Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3g

Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Dư Thị Thu Huyền, tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ đề tài “Nghiên cứu
về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G” do chính tôi nghiên cứu
và thực hiện. Các thông tin, số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực và chính
xác

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011

Dư Thị Thu Huyền

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

1


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................1
DANH SÁCH HÌNH VẼ..................................................................................................5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU............................................................................................7
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................8
MỞ ĐẦU........................................................................................................................12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G UMTS/WCDMA. 14
Giới thiệu chương........................................................................................................14
Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động......................................................14
Hệ thống thông tin di động 3G UMTS/WCDMA......................................................16
1.1.1 Giới thiệu công nghệ WCDMA.....................................................................16
1.1.2 Dịch vụ của hệ thống WCDMA.....................................................................18

1.1.3 Cấu trúc của hệ thống UMTS/WCDMA.......................................................20
1.1.4 Cấu trúc của mạng lõi (Core Network)..........................................................22
1.1.4.1 Phần chuyển mạch kênh.........................................................................23
1.1.4.2 Phần chuyển mạch gói............................................................................23
1.1.4.3 Phần dùng chung....................................................................................24
1.1.5 Cấu trúc địa lý của mạng 3G UMTS/WCDMA............................................24
1.1.6 Các loại mã hóa được sử dụng trong hệ thống 3G WCDMA.......................27
1.1.6.1 Mã Spreading (mã trải phổ)...................................................................28
1.1.6.2 Mã Scrambling (mã xáo trộn)................................................................28
Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS/ WCDMA .................................................30
1.1.7 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến..................................................30
1.1.8 Các kênh logic................................................................................................32
1.1.9 Các kênh truyền tải.........................................................................................33
1.1.10 Các kênh vật lý.............................................................................................34
1.1.11 Chuyển đổi các kênh truyền.........................................................................36
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

2


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Kết luận chương...........................................................................................................37
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CHUNG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG
HỆ THỐNG WCDMA....................................................................................................39
Mục đích chung của quản lý tài nguyên vô tuyến .....................................................39
Các chức năng của quản lý tài nguyên vô tuyến RRM...............................................39
1.1.12 Điều khiển công suất....................................................................................40
1.1.13 Điều khiển chuyển giao................................................................................40
1.1.14 Điều khiển thu nạp........................................................................................41
1.1.15 Điều khiển tải (điểu khiển nghẽn)................................................................42

CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT....................................................................44
Giới thiệu chung..........................................................................................................44
1.1.16 Điều khiển công suất vòng mở (Open-loop power control)........................45
1.1.17 Điều khiển công suất vòng kín....................................................................46
1.1.18 Điều khiển công suất vòng bên ngoài..........................................................46
Điều khiển công suất nhanh........................................................................................46
1.1.19 Độ lợi của điều khiển công suất nhanh........................................................46
1.1.20 Phân tập và điều khiển công suất.................................................................48
1.1.21 Điều khiển công suất trong chuyển giao mềm.............................................51
1.1.21.1 Sự trôi công suất đường xuống............................................................51
1.1.21.2 Độ tin cậy của các lệnh điều khiển công suất đường lên....................55
1.1.21.3 Cải thiện chất lượng báo hiệu điều khiển công suất............................55
Điều khiển công suất vòng ngoài................................................................................55
1.1.22 Độ lợi của điều khiển công suất vòng ngoài................................................56
1.1.23 Tính toán chất lượng thu..............................................................................57
1.1.24 Thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài...............................................58
1.1.25 Các dịch vụ chất lượng cao .........................................................................59
1.1.26 Giới hạn biến động điều khiển công suất.....................................................60
1.1.27 Đa dịch vụ.....................................................................................................61
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

3


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
1.1.28 Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống..........................................61
CHƯƠNG 4. QUẢN LÝ DI ĐỘNG VÀ CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG UMTS. .62
Quản lý di động trong UMTS......................................................................................62
1.1.29 Quá trình cập nhật vị trí................................................................................62
1.1.30 TMSI.............................................................................................................63

