MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ii
DANH MỤC HÌNH v
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1: Tổng quan về hệ thông tin di động thế hệ thứ 3 WCDMA 2
Chương 3: Phương pháp quy hoạch mạng 3G WCDMA 2
3.3.Quy hoạch vùng phủ vô tuyến 32
3.4.Quy hoạch dung lượng vô tuyến 49
3.5.Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến 56
3.6.1.Định cỡ MSC, SGSN và GGSN 63
3.8.Tối ưu hóa mạng 68
3.9.Kết luận chương 69
4.3.Giải pháp phát triển mạng WCDMA của Vinaphone 74
4.4.Quy hoạch mạng 3G của Vinaphone tại Hà Nội 77
i
DANH MỤC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
ii
1G
2G
3G
3GPP
First Generation
Second Generation
Third Generation
3rd Generation Global
Partnership Project
Thế hệ thứ nhất
Thế hệ thứ 2
Thế hệ thứ 3
Dự án hội nhập toàn cầu thế hệ 3
A.
AuC
ATM
AICH
AP-AICH
AMPS
Authentication Center
Asynchronous Transfer Mode
Acquisition Indication Channel
Access Preamble Acquisition
Indicator Channel
Advanced Mobile Phone System
Trung tâm nhận thực
Truyền mã đồng bộ
Kênh chỉ thị bắt
Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập
Hệ thống tiến điện thoại di dộng tiến
bộ
B.
BTS
BSS
BMC
BSC
BHCA
BER
Base Tranceiver Station
Base Station Subsystem
Broadcast/Multicast Control
Base Station Controller
Busy Hour Call Attempts
Bit Error Rate
Trạm thu phát gốc
Hệ thống phụ trạm gốc
điều khiển quảng bá/đa phương
bộ điều khiển trạm gốc
số lần tiến hành gọi giờ bận
Tỷ số lỗi bít
C.
CDMA
CN
CS
Code Division Multiple Access
Core Network
Circuit switching
Truy nhập phân chia theo mã
Mạng lõi
Chuyển mạch kênh
D.
DL
DSSS
DPDCH
DPCCH
Downlink
Direct Sequence Spread Spectrum
Dedicated Physical Data Channel
Dedicated Physical Control
Channel
Đường xuống
Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp
kênh số liệu vật lý riêng, kênh để
truyền lưu lượng của người sử dụng
kênh điều khiển vật lý riêng
E.
EDGE
EIR
Enhanced Data Rates for
Evolution
Equipment Identity Register
Các tốc độ dữ liệu tăng cường cho sự
tiến hoá
Bộ ghi nhận dạng thiết bị
F.
FDD
FDMA
FBI
FM
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiple
Access
Feedback Information
Frequency Modulation
Phương thức song công phân chia
theo tần số
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Thông tin phản hồi ngược
Điều chế tần số
G.
GGSN
GPRS
GSM
Gateway GPRS Support Node
General Packet Radio Service
Global System for Mobile
Telecommunication
Nút hỗ trợ cổng GPRS
Dịch vụ vô tuyến gói chung
Hệ thống viễn thông di động toàn cầu
iii
iv
DANH MỤC HÌNH
MỤC LỤC i
MỤC LỤC i
DANH MỤC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ii
DANH MỤC HÌNH v
DANH MỤC HÌNH v
LỜI NÓI ĐẦU 1
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1: Tổng quan về hệ thông tin di động thế hệ thứ 3 WCDMA 2
Chương 3: Phương pháp quy hoạch mạng 3G WCDMA 2
3.3.Quy hoạch vùng phủ vô tuyến 32
3.4.Quy hoạch dung lượng vô tuyến 49
3.5.Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến 56
3.6.1.Định cỡ MSC, SGSN và GGSN 63
3.8.Tối ưu hóa mạng 68
3.9.Kết luận chương 69
4.3.Giải pháp phát triển mạng WCDMA của Vinaphone 74
4.4.Quy hoạch mạng 3G của Vinaphone tại Hà Nội 77
v
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các hằng số A và B cho mô hình Hata-OkumuraError: Reference source
not found
Bảng 3.2. Các lớp công suất của UE Error: Reference source not found
Bảng 3.3a. Giá trị Eb/No yêu cầu trong môi trường đường truyền tĩnh Error:
Reference source not found
Bảng 3.3b. Giá trị Eb/No yêu cầu trong điều kiện truyền dẫn đa đường Error:
Reference source not found
Bảng 3.4. Các tham số tính toán quỹ đường truyền Error: Reference source not
