Quy hoạch mạng WCDMA và ứng dụng cho mạng 3g viettel tại hà nội

Trong thông tin di động, công nghệ WCDMA ra đời là một bước phát triển lớn, nó làm tăng tốc độ truy cập mạng lên đến 2Mbps, hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ Internet di động đa phương tiện

Trang 1

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

-

PHẠM THU NINH

QUY HOẠCH MẠNG WCDMA

VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG 3G VIETTEL TẠI HÀ NỘI

Chuyên ngành : Điện tử Viễn thông

Trang 2

Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 2

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI CAM ĐOAN 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS 12

1.1 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G 12

1.2 Hệ thống thông tin di động 3G theo 2 nhánh công nghệ chính 18

1.2.1 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA 18

1.2.2 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA 2000 19

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

1.3.1 Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ 22

1.3.2 Các kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3, UMTS R4, R5, R6 24

1.3.2.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 24

1.3.2.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 31

1.3.2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6 33

1.4 Chiến lược chuyển đổi từ GSM sang UMTS 36

1.4.1 Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn 36

1.4.2 Tích hợp các mạng UMTS và GSM 37

1.4.3 Kiến trúc RAN thống nhất 39

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH MẠNG 3G 40

2.1 Giới thiệu tổng quan về HSPA 40

2.2 Các giao thức và cấu trúc HSPA 41

2.2.1 Kiến trúc giao thức phẳng người sử dụng HSDPA và HSUPA 43

2.2.2 Sự tác động của HSDPA và HSUPA trong giao diện UTRAN 48

2.3 Giao diện vô tuyến trong HSPA 53

2.3.1 Cấu trúc kênh vô tuyến 53

2.3.2 Cấu trúc kênh logic 54

Trang 3

2.3.2.1 Kênh Điều khiển 55

2.3.2.2 Kênh lưu lượng 56

2.2.3 Cấu trúc kênh truyền tải 56

2.2.4 Cấu trúc kênh vật lý 58

2.2.4.1 Kênh vật lý đường xuống 58

2.2.4.2 Kênh vật lý đường lên 60

2.2.5 Định thời truyền dẫn cho mỗi kênh 62

2.3.6 Cấu trúc các kênh vật lý 63

2.3.6.1 Tổng quan cấu trúc khung vô tuyến 63

2.3.6.2 Các kênh vật lý đường xuống 64

2.3.6.3 Cấu trúc kênh vật lý đường lên 73

CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH MẠNG WCDMA 76

3.1 Quan điểm quy hoạch 76

3.1.1 Khái niệm quy hoạch 76

3.1.2 Các nguyên tắc 76

3.1.2.1 Nguyên tắc cân bằng 76

3.1.2.2 Nguyên tắc an toàn 77

3.1.2.3 Nguyên tắc linh hoạt 77

3.1.2.4 Nguyên tắc thống nhất 77

3.1.3 Các giới hạn 78

3.2 Quy hoạch mạng WCDMA 78

3.2.1 Khởi tạo quy hoạch (định cỡ mạng): 79

3.2.1.1 Sơ đồ khối quá trình định cỡ mạng: 79

3.2.1.2 Phân tích quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến: 81

3.2.1.3 Xác định bán kính và vùng phủ sóng cell: 90

3.2.1.4 Quy hoạch dung lượng và vùng phủ - lặp tối ưu: 92

3.2.1.5 Định cỡ RNC (Radio network Control) 94

3.2.2 Quy hoạch chi tiết: 95

3.2.2.1 Pha khởi tạo: 96

3.2.2.2 Lặp đường lên và đường xuống: 101

3.2.2.3 Hậu xử lý - Dự báo vùng phủ mạng và phân tích kênh chung: 102

3.3 Tối ưu mạng: 102

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG QUY HOẠCH MẠNG WCDMA

CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI 104

4.1 Tổng quan về thành phố Hà Nội 104

Trang 4

4.2 Mô tả vấn đề: 105

4.3 Tính toán thiết kế mạng WCDMA cho thành phố Hà Nội giai đoạn 2009-2015 108 4.3.1 Quy hoạch tần số 108

4.3.2 Tính toán số trạm cho HNI 110