1.1.31 Roaming........................................................................................................63
1.1.32 Location Area (LA)......................................................................................64
Khái quát về chuyển giao trong các hệ thống thông tin di động................................64
1.1.33 Các kiểu chuyển giao trong các hệ thống WCDMA 3G.............................65
1.1.34 Các mục đích của chuyển giao.....................................................................66
1.1.35 Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao......................................................68
Chuyển giao trong cùng tần số....................................................................................68
1.1.36 Chuyển giao mềm ........................................................................................69
1.1.36.1 Nguyên lý chuyển giao mềm................................................................69
1.1.36.2 Các thuật toán của chuyển giao mềm..................................................71
1.1.36.3 Các đặc điểm của chuyển giao mềm....................................................74
1.1.37 Lợi ích liên kết chuyển giao mềm................................................................75
1.1.38 Tổng phí của chuyển giao mềm...................................................................78
1.1.39 Độ lợi dung lượng mạng của chuyển giao mềm..........................................79
Chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM....................................................81
Chuyển giao giữa các tần số trong WCDMA.............................................................83
Tổng kết chuyển giao..................................................................................................83
KẾT LUẬN.....................................................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................87

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

4


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào...15
Hình 1.2. Dải tần của WCDMA......................................................................................16

Hình 1.3. Các công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã.............................................17
Hình 1.4. Các dịch vụ cơ bản của hệ thống 2G và 3G...................................................19
Hình 1.5. Kiến trúc mạng 2G GSM &3G WCDMA......................................................21
Hình 1.6. Cấu trúc của mạng lõi......................................................................................22
Hình 1.7. Cấu trúc địa lý của mạng.................................................................................25
Hình 1.8. Số cell do một Node B phụ trách....................................................................25
Hình 1.9. Kiểu lắp đồng hướng.......................................................................................26
Hình 1.10. Kiểu lắp xen kẽ (nhìn từ trên xuống)............................................................27
Hình 1.11. Sơ đồ quá trình trải phổ và giải trải phổ trong mạng 3G WCDMA.............28
Hình 1.12. Phân khung của mã sambling code cơ bản ..................................................29
Hình 1.13. Cấu trúc giao thức vô tuyến của hệ thống WCDMA....................................30
Hình 1.14. Cấu trúc đóng gói khung trong hệ thống UMTS..........................................31
Hình 1.15. Cấu trúc khung tổng quát của kênh vật lý.....................................................34
Hình 1.16. Tổng kết các loại kênh vật lý........................................................................36
Hình 1.17. Kênh logic, kênh truyền tải và sự chuyển đổi giữa chúng............................37
Hình 1.18. Sự chuyển đổi của kênh truyền tải với kênh vật lý đường xuống................37
Hình 1.19. Sự chuyển đổi của kênh truyền tải với kênh vật lý đường xuống................37
Hình 2.1. Các vị trí điển hình của các chức năng RRM trong mạng WCDMA.............40
Hình 2.2. Đường cong tải................................................................................................42
Hình 3.1. Hiệu ứng gần-xa (điều khiển công suất trên đường lên)...............................44
Hình 3.2. Bù nhiễu bên trong cell (điều khiển công suất ở đường xuống)....................45
Hình 3.3. Công suất phát và thu trong 2 nhánh (công suất khoảng hở trung bình 0dB,10dB) Kênh phadinh Rayleigh tại 3km/h........................................................................49
Hình 3.4. Công suất phát và thu trên 3 nhánh (công suất khoảng hở như nhau)...........50
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

5


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Kênh phadinh Rayleigh tại tốc độ 3km...........................................................................50

Hình 3.5. Công suất tăng trong kênh phadinh với điều khiển công suất nhanh.............50
Hình 3.6. Trôi công suất đường xuống trong chuyển giao mềm....................................53
Hình 3.7. Kiểm tra độ tin cậy của điều khiển công suất đường lên tại UE trong chuyển
giao mềm..........................................................................................................................54
Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng dịch vụ AMR , BLER= 1%, sử dụng điều khiển công suất
vòng ngoài........................................................................................................................56
Hình 3.8. Tính toán chất lượng trong vòng ngoài tại RNC............................................58
Hình 3.9. Eb/N0 mục tiêu trong kênh ITU Pedestrian A, bộ mã hoá/giải mã thoại
AMR, BLER mục tiêu 1%, bậc 0,5dB, tốc độ 3km/h.....................................................59
Hình 4.1. Các kiểu chuyển giao khác nhau.....................................................................66
Hình 4.2. Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm...............................70
Hình 4.3. Nguyên lý của chuyển giao mềm....................................................................71
Hình 4.4. Thuật toán chuyển giao mềm IS-95A.............................................................71
Hình 4.5. Thuật toán chuyển giao mềm trong WCDMA...............................................73
Hình 4.6. Sự suy giảm nhiễu do có chuyển giao mềm trong UL...................................75
Hình 4.7. Độ lợi chuyển giao mềm của công suất phát đường lên(giá trị dương = độ lợi,
giá trị âm = suy hao)........................................................................................................77
Hình 4.8. Độ lợi chuyển giao mềm trong công suất phát đường xuống (Giá trị dương
=độ lợi, âm =suy hao)......................................................................................................77
Hình 4.9. Tổng phí chuyển giao mềm.............................................................................79
Hình 4.10. Chuyển giao giữa các hệ thống GSM và WCDMA.....................................81
Hình 4.11. Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống.........................................................82

