đó giúp tiết kiệm đáng kể băng thông

Trang 27

Ví dụ, chuyển đổi các đoạn video có độ phân giải cao sang độ phân giải thấp hơn (tức là băng thông thấp hơn) phù hợp cho thiết bị cầm tay có màn hình nhỏ hoặc bị giới hạn về băng thông nhận Vì vậy, chuyển tốc độ video, chuyển

mã và cân bằng các yếu tố truyền thông khác là những chức năng quan trọng để triển khai thành công chiến lược màn hình 3 trong 1 hỗ trợ ti vi, máy tính

để bàn và các thiết bị di động Hình 1.6

Hình 1.6 Chuyển mã trong MRF giúp giảm tính phức tạp của mạng

và chi phí xử lý đa phương tiện trong kiến trúc LTE IMS

Với khả năng hỗ trợ mức độ hội tụ đa phương tiện cao hơn, các mạng thế

hệ kế tiếp phân phối dịch vụ qua nhiều phương thức truyền thông: thoại, fax, mail, tin nhắn tức thời, web, hình ảnh và video Như vậy, MRF sẽ kết hợp tất cả các kênh truyền thông qua một mạng IP hiệu quả về chi phí, tạo ra những phương thức mới

E-để cung cấp những dịch vụ và tính năng phong phú mới, mà vẫn giảm bớt được chi phí Đồng thời, MRF còn giúp tối ưu hóa nội dung bằng cách chuyển mã các luồng đa phương tiện, điều chỉnh dung lượng nội dung và tốc độ bit một cách phù hợp

Việc chuyển đổi từ 3G lên 4G/LTE được thực hiện không quá phức tạp,bởi ngay từ đầu MRF được xác định để hỗ trợ các dịch vụ truyền thông gói Ví

dụ, nhạc chờ trong các mạng 3G được cung cấp như là một luồng âm thanh

đa phương tiện chuyển mạch kênh; với 4G/LTE, một cuộc gọi trên nền IP yêu cầu một giai điệu nhạc chờ được gửi như một luồng đa phương tiện RTP MRF thực hiện các chức năng xử lý tại mặt phẳng đa phương tiện, nhằm cho phép kiểm soát bởi các ứng dụng của người dùng cuối

Trang 28

Các phương tiện truyền thông MRF/máy chủ đa phương tiện IP là một thành phần cơ bản trong hạ tầng dịch vụ dựa trên nền IP, cho phép xử lý và tích hợp các luồng đa phương tiện video và audio trong thời gian thực cùng với dữ liệu và fax Vai trò này là nền tảng cho nhiều dịch vụ giá trị gia tăng, bao gồm cả dịch vụ khách hàng, trình diễn dịch vụ đa phương tiện, các ứng dụng giám sát, biểu quyết từ

xa khi xem truyền hình di động, và điều khiển phát đối với các luồng video (ví dụ như mở, tạm dừng )

1.4.4 Sự thay đổi mạng lõi trong 3G W-CDMA

Mạng lõi (hoặc lõi mạng) là phần trung tâm của một mạng viễn thông cung cấp các dịch vụ viễn thông khác nhau cho các khách hàng đang kết nối với mạng truy cập Một trong các chức năng chính là định tuyến các cuộc gọi qua PSTN

Thông thường nó liên quan tới thiết bị thông tin dung lượng cao mà kết nối với các node chính Mạng lõi/xuơng sống cung cấp đường cho trao đổi thông tin giữa các mạng con khác nhau Đối với mạng doanh nghiệp phục vụ một tổ chức, thuật ngữ xương sống được sử dụng nhiều hơn, trong khi đối với nhà cung cấp dịch

vụ, thuật ngữ mạng lõi được sử dụng nhiều hơn

Để chuyển đổi sang 4G LTE diễn ra chủ yếu trong mạng lõi 3G Đó là do các nhà khai thác GSM đã tối ưu hóa mạng lõi 2G để cung cấp các dịch vụ dữ liệu và tiếp túc cải tiến mạng lõi cho công nghệ 3G

Mạng lõi 4G LTE sẽ phải đảm bảo tính di động, bảo mật và QoS thông qua việc sử dụng lại các kỹ thuật hiện có trong khi vẫn tiếp tục giải quyết các vấn đề về tính di động và chuyển giao

