Tổ chức quy hoạch mạng WCDMA

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

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

PHẠM VĂN TRUNG

TỔ CHỨC QUY HOẠCH MẠNG WCDMA

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRẦN THỊ NGỌC LAN

Hà nội – Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Những kết quả tính toán, thiết kế trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào khác

Bộ điều khiển tăng ích tự động

Bộ mã hoá và giải mã đa tốc độ thích nghi

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến (Mỹ)

Số cuộc gọi trong giờ bận Tốc độ lỗi bit

Tốc độ lỗi Block Khoá dịch pha nhị phân

Mã nhận dạng trạm gốc Trạm gốc

Cylic Redundancy Check

Nhóm phát tr iển CDMA Truy nhập phân chia theo mã Mạng lõi

Mã vòng kiểm tra dư thừa

D

DL

DSSS

Downlink Direct Sequence Spread Spectrum

Các tốc độ dữ liệu tăng cường cho sự tiến hoá

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Viện chuẩn hoá viễn thông Châu

Âu

F

FDD Frequency Division Duplex Phương thức song công phân chia

Global Positioning System Global System for Mobile Telecommunication

Nút hỗ trợ cổng GPRS Dịch vụ vô tuyến gói chung

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

Truy nhập gói lên xuống tốc độ cao

IMT- Multicarrier Internet Protocol International Telecommunication Union

Thông tin di động toàn cầu 2000

IMT đa sóng mang

Giao thức Internet Liên hợp viễn thông quốc tế

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

Multiprotocol Label Switching Multi input multi output

Mobile Service Switching Centre

Thiết bị di động Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện Nút cổng của Softswitch

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

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

Operation Mainternance Center

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Trung tâm điều hành quản lý khai thác

Đơn vị điều khiển gói Giả tạp âm

Hệ thống điều khiển thuê bao trả trước IN

Chế độ truy nhập vô tuyến

Công nghệ truy nhập vô tuyến

Bộ điều khiển mạng vô tuyến Phân hệ mạng vô tuyến

Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến

Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến

Serving GPRS Support Node

Soft Handover Session Initiation Protocol Signal to Interference Ratio Short Messaging Service Signal to Noise Ratio Signaling Transfer Point

Số hiệu khung hệ thống

Nút hỗ trợ điều khiển dịch vụ trong PPS-IN

Nút hỗ trợ điều khiển dữ liệu trong PPS-IN

Nút hỗ trợ GPRS phục vụ Chuyển giao mềm

Giao thức khởi tạo phiên

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Dịch vụ nhắn tin ngắn

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Điểm chuyển tiếp báo hiệu

T

Universal Mobile Telecommunication System

UMTS Subscriber Identify Module UMTS Terrestrial Radio Access Network

Thiết bị người sử dụng Đường xuống

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

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

MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

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

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

Tại Việt Nam, hiện nay cả nước đã có 7 nhà khai thác dịch vụ thông tin di động sử dụng công nghệ GSM và CDMA Trong năm 2009, Bộ Thông tin truyền thông đã tổ chức thi tuyển và cấp 04 giấy phép triển khai kinh doanh mạng 3G ở dải tần 1920 -1980 MHz/ 2110 - 2170 MHz cho các nhà mạng: Viettel, Mobifone, Vinaphone và liên danh EVNTelecom và Hà Nội Telecom Là một nhân viên Viettel, việc tìm hiểu và nắm bắt mạng 3G UMTS, nắm bắt quy hoạch mạng là rất

cần thiết Do đó tôi chọn đề tài “Tổ chức quy hoạch mạng WCDMA”, qua đó

nghiên cứu ứng dụng trong mạng Viettel Hà nội

II LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Mạng 3G WCDMA UMTS được 3GPP xây dựng và được chuẩn hóa qua nhiều phiên bản R99, R4, R5, R6, R7, R8, R9 Nhiều nhà khai thác mạng di động trên thế giới đã nghiên cứu và triển khai mạng 3G UMTS như ở Nhật, Italy… Hiện nay các nhà khai thác mạng di động tại Việt Nam như Viettel, Mobifone, EVNTelecom đã triển khai 3G UMTS với cấu trúc như phiên bản R5, R6

III MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu công nghệ, cấu trúc mạng 3G WCDMA

- Nắm bắt và vận dụng lý thuyết quy hoạch mạng 3G WCDMA

2 Đối tượng nghiên cứu

- Lý thuyết tổng quan mạng 3G WCDMA, công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA và các đặc điểm liên quan: điều khiển công suất và chuyển giao trong quản lý tài nguyên vô tuyến…