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

6


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ của hệ thống thông tin di động 3G WDCMA UMTS 19
Bảng 1.2. Các loại mã trong WCDMA..........................................................................27
Bảng 3.1. Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển công suất
nhanh................................................................................................................................47
Bảng 3.2. Công suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp có và không có điều
khiển công suất nhanh.....................................................................................................47
Bảng 3.3. Các mức tăng công suất được minh hoạ của kênh ITU Pedestrian A đa
đường với phân tập anten................................................................................................51
Bảng 4.1. Các giá trị của cửa sổ............................................................................78
Bảng 4.2.Tổng kết chuyển giao.......................................................................................83

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

7


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
1G
2G
3G
ACCH
AMPS
AS
BCCH
BCH
BER
BLER

BSC
BSS
BTS
CCCH
CDMA
CCCH
CCPCH
CPCC
CPCH
CPICH
CN
CR
CS
DCCH
DPCCH
DPCH
DPDCH
DTCH
DSCH

First Generation
Second Generation

EDGE

Enhanced Data rate for GSM Evolution

EIR
FACCH
FACH

FAUSCH
FCCCH

Equipment identity register
Fast Associated Control Channel
Forward Access Chanel
Fast Uplink Signalling Chanel
Forward Common Control Chanel

Third Generation
Associated Control Channels
Advanced Mobile Phone System

Access Stratum
Broadcast Control Channel
Broadcast Channel
Bit Error Ratio
BLock Error Rate
Base Station Controler
Base Station Subsystem
Base Tranceiver Station
Common Control Channel
Code Division Multiple Access

Common Control Chanel
Common Control Physical Chanel
Common Power Control Chanel
Common Packet Chanel.
Common Pilot Chanel
Core Network

Chip Rate
Circuit Switch
Dedicated Control Channel
Dedicated Physical Control Chanel

Dedicated Physical Chanel
Dedicated Physical Data Chanel
Dedicated Traffic Chanel
Downlink Shared Chanel

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1
Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3
Kênh điều khiển liên kết.
Hệ thống điện thoại di động tiên tiến.
Tầng truy nhập.
Kênh quảng bá điều khiển.
Kênh quảng bá.
Tỷ số bit lỗi.
Tỉ lệ lỗi khối

Bộ điều khiển trạm gốc.
Phân hệ trạm gốc.
Trạm vô tuyến thu phát gốc.
Kênh điều khiển chung.
Đa truy cập chia theo mã.
Kênh điều khiển chung.
Kênh vật lý điều khiển chung.

Kênh điều khiển công suất chung.
Kênh gói chung.
Kênh hoa tiêu chung.
Mạng lõi.
Tốc độ chip
Chuyển mạch kênh.
Kênh điều khiển dành riêng.
Kênh điều khiển vật lý riêng.
Kênh vật lý riêng.
Kênh số liệu vật lý riêng.
Kênh lưu lượng riêng.
Kênh dùng chung đường xuống.
Giải pháp cải thiện tăng tốc độ
truyền dẫn
Nhận dạng thiết bị
Kênh điều khiển liên kết nhanh.
Kênh truy nhập đường xuống.
Kênh báo hiệu đường lên nhanh.
Kênh điều khiển chung đường

8


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

FCCH

Frequency Correction Channel

FDD

Frequency Division Duplex

FDMA
FDCCH

Frequence Division Multiple Access
Forward Dedicated Control Chanel

GGSN

Gateway GPRS Support Node

GSM

Global System for Mobile
Communication

xuống.
Kênh hiệu chỉnh tần số.
Ghép kênh song công phân chia
theo tần số.
Đa truy cập phân chia theo tần số
Kênh điều khiển riêng đường xuống.
Cổng hỗ trợ truy nhập dịch vụ
GPRS
Thông tin di động toàn cầu
Cồng truy nhập vào trung tâm

