Tối ưu hóa cho WCDMA tại campuchia

Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhi

-

SAO RATHA

TỐI ƯU HOÁ CHO WCDMA TẠI CAMPHUCHIA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THUÝ ANH

HÀ NỘI - 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 14

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA 19

1.1 Giới thiệu chung 19

1.2 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G 20

1.3 Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G 21

1.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA 22

1.5 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 23

1.5.1 Thiết bị người sử dụng (UE) 24

1.5.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS 26

1.5.3 Mạng lõi 28

1.5.4 Các mạng ngoài 31

1.5.5 Các giao diện 32

1.6 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 32

1.7 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6 35

1.8 Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS 37

1.8.1 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn 38

1.8.2 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM 39

1.9 Cấu hình địa lý của hệ thống thông tin di động 3G 39

1.9.1 Phân chia theo vùng mạng 39

1.9.2 Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN 40

1.9.3 Phân chia theo vùng định vị và vùng định tuyến 40

1.9.4 Phân chia theo ô 41

1.9.5 Mẫu ô 42

1.9.6 Tổng kết phân chia vùng địa lý trong các hệ thống thông tin di động 3G 42

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA 44

2.1 Trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã 44

2.2.1 Các hệ thống thông tin trải phổ 44

2.2.2 Áp dụng DSSS cho CDMA 45

2.3 Điều khiển công suất 48

2.4 Chuyển giao trong hệ thống CDMA 49

2.5 Máy thu phân tập đa đường hay máy thu RAKE 51

2.6 Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA 53

2.7 Trải phổ và điều chế đường lên 54

2.7.1 Trải phổ và điều chế các kênh riêng đường lên 54

2.7.2 Trải phổ và điều chế kênh chung đường lên PRACH 57

2.8 Trải phổ và điều chế đường xuống 57

2.8.1 Sơ đồ trải phổ và điều chế đường xuống 57

2.8.2 Các mã trải phổ đường xuống 58

2.8.3 Các mã ngẫu nhiên hóa đường xuống 59

2.8.4 Ghép kênh đa mã đường xuống 60

CHƯƠNG 3 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS 61

3.1 Mở đầu 61

3.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức của giao diện vô tuyến WCDMA/FDD 62

