đồ án công nghệ thông tin XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYÊN GIAO PHẦN MỀM WCDMA

Khởinguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụngngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thểcung cấp nhiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyên Thanh Thuần Số hiệu sinh viên: 20043001

Khó: 50 Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện tử tin học

1 Đầu đề đồ án:

Xây dựng chương trình mô phỏng quá trình chuyển giao mềm trong mạng WCDMA

2 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

 Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế 3 UMTS

 Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA

 Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn ,cấp hệ thống và thuật toán chuyển giao mềm

 Kết quả mô phỏng quá trình chuyển giao mềm trong WCDMA

3 Họ tên giảng viên hướng dẫn:

Thạc sỹ : Vũ Duy Hải

Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 20/12/2009 Ngày hoàn thành đồ án: 05/2010

Ngày tháng năm

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thanh Thuần Số hiệu sinhviên:.20043001

Ngành: Điện tử tin học Khó: 50………

Giảng viên hướng dẫn:.Vũ Duy Hải

Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 10

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 12

ABSTRACT 13

MỤC LỤC 14

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 15

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 UMTS 20

1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG 20

1.1.1 Hệ thống di động tương tự thế hệ 1 20

1.1.2 Hệ thống di động thế hệ thứ 2 và giai đoạn 2+ 21

1.1.3 Hệ thống di động thế hê thứ 3 và cao hơn nữa 24

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WCDMA 26

1.2.1 Hệ thống UMTS 27

1.2.1a Tổng quan 27

1.2.1.b Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ 29

1.2.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 31

1.3 QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN ( RRM) 40

1.3.1 RRM trong mạng di động 40

1.3.2 Chức năng của RRM 41

1.3.2.a Điều khiển công suất (Power Control) 41

1.3.2.b Điều khiển chuyển giao (Handover control) 45

1.3.2.c Điều khiển thâm nhập (Admission control) 45

1.3.2.d Điều khiển Tải (Điều khiển tắc nghẽn) 46

CHƯƠNG II : CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA 45

2.1 KHÁI QUÁT VỀ CHUYỂN GIAO TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 48

2.1.1 Các kiểu chuyển giao trong các hệ thống WCDMA 3G 48

2.1.2 Các mục đích của chuyển giao 50

2.1.3 Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao 51

2.2 CHUYỂN GIAO TRONG CÙNG TẦN SỐ 52

2.2.1 Chuyển giao mềm 52

2.2.1.a Nguyên lý chuyển giao mềm 53

2.2.1.b Các thuật toán của chuyển giao mềm 56

2.2.1.c Các đặc điểm của chuyển giao mềm 58

2.2.2 Lợi ích liên kết chuyển giao mềm 60

2.2.3.Tổng phí của chuyển giao mềm 62

2.2.4 Độ lợi dung lượng mạng của chuyển giao mềm 63

2.3 CHUYỂN GIAO GIỮA CÁC HỆ THỐNG WCDMA VÀ GSM 64

2.4 CHUYỂN GIAO GIỮA CÁC TẦN SỐ TRONG WCDMA 66

2.5 TỔNG KẾT CHUYỂN GIAO 66

CHƯƠNG III : PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CẤP ĐƯỜNG DẪN, CẤP HỆ THỐNG VÀ THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO MỀM 69

3.1.2 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống 71

3.1.3 Sự phân bố công suất hướng xuống 72

3.1.3.a Phân bố công suất không có SHO 73

3.1.3.b Phân bố công suất với SHO 74

3.1.4 Kết luận 76

3.2 PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CẤP HỆ THỐNG 77

3.2.1 Độ lợi chuyển giao mềm hướng xuống 77

3.2.1.a Độ lợi chuyển giao mềm 77

3.2.1.b Những tác động đối với độ lợi chuyển giao mềm 81

3.3.2 Sơ đồ chọn lựa và tái chọn lựa Cell 82

3.3.2.a Nguyên lý cơ bản của các sơ đồ chọn lựa Cell (CS) khác nhau 83

3.3.2.b Những tác động của các sơ đồ chọn lựa Cell khác nhau đến độ lợi SHO 86

3.3 CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO MỀM 86

3.3.1 Các thuật toán SHO khác nhau 87

3.3.1.a Thuật toán chuyển giao mềm IS-95A 88

3.3.1.b Thuật toán chuyển giao mềm UTRA 89

3.3.2 Vùng SHO của các thuật toán chuyển giao mềm khác nhau 90

3.4 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HƯỚNG XUỐNG 91

3.4.1 Phân bố công suất dưới 3 điều kiện điều khiển công suất 91

3.4.1.a Không có điều khiển công suất 91

3.4.1.b Điều khiển công suất hoàn hảo 91

3.4.1.c Điều khiển công suất không hoàn hảo 93

3.4.2 Độ lợi SHO dưới những tác động của điều khiển công suất 94

3.5 CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TỐI ƯU TRONG CHUYỂN GIAO MỀM 96

3.5.1 Nguyên lý của cách tiếp cận mới 96

3.5.2 Đánh giá tính khả thi 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự phát triển của mạng di động 22