GMSC

Gateway MSC

GPS
GPRS
HLR
HH

Global Position System
General Packet Radio Services
Home location register
Hard Handover

HSCSD

Hight Speed Circuit Switched Data

IMT-

International Mobile

2000

Telecommunication

IMSI

International Mobile Subscriber Identity

IP

Internet Protocol

IS-95A

Interim Standard 95A

ISDN

Integrated Servive Digital Network
International Mobile

cải tiến của Mỹ (Qualcomm)
Mạng số đa dịch vụ.
Liên minh viễn thông quốc tế - bộ

Telecommunication Union Radio Sector
Key Performance Indicator
Link Access Control
Location Area Indentify
Load Control
Location Registration
Medium Access Control
Mobile Equipment
Mobile Station
Message Transfer Part

phận vô tuyến.
Chỉ số hoạt động
Điều khiển truy nhập liên kết.

Nhận dạng vùng vị trí.
Điều khiển tải
Đăng ký vị trí.
Điều khiển truy nhập mức trung.
Thiết bị di động.
Trạm di động.
Phần truyền bản tin.

ITU-R
KPI
LAC
LAI
LC
LR
MAC
ME
MS
MTP

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

chuyển mạch
Hệ thống định vị toàn cầu.
Dịch vụ vô tuyến gói chung.
Bộ đăng kí thường trú
Chuyển giao cứng.
Hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ
cao.
Tiêu chuẩn thông tin di động toàn
cầu.

Số nhận dạng thuê bao di động quốc
tế.
Giao thức Internet.
Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA

9


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
MSC

Mobile Service Switching Center

Nút logic kết cuối giao diện IuB với

Node B

RNC.

NSS

Network and Switching Subsystem

PAGCH

Paging and Access

PCCH
PCH
PCPCH

PDCP
PLMN
PS
PSTN
RA
RACH
RAN
RLC
RRC
RSCP
SC
SCH
SDCCH

Paging Contrlo Chanel
Paging Channel
Physical Common Packet Chanel
Packet Data Convergence
Public Land Mobile Network
Packet Switched
Public Switched Telephone Network
Routing Area
Random Access Channel
Radio Access Network
Radio Link Control
Radio Resource Control
Received Signal Code Power
Serving Cell
Synchronization Channel
Stand alone Dedicated Control Channel

SDMA

Space Division Multiple Access

SGSN
SIR
SRNC
TACH
TCH

Serving GPRS Support Node
Signal Interference Ration
Serving RNC
Traffic and Associated Channel
Traffic Channel

TDMA

Time Division Multiple Access

TDD

Time Division Duplex

UE

User Equiment

UTRAN

Universal Terrestrial Radio Access Network

UMTS

Tổng đài di động.

Hệ thống chuyển mạch
Kênh chấp nhận truy cập và nhắn
tin.
Kênh điều khiển tìm gọi.
Kênh nhắn tin.
Kênh gói chung vật lý
Tập trung dữ liệu gói
Mạng di động mặt đất công cộng.
Chuyển mạch gói
Mạng chuyển mạch thoại công cộng.
Vùng định tuyến
Kênh truy cập ngẫu nhiên.
Mạng truy nhập sóng vô tuyến
Điều khiển sóng vô tuyến
Điều khiển tài nguyên vô tuyến.
Cường độ tín hiệu thu được

Cell phục vụ chính
Kênh đồng bộ.
Kênh điều khiển dành riêng.
Đa truy cập phân chia theo không
gian
Điểm hỗ trợ dịch vụ GPRS

