Tính toán thiết kế mạng lõi 3g

1
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG





Nguyễn Xuân Bách

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠNG LÕI 3G


Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI -2012


1


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bạch Nhật Hồng


Phản biện 1: …………………………………………………

Phản biện 2: …………………………………………………




Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc :…. giờ …. ngày …. tháng …. năm 2012



Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1
MỞ ĐẦU
Mạng UMTS bao gồm hai phần, phần mạng lõi (Core Network) và phần mạng
truy nhập (RAN- Radio Access Network). Mạng lõi CN liên quan đến vấn đề chuyển
mạch và định tuyến lưu lượng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, phần mạng
truy nhập liên quan đến vấn đề cung cấp tài nguyên vô tuyến và điều khiển truy nhập
vô tuyến.
Phần mạng lõi CN đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định năng lực phục vụ
cũng như khả năng nâng cấp mạng. Tất cả các nhu cầu xuất phát từ phần mạng truy
nhập đều phải thông qua xử lý của phần mạng lõi, và bất cứ những sự thay đổi nào từ
phần RAN cũng đều dựa trên khả năng phục vụ của phần CN. Vì vậy việc nghiên cứu
tính toán dung lượng mạng lõi CN là hết sức quan trọng.
Đề tài “Tính toán thiết kế mạng lõi 3G” sẽ trình bày chi tiết các thuật toán để định
cỡ miền chuyển mạch gói của mạng UMTS. Sự phân tích dựa vào lưu lượng và thông
lượng dữ liệu được tạo ra trên các giao diện của các thực thể mạng trong mạng

UMTS. phục vụ cho quá trình vận hành khai thác cũng như phát triển nâng cấp hệ
thống mạng lõi 3G đảm bảo phục vụ kịp thời nhu cầu đang tăng nhanh của người sử
dụng.



2
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động và giới thiệu hệ thống thông tin
IMT-2000
1.1.1 Lịch sử phát triển
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba, 3G ra đời với mục tiêu là thực hiện một
hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới. Khác với các dịch vụ được
cung cấp bởi những hệ thống thông tin di động hiện nay chủ yếu là thoại (công nghệ
tương tự là đặc trưng hệ thống thế hệ thứ nhất, công nghệ số là đặc trưng của hệ
thống thế hệ thứ 2), hệ thống 3G nhằm vào các dịch vụ băng rộng như truy nhập
Internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lượng cao tương đương mạng hữu tuyến
1.1.2 Hệ thống thông tin di động 3G theo IMT-2000
1.2 Nâng cấp từ CDMA IS-95 (cdmaOne) lên 3G
1.3 Hướng phát triển theo nhánh WCDMA từ GSM
Các mạng WCDMA mới được xây dựng trên sự thành công của GSM và tận dụng
cơ sở hạ tầng sẵn có của những nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển về
dịch vụ và mạng là từ mạng GSM hiện nay, qua giai đoạn phát triển GPRS và cuối
cùng tiến lên mạng WCDMA.
1.3.1 GPRS
GPRS là hệ thống 2.5G được nâng cấp từ GSM chủ yếu về mạng lõi theo nguyên
tắc chuyển mạch gói. GPRS tăng cường các dịch vụ số liệu của GSM một cách đáng
kể bằng cách cung cấp các kết nối dữ liệu chuyển mạch gói đầu cuối đến đầu cuối,
cho tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 171,.2 kbps và hỗ trợ các giao thức Internet

TCP/IP và X.25.
1.3.2 EDGE
Để tiếp tục tối ưu hoá hệ thống GSM của mình, nhà khai thác có thể sử dụng công
nghệ EDGE. EDGE là một một bước phát triển cao hơn của GPRS nhằm tiếp cận gần
3
hơn với yêu cầu của 3G, nó có thể triển khai trên phổ tần sẵn có của các nhà khai thác
TDMA và GSM. So với GPRS, EDGE tập trung vào các cải thiện phần truy nhập vô
tuyến bằng cách sử dụng các phương thức điều chế mức cao và một số kỹ thuật mã
hoá tiên tiến khác. Nhờ vậy tốc độ dữ liệu tối đa của người sử dụng trên một sóng
mang 200 kHz có thể đạt được là 473,6 kbps.
1.3.3 WCDMA
Điều kiện trển khai là nhu cầu dịch vụ dữ liệu chiếm phần lớn trong lưu lượng.
Để triển khai mạng một cách nhanh chóng và hiệu quả, hệ thống phải tương thích
ngược với mạng lõi GSM-MAP của GSM. Chung hệ thống báo hiệu, đầu cuối di
động có thể chuyển vùng với hệ thống GSM hiện có. Điều này đòi hỏi phải có máy
cầm tay hai chế độ GSM/GPRS hoặc GSM/GPRS/WCDMA.
1.4 Hướng phát triển tiếp theo của WCDMA
Tổ chức 3GPP thực hiện chuẩn hoá cho nhánh công nghệ WCDMA. Tính đến
thời điểm hiện nay, lộ trình chuẩn hóa các tính năng của mạng di động theo cấu trúc
NGN của 3GPP được liệt kê dưới đây:
R99: Hoàn thành vào tháng 12/2000.
R4: phần gói với GGSN và SGSN vẫn giữ nguyên
R5,6: đây là giải pháp sử dụng mạng lõi hướng tới toàn IP,
R7,8: Giới thiệu HSPA +, áp dụng công nghệ MIMO, nâng cao tốc độ download
và upload.
LTE (Long Term evolution)
Nhìn vào lộ trình chuẩn hóa IMS của 3GPP, chúng ta có thể thấy: HSDPA bắt
đầu được chuẩn hóa từ phiên bản Release 5 (hoàn thành từ giữa năm 2002). Tiếp theo
phiên bản Release 5 tính đến thời điểm hiện nay đã có 4 phiên bản được chuẩn hóa.
Phiên bản Release 6 giới thiệu HSUPA và bổ sung thêm một số tính năng dịch vụ