Hinh1.2 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G 25

Hình 1.3 Các phổ tần dùngcho hệ thống UMTS 28

Hình 1.4 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 32

Hình 1.5 Vai trò logic của SRNC và DRNC 35

Hình 1.7 Hiệu ứng gần xa ( điều khiển công suất hướng lên ) 42

Hình1.8 Bù nhiễu inter- cell ( điều khiển công suất hướng xuống ) 43

Hình 1.9 Thuật toán chung của diều khiển công suất vòng ngoài 44

Hình 1.10 Đường cong tải 46

Hình 2.1 Các kiểu chuyển giao khác nhau 50

Hình2.2 Các thủ tục chuyển giao 52

Hình 2.3 Lưu đồ kích hoạt chuyển giao cứng 54

Hình 2.4 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm 54

Hình 2.5 Nguyên lý của chuyển giao mềm 56

Hình 2.6 Thuật toán chuyển giao mềm IS-95A 56

Hình 2.7 Thuật toán chuyển giao mềm trong WCDMA 58

Hình 2.8 Sự suy giảm nhiễu do có chuyển giao mềm trong UL 59

Hình 2.9 Độ lợi chuyển giao mềm của công suất phát đường lên(giá trị dương = độ lợi, giá trị âm = suy hao) 61

Hình 2.10 Độ lợi chuyển giao mềm trong công suất phát đường xuống (Giá trị dương =độ lợi, âm =suy hao) 62

Hình 2.11 Tổng phí chuyển giao mềm 63

Hình 2.12 Chuyển giao giữa các hệ thống GSM và WCDMA 65

Hình 2.13Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống 66

Hình 2.1 Nhiễu hướng xuống 69

Hình 3.2 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống 72

Hình 3.3 Vùng chuyển giao mềm và vùng phủ sóng hiệu quả của Cell 78

Hình 3.4 Sự bố trí cell 79

Hình 3.5 Sơ đồ chọn lựa Cell 84

Hình 3.6 Lưu đồ chọn lựa Cell hoàn hảo 85

Hình 3.7 Sơ đồ chon cell 85

Hình 3.8 Lưu đồ chọn lựa Cell bình thường 86

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán chuyển giao mềm IS-95A 88

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán chuyển giao mềm UTRA 89

Hình 3.11 So sánh vùng SHO của các thuật toán khác nhau 90

Hình 3.12 Điều khiển công suất hướng xuống trong Chuyển giao mềm 96

Hình 3.13 Công suất truyền tổng tương đối cho các MS trong chuyển giao mềm 101

Hình 4.1 Trạng thái chưa chuyển giao 102

Hình 4.2 Quá trình đầu của chuyển giao 103

Hình 4.3 Quá trình chuyển giao mềm trong WCDMA 103

Hình 4.4 Kết thúc quá trình chuyển giao 104

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của hệ thống số thế hệ thứ 2 23

Bảng 1.2 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS 30

Bảng 2.2 Tổng kết chuyển giao 67

Bảng liên kết 3.1 81

Bảng 3.2 Các thông số hệ thống 101

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày này thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triểnnhanh nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,6 tỷ tính đến cuối năm 2008 Khởinguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụngngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thểcung cấp nhiều hình loại dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cảcác chức năng camera, MP3 và PDA Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày cáctrở nên phổ biến này, nhu cầu 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nêncấp thiết

ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba vớitên gọi IMT-2000 để đạt được các mục tiêu chính sau đây:

 Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhậpinternet nhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càngtăng về các dịch vụ này

 Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điệnthoại vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ củacác hệ thống thông tin di động

 Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự pháttriển liên tục của thông tin di động

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đãđược đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và cdma-2000 đã được ITUchấp thuận và đã được đưa vào hoạt động Các hệ thống này đều sử dụng công nghệCDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyếncủa hệ thống thông tin động thế hệ ba

Hiện nay tai Việt Nam băng tần I dành cho WCDMA đã được chia là bốn

khe và được cấp phát cho bốn nhà khai thác: Viettel, VMS, GPC, EVN+HT Trongcác năm tới 3GWCDMA UMTS sẽ được triển khai trên băng tần này

Và trong WCDMA chuyển giao là một chức năng thiết yêu để đối phó với tính diđộng của các thuê bao di động So với chuyển giao cứng truyền thống được sử dụngtrong mang di động GSM, thì chuyển giao mềm sử dụng trong IS-95 và được đềxuất cho mạng 3G có hiệu suất tốt hơn trên cả hai cấp độ đường dẫn và hệ thống