Cường độ tín hiệu trên nhiễu
Phục vụ RNC
Kênh lưu lượng và liên kết.
Kênh lưu lượng.
Đa truy cập phân chia theo thời
gian
Ghép song công phân chia thời
gian.
Thiết bị người sử dụng
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Universal Mobile Telecommunnication

toàn cầu.
Hệ thống viễn thông di động toàn

System

cầu

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

10


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
WCDMA

Wideband Code Division Multiplex

Đa truy cập phân chia theo mã băng

Access

rộng.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

11


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin di động trong nước đã có những
bước phát triển vượt bậc cả về cơ sở hạ tầng lẫn chất lượng phục vụ. Với sự hình thành
nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông mới đã tạo ra sự cạnh tranh để thu hút thị phần
thuê bao giữa các nhà cung cấp dịch vụ. Các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa ra các
chính sách khuyến mại, giảm giá và đã thu hút được rất nhiều khách hàng sử dụng dịch
vụ. Cùng với đó, mức sống chung của toàn xã hội ngày càng được nâng cao đã khiến
cho số lượng các thuê bao sử dụng dịch vụ di động tăng đột biến trong các năm gần
đây và nhu cầu về các dịch vụ cao cấp hơn trên điện thoại như lướt web tốc độ cao,
truyền data dung lượng lớn, video call cũng bắt đầu xuất hiện. Đứng trước thách thức
mà các công nghệ cũ chưa thể đáp ứng được, một công nghệ mới đòi hỏi phải được
đưa vào ứng dụng.
Ngày 2/4/2009 đành dấu một bước ngoặt trong lĩnh vực thông tin di động của
nước ta, bốn nhà khai thác dịch vụ di động: MobiFone, VinaPhone, Viettel và liên
doanh Vietnamobile – EVN Telecom trúng tuyển giấy phép hoạt động mạng di động
thế hệ thứ ba, gọi tắt là 3G, mạng 3G chính thức được bắt đầu triển khai tại Việt Nam.
Đến thời điểm hiện tại,việc lắp đặt các thiết bị 3G gần như đã hoàn tất và đã được đưa

vào sử dụng phục vụ người tiêu dùng.
Cũng như với mạng 2G, để có thể phục vụ tốt và thu hút được lượng khách hàng
lớn, mạng 3G cũng cần phải có chất lượng tốt, ổn định. Luận văn “Nghiên cứu về
quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G” trình bày về quản lý tài lý
nguyên vô tuyến trong mạng di động 3G để cải thiện việc sử dụng nguồn tài nguyên vô
tuyến, điểu khiển công suất nguồn để tối ưu dung lượng của hệ thống nghiên cứu về
quản lý di động và chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của
người sử dụng đầu cuối. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người
sử dụng di động di chuyển từ qua ranh giới các ô tế bào.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

12


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Do thời gian có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận
được nhiều ý kiến đóng góp quí báu từ các thầy, các cô và các bạn để luận văn hoàn
thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phạm Hải Đăng đã tận tình
hướng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Luận văn được chia làm 4 chương:
• Chương 1: Tổng quan mạng thông tin di động 3G UMTS/WCDMA
• Chương 2: Giới thiệu chung quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống
WCDMA
• Chương 3: Điều khiển công suất
• Chương 4: Quản lý di động và chuyển giao trong mạng UMTS

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

13

Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 3G UMTS/WCDMA
Giới thiệu chương
Cùng với sự phát triển của các dịch vụ số liệu, ưu điểm vượt trội của dịch vụ số
liệu chuyển mạch gói dựa trên nền tảng IP đặt ra các yêu cầu mới đối với hệ thống
thông tin di động. Trước hoàn cảnh đó từ những thập niên 1990 hiệp hội viễn thông
quốc tế ITU đã nghiên cứu và đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá để xây dựng hệ thống thông
tin di động thế hệ ba với với tên gọi là IMT- 2000. Đồng thời các cơ quan về tiêu
chuẩn hoá xúc tiến việc xây dựng một tiêu chuẩn hoá áp dụng cho IMT- 2000 thông
qua dự án 3GPP. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được ra đời từ dự án 3GPP được
gọi là hệ thống thông tin di động UMTS/WCDMA.
Chương này sẽ tập trung trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động thế
hệ thứ ba và một bộ phận quan trọng của nó là hệ thống UMTS mà cụ thể là công nghệ
truy cập vô tuyến WCDMA (chế độ FDD) trong hệ thống UMTS thông qua tìm hiểu sơ
bộ về cấu trúc mạng và các kênh vô tuyến trong hệ thống.

Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động
Trong hơn hai thập kỷ qua, sự phát triển của mạng thông tin di động và Internet
đã làm thay đổi lối sống của con người từ cách họ liên lạc với nhau đến cách họ làm
việc, vui chơi và giải trí. Mạng thông tin di động thế hệ đầu tiên 1G ra đời vào thập
niên 80. Đây là thế hệ mạng thông tin di động dùng tín hiệu tương tự (analog). Tuy thế
hệ 1G chứa đựng nhiều khuyết điểm kỹ thuật, nhưng nó đã đánh dấu một bước ngoặt
quan trọng trong lịch sử truyền thông.
Để chứng kiến sự bùng nổ của mạng thông tin di động rộng khắp thế giới thì
người ta phải đợi đến thế hệ thứ hai 2G, ra đời từ đầu những năm 90. Mạng 2G có thể
phân ra hai loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

14


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Đánh dấu điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136)
dùng TDMA phổ biến ở Mỹ. Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA
phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu
tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới. Sự thành công của mạng 2G
là do các dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng
thoại và khả năng di động.

Hình 1.1. Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế
bào
Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được
triển khai nhiều nơi trên thế giới. Sự cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G
là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền
thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ thuật WCDMA,
mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi
Trung Quốc.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

15


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Ở Việt Nam, do hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 2G đã trở nên rất phổ
biến, vì vậy việc phát triển lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G cần dựa trên

các hệ thống đã tồn tại nhằm giảm chi phí và giá thành triển khai. Theo khuyến cáo của
ITU-2000, các hệ thống thông tin di động GSM 900 của chúng ta khi triển khai lên các
hệ thống thông tin di động thế hệ ba nên đi theo con đường phát triển lên hệ thống
UMTS/WCDMA gọi tắt là hệ thống WCDMA.
Trong tương lai, với sự ra đời và hoạt động của mạng di động thế hệ thứ tư (4G)
hứa hẹn còn cung cấp nhiều dịch vụ và tốc độ cao hơn nữa.

Hệ thống thông tin di động 3G UMTS/WCDMA
1.1.1 Giới thiệu công nghệ WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là hệ thống đa truy cập
theo mã sử dụng băng thông rộng. Công nghệ này hoạt động dựa trên CDMA và có
khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội
thảo hình... WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170
MHz.

Hình 1.2. Dải tần của WCDMA
• Độ rộng kênh
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

16


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Thông thường là 5MHz nhưng có thể điều chỉnh để đạt hiệu năng tối ưu trong
tùy trường hợp cụ thể.
• Channel raster
Giá trị là 200KHz, có nghĩa là tần số trung tâm phải là bội số nguyên của
200KHz.
• Số chỉ thị kênh
Mỗi tần số sóng mang được định danh bằng số chỉ số kênh tần số UARFCN:

Fcenter = UARFCN * 200 KHz
Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì WCDMA nhận được sự ủng
hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ
khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.
Hệ thống sử dụng chung một tần số cho các kênh đường xuống và đường lên,
người sử dụng được cấp một mã và hệ thống sẽ mã hóa dữ liệu tới người sử dụng đó
theo mã đó và truyền trên toàn kênh truyền, toàn băng thông, tuy nhiên chỉ có người sử
dụng đó mới có thể giải mã được dữ liệu truyền đi này.

Hình 1.3. Các công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã
 WCDMA có các đặc điểm cơ bản sau :
• Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit lên
cao (lên đến 2 Mbps).
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

17


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
• Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc độ dữ
liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập.
• Hỗ trợ tốc độ người sử 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 thể thay đổi từ
khung này đến khung khác.
• Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD. Trong mô hình FDD sóng mang 5
MHz sử dụng cho đường lên và đường xuống.
• 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 (CPICH), nâng cao dung lượng và vùng phủ.

• WCDMA được thiết kế dễ dàng nâng cấp hơn các hệ thống CDMA có thể sử
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 thích hợp tất cả thông tin trên một sóng mang.
• Hệ số tái sử dụng tần số bằng một.
• Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến thu Rake.
Nhược điểm chính của WCDMA là hệ thống không cho phép trong băng TDD
phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu các môi
trường làm việc khác nhau.
Do hoạt động ở dải tần có băng thông lớn làm cho hệ thống có tốc độ truyền dẫn
cao thích hợp cho các dịch vụ như video 64Kbps, đường truyền tốc độ cao với băng
thông 7,2Mbps.