IMS và hoàn thiện một số tính năng (về tính cước, chất lượng dịch vụ…) của phiên
bản Release 5.
Đặc trưng cơ bản đối với phiên bản Release 7 của 3GPP là chuẩn hóa tính năng
hỗ trợ truy nhập với mạng băng rộng cố định.
4
1.4.1 HSDPA
1.4.2 HSUPA
1.4.3 HSPA+
Tổng kết chương:
Chương này đã trình bày quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, cho
ta cái nhìn khái quát về các giai đoạn phát triển của hệ thống thông tin đi động và xu
hướng phát triển trong giai đoạn tới, trong đó tập trung trình bày sự phát triển từ
mạng 2G lên mạng 3G.

5
CHƯƠNG II – KIẾN TRÚC MẠNG LÕI UMTS

Chương 1 đã trình bày quá trình phát triển của mạng 2G lên mạng 3G. Trong
chương này sẽ trình bày kiến trúc của mạng lõi 3G UMTS. Miền chuyển mạch gói
của mạng UMTS thế hệ thứ 3 phục vụ tất cả các dịch vụ liên quan đến dữ liệu gói cho
thuê bao di động.
2.1 Kiến trúc mạng lõi UMTS
Miền chuyển mạch gói (PS) và miền chuyển mạch kênh (CS) bao gồm mạng lõi
(CN) của hệ thống 2G (GSM) và hệ thống mạng 3G (UMTS).
Ở phiên bản R99, phiên bản đầu tiên của mạng 3G UMTS, miền mạng lõi CN có
cùng các thực thể mạng và kiến trúc mạng với pha GSM. Tuy nhiên, ở phiên bản R4,
phiên bản thứ 2 của mạng UMTS có sự thay đổi ở miền chuyển mạch kênh, ở đó hỗ
trợ chế độ kênh mang tách biệt khỏi kênh điều khiển. Khi đó mạng CN sẽ hỗ trợ
nhiều phương dạng kênh mang như ATM/IP/TDM.

Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng mạng lõi UMTS
Theo các chuẩn 3GPP TS23.060, 3GPP TS24.008, 3GPP TS23.002, miền chuyển
mạch gói về mặt vật lý bao gồm SGSN, GGSN và Charging Gateway. Theo các
chuẩn 3GPP TS29.060 và 3GPP TS29.061, SGSN chịu trách nhiệm phân phối gói dữ
6
liệu từ và đến MS nằm trong vùng quản lý của nó. Nhiệm vụ của nó bao gồm việc
định tuyến và chuyển tải gói tin, quản lý di động (quản lý nhập mạng/rời mạng và
quản lý vị trí), quản lý liên kết logic, và chức năng nhận thực, tính cước. Các giao
diện của nó bao gồm Iu-Ps là giao diện kết nối tới RNC, giao diện Gn/Gp giao diện
với GGSN, giao diện Gr với HLR, giao diện Gs với MSC server hay MSC, giao diện
Gd với SMC (Short Message Center) và giao diện Ga với Charging Gateway.

GGSN là một cổng kết nối giữa mạng UMTS PS/GPRS và các mạng dữ liệu bên
ngoài (ví dụ: Internet). Nó thực hiện các chức năng như định tuyến và đóng gói dữ
liệu giữa MS và mạng dữ liệu ngoài, điều khiển an ninh, điều khiển truy nhập và
quản lý mạng. Đối với phía UMTS PS/GPRS một MS sẽ lựa chọn một GGSN như
một thiết bị định tuyến giữa nó với mạng ngoài trong tiến trình kích hoạt ngữ cảnh
giao thức dữ liệu gói PDP mà trong đó bộ APN (Access Point Name) sẽ xác định
điểm truy nhập tới mạng dữ liệu gói đích. Đối với phía mạng dữ liệu gói bên ngoài
GGSN là một bộ định tuyến mà có thể xác định được địa chỉ IP của tất cả MS trong
mạng UMTS PS/GPRS. GGSN cung cấp giao diện Gc để kết nối với HLR, giao diện
Gn/Gp với SGSN, giao diện Gi với các mạng dữ liệu ngoài, và giao diện Ga với
Charging Gateway(CG).
Charging Gateway là một khối tính cước cho miền chuyển mạch gói. Đôi khi kết
hợp với SGSN thực hiện chức năng thu thập, kết hợp, lọc và lưu trữ chi tiết cuộc gọi
Call Detail Record (CDR) xuất phát từ SGSN và giao tiếp với trung tâm tính cước để
chuyển CDR đã được xắp sếp tới trung tâm tính cước.
HLR chịu trách nhiệm lưu trữ, cập nhật, sửa đổi, hay xóa thông tin thuê bao,
kiểm soát thông tin đăng ký dịch vụ cơ bản, dịch vụ bổ xung, và thông tin vị trí của
các thuê bao. Ngoài ra nó còn thực hiện chức năng quản lý an ninh thuê bao. Đứng ở
phương diện vật lý HLR cung cấp giao diện D để kết nối với VLR trong MSC server,
giao diện C để kết nối với MSC server hoặc MSC trong mạng lõi GSM, giao diện Gr
với SGSN, giao diện Gc với GGSN. Loại báo hiệu được phân phối đi và đến HLR là
Mobile Aplication Part (MAP).
Trong miền chuyển mạch kênh của UMTS, MSC server là một thực thể chức
năng làm nhiệm vụ thiết lập dịch vụ cuộc gọi, quản lý di động, chuyển giao và các
7
dịch vụ bổ xung khác. Theo nguyên lý tách riêng chức năng điều khiển khỏi kênh
mang trong mạng lõi UMTS, nó thực sự là một bộ điều khiển cho MGW để thiết lập
các hướng cuộc gọi giữa các MS thông qua giao diện Mc. MSC server về mặt vật lý
cũng tích hợp một VLR để lưu giữ dữ liệu của thuê bao. MSC server cung cấp một
giao diện tùy chọn Gs với SGSN.