Đồ án này đi sâu vào nghiên cứu các đặc tính của chuyển giao mềm cũngnhư tác động của nó đến dung lượng hay hiệu suất hướng xuống trong mạngWCDMA Đồ án được chia làm 4 chương với các nội dung chính như sau :

Chương 1 - Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế 3 UMTS :

Giới thiệu tổng quan về mạng thong tin di động , cấu trúc của mạng thông tin diđộng thế hệ thứ 3 UMTS , đặc điểm của công nghệ WCDMA và quản lý tài nguyên

vô tuyến (RRM)

các kiểu chuyển giao trong hệ thống WCDMA , thuật toán chuyển giao IS-95A vàthuật toán chuyển giao mềm WCDMA ở dạng hình vẽ Bên cạnh đó phần này cũnggiới thiệu khái quát về : đặc điểm , tổng phí và độ lợi dung lượng mang của chuyểngiao mềm

Chương 3 – Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn ,cấp hệ thống và

hướng xuống, phân tích hiêu suất cấp hê thống thuật toán chuyên giao mềm vàchuyến lược điều khiên công suất tối ưu trong chuyển giao mềm

một user trong 1 ô tô đang chuyển động từ cell trực thuộc sang cell khác

Sản phẩm giao nộp kèm theo đề tài gồm 01 chương trình viết bằng VB6 và Mãnguồn của các chương trình này cộng với nội dung của đề tài trong CD-ROM sảnphẩm Em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của quý thầy cô, đồng nghiệp

để hoàn thiện thêm kiến thức trong lĩnh vực này Qua đây, em xin bày tỏ lòng biết

ơn, cám ơn sâu sắc đến các thầy cô trong trường đại học Bách Khoa Hà Nội , thầy

cô trong khoa Điện tử viển thông đại học Bách Khoa Hà Nội Và đặc biệt em xincảm ơn Thạc sỹ Vũ Duy Hải , giáo viên hướng dẫn đã giúp đỡ em trong suốt quátrình thực hiện đồ án , thầy đã nhiệt tình chỉ bảo , góp ý ,cũng như định hướng cho

em trong suốt quá trình làm đồ án này , thầy đã cho em những lời khuyên quý báutrong suốt quá trình thực hiện đồ án

Hà Nội, tháng 5 năm 2010

Sinh viên Nguyễn Thanh Thuần

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tốt nghiệp của em dưới sự hướng dẫn của thạc sỹ Vũ Duy Hải trình bày

về chuyển giao mềm trong WCDMA và xây dựng chương trình mô phỏng quá trìnhchuyển giao mềm trong mạng WCDMA

Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của người sửdụng đầu cuối Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng

di động di chuyển từ qua ranh giới các ô tế bào

Một đặc trưng khác biệt nhất của WCDMA so với các hệ thống khác là thuậttoán điều khiển chuyển giao Chuyển giao diễn ra khi người sử dụng máy di động dichuyển từ cell này đến cell khác trong mạng thông tin di động tế bào Nhưngchuyển giao cũng có thể được sử dụng để cân bằng tải trong mạng thông tin, vàchuyển giao mềm có thể tăng cường dung lượng và vùng phủ của mạng

Đồ án cũng thảo luận khá chi tiết về chuyển giao mềm và mềm hơn xuất hiệnkhi máy di động ở trong vùng phủ sóng chồng lấn của 2 cell Trường hợp chuyểngiao mềm hơn các cell thuộc cùng một trạm gốc, hai tín hiệu đồng thời được kết hợp

ở Nút B sử dụng bộ xử lý RAKE Trong suốt quá trình chuyển giao mềm, hai tín hiệuthu từ các trạm gốc khác nhau được định tuyến đến RNC để được so sánh hết khungnày đến khung khác Độ lợi chuyển giao mềm là độ lợi được cung cấp bởi sự kết hợpnhiều tín hiệu (được gọi là độ lợi phân tập macro) Khi độ dự trữ chuyển giao mềmthích hợp được sử dụng độ lợi chuyển giao mềm sẽ tăng cường đáng kể hiệu năngcủa hệ thống

Qua những phân tích và nghiên cứu về quá trình chuyển giao mềm, chúng ta

đã thấy được những đặc điểm cũng như những lợi ích mà nó mang lại

MY GRADUATION PROJECT UNDER THE GUI DANCE OF

MASTER VU DUY HAI DELIVERED A PRESENTATION ABOUT SOFT HANDOVER IN WCDMA AND BUILD A PROGRAM WHICH

SIMULATE THE SOFT HANDOVER IN WCDMA NETWORKS

HANDOVER IS THE NECESSARY PART FOR THE HANDLING OF THE USER'S MOBILE TERMINAL IT ENSURES THE CONTINUITY OF THE WIRELESS SERVICE WHEN MOBILE-USERS MOVE ACROSS BETWEEN BOUNDARIES OF CELLS.