1.1.2 Dịch vụ của hệ thống WCDMA
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

18


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
 Hệ thống WCDMA bao gồm hai dịch vụ:
• Dịch vụ chuyển mạch kênh: dựa vào nền tảng của hệ thống GSM nó gồm dịch
vụ thoại, tin nhắn, tin nhắn đa phương tiện, fax…
• Dịch vụ chuyển mạch gói: có tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn, cơ chế xử lý
khác so với hệ thống cũ, dữ liệu được đóng gói và truyền đi như trong hệ thống mạng
máy tính. Các dịch vụ nó cung cấp bao gồm truy cập internet, xem video trực tuyến,
xem truyền hình, tải dữ liệu tốc độ cao…

Hình 1.4. Các dịch vụ cơ bản của hệ thống 2G và 3G

 Môi trường hoạt động của 3WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng với các
tốc độ bit Rb phục vụ như sau:
• Vùng 1: trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2Mbps
• Vùng 2: thành phố, ô micro, Rb ≤ 384 kbps
• Vùng 2: ngoại ô, ô macro, Rb ≤ 144 kbps
• Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 12,2 kbps
Có thể tổng kết các dịch vụ do 3G WCDMA UMTS cung cấp như sau:
Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ của hệ thống thông tin di động 3G WDCMA
UMTS

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

19


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Kiểu

Phân loại

Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ di

Dịch vụ di động

Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động dịch

động

vụ
Dịch vụ thông tin

- Theo dõi di động/ theo dõi di động thông

định vị
Dịch vụ âm thanh

minh
- Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64 kbps)
- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps)

Dịch vụ số liệu

- Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps)
- Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144
kbps)

Dịch vụ

- Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao (144

viễn thông

kbps- 2Mbps)
- Dịch vụ số liệu tốc độ cao (≥ 2Mbps)
Dịch vụ đa

- Dịch vụ Video (384 kbps)

phương tiện

- Dịch vụ hình chuyển động (384kbps- 2 Mbps)
- Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực

Dịch vụ

Dịch vụ Internet

(≥ 2 Mbps)
Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps-2Mbps)

Internet

đơn giản
Dịch vụ Internet

Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)

thời gian thực
Dịch vụ internet

Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực

đa phương tiện

(≥ 2Mbps)

1.1.3 Cấu trúc của hệ thống UMTS/WCDMA

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

20


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

Hình 1.5. Kiến trúc mạng 2G GSM &3G WCDMA
Ta có thể thấy cấu trúc của một hệ thống UMTS bao gồm các phần tử mạng
logic và các giao diện.
 Về mặt chức năng các phần tử logic được chia làm 2 nhóm phần tử mạng :
• Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất (RAN hay UTRAN) bao gồm khối điều khiển
truy nhập vô tuyến RNC và NodeB thực hiện chức năng liên quan đến truy nhập vô
tuyến. UTRAN được nối với mạng lõi qua giao diện Iu. Trong đó:
-

RNC: có chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến và điều khiển NodeB qua
giao diện Iub như điều khiển chuyển giao. Các RNC giao tiếp với nhau thông

-

qua giao diện Iur.
NodeB: Chức năng chính của node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của
giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…Nó
cũng thực hiện 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 của GSM.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

21

Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
• Mạng lõi CN (Core Network) thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến
cuộc gọi và kết nối số liệu.
 Các giao diện trong hệ thống UMTS cung cấp chức năng kết nối, giao tiếp giữa các
phần tử logic trong hệ thống:
• Giao diện Uu: là giao diện vô tuyến giữa UE và Node B. Đây là giao diện mà
qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống nên nó là giao diện mở quan
trọng nhất trong UMTS.
• Giao diện Iu: kết nối UTRAN với CN. Nó cung cấp cho các nhà khai thác khả
năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.
-

Iu-CS dành cho dữ liệu chuyển mạch kênh.
Iu-PS dành cho dữ liệu chuyển mạch gói.

• Giao diện Iur: là giao diện giữa các RNC. Là giao diện mở, cho phép chuyển
giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau.
• Giao diện Iub: kết nối một nút B với một RNC. Iub được tiêu chuẩn hoá như
một giao diện mở hoàn toàn.