- Lý thuyết quy hoạch mạng 3G WCDMA: các kỹ thuật thiết kế vùng phủ sóng, thiết kế lưu lượng, tính toán cấu hình phần cứng…

- Mạng truy nhập vô tuyến Viettel khu vực Thành phố Hà Nội

IV NHỮNG LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

Mạng 3G WCDMA với băng tần rộng 5MHz hỗ trợ nhiều dịch vụ khác nhau như các dịch vụ thoại thông thường, thoại thấy hình, các dịch vụ tốc độ cao như mobile TV, kết nối Internet tốc độ cao Tuy nhiên mạng 3G với những đặc điểm khác với GSM như băng thông rộng, hỗ trợ đa dịch vụ, hệ số tái sử dụng tần số bằng một, công nghệ đa truy nhập CDMA, mối liên hệ chặt chẽ giữa vùng phủ và dung lượng trong giao diện vô tuyến WCDMA dẫn đến việc quy hoạch mạng 3G có nhiều đặc điểm khác với quy hoạch mạng 2G:

- Đặc điểm băng rộng WCDMA (5MHz) so với GSM (200kHz) yêu cầu các

tiêu chuẩn mới trong mô hình môi trường truyền dẫn

- Quy hoạch mạng GSM và WCDMA khác nhau trong quy hoạch vùng phủ sóng và dung lượng Trong GSM, vùng phủ sóng được quy hoạch sau khi mạng được định cỡ, quy hoạch dung lượng và tần số được tiến hành đồng

thời Trong WCDMA, vùng phủ sóng và dung lượng được quy hoạch đồng thời, các yêu cầu dung lượng và phân bố lưu lượng ảnh hưởng đến vùng

phủ sóng, quy hoạch tần số và mã có thể được thực hiện riêng biệt

Đề tài đã trình bày tổng quan về kiến trúc mạng 3G UMTS, công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA, đưa ra mô hình tính toán, thiết kế vùng phủ sóng, dung lượng, tính toán các thông số cấu hình các phần tử mạng vô tuyến như Node B, RNC Đồng thời, đề tài đã ứng dụng lý thuyết quy hoạch vào triển khai quy hoạch mạng vô tuyến 3G WCDMA Viettel trên địa bàn Thành phố Hà Nội

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết về thông tin di động, quá trình phát triển của thông tin

di động Nghiên cứu công nghệ và cấu trúc mạng 3G UMTS

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

kế mạng vô tuyến 3G UMTS như: quỹ năng lượng đường truyền cho các loại dịch

vụ, hệ số tải, đỗ dự trữ nhiễu, tổn hao… Đồng thời khảo sát các điều kiện lý thuyết

và thực tế để đưa ra các giá trị thông số liên quan cho việc quy hoạch

Khảo sát vùng phủ sóng theo yêu cầu thực tế cũng như tình hình kinh tế, xã hội, tình hình phát triển mạng viễn thông trên địa bàn Thành phố Hà Nội, kết hợp với định hướng phát triển và hiện trạng của mạng Viettel Trên cơ sở đó, dự báo và tính toán số thuê bao, thực hiện tính toán vùng phủ sóng, định cỡ dung lượng, định

cỡ thiết bị mạng (Node B, RNC…) nhằm phục vụ cho việc xây dựng cấu hình

mạng Sau khi định cỡ mạng, quy hoạch vùng phủ sẽ đi đến quy hoạch chi tiết, tính toán số lượng các Node B, chọn vị trí đặt trạm và dự kiến phương án truyền dẫn cho

các Node B

VI KẾT CẤU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài bao gồm 4 chương, với các nội dung tóm tắt như sau:

Chương 1 - TỔNG QUAN MẠNG 3G UMTS

Sau khi giới thiệu khái quát sự phát triển của hệ thống thông tin di động và

xu hướng phát triển, chương này sẽ nghiên cứu về các chuẩn của công nghệ 3G UMTS, kiến trúc và các dịch vụ mạng 3G UMTS

Chương 2 - TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP WCDMA

Chương này trình bày tổng quan về công nghệ truy nhập WCDMA Trong đó

sẽ tập trung trình bày những vấn đề lý thuyết liên quan đến công nghệ WCDMA như trải phổ, đa truy nhập, các kỹ thuật điểu khiển công suất và điều khiển chuyển giao trong quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống mạng 3G WCDMA