The most difference characteristic of WCDMA which other systems don’thave is the algorithm of control handover Handover occurs when the mobile-usersmoves from cell to cell is different in the mobile communication cells network Butthe transfer can also be used for load balancing in communication networks, andsoftware can be transferred to strengthen the capacity of the network and

PROJECTS ARE ALSO PRETTY DETAILED DISCUSSION ABOUT THE TRANSFER OF SOFT AND SOFTER WHEN THE DEVICE APPEARS IN THE OVERLAPPING COVERAGE OF TWO CELLS WHERE THE TRANSFER OF SOFTWARE OVER THE SAME BASE STATION CELL, TWO SIGNALS ARE COMBINED AT THE SAME TIME THE B BUTTON

TO USE THE RAKE HANDLE DURING THE TRANSFER OF SOFTWARE, THE SIGNAL FROM DIFFERENT BASE STATIONS ARE ROUTED TO THE RNC TO COMPARE THIS FRAME TO ALL OTHER FRAMES GAIN IS THE GAIN TRANSFER SOFTWARE PROVIDED BY A COMBINATION OF MULTIPLE SIGNALS (CALLED MACRO DIVERSITY GAIN) WHEN THE TRANSFER OF RESERVES APPROPRIATE SOFTWARE IS USED TO TRANSFER SOFT GAIN WILL GREATLY IMPROVE THE PERFORMANCE OF THE SYSTEM

THROUGH ANALYSIS AND RESEARCH ON SOFT TRANSITION,

WE HAVE SEEN THESE CHARACTERISTICS AS WELL AS THE BENEFITS THAT IT BRINGS

MỤC LỤC

AICH Acquisition Indication Channel Kênh chỉ thị bắt

AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng

ARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự động

AP-AICH Access Preamble Acquisition Indicator Channel Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhậpATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng thái

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãCD/CA-

ICH:

CPCH Collision Detection/ Channel

Assignment Indicator Channel

Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh

CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh chỉ thị trạng thái CPCHDCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DPCCH Dedicated Physycal Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

E-AGCH

Enhanced Absolute Grant Channel

Kênh cho phép tuyệt đối tăng cường

E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cường

EDGE Enhanced Data rates for GPRS

Enhanced Relative Grant Channel

Kênh cho phép tương đối tăng cường

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuốngFDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gian

GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM

EDGEGGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động tòan cấu

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập hói đường xuống tốc độ

caoHS-

Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HS-PDSCH

High-Speed Physical Dedicated

Shared Channel

Kênh chia sẻ riêng vật lý tốc độ cao

HSS Home Subsscriber Server Server thuê bao nhà

HS-SCCH

High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao

HSUPA High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ caoIMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000

International Mobile

Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

Iu Giao diện được sử dụng để thông tin giữa RNC và mạng lõi

Iub Giao diện được sử dụng để thông tin giữa nút B và RNC

Iur Giao diện được sử dụng để thông tin giữa các RNC

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trườngMIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiệnMSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di độngNodeB Nút B

OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Hệ số trải phổ khả biến trực giaoPAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công suấttrung bình

P-CCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gói chung

PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

PICH Page Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi

PRACH Physical Random Access Channel Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên)

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công

cộngQAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quatrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyếnRRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyếnRTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực

SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SIM Subscriber Identity Module Mođun nhận dạng thuê bao

SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gianTDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gianTDMA

Time Division Mulptiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gianTFC Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tảiTFCI Transport Format Combination

Indicator

Chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải

TTI Transmission Time Interval Khỏang thời gian phát

UMB Ultra Mobile Broadband Băng thông di động siêu rộngUMTS Universal Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

Telecommunications System cấu

USIM UMTS SIM

UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTSUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access Tương hợp truy nhập vi ba toàn cầu

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG THẾ HỆ 3 UMTS

Giới thiệu chương

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, để đáp ứng nhucầu ngày càng cao về các dịch vụ của hệ thống thông tin di động, nhất là các dịch

vụ truyền số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đưa ra hệ thống thông tin di độngmới Trước bối cảnh đó hiệp hội viễn thông quốc tế ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩnhoá để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba với với tên gọi là IMT-

2000 Đồng thời các cơ quan về tiêu chuẩn hoá xúc tiến việc xây dựng một tiêuchuẩn hoá áp dụng cho IMT- 2000 thông qua dự án 3GPP (Third Generation

Partnership Project) Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được ra đời từ dự án

3GPP được gọi là hệ thống thông tin di động UMTS/WCDMA

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động thế

hệ ba và một bộ phận quan trọng của nó là hệ thống UMTS thông qua tìm hiểu cấu trúc mạng

1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG

1.1.1 Hệ thống di động tương tự thế hệ 1

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ 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 phươngpháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Với FDMA, khách hàngđược cấpphát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Sơ đồ báohiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dòsóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này, MS nhận được dữliệu báo hiệu gồm các lệnh 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 sốngười bị chặn lại không được truy cập Phổ tần số quy định cho liên lạc di độngđược chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và được cách nhau bởi một dải tần số phòng

vệ Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc N dải kế tiếp dành riêng cho

liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạchướng xuống.