3.3 Các thông số lớp vật lý và quy hoạch tần số 64

3.3.1 Các thông số lớp vật lý 64

3.3.2 Quy hoạch tần số 65

3.4 Các kênh của WCDMA 68

3.4.1 Các kênh logic, LoCH 68

3.4.2 Các kênh truyền tải, TrCH 69

3.4.3 Các kênh vật lý 71

3.4.4 Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói CPCH 76

3.5 Cấu trúc kênh vật lý riêng 76

3.6 Sơ đồ tổng quát máy phát và máy thu WCDMA 78

3.7 Điều khiển công suất trong WCDMA 79

3.7.1 Thí dụ về điều khiển công suất vòng hở cho PRACH 80

3.7.2 Điều khiển công suất vòng kín đường lên 80

3.8 Các kiểu chuyển giao và các sự kiện báo cáo tong WCDMA 82

3.8.1 Chuyển giao cứng 82

3.8.2 Chuyển giao mềm/ mềm hơn 83

3.9 Các thông số máy thu và máy phát vô tuyên của UE 84

3.10 AMR codec cho WCDMA 85

CHƯƠNG 4 QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WCDMA… 86

4.1 Tính toán vùng phủ WCDMA 87

4.1.1 Tính toán quỹ đường truyền vô tuyến 88

4.1.2 Tính toán vùng phủ của ô 95

4.2 Tính toán dung lượng trong WCDMA 100

4.2.1 Tính toán dung lượng hướng lên 100

4.2.2 Tính toán dung lượng hướng xuống 102

4.3 Tính toán quy hoạch mạng đối với trường hợp thực tế 104

CHƯƠNG 5 TỐI ƯU HÓA MẠNG VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WCDMA TẠI CĂMPUCHIA 111

5.1 Tổng quan 111

5.2 Giới thiệu chung về mạng 3G của Viettel tại Cămpuchia 113

5.2.1 Mạng 3G của Viettel tại Cămpuchia 113

5.2.2 Cơ sở hạ tầng mạng 3G của Metfone 115

5.2.3 Các dịch vụ 3G của Metfone 116

5.3 Tối ưu vùng phủ cho mạng vô tuyến trong WCDMA 117

5.3.1 Các vấn đề về thiết kế trạm 3G (Node B) 117

5.3.2 Tổng hợp các kinh nghiệm tối ưu trạm 3G 119

5.4 Kết quả tối ưu vùng phủ cho mạng vô tuyến trong hệ thống WCDMA tại thủ đô Phnom Penh 124

5.4.1 Tiêu chuẩn vùng phủ: 124

5.4.2 Kết quả đo kiểm trước tối ưu 125

5.4.3 Hành động tối ưu 127

5.4.4 Kết quả đo kiểm sau tối ưu 128

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 

LỜI NÓI ĐẦU

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

ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba với tên 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 nhập internet nhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ này

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

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

Hiện tại, ở Cămpuchia băng tần I dành cho WCDMA đã được chia là sáu khe

và được cấp phát cho sáu nhà khai thác: Viettel, TMIC, Royal, Cadcoms, Mobitel

và CSH Hiện nay 3G WCDMA UMTS được triển khai trên băng tần đó

Như vậy, thị trường mạng viễn thông tại Cămpuchia đang phát triển rất nhanh, từng bước tiến tới khả năng cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng tốc độ cao Điều này đòi hỏi việc quy hoạch và triển khai các hệ thống mạng cũng như việc tối

ưu mạng cần phải được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn nữa nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các nhà khai thác mạng, đặc biệt là đối vối việc quy hoạch và triển khai mạng 3G WCDMA đang bắt đầu được các nhà khai thác triển khai Trên

cơ sở thực tiễn đó và sau thời gian học tập và nghiên cứu trong khuôn khổ chương trình đào tạo thạc sỹ Điện Tử Viễn Thông tại trường đại học Bách Khóa Hà Nội,

được sự hướng dẫn chu đáo, nhiệt tình của các thầy, cô trong viện Điện Tử Viễn Thông, Viện đào tạo sau đại học, đặc biệt là TS Nguyễn Thúy Anh, tôi đã lựa chọn

đề tài luận văn là “Tối ưu hóa cho WCDMA tại Cămpuchia”

Kết cấu của luận văn bao gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA: chương này trình bày khái

quát chung về sự phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 4G, kiến trúc chung của một mạng 3G; các kiến trúc R3, R4, R5 và R6 của mạng thông tin di động 3G WCDMA

Chương 2: Công nghệ đa truy nhập của WCDMA: chương này trình bày

đa truy nhập CDMA và các kỹ thuật liên quan được áp dụng cho WCDMA

Chương 3: Giao diện vô tuyến của WCDMA: chương này giới thiệu giao

diện vô tuyến của WCDMA

Chương 4: Quy hoạch mạng vô tuyến trong hệ thống WCDMA: chương

này tập trung nghiên cứu về phương pháp tính toán dung lượng cũng như vùng phủ của hệ thống mạng sử dụng công nghệ WCDMA, lựa chọn các thông số tính toán phù hợp với điều kiện triển khai thực tế từng khu vực

Chương 5: Tối ưu hóa mạng vô tuyến trong hệ thống WCDMA tại Cămpuchia: chương này trình bày về cách tối ưu mạng WCDMA sau khi đã triển

khai và có lưu lượng nhằm đảm bảo chất lượng mạng

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

AICH Acquisition Indication Channel Kênh chỉ thị bắt

AMC Adaptive Modulation and

Coding

Mã hóa và điều chế thích ứng

AMR Adaptive MultiRate Đa tốc độ 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 nhập

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit

BLER Block Error Rate Tỷ số lỗi khối

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng thái

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CC Convolutional Code Mã xoắn

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

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

CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh

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

DCH Dedicated Channel Kênh điều khiển

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

Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

E-DPCCH Enhanced Dedicated Control

Channel

Kênh điều khiển riêng tăng cường

E-DPDCH Enhanced Dedicated Data

Channel

Kênh số liệu riêng tăng cường

E-RGCH Enhanced Relative Grant

Network

Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE

GGSN 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

Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt

HHO Hard Handover Chuyên giao cứng

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA High Speed Downlink Packet

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 caoHSS 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 cao

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IPv4 IP version 4 Phiên bản IP bốn