1.1.4 Cấu trúc của mạng lõi (Core Network)

Hình 1.6. Cấu trúc của mạng lõi
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

22

Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Hệ thống mạng lõi trong hệ thống WCDMA gồm 3 phần:
• Phần chuyển mạch kênh.
• Phần chuyển mạch gói.
• Phần dùng chung.
1.1.4.1 Phần chuyển mạch kênh
Phần chuyển mạch kênh được kế thừa từ hệ thống GSM nó bao gồm các thành
phần:
• Trung tâm chuyển mạch (MSC): quản lý các cuộc gọi đang được tiến hành.
• Cổng của trung tâm chuyển mạch (GMSC): dùng để kết nối, mở rộng hệ thống
với các hệ thống khác.
1.1.4.2 Phần chuyển mạch gói.
Chuyển mạch gói là thành phần được xây dựng mới khi triển khai hệ thống
WCDMA trên nền tảng hệ thống GSM. Nó gồm các thành phần:
• Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN): là nút thực hiện hỗ trợ các dịch vụ GPRS đã
tồn tại trước nó, nó mang thông tin của dịch vụ GPRS trên cấu trúc mạng UMTS. Bao
gồm các chức năng:
-

Quản lý di động.

-

Quản lý phiên.

-

Tương tác với các vùng mạng khác.

-

Tạo hóa đơn: Kiến trúc mạng tạo ra nhận dạng như kiểu hóa đơn khi dữ
liệu đi qua mạng GPRS, chi tiết cuộc gọi được ghi lại trước khi nó được thực
hiện.

• Cổng hỗ trợ các dịch vụ GPRS (GCSN): dùng để kết nối mở rộng với hệ thống
chuyển mạch trong GPRS trước khi tín hiệu vào trong hệ thống nó xác thực tên mà mã
sau đó đưa vào SGSN xử lý.
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

23


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
1.1.4.3 Phần dùng chung
Các phần dùng chung bao gồm:
• Bộ định vị thường trú (HLR): dùng để lưu các thông tin của người sử dụng như
các dịch vụ được sử dụng, các dịch vụ bị hạn chế…
• Nhận dạng thiết bị (EIR): dùng để xác thực các thông tin cứng, thiết bị của
người sử dụng.
• Trung tâm nhận thực (AuC): xác thực các thông tin dựa trên khóa.

1.1.5 Cấu trúc địa lý của mạng 3G UMTS/WCDMA
Mạng 3G WCDMA UMTS vẫn sử dụng công nghệ tế bào như các mạng đi trước,
tức là chia mặt đất thành các ô (cell) để phủ sóng. Với mạng 2G GSM, mỗi cell được
phân biệt dựa vào BSIC (Base Station Identity Code- Mã nhận dạng trạm gốc), còn
trong mạng 3G mới thì dựa vào PSC (Primary Scrambling Code - Mã xáo trộn sơ cấp).
Trong miền chuyển mạch kênh, một nhóm cell được điều khiển bởi một node B
thì được gọi là vùng định vị LA. Hoạt động quản lý di động trên miền chuyển mạch
kênh dựa trên LA(Location Areas). Trong miền chuyển mạch gói, quản lý di động lại

dựa trên vùng định tuyến RA(Routing Areas).
Trong mạng truy nhập vô tuyến, RA lại được chia tiếp thành các vùng đăng ký
UTRAN (URA: UTRAN Registration Area). Tìm gọi khởi xướng UTRAN sử dụng
URA khi kênh báo hiệu đầu cuối đã được thiết lập. URA không thể nhìn thấy được ở
bên ngoài UTRAN.
LA thuộc mạng 3G MSC và RA thuộc mạng 3G SGSN. URA thuộc RNC. Theo
dõi vị trí theo URA và ô trong UTRAN được thực hiện khi có kết nối RRC (Radio
Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) cho kênh báo hiệu đầu cuối. Nếu
không có kết nối RRC, 3G SGSN thực hiện tìm gọi và cập nhật thông tin vị trí được
thực hiện theo RA.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

24


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G

Hình 1.7. Cấu trúc địa lý của mạng
Mỗi Node B sẽ phụ trách 1 vùng gọi là 1 site, trên 1 site thông thường có 3
sector phụ trách phát về 3 hướng. Mỗi một sector thông thường sẽ phát sóng 1 cell(đối
với trạm phủ ngoài trời,với trạm trong nhà (inbulding) thì 1 sector sẽ phát nhiều cell).
Có thể ít hơn phụ thuộc vào điều kiện địa lý và nhu cầu sử dụng thực tế.

Hình 1.8. Số cell do một Node B phụ trách

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

25