đồ án kỹ thuật viễn thông Tối ưu chỉ số KPI mạng vô tuyến 3G-UMTS

Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 1

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin liên lạc nói chung và thông tin di động nói riêng là một trong những
ngành công nghiệp phát triên với tốc độ nhanh nhất và ngoạn mục nhất trên thế giới
trong những năm cuối thế kỷ 20 và đặc biệt là trong những năm đầu thế kỷ 21. Nói
riêng tại Việt Nam, cuối năm 2003 số lượng thuê bao di động chỉ có xấp xỉ 3 triệu
nhưng chỉ sau năm 6 năm đã tăng lên tới con số 81 triệu thuê bao di động (theo số
liệu của tổng cục thống kê). Điều đó đã minh chứng cho tốc độ phát triển như vũ
bão của thông tin di động tại Việt Nam. Tại Việt Nam hiện nay có tổng cộng là 8
nhà khai thác mạng di động đang hoạt động trong đó 3 nhà khai thác lớn nhất là
Viettel, Mobifone và Vinaphone.
Các nhà khai thác hiện nay cung cấp dịch vụ cho khách hàng chủ yếu dựa trên
nền tảng công nghệ 2G-GSM với dịch vụ chủ yếu là thoại và SMS, bên cạnh đó là
công nghệ 2.5G-GPRS và 2.75G-EDGE có bổ sung các dịch vụ truyền tải dữ liệu.
Nhưng trong tương lai gần, nhu cầu sử dụng các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao của
khách hàng là rất lớn, đặc biệt là trong đối tượng khách hàng là giới trẻ và những
người đang công tác. Với các ưu thế vượt trội về tốc độ truyền tải dữ liệu, công
nghệ di động 3G hứa hẹn cung cấp các dịch vụ nội dung phong phú đáp ứng nhu
cầu đa dạng của khách hàng Việt Nam.
Trong quá trình triển khai mạng di động 3G, việc tối ưu mạng đóng vai trò rất
quan trọng để nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng dung lượng mạng, và kịp thời khắc
phục các sự cố xẩy ra trong quá trình vận hành. Với vai trò đó, công tác tối ưu mạng
3G cần diễn ra thường xuyên liên tục và theo một chu trình khép kín trong suốt quá
trình tồn tại của mạng từ khi mới triển khai và trong quá trình đưa vào vận hành.
Công tác tối ưu mạng di động 3G đòi hỏi các kỹ sư tối ưu ngoài việc đáp ứng các
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 2

yêu cầu về sự tỉ mỉ, chính xác thì còn cần phải có kiến thức chắc chắn về lý thuyết
mạng 3G-UMTS, đồng thời cần có nhiều kinh nghiệm và nắm chắc quy trình tối ưu
mạng.
Tối ưu mạng di động 3G-UMTS là một vấn đề còn rất mới mẻ tại Việt Nam vì
vậy để đi sâu nghiên cứu về nó sẽ còn gặp rất nhiều khó khăn vì sự hạn chế về
nguồn tài liệu và việc thiếu các kinh nghiệm tối ưu mạng 3G do lần đầu triển khai
thực tiễn. Nhưng sự đòi hỏi cấp bách và tầm quan trọng của tối ưu trong quá trình
triển khai và vận hành mạng 3G ở nước ta trong năm 2009, 2010 và các năm sau đó
sẽ mở ra những tiềm năng lớn và nhiều cơ hội cho các sinh viên chuẩn bị ra trường
nếu họ nắm vững về nó. Với kiến thức đã học trong chuyên nghành điện tử-viễn
thông tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, được sự hướng dẫn của thạc sỹ Trần Mạnh
Hoàng, cùng với thời gian thực tập tại công ty Sky Telecom, em đã có cơ hội tìm
hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài:
“ Tối ưu chỉ số KPI mạng vô tuyến 3G-UMTS”.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thạc sỹ Trần Mạnh Hoàng đã tận tình
hướng dẫn, và các kỹ sư trong công ty Sky Telecom đã cho em nhiều ý kiến đóng
góp để em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Chu Xuân Thuận




Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu về mạng 3G UTMS theo công nghệ
WCDMA, tôi nhận thấy đây là một hệ thống có rất nhiều ưu việt như tốc độ dữ liệu
cao, các dịch vụ phong phú, đáp ứng các nhu cầu khác nhau cho nhiều đối tượng
người sử dụng. Tuy nhiên do sử dụng chung một tần số nên hệ thống WCDMA là
một hệ thống tự gây nhiễu do đó việc chống nhiễu là cực kì quan trọng. Và công tác
tối ưu là một phần không thể thiếu trong vòng đời của mạng. Trong đó, chỉ số KPI
được xem như là chỉ số đặc trưng cho hiệu năng của mạng. Nhờ nó, các nhà mạng
có thể phân tích, đánh giá, tìm cách cải thiện, nâng cao chất lượng của mạng.
Nhận thức rõ được điều đó, trong đồ án này em tập trung tìm hiểu hệ thống
di động 3G UMTS theo công nghệ WCDMA và các chỉ số KPI, kết hợp với các số
liệu và kinh nghiệm thực tế qua quá trình đi đo kiểm, tối ưu mạng Vinaphone 3G tại
thành phố Tam Kỳ, Quảng Nam. Từ đó đưa ra các giá trị các thông số và các
khuyến nghị nhằm giảm nhiễu, cải thiện chất lượng của mạng.





Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 4


PROJECT SUMMARY

Through researching about the UMTS network using WCDMA technology, I
recognize that this is a system that has many advantages such as high-speed data,

diversified services and it satisfies many other users. Because of using an unique
frequency, WCDMA is a seft- interference system, so interference preventing is
extremely important in this system. And network optimization is very essential in
the network cycle. One of many indexs to show the network performance is Key
Performance Indicator (KPI). Based on KPI, the operators can analyse and find how
to improve the quality of the network.
In this project I focus on studying cellular UMTS network using WCDMA
technology and KPIs, combining statistic and experience through the testing and
optimization processes in Vinaphone 3G at Tam Ky city in Quang Nam province
and then suggesting the parameters and recommendations in oder to reduce
interference and improve the quality of the network.





Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 5


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………… 1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN…………………………………………………………………3
MỤC LỤC ……………………………………………………………………… 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ………………………………………………………… 8
DANH SÁCH BẢNG BIỂU…………………………………………………… 10
BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT…………………………………………… 11
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN MẠNG 3G -UMTS……………………………… 14

1.1.Giới thiệu chung 14
1.1.1.Khái niệm về UMTS………………………………………………… 14
1.1.2. Khả năng cải tiến của UMTS…………………………………….…….15
1.1.3.Các phiên bản của UMTS-WCDMA………………………………… 15
1.1.4.Băng tần số cấp phát cho WCDMA-UMTS………………………… 16
1.2.Kiến trúc mạng 3G-UMTS 18
1.2.1. Thiết bị người sử dụng………………………………………………. 18
1.2.2. Mạng truy cập vô tuyến UMTS………………………………………. 19
1.2.3. Mạng lõi………………………………………………………………. 21
1.2.4. Hệ thống hỗ trợ, vận hành vô tuyến và lõi (OSS-RC)……………… 24
1.3.Các kênh trong hệ thống UMTS 24
1.3.1. Các kênh logic 25
1.3.2. Các kênh truyền tải 25
1.3.3. Các kênh vật lý 26
1.4. Tổng kết chương………………………………………………………………27
CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG UMTS……………… 28
2.1. Giới thiệu chương 28
2.2.Trải phổ 28
2.3.Điều khiển công suất WCDMA 30
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 6

2.3.1. Điều khiển công suất vòng hở (OLPC)………………………………. 31
2.3.2. Điều khiển công suất vòng lặp đóng (CLPC)……………………… 32
2.4.Chuyển giao và lựa chọn lại Cell trong WCDMA 33
2.4.1. Chuyển giao………………………………………………………… 33
2.4.2. Các loại chuyển giao và lựa chọn lại Cell……………………………. 33
2.4.3. Các thủ tục chuyển giao……………………………………………… 34
2.5.Tổng kết chương 35

CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU
VÀ KPI MẠNG 3G UMTS 36
3.1.Giới thiệu chương 36
3.2.Khái quát chung về KPI mạng 3G UMTS 36
3.2.1. Định nghĩa, đặc điểm và mục đích của việc sử dụng KPI…………… 37
3.2.2. Phân loại KPI……………………………………………………… 37
3.2.3. Các nguồn dữ liệu phục vụ tính toán các KPI……………………… 39
3.2.4. Một số KPI được sử dụng trong tối ưu mạng 3G UMTS……………. 39
3.3.Các vấn đề cơ bản của công tác tối ưu mạng vô tuyến di động 40
3.3.1. Khái niệm và mục tiêu của công tác tối ưu vô tuyến…………………. 40
3.3.2. Thủ tục tối ưu mạng vô tuyến………………………………………… 41
3.3.3. Một số công cụ phục vụ tối ưu mạng vô tuyến……………………… 42
3.3.4. Các dữ liệu phục vụ đánh giá và tối ưu chất lượng mạng…………… 46
3.3.4.1. Dữ liệu Drive test 46
3.3.4.2. Dữ liệu kiểm tra chất lượng cuộc gọi (CQT) 46
3.3.4.3. Dữ liệu thống kê chất lượng mạng 47
3.4.Phương pháp tối ưu mạng 3G UMTS 47
3.4.1. Các giai đoạn tối ưu mạng 3G – UMTS……………………………… 47
3.4.2.Điểm khác nhau giữa các giai đoạn tối ưu mạng 3G UMTS 50
3.4.3.Quy trình tối ưu dựa trên các KPI mạng 3G UMTS………………… 51
3.4.3.1.Công tác chuẩn bị 51
3.4.3.2.Thu thập dữ liệu phục vụ tối ưu…………………………………51
3.4.3.3.Phân tích chất lượng mạng phục vụ tối ưu………………………52
3.4.3.4.Tiến hành thiết kế tối ưu 56
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 7

