Nghiên cứu kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong thông tin di động WCDMA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT
CHUYỂN GIAO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDMA

Sinh viên thực hiện:

HỒ CÔNG LUÂN
Lớp 46 K ĐT-VT

Giảng viên hướng dẫn:

KS. LÊ THỊ KIỀU NGA

VINH, 5-2010


5/2010

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHUYỂN GIAOVÀ
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDMA

HỒ CÔNG LUÂN

46K ĐT-VT


TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT
CHUYỂN GIAO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDMA

Sinh viên thực hiện:

HỒ CÔNG LUÂN
Lớp 46 K ĐT-VT

Giảng viên hướng dẫn: KS. LÊ THỊ KIỀU NGA
Cán bộ phản biện: ...................................................

VINH, 5-2010


Chương 1: Cấu trúc mạng thông tin di động WCDMA
1.1 Giới thiệu về mạng thông tin di động WCDMA
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của mạng thông tin di động, các dịch vụ

số liệu, truyền hình tốc độ cao đã đặt ra yêu cầu cho các nhà khai thác phải thay thế
các hệ thống thông tin di động thế hệ hai hiệu suất thấp chủ yếu chỉ dung cho thoại
là chính. Từ đó mạng thông tin di động thế hệ thứ ba ra đời, đặc biệt là hệ thống
thong tin di động WCDMA. Hệ thống này có nhiều ưu điểm để đảm bảo được yêu
cầu đặt ra cho mạng di động hiện hành. Hệ thống WCDMA đã được phát triển ở
nhiều nước trên thế giới. Vì mạng thong tin di động WCDMA được phát triển kế
thừa trên nền tảng của mạng GSM nên nó không làm mất đi mạng 2G mà hai mạng
này cùng phát triển song song phù hợp trong nước đang phát triển. Băng thông rộng
tích hợp nhiều dịch vụ, tốc độ cao giúp truyền hình trực tuyến, đó là những yếu tố
giúp cho hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển hơn và trở thành hệ thống
thông tin di động phổ biến nhất hiện nay.
Các đặc trưng cơ bản của hệ thống WCDMA
Một số đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin di động như sau:
• Dải tần :
Hệ thống mặt đất:
FDD :
− Đường lên: 1920 – 1980MHz
− Đường xuống: 2110 – 2170MHz
TDD : Dùng một trong hai dải tần sau:
− 1900 – 1920MHz
−

2020 – 2025MHz

Hệ thống vệ tinh:
− Đường lên : 1980-2010MHz.


− Đường xuống: 2170-2200MHz.
Bảng 1.1 Tốc độ bit và vùng phủ

Tốc độ
2.048Mb/s

Kiểu vùng phủ
Pico-cell/micro-

384kb/s

cell
Medium cell

144kb/s và 64kb/s

Large cell

14.4kb/s

Ver large cell

9.6kb/s

Global cell

4.75kb/s – 12.2kb/s

Voice

• Dịch vụ:
− Truyền hình hội nghị: quản lý thông tin cá nhân, lập biểu, nhóm làm việc, fax
màu,…

− Truyền thông: Báo, tạp chí, quảng cáo,…
− Mua sắm: Thương mại điện tử, tiền điện tử, ví điện tử, giao dịch tự động,
đấu giá,…
− Giải trí: Tin tức, thể thao, trò chơi, video, âm nhạc,…
− Giáo dục: Thư viện trực tuyến, máy tìm kiếm, học từ xa…
− Sức khoẻ: Chữa bệnh, theo dõi và chuẩn đoán từ xa…
− Tự động hoá: Đo đạc từ xa…
− Truy nhập các thông tin cá nhân: Thời gian biểu, đặt vé từ xa, cảnh báo vị
trí…
− Chất lượng:
Chất lượng cao, có thể đạt tới BER=10-6.


Tính bảo mật cao, chống nghe trộm.
− Chuyển mạng:
Cho phép thực hiện chuyển mạng toàn cầu giữa các nhà khai thác 3G
khác nhau.
Hỗ trợ chuyển giao giữa các hệ thống khác nhau để cân bằng tải tăng
cường vùng phủ.
1.2 Kiến trúc hệ thống WCDMA
Hệ thống WCDMA được phát triển dựa trên nền tảng của hệ thống GSM nó có
phần kế thừa của hệ thống này. Mục tiêu ban đầu hệ thống WCDMA không phải
tương thích với hệ thống GSM nhưng phần mạng lõi của hệ thống WCDMA lại
được phát triển theo hướng tận dụng lại tối đa thiết bị của hệ thống GSM. Với
những tính năng trên, hệ thống WCDMA mang lại những ưu điểm sau:
• Cải thiện những hệ thống thông tin di động hiện tại: cải thiện dung lượng, cải
thiện vùng phủ sóng.
• Đem lại tính linh hoạt cao trong việc cung cấp dịch vụ.
• Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.
• Mang lại tính linh hoạt cao trong vận hành: hỗ trợ hoạt động không đồng bộ

giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường.
Hệ thống WCDMA được sử dụng hai giải pháp là FDD và TDD. Trong đó FDD
sử dụng công nghệ WCDMA, còn TDD sử dụng công nghệ TD/CDMA. Tuy vậy,
giải pháp FDD được phát triển rộng rãi hơn vì có nhiều ưu điểm đặc biệt trong việc
sử dụng băng tần đối xứng. Còn giải pháp TDD chủ yếu dùng cho các ô quy mô nhỏ
như ô micro hay ô picro.
1.2.1 Kiến trúc 3G WCDMA R3
WCDMA R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh (CS) lẫn chuyển mạch gói
(PS): 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)

Hình 1.1 Kiến trúc 3G WCDMA R3

1.2.1.1 Thiết bị người sử dụng (UE)
Các đầu cuối (TE)
Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn
cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó được chuyển thành đầu cuối.
Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện. Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến
(giao diện WCDMA). Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS. Giao
diện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối. Giao diện này

tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh.
Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải
tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng các


đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theo cùng một
cách.
Các tiêu chuẩn này gồm:
 Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình)
 Đăng ký mật khẩu mới
 Thay đổi mã PIN
 Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)
 Trình bầy IMEI
 Điều khiển cuộc gọi
Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử
dụng sẽ chọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài)
là thiết kế và giao diện. Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình
cung cấp (màn hình nút chạm), các phím và menu.
• UICC
UMTS IC Card là một card thông minh. Điều mà ta quan tâm đến nó là dung
lượng nhớ và tốc độ bộ xử lý do nó cung cấp. Ứng dụng USIM chạy trên UICC.

• USIM
Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao)
cài cứng trên card. Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao
UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC. Điều này cho phép lưu nhiều ứng
dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích
khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh). Ngoài ra có thể có nhiều
USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng.
USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong

mạng UMTS. Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao.
Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã
PIN. Điều này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng


UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên
nhận dạng USIM được đăng ký.
1.2.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô
tuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN. Nó gồm các phần tử
đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng.
UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và
CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển
mạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng. Giữa hai giao
diện này là hai nút, RNC và nút B.
• RNC
RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm
gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch
vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho
miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC).
Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn. Sau
thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào
RNC. Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9.
RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào. Người
sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC). Khi người sử
dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC
trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng
RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN. Vai trò logic của
SRNC và DRNC được mô tả trên hình 1.2. Khi UE trong chuyển giao mềm giữa
các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur. Chỉ một

trong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các
RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur.
Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC).
Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến
của nó.


Hình 1.2 Vai trò logic của SRNC và DRNC

• Nút B
Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết
nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện 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 sở như "điều khiển công suất vòng
trong". Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu
cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín
hiệu từ các đầu cuối ở xa. Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau
và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu
được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối.
1.2.1.3 Mạng lõi
Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE. Miền PS
đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các
mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác
bằng các kết nối TDM. Các nút B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục
của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP.
Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP.
• SGSN
SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là
nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS
và đến GGSN thông quan giao diện Gn. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối

PS của tất cả các thuê bao. Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê
bao và thông tin vị trí thuê bao.

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:
 IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao
di động quốc tế)
 Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile
Subscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói)
 Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:
 Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)
 Số VLR
 Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực
• GGSN
GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng) là một SGSN
kết nối với các mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao
đến các mạng ngoài đều qua GGSN. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu:
thông tin thuê bao và thông tin vị trí.

Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:
 IMSI
 Các địa chỉ PDP

Số liệu vị trí lưu trong GGSN:
Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến GGSN nối đến Internet thông qua
giao diện Gi và đến BG thông qua Gp.

• BG
BG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN
với các mạng khác. Chức năng của nút này giống như tường lửa của Internet: để
đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài.
• VLR
VLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao của HLR
cho mạng phục vụ. Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao
được copy từ HLR và lưu ở đây. Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng.