found
Bảng 3.5. Tính quỹ đường lên cho dịch vụ tiếng 12,2 kbps ngoài trời Error:
Reference source not found
Bảng 3.6. Thí dụ tính quỹ đường truyền cho số liệu tốc độ 128 kbps, trong nhà
Error: Reference source not found
Bảng 3.7. Thí dụ tính quỹ đường xuống cho tiếng 12,2 kbps đi bộ ngoài trời. Error:
Reference source not found
Bảng 3.8. Phụ thuộc dự trữ nhiễu yêu cầu vào tải ô Error: Reference source not
found
Bảng 3.9. Yêu cầu đối với hiệu năng kênh lân cận Error: Reference source not
found
Bảng 4.1. Phân hệ vô tuyến mạng VinaPhone của một số BSC ở Hà Nội Error:
Reference source not found
Bảng 4.2. Phân bố và dung lượng của các MSC Error: Reference source not found
Bảng 4.3. Các dịch vụ có thể cung cấp và yêu cầu về chất lượng Error: Reference
source not found
Bảng 4.4. Phân bố hình thái mật độ dân cư (theo khảo sát).Error: Reference source
not found
Bảng 4.5. Lưu lượng cho quy hoạch mạng WCDMA thành phố Hà Nội Error:
Reference source not found
Bảng 4.6. Tổng kết lưu lượng cho từng loại dịch vụ Error: Reference source not
found
vi
Bảng 4.7. Các giả định cho MS Error: Reference source not found
Bảng 4.8. Tính quỹ đường lên cho dịch vụ số liệu 144 kbps trong nhà Error:
Reference source not found
Bảng 4.9. Tính quỹ đường lên cho dịch vụ số liệu 144 kbps ngoài trời Error:
Reference source not found
Bảng 4.10. Tính quỹ đường lên cho dịch vụ số liệu 144 kbps trên xe Error:
Reference source not found
Bảng 4.11. Kết quả tính toán quỹ đường lên cho dịch vụ 144 kbps đối với từng môi trường. .83
Bảng 4.12. Sơ đồ tái sử dụng mã PN Error: Reference source not found
Bảng 4.13. Tổng kết số ô cho hệ thống Error: Reference source not found
Bảng 4.14. Tổng kết các thông số cho một số trạm BTS.Error: Reference source not
found
vii
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay thông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với
những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, giải trí, trong dịch vụ và trong
cuộc sống hằng ngày. Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của
người tiêu dùng. Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp
nhiều cản trở và sẽ bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến hơn, hỗ trợ tối đa các
dịch vụ như Internet, truyền hình
Thế hệ di động thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập
phân chia theo tần số (FDMA). Tiếp theo là thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công
nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).Thế hệ
thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các
thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện.
3G là một bước đột phá của ngành di động, bởi vì nó cung cấp băng thông rộng
hơn cho người sử dụng. Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều thuận tiện
hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu như: truyền thông hữu ích
như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet,
truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao,…
Truyền thông di động ngày nay đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong cuộc
sống. Việc vẫn có thể giữ liên lạc với mọi người trong khi di chuyển đã làm thay đổi
cuộc sống riêng tư và công việc của chúng ta.
Thế giới đang có 2 hệ thống 3G được chuẩn hóa song song tồn tại, một dựa trên
công nghệ CDMA còn gọi là CDMA 2000, chuẩn còn lại do dự án 3rd Generation
Partnership Project (3GPP) thực hiện. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn UTRA - UMTS
Terrestrial Radio Access TS. Tiêu chuẩn này có 2 sơ đồ truy nhập vô tuyến. Một trong
số đó được gọi là CDMA băng thông rộng (WCDMA).
