Giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động trong tòa nhà cao tầng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






TRẦN ĐỨC TOÀN




GIẢI PHÁP FEMTOCELL
CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

THÁI NGUYÊN - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





TRẦN ĐỨC TOÀN




GIẢI PHÁP FEMTOCELL
CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60. 52. 02. 03


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: PGS-TS Bạch Nhật Hồng







THÁI NGUYÊN - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn



Trần Đức Toàn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của
các thầy cô giáo khoa điện tử - Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại
học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo và
Phòng đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này.
Tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Bạch Nhật Hồng đã tận tình giúp
đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia
đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, song do điều kiện về thời gian và kinh
nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Vi vậy, tôi
rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ bạn bè,
đồng nghiệp.
Tôi xin trân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn



Trần Đức Toàn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

iii
MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
Trang iii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG xi
Trang xi
DANH MỤC CÁC HÌNH xii
DANH MỤC CÁC HÌNH xii
Trang xii
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 3
TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 3
1.1. Quá trình phát triển của mạng thông tin 3
1.2. Hệ thống thông tin di động CDMA 3
1.2.1. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động CDMA 3
1.2.1.1. Máy di động MS 4
1.2.1.2. Hệ thống trạm gốc BSS 4
1.2.1.3. Hệ thống chuyển mạch SS 4
1.2.1.4. Trung tâm vận hành bảo dưỡng OMC 5
1.3. Sự phát triển của mạng di động 3G W- CDMA 5
1.4. Ứng dụng của 4G LTE trong việc nâng cao chất lƣợng 6
1.4.1. Ứng dụng LTE 6
1.4.2. Nhu cầu chuyển đổi mạng 3G lên 4G/LTE 9
1.4.3. Phát triển các dịch vụ di động trong 4G/LTE 11
1.4.4. Sự thay đổi mạng lõi trong 3G W-CDMA 13
1.5. Kết luận chƣơng 14
Chƣơng 2 15
NHỮNG GIẢI PHÁP CẦN TRIỂN KHAI FEMTOCELL 15
CHO MẠNG 3G VÀ NGUYÊN TẮC TỔ CHỨC HỆ THỐNG 15
TẾ BÀO NHỎ 15
2.1. Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G 15
2.1.1. Vai trò, sự cần thiết của Femtocell 15
2.2. Lợi ích và sự cần thiết của femtocell 17

2.3. Kiến trúc kết nối femtocell tới mạng lõi 18
2.4. Những giải pháp kết nối femtocell đến mạng lõi 19
2.4.1. Nền tảng dựa trên UMTS 20
2.4.2. Kiến trúc UMA/GAN 24
2.4.3. Kiến trúc dựa trên IMS 25
2.5. Những nguyên tắc tổ chức hệ thống tế bào nhỏ 29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

iv
2.5.1. Nguyên tắc tế bào 29
2.5.2. Các kiểu tế bào và tại sao lại có femtocell? 30
2.5.3. Các hiệu quả cho phổ tần 31
2.5.4. Các phương án để hoàn thành vùng phủ trong nhà từ macro 33
2.5.5. Các thách thức trong đường trục 34
2.5.6. Các hệ số hình học 34
2.6. Một số hệ thống tế bào khác trong femtocell 35
2.6.1. Hệ thống anten phân tán 35
2.6.2. Picocell 36
2.6.3. Các hệ thống cục bộ không dây 36
2.6.4. Giải pháp tế bào nhỏ 37
2.7. Các yếu tố thành công cơ bản của femtocell 39
2.7.1. Các ứng dụng internet 39
2.7.2. Xử lý công xuất và chi phí 40
2.7.3. Chấp nhận những băng rộng 40
2.7.4. Sự thay thế cố định bằng di động 41
2.8. Kết luận 41
Chƣơng 3 42
CÁC KIẾN TRÚC MẠNG VÀ NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI FEMTOCELL
TRONG MỘT TÒA NHÀ 42

3.1. Các kiến trúc mạng femtocell 42
3.1.1. Các yêu cầu trong kiến trúc mạng 42
3.1.2. Các thách thức kiến trúc mạng 43
3.1.3. Một số lựa chọn kiến trúc cơ bản cho femtocell 44
3.1.3.1. Tích hợp mạng femtocell với mạng macro 44
3.1.3.2. Phân chia chức năng giữa FAP và FGW 45
3.1.3.3. Kết nối femtocell từ xa 46
3.1.3.4. Femtocell CDMA 47
3.1.3.5. Femtocell GSM 48
3.1.3.6. Femtocell LTE 48
3.1.3.7. Femtocell WiMAX 49
3.2. Nghiên cứu triển khai femtocell trong toà nhà 50
3.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống 50
3.2.2. Những vấn đề hạn chế trong việc phủ sóng di động trong toà nhà 50
3.2.3. Nguyên lý hoạt động của femtocell 51
3.2.4. Các chuẩn của femtocell 51
3.2.5. Các giải pháp để phủ sóng femtoceell trong toà nhà cao tầng 52
3.2.5.1. Nguyên tắc số lượng femtocell trong 1 toà nhà cao tầng 53
3.2.5.2. Vị trí thiết kế lắp đặt femtocell 53
3.3. Các nguyên tắc cơ bản của femtocell 54
3.3.1. Phổ tần 54
3.3.2. Lan truyền nhiễu trong femtocell 56
3.3.3. Vùng phủ trong femtocell 58