Tổng kết chương:
Chương này đã trình bày chi tiêt kiến trúc mạng lõi 3G UMTS, trong đó giới
thiệu sơ đồ cấu trúc tổng quát của mạng lõi cũng như các phần tử mạng liên quan qua
các Release sơ khai cho tới Release gần đây đang được các nhà khai thác sử dụng.
















8
CHƯƠNG III - TOÁN TÍNH TOÁN THÔNG LƯỢNG TRÊN CÁC
GIAO DIỆN CỦA MẠNG LÕI GÓI UMTS
Chương này trình bày chi tiết về các giao thức trên các giao diện trong miền
chuyển mạch gói, cấu trúc bản tin và các tham số liên quan, từ đó tính toán được
thông lượng trên các giao diện kết nối giứa các phần tử mạng trong miền chuyển
mạch gói 3G UMTS. Do giao diện Iu-PS mới được định nghĩa trong mạng lõi UMTS
so với các giao diện khác nên phần này sẽ trình bày thuật toán tính toán thông lượng
cho giao diện Iu-PS trước tiên. Thuật toán thông lượng cho các giao diện khác như là

Gn, Gi, Gs và Gr do chúng đã hình thành trong mạng GPRS nên chúng sẽ được trình
bày dựa trên một quy tắc chung: lưu lượng tổng (Erlang hoặc kích cỡ bản tin), tỉ lệ
lưu lượng theo thời gian để tính toán sự phân phối lưu lượng cho mỗi thực thể mạng
và mỗi liên kết mạng.
3.1 Giao diện Iu-PS
Giao diện Iu-PS là giao diện giữa bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và node hỗ
trợ GPRS phục vụ (SGSN) và giao diện Iu-CS giữa RNC và MGW tạo thành giao
diện Iu.
3.1.1 Kích thước mào đầu của GTP-U
Mào đầu của giao thức GTP-U có độ dài thay đổi, nhỏ nhất là 8 tytes. Như trong
Bảng 8 ta có Octet 1 gồm 3 cờ là cờ PN, cờ S và cờ E. Độ dài tối đa của mào đầu của
giao thức GTP-U là 12 Octet, nó sẽ được áp dụng trong quá trình tính toán của chúng
ta sau này.
3.1.2 Kích thước mào đầu của giao diện Iu-UP trong công thức thông lượng ở mặt
phẳng người dùng:
Chúng ta sẽ đề cập chính tới chế độ Support mode trong quá trình tính toán do
chế độ này phức tạp hơn chế độ transparent mode. Có một số kiểu đơn vị dữ liệu gói
PDU được định nghĩa cho giao thức Iu-UP là loại 0, loại 1 và loại 14 là các kiểu điển
hình của định dạng PDU.
9
Ngoại trừ PDU loại 1 có phần FCSP chiếm 1 octet, do vậy kích thước mào đầu
loại 1 là 3 octets, còn lại hầu hết các loại khác có kích thước mào đầu là 4 octets. Do
đó chúng ta sẽ sử dụng mào đầu có kích thước 4 octets cho những phân tích, tính toán
sau này.
3.1.3 Tính toán thông lượng của mặt phẳng người dùng trên giao diện Iu-PS
Các gói dữ liệu gửi qua giao diện Iu-PS sử dụng giao thức ATM. Do đó để tính
toán thông lượng trên giao diện Iu-PS đầu tiên ta phải tính xem cần bao nhiêu tế bào
ATM để truyền tải gói tin. Kích thước gói tổng bao gồm trung bình cộng của gói tin,
mào đầu của Iu-UP, mào đầu của GTP-U, mào đầu của UDP, mào đầu của giao thức
IP và AAL5. Kích thước thực sự của tế bào ATM để tải các gói tin đã được đóng gói

là 53 – mào đầu của ATM. Kết quả là, số tế bào ATM để tải các gói tin đã được đóng
gói cho bởi công thức:
N
ATMCell
= ( Š
packet
+ H
Iu-UP
+ H
GTP
+ H
UDP
+ H
IP
+ H
AAL5
) / (53- H
ATM
) (3.1)
Trong đó
Š
packet
là giá trị kích thước gói trung bình có được từ mô hình lưu lượng do nhà vận
hành mạng cung cấp.
H
Iu-UP
: giá trị mào đầu của gói Iu-UP
H
IP
: giá trị mào đầu của gói IP

