đánh giá hiệu quả các thuật toán chuyển giao trong wcdma

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VIỄN THÔNG II
_____________

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
HỆ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Đề tài:
ĐÁNH GIÁ CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO
TRONG WCDMA

Mã số đề tài: 11406160032

Sinh viên thực hiện: CHÂU PHƢỚC KHÁNH
MSSV: 406160032
Lớp: Đ06VTA1
Giáo viên hƣớng dẫn: NGUYỄN VĂN LÀNH



TP.HCM – 1/2011



HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VIỄN THÔNG II
_____________

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
HỆ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Đề tài:
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN
GIAO TRONG WCDMA
Mã số đề tài: 11406160032

NỘI DUNG:
- CHƢƠNG I: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA
- CHƢƠNG II: CHUYỂN GIAO TRONG WCDMA
- CHƢƠNG III: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CHUYỂN GIAO TRONG WCDMA
- CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO

Sinh viên thực hiện: CHÂU PHƢỚC KHÁNH
MSSV: 406160032
Lớp: Đ06VTA1
Giáo viên hƣớng dẫn: NGUYỄN VĂN LÀNH



TP.HCM – 1/2011

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
  


















TPHCM, ngày … tháng … năm 2010
Giáo viên hƣớng dẫn


NGUYỄN VĂN LÀNH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
  

TPHCM, ngày … tháng … năm 2010
Giáo viên phản biện

MỤC LỤC
CHƢƠNG I 2
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA 2
1.1. HỆ THỐNG UMTS 2
1.1.1. Tổng quan 2
1.1.2. Dịch vụ của hệ thống UMTS 3
1.1.3. Kiến trúc hệ thống UMTS 4
1.1.4. Mạng lõi CN (Core Network) 6
1.1.5. Kiến trúc UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network) 7
1.1.6. Thiết bị ngƣời sử dụng UE (User Equipment) 10
1.2. CÔNG NGHỆ WCDMA 11

CHƢƠNG II 14
CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG WCDMA 14
2.1. QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG WCDMA 14
2.1.1. Điều khiển công suất 14
2.1.1.1. Điều khiển công suất vòng hở 15
2.1.1.2. Điều khiển công suất vòng khép kín 15
2.1.1.3. Điều khiển công suất vòng bên ngoài 15
2.1.2. Điều khiển nghẽn 16
2.2. CHUYỂN GIAO TRONG WCDMA 16
2.2.1. Giới thiệu 16
2.2.2. Phân loại 16
2.2.3. Các thủ tục của quá trình chuyển giao: 17
2.2.4. Chuyển giao cùng tần số 19
2.2.4.1. Đo đạc cùng tần số 19
2.2.4.2. Thuật toán chuyển giao 20
2.2.5. Chuyển giao khác tần số 27
2.2.6. Chuyển giao khác hệ thống giữa WCDMA và GSM 28
2.2.7. Chuyển giao khác tần số trong WCDMA 30
2.2.8. Tổng kết chuyển giao 32
CHƢƠNG III 33
ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CHUYỂN GIAO 33
3.1. GIỚI THIỆU 33
3.2. PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CẤP ĐƢỜNG DẪN 33
3.2.1. Phân tích nhiễu hƣớng xuống 33
3.2.1.1. Tổng quan 33
3.2.1.2. Nhiễu intra-cell và nhiễu inter-cell 35
3.2.2. Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hƣớng xuống 38
3.2.3. Kết luận 39
3.3. PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CẤP HỆ THỐNG 40
3.3.1. Độ lợi chuyển giao mềm hƣớng xuống 40

3.3.1.1. Giới thiệu 40
3.3.1.2. Độ lợi chuyển giao mềm 41
3.3.1.3. Những tác động đối với độ lợi chuyển giao mềm 44
3.4. PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN 45
3.4.1. Tốc độ cập nhật tập tích cực 45
3.4.2. Kích thƣớc tập tích cực trung bình 45
CHƢƠNG 4 47
MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO 47
4.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 47
4.1.1. Môi trƣờng vô tuyến của mạng di động 47
4.1.2. Mô hình kênh vô tuyến 47
4.1.3. Viễn cảnh hệ thống 48
4.2. ẢNH HƢỞNG CÁC THÔNG SỐ CỦA THUẬT TOÁN ĐẾN HIỆU
SUẤT CHUYỂN GIAO 49
4.2.1. Cửa sổ thêm vào 49
4.2.2. Cửa sổ xóa 49
4.2.3. Cửa sổ thay thế 50
4.2.4. Kích thƣớc tập tích cực tối đa 51
4.3. MÔ PHỎNG 51
4.3.1. Thông số mô phỏng 51
4.3.2. Kết quả mô phỏng 52
4.3.2.1. Thuật toán chuyển giao ngƣỡng tƣơng đối 52
4.3.2.2. Thuật toán chuyển giao ngƣỡng tuyệt đối 54
4.3.3. Nhận xét kết quả 56
4.3.3.1. Thuật toán ngƣỡng tƣơng đối 56
4.3.3.2. Thuật toán ngƣỡng tuyệt đối 56
KẾT LUẬN 57