IPv6 IP version 6 Phiên bản IP sáu

IR Incremental Redundancy Phần dư tăng

tin giữa RNC và mạng lõi

tin giữa nút B và RNC

tin giữa các RNC LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

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

MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MSC Mobile Services Switching

trung bình P-CCPCH Primary Common Control

Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

PCH Paging Channel Kênh tìm gọi

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

PHY Physical Layer Lớp vật lý

PICH Page Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi

PRACH Physical Random Access

Channel

Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên)

PS Packet Switch Chuyển mạch gói

PSTN Public Switched Telephone

Điều chế biên độ vuông góc

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

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

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực

S-CCPCH Secondary Common Control

Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ

SF Spreading Factor Hệ số trải phổ

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

SHO Soft Handover Chuyển giao mềm

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gian TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Mulptiple

TrCH Transport Channel Kênh truyền tải

TTI Transmission Time Interval Khỏang thời gian phát

UE User Equipment Thiết bị người sử dụng

UMB Ultra Mobile Broadband Băng thông di động siêu rộng UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cấu

USIM UMTS SIM

UTRA UMTS Terrestrial Radio

Access

Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS UTRAN UMTS Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Access Network UMTS

tin giữa nút B và UE WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

WiFi Wireless Fidelitity Chất lượng không dây cao

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Tương hợp truy nhập vi ba toàn cầu

VoIP Voice over IP Thoại trên IP

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thí dụ bộ tám mã trực giao   46 

Bảng 2.2: Thí dụ nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được một 46

Bảng 2.3: Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập 8 mã 46

Bảng 3.1: Các thông số lớp vật lý W-CDMA 64

Bảng 3.2 Cấp phát tần số 3G tại Cămpuchia 68

Bảng 3.3: Danh sách các kênh logic 69

Bảng 3.4: Danh sách các kênh truyền tải 71

Bảng 3.5: Danh sách các kênh vật lý 75

Bảng 3.6 Các thông số máy thu và máy phát vô tuyến quan trọng cho phần vô tuyến của UE 85

Bảng 4.1: Các lớp công suất của UE 89

Bảng 4.2a: Giá trị Eb/No yêu cầu trong môi trường đường truyền tĩnh 91

Bảng 4.2b: Giá trị Eb/No yêu cầu trong điều kiện truyền dẫn đa đường 91

Bảng 4.3: Các tham số tính toán quỹ đường truyền 95

Bảng 4.4: Các hằng số A và B trong mô hình Okumura-Hata 96

Bảng 4.5: Các giả thiết hướng lên 105

Bảng 4.6: Các giả thiết hướng xuống 105

Bảng 4.7: Các tham số tính toán quỹ đường truyền hướng lên 107

Bảng 4.8: Bán kính phủ sóng tướng ứng với từng dịch vụ 107

Bảng 4.9: Mật độ dịch vụ tương đương 107

Bảng 4.10: Lưu lượng trung bình của dịch vụ 109

Bảng 4.11: So sánh số lượng kênh yêu cầu tùy theo số lượng BS 110

Bảng 5.1: Thống kê số lượng thuê bao và số trạm đang phát sóng tại các tỉnh của Cămpuchia 114

Bảng 5.2: Các dịch vụ giá trị gia tăng trên nên mạng 3G WCDMA 117

Bảng 5.3 : Sự phụ thuộc của độ cao anten vào loại địa hình 117

Bảng 5.4: Phân lớp các khu vực thị trân và bán kính cell tương ứng 118

Bảng 5.5: Tổng hợp các kính nghiệm tối ưu mạng 3G tại Cămpuchia 123

Bảng 5.6a: Mức độ cải thiện RSCP cluster 2 130 Bảng 5.6b: Mức độ cải thiện Ec/No cluster 2 130  

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G 20

Hình 1.2: Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP 21

Hình 1.3: Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 21

Hình 1.4: Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS 22

Hình 1.5: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 24

Hình 1.6: Vai trò logic của SRNC và DRNC 27

Hình 1.7: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 33

Hình 1.8: Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6 35

Hình 1.9: Chuyển đổi dần từ R4 sang R5 37

Hình 1.10: Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1) 38

Hình 1.11: Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1) 39

Hình 1.12: Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN 40

Hình 1.13: Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng định vị (LA: Location Area) và định tuyến (RA: Routing Area) 41

