CÔNG NGHỆ 3G CDMA KỸ THUẬT TRẢI PHỔ

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG
TIN DI ĐỘNG
1.1 Công nghệ tương tự 0G và 1G
Có hai thế hệ trong các công nghệ di động được coi là tương tự. Các công
nghệ này được gọi là 0G và 1G. 1G là công nghệ di động tổ ong (cellular) đầu
tiên, còn 0G là công nghệ di động tiền tổ ong (pre – cellular). Các thiết bị đầu
cuối sử dụng trong 0G khó có thể gọi là thiết bị di động. Các mẫu mã đầu tiên
rất lớn và thường được gắn vào xe ô tô. Sau đó, các thiết bị cầm tay ra đời,
nhưng 0G bị thay thế bởi thế hệ kế tiếp, 1G.
Khía cạnh chủ yếu phân biệt giữa 0G và 1G là công nghệ 1G sử dụng mạng
tổ ong (cellullar network). Một mạng tổ ong là một mạng tạo nên bởi một số các
cell. Mỗi cell này được phục vụ bởi một máy phát cố định, thường gọi là trạm
gốc. Trên thực tế, cũng có một vài ví dụ về việc sử dụng mạng tổ ong trong 0G,
nhưng điều làm nên sự khác biệt giữa 1G và 0G là 1G hỗ trợ việc kết nối liền
mạch khi di chuyển từ cell này sang cell khác. Điều này có nghĩa là, khi người
dùng ra khỏi tầm hoạt động của một trạm gốc trong khi đang thực hiện cuộc gọi,
nếu sử dụng công nghệ 0G thì người dùng sẽ bị ngắt kết nối, trong khi sử dụng
công nghệ 1G người dùng sẽ không nhận thấy sự ngắt quãng nào. Một khía cạnh
khác phân biệt 0G và 1G là các công nghệ 0G thường là bán song công (có
nghĩa là việc thu và phát âm thanh không xảy ra đồng thời).
Vào những năm 1970, các mạng sử dụng công nghệ 0G bị quá tải nghiêm
trọng. Một chuẩn tương tự khác được giới thiệu, đó là 1G. Giống như 0G, 1G sử
dụng băng tần vô tuyến UHF. Việc truyền âm thanh được thực hiện mà không
có sự mã hóa trên giao diện vô tuyến. Điều này có nghĩa là bất cứ ai có một máy
quét đơn giản cũng có thể nghe được các cuộc điện đàm. Các cố gắng của nhà
chức trách nhằm ngăn chặn việc xâm nhập bất hợp pháp này đều không giải
quyết được vấn đề. Bên cạnh việc bảo vệ thông tin cá nhân, nhược điểm này của
Trang 1
hệ thống còn đưa đến một vấn đề khác. Bởi vì dữ liệu truyền được gửi đi mà
không mã hóa, các kỹ thuật bảo mật còn thô sơ dễ dàng lộ ra cho các hacker.

Hầu hết các công nghệ 1G chỉ có một dạng bảo mật, một thủ tục nhận thực
hết sức thô sơ. Thủ tục này bao gồm việc xác nhận hai số: số nhận dạng di động
MIN và số thuê bao điện tử ESN. Quá trình xác nhận này diễn ra khi một thiết bị
di động bắt đầu liên lạc với hệ thống. Đầu tiên, sổ đen (blacklist) sẽ được kiểm
tra xem thiết bị di động này có bị khóa hay không. Tiếp theo, một bản tin được
gửi tới HLR để thông qua sự kết hợp của MIN và ESN. Cả hai số này được
truyền không mã hóa qua giao diện vô tuyến. Hacker có thể nghe trộm và có thể
sử dụng các số này để tạo ra các bản sao bất hợp pháp mà với chúng, các hacker
có thể nhận thực thành công dưới dạng một thuê bao khác. Vấn đề càng trở nên
trầm trọng khi nhiều nhà cung cấp thậm chí không thực hiện việc nhận thực trên
các máy di động do việc thiếu hụt sự chuẩn hóa và các lý do về hiệu suất. Điều
này gây nên việc sử dụng trái phép vô cùng lớn trong các mạng di động.
1.2 Công nghệ số 2G và 3G
1.2.1 2G ( second generation )
Mốc đánh dấu quan trọng trong quá trình phát triển của các công nghệ di
động là sự ra đời của xử lý tín hiệu số DSP. Nhờ có DSP, chất lượng thoại được
cải tiến đáng kể vì thông tin số không bị ảnh hưởng bởi méo. Thêm vào đó, dải
phổ có thể được sử dụng một cách hiệu quả hơn hẳn nhờ có các kỹ thuật hợp
kênh. Bởi vì các kỹ thuật tương tự sử dụng FDMA, chỉ có một người dùng có
thể sử dụng một tần số xác định tại bất kỳ thời gian nào trong một cell. Với công
nghệ 2G, vấn đề này được giải quyết bằng cách sử dụng TDMA và CDMA. Các
kỹ thuật này cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một tần số.
Cấu trúc bảo mật cũng có những bước cải tiến đáng kể. Có hai chuẩn chính
trong 2G: GSM và cdmaOne. Cả hai chuẩn này đều sử dụng kỹ thuật đòi hỏi –
đáp ứng (challenge – response) để nhận diện người dùng. Khi thực hiện cuộc
gọi, thiết bị di động cần tính toán một đáp ứng cho đòi hỏi (dưới dạng một số
Trang 2
ngẫu nhiên) được gửi bởi mạng. Đáp ứng này được tính toán sử dụng một khóa
bí mật duy nhất được lưu trên thiết bị di động đó. Đáp ứng này sau đó có thể
được xác nhận bởi mạng, vì nó cũng lưu trữ khóa bí mật trùng với khóa lưu tại