3.4.3.5. Công nhận thiết kế tối ưu 58
3.5.Định nghĩa một số KPI và nguyên nhân ảnh hưởng tới chúng……… …….59

3.5.1. Call Drop Rate - Tỉ lệ rớt cuộc gọi (CDR)…………………………….59
3.5.2. Tỉ lệ thành công thiết lập cuộc gọi (CSSR)………………………… 63
3.5.3. Tỉ lệ thành công chuyển giao mềm (SHO_SR)……………………… 66
3.6.Tổng kết chương 68
CHƯƠNG 4. THỰC TẾ TỐI ƯU KPI MẠNG 3G - UMTS 69
4.1.Một số trường hợp thường gặp trong tối ưu mạng 3G UMTS 69
4.1.1. Khu vực có vùng phủ kém……………………………………………. 69
4.1.1.1. Tiêu chuẩn 69
4.1.1.2. Khảo sát vùng phủ tại thành phố Tam Kỳ, Quảng Nam 69
4.1.1.3.Phân tích vùng phủ khu vực Tam Kỳ 74
4.1.1.4.Giải pháp 77
4.1.2. Khu vực có rớt cuộc gọi (calldrop)………………………………. 81
4.1.2.1. Phân tích nguyên nhân 81
4.1.2.2.Giải pháp 83
4.1.2.3.Kết quả sau tối ưu 83
4.2.Tổng kết chương………………………………………………………… 84
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87







Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 8

DANH SÁCH HÌNH VẼ


Hình 1.1 Dải tần UMTS-WCDMA……………………………………………… 17
Hình 1.2 Kiến trúc mạng UMTS………………………………………………… 18
Hình 1.3 Cấu trúc của UE…………………………………………………… 18
Hình 1.4 Kiến trúc UTRAN tổng quát…………………………………………….20
Hình 1.5 Kiến trúc mạng lõi………………………………………………………21
Hình 1.6. Các kênh UMTS……………………………………………………… 24
Hình 1.7. Các loại kênh trong UTRAN……………………………………………25
Hình 2.1 Trải phổ DS-CDMA với 3 người dùng………………………………… 28
Hình 2.2 Mô hình điều chế và giải điều chế……………………………………….29
Hình 2.3 Cây mã OVSF………………………………………………………… 29
Hình 2.4. Thứ tự các loại điều khiển công suất………… ……………………….30
Hình 2.5. Các cơ chế điều khiển công suất trong W-CDMA…………………… 31
Hình 2.6. Điều khiển công suất vòng trong và vòng ngoài …………….… 33
Hình 2.7. Các loại hình chuyển giao trong hệ thống UMTS 34
Hình 3.1. Chỉ số KPI lấy từ hệ thống OSS-RC 40
Hình 3.2. Thủ tục tối ưu mạng vô tuyến………………………………………… 42
Hình 3.3. Các thiết bị dùng trong đo lường tín hiệu……………………………….43
Hình 3.4. Giao diện chính của ZXPOS CNT………………………………………44
Hình 3.5. Giao diện chính của ZXPOS CNA…………………………………… 44
Hình 3.6. Công đoạn tối ưu trong vòng đời của mạng…………………………… 48
Hình 3.7. Quy trình tối ưu mạng 3G UMTS……………………………………….49
Hình 3.8. Chu trình phân tích chất lượng mạng 3G…………………………… 53
Hình 3.9. Điều chỉnh các thống số kỹ thuật…………………………………… 57
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 9

Hình 3.10. Điểm đo lường KPI CS CDR………………………………………… 61
Hình 3.11. Điểm đo lường KPI CSSR…………………………………………… 66
Hình 3.12. Điểm đo lường KPI SHO-SR………………………………………… 67
Hình 4.1. Vị trí thực tế Node B tại thành phố Tam Kỳ…………………………….70
Hình 4.2. Cường độ trường RSCP 71
Hình 4.3. Bảng quy định màu RSCP 71
Hình 4.4. Chất lượng tín hiệu Ec/No của thành phố Tam Kỳ 72
Hình 4.5. Bảng quy định màu Ec/No 73
Hình 4.6. Khu vực có vùng phủ kém 75
Hình 4.7. WCDMA Pilot 76
Hình 4.8. Weak coverage do pilot pollution 77
Hình 4.9. Phân bố RSCP sau khi thi hành tối ưu 78
Hình 4.10 Phân bố Ec/No sau khi tối ưu 79
Hình 4.11. Khu vực sau tối ưu 80
Hình 4.12. Khu vực có rớt cuộc gọi 82
Hình 4.13.Tín hiệu và khả năng chuyển giao thành công 83
Hình 4.14. Calldrop được giải quyết 83










Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 10




DANH SÁCH BẢNG BIỂU


Bảng 1.1 Băng tần được triển khai vào tháng 11/2007 16
Bảng 1.2 Các kênh logic UMTS 25
Bảng 1.3 Các kênh truyền tải UMTS 26
Bảng 1.4 Các kênh vật lý UMTS 26
Bảng 3.1 Một số KPI mạng 3G UMTS 39
Bảng 3.2 Khác nhau giữa tối ưu sau khai trương và trước khai trương 50
Bảng 4.1 Tiêu chuẩn vùng phủ tốt 69
Bảng 4.2 Thống kê mẫu RSCP CPICH trước tối ưu 72
Bảng 4.3 Thống kê mẫu Ec/No CPICH trước tối ưu 73
Bảng 4.4 Kết quả đo lường CSSR, CDR, SHOSR trước tối ưu 74
Bảng 4.5 Chỉnh tilt và azimuth 77
Bảng 4.6 Thống kê mẫu RSCP CPICH sau tối ưu 78
Bảng 4.7 Thống kê mẫu Ec/No CPICH sau tối ưu 79
Bảng 4.8 RSCP CPICH trước và sau tối ưu 80
Bảng 4.9 Ec/No CPICH trước và sau tối ưu 80
Bảng 4.10 CSR, CDR, HOSR trước và sau tối ưu 81
Bảng 4.11 Thống kê các KPI sau khi tối ưu 84



Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 11




BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt
3G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 3
AuC Authentication Centre Trung tâm nhận thực
AMR Adaptive Multirate Tốc độ đáp ứng
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit
BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá
BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá
BS Basic Station Trạm gốc
BPSK Binary Phase Shift Keying BPSK Binary Phase Shift Keying

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc
BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
CCPCH
Common Control Physical
Channel
Kênh vật lý điều khiển chung
CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung
CCH Control Channel Kênh điều khiển
CDR Call Drop Rate Tỉ lệ rớt cuộc gọi
CHR Call History Lịch sử cuộc gọi
C/I Carrier to Interference ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu
CN Core Network Mạng lõi

CPCH Common Packet Channel Gói kênh chung
CPICH Common Pilot Channel Kênh dẫn đường chung
CLPC Close Loop Power Control
Điều khiển công suất vòng lặp
đóng
CQT Call Quality Test Kiểm tra chất lượng cuộc gọi
CSSR Call Setup Success Rate Tỉ lệ thiết lập thành công cuộc gọi
DL Downlink Đường lên
DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng
DCH Dedicated Channel Kênh dành riêng
DPCCH
Dedicated Physical Control
Channel
Kênh điều khiển vật lý dành riêng
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 12

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý dành riêng
DPDCH
Dedicated Physical Data
Channel
Kênh dữ liệu vật lý dành riêng
DS-
CDMA
Direct Sequence Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
chuỗi trực tiếp
DSSS

Direct Sequence Spread
Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
DT Drive Test Test trên xe ô tô
EIR Equipment Identity Centre Trung tâm chỉ thị thiết bị
FDMA
Frequence Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo tần số
GMSC Gateway MSC MSC cổng
GoS Grade of Service Cấp độ phục vụ
GSM
Global System for Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú
HO Handover Chuyển giao
HSDPA
High-speed Downlink Packet
Access
Truy nhập gói đường xuống tốc độ
cao
HS-
DPCCH
High-speed DPCCH (UL) DPCCH tốc độ cao(UL)
Iub
Interface between an RNC
and a Node B
Giao diện giữa RNC và Node B

Iur
Logical interface between
two RNCs
Giao diện vật lý giữa hai RNC
KPI Key Performance Indicator Bộ chỉ thị hiệu năng mạng
LAI Location Area Identity Chỉ thị định vị
MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập
ME Mobile Equipment Thiết bị di động
MMS
Multimedia Messaging
Service
Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung chuyển

MS Mobile Station Trạm di động
O&M Operations and Maintenance Vận hành và bảo dưỡng
OLPC Open Loop Power Control Điều khiển công suất vòng lặp hở
OSS-RC
Operational Support System-
Radio Core
Hệ thống hỗ trợ vận hành vô tuyến
và lõi
OVSF
Orthogonal Variabel Spreading
Factor
Hệ số trải biến đổi trực giao
PN Pseudo Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên
PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 13

PC Power Control Điều khiển công suất
PCCCH
Packet Common Control
Channel
Kênh điều khiển gói chung
PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi
P-CCPCH Primary CCPCH CCPCH chính
PCH Paging Channel Kênh tìm gọi
PCPCH Physical CPCH CPCH vật lý
P-CPICH Primary CPICH CPICH chính
PICH Paging Indicator Channel Kênh chỉ thị tìm gọi
PDCH Packet Data Channel Kênh dữ liệu gói
PDP Packet Data Protocol Giao thức dữ liệu gói
PSTN
Public Switched Telephone
Network
Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng
RAB Radio Access Bearer Sóng mang truy cập vô tuyến
RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến
RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến
RSCP Recived signal code power Cường độ trường
RTWP
Received Total Wideband
Power
Công suất băng rộng thu được
tổng cộng
SCH Synchronisation Channel Kênh đồng bộ

S-CPICH Secondary CPICH CPICH thứ cấp
SHOSR Soft Handover Success Rate Tỉ lệ chuyển giao mềm thành công

SRNC Serving RNC RNC phục vụ
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
QPSK
Quadrature Phase Shift
Keying
Khóa dịch pha vuông góc
SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
TDMA
Time Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo thời
gian
UE User Equipment Thiết bị người sử dụng
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống liên lạc điện thoại toàn
cầu
UTRAN
Universal Terrestrial Radio
Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến mắt đất
toàn cầu
WCDMA
Wideband Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập theo mã băng rộng