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.2

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

1.1.2 Hệ thống di động thế hệ thứ 2 và giai đoạn 2+

Hệ thống di động thế hệ thứ 2 được giới thiệu vào cuối những năm 1980.Các dịch vụ dữ liệu tốc độ thấp cũng như các dịch vụ thoại truyền thống được hỗ trợ.Các hệ thống này sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số chứ không phải truyền dẫn tương

tự Do vậy, so với hệ thống di động thế hệ thứ nhất, hiệu suất phổ của thế hệ thứ 2cao hơn, dịch vụ dữ liệu và khả năng chuyển vùng tốt hơn Ở Châu Âu, hệ thốngtoàn cầu dành cho truyền thông di động có tên gọi là GSM (Global Systemfor Mobile Communications) được triển khai để cung cấp một tiêu chuẩn mangtính thống nhất Điều này cho phép các dịch vụ không có đường nối ra khỏiChâu Âu bằng phương thức chuyển vùng quốc tế Hệ thống GSM sớm nhất hoạtđộng ở băng tần 900 MHz với băng thông tổng cộng là 50 MHz Suốt trong quátrình phát triển hơn 20 năm, công nghệ GSM đã liên tục được cải tiến để cung cấpcác dịch vụ tốt hơn trên thị trường Những công nghệ mới tiên tiến hơn được biếtđến như là hệ thống thế hệ 2,5 (2,5G) đều được phát triển dựa trên nền tảng của

hệ thống GSM gốc Cho đến nay, như là một hệ thống di động lớn nhất trên toànthế giới, GSM là công nghệ của sự lựa chọn tại hơn 190 quốc gia với khoảng787.000.000 thuê bao

Hình 1.1 Sự phát triển của mạng di động

Tại Hoa Kỳ, đã có 3 dòng phát triển của hệ thống di động tế bào số Hệ thống đầu tiên, được giới thiệu vào năm 1991, đó là IS-54 (North America TDMA Digital Cellular), trong đó có một phiên bản mới hỗ trợ các dịch vụ bổ sung (IS 136) được giới thiệu vào năm 1996 Trong đó, IS-95 đã được triển khai vào năm

1993 Sự uỷ nhiệm truyền thông liên bang Mỹ Federal Communications

Commision (FCC) cũng bán đấu giá một khối phổ mới trong dải tần 1900 MHz (PCS), cho phép GSM 1900 nhập vào thị trường Mỹ Ở Nhật Bản, hệ thống Personal Digital Celluar (PDC), ban đầu được biết đến như là JDC (Japanese Digital Cellular) bước đầu được định nghĩa vào năm 1990 Dịch vụ thương mại đã được bắt đầu bởi NTT vào năm 1993 ở băng tần 800 MHz và năm 1994 ở băng tần1,5 GHz Bảng 1.1 cho thấy các thông số kỹ thuật của bốn hệ thống di động số thế hệ thứ hai điển hình

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của hệ thống số thế hệ thứ 2

Ngày nay, hệ thống di động tế bào số thế hệ thứ hai vẫn chiếm ưu thế trongngày công nghiệp di động trên toàn thế giới Tuy nhiên, họ đang tiến triển theohướng hệ thống thế hệ thứ ba (3G) vì những nhu cầu về lưu lượng di động và sựxuất hiện của các loại hình dịch vụ mới Các hệ thống mới, chẳng hạn như làHSCSD (High Speed Circuit Switched Data), GPRS (General Packet RadioService), và IS 95B, thường được gọi chung là thế hệ 2,5 (2,5G)

HSCSD, GPRS và EDGE tất cả đều dựa trên nền tảng của hệ thống GSM ban đầu.HSCSD là sự cải tiến đầu tiên của giao tiếp vụ tuyến GSM: nó bó các khe thờigian GSM để cho ra một tốc độ dữ liệu tối đa về mặt lý thuyết là 57,6 Kbit/

s ( Kbit/s) HSCSD cung cấp cả 2 loại hình dịch vụ đối xứng và bất đốixứng và nó được triển khai tương đối dễ dàng Tuy nhiên, HSCSD không dễ dàng

về mặt giá cả cạnh tranh

Sau HSCSD, GPRS là bước phát triển tiếp theo của giao tiếp vụ tuyến GSM

Ngoài bó các khe thời gian, thì 4 sơ đồ mã hoá kênh mới được đề xuất GPRScung cấp “always on” các gói dữ liệu chuyển mạch gói với băng thông chỉ được sửdụng khi cần thiết Vì vậy, GPRS cho phép GSM truy xuất Internet với hiệu suấtphổ cao bằng cách sử dụng các khe thời gian khác nhau giữa các User Về mặt lýthuyết, GPRS có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên tới 160 Kbit/s (hiện tại GPRS cungcấp 40 Kbit/s) Triển khai GPRS không dễ dàng như là HSCSD vì mạng lõi cầnphải được nâng cấp tốt