thiết bị di động của người dùng. Khóa này sau đó có thể sử dụng để thiết lập
việc mã hóa trên đường truyền qua giao diện vô tuyến.
Nhìn lại những vấn đề đối với thế hệ tương tự, có thể kết luận rằng ít nhất
về mặt lý thuyết những vấn đề này đã được giải quyết. Việc truyền dẫn đã được
mã hóa để bảo vệ thông tin cá nhân người dùng và sự tin cậy, một phương pháp
nhận thực tốt hơn được sử dụng. Trên thực tế, lại có một số vấn đề nảy sinh.
Đầu tiên, các chuẩn này có thể tin cậy được, về một mặt nào đó, dựa trên sự khó
hiểu của các thuật toán của nó. Theo thời gian, bí mật về các thuật toán này rò rỉ,
có thể dễ dàng chứng minh rằng các thuật toán này trở nên yếu ớt. Thứ hai, các
chuẩn này có nhiều khuyết điểm về mặt giao thức có thể sử dụng để nhận thực
bất hợp pháp một máy di động lậu. Một nhược điểm nữa là việc thiếu hụt trong
bảo vệ sự toàn vẹn. Khi một thiết bị di động được nhận thực, nhưng không phải
trong mạng, một trạm gốc giả có thể sử dụng để nhận việc nhận thực dữ liệu từ
một thuê bao không rõ nguồn gốc.
1.2.2 3G ( third generation )
Thông tin di động thế hệ hai mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ
thống băng hẹp và được xây dựng dựa trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không
đáp ứng được nhu cầu của các dịch vụ mới, thêm vào đó là có quá nhiều tiêu
chuẩn khác nhau, làm cho việc di chuyển của thuê bao giữa các quốc gia này với
các quốc gia khác gặp nhiều khó khăn. Chính vì lẽ đó mà các tổ chức viễn thông
trên thế giới thấy cần thiết phải tập hợp lại và đề ra phương án phải có một tiêu
chuẩn thống nhất chung để các hệ thống viễn thông di động tương lai vừa đáp
ứng được các yêu cầu của thời đại mới, vừa mang tính thống nhất chung cho các
hệ thống. Kết quả là IMT – 2000 do ITU – R xây dựng đã ra đời nhằm đáp ứng
các yêu cầu đó. IMT – 2000 mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho
Trang 3
phép nhiều phương tiện thông tin có thể cùng hoạt động, từ các phương tiện
truyền thống cho đến các phương tiện hiện đại và các phương tiện truyền thông
đã có trong tương lai. Vào năm 1999, ITU thông qua năm giao diện vô tuyến sử
dụng IMT – 2000. Đó là các giao diện:

- IMT – DS (Direct Spead) – Trải phổ trực tiếp: còn được biết đến với
tên WCDMA hay UTRA – FDD và được sử dụng trong UMTS.
- IMT – MC (Multi Carrier) – Đa sóng mang: còn được gọi là
CDMA2000.
- IMT – TD (Time Division) – Phân chia theo thời gian: bao gồm TD –
CDMA và TD – SCDMA, cả hai đều được chuẩn hóa để sử dụng
trong UMTS.
- IMT – SC (Single Carrier) – Đơn sóng mang: còn được gọi là UWC
– 136 hoặc EDGE.
- IMT – FT (Frequency Time): còn được gọi là DECT.
Trong năm giao diện này, IMT – DS (hay UMTS) và IMT – MC (hay
CDMA2000) được coi là hai chuẩn chính. UMTS được phát triển ở châu Âu và
là thế hệ sau của GSM. CDMA2000 là thế hệ sau của cdmaOne và được phát
triển ở Mỹ.
Hình 1: Quá trình phát triển từ công nghệ 2G lên 3G.
Trang 4
1.3 Tổng quan về mạng thông tin di động 3G
1.3.1 Giới thiệu
3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3
(Third Generation).
3G (third generation technology) là tiêu chuẩn truyền thông di động
băng thông rộng thế hệ thứ 3 tuân thủ theo các chỉ định trong IMT-2000 của
ITU (Tổ chức viễn thông thế giới). Chuẩn 3G cho phép truyền không dây dữ
liệu thoại và phi thoại (gửi email, hình ảnh, video ).
1.3.2 Một số yêu cầu của mạng thông tin di động 3G
Hệ thống thông tin di động ba xây dựng trên tiêu chuẩn IMT-2000. Với
các tiêu chuẩn sau:
Sử dụng dải tần quy định Quốc Tế:
Đường lên : 1885 – 2025 MHZ .
Đường xuống :2110 – 2200 MHZ .

Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô
tuyến.
Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến .
Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông .
Sử dụng được trong các môi trường khác nhau :
Công sở , ngoài đường , vệ tinh …
Có thể hỗ trợ được các dịch vụ khác:
Môi trường ảo .
Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện .
Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới ra .
Trang 5
CHƯƠNG II
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UTMS
2.1 Tổng quan về mạng UTMS
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được 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 được tiêu chuẩn hoá bởi học viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu
(ETSI: European Telecommunications Standard Institute) phù hợp với tiêu
chuẩn IMT- 2000 của ITU (International Telecommunication Union). Hệ thống
có tên là UMTS (hệ thống di động viễn thông toàn cầu). UMTS được xem là hệ
thống kế thừa của hệ thống 2G GSM (Global System for Mobile mmunication),
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 chuN n
chuyển vùng toàn cầu. UMTS được phát triển bởi Third Generation Partnership
Project (3GPP) là dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuN n hoá
(SDO) như : 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 đưa ra
các phổ tần số dùng cho hệ thống UMTS:
* 1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD

(Frequency Division Duplex: ghép kênh theo tần số) đường lên và đường
xuống, khoảng cách kênh là 5 MHz.
Trang 6
Hình 2 Các phổ tần dành cho hệ thống UMTS
* 1900 MHz ÷ 1902 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng
TDD – TD/CMDA, khoảng cách kênh là 5 MHz.
* 1980 MHz ÷ 2010 MHz và 2170 MHz ÷ 2200 MHz dành cho đường
xuống và đường lên vệ tinh.
Năm 1998 3GPP đã đưa ra 4 tiêu chuN n chính của UMTS:
- Dịch vụ
- Mạng lõi
- Mạng truy nhập vô tuyến
- Thiết bị đầu cuối
- Cấu trúc hệ thống
2.2 Cấu trúc của hệ thống UMTS
Phần này ta sẽ xét tổng quan cấu trúc hệ thống UMTS. Cấu trúc bao gồm các
phần tử mạng logic và các giao diện. H? th?ng UMTS s? d?ng cùng c?u trúc như
hệ thống thế hệ 2, thậm chí một phần cấu trúc của hệ thống thế hệ 1.
Trang 7
Mỗi phần tử mạng logic có một chức năng xác định. Trong tiêu chuẩn các phần
tử mạng được định nghĩa cũng thường được thực hiện ở dạng vật lí tương tự,
nhất là có một số giao diện mở (giao diện sao cho ở mức chi tiết có thể sử dụng
được thiết bị của hai nhà sản xuất khác nhau ở các điểm cuối). Có thể nhóm các
phần tử mạng theo các chức năng giống nhau hay theo mạng con mà chúng trực
thuộc.
Các loại Q0S của UMTS được tổng kết ở bảng (4.1)
Về mặt chức năng có 2 nhóm phần tử mạng:
• 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 số liệu.
Để hoàn thiện, hệ thống còn có thiết bị người sử dụng (UE :User Equipment)
Trang 8
để thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống và cần định nghĩa giao diện
vô tuyến.
Cấu trúc hệ thống mức cao được 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 nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới.
Trái lại, việc định nghĩa CN dựa trên 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 phương pháp chia nhóm khác cho mạng UMTS là chia chúng
thành các mạng con. Trên khía cạnh này, hệ thống UMTS được thiết kế theo
Modun. 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 được phân biệt bởi các nhận dạng duy nhất. Một mạng con như vậy được
gọi là mạng di động mặt đất công cộng UMTS (UMTS PLMN:UMTS Public
Land Mobite Network). Thông thường, mỗi PLMN được khai thác duy nhất, và
nó được nối đến các PLMN khác như ISDN, PSTN, Internet
Các tiêu chuẩn UMTS được cấu trúc sao cho không định nghĩa chi tiết chức
năng bên trong của các phần tử mạng nhưng 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
Trang 9
• 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 nút 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 được tiêu chuN n hoá như một giao diện mở hoàn toàn.
2.3 CẤU HÌNH ĐỊA LÝ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G
Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải được tổ chức
theo một cấu trúc địa lý nhất định để mạng có thể theo dõi được vị trí của thuê
bao.
2.3.1. Phân chia theo vùng mạng
Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào
một vùng mạng nào đó phải được thực hiện thông qua tổng đài cổng. Các vùng
mạng di động 3G được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC hoặc GGSN. Tất cả
các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến đến
GMSC hoặc GGSN. Tổng đài này làm việc như một tổng đài trung kế vào cho
mạng 3G. Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở
trạm di động. GMSC/GGSN cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi vào từ
mạng ngoài đến nơi nhận cuối cùng: các trạm di động bị gọi.
2.3.2. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN
Một mạng thông tin di động được phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn,
mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 1.16a). hay SGSN
(1.16b) Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR hay SGSN.
Trang 10
Hình 3 Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN
Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua
mạng sẽ được nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động cần gọi. Ở mỗi vùng
phục vụ MSC/VLR thông tin về thuê bao được ghi lại tạm thời ở VLR. Thông
tin này bao gồm hai loại:

Thông tin về đăng ký và các dịch vụ của thuê bao.
Thông tin về vị trí của thuê bao (thuê bao đang ở vùng định vị hoặc vùng định
tuyến nào).
2.3.3. Phân chia theo vùng định vị và vùng định tuyến
Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị: LA
(Location Area) (hình 2.2a). Mỗi vùng phục vụ của SGSN được chia thành các
vùng định tuyến (RA: Routing Area) (2.2b).
Hình 4 Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng định vị
(LA: Location Area) và định tuyến (RA: Routing Area)
Trang 11
Vùng định vị (hay vùng định tuyến là một phần của vùng phục vụ
MSC/VLR (hay SGSN) mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do và
không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR (hay SGSN) quản lý vị trí
này. Có thể nói vùng định vị (hay vùng định tuyến) là vị trí cụ thể nhất của trạm
di động mà mạng cần biết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nó. Ở vùng định
vị này thông báo tìm sẽ được phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi. Hệ
thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị
(LAI: Location Area Identity) hay nhận dạng vùng định tuyến (RAI Routing
Area Identity). Vùng định vị (hay vùng định tuyến) có thể bao gồm một số ô và
thuộc một hay nhiều RNC, nhưng chỉ thuộc một MSC (hay một SGSN).
2.3.4. Phân chia theo ô
Vùng định vị hay vùng định tuyến được chia thành một số ô (hình 2.3).
Hình 5 Phân chia LA và RA
Ô là một vùng phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu
(CGI: Cell Global Identity). Trạm di động nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm
gốc (BSIC: Base Station Identity Code). Vùng phủ của các ô thường được mô
phỏng bằng hình lục giác để tiện cho việc tính toán thiết kế.
2.3.5. Mẫu ô
Mẫu ô có hai kiểu: vô hướng ngang (omnidirectional) và phân đoạn
(sectorized). Các mẫu này được cho trên hình 2.4

Trang 12
Hình 6 Các kiểu mẫu ô
Ô vô hướng ngang (hình 2.4a) nhận được từ phát xạ của một anten có búp
sóng tròn trong mặt ngang (mặt phẳng song song với mặt đất) và búp sóng có
hướng chúc xuống mặt đất trong mặt đứng (mặt phẳng vuông góc với mặt đất).
Ô phân đoạn (hình 2.4b) là ô nhận được từ phát xạ của ba anten với hướng phát
xạ cực đại lệch nhau 120
0
. Các anten này có búp sóng dạng nửa số 8 trong mặt
ngang và trong mặt đứng búp sóng của chúng chúc xuống mặt đất. Trong một số
trường hợp ô phân đoạn có thể được tạo ra từ phát xạ của nhiều hơn ba anten.
Trong thực tế mẫu ô có thể rất đa dạng tùy vào địa hình cần phủ sóng. Tuy nhiên
các mẫu ô như trên hình 1.19 thường được sử dụng để thiết kế cho sơ đồ phủ
sóng chuẩn.
2.3.6. Tổng kết phân chia vùng địa lý trong các hệ thống thông tin di động
3G
Trong các kiến trúc mạng bao gồm cả miền chuyển mạch kênh và miền
chuyển mạch gói, vùng phục mạng không chỉ được phân chia thành các vùng
định vị (LA) mà còn được phân chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing
Area). Các vùng định vị (LA: Location Area) là khái niệm quản lý di động của
miền CS kế thừa từ mạng GSM. Các vùng định tuyến (RA: Routing Area) là các
thực thể của miền PS. Mạng lõi PS sử dụng RA để tìm gọi. Nhận dạng thuê bao
P-TMSI (Packet- Temporary Mobile Subsscriber Identity: nhận dạng thuê bao di
động gói tạm thời) là duy nhất trong một RA.
Trang 13
Trong mạng truy nhập vô tuyến, RA lại được chia tiếp thành các vùng
đăng ký UTRAN (URA: UTRAN Registration Area). Tìm gọi khởi xướng
UTRAN sử dụng URA khi kênh báo hiệu đầu cuối đã được thiết lập. URA
không thể nhìn thấy được ở bên ngoài UTRAN.
Quan hệ giữa các vùng được phân cấp như cho ở hình 1.20 (ô không được thể