Các mạng lõi thường cung cấp các chứng năng chính sau:

- Tập trung: tập trung mức độ cao nhất trong một mạng cung cấp dịch vụ Mức tiếp theo trong phân cấp dưới các node lõi là mạng phân tán và sau đó là các mạng biên Thiết bị thuộc nhà riêng thuê bao (CPE) không thường kết nối tới các mạng lõi của một nhà cung cấp dịch vụ lớn

- Nhận thực: chức năng để quyết định liệu người sử dụng yêu cầu 1 dịch vụ

từ mạng viễn thông là hợp lệ để thực hiện dịch vụ đó hay không

Trang 29

- Chuyển mạch/Giám sát cuộc gọi: chức năng giám sát cuộc gọi hay chuyển mạch quyết định quá trình tuơng lại của cuộc gọi dựa trên xử lý báo hiệu cuộc gọi

Ví dụ, chức năng chuyển mạch có thể quyết định dựa trên số được gọi mà cuộc gọi được định tuyến tới một thuê bao trong chính mạng của nhà khai thác này hoặc với

số khả chuyển thông dụng hơn tới mạng của các nhà cung cấp dịch vụ khác

- Tính cước: tính năng này xử lý sự đối chiếu và xử lý dữ liệu tính cước được tạo ra bởi các node mạng khác Hai loại phổ biến của cơ chế tính cước trong các mạng ngày nay là tính cước trả trước và tính cước trả sau

- Dịch vụ theo yêu cầu: mạng lõi thực hiện nhiệm vụ của dịch vụ theo yêu cầu cho các thuê bao trong mạng Dịch vụ theo yêu cầu có thể diễn ra dựa trên một

số hoạt động rõ ràng (ví dụ như chuyển cuộc gọi) bởi người sử dụng hoặc hoàn toàn (cuộc gọi chờ) Chức năng này quan trọng tuy nhiên dịch vụ "thực hiện" có thể hoặc không là một chức năng mạng lõi như các node/mạng thứ ba có thể giữ chức năng này trong dịch vụ thực hiện thực tế

- Cổng: các cổng trong mạng lõi cho phép mạng truy cập tới các mạng khác Chức năng cổng phụ thuộc vào kiểu mạng, giao diện

1.5 Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày một cách khái quát về những nét đặc trưng cũng như

sự phát triển của các hệ thống thông tin di động, giới thiệu tổng quan nhất về hiện trạng mạng 3G và xu hướng phát triển phát triển lên 4G LTE

Để phát triển mạng 3G lên 4G tăng dung lượng lớn là một hướng đi tất yếu của các nhà cung cấp, do vậy một giải pháp hiệu quả hơn đang được rất nhiều các nhà mạng trên thế giới hướng tới là triển khai các giải pháp giảm tải lưu lượng thông qua các mạng trong nhà như Femtocell hay Wifi Đây là nền tảng quan trọng cho các chương tiếp theo tiếp tục đi sâu nghiên cứu giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động 3G

Trang 30

Chương 2

NHỮNG GIẢI PHÁP CẦN TRIỂN KHAI FEMTOCELL CHO MẠNG 3G VÀ NGUYÊN TẮC TỔ CHỨC HỆ THỐNG

TẾ BÀO NHỎ

2.1 Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G

2.1.1 Vai trò, sự cần thiết của Femtocell

Trong mạng thông tin di động tế bào, sóng radio được phủ nhờ vào các trạm phát sóng BTS Mỗi một BTS sẽ phủ một vùng gọi là cell (tế bào) Nhiều cell được thiết kế cận kề nhau để phủ sóng trên diện rộng Chính vì cấu trúc này mà mạng thông tin di động còn được gọi là mạng tế bào hay mạng tổ ong Trong mạng thông tin di động tế bào truyền thống, chúng ta thường nghe nhắc đến macrocell (tế bào vĩ

mô, có bán kính phủ lớn tầm km), microcell (tế bào vi mô, có bán kính phủ giới hạn vài trăm mét) Với sự phát triển của mạng thông tin di động tế bào, người ta còn thiết kế các picocell (vùng phủ tương tự như một AP WiFi) để tăng khả năng của hệ thống và tăng tốc độ truyền thông