Năm 2009 là năm thông tin di động thế hệ thứ 3 chính thức đưa vào phục vụ tại
Việt Nam. Với công nghệ WCDMA có khả năng cung cấp dung lượng dữ liệu lớn, tốc
độ cao đem đến cho người sử dụng những tiện ích đa phương tiện, cũng như những
ứng dụng hoàn toàn mới mẻ mà công nghệ 2G chưa có được. Mặt khác sự ra đời của
hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ở Việt Nam cũng tạo ra sự cạnh tranh giữa các nhà
cung cấp dịch vụ thông tin di động, đặc biệt là ba nhà mạng viễn thông hàng đầu hiện
nay: MobiFone, Vinaphone, Viettel. Cạnh tranh không chỉ về cơ sở hạ tầng, số lượng
thuê bao, mà quan trọng còn là chất lượng dịch vụ.
Trong tương lai mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 còn được phát triển và ứng
dụng nhiều ở Việt Nam. Yêu cầu về tốc độ và giải quyết về vấn đề quá tải, để cải thiện
vấn đề đó cần phải quy hoạch ở giai đoạn tiếp theo, lắp thêm BTS hợp lý hơn.
1
Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ WCDMA và mạng WCDMA em
đã thực hiện đồ án: “Quy hoạch mạng 3G WCDMA và ứng dụng”, với nội dung như
sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thông tin di động thế hệ thứ 3 WCDMA
Chương 2: Cấu trúc mạnnh 3G WCDMA và kỹ thuật trải phổ
Chương 3: Phương pháp quy hoạch mạng 3G WCDMA
Chương 4: Ứng dụng quy hoạch mạng Vinaphone 3G cho viễn thông Hà Nội
Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn và góp
ý của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2013.
Người thực hiện
Nguyễn Minh Luyến
2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ 3 WCDMA
1.1. Giới thiệu về hệ thống thông tin di động
Thông tin di động bắt đầu từ những năm 1920, khi các cơ quan an ninh ở Mỹ bắt
đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù chỉ là ở các căn cứ thí nghiệm. Công nghệ vào
thời điểm đó đã có những thành công nhất định trên các chuyến tàu hàng hải, nhưng
nó vẫn chưa thực sự thích hợp cho thông tin trên bộ. Các thiết bị còn khá cồng kềnh và
công nghệ vô tuyến vẫn còn gặp khó khăn trước những toà nhà lớn ở thành phố.
Vào năm 1930 đã có một bước tiến xa hơn với sự phát triển của điều chế FM, được
sử dụng ở chiến trường trong suốt thế chiến thứ hai. Sự phát triển này kéo dài đến cả
thời bình, và các dịch vụ di động bắt đầu xuất hiện vào những năm 1940 ở một số
thành phố lớn. Tuy vậy, dung lượng của các hệ thống đó rất hạn chế, và phải mất
nhiều năm thông tin di động mới trở thành một sản phẩm thương mại.
Lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động được trình bày tóm tắt trong hình
vẽ:
Hình 1.1: Lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động
1.1.1. Thế hệ thứ nhất 1G (First Generation)
Là mạng thông tin di động cơ bản đầu tiên trên thế giới. Nó là hệ thống giao tiếp
thông tin qua kết nối tín hiệu tương tự được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm
đầu thập niên 80s. Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín
hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các
3
module gắn trong máy di động. Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên
thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện
và phát tín hiệu như trên.
Thế hệ 1G sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA với
kết nối mạng lõi dựa trên TDM có các đặc điểm:
• Phương thức đa truy cập
• Dịch vụ đơn thuần là thoại
• Chất lượng thấp
1.1.2. Thế hệ thứ hai 2G (Second Generation)
Khác với thế hệ một, hệ thống thông tin di động thế hệ hai (2G) được thiết kế để
triển khai quốc tế. Thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương thích, khả năng chuyển
mạch phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến. Công nghệ vô tuyến
2G thông dụng nhất được biết đến là GSM (Global Systems for Mobile
Communication). Các hệ thống GSM, được triển khai lần đầu tiên vào năm 1991, hiện
nay đang hoạt động ở khoảng 140 nước và lãnh thổ trên thế giới, với khoảng 248 triệu
người sử dụng. GSM kết hợp cả hai kỹ thuật TDMA và FDMA. Các hệ thống GSM
đầu tiên sử dụng phổ tần 25MHz ở dải tần 900MHz. FDMA được sử dụng để chia
băng tần 25MHz thành 124 dải tần số (mỗi dải 200kHz). Với mỗi tần số lại sử dụng
khung TDMA với 8 khe thời gian. Ngày nay các hệ thống GSM hoạt động ở băng tần
900MHz và 1.8GHz trên toàn thế giới (ngoại trừ Mỹ hoạt động trên băng tần
1.9GHz).