hiện). LA thuộc 3G MSC và RA thuộc 3G SGSN. URA thuộc RNC. Theo dõi vị
trí theo URA và ô trong UTRAN được thực hiện khi có kết nối RRC (Radio
Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) cho kênh báo hiệu đầu cuối.
Nếu không có kết nối RRC, 3G SGSN thực hiện tìm gọi và cập nhật thông tin vị
trí được thực hiện theo RA.
Hình 7 Các khái niệm phân chia vùng địa lý trong 3G WCDMA UMTS.
Trang 14
CHƯƠNG III
CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA W-CDMA
3.1. Giới thiệu
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là phát triển của
GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ thứ 3. W-CDMA sử dụng công nghệ
trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA băng rộng và mạng lõi được phát triển từ
GSM và GPRS. Nó có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ lên đến 2 Mbit/s. W-
CDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến là ghép song công phân
chia theo thời gian TDD và ghép song công phân chia theo tần số FDD. Cả hai
giao diện này đều sử dụng DS-CDMA.
FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau
190MHz:
- Đường lên: 1920 – 1980 MHz
- Đường xuống: 2110 – 2170 MHz
TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 – 1920 MHz và từ 2010 – 2025
MHz với đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần.
W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM và GPRS hiện có.
Kiến trúc mạng lõi phát hành 3 GPP 1999 được xây dựng trên cơ sở kiến trúc
mạng lõi của GSM/GPRS.
3.2. Các đặc điểm của W-CDMA
- Hiệu suất sử dụng tần số cao:
Về nguyên tắc, dung lượng tiềm năng của hệ thống được xem như giống
nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy nhập như TDMA và FDMA được ứng

dụng. Trong khi CDMA thường được coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao
nghĩa là CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất sử dụng tần số.Việc sử dụng các
công nghệ cơ bản của hệ thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử
dụng tần số cao cho hệ thống.
- Dễ quản lý tần số:
Trang 15
Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không cần
có quy hoạch tần số. Ngược lại trong các hệ thống sử dụng TDMA và FDMA
cần phải đặc biệt chú ý đến quy hoạch tần số.
- Công suất phát của máy di động thấp:
Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống W-
CDMA có thể giảm được tỷ số Eb/No (tương đương tỷ số tín hiệu trên nhiễu) ở
mức thấp chấp nhận được. Điều này không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống
mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu. Việc
giảm này đồng nghĩa với giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động. Nó
làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong một vùng rộng hơn với công
suất thấp khi so với hệ thống TDMA hoặc hệ thống tương tự có cùng công suất.
Ngoài ra việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số
lượng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác.
Một ưu điểm lớn hơn xuất phát từ quá trình tự điều chỉnh công suất phát
trong hệ thống W-CDMA là nó làm giảm công suất phát trung bình. Trong
hệ thống W-CDMA, công suất phát trung bình có thể giảm vì công suất yêu cầu
chỉ được phát đi bởi việc điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi
xảy ra pha đinh.
- Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên
và đường xuống:
Trong CDMA, rất dễ để cung cấp một cấu hình không đối xứng giữa đường
lên và đường xuống. Ví dụ trong các hệ thống truy nhập khác như TDMA sẽ rất
khó để phân chia các khe thời gian cho đường lên và đường xuống của một
thuê bao độc lập với các thuê bao khác. Trong FDMA, rất khó để thiết lập cấu