Hình 2.1 Sơ đồ mô hình ứng dụng Femtocell

Điểm nổi bật của femtocell là nó sẽ được kết nối trực tiếp vào mạng chuyển mạch gói công cộng xDSL Các dịch vụ lúc đó sẽ truyền tải trên nền mạng cố định chứ không phải trên mạng lõi riêng của mạng thông tin di động truyền thống Giải pháp này cung cấp kết nối di động tốc độ cao bên trong các tòa nhà, và đặc biệt là

Trang 31

giảm chi phí lắp đặt và triển khai mạng di động Chính sự hội tụ cố định - di động (FMC) cũng như những tiềm năng về những dịch vụ đa phương tiện multimedia trong tương lai chính là đòn bẩy cho việc triển khai femtocell Femtocell là một giải pháp thay thế cho giải pháp điện thoại Twin/Unik dùng công nghệ UMA mà có vẻ gặp không ít khó khăn để xâm nhập thị trường tính đến thời điểm này

Femtocell là một giải pháp cho hội tụ cố định - di động, cung cấp kết nối tốc

độ cao cho người dùng trong nhà Những tiềm năng về dịch vụ đa phương tiện trong tương lai chính là đòn bẩy cho việc triển khai femtocell Đây là một giải pháp thay thế cho giải pháp hội tụ cố định-di động UMA (Unlicensed Mobile Access) hiện gặp không ít khó khăn trong việc thu hút người dùng Sự khác biệt lớn nhất giữa UMA và femtocell là femtocell sử dụng cùng giao diện vô tuyến như mạng thông tin di động thay vì dùng WiFi Do vậy, người dùng femtocell không nhất thiết phải trang bị điện thoại dual-mode (có thể kết nối với WiFi và GSM/UMTS)

Gần đây, khái niệm femtocell mới được ra đời Một cách dễ hiểu femtocell chính là một dạng picocell trong đó nó được tích hợp nhiều chức năng của BSC (Base Station Controller) và vài chức năng của MSC (Mobile Switching Center) Mục đích của các femtocell là dùng để phủ sóng bên trong các tòa nhà, bên trong các công ty Station Controller) và vài chức năng của MSC (Mobile Switching Center Do vậy, femtocell như là một cổng kết nối của mạng thông tin di động tế bào đặt tại nhà khách hàng

Femtocell có thể được triển khai tại các hộ gia đình, công ty hoặc tại các khu vực công cộng như nhà ga sân bay

Tại gia đình: Các femtocell ở các hộ gia đình có thể bao phủ với bán kính

tới 25m Các nhà cung cấp dịch vụ hoặc các khách hàng có thể sử dụng nhiều thiết

bị plug- and-play trong phạm vi này Đường truyền xDSL và xPON đã được cài đặt trong nhà sẽ kết nối các thiết bị với mạng lõi Nó hoạt động chủ yếu ở chế độ truy cập đóng và hỗn hợp (hybrid) Chỉ có các thiết bị người dùng trong nhóm người dùng hữu hạn mới được quyền truy cập famtocell ở chế độ đóng Với những hộ gia đình có 4 hoặc 8 người sử dụng máy tính (khi ở chế độ kết nối có thể đạt tới 20 máy), các femtocell được quản lý bởi một hệ thống dựa trên giao thức TR069, được kết nối với hệ thống quản lý mạng truy cập vô tuyến

Trang 32

Tại công sở: Các femtocell ở doanh nghiệp cần phải kết nối để đảm bảo dịch

vụ được thông suốt và liên tục, có thể cần đến giao diện X2 Nó cũng sẽ có thể cần lập ra những mạng quy mô nhỏ để triển khai các thiết bị plug- and-play Các công ty muốn những dịch vụ đơn giản và bảo mật ngay tại đơn vị mình Trong khi đó, các nhà cung cấp dịch vụ muốn tránh lưu lượng tải dữ liệu lớn của các doanh nghiệp làm nghẽn hệ thống mạng trung tâm Việc phá vỡ tắc nghẽn ở mức cục bộ sẽ thỏa mãn cả hai yêu cầu trên Trong một doanh nghiệp có từ 32 đến 64 người dùng đồng thời, các femtocell được quản lý bởi hệ thống quản lý mạng, có thể là TR069