4.3.3 Quy hoạch PSC 116

4.3.4 Tính toán số lượng RNC 117

4.3.4.1 Các yêu cầu khi quy hoạch RNC 117

4.3.4.2 Tính toán số lượng RNC 118

4.3.5 Quy hoạch MSC 119

4.3.5.1 Các yêu cầu khi quy hoạch MSC 119

4.3.5.2 Tính toán số lượng MSC 119

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 121

PHỤ LỤC 123

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Phạm Thu Ninh, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu nêu ra và trích dẫn trong luận văn là trung thực Toàn bộ kết quả nghiên cứu của luận văn chưa từng được bất cứ ai khác công bố tại bất cứ nghiên cứu nào Các tài liệu tham khảo có nguồn trích dẫn rõ ràng

Tác giả luận văn

Phạm Thu Ninh

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1G First Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập chia theo mã

CDMA2000 A CDMA System in North America Một hệ thống CDMA ở Bắc Mỹ CLPC Closed Loop Power Control Điều khiển công suất vòng kín

DS-CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Trang 7

IMT-2000 Internation Mobile

ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số liệu đa dịch vụ

MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộng R99 Release 1999 of 3GPP UMTS

System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

USIM Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS 24

Bảng 2.1: Các thông số tốc độ đỉnh R6 HSPA 40

Bảng 2.2: Mô tả truyền thông tin của lớp điều khiển 56

Bảng 2.3: Mô tả truyền thông tin của lớp điều khiển 56

Bảng 2.4: Cấu trúc kênh truyền tải 57

Bảng 2.5: Bảng mô tả kênh vật lý đường xuống 60

Bảng 2.6: Bảng mô tả kênh vật lý đường lên 61

Bảng 2.7: Bảng kênh vật lý đường xuống 64

Bảng 3.1: Ví dụ tính toán năng lượng truyền sóng đường lên 91

Bảng 3.2: Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng .92

Bảng 3.3: Ví dụ về dung lượng của một RNC 94

Bảng 3.4: So sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfisch-Ikegami .101

Bảng 4.1: Các khe tần số dải tần 3G tại Việt Nam 110

Bảng 4.2: Các khe tần số dải tần 3G tại Việt Nam Error! Bookmark not defined. Bảng 4.3: Dự kiến số lượng Node-B triển khai tại Tp Hà Nội 116

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động 12

Hình 1.2: Quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính 15

Hình 1.3: Định hướng phát triển công nghệ 4G 16

Hình 1.4: Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA 18

Hình 1.5: Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA 2000 19

Hình 1.6: Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS 21

Hình 1.7: Cấu trúc mạng UMTS 25

Hình 1.8: Vai trò logic của SRNC và DRNC 28

Hình 1.9: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 31

Hình 1.10: Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6 34

Hình 1.11: Chuyển đổi dần từ R4 sang R5 36

Hình 1.12: Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1) 37

Hình 1.13: Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1) .38

Hình 1.14: Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1 39

Hình 2.1: HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1).41 Hình 2.2: Cấu trúc mạng HSPA trong R99 43

Hình 2.3: Cấu trúc giao diện vô tuyến R99 44

Hình 2.4: Kiến trúc giao diện HSPA cho dữ liệu người dùng 46

Hình 2.5: Kiến trúc giao thức phẳng người sử dụng HSDPA 47

Hình 2.6: Kiến trúc giao thức phẳng người sử dụng HSDPA 47

Hình 2.7: Các ví dụ về tốc độ dữ liệu HSDPA và R99 trên các giao diện khác nhau 49

Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động điều khiển dòng trên giao diện Iub 50