hình không đối xứng cho đường lên và đường xuống vì độ rộng băng tần sóng
mang của đường lên và đường xuống sẽ phải thay đổi. Ngược lại, trong CDMA
hệ số trải phổ (SF) có thể được thiết lập độc lập giữa đường lên và đường xuống
đối với mỗi thuê bao và nhờ đó có thể thiết lập các tốc độ khác nhau ở đường
lên và đường xuống. Điều này cho phép sử dụng hiệu quả các tài nguyên vô
Trang 16
tuyến ngay cả trong các loại hình thông tin không đối xứng như truy cập
Internet. Khi không phát số liệu thì tài nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng.
Do đó nếu một thuê bao chỉ thực hiện truyền tin ở trên đường lên và một thuê
bao khác chỉ thực hiện truyền tin ở đường xuống thì các tài nguyên vô tuyến
được sử dụng tương đương tài nguyên cho một cặp đường truyền lên và xuống.
3.3. Các đặc tính cơ bản của W-CDMA
- Phương thức truy nhập: CDMA trải phổ trực tiếp
- Phương thức truyền hai chiều (song công): Song công phân chia theo tần số
FDD và song công phân chia theo thời gian TDD
- Độ rộng băng thông: 5 MHz
- Tốc độ chip: 3,84 Mchip/s
- Khoảng cách sóng mang: 200 KHz
- Tốc độ số liệu: ~ 2 Mbit/s
- Độ dài khung số liệu: 10, 20, 40, 80 ms
- Mã hiệu chỉnh lỗi: Mã vòng, mã xoắn, mã Turbo
- Phương thức điều chế số liệu:
+ Đường xuống: Điều chế pha 4 trạng thái QPSK
+ Đường lên: Điều chế pha hai trạng thái BPSK
- Phương thức điều chế trải phổ:
+ Đường xuống: QPSK
+ Đường lên: Điều chế pha hỗn hợp HPSK
- Hệ số trải phổ (SF): 4 ~ 512
- Phương thức đồng bộ giữa các trạm gốc: Dị bộ (cũng có thể sử dụng chế
độ đồng bộ)

Phương thức mã hóa thoại: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng AMR (1,95 kbit/s –
12,2 kbit/s).
Trang 17
Hình 8 Kiến trúc mạng WCDMA phát hành năm 1999
Hình vẽ cho thấy cấu trúc mạng cơ sở W-CDMA trong 3GPP Release 1999 (tập
tiêu chuẩn đầu tiên cho UMTS).
Mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch di động (MSC: Mobile
Switching Center) và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói phục vụ (SGSN: Serving
General Packet Radio Service Support Node). Các kênh thoại và số liệu chuyển
mạch gói được kết nối với các mạng ngoài qua các trung tâm chuyển mạch kênh
và nút chuyển mạch gói cổng: GMSC (không đựoc chỉ ra ở hình vẽ) và GGSN.
Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử
làm chức năng tươgn tác mạng (IWF). Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh
và nút chuyển mạch gói, mạng lõi còn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho các
mạng di động như: HLR, AUC và EIR (hai phần tử cuối cùng không đựoc chỉ ra
ở hình vẽ).
mạng truy nhập vô tuyến chứa cấc phần tử sau:
- RNC: Radio Network Controller: Bộ điều khiển mạng vô tuyến, đóng vai trò
nhưu BSC ở các mạng thông tin di động
- Nút B đóng vai trò như các BTS ở các mạng thông tin di động
- UE: User Equipment - thiết bị của người sử dụng .
Trang 18
UE bao gồm thiết bị di động (ME) và modun nhận dạng thuê bao UMTS
(USIM). USIM là vi mạch chứa một số thông tin liên quan đến thuê bao cùng
với khoá bảo an (giống như SIM ở GSM) . Giao diện giữa UE và mạng gọi là
giao diện Uu. Trong các quy định của 3GPP, trạm gốc được gọi là nút B. Nút B
được nối đến một bộ điều khiển trạm vô tuyến RNC. RNC điều khiển các tài
nguyên vô tuyến của các nút B được nối với nó. RNC đóng vai trò như BSC ở
GSM. RNC kết hợp với các nút B nối với nó được gọi là hệ thống con mạng vô
tuyến RNS(Radio Network Subsystem). Giao diện giữa nút B và RNC gọi là