Cùng với GSM, một công nghệ tương tự được gọi là PDC (Personal Digital
Communications), sử dụng công nghệ TDMA nổi lên ở Nhật.
Từ đó, một vài hệ thống khác sử dụng công nghệ TDMA đã được triển khai khắp
thế giới với khoảng 89 triệu người sử dụng. Trong khi GSM được phát triển ở Châu
Âu thì công nghệ CDMA được phát triển mạnh ở Bắc Mĩ. CDMA sử dụng công nghệ
trải phổ và đã được thực hiện trên khoảng 30 nước với ước tính khoảng 44 triệu thuê
bao.
Trong khi GSM và các hệ thống sử dụng TDMA khác trở thành công nghệ vô
tuyến 2G vượt trội, công nghệ CDMA cũng đã nổi lên với chất lượng thoại rõ hơn, ít
nhiễu hơn, giảm rớt cuộc gọi, dung lượng hệ thống và độ tin cậy cao hơn. Các mạng
di động 2G trên đây chủ yếu vẫn sử dụng chuyển mạch kênh. Các mạng di động 2G
sử dụng công nghệ số và có thể cung cấp một số dịch vụ ngoài thoại như fax hay bản
tin ngắn ở tốc độ tối đa 9.6 kbps, nhưng vẫn chưa thể duyệt web và các ứng dụng đa
phương tiện.
Tổng quan về ba công nghệ FDMA, TDMA, CDMA được mô tả như hình dưới:
4
1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA
Hình 1.2: Khái niệm về hệ thống FDMA. (a) Phổ tần của hệ thống FDMA;
(b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng; (c) Phân bố kênh.
Hình 1.2 mô tả phương pháp đa truy cập FDMA với 5 người dùng. Hình 1.2(a)
là phổ của hệ thống FDMA. Ở đây, băng thông của hệ thống được chia thành các
băng có độ rộng Wch. Giữa các kênh kề nhau có một khoảng bảo vệ để tránh chồng
phổ do sự không ổn định của tần số sóng mang. Khi một người dùng gởi yêu cầu tới
BS, BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và giành riêng cho người dùng đó
trong suốt cuộc gọi. Tuy nhiên, ngay khi cuộc gọi kết thúc, kênh được ấn định lại cho
người khác. Khi có năm người dùng xác định và duy trì cuộc gọi như hình 1.2(b), có
thể ấn định kênh như trên hình 1.2(c).
Đặc điểm:
- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (Advanced
Mobile phone System - AMPS)
1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải
tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời
gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời
gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung. Hình
1.3 cho thấy quá trình truy cập của một hệ thống TDMA 3 kênh với 5 người dùng.
5
Hình 1.3: Khái niệm về hệ thống TDMA. (a) Phổ tần của hệ thống TDMA;
(b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng; (c) Phân bố kênh
(khe), với giả thiết dùng TDMA 3 kênh.
Đặc điểm :
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó
một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một
băng tần được sử dụng để truyền tuyến hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc phân
chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà
không sợ can nhiễu nhau.
- Giảm số máy thu phát ở BTS.
- Giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global
System for Mobile - GSM).
Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA. Hệ
thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106
lệnh trong một giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106
lệnh trên giây.
1.1.2.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử
dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ
gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ dùng
một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại
mỗi ô (cell) trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã
trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN).
6
Đặc điểm: - Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường
độ trường hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong ô dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn
vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trở
thành mềm, điều khiển dung lượng ô rất linh hoạt.
Hình 1.4: Khái niệm về hệ thống CDMA. (a) phổ tần; (b) mô hình khởi đầu
và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng; (c) phân bố kênh.
1.1.3. Thế hệ thứ ba 3G (Third Generation)
Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử
dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên
gọi ITM-2000 đưa ra các mục tiêu chính sau:
Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập
Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện. Nó cho phép người dùng di
động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email,
tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips ).
Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại vệ
tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các
hệ thống thông tin di động.
Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát
triển liên tục của thông tin di động.
3G cho phép tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh, 384 Kbps
cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Công nghệ
3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA
nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ
7
thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống
WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong
những năm gần đây. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho
phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến.