Hình 2.9: Các chức năng mới trên các thiết bị dùng HSPA 52

Hình 2.10: Vị trí các kênh vô tuyến trong mạng 53

Hình 2.11: Cấu trúc kênh vô tuyến 54

Hình 2.12: Cấu trúc kênh logic 55

Hinh 2.12: Kênh vật lý đường xuống 58

Trang 10

Hình 2.13: Kênh vật lý đường lên 61

Hình 2.14: Định thời truyền dẫn 62

Hình 2.15: Kênh vật lý cho các dịch vụ không phải HSDPA 63

Hình 2.16: Kênh vật lý cho các dịch HSDPA 63

Hình 2.17: Cấu trúc của kênh DPCH 65

Hình 2.18: Cấu trúc của kênh P-CCPCH 66

Hình 2.19: Cấu trúc của kênh S-CCPCH 67

Hình 2.20: Cấu trúc của kênh CPICH 67

Hình 2.21: Cấu trúc của kênh SCH 69

Hình 2.22: Cấu trúc của kênh AICH 70

Hình 2.23: Cấu trúc của kênh PICH 71

Hình 2.24: Cấu trúc của kênh HS-PDSCH 72

Hình 2.25: Cấu trúc của kênh HS-SCCH 72

Hình 2.26: Cấu trúc của kênh DPDCH/DPCCH 73

Hình 2.27: Cấu trúc của kênh HS-DPCCH 74

Hình 3.1: Các tham số đầu vào và đầu ra trong quá trình định cỡ mạng WCDMA 80

Hình 3.2: Lược đồ quá trình định cỡ mạng vô tuyến WCDMA .1

Hình 3.4: Các thành phần nhiễu tại thuê bao di động 1

Hình 3.5: Các thành phần của mô hình truyền sóng .1

Hình 3.6: Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami 98

Hình 4.1: Sơ đồ địa lý thành phố Hà Nội 104

Hình 4.2: Cấu trúc mạng 3G Viettel .106

Hình 4.3: Phân bố tần số cho WCDMA/FDD .109

Hình 4.4: Mô hình Walfisch-Ikegami .111

Hình 4.5: Mô hình mắt lưới .115

Trang 11

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển nhanh chóng về mọi mặt của đời sống xã hội, thì nhu cầu của con người cũng ngày càng tăng trên tất cả các lĩnh vực Đặc biệt trong lĩnh vực thông tin, con người mong muốn thông tin được cập nhập nhanh nhất, dữ liệu được lấy với tốc độ cao Trong thông tin di động, công nghệ WCDMA ra đời là một bước phát triển lớn, nó làm tăng tốc độ truy cập mạng lên đến 2Mbps, hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ Internet di động đa phương tiện với chất lượng được cải thiện so với 2,5G Các mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và thế hệ 3,5G HSDPA và HSUPA ra đời đã phần nào đáp ứng được nhu cầu của người tiên dùng như: tốc độ truyền dữ liệu lên tới 2Mbps đối với mạng WCDMA, 10Mbps đường xuống đối với công nghệ 3,5G), có thể truy nhập được nhiều dịch vụ như: truyền hình hội nghị, truy nhập Internet tốc độ cao,…

Năm 2008, sau khi được bộ Thông tin và Truyền thông cấp phép triển khai 3G, tại Việt Nam đã có 3 nhà mạng lớn triển khai thành công là Vina Phone, Mobi Phone, Viettel Đối với mạng 3G Viettel, do lượng khách hàng ngày càng tăng cả về số lượng và nhu cầu dịch vụ, việc triển khai quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến UMTS 3G áp dụng các giải pháp kỹ thuật cũng cần có các nghiên cứu và đánh giá dựa trên đặc điểm cụ thể của từng vùng Nếu việc quy hoạch tốt không chỉ tiết kiệm được nhiều chi phí mà còn

có thể giúp nhà mạng triển khai nhanh chóng, đạt hiệu quả cao Kết quả của đề tài chính là một đề án nhằm triển khai mạng vô tuyến 3G sát với thực tế cho mạng Viettel tại khu vực Hà Nội

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy

Nguyễn Vũ Thắng đã chỉ bảo cho em nhiều kiến thức quý báu

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Phạm Thu Ninh

Trang 12

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS 1.1 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G