H
AAL5
: giá trị mào đầu của gói AAL5
H
ATM
: giá trị mào đầu của tế bào ATM.
Khi tính toán cho mạng chuyển mạch gói, các nhà vận hành mạng sẽ ước tính một
số các tham số lưu lượng quan trọng liên quan đến mô hình lưu lượng, như là kích
thước trung bình của gói tin, số lượng thuê bao ước tính, tỉ lệ người dùng truy cập
trong giờ bận, thông lượng trung bình trên một người dùng trong giờ bận và tham số
dự phòng. Với những điều kiện được cung cấp bởi mô hình lưu lượng này, giá trị
thông lượng thuần túy mà trong đó không có bất kỳ mào đầu nào được tính bởi công
thức:
PureThroughput = N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
* Th
User/S
* 8 (3.2)
Trong đó:
10
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
Th
User/S
: thông lượng trung bình của mỗi người dùng trên giây (bps)

R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
R
Active/Actach
: tỉ lệ người dùng tham gia mạng và kích hoạt PDP trong giờ bận
Tuy nhiên trong môi trường mạng thực tế có thêm mào đầu và tham số dự phòng,
từ công thức (3.2) ta có thông lượng người dùng trên giao diện Iu-PS cho bởi công
thức:
Th
UPIuPS
= N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
* (R
Down
* Th
User/S
) * (N
ATMCell
* 53/ Š
packet
) *
*8/F
Redundancy
(3.3)
Trong đó:

N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
Th
User/S
: thông lượng trung bình của mỗi người dùng trên giây (bps)
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
R
Active/Actach
: tỉ lệ người dùng tham gia mạng và kích hoạt PDP trong giờ bận
Š
packet
là giá trị kích thước gói trung bình có được từ mô hình lưu lượng do nhà vận
hành mạng cung cấp.
N
ATMCell
: Số tế bào ATM nhận được từ công thức (3.1)
R
Down
: Tỉ lệ thông lượng đường xuống so với thông lượng dữ liệu lên và xuống
( N
ATMCell
x 53/ Š
packet
) : tỉ số kích thước tế bào ATM trên kích thước gói thuần túy.
Nó giải thích tác động của mào đầu trên giao diện Iu-PS.

R

Down
x Th
User/S
: thông lượng dữ liệu của thuê bao trên một hướng. Giả sử rằng
thông lượng đường xuống cao hơn đường lên. Nếu ngược lại thì R
down
sẽ thay bằng
R
up
.
3.1.4 Những bản tin trên mặt phẳng điều khiển
3.1.5 Tính toán thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên giao diện Iu-PS
Có 8 bản tin chính đóng góp thông lượng chính ở mặt phẳng điều khiển trên giao
diện Iu-PS. Tuy nhiên, Bảng 11 liệt kê ra 11 loại bản tin, các bản tin này có thể được
ước tính và cung cấp bởi nhà vận hành mạng theo dữ liệu thống kê trong quá trình
11
vận hành. 8 bản tin đầu tiên đã được giới thiệu ở trên, 3 bản tin còn lại có tính tùy
chọn, nó có thể được quyết định bởi nhà vận hành mạng và ứng dụng vào công thức
tính thông lượng dưới đây.
Thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên giao diện Iu-PS cho bởi công thức:
Th
CPIuPS
= N
s
* R
Atach
*
∑
(



* Liupsi) * 8 / 3600 (3.4)
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
Bảng 3.6 chú thích các tham số trong công thức 3.4

N
IuPSi

L
IuPSi

1 Authentication times per busy hour Length of messages per authentication
2 Attachment times in busy hour Length of messages per attachment in
Iu-PS
3 Detachment times in busy hour Length of messages per detachment in
Iu-PS
4 Inter SGSN route update times in
busy hour
Length of messages per inter SGSN
route update
5 Intra SGSN route update times in
busy hour
Length of messages per intra SGSN
route update
6 Intra SGSN SRNC times inbusy

hour
Length of messages per intra SGSN
SRNC.
7 PDP activation times in busy hour Length of messages per PDP activation
8 PDP deactivation times in busy
hour
Length of messages per PDP
deactivation
9 Periodic SGSN route area update
times In busy hour
Length of messages per periodical
SGSN route update
10 Short message service mobile
originated (SMS MO) times in busy
hour
Length of messages per SMS service
11 SMS MT times in busy hour Length of messages per SMS service
Tổng lưu lượng của 8 hoặc 11 bản tin này tạo thành lưu lượng tổng thể ở mặt
phẳng điều khiển trên giao điện Iu-PS. Bên cạnh 11 bản tin đã đề cập, một số bản tin
12
khác như là bản tin ấn định kênh P-TMSI (Packet-Temporary Mobile Subscriber
Identity), bản tin kiểm tra nhận dạng, và bản tin yêu cầu dịch vụ… do kích cỡ bản tin
nhỏ và ít sử dụng nên nó không đề cập trong quá trình tính toán trên mặt phẳng giao
diện này. Nếu các bản tin này được yêu cầu bởi nhà vận hành mạng và các tham số hệ
thống của họ khó đánh giá được thì người ta thêm vào công thức (3.4) một tham số
dự phòng trong quá trình tính toán.
3.1.6 Tổng lưu lượng trên giao diện Iu-PS
Dựa vào kết quả tính toán của 3 phần trên, tổng lưu lượng trên giao diện Iu-PS là
tổng của lưu lượng trên mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển trên giao
diện Iu-PS. Công thức tính như sau:

TH
IuPS
= TH
UPIuPS
+ TH
CPIuPS
(3.5)
3.2 Giao diện G
n
/G
p
:
Giao diện G
n
/G
p
nằm giữa SGSN và GGSN. Cụ thể, giao diện G
n
nằm giữa các
node GSN trong cùng mạng di động mặt đất công cộng (PLMN), còn giao diện G
p

nằm giữa các node GSN trên các PLMN khác nhau. Cả hai giao diện này sử dụng
cùng một chồng giao thức, trong đó giao thức đường hầm GPRS (GTP) được sử dụng
để truyền các gói dữ liệu đã được đóng gói thông qua đường hầm GPRS giữa SGSN
và GGSN. Bảng 12 chỉ ra chồng giao thức từ lớp cao nhất cho đến lớp cuối cùng
GTP/UDP/IP/LLC/MAC.

3.2.1 Công thức tính toán thông lượng gói GTP-U trên giao diện G
n

/G
p
:
Khi định cỡ thông lượng trên giao diện G
n
/G
p,
nhà vận hành mạng sẽ ước tính các
tham số dựa trên mô hình lưu lượng như số thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ chuyển
mạch gói 3G, tỉ lệ thuê bao nhập mạng, và tỉ lệ thuê bao đã nhập mạng đồng thời kích
hoạt ngữ cảnh giao thức dữ liệu gói (PDP).
Tỉ lệ mào đầu cũng được tính toán tương tự như ở giao diện Iu-PS. Cho bởi công
thức:
RO
Gn/Gp
= ( Š
packet
+ H
GTP
+ H
UDP
+ H
IP
) / Š
packet
(3.6)
13
Với những điều kiện được cung cấp bởi mô hình lưu lượng của nhà khai thác và tỉ
lệ mào đầu trong công thức 6, thông lượng của gói tin GTP-U trên giao diện G
n

/G
p
là:
Th
UGn/Gp
= N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
*(R
Down
* Th
User/S
) * RO
Gn/Gp
* 8 (3.7)
Trong đó:
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
Th
User/S
: thông lượng trung bình của mỗi người dùng trên giây (bps)
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
R
Active/Actach

: tỉ lệ người dùng tham gia mạng và kích hoạt PDP trong giờ bận
R
Overhead
: tỉ lệ mào đầu
R
Down
: Tỉ lệ thông lượng đường xuống so với thông lượng dữ liệu lên và xuống
R
Down
x Th
User/S
: thông lượng dữ liệu của thuê bao trên một hướng. Giả sử rằng
thông lượng đường xuống cao hơn đường lên. Nếu ngược lại thì R
down
sẽ thay bằng
R
up
.
3.2.2 Công thức tính toán thông lượng gói GTP-C trên giao diện G
n
/G
p
:
Trong công thức (3.7) ở trên, giả thiết rằng các gói tin GTP-U đóng góp thông
lượng chính trên giao diện G
n
/G
p
. Một vài gói tin GTP-C được xem như một phần
thiểu số thông lượng trên giao diện G

n
/G
p
. Để tính toán phần đóng góp của các gói
tin GTP-C vào thông lượng trên giao diện này, chúng ta xác định các bản GTP-C tin
chính đi qua giao diện Gn/Gp. Các bản tin đó bao gồm bản tin kích hoạt PDP context,
chỉnh sửa PDP context, và hủy kích hoạt PDP context. Trong bài này hai quá trình
kích hoạt và hủy kích hoạt PDP context được coi như đóng góp hầu hết thông lượng
của GTP-C trên giao diện Gn/Gp. Vì vậy ta tính thông lượng của gói GTP-C trên
giao diện Gn/Gp theo công thức:
Th
CGn/Gp
= N
s
x R
Atach
x
∑
(


* Lgni) * 8 / 3600 (3.8)
Trong đó:
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
Các tham số khác được chỉ ra dưới bảng sau:

Bảng 3.8 Các tham số trong công thức (3.8)
14

N
Gni

L
Gni

1
Create PDP context times in busy hour Length of messages per create PDP context
2
Delete PDP context times in busy hour Length of messages per delete PDP context
3.2.3 Tổng lưu lượng trên giao diện Gn/Gp:
Dựa vào kết quả của các phần trên, thông lượng tổng trên giao diện Gn/Gp là tổng
hợp của thông lượng GTP-C và GTP-U, cho bởi công thức:
Th
Gn/Gp
= Th
CGn/Gp
+ Th
UGn/Gp
(3.9)
3.3 Giao diện Gr
Giao diện Gr nằm giữa SGSN và HLR. Nó chịu trách nhiệm chính là truyền tải
thông tin liên quan đến thuê bao trong miền chuyển mạch gói. SGSN thông báo trạng
thái về vị trí hiện tại của thuê bao đến HLR đồng thời nhận thông tin đăng ký từ
HLR.
3.3.1 Những bản tin chính đi qua giao diện Gr
3.3.2 Tính toán thông lượng trên giao diện Gr