UL Uplink Đường lên
VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị thường trú


Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 14



CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN MẠNG 3G - UMTS


1.1.Giới thiệu chung
1.1.1.Khái niệm về UMTS
Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (theo tiếng Anh: Universal mobile
telecommunication system, viết tắt là UMTS) là một trong các công nghệ viễn
thông di động thế hệ thứ 3 (3G-Third Generation). Nó được tiêu chuẩn hoá bởi
3GPP và là một bộ phận của chuẩn ITU IMT-2000. UMTS đáp ứng được các mục
tiêu của IMT-2000. UMTS cung cấp một con đường tiến hoá cho GSM để đạt được
tốc độ truyền tải dữ liệu cao và dung lượng lớn hơn. Mặc dù UMTS sử dụng lại
phần lớn mạng lõi GSM nhưng nó lại sử dụng các công nghệ đa truy nhập vô tuyến
khác đó là công nghệ “Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng” (WCDMA) hay
còn gọi là UTRA-FDD. Đây là một tiêu chuẩn về giao diện không gian đầu tiên và
hoàn thiện nhất trong các công nghệ của UMTS và được các nhà khai thác và sản
xuất thiết bị viễn thông ở cả 3 châu lục: Âu, Á, Mỹ sử dụng rộng rãi. Ngoài ra
UMTS còn đưa vào 2 phương án kỹ thuật khác là “Đa truy nhập phân chia theo mã
đồng bộ-phân chia theo thời gian” TD-SCDMA (còn gọi là UTRA-TDD LCR) do
Trung Quốc đề xướng và “ Đa truy nhập phân chia theo mã-phân chia theo thời

gian” (TD-CDMA) (còn gọi là UTRA-TDD HCR). UMTS được dự đoán là sẽ có
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 15

tính kinh tế nhờ quy mô bằng việc triển khai dưới mạng phần ứng dụng di động
(MAP) GSM/GPRS.
1.1.2. Khả năng cải tiến của UMTS
 Tốc độ bit cao hơn đáng kể so với mạng di động 2G.
 Trễ thấp hơn với thời gian đi và về của gói là dưới 100ms với phiên bản 5 và
thậm chí là dưới 5ms với phiên bản 6.
 Tính di động liên tục giúp giữ kết nối liên tục, không giới hạn khi chuyển đổi
qua nhiều mạng và thiết bị khác nhau với các ứng dụng dữ liệu gói.
 Sự phân biệt chất lượng dịch vụ (Qos) cho hiệu quả cao trong việc phân phối
dịch vụ.
 Khả năng sử dụng các dịch vụ dữ liệu và thoại đồng thời.
 Có khả năng liên kết với hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động (GSM) và
hệ thống vô tuyến gói chung (GPRS) hiện đang tồn tại.
 Cho người dùng dữ liệu gói, UMTS hỗ trợ HSDPA với đường xuống tốc độ cao
và HSUPA được thiết kế để cung cấp tốc độ cao trên đường lên.
1.1.3.Các phiên bản của UMTS-WCDMA
Phiên bản 99 (R99): Cải tiến trên GSM/GPRS/EDGE nâng cao dung lượng
thoại và có tốc độ dữ liệu cao hơn (đường lên (UL) 384kbps-đường xuống (DL)
384kbps). Trong đó bao gồm cả các dịch vụ định vị.
Phiên bản 4 (R4): Chủ yếu giới thiệu kiến trúc phân chia chuyển mạch kênh
(CS), TDD tốc độ 1,28 Mcps, vận hành độc lập giữa bộ chuyển mã và tổng đài,
dòng PS.
Phiên bản 5 (R5): HSDPA cung cấp tốc độ dữ liệu đường xuống cao hơn đáng
kể so sánh với R99 (DL 1,8-14,4 Mbps-UL 384 kbps). Hỗ trợ cho truyến dẫn toàn
IP và phân hệ đa phương tiện IP.

Phiên bản 6 (R6): Truy cập đường lên tốc độ cao (HSUPA) cung cấp tốc độ dữ
liệu đường lên cao hơn phiên bản 99 và R5. Bổ sung dịch vụ Multicast, broadcast
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 16

đa phương tiện (MBMS) và các dịch vụ đa phương tiện phong phú dựa trên phân hệ
đa truyền thông IP (IMS) như hội thảo, chia sẻ Video.
Phiên bản 7 (R7): HSPA+ (Cách mạng HSPA) cung cấp các tính năng của giao
diện vô tuyến cải tiến: nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (MIMO) cho đường xuống và
64/16 QAM trên đường lên và đường xuống cho các tốc độ dữ liệu cao hơn. Nó
cũng triển khai kết nối gói liên tục (CPC), giảm báo cáo chỉ thị chất lượng kênh
(CQI), và giảm sự hoạt động của kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao (HS-SCCH).
Phiên bản 8 (R8): Sự phát triển dài hạn (LTE) sẽ dựa trên OFDM, triển khai
trên các băng trong thang 1,25-20 MHz.
1.1.4.Băng tần số cấp phát cho WCDMA-UMTS
Bảng 1.1 Băng tần được triển khai vào tháng 11/2007
Tên băng Số băng
Kích

thước
Dải đường lên
Dải đường
xuống
Phân
cách
Các vùng khác (trong đó có Việt Nam)
UMTS-2100 I 2x60 1920-1980 2110-2170 190 Mhz
UMTS-2600 VII 2x70 2500-2570 2620-2690 120 Mhz
Châu Âu/GSM