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

v
3.3.4. Nhiễu đường xuống 59
3.3.5. Ảnh hưởng của nhiễu và việc giảm thiểu nhiễu 62
3.3.6. Nhiễu giữa hệ thống femtocell 64

3.3.7. Đặc tính cao tần trong WCDMA 65
3.3.8. Thực hiện hệ thống theo mức 67
3.4. Kết luận và khuyến nghị 69
KẾT LUẬN 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

vi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
Ý nghĩa từ viết tắt
3GPP
Third Generation Global
Partneship Project
Dự án hội nhập toàn cầu thế hệ 3
2G
Second Genration Mobile
Di động thế hệ thứ 2
3G
Third Generation
Thế hệ thứ 3
AAA
Authentication, Authorization and
Accounting
Nhận thực, trao quyền và tính cƣớc
ADSL
Asymmetric Digital Sucsribre Line

Đƣờng dây thuê bao số không
đối xứng
AGCH
Access Grant Channel
Kênh cho phép truy nhập
ARFCH
Absolute Radio Frequentcy Channel
Kênh tần số
AP
Access point
Điểm truy cập
APRU
Average Revenue Per User
Thu nhập trung bình trên thuê bao
AUC
Authentication Center
Trung tâm nhận thực
AVDR
Average Drop Call Rate
Tỉ lệ rứt cuộc gọi
BCCH
Broadcast Control Channel
Kênh điều khiển quản bá
BCH
Broadcast Channel
Kênh quảng bá
Bm
Full Rate TCH
Kênh lƣu lƣợng toàn tốc
BS

Base Station
Trạm gốc
BSC
Base Station Controller
Bộ điều khiển trạm gốc
BSIC
Base Station Identity Code
Mã nhận dạng trạm gốc
BSS
Base Station Subsystem
Phân hệ trạm gốc
BICC
Bearer Independent Call Control
Giao thức điều khiển cuộc gọi
đọc lập kênh mang
BTS
Base Tranceiver Station
Trạm thu phát gốc
C/A
Carrier to Adjacent
Tỷ số sóng mang/ nhiễu kênh lân cận
CCBR
SDCCH Blocking Rate
Tỷ lệ nghẽn mạch trên SDCCH
CCCH
Common Control Channel
Kênh điều khiển chung
CCDR
SDCCH Drop Rate
Tỷ lệ nghẽn mạch trên SDCCH

CCH
Control Channel
Kênh điều khiển
CCS7
Common Channel Signalling N
o
7
Báo hiệu kênh chung số 7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

vii
Từ viết tắt
Ý nghĩa từ viết tắt
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CELL
Cellular
Ô (tế bào)
CI
Cell Identity
Nhận dạng ô
CINR
Carrier to Interference and Noise Ratio
Giá trị tỉ số sóng mang trên
nhiễu và tạp âm
CPICH
Common Pilot Channet
Kênh hoa tiêu chung

CN
Core Network
Mạng lõi
C/I
Carrier to Interference
Tỷ số sóng mang/ nhiễu đồng kênh
C/R
Carrier to Reflection
Tỷ số sóng mang/sóng phản xạ
CSPDN
Circuit Switch Public Data Network
Mạng số liệu công cộng chuyển
mạch gói
CSSR
Call Successful Rate
Tỷ lệ cuộc gọi thành công
DECT
Digitanl Enhanced Cordless
Viễn thông không dây số tăng cƣờng
DAC
Distributed Antenna System
Hệ thống an ten phân tán
DL
Downlinh
Đƣờng xuống
DTF
Domain Transfer Function
Chức năng chuyển vùng
DHCP
Dynamic Host Control Protocol