DANH MỤC HÌNH VẼ


Hình 1.1 Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS 3
Hình 1.2 Cấu trúc của hệ thống UMTS 4
Hình 1.3 Kiến trúc của UTRAN 7
Hình 1.4 UE trong trạng thái chuyển giao mềm, có 2 RNC đang điều khiển 8
Hình 1.5 UE sử dụng tài nguyên chỉ từ một Node B điều khiển bởi DRNC 9
Hình 1.6 Chỉ định băng thông WCDMA trong không gian thời gian – tần số -
mã 10
Hình 2.1 Các chức năng RRM của từng phần tử trong hệ thống WCDMA 13
Hình 2.2 Các bƣớc đo lƣờng chuyển giao cùng tần số 19
Hình 2.3 Chuyển giao mềm với ngƣỡng tƣơng đối 21
Hình 2.4 Lƣu đồ thuật toán dựa trên ngƣỡng tƣơng đối 22
Hình 2.5 Ảnh hƣởng của downtilt đến vùng phủ của cell 23
Hình 2.6 Lƣu đồ thuật toán dựa trên ngƣỡng tuyệt đối 25
Hình 2.7 Chuyển giao mềm với ngƣỡng tuyệt đối 26
Hình 2.8 Chuyển giao giữa GSM và WCDMA 28
Hình 2.9 Quá trình chuyển giao từ WCDMA sang GSM 28
Hình 2.10 Ảnh hƣởng của chế độ nén đến vùng phủ 29
Hình 2.11 Các cell có dung lƣợng cao với 2 tần số f1 và f2 30
Hình 2.12 Macro-cell và micro-cell sử dụng tần số khác nhau 30
Hình 2.13 Thủ tục chuyển giao khác tần số 30
Hình 3.1 Nhiễu hƣớng lên 33
Hình 3.2 Nhiễu hƣớng xuống 33
Hình 3.3 Nhiễu inter-cell hƣớng xuống tƣơng đối 35
Hình 3.4 Tỷ số nhiễu inter-cell và intra-cell 36
Hình 3.5 Độ nhạy của nhiễu hƣớng xuống tƣơng đối với các thông số cho
trƣớc 37
Hình 3.6 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hƣớng xuống 38
Hình 3.7 Vùng chuyển giao mềm và vùng phủ sóng lý tƣởng của cell 41
Hình 3.8 Sơ đồ cell 41

Hình 3.9 Ví dụ về tốc độ cập nhật tập tích cực 44
Hình 4.1 Sơ đồ cell trong hệ thống 47
Hình 4.2 Ảnh hƣởng của cửa sổ thêm vào đến hiệu suất chuyển giao 48
Hình 4.3 Ảnh hƣởng của cửa sổ xóa đến hiệu suất chuyển giao 49
Hình 4.4 Ảnh hƣởng của cửa sổ thay thế đến hiệu suất chuyển giao 50
Hình 4.5 Ảnh hƣởng của kích thƣớc tập tích cực tối đa đến hiệu suất chuyển
giao 50
Hình 4.6 Quỹ đạo di chuyển của UE trong mô phỏng 51
Hình 4.7 Ảnh hƣởng của ngƣỡng thêm vào đến số lần chuyển giao đối với
thuật toán ngƣỡng tƣơng đối 52
Hình 4.8 Ảnh hƣởng của ngƣỡng thêm vào đến kích thƣớc tập tích cực trung
bình đối với thuật toán ngƣỡng tƣơng đối 52
Hình 4.9 Ảnh hƣởng của ngƣỡng thêm vào đến tốc độ cập nhật tập tích cực
đối với thuật toán ngƣỡng tƣơng đối 53
Hình 4.10 Ảnh hƣởng của ngƣỡng thêm vào đến số lần chuyển giao đối với
thuật toán ngƣỡng tuyệt đối 53
Hình 4.11 Ảnh hƣởng của ngƣỡng thêm vào đến kích thƣớc tập tích cực trung
bình đối với thuật toán ngƣỡng tuyệt đối 54
Hình 4.12 Ảnh hƣởng của ngƣỡng thêm vào đến xác suất chuyển giao đối với
thuật toán ngƣỡng tuyệt đối 54
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các loại QoS của hệ thống UMTS 3
Bảng 1.2 Tổng kết các thông số chính của hệ thống 3G WCDMA 12
Bảng 2.1 Tổng kết chuyển giao 31
Bảng 3.1 Bảng liên kết 43
Bảng 4.1 Các thông số mô phỏng 51