giao diện Iub. Khác với giao diện Abis tương đương ở GSM , gioa diện Uib
được chuẩn hoá hoàn toàn và để mở, vì thế có thể kết nối nút B vcủa một nhà
sản xuất này với RNC của một nhà sản xuất khác.
Khác với ở GSM, các BSC trong mạng W-CDMA không nối với nhau, trong
mạng truy nhập vô tuyến của UMTS (UTRAN) có cả giao diện giữa các RNC .
Giao diện này gọi là Iur có tác dụng hỗ trợ tính di động giữa các RNC và chuyển
giao giữa các nút B nối đến các RNC khác nhau Báo hiệu Iur hỗ trợ chuyển
giao.
UTRAN được nối đến mạng lõi qua giao diện Iu. Giao diện Iu có hai phần tử
khác nhau: Iu-CS và Iu-PS. Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạch kênh được
thực hiện qua giao diện Iu-CS, giao diện này nối RNC đến một MSC/VLR. Kết
nối UTRAN đến phần chuyển mạch gói được thực hiện qua giao diện Iu-PS,
giao diện này nối RNC đến một SGSN
Từ hình vẽ ta thấy tất cả các giao diện UTRAN của 3GPPP phát hành năm 1999
đều được xây dựng trên cơ sở ATM. ATM được chọn vì nó có khả năng hỗ trợ
nhiều laọi dịch vụ khác nhau (chẳng hạn tốc độ bít khả biến cho các dịch vụ trên
cơ sở gói và tốc độ bít không đổi cho các dịch vụ chuyển mạch kênh). Mặt khác
mạng lõi sử dụng cùng một kiến trúc cơ sở như kiến trúc của GSM/GPRS, nhờ
vậy công nghệ mạng lõi hiện có có thể hỗ trợ công nghệ truy nhập vô tuyến mới.
Chẳng hạn cuĩng có thể nâng cấp mạng lõi hiện có để hỗ trợ UTRAN sao cho
một MSC có thể nối đến cả UTRAN RNC và GSM BSC.
Trang 19
Trong thực tế các tiêu chuẩn UMTS cho phép hỗ trợ chuyển giao cúng từ UMTS
đến GSM và ngược lại. Đây là một yêu cầu rất quan trọng vì cần phải có thời
gian để triển khai rộng khắp UMTS nên sẽ có khoảng trống trong vùng phủ sóng
của UMTS và vì tghế thuê bao UMTS phải có khả năng nhận được dịch vụ ở
vùng phủ sóng của GSM. Nếu UTRAN và GSM BSS được nối đến các MSC
khác nhau, chuyển giao giữa cấc hệ thống đạt được bằng cách chuyển giao giữa
các MSC. Nếu giả thiết rằng nhiều chức năng của MSC/VLR giống nhau đối với
UMTS và GSM, MSC cần phải có khả năng hỗ trợ đồng thời cả hia kiểu dịch

vụ. Tương tự hoàn toàn hợp lý khi giả thiết rằng SGSN phải có khả năng hỗ trợ
đồng thời kết nối Iu-PS đến RNC và Gb đến GPRS BSC.
Trong hầu hết sản phẩm của nhà sản xuất, nhiều phần tử mạng đang được nâng
cấp để hỗ trợ đồng thời GSM/GPRS và UMTS. Các phần tử mạng này bao gồm
MSC/VLR, HLR, SGSN và GGSN. Đối với nhiều nàh sản xuất, các trạm gốc
được triển khai do GSM/GPRS đã được thiết kế để có thể nâng cấp chúng hỗ trợ
cho cả GSM và UMTS. Đối với một số nhà sản xuất BSC đựoc nâng cấp để hạot
động như cả hai GSM BSC và ÚMT RNC. Tuy nhiên cấu hình này rất hiếm.
Yêu cầu giao diện và các chức năng khác nhau (như chuyển giao mềm)của
UMTS RNC chứng tỏ rằng công nghệ của nó hoàn toàn khác với GSM BSC. Vì
thế thông thường ta thấy các UMTS RNC và GSM BSC tách biệt.
Hình 9 Kiến trúc mạng W-CDMA phat hanh 4
Trang 20
Hình vẽ cho thấy kiến trúc cơ sở của mạng W-CDMA phát hành 4. Sự khác
nhau cơ bản giữa phát hành 1999 và phát hành 4 là ở chỗ khi này mạng lõi là
mạng phân bố. Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như
ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố được đưa vào.
Về căn bản, MSC được chia thành MSC Server và cổng các phương tiện
(MGW: Media Getway). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi,
quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trân
chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Serve điều
khiển và có thể đặt xa MSC Serve.
Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC
và MSC Serve. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực
hiện giữ 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. Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng
giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol)tren giao
thức IP (Internet Protocol). Theo hình vẽ ta thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC đi
qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đwongf trục IP. Nếu giả thiết rằng

cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng phương thức truyền qua IP bên trong
mạng lõi , thì có thể cấu trúc một đường trục để hỗ trợ cả hai dịch vụ này. Tuy
nhiên điều này đòi hỏi đầu tư và chi phí cho khai thác rất lớn so với trường hợp
sử dụng các mạng đường trục tách biệt cho chuyển mạch kênh và gói.
Ở nơi mà 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 Serve cổng
(GMSC serve). MGW này sẽ chuyển thoại đwocj đóng gói thành PCM tiêu
chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này.
Ví dụ: Giả thiết nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc độ 12,2 kbit/s
thì tốc độ này phải đwocj chuyển vào 64 kbit/s ở MGW gioa tiếp vơiư PSTN.
Truyền tải kiểu đóng gói này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất
là khi các MGW cách xa nhau.
Trang 21
Giao thức điều khiển giữa MSC Serve hoặc GMSC Serve với MGW là giao thức
ITU H.248. Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển. Nó có tên là
điều khiển cổng các phương tiện(MEGACO: Media Getway Control). Giao thức
điều khiển cuộc gọi giứ MSC Serve và GMSC Serve có thể là một giao thức
điều khiển cuộc gọi bất kỳ. 3GPP đề nghị sử dụng giao thứcđiều khiển cuộc gọi
độc lập vật mang (BICC:Beare Indepentdent Call Cotrol) được xây dựng trên cơ
sở khuyến nghị Q.1902 của ITU.
Trong nhiều trường hợp MSC Serve hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Serve,
Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với tất 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. Ví dụ ta xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và đựoc
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 từi
thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối thuê bao PSTN tại chính
thnàh phố A. Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều tại MSC Serve 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 vẽ ta thấy HLR cũng có thể được gọi là Serve thuê bao tại nhà (HSS:
Home Subscriber Serve)HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trù giao
diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn)trong khi
HLRsử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Ngoài ra còn có cá giao diện giữ
SGSN với HSS/HLR và giữa GGSN với HSS/HLR.
Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là cá giao thức trên cơ sở
gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM. Tuy nhiên mạng phải giao tiếp với các mạng
giao tiếp truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện . Ngoài ra
mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này được
thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW). Đây là cổng mà một phía nó hỗ trợ
truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn , ở phái kia nó truyền
tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn). Các thực htể như
Trang 22
MSC Serve, GMSC Serve và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các
giao thưc truyền tải được thiết kế đặc biệt để mạng các bản tin SS7 ở mạngIP.
Bộ giao thức này được gọi là Sigtran.
Bước phát triển tiếp theo của UMTS là kiến trúc mạng đa phương tiện IP (hình
vẽ)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.
3.4. Cấu trúc mạng W-CDMA
Về mặt chức năng, các phần tử mạng được nhóm thành hai phần:
- Mạng lõi CN (Core Network) thực hiện chức năng chuyển mạch, định
tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu.
- Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN thực hiện chức năng liên quan đến vô
tuyến.
USIM (UMTS Subscriber Identity Module): Modul nhận dạng thuê bao UMTS
MS (Mobile Station): Trạm di động
RNC (Radio Network Controller): Bộ điều khiển mạng vô tuyến

MSC (Mobile Service Switching Center): Trung tâm chuyển mạch các
dịch vụ di động
Trang 23
USIM
ME
USIM
Nút
B
Nút
B
Nút
B
Nút
B
RNC
RNC
MSC/
VLR
GMS
C
GGSNSGSN
HLR
PLMN,
PSTN,ISDN…
Internet
U
u
I
u
U

E
C
u
I
ur
UTRAN
I
ub
C
N
Các mạng ngoài
Hình 10 Cấu trúc của UMTS
VLR (Visitor Location Register): Bộ ghi định vị tạm trú
SGSN (Serving GPRS Support Node): Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS
GGSN (Gateway GPRS Support Node): Nút hỗ trợ GPRS cổng
HLR (Home Location Register): Bộ ghi định vị thường trú
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến
mặt đất UMTS.
CN (Core Network): Mạng lõi
PLMN (Public Land Mobile Network): Mạng di động công cộng mặt đất
PSTN (Public Switch Telephone Network): Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng.
ISDN (Integrated Service Digital Network): Mạng số liên kết đa dịch vụ
ME (Mobile Equipment): Thiết bị di động
*UE (User Equipment): Thiết bị người sử dụng
Thiết bị người sử dụng UE thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ
thống. UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động ME ( Mobile Equipment ) : Là đầu cuối vô tuyến được sử
dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện U
u

.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa
thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ
các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
*UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô
tuyến
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến
truy nhập vô tuyến. UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS
(Radio Network Subsystem). Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến
RNC và các nút B.
Trang 24
- Chức năng của UTRAN:
+ Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các
thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.
+ Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển
mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN
đến cả hai vùng của mạng lõi.
+ Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
+ Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
- Các thành phần của UTRAN:
+ Nút B: Là nút logic có chức năng thu và phát vô tuyến, nó còn được gọi là
trạm thu phát gốc BTS. Giao diện giữa nút B và RNC được gọi là I
ub
. Nút B thực
hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện I
ub
và U
u
. Nó cũng tham gia
quản lý tài nguyên vô tuyến. Nút B phủ sóng cho một hoặc nhiều ô, nó được kết

nối với thiết bị người sử dụng UE qua giao diện vô tuyến.
+ Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller): Có chức
năng quản lý các tài nguyên vô tuyến và điều khiển nút B như điều khiển chuyển
giao. Giao diện giữa các RNC được gọi là I
ur
. Đây là một giao diện logic để có
thể thực hiện đấu nối vật lý giữa các RNC. RNC còn là điểm truy cập tất cả các
dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
Trang 25
Nút
B
B
Nút
B
B
Nút
B
B
Nút
B
B
RNC
RNC
I
u
I
ur
UTRAN
I
ub

MSC/
VLR
SGSN
I
u
- PS
I
u
- CS
USIM
ME
U
u
U
E
C
u
Hình 11 Cấu trúc UTRAN