Giao thức điều khiển hoạt động
DSC
Dynamic Cell Selection
Lựa chọn tế bào động
DNS
Domani Namme Server
Máy chủ tên miền
DCCH
Dedicated Control Channel
Kênh điều khiển dành riêng
EIR
Equipment Identification Register
Bộ ghi nhận dạng thiết bị
EM
Electro – Magnetic
Trƣờng điện tử
EPC
Evolved Packet Core
Lõi gói tiến hoá
ESP
Encapsulation Security Payload
Đóng gói bảo an tải
EV- DO
Evolution - Data Optimised
Tối ƣu dữ liệu tiến hoá
EDGE
Enhanced Data Rates For Evolution
Các tốc đọ dũ liệu tăng cƣờng
cho sự tiến hoá
ETSI

European elecommunications
Standard Institute
Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu
Fa
FAP- FGW interface
Giao diện FAP- FGW
FAP
Femtocell Access Point
Điểm truy nhập Femtocell
FAP - MS
FAP Management System
Hệ thống quản lý FAP

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

viii
Từ viết tắt
Ý nghĩa từ viết tắt
FDMA
Frequency Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Fas
IMS CN - femtocell AS interface
Giao diện IMSCN-femto AS
FACCH
Fast Associated Control Channel
Kênh điều khiển liên kết nhanh
FDD
Frequency Division Duplex
Phƣơng thức song công phân

chia theo tần số
FCCH
Frequency Correction Channel
Kênh hiệu chỉnh tần số
GMSC
Gateway MSC
Tổng đài di động cổng
GPRS
General Packet Radio Services
Dịch vụ vô tuyến gói chung
GAN
Generic Access Network
Mạng truy cập chung
GGSN
Gateway GPRS support Node
Nút hỗ trợ cổng GPRS
GOS
Grade of Service
Cấp độ phục vụ
GSM
Global System for Mobile Communication
Thông tin di động toàn cầu
HLR
Home Location Register
Bộ đăng định vị thƣờng trú
HO
Handover
Chuyển giao
HNP
Home Node B

Node B gia đình
HeNB
Home Manaevolved Node B
Node B gia đình tiến hoá
HGW
Home Gateway
Cổng gi đình
HMS
HNB Management System
Hệ thống quản lý HeNB
HSPA
High Speed Downlink Packet Access
Truy nhập gói đƣờng xuống tốc
độ cao
HSS
Home Subscriber Server
Server thuê bao mạng nhà
HON
Handover Number
Số chuyển giao
IHOSR
Incoming Handover Successful Rate
Tỷ lệ thành công chuyển giao đến
IMSI
International Mobile Subscriber Identity
Số nhận dạng thuê bao di động
quốc tế
IP
Internet Protoco;
Giao thức Internet

Ipsec
IP security
Bảo an IP
Iu
RNC- MSC/SGSN interfamce
Giao diện RNC- MSS/SGSN
Iuh
HNB - HNB GW interface
Giao diện HNB- HNB GW
Iub
NodeB- RNC interface
Giao diện NodeB - RNC
HSDPA
High Speed Downlink Paket Access
Truy nhập gói đƣờng xuống tốc
độ cao
Iur

Giao diện giữa 2 RNC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ix
Từ viết tắt
Ý nghĩa từ viết tắt
ITU
International Telecommunication
Union
Liên hợp viễn thông quốc tế
ISDN

Integrated Service Digital Network
Mạng số đa dịch vụ
LA
Location Area
Vùng định vị
LTE
Long Term Evolution
Sự phát triển lâu dài
LAC
Location Area Code
Mã vùng định vị
LAI
Location Area Identifier
Số nhận dạng vùng định vị
Lm
Haft Rate TCH
Kênh lƣu lƣợng bán tốc
MCC
Mobile Country Code
Mã quốc gia của mạng di động
MNC
Mobile Network Code
Mã mạng thông tin di động
MME
Mobility management entity
Thực thể quản lý di động
MGW
Media Gateway
Cổng phƣơng tiện
MC-

CDMA
Multiple carrier code - division
multiple access
CDMA đa sóng mang
MIMO
Multiple - Input Multiple - Output
Nhiểu đầu vào - nhiều đầu ra
MS
Mobile Station
Trạm di động
MEGACO
Media Gateway Control
Điều khiển cổng các phƣơng tiện
MSS
MSC server
Máy chủ MSC
MSC
Mobile Service Switching Center
Tổng đài di động
MSIN
Mobile Station Identification Number
Số nhận dạng trạm di động
MSISDN
Mobile Station ISDN Number
Số ISDN của trạm di động
MSRN
MS Roaming Number
Số vãng lai của thuê bao di động
MMTel
Multimedia Telephony

Điện thoại đa phƣơng tiện
NMC
Network Management Center
Trung tâm quản lý mạng
NMT
Nordic Mobile Telephone
Điện thoại di động Bắc Âu
NodeB
UMTS base station
Trạm gốc UMTS
P-CPICH
Prymary Common Pilot Channel
Kênh dẫn đƣờng chung thứ cấp
R1
UE - BS interface
Giao diện UE-BS
R3
ASN - CSN interface
Giao diện ASN - CSN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

x
Từ viết tắt
Ý nghĩa từ viết tắt
R4
ASN - ASN interface
Giao diện ASN - ASN
RAN
Radio Access Netwwork