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT


3GPP
Third Generation Partnership Project
Hiệp hội 3G (đƣa ra tiêu chuẩn
WCDMA)
3GPP2
Third Generation Partnership Project 2
Hiệp hội 3G 2 (đƣa ra tiêu
chuẩn cdma2000)
AC
Admission Control
Điều khiển thâm nhập
AGC
Adaptive Gain Control
Điều khiển độ lợi thích ứng
AMR
Adaptive Multirate (speech codec)
Đa tốc độ thích ứng
ARQ
Automatic Repeat Request
Tự động yêu cầu phát lại
ATM
Asynchronous Transfer Mode
Chế độ truyền bất đồng bộ
AuC
Mobile Service Switching Center
Trung tâm chuyển mạch dịch
vụ di động
BCCH
Broadcast Channel (logical channel)
Kênh quảng bá

BER
Bit Error Rate
Tỉ số bit lỗi
BLER
Block Error Rate
Tỉ số lỗi khối
BoD
Bandwidth on Demand
Băng thông theo yêu cầu
BSIC
Base Station Identity Code
Mã xác định trạm gốc
CGI
Cell Global Identification
Xác định cell toàn cầu
CN
Core Network
Mạng lõi
CPICH
Common Pilot Channel
Kênh hoa tiêu chung
CRNC
Controlling RNC
RNC điều khiển
DCCH
Dedicated Control Channel (logical
channel)
Kênh điều khiển dành riêng
DRNC
Drift RNC

DS-CDMA
Direct-Sequence Code Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo mã
dùng trải phổ trực tiếp
ETSI
European Telecommunications Standard
Institute
Viện tiêu chuẩn viễn thông
châu Âu
FDD
Frequency Division Duplex
Truyền song công phân chia
theo tần số
FER
Frame Error Ratio
Tỉ số lỗi khung
GGSN
Gateway GPRS Support Node
Gateway hỗ trợ GPRS
GMSC
Gateway MSC
Gateway MSC
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
GSM
Global System for Mobile Communication
Hệ thống thông tin di động

toàn cầu
HC
Handover Control
Điều khiển chuyển giao
HCS
Hierachical cell structure
Cấu trúc cell phân cấp
HLR
Home Location Register
Thanh ghi định vị thƣờng trú
HO
Handover
Chuyển giao
ITU
International Telecommunication Union
Tổ chức viễn thông quốc tế
LC
Load Control
Điều khiển tải
ME
Mobile Equipment
Thiết bị di động
MEHO
Mobile Evaluated Handover
Chuyển giao đƣợc đánh giá
dựa trên thiết bị di động
NEHO
Network Evaluated Handover
Chuyển giao đƣợc đánh giá
dựa trên mạng

PC
Power Control
Điều khiển công suất
P-CPICH
Primary Common Control Physical
Channel
Kênh vật lí điều khiển chung
sơ cấp
PLMN
Public Land Mobite Network
Mạng di động mặt đất công
cộng
P-SCH
Primary Synchronisation Channel
Kênh đồng bộ sơ cấp
QoS
Quality of Service
Chất lƣợng dịch vụ
RAM
Radio Access Mode
Chế độ truy nhập vô tuyến
RAN
Radio Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến
RAT
Radio Access Technology
Kỹ thuật truy nhập vô tuyến
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến

RNC
Radio Network Controller
Bộ điều khiển mạng vô tuyến
RRC
Radio Resource Control
Điều khiển tài nguyên vô
tuyến
RRM
Radio Resource Management
Quản lí tài nguyên vô tuyến
SFN
System Frame Number
Số khung hệ thống
SGSN
Serving GPRS Support Node
Node hỗ trợ dịch vụ GPRS
SHO
Soft Handover
Chuyển giao mềm
SIR
Signal-to-interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SMS
Short Message Service
Dịch vụ bản tin ngắn
SRNC
Serving RNC
RNC đang phục vụ
S-SCH
Secondary-Synchronisation channel

Kênh đồng bộ thứ cấp
TDD
Time Division Duplex
Truyền song công phân chia
theo thời gian
TPC
Transmission Power Control
Điều khiển công suất truyền
UE
User Equipment
Thiết bị ngƣời dùng
UMTS
Universal Mobile Telecommunication
Services
Dịch vụ truyền thông di động
toàn cầu
USIM
UMTS Subscriber Identity Module
Modun xác định thuê bao
UMTS
UTRAN
UMTS Terrestrial RAN
Mạng truy nhập vô tuyến
UMTS
WCDMA
Wideband Code Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo mã
băng rộng