UMTS-1800 III 2x75 1710-1785 1805-1880 95 Mhz
UMTS-900 VIII 2x35 880-915 925-960 45 Mhz
Hoa Kỳ
UMTS-1900 II 2x60 1850-1910 1930-1990 80 Mhz
UMTS-1700-
2100
IV 2x45 1710-1755 2110-2155 400 Mhz
UMTS-850 V 2x25 824-849 869-894 45 Mhz
Nhật Bản
UMTS-800 VI 2x10 830-840 875-885 45 Mhz
UMTS-1700 IX 2x35
1749.9-

1784.9
1844.9-
1879.9
95 Mhz
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 17


Sẽ rất tốt nếu có một sự cấp phát tần số toàn cầu cho tất cả các hệ thống 3G. Tuy
nhiên, sự cấp phát phổ tần do các cơ quan quản lý riêng rẽ vì vậy không có phổ tần
3G chung cho toàn cầu. Các băng tần số khác nhau được gán cho UMTS tại các
vùng và cho các nước khác nhau. Các hệ thống UMTS FDD hiện nay được dự kiến
vận hành trên các băng tần đã nêu trong bảng 1.1, mặc dù chỉ có một vài băng tần là
hiện đã được triển khai. UMTS-900 được dự định triển khai tại Châu Âu vào năm
2008. Tại Việt Nam, công nghệ 3G UMTS sử dụng băng tần số theo chuẩn IMT-
2000 trong băng tần số 1900-2200 Mhz. Có thể đơn cử băng tần được cấp của

Vinaphone là UL: 1950-1965 và DL: 2140-2155.
 Dải tần UMTS-WCDMA
Hình 1.1 minh hoạ dải tần số của hệ thống UMTS.

Hình 1.1 Dải tần UMTS-WCDMA
Khoảng cách kênh: Khoảng cách kênh danh định là 5 Mhz, nhưng có thể
được điều chỉnh để tối ưu chất lượng trong mỗi hoàn cảnh triển khai riêng.
Mành kênh: Mành kênh là 200 Khz, có nghĩa là tần số trung tâm phải là một
số nguyên lần của 200 Khz.
Số kênh: Tần số sóng mang được chỉ đinh bởi số kênh tần số vô tuyến tuyệt
đối (UARFCN). Fcenter= URAFCN×200 Khz.
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 18

Phân cách đường lên với đường xuống: phân cách tần số đường lên và
đường xuống tuỳ theo các băng tần như đã được chỉ ra trong hình 1.1.
1.2.Kiến trúc mạng 3G-UMTS
Một mạng UMTS (hình 1.2) bao gồm 3 phần chính là: Thiết bị di động (UE),
mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) và mạng lõi (CN). Mạng UMTS
còn có hệ thống hỗ trợ vận hành lõi vô tuyến (OSS-RC).


Hình 1.2 Kiến trúc mạng UMTS
1.2.1. Thiết bị người sử dụng

Hình 1.3 Cấu trúc của UE

UE
Uu
Cu
Cu

UE
Terminal
Equipment
USIM
Mobile
Equipment

UTRAN
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 19


Thiết bị người sử dụng (UE) (hình 1.3): là đầu cuối mạng UMTS của người
sử dụng. UE của UMTS dựa trên cùng một nguyên lý như MS của GSM đó là sự
phân tách giữa thiết bị di động (ME) và modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM).
Chức năng chính của UE là:
 Giao diện người dùng và màn hình.
 Giữ các thuật toán nhận thực và các khoá.
 Đầu cuối người dùng của giao diện vô tuyến.
 Mặt bằng ứng dụng.

Mô đun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): được cài như một ứng dụng trên
card IC thông minh UMTS (UICC). Điều mà ta quan tâm đến là dung lượng nhớ và
tốc độ xử lý mà nó cung cấp. Nhờ được cài trên UICC mà cho phép USIM lưu
nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khoá điện tử) hơn. Ngoài ra có thể có nhiều
USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy cập đến nhiều mạng. USIM chứa các hàm
và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS. Bên cạnh đó
nó còn lưu cả các thông tin đăng ký của thuê bao. Người sử dụng phải tự mình nhận
thực đối với USIM bằng cách nhập mã pin. Mạng sẽ chỉ cung cấp dịch vụ cho
người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng UMTS được đăng ký.
Thiết bị di động (ME: Mobile equipment ): Là thiết bị đầu cuối vô tuyến
được sử dụng cho liên lạc vô tuyến trên giao diện Uu.
Thiết bị đầu cuối (TE: Terminal equipment): Là thiết bị đầu cuối kết nối với
UE. Thiết bị này mang giao diện người dùng ứng dụng.
1.2.2. Mạng truy cập vô tuyến UMTS
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 20