Mạng truy cập vô tuyến
RNC
RAN network Controller
Bộ điều khiển mạng RAN
R&D
Research and Development
Nghiên cứu và t riển khai
SeGW
Security Gateway
Cổng bảo an
USIM
Universal Subscriber Identity Module
Khối nhận dạng thuê bao chung
UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access
Network
Mạng truy nhập vô tuyến
mắt đất UMTS
Uu
UE- NodeB interface
Giao diện UE-NodeB
UWB
Ultra WideBand
Băng cực rộng
VoIP
Voice over IP
Thoại trên nền IP
VPN
Virtual Private Network
Mạng riêng ảo

WCDMA
Wideband CDMA
CDMA băng rộng
Wi-Fi
Wireless Fidelity
Không dây tín hiệu
WiMAX
Worldwide interoperability for
Microwave Access
Tƣơng thích toàn cầu cho truy
nhập vi sóng
OFDMA
Orthogonal frequency -division
multiple access
Đa truy cập phân chia theo tần số
trực giao
OSI
Open System Interconnection
Liên kết hệ thống mở
OSS
Operation and Support Subsystem
Phân hệ khai thác và hỗ trợ
OMC
Operation and Maintence Center
Trung tâm khai thác và bảo dƣỡng
PAGCH
Paging and Access Grant Channel
Kênh chấp nhận truy nhập và
nhắn tin
PCH

Paging Channel
Kênh tìm gọi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 3.1. Các suy hao đƣờng truyền n 57
Bảng 3.2. Các hệ số thâm nhập tầng nhà L
f
(n
f
) (dB) 57
Bảng 3.3. Các kỹ thuật giảm nhiễu với femtocell 63
Bảng 3.4. Phản hồi của nhà điều hành từ thử nghiệm femtocell dày đặc 65
Bảng 3.5. Giới hạn phổ bổ sung phát ra đối với BS gia đình, công suất cực
đại BS 6≤ P ≤ 20 dBm 66
Bảng 3.6. Giới hạn phổ bổ sung phát ra đối với BS gia đình, công suất cực
đại BS 6≤ P ≤ 6 dBm 66
Bảng 3.7. Tổng dung lƣợng mạng (mbps) khi có và không có femtocell 69

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

xii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang

Hình 1.1. Cấu trúc mạng thông tin di động 3

Hình 1.2. Kiến trúc hệ thống mạng 3G WCDMA 6
Hình1.3. Kiến trúc của mạng LTE 7
Hình 1.4. Sự phát triển LTE đến năm 2014 8
Hình 1.5. Thông lƣợng đỉnh của các mạng di động 3G và 4G 10
Hình 1.6. Chuyển mã trong MRF giúp giảm tính phức tạp của mạng
và chi phí xử lý đa phƣơng tiện trong kiến trúc LTE IMS 12
Hình 2.1. Sơ đồ mô hình ứng dụng Femtocell 15
Hình 2.2. Kiến trúc kết nối femtocell tới mạng lõi 18
Hình 2.3. Kiến trúc mạng UMTS 20
Hình 2.4. Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP 21
Hình 2.5. Kiến trúc giải pháp Iu trên IP 22
Hình 2.6. Giao thức của giải pháp Iu trên IP 23
Hình 2.7. Giao thức dựa trên UMA/GAN 25
Hình 2.8. Kiến trúc giải pháp dựa trên IMS/SIP 28
Hình 2.9. Bộ nhớ dựa trên IMS/SIP 29
Hình 2.10. Độ sâu cho vùng phủ bổ sung (m) 33
Hình 2.11. Sự chọn lựa cho vùng phủ dành riêng trong các cao ốc khi
có femtocell 37
Hình 2.12. Các lựa chọn từ femtocell và các phát triển khác 38
Hình 3.1. Giao diện tham chiếu femtocell CDMA 1x 47
Hình 3.2. Kiến thức femtocell GSM 48
Hình 3.3. Kiến trúc femtocell LTE 49
Hình 3.4. Kiến trúc femtocell WiMAX dự kiến 49
Hình 3.5. Chuẩn Standard Femtocell 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

xiii
Hình 3.6. Các lựa chọn phân bổ tần số 55
Hình 3.7. Bán kính vùng phủ femtocell đối với các môi trƣờng có nhiễu 58