Luận văn tốt nghiệp


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 1
LỜI MỞ ĐẦU

Ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX, thông tin di động được coi như là một
thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối
có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi vùng phủ sóng. Thành công
của con người trong lĩnh vực thông tin di động không chỉ dừng lại trong việc mở rộng
vùng phủ sóng phục vụ thuê bao ở khắp nơi trên toàn thế giới, các nhà cung cấp dịch vụ,
các tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động đang nỗ lực hướng tới một hệ thống
thông tin di động hoàn hảo, các dịch vụ đa dạng, chất lượng dịch vụ cao. 3G - Hệ thống
thông tin di động thế hệ 3 là một bước trong con đường phát triển.
Với việc sử dụng các dịch vụ có tốc độ cao khi thuê bao di chuyển nhanh, vấn đề
chuyển giao trong 3G trở nên hết sức quan trọng để đảm bảo tính liên tục và chất lượng
của dịch vụ. Do đó, cần có các thuật toán chuyển giao hiệu quả để đảm bảo hiệu suất
chuyển giao. Trong luận văn này sẽ giới thiệu các thuật toán chuyển giao thông dụng và
phân tích hiệu suất chuyển giao với các thông số của thuật toán trên một mô hình giả
định.
Nội dung đề tài được chia làm 4 chương:
Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba.
Chương 2: Chuyển giao trong WCDMA.
Chương 3: Đánh giá hiệu suất chuyển giao
Chương 4: Mô phỏng các thuật toán chuyển giao.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy Nguyễn Văn Lành đã nhiệt tình
hướng dẫn, góp ý giúp em hoàn thành đồ án này. Em cũng xin cảm ơn toàn thể các thầy
cô khoa Viễn Thông II Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã giảng dạy và
truyền đạt các kiến thức quý báu trong thời gian em theo học tại trường.
Do thời gian nghiên cứu ngắn, tài liệu tham khảo không nhiều và trình độ kiến

thức còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của
thầy cô cùng toàn thể các bạn.
TpHCM, tháng 1 năm 2011
Người thực hiện
Châu Phước Khánh
Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 2
CHƢƠNG I
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA
  
1.1. HỆ THỐNG UMTS
1.1.1. Tổng quan
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đƣợc xây dựng với mục đích cung cấp cho
một mạng di động toàn cầu với các dịch vụ phong phú bao gồm thoại, nhắn tin, Internet
và dữ liệu băng rộng. Tại Châu Âu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đã đƣợc tiêu
chuẩn hoá bởi Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) phù hợp với tiêu chuẩn IMT-
2000 của ITU (International Telecommunication Union). Hệ thống có tên là hệ thống di
động viễn thông toàn cầu UMTS. UMTS đƣợc xem là hệ thống kế thừa của hệ thống 2G
GSM, nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển của các dịch vụ di động và ứng dụng Internet
với tốc độ truyền dẫn lên tới 2 Mbps và cung cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu.
UMTS đƣợc phát triển bởi Third Generation Partnership Project (3GPP) là dự án
phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩn hoá (SDO) nhƣ : ETSI (Châu Âu),
ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và CWTS (Trung Quốc).
Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đƣa ra các phổ tần số dùng cho hệ thống
UMTS:
o 1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD
(Frequency Division Duplex: ghép kênh theo tần số) đƣờng lên và đƣờng
xuống, khoảng cách kênh là 5 MHz.

o 1900 MHz ÷ 1920 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD
– TD/CDMA, khoảng cách kênh là 5 MHz.
o 1980 MHz ÷ 2010 MHz và 2170 MHz ÷ 2200 MHz dành cho đƣờng xuống
và đƣờng lên vệ tinh.
Năm 1998, 3GPP đã đƣa ra 4 tiêu chuẩn chính của UMTS:
- Dịch vụ
- Mạng lõi
- Mạng truy nhập vô tuyến
- Thiết bị đầu cuối
- Cấu trúc hệ thống


Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 3

Hình 1.1 Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS
1.1.2. Dịch vụ của hệ thống UMTS
3 GPP đã xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ của hệ thống UMTS nhằm đáp
ứng:
- Định nghĩa và các đặc điểm yêu cầu của dịch vụ
- Phát triển dung lƣợng và cấu trúc dịch vụ cho các ứng dụng mạng tổ ong,
mạng cố định và mạng di động
- Thuê bao và tính cƣớc
UMTS cung cấp các loại dịch vụ xa (teleservices) nhƣ thoại hoặc bản tin ngắn
(SMS) và các loại dịch vụ mang (bearer services: một dịch vụ viễn thông cung cấp khả
năng truyền tín hiệu giữa hai giao diện ngƣời sử dụng–mạng). Các mạng có các tham số
QoS (Quality of Service: chất lƣợng dịch vụ) khác nhau cho độ trễ truyền dẫn tối đa, độ
trễ truyền biến thiên và tỉ lệ lỗi bit (BER). Những tốc độ dữ liệu đƣợc yêu cầu là :