Dựa vào 4 bản tin chính chúng ta có thể tính toán thông lượng cho giao diện Gr.
Trong bảng 14 dưới đây liệt kê những tham số cần thiết mà có thể ước tính bởi nhà
vận hành khai thác di động dựa vào quá trình vận hành trong quá khứ. Tổng thông
lượng của 4 bản tin này tạo nên lưu lượng tổng trên giao diện Gr. Nếu các bản tin
khác cần xem xét đến thì ta sẽ thêm vào công thức (3.10) dưới đây một tham số dự
phòng (Số dư).
Thông lượng trên giao diện Gr tính bởi công thức:
Th
Gr
= N
s
* R
Atach
*
∑
(


* Rgri * Lgri) * 8 / 3600 (3.10)
Trong đó:
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
3.4 Giao diện Gs
Giao diện Gs là giao diện có tính tùy chọn giữa MSC và SGSN. Mặc dù nó không
bắt buộc, một số dịch vụ chung giữa miền PS và CS có thể được thực hiện thông qua
15

giao diện này như là: cập nhật vị trí chung, nhập mạng, và rời mạng. Miền chuyển
mạch kênh cũng có thể gửi bản tin tìm gọi và bản tin quản lý di động qua giao diện
Gs. Chồng giao thức trên giao diện này là: BSSAP+/ SCCP/ MTP3/ MTP2/ MTP1.
Tương tự như giao diện Gr, thông lượng trên giao diện Gs cho bởi công thức:
Th
Gs
= N
s
* R
Atach
*
∑
(


* Rgsi * Lgsi) * 8 / 3600 (3.11)
Trong đó:
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
Các tham số khác được giải thích trong bảng dưới đây:
3.5 Giao diện Gi
Giao diện Gi là giao diện tham chiếu giữa GGSN và mạng dữ liệu gói ngoài
(PDN) như mạng Internet hoặc Intranet. Giao diện này chỉ rõ điểm cuối của miền
chuyển mạch gói khi mà mạng PDN thông thường thuộc về một nhà cung cấp dịch vụ
khác hoặc một kênh mang khác.
Về mặt lý thuyết, thông lượng thuần túy tại giao diện Gn bằng thông lượng thuần

túy tại giao diện Gi. Lưu lượng được truyền tải qua giao diện Gi thực sự bao gồm
data payload (như IP datagram), tùy chọn của đóng gói VPN, và mào đầu (như mào
đầu Ethernet). Giả sử hầu hết các thuê bao không được đóng gói VPN, tỉ lệ mào đầu
trên giao diện Gi là:
RO
Gi
= ( Š
packet
+ H
datagram
) / Š
packet
(3.12)
Trong đó
Š
packet
: Kích thước gói trung bình mà có thể thu được từ mô hình lưu lượng cung
cấp bởi nhà vận hành mạng.
H
datagram
: mào đầu của media trên giao diện Gi. Ví dụ như mào đầu của gói IP được
mang bởi packet over SDH (PoS) là 10 Octets. Mào đầu của gói IP được mang bởi
chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) và PoS là 14 Octets.
Do đó thông lượng trên giao diện Gi cho bởi công thức:
Th
Gi
= N
s
* R
Atach

* R
Active/Actach
*(R
Down
* Th
User/S
) * RO
Gi
* 8 (3.13)

16
Tổng kết:
Trên đây ta đã có các công thức tính toán thông lượng cho các giao diện Iu-PS,
Gn/Gp, Gr, Gs, và Gi trong mạng chuyển mạch gói UMTS. Một số giao diện khác
như Gc và Gb không được đề cập do nó được cấu hình một cách tùy chọn trong mạng
chuyển mạch gói UMTS. Việc có cấu hình giao diện Gd kết nối với trung tâm tin
nhắn hay không phụ thuộc vào yêu cầu của nhà vận hành khai thác.
Trong quá trình tính toán thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên các giao diện
Iu-PS, Gr, và Gs, chỉ những bản tin chủ yếu đóng góp chính vào thông lượng cho mặt
phẳng điều khiển được lựa chọn. Chúng ta coi thông lượng trên mặn phẳng điều
khiển chỉ chiếm một phần nhỏ thông lượng (ít hơn 1-5%), việc bỏ qua các bản tin
không chủ yếu có thể chấp nhận được. Những bản tin thêm vào này nếu được yêu cầu
bởi nhà khai thác thì có thể thêm vào công thức tính toán tham số dự phòng. Khi tính
toán ta tính xấp xỉ thông lượng trên giao diện Gi do chúng ta giả thiết không có đóng
gói VPN trong gói dữ liệu nguồn. Do đó kết quả của tỉ lệ mào đầu trong công thức
(3.12) có thể nhỏ hơn giá trị thực tế. Một giá trị tỉ lệ mào đầu nhỏ hơn dẫn đến thông
lượng trên giao diện Gi trong công thức (3.13) cũng nhỏ hơn.

17
CHƯƠNG IV - BÀI TOÁN CỤ THỂ
Từ cơ sở lý thuyết và các phương thức tính toán đã trình bày ở các chương trước
ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể. Tính toán dung lượng và khả năng phục vụ của
mạng dựa trên sơ đồ phủ sóng 3G UMTS Hình 4.1. Giả sử thiết kế cung cấp 1 SGSN
và 1 GGSN để phục vụ 100000 thuê bao 3G UMTS trong vùng trung tâm Hà Nội.