Chương 3 - QUY HOẠCH MẠNG 3G WCDMA

Chương 4 trình bày lý thuyết về quy hoạch mạng 3G WCDMA Sau khi giới thiệu các đặc điểm và chiến lược quy hoạch mạng vô tuyến 3G WCDMA, chương 4

sẽ trình bày chi tiết quá trình triển khai quy hoạch mạng như định cỡ, quy hoạch chi tiết, vận hành và tối ưu Trong đó sẽ trình bày kỹ lưỡng phần định cỡ mạng

Chương 4 - ỨNG DỤNG QUY HOẠCH MẠNG 3G UMTS VIETTEL

Khảo sát cụ thể yêu cầu thực tế qua tình hình kinh tế, xã hội, tình hình phát triển mạng viễn thông trên địa bàn Thành phố Hà Nội, kết hợp với định hướng phát triển và hiện trạng của mạng Viettel Trên cơ sở đó, dự báo và tính toán nhu cầu dung lượng, vùng phủ, tính toán cấu hình thiết bị mạng truy nhập vô tuyến 3G UMTS Viettel khu vực Thành phố Hà Nội

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới TS Trần Thị Ngọc Lan đã tận tình

hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài “Tổ chức quy hoạch mạng WCDMA” và ứng dụng

tại Viettel Hà Nội trong thời gian vừa qua

Hà nội, ngày 29 tháng 03 năm 2011

Học viên thực hiện Phạm Văn Trung

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS 1.1 Lộ trình phát triển thông tin di động

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động được cho trên hình 1.1 và

lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2

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 LTE: Long Term Evolution

UMB: Untra Mobile Broadband

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động

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

1.2 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

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

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

CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh

PS: Packet Switch: chuyển mạch gói

SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin

Server: máy chủ

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

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

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

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R99, R4, R5 Trong đó mạng lõi R99 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 R99 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên

1.3 Kiến trúc mạng 3G WCDMA UMTS R99

WCDMA UMTS R99 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 1.5) 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 R99

1.3.1 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

1.3.1.1 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

1.3.1.2 UICC – UMTS IC Card

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

1.3.1.3 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

1.3.2 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

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 l ogic của SRNC và DRNC

1.3.2.2 Nút B (Node 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

1.3.3 Mạng lõi (CN – Core Network)

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

1.3.3.1 SGSN - Serving GPRS Support Node

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 VLR

• Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực

1.3.3.2 GGSN - Gateway GPRS Support Node

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

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

1.3.3.3 BG - Border Gatway

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

1.3.3.4 VLR - Visitor Location Register

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

1.3.3.5 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

1.3.3.6 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

1.3.3.7 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

1.3.4 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

1.3.5 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

1.4 Kiến trúc mạng 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.7 thể hiện kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4 Sự khác nhau cơ bản giữa R99 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 đa phương tiện (MGW: Media Gateway) MSC Server 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

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

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

Khi 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 (Pulse code modulation) 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 đa 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 kênh 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 chứng minh điều này ta xét ví dụ sau: 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

1.5 Kiến trúc mạng 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

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 1.8 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

Hình 1.8 Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6

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)

+ C hức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function)

+ Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway)

+ 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 R99 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 R99 và R4 Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các phiên bản R99 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

1.6 Các loại lưu lượng và dịch vụ 3G WCDMA UMTS hỗ trợ

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

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

(thoại chẳng hạn)

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

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

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

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

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

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

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

• Vùng 1: trong nhà, ô pico, RR b R ≤ 2Mbps

• Vùng 2: thành phố, ô micro, RR b R ≤ 384 kbps

• Vùng 2: ngoại ô, ô macro, RR b R ≤ 144 kbps

• Vùng 4: Toàn cầu, RR b R = 12,2 kbps

Có thể tổng kết các dịch vụ do 3GWCDMA UMTS cung cấp ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

- Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144 kbps)

- Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao (144 kbps- 2Mbps)

- Dịch vụ số liệu tốc độ cao (≥ 2Mbps) Dịch vụ đa phương tiện

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

Dịch vụ Internet thời gian thực Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)

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

1.7 Kết luận

Chương này trước hết xét tổng quan quá trình phát triển thông tin di động lên 4G Nếu công nghệ đa truy nhập cho 3G là CDMA thì công nghệ đa truy nhập cho 4G là OFDMA Sau đó kiến trúc mạng 3G được xét Mạng lõi 3G bao gồm hai vùng chuyển mạch:

(1) vùng chuyển mạch các dịch vụ CS

(2) vùng chuyển mạch các dịch vụ PS

Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA

UMTS được xét: R99, R4, R5 và R6 R99 bao gồm hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong đó kết nối giữa các nút chuyển mạch gọi là TDM (ghép kênh theo thời gian) R4 là sự phát triển của R99 trong đó miền chuyển mạch kênh chuyển thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng bằng IP R5 và R6

hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện IP hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói Để đáp ứng được nhiệm vụ này ngoài miền chuyển mạch gói, mạng được bổ sung thêm phân hệ đa phương tiên IP (IMS) Cốt lõi của IMS là CSCF thực hiện khởi đầu kết nối đa phương tiện IP dựa trên giao thức khởi đầu phiên (SIP Session Initiation Protocol) Ngoài ra IMS vẫn còn chứa chuyển mạch mềm để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch kênh (MGCF)

Hiện nay mạng 3GWCDMA UMTS đang ở giai doạn chuyển dần từ R4 sang R5 (hình 1.9) Cuối chương trình bày cấu trúc địa lý của một mạng thông tin di đông 3G có chứa cả vùng chuyển mạch kênh và vùng chuyển mạch gói

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP WCDMA 2.1 Trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã

2.1.1 Hệ thống thông tin trải phổ

Trong các hệ thống thông tin thông thường độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết

để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc và kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v )

Các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ

Một hệ thống thông tin số được coi là SS nếu:

* Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin

* Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu

Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum):

Tín hiệu dữ liệu được nhân trực tiếp với mã trải phổ, sau đó tín hiệu được điều chế sóng mang băng rộng

- Trải phổ nhảy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum):

Trong hệ thống này, sóng mang điều chế tín hiệu được chuyển đổi lần

lượt các giá trị ở một tập các tần số theo mẫu được xác định bằng một chuỗi mã PN

- Trải phổ nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum):

Trong hệ thống này, dãy mã đóng/mở bộ phát, thời gian đóng/mở bộ phát được chuyển đổi thành tín hiệu giả ngẫu nhiên

Cũng có thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên WCDMA sử dụng DSSS DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có tốc độ chip (RR c R=1/TR c R, TR c Rlà thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (RR b R=1/TR b R, TR b R là thời gian một bit) của luồng số cần phát Hình 2.1 minh họa quá trình trải phổ trong đó TR b R=15TR c R hay RR c R=15RR b R Hình 2.1a cho thấy

sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ DSSS trong đó luồng số cần truyền x có tốc độ RR b R

được nhân với một mã trải phổ c tốc độ RR c Rđể được luồng đầu ra y có tốc độ RR c Rlớn hơn nhiều so với tốc độ RR b Rcủa luồng vào Các hình 2.1b và 2.1b biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số

Hình 2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

x, y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ; x(t), y(t) và c(t) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian; X(f), Y(f) và C(f)

ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền tần số; TRbR là thời gian một bit của luồng số cần phát, RRbR=1/TRbRlà tốc độ bit của luồng số cần truyền; TRcR là thời gian một chip của mã trải phổ, RRcR=1/TRcR là tốc độ chip của mã trải phổ

RRcR=15RRbR và TRbR=15TRcR

Trong hệ thống mạng WCDMA sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS, các bit dữ liệu được mã hoá với một chuỗi bit giả ngẫu nhiên (PN)

2.1.2 Các mã trải phổ dùng trong WCDMA

Khái niệm trải phổ được áp dụng cho các kênh vật lý, khái niệm này bao gồm hai thao tác Đầu tiên là thao tác định kênh, trong đó mỗi ký hiệu số liệu dược chuyển thành một số chip nhờ vậy tăng độ rộng phổ tín hiệu Số chip trên một ký hiệu (hay tỷ số giữa tốc độ chip và tốc độ ký hiệu) được gọi là hệ số trải phổ (SF: Spectrum Factor), hay nói một cách khác SF=RR s R/RR c R trong đó RR s R là tốc độ ký hiệu còn RR c R là tốc đô chip Hệ số trải phổ là một giá trị khả biến, ngoại trừ đối với kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao (HS-PDSCH ) trong HSDPA có SF=16 Thao tác thứ hai là thao tác ngẫu nhiên hóa để tăng tính trực giao trong đó một mã ngẫu nhiên hóa được ‘trộn’ với tín hiệu trải phổ Mã ngẫu nhiên hoá được xây dựng trên

cơ sở mã Gold

Trong quá trình định kênh, các ký hiệu số liệu được nhân với một mã OVSF (Orthogonal Variable Spread Factor: mã trực giao hệ số khả biến) đồng bộ về thời gian với biên của ký hiệu Trong 3GPP, OVSF (hình 2.2) được sử dụng cho các tốc