- 144 Kbps cho môi trƣờng vệ tinh và nông thôn
- 384 Kbps cho môi trƣờng thành phố (ngoài trời)
- 2084 Kbps cho môi trƣờng trong nhà và ngoài trời với khoảng cách gần
Hệ thống UMTS có 4 loại QoS sau:
- Loại hội thoại (thoại, thoại thấy hình, trò chơi)
Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 4
- Loại luồng (đa phƣơng tiện, video theo yêu cầu…)
- Loại tƣơng tác (duyệt web, trò chơi qua mạng, truy nhập cơ sở dữ liệu)
- Loại cơ bản (thƣ điện tử, SMS, tải dữ liệu xuống)
Yếu tố chủ yếu để phân biệt các loại này là độ nhạy cảm với trễ, ví dụ nhƣ hội
thoại rất nhạy với trễ còn loại cơ bản thì ít nhạy cảm với trễ nhất.
Các loại QoS của UMTS đƣợc tổng kết ở bảng 1.1
Loại
lƣu
lƣợng
Loại hội thoại
Loại luồng
Loại tương tác
Loại cơ bản
Các
đặc
tính cơ
bản
- Dành trƣớc quan
hệ thời gian giữa
các thực thể
thông tin của

luồng .
- Mẫu hội thoại
(chặt chẽ và độ
trễ nhỏ)
Dành trƣớc
quan hệ thời
gian giữa các
thực thể thông
tin của luồng
- Yêu cầu
mẫu trả lời
trƣớc
- Dành trƣớc
số liệu toàn
vẹn
- Nơi nhận
không đợi số
liệu trong
khoảng thời
gian nhất định
- Dành trƣớc số
liệu toàn vẹn
Thí dụ
về ứng
dụng
- Thoại
- Thoại thấy hình
Luồng đa
phƣơng tiện
- Duyệt web

- Các trò
chơi qua
mạng
- Tải dữ liệu
xuống
- Email

Bảng 1.1: Các loại QoS của hệ thống UMTS
1.1.3. Kiến trúc hệ thống UMTS
Mỗi phần tử mạng trong UMTS có một chức năng xác định và đƣợc định nghĩa ở
mức logic. Nhƣng điều này không bắt buộc cấu trúc phần cứng của chúng phải giống
nhau. Trong tiêu chuẩn có một số giao diện mở cho phép sử dụng các thiết bị ở điểm cuối
từ các nhà sản xuất khác nhau. Các phần tử mạng đƣợc phân nhóm theo sự tƣơng đồng về
chức năng hay dựa trên mạng con mà nó trực thuộc.
Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 5
Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống UMTS
Về mặt chức năng các phần tử mạng chia thành 2 nhóm:
Mạng truy nhập vô tuyến (RAN: Random Access Network hay UTRAN
:UMTS Terrestrial RAN) thực hiện chức năng liên quan đến vô tuyến .
Mạng lõi (CN: Core Network) thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến
cuộc gọi và kết nối dữ liệu với mạng bên ngoài.
Một hệ thống hoàn chỉnh cần có thêm thiết bị ngƣời dùng (UE).
Cấu trúc hệ thống mức cao đƣợc thể hiện trong hình (1.2) . Từ quan điểm chuẩn
hoá, cả UE và UTRAN đều bao gồm các giao thức mới. Việc thiết kế các giao thức này
dựa trên những yêu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới. Trái lại, việc định nghĩa
CN dựa trên sự kế thừa từ GSM. Điều này cho phép hệ thống với công nghệ vô tuyến mới
mang tính toàn cầu dựa trên công nghệ CN đã biết và đã phát triển.

Một phƣơng pháp chia nhóm khác cho mạng UMTS là chia chúng thành các mạng
con. Trên khía cạnh này, hệ thống UMTS đƣợc thiết kế theo môđun. Vì thế, có thể có
nhiều phần tử mạng cho cùng một kiểu. Khả năng có nhiều phần tử của cùng một kiểu
cho phép chia hệ thống UMTS thành các mạng con hoạt động hoặc độc lập hoặc cùng với
các mạng con khác. Các mạng con này đƣợc phân biệt bởi các nhận dạng duy nhất. Một
mạng con nhƣ vậy đƣợc gọi là mạng di động mặt đất công cộng UMTS (UMTS
PLMN:UMTS Public Land Mobite Network). Thông thƣờng, mỗi PLMN đƣợc khai thác
duy nhất, và nó đƣợc nối đến các PLMN khác nhƣ ISDN, PSTN, Internet…
UE bao gồm 2 phần:
USIM
ME
Cu
Node B
Node B
RNC
RNS
Iub
Node B
Node B
RNC
RNS
Iub
Iur
MSC/
VLR
GMSC
HLR
GGSNSGSN
PS
CS