Hình 3.8. Bán kính vùng chết theo tín hiệu macro đối với giá trị công
suất femtocell cực đại 60
Hình 3.9. Công suất phát femtocell yêu cầu để cung cấp bán kính vùng
phủ là 20m 62
Hình 3.10. Thử nghiệm sự triểm khai dày đặc femtocell, Hình tròn đen
là femtocell và hình mũi tên là các bộ lặp trong nhà 64
Hình 3.11. Thông lƣợng trung bình của các thuê bao trong sự mô phỏng
có và không có femtocell 68


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1
MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ nhƣ điện tử, tin học, công
nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các
loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng ngày càng cao của ngƣời sử dụng. Kể từ khi ra
đời vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ
và đã tiến một bƣớc dài trên con đƣờng công nghệ
Với nhu cầu nhƣ vậy, ngày nay thông tin di động đã trở thành một ngành
công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận nhất cho các
nhà khai thác. Sự phát triển của thị trƣờng viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ
việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tƣơng lai. Hệ
thống di động thế hệ ba, với GSM là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở
nhiều quốc gia.
Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba (3G) đang tăng với tốc độ chóng
mặt và dự báo sẽ còn tiếp tục tăng nhanh trong nhiều năm tới. Trong luận văn của
mình, em lựa chọn đề tài "Giải pháp femtocell cho mạng thông tin di động trong

tòa nhà cao tầng"là hướng nghiên cứu chính cho luận văn
Tuy nhiên femtocell còn rất mới lạ tại nƣớc ta, để có thể triển khai trong thực tế
cần có nghiên cứu kỹ lƣỡng về các vấn đề kỹ thuật, tác động lên mạng di động 3G.
2. Mục tiêu đề tài
- Luận văn sẽ đƣa ra giả pháp kết nối femtocell vào mạng 3G UMTS và dịch
vụ thoại trên mạng chuyển nối mạch ( circuit –switched) với các kiến trúc: Kiến
trúc dựa trên UMTS; Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN; Kiến trúc dựa trên
IMS . Trên cơ sở mô hình đó, đƣa ra đƣợc các sơ đồ kiến trúc kết nối femtocell cho
mạng thông tin di động
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Các kỹ thuật thu thập và lƣu trữ dữ liệu;
- Các phƣơng pháp phân nhóm dữ liệu;
- Tập trung nghiên cứu một số thuật toán phân nhóm cơ bản dựa vào mật độ
phân bố của các đối tƣợng dữ liệu không gian.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học
- Nghiên cứu lý thuyết mạng thông tin di động
- Vấn đề nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn bởi vì
các hệ thống thông tin rất đƣợc phổ biến trong thực tế.
- Nhằm tăng hiệu quả kinh tế, nâng cao chất lƣợng và dung lƣợng mạng di
động.
b. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu. tìm hiểu các vấn đề liên quan khi triển khai thực tế femtocell
trong một tòa nhà nhằm mục tiêu: Giảm tải dữ liệu cho mạng thông tin di động,
hƣớng tới một giải pháp cho hội tụ cố định - di động ,đề xuất mô hình tích hợp
femtocell vào mạng làm việc với các thiết bị, phù hợp với các chuẩn giao diện đã

tồn tại trong 2G, 3G.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu (sách, báo, tạp chí khoa học,
Internet,…) liên quan đến kỹ thuật.
6. Bố cục của luận văn
Ngoài các phần Mở đầu, Mục lục, Danh mục hình, Kết luận, Tài liệu tham
khảo. Nội dung chính của luận văn đƣợc trình bày trong 03 chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 3G.
Chƣơng 2: Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G và nguyên
tắc tổ chức hệ thống tế bào nhỏ.
Chƣơng 3: Các kiến trúc mạng và nghiên cứu triển khai femtocell trong một
tòa nhà.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.1. Quá trình phát triển của mạng thông tin
Thông tin ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, khi đó nó chỉ là hệ thống thông
tin di động điều vận. Đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ .Thế hệ 1 là
thế hệ thông tin di động tƣơng tự sử dụng công nghệ truy cập phân chia theo tân số (
FDMA - Frequency Division Multiple Access). Tiếp theo là thế hệ 2 và hiện nay là
thế hệ 3 đang đƣợc triển khai nhiều quốc gia trên thế giới.
1.2. Hệ thống thông tin di động CDMA
1.2.1. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động CDMA
CDMA( Code Devision Multiple Access) là một hệ thống di động số sử dụng
công nghệ đa truy cập theo mã có cấu trúc hệ thống gồm 4 phần chính sau:
- Máy di động MS (Mobile Station)

- Hệ thống trạm gốc BSS(Basic Station System)
- Hệ thống chuyển mạch SS(Switching System)
- Trung tâm vận hành, bảo dƣỡng OMC (Operation and Maintennance Center)