Hình 1.5: Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G
1.1.4. Công nghệ thứ tư 4G ( fourth Generation )
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc
độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s. Công nghệ 4G được hiểu là
chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT
DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di
chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và
truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao.
1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 WCDMA
1.2.1. Giới thiệu về công nghệ WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) Đa truy nhập phân chia
theo mã băng rộng là một công nghệ truy nhập vô tuyến. Hệ thống này hoạt động ở
chế độ FDD & TDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS- Direct
Sequence Spectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84Mcps bên trong băng tần 5MHz.
WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ
cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói hoạt động
ở mức hiệu quả cao nhất. Hơn nữa WCDMA có thể hỗ trợ các tốc độ số liệu khác
nhau, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ.
Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau
190 MHz: đường lên sử dụng dải tần trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz,
đường xuống sử dụng dải tần trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 MHz. Mặc dù sóng
mang 5 MHz là sóng mang danh định nhưng ta có thể sử dụng sóng mang từ 4,4 MHz
đến 5 MHz với nấc tăng là 200 KHz. Việc chọn độ rộng băng đúng đắn cho phép ta
8
tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác.
Giải pháp TDD sử dụng các tần số trong dải từ 1900 đến 1920 MHz và từ 2010
đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần.
1.2.2. Đặc điểm của mạng WCDMA
WCDMA có các đặc điểm cơ bản sau:
Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, tốc độ bit lên
cao ( lên đến 2 Mbps ).
Tốc độ của chip 3,84 Mbps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó tốc độ
dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi phân tập.
Hỗ trợ tốc độ người dử dụng thay đổi liên tục, mỗi người sử dụng cung
cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ có
thay đổi từ khung này đến khung khác.
Hỗ trợ hai mô hình mô hình vô tuyến FDD và TDD.
WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc do đó dễ dàng
phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ.
WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênh
hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ.
WCDMA được thiết kế dễ dàng nâng cấp hơn hệ thống CDMA như tách
sóng đa người sử dụng, xử dụng anten thông minh để nâng cao dung
lượng và vùng phủ.
WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng
và dung lượng của mạng.
Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp được tất cả các thông tin trên một sóng
mang
Nhược điểm chính của WCDMA là hệ thống không cho phép trong bằng TDD
phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu các môi
trường làm việc khác nhau.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba WCDMA có thể cung cấp các dịch vụ
với tốc độ bit lên đến 2 Mbps. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối
xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến và thông tin đa điểm. Với khả năng đó,
các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba có thể cung cấp dễ dàng các dịch vụ mới
như: tải dữ liệu nhanh, điện thoại thấy hình, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa
phương tiện khác.
9
1.2.3. Kiến trúc mạng WCDMA
1.2.3.1. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động
Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng
chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các
trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên
đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng
chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như thoại và video)
cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói.
Hình 1.6 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả
CS và PS trong mạng lõi.
Hình 1.6: Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS
Trong đó:
RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến
BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc
BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc
RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc
CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh
PS: Packet Switch: chuyển mạch gói
SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin
Server: máy chủ
PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công
cộng
PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất
Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng
một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này
được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng
chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN)
10
trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và
truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu
dung lượng lớn.
3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin
di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN.
Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code
Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của
UMTS).
Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM
EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE
của GSM). Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là
3G WCDMA UMTS.
1.2.3.2. Các kiến trúc mạng WCDMA
Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3
WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói:
đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này
đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong
các mạng điện thoại cố định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội
nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính
năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet.
UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa
trên vị trí.
Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment),
mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio
Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.6). UE bao gồm ba thiết bị: thiết
bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM:
UMTS Subscriber Identity Module).
UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi
RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các
nút B nối với nó. Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và
HE (Home Environment: Môi trường nhà).HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC
(Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi
định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register:Bộ ghi nhận dạng thiết bị)
11
Hình 1.7: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3
Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4
Kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4. Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ
mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. Thay cho việc có các MSC chuyển
mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và
chuyển mạch mềm được đưa vào.
Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW:
Media Gateway). 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 trận chuyển mạch. Ma trận
chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC
Server.
Hình 1.8: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4
Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6
Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện
IP.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.
12
Hình 1.9: Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6
Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đa
phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). Đây là một miền mạng IP được thiết
kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP. Từ hình 1.9 ta thấy tiếng và
số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả
phương tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MGW
riêng.
Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng điều khiển
trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên
đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng các
phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-
SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW:
Roaming Signalling Gateway).
Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được tăng
cường rất nhiều. Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ giao thức
khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác nhân của người sử
dụng SIP. Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều.
CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến
và từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và định tuyến. CSCF
hoạt động như một đại diện Server /hộ tịch viên.
SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS
và UMTS R3 và R4. Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ hỗ trợ
dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn). Vì thế cần hỗ
trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít
nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng.
13
Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi được
sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị .
Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tương
tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN. T-SGW hỗ trợ các giao thức
Sigtran.
Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút đảm bảo tương tác báo hiệu với
các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn. Trong nhiều trường hợp T-SGW và
R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng.
MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương
tiện. MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ở R4. MGW
được điều khiển bởi Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF). Giao thức
điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248.
MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP.
1.3. Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển của hệ thống thông tin
di động và tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 WCDMA. Với nhu
cầu không ngừng tăng lên của người sử dụng cả về chất lượng và số lượng, nhu cầu
trao đổi thông tin ở trình độ cao và đa dạng sự phát triển ấy là tất yếu. Hiện nay công
nghệ 3G đang được ứng dụng một cách mạnh mẽ ở các nước trên thế giới với các dịch
vụ tiện ích như điện thoại truyền hình, truy nhập internet tốc độ cao, hội nghị truyền
hình, video….
14
CHƯƠNG II
CẤU TRÚC MẠNG WCDMA VÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
2.1. Cấu trúc mạng WCDMA
2.1.1. Cấu trúc tổng quan mạng WCDMA
Cấu trúc mạng viễn thông di động toàn cầu (UMTS) với cơ sở nền
tảng là hệthống đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA) được
khái quát bởi hình 2.1.
Hình 2.1: Cấu trúc tổng quan hệ thống UMTS
Theo chức năng thì các phần tử mạng được nhóm thành các nhóm:
+ Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
làUTRAN). Mạng này thiết lập tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến. Mã
hóa,điều chế, ghép kênh . . .
+ Mạng lõi (CN): Thực hiện chức năng chuyển mạch và định tuyến cuộc
gọi vàkết nối dữ liệu đến các mạng ngoài.
+ Thiết bị người sử dụng (UE) giao tiếp với người sử dụng và giao diện vô
tuyến.Ví dụ: màn hình, bàn phím, micro, loa . . .
Theo các đặc tả chỉ ra trong quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao
gồm các giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của công nghệ
vôtuyến WCDMA mới. Ngược lại, việc định nghĩa mạng lõi (CN) được kế thừa
từ GSM. Điều này đem lại cho hệ thống có công nghệ truy nhập vô tuyến mới một
nềntảng mang tính toàn cầu là công nghệ mạng lõi đã có sẵn, như vậy sẽ thúc
đẩy sự quảng bá của nó, mang lại ưu thế cạnh tranh chẳng hạn như khả năng roaming
toàn cầu.Và các thành phần của mạng WCDMA được chỉ ra trong hình 2.2.
15
Hình 2.2: Các thành phần của mạng WCDMA
2.1.2. Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA được xây dựng trên cơ sở
mạngcủa hệ thống GSM với việc sử dụng công nghệ mạng lõi của GSM. Chính vì vậy
màđiểm khác biệt lớn nhất về mặt công nghệ giữa WCDMA với GSM là mạng
truynhập vô tuyến UTRAN với việc áp dụng kĩ thuật đa truy nhập theo mã
hoàn toàn mới.
UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vô tuyến (RNS), một RNS là một
mạng con trong UTRAN và bao gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và một
hay nhiều Node-B.
Các yêu cầu chính để thiết kế kiến trúc, giao thức và chức năng UTRAN:
Hình 2.3: Cấu trúc của UTRAN
Tính hỗ trợ của UTRAN và các chức năng liên quan: Yêu cầu tác động
đến thiết kế của UTRAN là các yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một
thiết bị đầu cuối kết nối tới mạng thông qua 2 hay nhiều cell đang hoạt
động) và các thuật toán quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến đặc biệt của
WCDMA.