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

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động

AMPS: Advanced Mobile Phone System

TACS: Total Access Communication System

GSM: Global System for Mobile Telecommucations

WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access

EVDO: Evolution Data Only

IMT: International Mobile Telecommnications

IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers

WiFi: Wireless Fidelitity

WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access

Trang 13

LTE: Long Term Evolution

UMB: Untra Mobile Broadband

Thế hệ thứ nhất – 1G: Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ đa truy nhập

theo tần số (FDMA) Đây là hệ thống tế bào tương tự dung lượng thấp và chỉ có dịch

vụ thoại, tồn tại là các hệ thống NMT (Bắc Âu), TACS (Anh), AMPS (Mỹ) Đến những năm 1980 đã trở nên quá tải khi nhu cầu về số người sử dụng ngày càng tăng lên Lúc nàycần phải xây dựng một hệ thống tế bào thế hệ 2 cung cấp được dung lượng lớn, chất lượng thoại được cải thiện, có thể đáp ứng các dịch truyền số liệu tốc độ thấp

Thế hệ thứ hai – 2G: Các hệ thống 2G gồm: GSM (Global System for Mobile

Communication - Châu Âu), hệ thống D-AMPS (Mỹ) sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, IS-95 ở Mỹ và Hàn Quốc sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA băng hẹp Do tính chuẩn hóa và tương thích qui mô vùng Nhiều mạng 2G đã gặt hái được thành công đáng kể về cả giải pháp kỹ thuật cũng như hiệu quả kinh doanh Một trong số này là sự thành công của hệ thống GSM

vầ đây chính là một thành công lớn hơn mong đợi

Đến năm năm 1999, để tăng thông lượng truyền để phục vụ nhu cầu truyền thông tin trên mạng di động 2G, GPRS đã ra đời GPRS đôi khi được xem như là 2,5G Tốc độ truyền data rate của GPRS đã cải tiến tốc độ truyền tăng lên gấp 3 lần so với GSM, tức

là 20-30Kbps GPRS cho phép phát triển dịch vụ WAP và Internet (email) tốc độ thấp Tiếp theo sau, năm 2000, EDGE đã ra đời với khả năng cung ứng tốc độ lên được 250 Kbps (trên lý thuyết) EDGE còn được biết đến như là 2,75G (trên đường tiến tới 3G) Mặc dù hệ thống thông tin di động 2G được coi là những tiến bộ đáng kể nhưng vẫn gặp phải các hạn chế sau: Tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp Vì thế cần thiết phải chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền số liệu, nâng cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ…

Mặt khác, khi các hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển, không chỉ số lượng người sử dụng điện thoại di động tăng lên, mở rộng thị trường mà người sử dụng còn đòi hỏi các dịch vụ tiên tiến hơn không chỉ là các dịch vụ cuộc gọi thoại truyền

Trang 14

thống và dịch vụ số liệu tốc độ thấp hiện có trong mạng hiện tại Nhu cầu của thị trường có thể phân loại thành các lĩnh vực như: Dịch vụ dữ liệu máy tính, dịch vụ viễn thông, dịch vụ nội dung số như âm thanh hình ảnh

Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và đã áp dụng trong thực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động: Thông tin di động 3G

Thế hệ thứ ba – 3G: Định hướng thiết lập một hệ thống thông tin di động toàn cầu Từ

nhu cầu thực tiễn cần phải phát triển lên 3G, các nhà cung cấp dịch vụ mạng đã đưa ra các tiêu chí chung để phát triển lên mạng di động 3G như sau:

9 Hệ thống phải được chuẩn hóa hoàn toàn; các giao diện chính phải được chuẩn hóa và mở;

9 Hệ thống phải bổ sung cho hệ thống hiện tại trên mọi khía cạnh;

9 Multimedia và tất cả các thành phần của multimedia phải được hệ thống hỗ trợ;

9 Truy nhập radio của 3G phải cung cấp khả năng băng rộng;

9 Các dịch vụ đối với người dùng đầu cuối độc lập với chi tiết công nghệ, và hạ tầng mạng không giới hạn đưa ra dịch vụ Vậy nên phải tách biệt platform công nghệ với dịch vụ sử dụng platform đó

Ý tưởng chính yếu ẩn chứa sau 3G là chuẩn bị một hạ tầng vạn năng có khả năng tải các dịch vụ hiện tại và tương lai Hạ tầng phải được thiết kế sao cho những đổi thay và tiến triển công nghệ có thể được mạng hỗ trợ không gây ra một bất ổn nào đối với các dịch vụ sử dụng cấu trúc mạng hiện tại Để làm được vậy, 3G tách biệt công nghệ truy cập, công nghệ truyền tải, công nghệ dịch vụ (điều khiển đấu nối) và những ứng dụng người dùng