Hình 1.1. Cấu trúc mạng thông tin di động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4
1.2.1.1. Máy di động MS
Một máy điện thoại di động gồm hai thành phần chính: Thiết bị di động hay
đầu cuối là thiết bị tích hợp các khối mạch chức năng nhƣ: mã hóa, điều chế, khuyết
đại dùng để thu tín hiệu vô tuyến và tái tạo lại dạng tín hiệu ban đầu; Module
nhận thực thuê bao SIM là một Card thông minh dùng để nhận dạng ban đầu cuối,
mỗi SIM Card có một mã nhận dạng cá nhân dùng để nhận thực thuê bao.
1.2.1.2. Hệ thống trạm gốc BSS
BSS kết nối máy di động với MSC (Mobile Servicer Switching Center). Chịu
trách nhiệm về việc phát và thu sóng vô tuyến. BSS chia làm hai phần:
+ Trạm thu phát gốc, BTS (Basic Transceiver Station): gồm bộ thu phát và
các anten sử dụng trong mỗi cell . Một BTS thƣờng đƣợc đặt ở vị trí trung tâm của
một cell. BTS đảm nhiệm chính về các chức năng vô tuyến trong hệ thống.
+ Bộ điều khiển trạm gốc, BSC (Basic Station Controller): điều khiển một
nhóm BTS và quản lý tài nguyên vô tuyến . BSC chịu trách nhiệm điều khiển việc
nhảy tần, các chức năng tổng đài và điều khiển các mức công suất tần số vô tuyến
của BTS.
1.2.1.3. Hệ thống chuyển mạch SS
Hệ thống chuyển mạch SS chịu trách nhiệm quản lý thông tin giữa ngƣời sử
dụng di động đến các ngƣời sử dụng khác nhƣ ngƣời sử dụng di động, ngƣời sử
dụng ISDN (Integrated Service Digital Network), ngƣời sử dụng điện thoại cố định

nó còn bao gồm các cơ sở dữ liệu cần thiết để lƣu trữ thông tin về thuê bao. Một
số các đơn vị chức năng trong SS gồm:
+ Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động, MSC (Mobile service Switching
Center): đây là thành phần trung tâm của khối SS, thực hiện các chức năng chuyển
mạch của mạng và cung cấp kết nối đến các mạng khác.
+ Thanh ghi định vị thường trú, HLR (Home Location Register): HLR đƣợc
xem là một rất cơ sở dữ liệu quan trọng lƣu trữ các thông tin về thuê bao thuộc vùng
phủ sóng của MSC. Nó còn lƣu trữ vị trí hiện tại của các thuê bao cũng nhƣ các
dịch vụ thuê bao mà đang đƣợc sử dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

5
+ Thanh ghi định vị tạm trú, HLR (Visitor Location Register): lƣu trữ các
thông tin cần thiết để cung cấp dịch vụ thuê bao cho các máy di động từ xa đến. Khi
một thuê bao nhập vào vùng phủ sóng của một MSC mới, VLR sẽ kết hợp với MSC
yêu cầu các thông tin về thuê bao này từ HLR tƣơng ứng, lúc này VLR sẽ có đủ
thông tin để đảm bảo cung cấp dịch vụ thuê bao mà không cần hỏi lại HLR mỗi lần
thiết lập cuộc gọi. VLR luôn đi kèm với một MSC do đó vùng phục vụ dƣới sự điều
khiển của MSC cũng là vùng dƣới sự điều khiển của VLR đó.
+ Trung tâm nhận thực: AuC(Authentication Center): Thanh ghi AuC đƣợc
dùng cho mục đích bảo mật . Nó cung cấp các tham số cần thiết cho chức năng nhận
thực và mã hóa. Các tham số này giúp xác minh sự nhận dạng thuê bao.
+ Thanh ghi nhận dạng thiết bị, EIR (Equipment Identity Register): EIR
cũng đƣợc dùng cho mục đích bảo mật . Nó là một thanh ghi lƣu trữ các thông tin
về các thiết bị di động.
+ Cổng MSC, GMSC (Gate MSC): điểm kết nối giữa hai mạng. Cổng MSC
là nơi giao tiếp giữa mạng di động và mạng cố định . Nó chịu trách nhiệm định
tuyến cuộc gọi từ mạng cố định đến mạng di động và ngƣợc lại.
1.2.1.4. Trung tâm vận hành bảo dưỡng OMC