Hình 1.14: Phân chia LA và RA 41

Hình 1.15: Các kiểu mẫu ô 42

Hình 1.16: Các khái niệm phân chia vùng địa lý trong 3G WCDMA 43

Hình 2.1: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 45

Hình 2.2: Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu.48 Hình 2.3: Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b) 50

Hình 2.4: Truyền sóng đa đường và lý lịch trễ công suất 51

Hình 2.5: Máy thu RAKE 52

Hình 2.6: Cây mã định kênh 54

Hình 2.7: Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên 55

Hình 2.8: Truyền dẫn kênh điều khiển vật lý riêng đường lên và kênh số liệu vật lý riêng đường lên khi có/ không có (DTX) số liệu của người sử dụng 56

Hình 2.9: Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dung ngẫu nhiên hóa phức, β biểu diễn cho tỷ số công suất giữa DPDCH và DPCCH 56

Hình 2.10: Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH 57

Hình 2.11: Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống 58

Hình 2.12: Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp 59

Hình 2.13: Truyền dẫn đa mã cho đường xuống 60

Hình 3.1: Kiến trúc giao thức vô tuyến cho UTRA FDD 62

Hình 3.2: Phân bố tần số cho WCDMA/FDD a) Các băng có thể dùng cho WCDMA FDD toàn cầu; b) Băng tần IMT-2000 65

Hình 3.3: Cấp phát băng tần WCDMA/FDD 66

Hình 3.4: Thí dụ cấp phát băng tần cho năm nhà khai thác tại Vương Quốc Anh 67

Hình 3.5: Cấp phát tần số cho sáu nhà khai thác tại Đức 67

Hình 3.6: Chuyển đổi giữa các LoCH và TrCH trên đường lên và đường xuống 71

Hình 3.7: Tổng kết các kiểu kênh vật lý 72

Hình 3.8: Chuyển đổi giữa các kênh truyền tải và các kênh vật lý 75

Hình 3.9: Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý 76

Hình 3.10: Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói 76

Hình 3.11: Cấu trúc kênh vật lý riêng cho đường lên và đường xuống 77

Hình 3.12: Sơ đồ khối máy phát tuyến (a) và máy thu vô tuyến (b) 79

Hình 3.13: Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường lên 80

Hình 3.14: Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường xuống 82

Hình 3.15: Thí dụ về giải thuật SHO 83

Hình 4.1: Quỹ đường truyền vô tuyến trong WCDMA 88

Hình 4.2: Tăng ích xử lý đối với các dịch vụ khác nhau 90

Hình 4.3: Sự phụ thuộc của dự trữ nhiễu với tải của ô 91

Hinh 4.4: Mô hình Walfisch/Ikegami 98

Hình 4.5: Mối quan hệ giữa số lượng thuê bao và sự tăng tạp âm 101

Hình 4.6: Mô hình chuyển giao mềm với hai ô 103

Hình 4.7: Mối quan hệ giữa công suất phát và số lượng người dùng cho phép 104

Hình 5.1: Quá trình tối ưu mạng 111

Hình 5.2: Đo đạc hiệu năng của mạng 112

Hình 5.3: Băng tần hoạt động của Metfone 115

Hình 5.4: Hệ thống RNC của các vendors 116

Hình 5.5: Bản đồ phân chia cluster trạm 3G Huawei ở thủ đô Phnom Penh 124

Hình 5.6a: Phân bố RSCP cluster 2 trước tối ưu 125

Hình 5.6b: Thống kê số mẫu tín hiệu RSCP cluster 2 trước tối ưu 126

Hình 5.7a: Phân bố Ec/No cluster 2 trước tối ưu 126

Hình 5.7b: Thống kê mẫu tín hiệu Ec/No cluster 2 trước tối ưu 127

Hình 5.8a: Phân bố RSCP cluster 2 sau tối ưu 128

Hình 5.8b: Thống kê mẫu tín hiệu RSCP cluster 2 sau tối ưu 128

Hình 5.9a: Phân bố Ec/No cluster 2 sau tối ưu 129

Hình 5.9b: Thống kê mẫu tín hiệu Ec/No cluster 2 sau tối ưu 129

Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA 1.1 Giới thiệu chung

Thông tin di động đã được đưa vào sử dụng đầu tiên ở Mỹ năm 1946, khi đó

nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này có 6 kênh sử dụng cấu trúc