Hiện tại có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G nên sẽ có nhiều chuẩn công nghệ 3G đi theo, tuy nhiên trên thực tế chỉ có 2 tiêu chuẩn quan trọng nhất đã có sản phẩm thương mại và có khả năng được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới là WCDMA (FDD) và CDMA 2000 WCDMA được phát triển trên cơ sở tương thích với giao thức của mạng

Trang 15

lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm tới 65% thị trường thế giới Còn CDMA

2000 nhằm tương thích với mạng lõi IS-41, hiện chiếm 15% thị trường Quá trình phát triển lên 3G cũng sẽ tập trung vào 2 hướng chính này, có thể tóm tắt như trong hình 1-2 sau:

Hình 1.2: Quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính

hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng và chất lượng dịch vụ cao hơn Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đã và đang làm việc để hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư 4G ITU đã lên kế hoạch để có thể cho ra đời chuẩn này một vài năm tới Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay Về lý thuyết, theo tính toán dự kiến tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 288Mb/s

Trang 16

Cho đến hiện nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông qua Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G Các sở cứ quan trọng để ITU thông qua cho chuẩn 4G đó chính là từ hỗ trợ của các công ty di động toàn cầu; các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt

là sự xuất hiện của ba công nghệ cho việc phát triển mạng di động tế bào LTE Term Evolution), UMB (Ultramobile Broadband) và WiMAX II (IEEE 802.16m) Ba công nghệ này có thể được xem là các công nghệ tiền 4G Chúng sẽ là các công nghệ quan trọng giúp ITU xây dựng các phát hành cho chuẩn 4G trong thời gian tới

(Long-Hình 1.3: Định hướng phát triển công nghệ 4G

Sau đây xem xét ba công nghệ được xem là các công nghệ tiền 4G, đó là các công nghệ làm cơ sở cứ để xây dựng nên chuẩn 4G trong tương lai, gồm:

9 LTE (Long-Term Evolution)

- Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động 3G UMTS 3GPP bao gồm các tổ chức chuẩn hóa của các nước châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ đã bắt đầu chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G là LTE

- LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM, vì thế nó dễ dàng thay thế và triển khai cho nhiều nhà cung cấp dịch vụ Nhưng khác với GSM, LTE sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất về lý thuyết của LTE có thể đạt tới 250Mb/s khi độ rộng băng tần là 20MHz LTE khác với

Trang 17

các công nghệ tiền 4G khác như WiMAX II ở chỗ nó chỉ sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao ở hướng lên, còn ở hướng xuống nó sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang để nâng cao hiệu quả trong việc điều khiển công suất và nâng cao thời gian sử dụng pin cho thiết bị đầu cuối của khách hàng

9 UMB (Ultra Mobile Broadband):

- Tổ chức chuẩn hóa công nghệ thông tin di động 3G CDMA2000 3GPP2 (3rdGeneration Partnership Project 2) được thành lập và phát triển bởi các tổ chức viễn thông của Nhật, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc đã đề xuất phát triển UMB Thành viên của 3GPP2, Qualcomm là người đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù công ty này cũng chú tâm cả vào việc phát triển LTE

- UMB dựa trên CDMA có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz đến 20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số UMB được đề xuất với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mb/s cho luồng xuống và 75Mb/s cho luồng trên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz Công nghệ này sẽ cung cấp kết nối thông qua các sóng mang dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

9 IEEE 802.16m (WiMAX II):

- Như chúng ta đã biết, WiMAX hay chuẩn 802.16 ban đầu được xây dựng cho mục đích chính là cung cấp các dịch vụ mạng cố định Chuẩn IEEE 802.16e được phát triển thêm tính năng di động từ các chuẩn WiMAX trước đó IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả cố định và di động, là công nghệ truyền thông, truy nhập diện rộng, nó cũng được gọi với một tên khác là WiMAX WiMAX hoạt động trong dải tần từ 10GHz đến 66 GHz