OMC đƣợc kết nối đến các thành phần khác nhau của MSC và đến BSC để
điều khiển và giám sát hệ thống MSC. Nó còn chịu trách nhiệm điều khiển lƣu
lƣợng của BSS.
1.3. Sự phát triển của mạng di động 3G W- CDMA
W-CDMA(Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động hệ ba(3G)
giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GMS.
W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2,5 MBit /s(
WCDMA và lên tới 13,5 đến 14.6 Mbit/s khi nâng cấp lên HSDPA +
Với công nghệ HSDPA giúp cho tốc độ truy cập Internet tăng gấp 6 đến 7
lần so với EDGE và khoảng 10 lần với GPRS.
Hiện nay UMTS sử dụng mạng lõi của GSM/GPRS. Phần vô tuyến của
UMTS hoàn toàn khác với GSM /GPRS nên phải triển khai các Node B và RNC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

6
Angten UMTS (Node B) sẽ đƣợc lặp trùng với các Angten GSM có sẵn. Nhƣng vì
bán kính phủ sóng của UMTS không giống GSM, nên nếu muốn có vùng phủ
UMTS toàn diện phải thêm nhiều Node B hơn là số BTS cần cho GSM . Một kiến
trúc mạng 3G theo công nghệ WCDMA điển hình đƣợc thể hiện nhƣ hình dƣới đây.

Hình 1.2. Kiến trúc hệ thống mạng 3G WCDMA
1.4. Ứng dụng của 4G LTE trong việc nâng cao chất lƣợng
1.4.1. Ứng dụng LTE
LTE là thế hệ thứ tƣ tƣơng lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS
thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã đƣợc triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo
tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tƣơng lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu
dự án nhằm xác định bƣớc phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với
tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm
giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các

băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở
và giảm đáng kể năng lƣợng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
Hoạt động tối ƣu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 - 15 km/h. Vẫn hoạt
động tốt với tốc độ từ 15 - 120 km/h. Vẫn duy trì đƣợc hoạt động khi thuê bao di
chuyển với tốc độ từ 120 - 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

7
Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút
ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30 - 100 km thì không hạn chế.

Hình1.3. Kiến trúc của mạng LTE
Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6
MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Hỗ trợ cả
2 trƣờng hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. Để đạt đƣợc mục
tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới đƣợc áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô
tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO
(Multiple Input Multiple Output - đa nhập đa xuất). Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy
hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD.
LTE đƣợc phát triển bởi 3GPP nhằm hƣớng tới một công nghệ thứ 4 với các
thông số thực hiện cao hơn các công nghệ 3G hiện tại. Đối tƣợng hƣớng tới của
LTE là tăng dung lƣợng và thông lƣợng của mạng bằng cách tạo ra các tốc độ lớn
hơn và độ chế gói thấp hơn. Điều này sẽ mở ra cơ hội phát triển cho các ứng dụng
đa phƣơng tiện và các công nghệ băng rộng vô tuyến . LTE dựa trên một khái niện
hoàn toàn mới trong mạng di động với kiến trúc đơn giản trong khi tăng khả năng
kết nối. Một mạng LTE sẽ cho phép các nhà khai thác hoạt động hiệu quả hơn,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

8
mạng linh động hơn và dễ dàng trong triển khai và khai thác . Nó cho phép thích
ứng với cả các nhà khai thác GSM và CDMA, do đó nó đang đƣợc cho là bƣớc tiếp
theo của các mạng 3G hiện nay nhƣ WCDMA, HSPA, HSPA+ . LTE đƣợc nhiều
nhà khai thác kỳ vọng sẽ trở thành tiêu chuẩn toàn cầu cho thông tin tế bào.
Một lộ trình dự báo chung cho LTE đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 1.4:

Hình 1.4. Sự phát triển LTE đến năm 2014
LTE, viết tắt của cụm từ Long-Term Evolution, đƣợc thƣơng mại hoá trên thị
trƣờng với cái tên phổ biến là 4G LTE, là công nghệ truyền thông không dây tốc
độc cao dành cho các thiết bị di động và trạm dữ liệu. Trên lý thuyết, LTE hoạt
động dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA - cho phép tăng
cƣờng hiệu năng và tốc độ tải mạng nhờ vào việc sử dụng các phƣơng thức vô tuyến
khác nhau, DSP mới (bộ xử lý tín hiệu), bộ điều chỉnh tần số, cùng với những cải
tiến ở lõi mạng - đó cũng chính là mục tiêu trƣớc mắt mà LTE đang hƣớng đến.
Còn mục tiêu về lâu về dài, những nhà phát triển muốn LTE phải có sứ mệnh thiết
kế lại và đơn giản hoá kiến trục mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP với độ trễ
truyền tải dữ liệu giảm thấp hơn nhiều lần so với chuẩn mạng 3G. Về cơ bản thì
mạng LTE không thể hoạt động chung với 2G và 3G, vì vậy nó phải đƣợc sử dụng
trên một số phổ mạng nhất định.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