Hình 1.4 Kiến trúc UTRAN tổng quát
Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) (hình 1.4) là một phần của
một hệ thống WCDMA. Nó chứa một hoặc nhiều hệ thống con mạng vô tuyến
(RNS). Mỗi RNS chứa một bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và một hoặc nhiều
NodeB. Chức năng chính của UTRAN là cung cấp một kết nối giữa UE và mạng
lõi. UTRAN cách ly mạng lõi với các chi tiết liên quan đến vô tuyến cho việc cung
cấp kết nối này.
UTRAN hỗ trợ một kênh mang truy cập vô tuyến (RAB) để thiết lập một kết nối
thoại giữa UE và mạng lõi. Các đặc điểm của RAB khác nhau phụ thuộc vào loại
thông tin hoặc dịch vụ được truyền tải.
UTRAN được xác định giữa hai giao diện Iu và Uu. Iu là giao diện giữa

UTRAN và mạng lõi, giao diện này gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói
và IuCS cho miền chuyển mạch kênh. Uu là giao diện giữa UTRAN và thiết bị
người sử dụng.
 Các thành phần chính của mạng truy cập vô tuyến (UTRAN):
Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến (RNC): chịu trách nhiệm cho một hay
nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm
truy cập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. RNC có hai loại là RNC dịch vụ
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 21

(SRNC) và RNC trôi (DRNC). Giao diện nằm giữa các RNC là giao diện Iur với
chức năng cung cấp báo hiệu và các liên kết dữ liệu cho việc chuyển tiếp và chuyển
giao mềm giữa các RNC. Giao diện giữa RNC và NodeB là Iub có chức năng cung
cấp báo hiệu và các liên kết dữ liệu. RNC được nối đến mạng lõi CN bằng hai giao
diện, một cho miền chuyển mạch gói (SGSN) là giao diện Iu-PS và một đến miền
chuyển mạch kênh (MSC) là Iu-CS.
NodeB: Trong UMTS trạm gốc được gọi là NodeB. Nhiệm vụ của NodeB là
thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa thiết bị đầu cuối với nó. NodeB nhận tín hiệu
trên giao diện vô tuyến Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao
diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ bản như
“điều khiển công suất vòng trong”.
1.2.3. Mạng lõi

Hình 1.5 Kiến trúc mạng lõi
Mạng lõi UMTS được minh hoạ trong hình 1.5. Mạng UMTS hỗ trợ cả hoạt
động chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS). MSC/VLR và GMSC
thuộc miền chuyển mạch kênh, trong khi nút hỗ trợ GPRS dịch vụ (SGSN) và nút
hỗ trợ GPRS cổng (GGSN) thuộc miền chuyển mạch gói. Cả hai miền chia sẻ một
bộ ghi định vị thường trú (HLR) và một trung tâm nhận thực (AuC). Mạng lõi

UMTS có thể kết nối với cả UTRAN và mạng truy cập vô tuyến GSM EDGE
(GERAN). Trong một khu vực địa lý nơi cả hai hệ thống WCDMA và GSM/GPRS
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 22

được triển khai, sự phối hợp giữa các mạng truy cập cho phép UE hai chế độ vận
hành được trên cả hai hệ thống, thực hiện chuyển giao liên hệ thống WCDMA -
GSM/ GPRS.
Mạng truy cập GSM/GPRS sử dụng giao diện A/Gb có sẵn, còn mạng truy cập
UTRAN sử dụng giao diện mới Iu để liên lạc với mạng lõi.
 Các thành phần chính của mạng lõi gồm có:
Nút hỗ trợ GPRS dịch vụ (SGSN): Thực hiện các nhiệm vụ truyền dẫn chuyển
mạch gói. Vị trí hiện tại của một người dùng (bao gồm vùng định tuyến phần ứng
dụng mạng truy cập vô tuyến (RANAP), số VLR và các địa chỉ GGSN) được lưu
trong SGSN, nên gói dữ liệu đến có thể được định tuyến tới người dùng đó. Cùng
với chức năng định tuyến, SGSN cũng thực hiện việc nhận thực và lưu thông tin
đăng ký thuê bao (bao gồm có IMSI, số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói (P-
TMSI) và các địa chỉ giao thức dữ liệu gói (PDP)).
Nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN): là một SGSN kết nối với các mạng số liệu
khác (như internet). Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng
ngoài đều qua GGSN. GGSN thường chứa một tường lửa để đảm bảo an ninh của
mạng chống lại các tấn công từ bên ngoài gọi là cổng trạm biên giới (BG). Cũng
như SGSN, GGSN lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí thuê
bao. Dữ liệu vào mạng được đóng gói trong một contener đặc biệt bởi GGSN và
được chuyển tiếp theo giao thức đường hầm GPRS (GTP) tới SGSN.
Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC): là một nút chuyển
mạch mà hỗ trợ các kết nối chuyển mạch kênh. Để phục vụ cho nhiệm vụ chuyển
mạch, một MSC phải hỗ trợ tính di động của người dùng.
Nếu một người dùng di chuyển khu vực trong khi duy trì một kết nối, MSC chuyển