Hình 4.1 Sơ đồ phủ sóng mạng 3G UMTS


Hình 4.2 Mô hình rút gọn mạng chuyển mạch gói

Bảng 4.1 - Mô hình lưu lượng cho miền chuyển mạch gói
18
Các tham số lưu
lượng
Giá trị Miêu tả
Kích cỡ mạng 100.000 Số thuê bao đăng ký UMTS/PS
Th
User/bps

600 Thông lượng trung bình của 1 người dùng

trên 1 giây (bps)
S
Packet

400 Kích thước trung bình của một gói IP
R
Attach

75% Tỉ lệ User nhập mạng trên tổng User
UMTS/PS
R
Active/Attach
25% Tỉ lệ User kích hoạt dịch vụ/ user nhập mạng
N
Attach
0.75 Thời gian nhập mạng của một user trong giờ
bận
N
Detach
0.75 Thời gian rời mạng của một user trong giờ
bận
N
PDP-Activation

1.5 Thời gian một user kích hoạt PDP trong giờ
bận
N
PDP-Dactivation

1.5 Thời gian một user hủy kích hoạt PDP trong

giờ bận
N
Route-IntraSGSN

4 Thời gian cập nhật vùng định tuyến trong
cùng SGSN của một user trong giờ bận
N
Route-InterSGSN

0.1 Thời gian cập nhật vùng định tuyến khác
SGSN của một user trong giờ bận
N
Route-periodic

0.3 Thời gian cập nhật vùng định tuyến định kỳ
N
Route
4.4 N
Route
= N
Route-IntraSGSN
+N
Route-InterSGSN
+
N
Route-periodic

R
Joint Route

18% Tỉ lệ cập nhật vùng định tuyến chung
R
Joint Location
18% Tỉ lệ cập nhật vị trí chung`
N
SRSNC-Intra SGSN

0.07 Thời gian chuyển vùng dịch vụ RNC của
một user trong giờ bận (cùng SGSN)
N
SRSNC-Inter SGSN
0.01 Thời gian chuyển vùng dịch vụ RNC của
một user trong giờ bận (Khác SGSN)
N
SRSNC
0.08 N
SRSNC
= N
SRSNC-IntraSGSN
+ N
SRSNC-InterSGSN

N
Auth

3.55 Thời gian nhận thực của một user trong giờ
19
bận
R
Auth to HLR

20% Tỉ lệ nhận thực cần thiết để nhận được các
tham số từ HLR
N
SMS-MO

0.1 Thời gian nhắn tin của một user trong giờ
bận (gọi đi)
N
SMS-MT
0.5 Thời gian nhắn tin của một user trong giờ
bận (gọi đến)
N
SMS
0.6 N
SMS
= N
SMS-MO
+ N
SMS-MT

R
Down-up

3 Tỉ số dữ liệu đường xuống so với đường lên
L
dMAP

0.2 Tải kiên kết của bản tin MAP

Bảng 4.2 - Tham số của miền chuyển mạch gói:
Tham số Độ dài bản
tin đề xuất
trên một
chiều
Miêu Tả
L
Attach
at Iu-PS 336 Độ dài bản tin nhập mạng tại giao diện Iu-
PS
L
Detach
at Iu-PS 336 Độ dài bản tin rời mạng tại giao diện Iu-
PS
L
PDP-Active
at Iu-PS 768 Độ dài bản tin trên mỗi lần kích hoạt PDP
tại giao diện Iu-PS
L
PDP-Deactive
at Iu-PS 768 Độ dài bản tin trên mỗi lần hủy kích hoạt
PDP tại giao diện Iu-PS
L
Route
at Iu-PS 144 Độ dài bản tin mỗi lần cập nhật vùng định
tuyến tại giao diện Iu-PS

L
SRNC
at Iu-PS 1152 Độ dài bản tin mỗi lần chuyển vùng dịch
20
vụ RNC tại giao diện Iu-PS
L
Authen
at Iu-PS 192 Độ dài bản tin mỗi lần nhận thực tại giao
diện Iu-PS
L
SMS
at Iu-PS 1022 Độ dài bản tin mỗi lần gửi tin nhắn tại
giao diện Iu-PS
L
PDP-Active
at Gn 300 Độ dài bản tin mỗi kích hoạt PDP tại giao
diện Gn
L
PDP-Deactive
at Gn 50 Độ dài bản tin mỗi hủy kích hoạt PDP tại
giao diện Gn
L
Attach
at Gr 294 Độ dài bản tin nhập mạng tại giao diện Gr
L
Route
at Gr 71 Độ dài bản tin mỗi lần cập nhật vùng định
tuyến tại giao diện Gr
L
Authen

at Gr 259 Độ dài bản tin mỗi lần nhận thực tại giao
diện Gr
L
Route
at Gs 82 Độ dài bản tin mỗi lần cập nhật vùng định
tuyến tại giao diện Gs

Như ở công thức (3.1), (3.3) và (3.4) thông lượng của giao diện Iu-PS được tính
toán thông qua số tế bào ATM cho bởi công thức:
N
ATMCell
= ( Š
packet
+ H
Iu-UP
+ H
GTP
+ H
UDP
+ H
IP
+ H
AAL5
) / (53- H
ATM
)
= 477/48 ≈ 10
Thông lượng ở mặt phẳng người dùng trên giao diện Iu-PS
Th
UPIuPS

= N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
* (R
Down
* Th
User/S
) * (N
ATMCell
* 53/ Š
packet
) *
*8/F
Redundancy
= 100000*75%*25%*(600*3/4)*(10*53/400)*8/0.7 = 127.77 Mbps
Thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên giao diện Iu-PS:
Th
CPIuPS
= N
s
* R
Atach
*
∑
(