- IEEE 802.16m hay còn gọi là WiMAX II là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA WiMAX II được phát triển lên từ chuẩn IEEE 802.16e Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng

Trang 18

tĩnh Khoảng cách truyền cho WiMAX II sẽ khoảng 2 km ở môi trường thành thị và là khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn

1.2 Hệ thống thông tin di động 3G theo 2 nhánh công nghệ chính

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

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

Hình 1.4: Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA

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

171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cường đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM

Công việc tích hợp GPRS vào mạng GSM hiện tại là một quá trình đơn giản Một phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động Còn mạng lõi GSM được tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộng bằng cách thêm vào các nút chuyển mạch

số liệu Gateway mới, được gọi là GGSN và SGSN GPRS là một giải pháp đã được chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi

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

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

Trang 19

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

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

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

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

Hệ thống CDMA 2000 gồm một số nhánh hoặc giai đoạn phát triển khác nhau để hỗ trợ các dịch vụ phụ được tăng cường Nói chung CDMA 2000 là một cách tiếp cận đa sóng mang cho các sóng có độ rộng n lần 1,25MHz hoạt động ở chế độ FDD Nhưng công việc chuẩn hoá tập trung vào giải pháp một sóng mang đơn 1,25MHz (1x) với tốc

độ chip gần giống IS-95 CDMA 2000 được phát triển từ các mạng IS-95 của hệ thống thông tin di động 2G, có thể mô tả quá trình phát triển trong hình vẽ sau:

Hình 1.5: Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA 2000

- IS-95B: IS-95B hay CDMA One được coi là công nghệ thông tin di động 2,5G thuộc

nhánh phát triển CDMA 2000, là một tiêu chuẩn khá linh hoạt cho phép cung cấp dịch

vụ số liệu tốc độ lên đến 115Kbps

Trang 20

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

1xEV-DO, được thiết kế nhằm cải thiện dung lượng thoại của IS-95B và để hỗ trợ khả năng truyền số liệu ở tốc độ đỉnh lên tới 307,2Kbps Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối

thương mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ số liệu đỉnh lên tới 153,6kbps

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

Rate) của Qualcomm và được chấp nhận với tên này như là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G vào tháng 8 năm 2001 và báo hiệu cho sự phát triển của giải pháp đơn sóng mang đối với truyền số liệu gói riêng biệt

Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là chia các dịch vụ thoại và dịch vụ số liệu tốc

độ cao vào các sóng mang khác nhau 1xEV-DO có thể được xem như một mạng số

liệu “xếp chồng”, yêu cầu một sóng mang riêng Để tiến hành các cuộc gọi vừa có thoại, vừa có số liệu trên cấu trúc “xếp chồng” này cần có các thiết bị hoạt động ở 2 chế độ 1x và 1xEV-DO

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

sự phân biệt cố định tài nguyên dành cho thoại và tài nguyên dành cho số liệu Do đó CDG (nhóm phát triển CDMA) khởi đầu pha thứ ba của CDMA 2000 bằng các đưa các dịch vụ thoại và số liệu quay về chỉ dùng một sóng mang 1,25MHz và tiếp tục duy trì

sự tương thích ngược với 1xRTT Tốc độ số liệu cực đại của người sử dụng lên tới 3,1Mbps tương ứng với kích thước gói dữ liệu 3.940 bit trong khoảng thời gian

1,25ms

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

đa sóng mang ban đầu trong cấu hình vô tuyến CDMA 2000 và được gọi là CDMA (Multi carrier) thuộc IMT-MC trong IMT-2000 Công nghệ này liên quan đến việc sử dụng 3 sóng mang 1x để tăng tốc độ số liệu và được thiết kế cho dải tần 5MHz (gồm 3 kênh 1,25Mhz) Sự lựa chọn đa sóng mang này chỉ áp dụng được trong truyền dẫn đường xuống Đường lên trải phổ trực tiếp, giống như WCDMA với tốc độ chip hơi thấp hơn một ít 3,6864Mcps (3 lần 1,2288Mcps)