ô rộng với tần số 150MHz Mặc dù các khái niệm tế bào, các khái niệm trải phổ, điều chế số và các công nghệ hiện đại khác được biết đến hơn 50 năm trước đây, nhưng cho đến khi đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện trong các dạng ứng dụng Các hệ thống di động đầu tiên này có ít tiện ích và có dung lượng rất thấp Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại di động tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện, đây là

hệ thống tương tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) Các hệ thống thông tin di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: hệ thống di động tiên tiến (AMPS), hệ thống thông tin di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin di động truy nhập toàn diện (TACS) và hệ thống NTT Hạn chế của các hệ thống này là: phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn với khách hàng v.v…

Giải pháp để loại bỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số sử dụng các dịch vụ đa truy nhập mới Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên

ra đời trên thế giới là GSM GSM được phát triển từ năm 1982, CEPT quy định việc

ấn định tần số dịch vụ viễn thông Châu Âu ở băng tần 900MHz Song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào mói trên, các hệ thống thông tin

di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng được nghiên cứu phát triển Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT (Digital Enhanced Cordless Telecoms) của Châu Âu và PHS của Nhật Bản cũng đã được đưa vào khai thác Ngoài kỹ thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA được đưa vào sử dụng ở một số nước Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật số nói trên, sử dụng phương pháp truy nhập TDMA như GSM (Châu Âu), PDC (Nhật) hoặc phương pháp truy nhập CDMA theo chuẩn 1995 (CDMA-IS95) đều thuộc hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G)

Các hệ thống thông tin tế bào số có nhiều điểm nổi bật như chất lượng thông tin được cải tiến nhờ các công nghệ xử lý tín hiệu số khác nhau, nhiều dịch vụ mới (VD: các loại dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mã hóa được cải tiến, tương thích tốt hơn với các mạng số và phát huy hiệu quả dải phổ vô tuyến

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba IMT 2000 đã được nghiên cứu sử dụng Khác với các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (tương tự) và thứ 2 (số), hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3(3G) có xu thế chuẩn hóa toàn cầu và khả năng cung cấp các dịch

vụ cao, hỗ trợ sử dụng truy cập Internet, truyền hình và thêm nhiều dịch vụ khác

Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ 3 còn được gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng

1.2 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được cho trên hình 1.1 và lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2

Hình 1.1: Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Hình 1.2: Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 1.3 cho thấy lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

Hình 1.3: Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 1.3 Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng

và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói Hình 1.4 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi

Hình 1.4: Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS) Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM) Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3G WCDMA UMTS

1.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA

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 được chia thành bốn vùng với các tốc

độ bit Rb phục vụ như sau:

1.5 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như 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 tại

đầu cuối Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn 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 Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.8) 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 vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi trường nhà) HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị)

Hình 1.5: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 1.5.1 Thiết bị người sử dụng (UE)

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng Có thể nói đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS Điều

này đạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các card thông minh

1.5.1.1 Các đầu cuối (TE)

Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn 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 dự kiến khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ít phím 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 và máy 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 này tuân 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 các đầu 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

USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng 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 mã PIN Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký

1.5.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN Nó gồm các phần tử đảm 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 chuyển mạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B

Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9

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 sử dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN Vai trò logic của SRNC và DRNC được mô tả trên hình 1.6 Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các RNC, 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 RNC khác (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 1.6: Vai trò logic của SRNC và DRNC 1.5.2.2 Nút B

Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC 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 vòng trong" Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông

báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối

1.5.3 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 và các mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM Các nút B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục 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 dụng IP

1.5.3.1 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 diện IuPS

và đến GGSN thông quan giao diện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối

PS của tất cả các thuê bao Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê 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 động quốc tế)

• Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subscriber Identity: 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 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 qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp

1.5.3.3 BG

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

1.5.3.4 VLR

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

Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế được gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC

1.5.3.5 MSC

MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều

khả năng 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

1.5.3.6 GMSC

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

1.5.3.7 Môi trường nhà

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng 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 tính cước cho các dịch vụ cung cấp Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm 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 Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng

Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận 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 Data Protocol: Giao thức số liệu gói) Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy 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 thuê bao 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 cùng một 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 từ chối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện VLR 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 với HLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý Tuy nhiên cần đảm 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 các hàm tạo khóa từ f0 đến f5 Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/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 dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity) Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: danh mục trắng, xám và đen Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập mạng Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng Khi một 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 cấm các seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn

1.5.4 Các mạng ngoài

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

1.5.5 Các giao diện

Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diện khác nhau Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản xuất 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 vào phần 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

1.6 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.7 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4 Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào

Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway) MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi,

quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển

và có thể đặt xa MSC Server

Hình 1.7: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MSC Server Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Trong nhiều trường

hợp đường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time

Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP) Từ hình 1.7 ta thấy lưu lượng số

liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP Cả

số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP

Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ

có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server) MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này Để

thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc độ 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248 Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển Nó có tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control) Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức điều

khiển cuộc gọi bất kỳ 3GPP đề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức Điều khiển

cuộc gọi độc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) được xây

dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU

Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu

tư

Để làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố A Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSC Server

ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố

A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng

Từ hình 1.7 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: Home Subscriber Server) HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 Ngoài ra còn có các giao diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS

Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ

sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng

truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao diện này được thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW) Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn) Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP Bộ giao thức này được gọi là Sigtran

1.7 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện

IP (hình 1.8) Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu

Hình 1.8: Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6

Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP Từ hình 1.18 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không

có MGW riêng

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng điều

khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway)

Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được tăng cường rất nhiều Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE Trong thực tế, UE hỗ trợ

giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol) UE trở thành một tác

nhân của người sử dụng SIP Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều

CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến và từ người sử dụng Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và định tuyến CSCF hoạt động như một đại diện Server /hộ tịch viên

SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS và UMTS R3 và R4 Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn)

Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng

Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi

được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo

tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN T-SGW hỗ trợ các giao

thức Sigtran Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút đảm bảo tương tác

báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn Trong nhiều trường hợp T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng

MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương tiện MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ở R4 MGW

được điều khiển bởi Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF) Giao

thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248

MGCF cũng liên lạc với CSCF Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP

Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miền chuyển mạch kênh trong R3 và R4 Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các phiên bản R3 và R4 sang R5 Một số các cuộc gọi thoại có thể vẫn sử dụng miền CS một số các dịch vụ khác chẳng hạn video có thể được thực hiện qua R5 IMS Cấu hình lai ghép được thể hiện trên hình 1.9

Hình 1.9: Chuyển đổi dần từ R4 sang R5 1.8 Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS

Trong phần này ta sẽ xét chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS của

hãng Alcatel Alcatel dự kiến phát triển RAN từ GSM lên 3G UMTS theo ba phát

hành: 3GR1, 3GR2 và 3GR3 Với mỗi phát hành, các sản phẩm mới và các tính năng mới được đưa ra

1.8.1 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn

Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các đặc tả kỹ thuật vào tháng 6 năm 2000 Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA-FDD và sẽ được triển khai chồng lấn lên GSM Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS phát hành 3GR1 được chia thành ba giai đoạn được ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3 (R: Release: phát hành) Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năng mới được đưa ra Các nút B được gọi là MBS (Multistandard Base Station: trạm gốc

đa tiêu chuẩn) Tuy nhiên MBS V1 chỉ đơn thuần là nút B, chỉ MBS V2 mới thực

sự đa tiêu chuẩn và chứa các chức năng của cả nút B và BTS trong cùng một hộp máy Tương tự RNC V2 và OMC-R V2 được đưa ra để phục vụ cho cả UMTS và GSM

Hình 1.10 cho thấy kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS được phát triển trong giai đoạn triển khai UMTS ban đầu (3GR1.1)

Hình 1.10: Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1)

1.8.2 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM

Trong giai đoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp đầu tiên giữa hai mạng

sẽ được thực hiện bằng cách đưa ra các thiết bị đa tiêu chuẩn như: Nút B kết hợp BTS (MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2) Các chức năng khai thác và bảo dưỡng mạng vô tuyến cũng có thể được thực hiện chung bởi cùng một OMC-R (V2) Hình 1.11 mô tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai

Hình 1.11: Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1)

1.9 Cấu hình địa lý của hệ thống thông tin di động 3G

Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải được tổ chức theo một cấu trúc địa lý nhất định để mạng có thể theo dõi được vị trí của thuê bao

1.9.1 Phân chia theo vùng mạng

Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào đó phải được thực hiện thông qua tổng đài cổng Các vùng mạng di động 3G được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC hoặc GGSN Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến đến GMSC hoặc GGSN Tổng đài này làm việc như một tổng đài trung kế vào cho mạng 3G Đây là