EDGE sử dụng cấu trúc vô tuyến GSM và khung TDMA nhưng với một sơ đồ điều chế mới, 8QPSK, thay vì GMSK, qua đó tăng gấp 3 lần so với GSM thôngqua việc sử dụng cùng một băng thông EDGE kết hợp với GPRS sẽ cung cấp tốc

độ dữ liệu cho mỗi User lên đến 384 Kbit/s

1.1.3 Hệ thống di động thế hê thứ 3 và cao hơn nữa

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba xây dựng trên cơ sở tiêu chuẩn chung IMT- 2000 (Internaltional Mobile Telecommunications 2000–Viễn thông di động quốc tế 2000) Các tiêu chí chung để xây dựng IMT- 2000 như sau :

 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz như sau :

 Đường lên : 1885 – 2025 MHz

 Đường xuống : 2110 – 2200 MHz

 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các hình loại thông tin vô tuyến:

 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

 Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông

 Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau như :

 Cung cấp hai mô hình truyền dữ liệu đồng bộ và không đồng bộ.

 Có khả năng chuyển vùng toàn cầu

 Có khả năng sử dụng giao thức Internet

 Hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn các hệ thống đã có

Môi trường hoạt động của IMT- 2000 được chia thành bốn vùng với tốc độ bit Rb phục vụ như sau :

 Vùng 1 : trong nhà, ô pico, RbĠ 2 Mbps

 Vùng 2 : thành phố, ô micro, RbĠ 384 Mbps

 Vùng 3 : ngoại ô, ô macro, RbĠ 144 Kbps

 Vùng 4 : toàn cầu, Rb = 9,6 Kbps

Hiện nay hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT- 2000 là :

 WCDMA được xây dựng trên cơ sở cộng tác của Châu Âu và Nhật Bản

 Cdma2000 do Mỹ xây dựng

Hinh1.2 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WCDMA

WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ ba giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dựng kỹ thuật CDMAhoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độbit thấp và trung bình

WCDMA có các đặc điểm cơ bản sau :

 Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bitlên cao (lên đến 2 Mbps)

 Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc

độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập

 Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục Mỗi người sử dụng cung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ

có thể thay đổi từ khung này đến khung khác

 Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD Trong mô hình FDD sóng mang 5 MHz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hìnhTDD sóng mang 5 MHz chia xẻ theo thời gian giữa đường lên và đường xuống

 WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ

 WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ

 WCDMA được thiết kế dễ dàng nâng cấp hơn các hệ thống CDMA như tách sóng đa người sử dụng, sử dụng anten thông minh để nâng cao dung lượng và vùng phủ

 WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng

và dung lượng của mạng

 Lớp vật lý mềm dẻo dễ thích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang.

 Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

 Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến

Nhược điểm chính của W_CDMA là hệ thống không cho phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu các môi trường làm việc khác nhau

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2 Mbps Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng

và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm Với khả năng đó,các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dễ dàng các dịch vụ mới như: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đaphương tiện khác

1.2.1 Hệ thống UMTS

1.2.1a Tổng quan

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được xây dựng với mục đớch cung cấp cho một mạng di động toàn cầu với các dịch vụ phong phú bao gồm thoại, nhắn tin, Internet và dữ liệu băng rộng Tại Châu Âu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đã được tiêu chuẩn hoá bởi học viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI:

European Telecommunications Standard Institute) phù hợp với tiêu chuẩn IMT-

2000 của ITU (International Telecommunication Union) Hệ thống có tên là UMTS (hệ thống di động viễn thông toàn cầu) UMTS được xem là hệ thống kế thừa của

hệ thống 2G GSM (Global System for Mobile Communication), nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển của các dịch vụ di động và ứng dụng Internet với tốc độ truyền dẫn lên tới 2 Mbps và cung cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu

UMTS được phát triển bởi Third Generation Partnership Project (3GPP) là

dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩn hoá (SDO) như : ETSI (Châu Âu), ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và CWTS (Trung Quốc)

Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dùng cho hệ thống UMTS:

 1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD (Frequency Division Duplex: ghép kênh theo tần số) đường lên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5 MHz

Hình 1.3 Các phổ tần dùngcho hệ thống UMTS

 1900 MHz ÷ 1902 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD – TD/CMDA, khoảng cách kênh là 5 MHz

 1980 MHz ÷ 2010 MHz và 2170 MHz ÷ 2200 MHz dành cho đường xuống và đường lên vệ tinh

Năm 1998 3GPP đã đưa ra 4 tiêu chuẩn chính của UMTS:

 Dịch vụ

 Mạng lõi

 Mạng truy nhập vô tuyến

 Thiết bị đầu cuối

 Cấu trúc hệ thống

1.2.1.b Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ

Vì TTDĐ 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu

lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh Ngoài ra TTDĐ 3G cũng được sử dụng cho các dịch vụ tiếng Nói chung TTDĐ 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông đa phương tiện Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ QoS ở W-CDMA được phân loại như sau:

 Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ

nhỏ (thoại chẳng hạn)

 Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ

luồng với trễ nhỏ (phân phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming)

 Loại tương tác (Interactive, nrt): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian

nhất định và tỷ lệ lỗi thấp (trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn)

 Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được

thực hiện trên nền cơ sở (e-mail, tải xuống file: Video Download)

Môi trường hoạt động của 3WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng với các tốc độ bit Rb phục vụ như sau:

 Vùng 1: trong nhà, ô pico, Rb  2Mbps

 Vùng 2: thành phố, ô micro, Rb  384 kbps

 Vùng 2: ngoại ô, ô macro, Rb  144 kbps

 Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 12,2 kbps

Có thể tổng kết các dịch vụ do 3GWCDMA UMTS cung cấp ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ di

động

Dịch vụ di động Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động dịch

vụDịch vụ thông tin định vị

- Theo dõi di động/ theo dõi di động thong minh

Dịch vụ âm thanh - Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64 kbps)

- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps)

- Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps)Dịch vụ

Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps-2Mbps)

Dịch vụ Internet thời gian thực

Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)

Dịch vụ internet

đa phương tiện

Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực ( 2Mbps)

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3,R4, R5 Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch:chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói) Việc kết hợpnày phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thựcnhư thoại và hình ảnh Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệuđược truyền trên miền PS R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển

mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP.Dưới đây ta xét kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 nói trên.

1.2.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạchgói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS Các kết nối tốc độ caonày đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giốngnhư trong các mạng điện thoại cố định và Internet Các dịch vụ này gồm: điện thoại

có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tạiđầu cuối Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kếtnối" đến Internet UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốthơn các dịch vụ dựa trên vị trí

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment),mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial RadioNetwork), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.4) UE bao gồm ba thiết bị:thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS(USIM: UMTS Subscriber Identity Module) UTRAN gồm các hệ thống mạng vôtuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio NetworkController: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó Mạng lõi CN baogồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môitrường nhà) HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trungtâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR(Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị)

Hình 1.4 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

 Thiết bị người sử dụng (UE)

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTScủa người sử dụng Có thể nói đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự pháttriển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng Giá thànhgiảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS Điềunày đạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại cáccard thông minh

 Các đầu cuối (TE)

Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại màcòn cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó được chuyển thành đầu cuối.Các nhà sản xuất chính đã đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trên các khái niệm mới,nhưng trong thực tế chỉ một số ít là được đưa vào sản xuất Mặc dù các đầu cuối dựkiến khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ítphím hơn so với 2G Lý do chính là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch

vụ số liệu hơn và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di động, modem vàmáy tính bàn tay

Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến(giao diện WCDMA) Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS Giao

diện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối Giao diện nàytuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh.

Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng cácđầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theo cùng một cách

Các tiêu chuẩn này gồm:

 Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình)

 Đăng ký mật khẩu mới

 Thay đổi mã PIN

 Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)

 Trình bầy IMEI

 Điều khiển cuộc gọi

Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng sẽ chọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) là thiết

kế và giao diện Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cung cấp(màn hình nút chạm), các phím và menu

 UICC

UMTS IC card là một card thông minh Điều mà ta quan tâm đến nó là dung lượng nhớ và tốc độ bộ xử lý do nó cung cấp Ứng dụng USIM chạy trên UICC

 USIM

Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuêbao) cài cứng trên card Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuêbao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC Điều này cho phép lưu nhiềuứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đíchkhác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh) Ngoài ra có thể có nhiềuUSIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng

USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trongmạng UMTS Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao

Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mãPIN Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạngUMTS Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trênnhận dạng USIM được đăng ký.

 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vôtuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN Nó gồm các phần tửđảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng

UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện Giao diện Iu giữa UTRAN và

CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyểnmạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giaodiện này là hai nút, RNC và nút B

RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào Người

sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khi người sửdụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNCtrôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưngRNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN Vai trò logic củaSRNC và DRNC được mô tả trên hình I.5 Khi UE trong chuyển giao mềm giữa cácRNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur Chỉ một trong

số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNCkhác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur

Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC) Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó.