Làm tăng sự tương đồng trong việc điều khiển dữ liệu chuyển mạch gói
và chuyển mạch kênh với một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến
duy nhất và với việc sử dụng cùng một giao diện cho các kết nối từ
UTRAN đến miền chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh của mạng lõi.
Làm tăng tính tương đồng với GSM.
16
Sử dụng kiểu chuyển vận trên cơ sở IP như là cơ cấu chuyển vận thay
thế trong UTRAN kể từ Release 5 trở đi.
Các thiết bị UTRAN với chi phí CAPEX và OPEX được tiết kiệm tối đa.
Đồng thời các thiết bị UTRAN được thiết kế module hóa và và có tính
linh hoạt hợp lý cho việc mở rộng dung lượng trong tương lai. Hệ thống
UTRAN có khả năng nâng cấp lên phiên bản phần mềm cao hơn mà chỉ
gây ra tác động rất nhỏ tới hoạt động thông thường của hệ thống.
2.1.2.1. Node-B
Node-B là một thuật ngữ sử dụng trong UMTS để biểu thị BTS (trạm thu phát
gốc) và sử dụng công nghệ WCDMA trên đường vô tuyến. Cũng như trong tất cả các
hệ thống tổ ong UMTS và GSM, Node B thực hiện việc thu phát tần số vô tuyến để
liên lạc trực tiếp với các máy di động di chuyển tự do xung quanh nó.
Một cách truyền thống, các Node B có những chức năng tối thiểu về thu phát vô
tuyến và được điều khiển bởi RNC (Radio Network Controller). Việc sử dụng công
nghệ WCDMA cho phép một cell thuộc một Node B hoặc các Node B khác nhau cùng
được quản lý bởi các RNC khác nhau để chồng lên nhau và vẫn sử dụng một tần số
giống nhau (trên thực tế, toàn bộ mạng có thể dùng chỉ một cặp tần số).
Chức năng chính của Node B là thực hiện xử lý L1 của giao diện vô tuyến (mã
hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ,…). Nó cũng thực hiện một phần khai
thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong. Về phần chức
năng nó giống như trạm gốc ở GSM. Lúc đầu Node B được sử dụng như là một thuật
ngữ tạm thời trong quá trình chuẩn hoá nhưng sau đó nó không bị thay đổi.
Node B bao gồm các loại cấu hình: Macro Indoor, Macro Outdoor, Mini Indoor,
Mini outdoor, Micro Indoor, Micro Outdoor, Pico,
2.1.2.2. RNC (Radio Network Control)
RNC là một thành phần trong mạng truy nhập vô tuyến UTMS. RNC về cơ bản
có những chức năng giống BSC trong hệ thống BSS GSM:
Trung gian giữa trạm gốc (Node B trong UMTS) và hệ thống mạng lõi.
Điều khiển cuộc gọi vô tuyến (quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển và quản
lý chuyển giao cuộc gọi …)
RNC được kết nối đến:Mạng lõi, qua giao tiếp Iu.
Các Node B qua giao tiếp Iub. Một Node B thực hiện giao tiếp vô tuyến với
một hoặc nhiều cell.
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của
UTRAN. Nó giao diện với CN (thông thường 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 MS và UTRAN. Nó đóng vai trò như
17
BSC.
Các chức năng chính của RNC :
Điều khiển tài nguyên vô tuyến
Cấp phát kênh
Thiết lập điều khiển công suất
Điều khiển chuyển giao
Phân tập Macro
Mật mã hóa
Báo hiệu quảng bá
Điều khiển công suất vòng hở
Một số RNC lân cận qua giao tiếp Iur
2.1.2.3. Mạng lõi CN ( Core Network )
Những chức năng chính của việc nghiên cứu mạng lõi UMTS là:
Quản lí, 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
Mạng lõi UMTS gồm 2 thành 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 như HLR và AUC được chia sẽ
cho cả hai phần. Cấu trúc của mạng lõi có thể được thay đổi khi các dịch vụ
mới và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra.
Các phần tử chính của mạng lõi như sau :
HLR (Home Location Register): Thanh ghi định vị thường trú) là một cơ sở dữ
liệu được đặt tại hệ thống chủ nhà của người sử dụng để lưu trữ thông tin chính
về lý lịch dịch vụ của người sử dụng, bao gồm thông tin về các dịch vụ bổ sung
như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng 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 người sử dụng cũng như 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 như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch
18