tiếp kết nối từ các RNC và các NodeB tương ứng tới vùng định vị của người dùng
(chuyển giao). Thêm vào đó, MSC chứa khu vực định vị hiện tại của người dùng
nên trong trường hợp có một cuộc gọi đến thì liên lạc có thể được thiết lập đúng
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 23

trong cell mà máy di động đang hiện diện (quản lý định vị). MSC cũng tham gia
trong các cơ chế nhận thực người dùng và bảo mật dữ liệu người dùng.
Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng (GMSC): GMSC có thể là
một trong số các MSC, GMSC hỗ trợ các giao diện tới các mạng bên ngoài khác
nhau như mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến
PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về
MSC hiện thời quản lý UE.
Bộ ghi định vị thường trú (HLR): là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý
các thuê bao di động. HLR lưu trữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê
bao. Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tuỳ thuộc ở số lượng thuê bao, dung
lượng từng HLR và tổ chức bên trong mạng.
Cơ sở dữ liệu này chứa số nhận dạng thuê bao di động (IMSI), ít nhất một số
thuê bao có trong danh bạ điện thoại (MSISDN), và ít nhất một địa chỉ PDP. Cả
IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy cập đến các thông tin được lưu
khác. Để định tuyến và tính cước cuộc gọi, HLR lưu trữ thông tin về SGSN và VLR
nào hiện đang quản lý thuê bao đó.
Bộ ghi định vị tạm trú (VLR): là một cơ sở dữ liệu tương tự như HLR. Dữ liệu
thuê bao cần để cung cấp các dịch vụ cho thuê bao được sao chép từ HLR và lưu ở
đây. Tuy nhiên, dữ liệu trong một VLR là động. Ngay khi người dùng thay đổi khu
vực định vị, thông tin trong VLR sẽ được cập nhật. Cả MSC và SGSN đều được nối
tới VLR.
Trung tâm nhận thực (AuC): lưu trữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực,
mật mã hoá và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với

HLR và thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý.
AuC lưu trữ khoá bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạo
khoá từ f0 đến f5. Nó tạo ra các vector nhận thực (AV) và các AV dự trữ, trong thời
gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp.
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 24

1.2.4. Hệ thống hỗ trợ, vận hành vô tuyến và lõi (OSS-RC)
OSS-RC là một hệ thống cung cấp chức năng quản lý chất lượng, kiểm soát
mạng và các thống kê mạng từ mạng truy cập vô tuyến (RAN). RAN được điều
khiển bởi OSS-RC. OSS-RC thu thập thông tin và dữ liệu bộ đếm từ RNC, các
chuyển mạch ATM, và NodeB. OSS-RC là một công cụ giao diện người dùng mà
các nhà vận hành có thể sử dụng cho việc xử lý cảnh báo, quản trị mạng tế bào, và
các thuê bao di động. Các thống kê chất lượng được tạo ra dựa theo lưu lượng thực
tế lấy từ phần vô tuyến và phần mạng truyền tải. Dữ liệu thống kê chất lượng thu
được từ một số các bộ đếm xác định trước. Các bộ đếm (counter) là các phần tử
được sử dụng để kiểm soát chất lượng và hoạt động của mạng.
1.3.Các kênh trong hệ thống UMTS

Hình 1.6. Các kênh UMTS
Các kênh UMTS (hình 1.6) được phân loại thành các kênh logic, kênh truyền tải
và kênh vật lý.
Hình 1.7 mô tả tổng quát 3 loại kênh trong UTRAN.
Đồ án tốt nghiệp 2011

Chu Xuân Thuận - ĐTVT 25


Hình 1.7. Các loại kênh trong UTRAN

1.3.1. Các kênh logic
Các kênh logic được xác định bởi loại thông tin được truyền ví dụ như báo hiệu
hay dữ liệu người dùng. Một số kênh logic quan trọng được mô tả trong bảng 1.2.
Bảng 1.2 Các kênh logic UMTS
Kênh Hướng

Chức năng
Kênh lưu lượng dành
riêng (DTCH)
UL/DL

Truyền dẫn dữ liệu người dùng
Kênh điều khiển dành
riêng (DCCH)
UL/DL

Truyền dẫn dữ liệu điều khiển liên quan đến
kết nối.
Kênh điều khiển
quảng bá (BCCH)
DL Quảng bá các thông tin hệ thống
Kênh điều khiển
chung
(CCCH)
UL/DL

Truyền dẫn dữ liệu điều khiển
Kênh điều khiển tìm
gọi (PCCH)
DL

Được sử dụng cho các bản tin tìm gọi và
thông tin khai báo
1.3.2. Các kênh truyền tải
Các kênh truyền tải mang báo hiệu và dữ liệu người dùng giữa lớp MAC và lớp
vật lý và được định nghĩa bởi việc làm thế nào dữ liệu được truyền trên giao diện vô
tuyến ví dụ: ghép kênh các kênh logic.