Tại khu vực công cộng: Các femtocell tại khu vực công cộng bao phủ các

khoảng không gian lớn như sân bay, nhà ga xe lửa, các trung tâm mua sắm, các nhà máy lớn hay các điểm hotspot công cộng Nó cần những đường truyền riêng từ phía nhà cung cấp dịch vụ, để thỏa mãn nhu cầu của hàng trăm người dùng đồng thời

Hệ thống quản lý mạng vĩ mô như vậy thường được gọi là picocell

Mặc dù có nhiều ưu điểm như vậy song khi triển khai thực tế, femtocell gặp nhiều vấn đề nhiễu và vùng phủ Khi phủ sóng trong một tòa nhà bằng các trạm femtocell, sẽ xuất hiện hai loại nhiễu: nhiễu giữa femtocell - femtocell và nhiễu giữa tín hiệu từ femtocell - macrocell Điều này làm giảm chất lượng tín hiệu và thậm chí còn ảnh hưởng xấu tới chất lượng tín hiệu của macrocell, vì vậy cần có kỹ lưỡng giải pháp kỹ lưỡng cho vấn đề này

2.2 Lợi ích và sự cần thiết của femtocell

Sự xuất hiện ngày một nhiều điện thoại thông minh, laptop và các thiết bị

"khát dữ liệu" đã khiến cho việc nghẽn mạng càng thêm bức bối từ năm nay qua năm khác Phần lớn của thực trạng này xuất hiện tại các hộ gia đình, văn phòng và một điều căn bản nữa đó là các thiết bị ngoài trời khó có thể đáp ứng yêu cầu về băng thông như ở khu vực trong nhà Như vậy cần phải bổ sung thêm nhiều macrocell để bao phủ khu vực trong nhà và cho cả các thiết bị hiện đại Tuy nhiên phần lớn các nhà cung cấp dịch vụ lại muốn tái sử dụng các điểm cung cấp dịch vụ truyền thống, việc bổ sung thêm các điểm mới là điều khó có thể thực hiện Giảm tải nghẽn mạng cũng là một yêu cầu đặt ra cho các nhà mạng

Triển khai femtocell giải quyết được vấn đề này một cách rất hiệu quả và tiết kiệm chi phí Thêm một lợi ích khác, các femtocell sẽ giúp nâng cao hiệu năng của sóng

Trang 33

vô tuyến, giúp nâng cao chất lượng và người dùng thêm thích thú khi trải nghiệm các dịch vụ mới Bên cạnh đó, lưu lượng dữ liệu trên mạng di động 3G đang tăng với tốc độ chóng mặt và dự báo sẽ còn tiếp tục tăng mạnh trong những năm tới Điều này đang tạo

áp lực lớn lên hạ tầng mạng di động Trong bối cảnh đó, Femtocell nổi lên như một công nghệ giảm tải (offloading) dữ liệu cho mạng 3G khi được tích hợp vào mạng này

Lợi ích mà femtocell mang đến cho người sử dụng:

- Giảm chi phí gọi điện thoại di động tại nhà

- Một kết nối tốt, chất lượng dịch vụ tốt hơn, tốc độ cao hơn

- Hàng tháng chỉ cần chi trả một hóa đơn duy nhất cho cả điện thoại cố định

- Tăng chất lượng phủ sóng trong các công trình cũng như tăng dung lượng

và các dịch vụ giá trị gia tăng cho người dùng

- Khuyến khích người dùng sử dụng 3G hay WiMAX, từ đó tăng số thuê bao 3G, WiMAX trong tương lai

2.3 Kiến trúc kết nối femtocell tới mạng lõi

Hình 2.2 Kiến trúc kết nối femtocell tới mạng lõi

Trang 34

Nhìn trên tổng thể có thể thấy kiến trúc này gồm hai thành phần chính là HNB (a.k.a Femtocell) và HNB gateway (a.k.a Femto Gateway) Giữa các thành phần này là một giao diện mới Iu-h

HNB Gateway (HNB-GW): Được cài đặt trong mạng của nhà khai thác, HNB Gateway tập hợp lưu lượng từ một số lượng lớn các HNB rồi đưa lên mạng lõi thông qua chuẩn Iu-cs và giao diện Iu-ps

Home NodeB (HNB): được kết nối với một dịch vụ băng rộng gia đình hiện

có, một HNB cung cấp vùng bao phủ vô tuyến trong một căn hộ theo chuẩn của thiết bị cầm tay 3G