PLMN,PSTN,ISDN
INTERNET
Uu
Iu
UE UTRAN CN
Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 6
- Thiết bị di động (ME – Mobile Equipment) là đầu cuối vô tuyến đƣợc sử dụng
trong truyền thông vô tuyến trên giao diện Uu
- Module xác định thuê bao UMTS (USIM – UMTS Subscriber Identity Module)
là 1 card thông minh chứa các thông tin xác định ngƣời dùng, thực hiện các
thuật toán nhận thực, lƣu trữ các khóa nhận thực và mật mã hóa.
UTRAN bao gồm 2 phần:
- Node B chuyển đổi dữ liệu giữa giao diện Iub và Uu. Nó cũng tham gia vào
quản lí tài nguyên vô tuyến.
- Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC – Radio Network Controller)
Các tiêu chuẩn UMTS đƣợc cấu trúc sao cho không định nghĩa chi tiết chức năng
bên trong của các phần tử mạng nhƣng định nghĩa giao diện giữa các phần tử mạng logic.
Các giao diện mở chính là:
Giao diện Cu: là giao diện thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân
theo một khuôn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh.
Giao diện Uu: là giao diện vô tuyến của WCDMA, giao diện giữa UE và Node
B . Đây là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống vì thế nó là
giao diện mở quan trọng nhất ở UMTS .
Giao diện Iu nối UTRAN với CN. Nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng
trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.
- Iu- CS dành cho dữ liệu chuyển mạch kênh
- Iu- PS dành cho dữ liệu chuyển mạch gói

Giao diện Iur: giao diện giữa hai RNC. Đây là giao diện mở, cho phép chuyển
giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau.
Giao diện Iub: kết nối một node B với một RNC. Nó cho phép hỗ trợ sự cạnh
tranh giữa các nhà sản xuất trong lĩnh vực này. UMTS là hệ thống điện thoại di động đầu
tiên có Iub đƣợc tiêu chuẩn hoá nhƣ một giao diện mở hoàn toàn.
1.1.4. Mạng lõi CN (Core Network)
Những chức năng chính của việc nghiên cứu mạng lõi UMTS là:
Quản lí di động, điều khiển báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa UE và mạng lõi
Báo hiệu giữa các nút trong mạng lõi
Định nghĩa các chức năng giữa mạng lõi và các mạng bên ngoài
Những vấn đề liên quan đến truy nhập gói
Giao diện Iu và các yêu cầu quản lí và điều hành mạng
Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 7
Mạng lõi UMTS có thể chia thành 2 phần: chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.
Thành phần chuyển mạch kênh gồm: MSC, VLR và cổng MSC. Thành phần
chuyển mạch gói gồm nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và
cổng nút hỗ trợ GPRS (GGSN: Gateway GPRS Support Node). Một số thành phần của
mạng nhƣ HLR và AuC đƣợc chia sẽ cho cả hai phần. Cấu trúc của mạng lõi có thể đƣợc
thay đổi khi các dịch vụ mới và các đặc điểm mới của hệ thống đƣợc đƣa ra.
Các phần tử chính của mạng lõi nhƣ sau :
HLR (Home Location Register: Thanh ghi định vị thƣờng trú) là một cơ sở dữ
liệu đƣợc đặt tại hệ thống chủ nhà của ngƣời sử dụng để lƣu trữ thông tin chính về lý lịch
dịch vụ của ngƣời sử dụng, bao gồm thông tin về các dịch vụ bổ sung nhƣ trạng thái
chuyển hƣớng cuộc gọi, số lần chuyển hƣớng cuộc gọi.
MSC/VLR (Mobile Service Switching Center: Trung tâm chuyển mạch dịch vụ
di động) là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch
kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nó. Nhiệm vụ của MSC là sử dụng các giao dịch

chuyển mạch kênh. VLR làm nhiệm vụ giữ bản sao về lý lịch của ngƣời sử dụng cũng
nhƣ vị trí chính xác hơn của UE trong hệ thống đang phục vụ. CS là phần mạng đựơc
truy nhập qua MSC/VLR.
GMSC (Gateway MSC) là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS PLMN với
mạng CS bên ngoài.
SGSN (Serving GPRS: General Packet Radio Network Service Node) có chức
năng giống nhƣ MSC/VLR nhƣng đƣợc sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói PS
(Packet Switch). Vùng PS là phần mạng đƣợc truy nhập qua SGSN.
GGSN (Gateway GPRS Support Node) có chức năng giống nhƣ các dịch vụ
điện thoại, ví dụ nhƣ ISDN hoặc PSTN.
Các mạng PS đảm bảo các kết nối cho những dịch vụ chuyển mạch gói, ví dụ
nhƣ Internet.
1.1.5. Kiến trúc UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network)
UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio
Network Subsystem). Một RNS là một mạng con trong UTRAN và gồm một bộ điều
khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) và một hay nhiều Node B. Các
RNC và các Node B đƣợc kết nối với nhau bằng giao diện Iub. Các RNC kết nối với nhau
qua giao diện Iur.

Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 8

Hình 1.3: Kiến trúc của UTRAN
Các đặc tính chính của UTRAN :
o Hỗ trợ UTRA và tất cả các chức năng liên quan. Việc thiết kế UTRAN cần đảm
bảo hỗ trợ chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù
WCDMA.
o Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển

mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và sử dụng
cùng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai miền PS và CS của mạng
lõi.
o Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết.
o Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
o Sử dụng truyền tải IP nhƣ là cơ chế truyền tải thay thế trong các phiên bản từ
phiên bản 5 (Release 5) trở lên.
Hai thành phần trong UTRAN: bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và node B.
1.1.5.1. Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của
UTRAN. Nó giao diện với CN (thông thƣờng với một MSC và một SGSN) và kết cuối
giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio Resource Control), giao thức này
định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa UE và UTRAN. Nó đóng vai trò nhƣ BSC
trong GSM.
Các chức năng chính của RNC :
o Điều khiển tài nguyên vô tuyến
o Cấp phát kênh
Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 9
o Thiết lập điều khiển công suất
o Điều khiển chuyển giao
o Phân tập Macro
o Mật mã hóa
o Báo hiệu quảng bá
o Điều khiển công suất vòng hở
Vai trò luận lí của RNC:
RNC đang điều khiển 1 Node B đƣợc gọi là CRNC (Controlling RNC) của
Node B. CRNC chịu trách nhiệm điều khiển tải và điều khiển tắc nghẽn, điều

khiển truy nhập và chỉ định mã cho các liên kết vô tuyến mới đƣợc thiết lập.
Trong trƣờng hợp 1 kết nối mobile-UTRAN sử dụng tài nguyên từ nhiều
(hơn một) RNS, RNC đƣợc chia thành 2 loại với vai trò luận lí riêng
SRNC (Serving RNC) RNC kết cuối liên kết Iu cho truyền dữ liệu ngƣời
dùng; phần ứng dụng RAN(RANAP - RAN application part) tƣơng ứng báo hiệu
đến/ từ mạng lõi.
o RNC kết cuối báo hiệu RRCl (giao thức báo hiệu giữa UE và
UTRAN).
o Thực hiện xử lí lớp 2 dữ liệu đến/từ giao diện vô tuyến
o Thực hiện ánh xạ các thông số RAB(Radio Access Bearer) vào thông
số kênh truyền giao diện vô tuyến; quyết định chuyển giao; điều
khiển công suất vòng ngoài
o SRNC cũng có thể là CRNC của vài Node B nhƣng 1 UE thì chỉ kết
nối với 1 và chỉ 1 SRNC.


Hình 1.4: UE trong trạng thái chuyển giao mềm, có 2 RNC đang điều khiển
Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 10
Drift RNC (DRNC) là các RNC khác, không phải SRNC, điều khiển cell
mà mobile đang sử dụng. DRNC không thực hiện xử lí lớp 2 dữ liệu mặt phẳng
ngƣời dùng, nhƣng định tuyến để dữ liệu đƣợc truyền thông suốt giữa các giao
diện Iub và Iur, ngoại trừ UE đang sử dụng 1 kênh chung hay kênh truyền chia sẻ.
1 UE có thể 1 hoặc nhiều DRNC hoặc không có DRNC.

Hình 1.5: UE sử dụng tài nguyên chỉ từ một Node B điều khiển bởi DRNC
Thực tế, 1 RNC vật lý thông thƣờng chứa tất cả các chức năng của CRNC, SRNC
và DRNC.

1.1.5.2. Node B (trạm gốc)
Chức năng chính của Node B là thực hiện xử lý lớp 1 của giao diện vô tuyến (mã
hoá kênh, ghép xen, thích ứng tốc độ, trải phổ,…). Nó cũng thực hiện một phần khai thác
quản lý tài nguyên vô tuyến nhƣ điều khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng nó
giống nhƣ trạm gốc ở GSM. Lúc đầu Node B đƣợc sử dụng nhƣ là một thuật ngữ tạm thời
trong quá trình chuẩn hoá nhƣng sau đó nó không bị thay đổi.
1.1.6. Thiết bị ngƣời sử dụng UE (User Equipment)
UE là sự kết hợp giữa thiết bị di động và module nhận dạng thuê bao USIM
(UMTS subscriber identity). Giống nhƣ SIM trong mạng GSM/GPRS, USIM là thẻ có thể
gắn vào máy di động và nhận dạng thuê bao trong mạng lõi.
Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment) là đầu cuối vô tuyến đƣợc sử dụng
cho thông tin vô tuyến giao diện Uu.
Modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Modulo)
là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận
thực và lƣu giữ các khoá nhận thực cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.

Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 11
1.2. CÔNG NGHỆ WCDMA
WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ ba giúp tăng
tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động
ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì
WCDMA nhận đƣợc sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc
hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.
- WCDMA là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp (DS-
CDMA), tức là bit thông tin ngƣời dùng đƣợc trải trên một băng thông rộng bằng
cách nhân dữ liệu ngƣời dùng với các bit ngẫu nhiên (gọi là chip) có đƣợc từ mã
trải phổ CDMA. Để hỗ trợ tốc độ bit cao (lên đến 2 Mb/s), ngƣời ta thay đổi hệ số

trải phổ và sử dụng nhiều kết nối đa mã.
- Tốc độ chip 3,84Mc/s dẫn tới băng thông sóng mang khoảng 5MHz. Hệ thống DS-
CDMA với băng thông 1MHz, nhƣ IS-95, đƣợc gọi chung là hệ thống CDMA
băng hẹp. Băng thông sóng mang rộng của WCDMA không những hỗ trợ tốc độ
bit cao mà còn có những thuận lợi nhất định nhƣ tăng độ lợi phân tập đa đƣờng.
Các nhà mạng có thể triển khai nhiều sóng mang 5MHz để tăng dung lƣợng hệ
thống.VD: Hình 1.6, khoảng cách giữa các sóng mang có thể là 200kHz hoặc lớn
hơn tùy thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.
Hình 1.6: Chỉ định băng thông WCDMA trong không gian thời gian – tần số - mã

Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


Châu Phước Khánh Đ06VTA1 trang 12
- WCDMA hỗ trợ tốc độ dữ liệu ngƣời dùng cao và có thể thay đổi, hay nói cách
khác là băng thông theo yêu cầu (BoD) đƣợc hỗ trợ tốt. Tốc độ dữ liệu là không
đổi trong mỗi khung 10ms. Tuy nhiên, dung lƣợng dữ liệu có thể thay đổi theo
từng khung nhƣ hình 1.6. Sự chỉ định dung lƣợng vô tuyến nhanh này sẽ đƣợc điều
khiển bởi mạng để đạt đƣợc thông lƣợng tối ƣu cho các dịch vụ dữ liệu gói.
- WCDMA hỗ trợ 2 chế độ hoạt động cơ bản: song công phân chia theo tần số
(FDD), và song công phân chia theo thời gian (TDD). Trong chế độ FDD, mỗi
khoảng tần số sóng mang 5MHz khác nhau sẽ đƣợc sử dụng cho hƣớng xuống và
hƣớng lên tƣơng ứng. Trong khi đó, TDD chỉ sử dụng một khoảng tần số sóng
mang đƣợc chia sẻ theo thời gian để sử dụng cho cả hai hƣớng. Hƣớng lên là kết
nối từ mobile đến trạm gốc, và hƣớng xuống là kết nối từ trạm gốc tới mobile.
- WCDMA hoạt động với các trạm gốc không đồng bộ, không giống nhƣ hệ thống
IS-95 cần đồng bộ trạm gốc. Do đó không cần phải tham chiếu định thời toàn cầu
nhƣ GPS. Vì thế việc triển khai các trạm gốc trong nhà hay các hệ thống cell micro
dễ dàng hơn.
- WCDMA dùng bộ thu kết hợp ở cả hƣớng xuống và hƣớng lên bằng cách sử dụng

ký tự hoa tiêu (pilot symbol).
- Giao diện vô tuyến WCDMA đƣợc thiết kế có nhiều ƣu điểm hơn các hệ thống
CDMA nhƣ tách sóng đa ngƣời sử dụng, sử dụng anten thông minh để nâng cao
dung lƣợng và vùng phủ.
- WCDMA đƣợc thiết kế tƣơng thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dung
lƣợng của mạng.
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1
Thông số
Hệ thống 3G
Băng tần
1920 ~1980, 2110 ~2710 MHz
Đa truy nhập
WCDMA
Song công
FDD
Băng thông
4,4 ~ 5MHz với bội số của 200kHz (4,7
MHz/ sóng mang)
Tốc độ bit
Thay đổi (lên đến 2Mb/s, 384 kb/s
outdoor)
Hình dạng xung chip
Cosin tăng (roll-off =22%)