Trang 21

MC-Phạm Thu Ninh – Lớp Cao học Điện Tử 2 21

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

RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến

BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc

BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc

RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc

CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh

PS: Packet Switch: chuyển mạch gói

SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin

Server: máy chủ

Trang 22

PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất

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

1.3.1 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)

Trang 23

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 3: 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 1.1

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

vụ Dịch vụ thông tin định vị

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

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

Trang 24

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ đa phương tiện

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

Dịch vụ Internet thời gian thực

Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps) Dịch vụ

Internet

Dịch vụ internet

đa phương tiện

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

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

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 hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được 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

1.3.2 Các kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3, UMTS R4, R5, R6

1.3.2.1 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

Trang 25

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)

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)

Thiết bị người sử dụng (UE): UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng

Trang 26

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, 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

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 thuê bao) cài cứng trên card Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các

mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh) Ngoài ra có thể có nhiều USIM 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 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

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

Trang 27

diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B

RNC: RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ

mà UTRAN cung cấp cho CN Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC)

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 1.9 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

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

Trang 28

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

Hình 1.8: Vai trò logic của SRNC và DRNC

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

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

GGSN: GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng) là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí

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

Trang 29

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

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

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

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

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:

Trang 30

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

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

Trang 31

1.3.2.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.9 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 1.9: 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

Trang 32

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 1.9 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

Trang 33

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 1.9 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

1.3.2.3 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 1.11) 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

Trang 34

Hình 1.10: 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 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)

Trang 35

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

Trang 36

vụ khác chẳng hạn video có thể được thực hiện qua R5 IMS Cấu hình lai ghép được thể hiện trên hình 1.11

Hình 1.11: Chuyển đổi dần từ R4 sang R5

1.4 Chiến lược chuyển đổi 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

1.4.1 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

Trang 37

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

Hình 1.12: Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1)

1.4.2 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

Trang 38

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 1.14 mô tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai

Hình 1.13: Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1)

Trang 39

1.4.3 Kiến trúc RAN thống nhất

Sơ đồ kiến trúc RAN:

Hình 1.14: Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1

Trong kiến trúc RAN của phát hành này được xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống UMTS

và GSM Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng Kiến trúc RAN của 3GR1.3 được thể hiện trên hình 1.14

Kết luận: Chương này trước hết xét tổng quan quá trình phát triển thông tin di động

lên 4G Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS được xét: R3, R4, R5 và R6 Cuối chương trình bày phương pháp chuyển đổi từ GSM sang UMTS

Trang 40

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH MẠNG 3G 2.1 Giới thiệu tổng quan về HSPA

Cuộc cách mạng của thị trường thông tin di động đưa ra các yêu cầu nâng cấp cải tiến về cả dung lượng hệ thống lẫn tốc độ truyền dẫn dữ liệu Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA ra đời là một bước phát triển mạnh mẽ về tốc độ và chất lượng dịch

vụ Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu tối đa trong WCDMA chỉ đạt tới 2Mbps Để tăng khả năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, đặc biệt là nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, mà trước hết là tốc độ đường xuống, 3GPP đã phát triển và chuẩn hóa trong phiên bản Release 5 một công nghệ mới, đó là công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) với những tính năng mới được đề cập trong các phiên bản R5 của 3GPP cho hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA/UTRA –FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiên tiến cho hệ thống thông tin di động 3,5G HSDPA bao gồm một tập các tính năng mới kết hợp chặt chẽ với nhau để cải thiện dung lượng mạng, và tăng tốc độ dữ liệu đỉnh trên 10 Mbps đối với lưu lượng gói đường xuống Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép các nhà khai thác có thể đưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) của các dịch vụ hiện

có, và đạt chi phí thấp nhất Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của HSDPA

là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của 3GPP

Các thông số tốc độ đỉnh của R6 HSPA được cho trong bảng:

HSDPA (R6) HSUPA (R6) Tốc độ đỉnh (Mbps) 14,4 5,7

Bảng 2.1: Các thông số tốc độ đỉnh R6 HSPA

Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8Mbps và tăng đến 3,6 Mbps và 7,2Mbps vào năm 2006 và 2007, tiềm năng có thể đạt đến trên 14,4Mbps năm 2008

Định dạng
Số trang	123
Dung lượng	3,42 MB