Giao diện Iu-h: Nằm giữa HNB và HNB-GW, bao gồm một giao thức ứng dụng HNB (HNBAP) cho phép thuận lợi trong triển khai các HNB đặc biệt Giao điện này đưa ra một phương pháp cho việc truyền tín hiệu điều khiển

Iu trên Internet

2.4 Những giải pháp kết nối femtocell đến mạng lõi

Trong phần này, luận văn tập trung trình bày quá trình tích hợp femtocell vào mạng 3G UMTS và dịch vụ thoại trên mạng chuyển nối mạch (circuit-switched) sẽ được lấy làm ví dụ minh họa Điều này không ngăn cản việc dùng giải pháp femtocell để tích hợp với mạng GSM/GPRS hay cả mạng WiMAX, cũng như việc dùng các dịch vụ đa phương tiện trên mạng chuyển nối gói thông qua femtocell Trên thực tế, chính các dịch vụ chuyển nối gói này mới là động lực lớn thúc đẩy người dùng đón nhận femtocell

Do giá thành và tiện lợi sử dụng, femtocell phải đáp ứng tính năng cắm và

chạy (plug-and-play) giống như cách mà người ta cài đặt và sử dụng một trạm truy

nhập WiFi Trong tương lai, hàng ngàn femtocell sẽ được nối kết với kiến trúc mạng lõi di động thông qua mạng công cộng Internet Điều này đặt ra bài toán về khả năng mở rộng (scalability), tính bảo mật và sự chuẩn hóa của các thiết bị và giải pháp Luận văn sẽ trình bày 3 giải pháp đã được đề nghị để kết nối thiết bị femtocell đến mạng lõi như sau:

Trang 35

2.4.1 Nền tảng dựa trên UMTS

(UMTS) là 1 trong các công nghệ di động 3G UMTS dựa trên nền tảng CDMA băng rộng (WCDMA), được chuẩn hóa bởi tổ chức các đối tác phát triển 3G (3GPP), và là lời đáp của châu Âu cho yêu cầu phát triển 3G đối với hệ thống di động tổ ong của tổ chức ITU IMT2000 UMTS đôi khi còn được gọi là 3GSM, để chỉ sự kết hợp về bản chất công nghệ 3G của UMTS và chuẩn GSM truyền thống

UMTS, dùng công nghệ CDMA băng rộng WCDMA, hỗ trợ tốc độ truyền

dữ liệu lên đến 21 Mbps (về lý thuyết, với chuẩn HSPDA) Thực tế, hiện nay, tại đường xuống, tốc độ này chỉ có thể đạt 384 kbps (với máy di động hỗ trợ chuẩn R99), hay 7.2 Mbps (với máy di động hỗ trợ HSPDA) Dù sao, tốc độ này cũng lớn hơn khá nhiều so với tốc độ 9.6 kbps của 1 đơn kênh GSM hay 9.6 kbps của đa kênh trong HSCSD (14.4 kbit/s của CDMAOne) và một số công nghệ mạng khác

Giả pháp này đi theo hướng giữ nguyên hạ tầng mạng nằm phía sau RNC Việc liên lạc từ các femtocell về mạng lõi sẽ thực hiện bằng đường hầm IP được bảo mật thông qua mạng IP băng rộng công cộng

Hình 2.3 Kiến trúc mạng UMTS

Trang 36

Giải pháp kiến trúc Iub trên IP

Kiến trúc Iub femtocell giữ một vai trò của một Node B, còn FGW sẽ nằm giữa femtocell và RNC, giải pháp này thích hợp khi không có nhiều người kết nối với femtocell cùng lúc

Khi đó số lượng femtocell kết nối với FGW mà FGW và RNC có thể thiết kế trong cùng một thiết bị hay 2 thiết bị riêng lẻ

Hình 2.4 Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP

Các chức năng như quản lý di động MM (Mobility Management) và điều khiển cuộc gọi CC (Call Control) được thực hiện bởi mạng lõi Với giải pháp này, nếu femtocell và macrocell cùng thuộc sự quản lý của một RNC, sự chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ thuộc loại intra-RNC Trong trường hợp ngược lại, sự chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ là inter-RNC Khi chuyển giao từ macrocell sang femtocell, the CN và UE sẽ chọn femtocell thích hợp, thiết lập báo hiệu Iub và tạo đường hầm vận tải thông qua mạng IP công cộng giữa FGW và femtocell