* Liupsi) * 8 / 3600
= 100000*75%*4829*8/3600 = 804833.33 bps = 0.8 Mbps
Thông lượng tổng trên giao diện Iu-PS là :
Th
IuPS
= Th
UPIuPS
+ Th
CPIuPS
= 127.77 + 0.8 = 128.57 Mbps
Như ở công thức (3.7), (3.8) và (3.9) thông lượng trên giao diện Gn được tính như
sau:
21
- Tỉ lệ mào đầu cho bởi công thức:
RO
Gn/Gp
= ( Š
packet
+ H
GTP
+ H
UDP
+ H
IP
) / Š
packet
= (400+12+8+20)/400 = 1.1
- Thông lượng của gói GTP-U trên giao diện Gn/Gp là:
Th
UGn/Gp

= N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
*(R
Down
* Th
User/S
) * RO
Gn/Gp
* 8
= 100000*75%*25%*(600*3/4)*1.1*8 = 74.25Mbps
- Thông lượng của gói GTP-C trên giao diện Gn/Gp là:
Th
CGn/Gp
= N
s
x R
Atach
x
∑
(


* Lgni) * 8 / 3600
= 100000*75%*525*8/360 = 87500bps = 0.0875Mbps
Tổng thông lượng trên giao diện Gn/Gp là:
Th

Gn/Gp
= Th
UGn/Gp
+ Th
CGn/Gp
= 74,25 + 0.0875 = 74.34 Mbps
Thông lượng của Gr có thể được tính bởi công thức (3.10):
Th
Gr
= N
s
* R
Atach
*
∑
(


* Ngri * Lgri) * 8 / 3600
= 100000*75%*356*8/3600 = 59333.33bps
Nếu giao diện Gr được cấu hình bằng các liên kết E1 thì ta có số đường E1 cần
thiết là:
N
E1
= TH
Gr
/[(56*1024)*Ld
MAP
] = 59333.33/[(56*1024)*0.2] ≈ 6
Từ công thức (3.11) tính được thông lượng trên giao diện Gs:

Th
Gs
= N
s
* R
Atach
*
∑
(


* Rgsi * Lgsi) * 8 / 3600
= 100000*75%*61*8/3600 = 10166.67 bps
Do giao diện Gs dùng cho SGSN kết nối với 2G MSC bằng đường truyền E1
hoặc T1 sẽ được xác định như sau:
N
E1
= TH
Gs
/[(56*1024)*Ld
MAP
] = 10166.67/[(56*1024)*0.2] ≈ 2
Từ công thức (3.12), (3.13) ta tính được thông lượng của giao diện Gi. Trong
trường hợp này giả thiết gói tin IP được mạng bởi giao thức MPLS và POS, vì vậy
mào đầu trong chế độ kênh mang này là 14 Octets:
RO
Gi
= ( Š
packet
+ H

datagram
) / Š
packet
= (400 + 14) / 400 = 1.035
Do đó thông lượng trên giao diện Gi là:
Th
Gi
= N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
*(R
Down
* Th
User/S
) * RO
Gi
* 8
= 100000*75%*25%*(600*3/4)*1.035*8 = 69.87 Mbps
22
KẾT LUẬN
Qua thời gian nghiên cứu tìm hiểu tôi đã hoàn thành luận văn Tính toán thiết kế
mạng lõi 3G. Luận văn gồm 4 chương: Chương 1, cho ta cái nhìn xuyên suốt về quá
trình phát triển của mạng thông tin di động. Chương 2, trình bày kiến trúc mạng lõi
3G UMTS, trong đó giới thiệu sơ đồ cấu trúc tổng quát của mạng lõi cũng như các
phần tử mạng liên quan qua các Release sơ khai cho tới Release gần đây đang được
các nhà khai thác sử dụng. Chương 3, trình bày chi tiết về các giao thức trên các giao
diện trong miền chuyển mạch gói, cấu trúc bản tin và các tham số liên quan, từ đó

tính toán được thông lượng trên các giao diện kết nối giứa các phần tử mạng trong
miền chuyển mạch gói 3G UMTS. Từ cơ sở lý thuyết và các phương thức tính toán
đã trình bày ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể trong chương 4, với mô hình mạng cụ
thể và các tham số mạng được cung cấp bởi nhà vận hành mạng Mobifone. Việc tính
toán này giúp các nhà vận hành khai thác độc lập trong quá trình triển khai đầu tư
thiết kế vận hành mạng để tối ưu chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành
(OPEX). Mô hình và các thuật toán cũng giúp nhà khai thác ước tính tổng dung
lượng cần thiết độc lập với nhà cung cấp thiết bị.
Hiện nay mạng viễn thông đang chuyển dần từ 3G UMTS lên 4G LTE (Long
Term Evolution). Mạng chuyển mạch gói sẽ hình thành hệ thống đa phương tiện IP
(IMS) từ pha R5 và hệ thống SAE (System Architecture Evolution) trong LTE. Sự
hội tụ giữa IMS với SAE yêu cầu sự tiếp cận tối ưu và có hệ thống. Chúng ta sẽ tiếp
tục nghiên cứu, định cỡ và quy hoạch cho mạng này trong những nghiên cứu tiếp
theo.
Do luận văn được viết trong khoảng thời gian ngắn nên không tránh khỏi những
thiếu xót. Rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các anh, chị để luận văn được
hoàn chỉnh hơn.