Hình 1.5 Vai trò logic của SRNC và DRNC

Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiệnkết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từRNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu Nó cũng thực hiện một

số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòngtrong" Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuốiđều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từcác đầu cuối ở xa Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thôngbáo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu đượccông suất như nhau từ tất cả các đầu cuối

 Mạng lõi

Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE Miền

PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet vàcác mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạngkhác bằng các kết nối TDM Các nút B trong CN được kết nối với nhau bằng đườngtrục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM

và IP Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụngIP

 SGSN

SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ)

là nút chính của miền chuyển mạch gói Nó nối đến UTRAN thông qua giao diệnIuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kếtnối PS của tất cả các thuê bao Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng kýthuê bao và thông tin vị trí thuê bao

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

 IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di độngquốc tế)

 Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile SubscriberIdentity: số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói)

 Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

 Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí

Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:

 IMSI

 Các địa chỉ PDP

Số liệu vị trí lưu trong GGSN:

 Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến GGSN nối đến Internet thông quagiao diện Gi và đến BG thông qua Gp

BG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS củaPLMN với các mạng khác Chức năng của nút này giống như tường lửa củaInternet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài

VLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao của HLRcho mạng phục vụ (SN: Serving Network) Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấpcác dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây Cả MSC và SGSN đều cóVLR nối với chúng

Số liệu sau đây được lưu trong VLR:

 IMSI

 MSISDN

 TMSI (nếu có)

 LA hiện thời của thuê bao

 MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến

Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cungcấp.Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thếđược gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC

MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng Nó thực hiện các chức năngbáo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình Chức năngcủa MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khảnăng hơn Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và MSC.Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC

 GMSC

GMSC có thể là một trong số các MSC GMSC chịu trách nhiệm thựchiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS Khi mạng ngoài tìm cách kết nốiđến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏiHLR về MSC hiện thời quản lý MS

 Môi trường nhà

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao củahãng khai thác Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network)các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tínhcước cho các dịch vụ cung cấp Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bịcấm đều được liệt kê ở đây

 Bộ ghi định vị thường trú (HLR)

HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động Mộtmạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượngcủa từng HLR và tổ chức bên trong mạng

Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: sốnhận dạng thuê bao di động quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN:

số thuê bao có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet DataProtocol: Giao thức số liệu gói) Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khó đểtruy nhập đến các thông tin được lưu khác Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi,HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuêbao Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng

có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng

HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùngmột nút vật lý HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao.Như: thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từchối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiệnVLR và SGSN nào đang phụ trách người sử dụng

 Trung tâm nhận thực (AuC)

AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực,mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng Nó liên kết vớiHLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý Tuy nhiên cầnđảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV:Authetication Vector) cho HLR

AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả cáchàm tạo khóa từ f0 đến f5 Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khiSGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ.

 Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR)

EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạngthiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity) Đây là sốnhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối Cơ sở dữ liệu này được chia thành badanh mục: danh mục trắng, xám và đen Danh mục trắng chứa các số IMEI đượcphép truy nhập mạng Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõicòn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng Khimột đầu cuối được thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen

vì thế nó bị cấm truy nhập mạng Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấmcác seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theotiêu chuẩn

Các mạng ngồi không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cầnthiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác Các mạng ngoài có thể là cácmạng điện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di động mặt đấtcông cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyểnmạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet Miền PS kết nối đến cácmạng số liệu còn miền CS nối đến các mạng điện thoại

 Các giao diện

Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua cácgiao diện khác nhau Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sảnxuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ

 Giao diện Cu Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card

thông minh Trong UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE

 Giao diện Uu Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của

WCDMA trong UMTS Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vàophần cố định của mạng Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối

 Giao diện Iu Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN Nó gồm

hai phần, IuPS cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh CN có thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập CN

 Giao diện Iur Đây là giao diện RNC-RNC Ban đầu được thiết

kế để đảm bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới được bổ sung Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:

1 Di động giữa các RNC

2 Lưu thông kênh riêng

3 Lưu thông kênh chung

4 Quản lý tài nguyên toàn cục

 Giao diện Iub Giao diện Iub nối nút B và RNC Khác với

GSM đây là giao diện mở

1.3 QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN ( RRM)

1.3.1 RRM trong mạng di động

Radio Resource Management (RRM) trong mạng 3G có trách nhiệm cải thiện việc sử dụng các nguồn tài nguyên giao tiếp không gian.Các mục tiêu của RRM có thể được tóm tắt như sau:

 Đảm bảo QoS đối với các ứng dụng khác nhau

 Duy trì vùng phủ sóng theo kế hoạch

 Tối ưu hoá dung lượng hệ thống

Trong mạng 3G, tiền phân bố (pre-allocating) tài nguyên và quá kích thước

(over-dimensioning) mạng là không khả thi bởi vì không dự đoán trước được sự cầnthiết và các yêu cầu khác nhau của các dịch vụ khác nhau Vì vậy, quản lý tàinguyên vô tuyến bao gồm 2 phần: cấu hình tài nguyên vô tuyến và tái cấu hình Cấuhình tài nguyên vô tuyến có trách nhiệm phân bố tài nguyên một cách hợp lý khi cócác yêu cầu mới vào hệ thống để mạng ổn định và không rơi vào tình trạng quá tải