Tài nguyên vô tuyến giữa femtocell và UE được quản lý bởi giao thức RRC (Radio Resource Control) ở RNC Một khi việc thiết lập đường hầm Iub hoàn tất, mạng lõi sẽ chuyển cuộc gọi sang femtocell Trong chuyển giao từ femtocell sang macrocell, RNC sẽ tiến hành thiết lập kết nối với macrocell trước khi chuyển cuộc gọi sang macrocell Trong chuyển giao giữa 2 femtocell, RNC sẽ đóng vai trò là nút neo (anchor) trong quá trình thiết lập đường hầm Iub tới femtocell đích đến

Trang 37

Một số trở ngại của giải pháp này đó là: chúng được nằm ở giới hạn mở rộng của RNC để đáp ứng hàng ngàn Node-B (bao gồm các femtocell) Để khắc phục phần nào tình trạng này, FGW đã được đề nghị Mặc dùng giao diện Iub là một giao diện chuẩn nhưng nó lại có thêm nhiều đặc tính riêng tùy thuộc theo giải pháp của nhà cung cấp thiết bị mạng Chính vì thế, nó thiếu một sự nhất quán chung giữa những nhà sản xuất thiết bị khác nhau

Giải pháp Iu trên IP

Các femtocell sẽ được tích hợp với mạng lõi di động thông qua các FGW Những chức năng của RNC và Node B sẽ được cài đặt trên femtocell và do đó femtocell sẽ liên lạc với FGW thông qua giao diện 3G Iu trên IP

Nếu mạng lõi không hỗ trợ vận tải IP, FGW sẽ đảm nhiệm việc chuyển đổi giữa truyền tải IP và truyền tải ATM nhờ vào giao thức truyền tải báo tin SIGTRAN

Số nhận diện của femtocell trong trường hợp này khi liên lạc với FGW có dạng địa chỉ của một RNC (12 bits) FGW tạo đường hầm cho các thông điệp báo hiệu RANAP từ femtocell đến mạng lõi

Cũng giống như trên, trong giải pháp Iub trên IP, ngay khi lắp đặt, femtocell sẽ tạo một liên hiệp bảo mật với FGW và dùng TR-069 hay một cơ chế tương tự để cấu hình địa chỉ IP của nó femtocell sẽ sử dụng ACS để cấu hình các thông số quản lý tài nguyên cũng như thuật toán thực hiện trong môi trường femtocell

Hình 2.5 Kiến trúc giải pháp Iu trên IP

Hỗ trợ dịch vụ

vô tuyến gói chung Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động

Trang 38

FGW là điểm tập trung lưu lượng từ hàng ngàn femtocell gửi đến và tách gửi lưu lượng thoại và dữ liệu đến tổng đài MSC và SGSN giống như chức năng của một RNC Ví dụ, thông tin thoại sẽ được gửi từ femtocell đến FGW dùng RTP trên UDP, sau đó FGW sẽ chuyển đổi thông tin thoại này sang IP, ATM hay DTM tương ứng với truyền tải của mạng lõi

Nhìn chung, FGW giả lập vai trò của mạng lõi di động đối với các femtocell

và giả lập RNC đối với mạng lõi di động Do vậy, với giải pháp này ta không cần bất cứ sự thay đổi nào ở hạ tầng mạng lõi Để bảo mật thông tin gửi từ femtocell đến FGW qua mạng IP công cộng, giao thức IPSec được chọn dùng Một cổng bảo mật sẽ được cài đặt cùng với FGW Đây cũng chính là điểm kết thúc của các đường hầm IPSec đến từ các femtocell