9
LTE cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn với giá thành thấp hơn, cải thiện
hiệu quả phổ tần với việc giảm trễ và băng thông kênh linh động . Để đạt đƣợc
những kết quả này, các thông số kỹ thuật của LTE phải kết hợp với các thành phần
mạng (NEs - Network Elements). Điều mẫu chốt trong LTE là sự đơn giản của thỏa
thuận với chỉ một giao thức mạng trong mọt mạng toàn cầu IP trong khi hƣớng tới
một kiến trúc phẳng dựa trên gói để loại bỏ các bộ điều khiển riêng biệt nhƣ các

thiết bị BSC và RNC.
Về mặt cơ sở hạ tầng, sự khác biệt chính giữa LTE và các công nghệ truyền
thống là LTE cung cấp một cơ sở hạ tầng phẳng trong khi các công nghệ truyền
thống là cơ sở hạ tầng phân cấp.
1.4.2. Nhu cầu chuyển đổi mạng 3G lên 4G/LTE
Nhu cầu sử dụng video và dữ liệu di động đang bùng nổ, theo dự đoán của
Cisco lƣu lƣợng truy cập dữ liệu di động toàn cầu sẽ tăng 26 lần từ năm 2010 đến
2015. Theo đó, đến năm 2015 lƣu lƣợng video di động sẽ chiếm 66% tổng lƣu
lƣợng dữ liệu di động, chủ yếu là từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay và
máy tính bảng, chúng đang tiêu thụ một lƣợng băng thông lớn và dần gây tắc nghẽn
mạng, dẫn đến sự xuống cấp dịch vụ.Theo khảo sát của Cisco, điện thoại thông
minh, ví dụ một thiết bị iPhone hoặc Android sẽ tạo ra lƣu lƣợng dữ liệu nhiều
hơn 24 chiếc điện thoại di động có tính năng cơ bản.
Sự hội tụ của mạng viễn thông và IP, cùng với sự tăng trƣởng liên tục của
các dịch vụ và ứng dụng đòi hỏi nhiều băng thông đã thúc đẩy nhu cầu phát
triển các tiêu chuẩn, công nghệ và nền tảng mới. Và tiêu chuẩn công nghệ 4G/LTE
ra đời với mục tiêu đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng, đặc biệt đối với
các ứng dụng nhạy cảm về trễ nhƣ thoại và video trực tuyến. Bên cạnh đó là những
ứng dụng đa phƣơng tiện phong phú và cải tiến.LTE cung cấp thông lƣợng cao
hơn nhiều (ví dụ, gấp 4 lần ở đƣờng xuống và gần 8 lần ở đƣờng lên) hơn so với
công nghệ HSPA (Hình 1.5)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

10

Hình 1.5. Thông lượng đỉnh của các mạng di động 3G và 4G

Hơn nữa, LTE còn có nhiều ƣu điểm khác nhƣ hiệu suất mạng tốt hơn, độ
trễ đƣợc cải thiện, chi phí cho mỗi GB dữ liệu thấp hơn, trong khi phục

phục vụ nhiều ngƣời dùng với chất lƣợng dịch vụ(QoS) tốt hơn . Tuy nhiên, băng
thông cao hơn (4-8 lần) từ LTE có thể vẫn chƣa đủ để đáp ứng nhu cầu phát
triển của thuê bao (26 lần vào năm 2015), do đó các nhà mạng nên áp dụng đồng
thời những giải pháp cần thiết khác để giảm bớt áp lực về dung lƣợng mạng. Ví dụ,
có thể cắt giảm mức tiêu thụ băng thông bằng cách chuyển tốc độ và chuyển
mã các luồng video, một chức năng của MRF trong kiến trúc IMS.
Công nghệ 4G LTE sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần với trễ thấp hơn và
tốc độ dữ liệu cao hơn gần 100 lần so với 3G, để đạt đƣợc điều này 4G LTE phải có
kiến trúc phẳng hơn dựa trên nề của IP, hỗ trợ các kỹ thuật truy cập không dây nhƣ
OFDMA, ngoài ra mạng 4G LTE cũng hỗ trợ một khung mở, cho phép hỗ trợ nhiều
loại giao thức di động, QoS và các dịch vụ nhân thức.
Vậy hệ thống 4G LTE sẽ mang lại nhiều lợi ích về dung lƣợng xử lý cho các
trạm gốc. Với nhiều cải tiến mới, kiến trúc mạng 4G LTE sẽ phẳng hơn với ít node
hơn, do đó có tốc độ thấp hơn trễ . Kết quả dẫn đến yêu cầu về một mạng lõi toàn IP
để hỗ trợ thông lƣợng dữ liệu tốc độ cao và nhìn chung có thể truy cập vào bởi các
mạng truy nhập vô tuyến khác nhau thông qua các giao diện cổng.