độ ký hiệu khác nhau và được ký hiệu là CR ch,SF,k R trong đó SF là hệ số trải phổ của

mã và k là số thứ tự mã (0≤k≤SF-1) Các mã định kênh có các tính chất trực giao và được sử dụng để phân biệt các thông tin được phát đi cùng từ một nguồn: (1) các kết nối khác nhau trên đường xuống trong cùng một ô trên đường xuống và giảm nhiễu nội ô, (2) các kênh số liệu vật lý đường lên từ một UE Trên đường xuống các

mã OVSF trong mộ ô bị hạn chế vì thế cần được quản lý bởi RNC, tuy nhiên điều này không xẩy ra đối với đường lên

Cần lưu ý khi chọn mã định kênh để chúng không tương quan với nhau Chẳng hạn khi đã chọn mã CR ch,8,4 R=+1-1+1-1+1-1+1-1, không được sử dụng mã

CR ch,16,8 R=+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1; vì hai mã này hoàn toàn giống nhau (tích của chúng bằng 1) và chúng sẽ gây nhiễu cho nhau

Các mã OVSF chỉ hiệu quả khi các kênh được đồng bộ hoàn hảo tại mức ký hiệu Mất tương quan chéo do truyền sóng đa đường được bù trừ bởi thao tác ngẫu nhiên hóa bổ sung Với thao tác ngẫu nhiên hóa, phần thực (I) và phần ảo (Q) của tín hiệu trải phổ được nhân bổ sung với mã ngẫu nhiên hóa phức Mã ngẫu nhiên hóa phức được sử dụng để phân biệt các nguồn phát: (1) các ô khác nhau đối với đường xuống và (2) các UE khác nhau đối với đường lên Các mã này có các tính chất tương quan tốt (trung bình hóa nhiễu) và luôn được sử dụng để ‘trộn’ với các

mã trải phổ nhưng không làm ảnh hưởng độ rộng phổ tín hiệu và băng thông truyền dẫn

Hình 2.2 Cây mã định kênh

Đường truyền giữa nút B và UE trong WCDMA chứa nhiều kênh Có thể chia các kênh này thành hai loại: (1) kênh riêng để truyền lưu lượng và (2) kênh chung mang các thông tin điều khiển và báo hiệu Đường truyền từ UE đến nút B được gọi là đường lên, còn đường ngược lại từ nút B đến UE được gọi là đường xuống Trước hết ta xét trải phổ cho các kênh đường lên

2.1.3 Trải phổ và điều chế đường lên

2.1.3.1 Trải phổ và điều chế các kênh riêng đường lên

Nguyên lý trải phổ cho DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: kênh số liệu vật lý riêng, kênh để truyền lưu lượng của người sử dụng) và DPCCH

(Dedicated Physical Control Channel: kênh điều khiển vật lý riêng; kênh đi cùng với DPDCH để mang thông tin điều khiển lớp vật lý) được minh họa trên hình 2.3

Hình 2.3 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên

Một DPCCH và cực đại sáu DPDCH song song giá trị thực có thể được trải phổ và phát đồng thời DPCCH luôn được trải phổ bằng mã CR c R=CR ch,256,0 R, trong đó k=0 Nếu chỉ một kênh DPDCH được phát trên đường lên, thì DPDCHR 1 R được trải phổ với mã CR d,1 R=CR ch,SF,k R, trong đó k=SF/4 là số mã OVSF và k=SF/4 Nghĩa là nếu

hệ số trải phổ SF=128 thì k=32 Nếu nhiều DPDCH được phát, thì tất cả DPDCH đều có hệ số trải phổ là 4 (tốc độ bit kênh là 960kbps) và DPDCHR n R được trải phổ bởi mã CR d R,R n R=CR ch,4,k R, trong đó k=1 nếu n∈{1,2}, k=3 nếu n∈{3,4} và k=2 nếu n∈{5,6} Để bù trừ sự khác nhau giữa các hệ số trải phổ của số liệu, tín hiệu trải phổ được đánh trọng số bằng các hệ số khuyếch đại ký hiệu là βR c R cho DPCCH và βR d R

cho DPDCH Các hệ số khuyếch đại này được tính toán bởi SRNC và được gửi đến

UE trong giai đoạn thiết lập đường truyền vô tuyến hay đặt lại cấu hình Các hệ số khuyếch đại nằm trong dải từ 0 đến 1 và ít nhất một trong số các giá trị của βR c R và βR d R

luôn luôn bằng 1 Luồng chip của các nhánh I và Q sau đó được cộng phức với nhau

và được ngẫu nhiên hóa bởi một mã ngẫu nhiên hóa phức được ký hiệu là SR dpch,n R