Hình 2.6 Giao thức của giải pháp Iu trên IP

Femtocell có chức năng quản lý tài nguyên cục bộ giữa femtocell và những người dùng Tuy nhiên, chất lượng dịch vụ phụ thuộc vào sự kết nối với mạng IP công cộng Những vấn đề như độ trễ IP hay mất gói tin dĩ nhiên sẽ ảnh hướng đến chất lượng dịch vụ trên femtocell Đây là một giải pháp nhanh nhất và đơn giản nhất để triển khai femtocell Tuy nhiên, do tất cả dung lượng từ các kết nối femtocell sẽ đổ về mạng lõi, điều này có thể sẽ dẫn đến yêu cầu phải nâng cấp mạng lõi Để người dùng chuyển giao từ femtocell sang một macrocell, nếu cả 2 đều cùng thuộc sự quản lý của một MSC/SGSN, chuyển giao này sẽ thuộc loại inter-RNC Nếu không, chuyển giao giữa femtocell và macrocell sẽ được thực hiện như một chuyển giao inter-MSC/SGSN

Trang 39

Khi chuyển từ một macrocell sang một femtocell, UE và CN sẽ xác định femtocell thích hợp dựa vào danh sách các cell cận kề, thiết lập báo hiệu Iu

và đường hầm truyền tải giữa femtocell và FGW thông qua mạng IP Việc quản lý tài nguyên giữa femtocell và UE được thực hiện nhờ sự phối hợp của giao thức RRC và RANAP

Một khi đường hầm Iu được thiết lập, mạng lõi sẽ chuyển cuộc gọi thoại tới femtocell sử dụng giao thức quản lý di động MM và giao thức quản lý cuộc gọi CC

ở MSC và UE Trong quá trình chuyển giao theo chiều ngược lại, tức từ femtocell sang macrocell, giao thức RANAP tại MSC và giao thức RRC tại RNC đích đến thiết lập kết nối ở macrocell trước khi cuộc gọi được chuyển giao Đối với chuyển giao giữa 2 femtocell, MSC/SGSN đóng vai trò như một điểm neo để thiết lập đường truyền và đường hầm Iu mới tới femtocell đích đến

2.4.2 Kiến trúc UMA/GAN

Về nguyên tắc, femtocell cũng giống như UMA/GAN ngoại trừ việc femtocell sử dụng băng tần cấp phép 2G/3G thay vì băng tần không phép như WiFi hay Bluetooth Do vậy, giải pháp UMA/GAN có thể được mở rộng đế hỗ trợ giải pháp femtocell bằng cách tích thêm các chức năng của FGW vào

trong bộ điều khiển GANC Hướng giải pháp này rất phù hợp cho những nhà cung cấp mạng đã triển khai hạ tầng GAN/UMA để cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng của công nghệ HSPA (High Speed Packet Access)

Nhìn chung công nghệ UMA cho phép thực hiện các dịch vụ GSM /GPRS trên các băng tần không cấp phép (sử dụng cho Bluetooth và WiFi) UMA đã được 3GPP chuẩn hóa với tên gọi là công nghệ GAN (Generic Access Network) UMA/GAN đề nghị một thực thể mới gọi là GANC (GAN controller), hay UNC (UMA Network Controller) để thực hiện các chức năng giống như một bộ điều khiển trạm gốc BSC trong GSM GAN định nghĩa một giao diện Up mới giữa

GANC và thiết bị di động UE

Trang 40

Kiến trúc được kết nối Tuy nhiên các liên lạc giữa femtocell và FGW sẽ được thực hiện trên giao diện Up của giải pháp UMA Chồng giao thức báo hiệu của giải pháp này được minh họa ở hình 2.7 dưới đây

Hình 2.7 Giao thức dựa trên UMA/GAN

2.4.3 Kiến trúc dựa trên IMS

Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp : lớp ứng dụng, lớp điều khiển (hay còn gọi là lớp IMS hay IMS lõi) và lớp vận tải (hay lớp người dùng)

- Lớp dịch vụ bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và

các máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server)

- Lớp điều khiển bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi

- Lớp vận tải bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment), các

mạng truy nhập kết nối vào mạng lõi IP Hai thực thể chức năng NASS và RACS định nghĩa bởi TISPAN có thể được xem như thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển ở trên

Tại thời điểm hiện tại, kiến trúc cuối cùng của IMS chưa được thống nhất Tuy nhiên về cơ bản nó sẽ vẫn dựa trên các thành phần như miêu tả trong hình 2.8 Một điểm đáng lưu ý là kiến trúc IMS là một kiến trúc chức năng, tức là các thực thể được định nghĩa dựa theo các chức năng của chúng Điều này có nghĩa là chúng

có thể được thiết kế trên cùng một thiết bị phần cứng

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	1,2 MB