Số liệu sau đây được lưu trong VLR:
 IMSI
 MSISDN
 TMSI (nếu có)
 LA hiện thời của thuê bao
 MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến

Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung
cấp.
Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế
được gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC.
• MSC
MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức
năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình. Chức
năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều
khả năng hơn. Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và
MSC. Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC.
• GMSC

GMSC có thể là một trong số các MSC. GMSC chịu trách nhiệm thực hiện
các chức năng định tuyến đến vùng có MS. 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 MS
• Bộ định vị thường trú (HLR)
HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động. Một mạng
di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của
từng HLR và tổ chức bên trong mạng.
Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số
nhận dạng thuê bao di động quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN:
số thuê bao có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet Data
Protocol: Giao thức số liệu gói). Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để
truy nhập đến các thông tin được lưu khác. Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi,
HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê
bao. Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng
có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng.
HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùng
một nút vật lý. HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao.
Như: thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từ
chối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi. Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện
VLR và SGSN nào đang phụ trách người sử dụng.
• Trung tâm nhận thực (AUC)
AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật
mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR và
được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý. Tuy nhiên cần đảm bảo
rằng AUC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV: Authetication
Vector) cho HLR.
AUC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các
hàm tạo khóa từ f0 đến f5. Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi
SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ.

• Bộ ghi nhận dang thiết bị (EIR)
EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết
bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity). Đây là số nhận
dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối. Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh
mục: danh mục trắng, xám và đen. Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép
truy nhập mạng. Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn
danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng. Khi một
đầu cuối được thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen vì
thế nó bị cấm truy nhập mạng. Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấm các
seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu
chuẩn.
1.2.1.4 Các mạng ngoài
Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng
cần thiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác. Các mạng ngoài có thể là
các mạng điện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di động mặt
đất công cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại
chuyển mạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet. Miền PS kết nối
đến các mạng số liệu còn miền CS nối đến các mạng điện thoại.
1.2.1.5 Các giao diện
Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các
giao diện khác nhau. Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản
xuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ.
• Giao diện Cu
Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong UE đây là
nơi kết nối giữa USIM và UE
• Giao diện Uu
Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong UMTS. Đây là giao
diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giao diện này nằm giữa

nút B và đầu cuối.


• Giao diện Iu
Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nó gồm hai phần, IuPS cho miền
chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN có thể kết nối đến nhiều
UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến
một điểm truy nhập CN.
• Giao diện Iur
Đây là giao diện RNC-RNC. Ban đầu được thiết kế để đảm bảo chuyển giao
mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới được bổ
sung. Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:
 Di động giữa các RNC
 Lưu thông kênh riêng
 Lưu thông kênh chung
 Quản lý tài nguyên toàn cục
• Giao diện Iub
Giao diện Iub nối nút B và RNC. Khác với GSM đây là giao diện mở.
1.2.2 Kiến trúc 3G WCDMA R4
Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này 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.
MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW). 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 1.3 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa
RNC và MSC Server. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực
hiện giữa RNC và MGW. Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định
tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói. Trong nhiều trường
hợp đường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP) trên Giao
thức Internet (IP). Từ hình trên ta thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN
và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP. Cả số liệu và tiếng đều có thể sử
dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP.
Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác sẽ có một cổng các
phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC). MGW
này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN.
Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này. Giao thức điều khiển giữa
MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248. Giao thức này
được ITU và IETF cộng tác phát triển. Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ
cả các chức năng của GMSC Server. Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả


RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy
có thể tiết kiệm đáng kể đầu tư.
Từ hình trên ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao
tại nhà (HSS: Home Subscriber Server). HSS và HLR có chức năng tương đương,
ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn)
trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Ngoài ra còn có các giao
diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với
HLR/HSS.
1.2.3 Kiến trúc 3G WCDMA 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.

Hình 1.4 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 trên 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.
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.
Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miền
chuyển mạch kênh trong R3 và R4. Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các
phiên bản R3 và R4 sang R5. Một số các cuộc gọi thoại có thể vẫn sử dụng miền CS
một số các dịch vụ khác chẳng hạn video có thể được thực hiện qua R5 IMS. Cấu
hình lai ghép được thể hiện

Hình 1.5 Chuyển đổi dần từ R4 sang R5


1.3 Tổng kết chương 1
Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu sự hình thành và phát triển của hệ
thông WCDMA và đã đi vào việc phân tích lộ trình phát triển và kiến trúc chung
của mạng thông tin di động WCDMA, bao gồm các thiết bị đầu cuối, phần tử truy

nhập vô tuyến, mạng lõi . Chức năng của các phần tử, các giao diện mạng, mô hình
giao thức phân lớp của hệ thống UMTS, cơ sở kiến trúc hệ thống WCDMA R3, R4,
R5. Qua đó chúng ta đã thấy được sự khác nhau giữa các kiến trúc WCDMA, kiến
trúc sau này được xây dựng một cách hiệu quả và hiệu quả hơn.


Chương 2: Kỹ thuật chuyển giao trong thông tin di động WCDMA
2.1 Giới thiệu kỷ thuật chuyển giao trong WCDMA
Các mạng di động cho phép người dùng có thể sử dụng dịch vụ mạng trong
khi di chuyển trên ô tô, trong xe buyt lúc đó chắc chắn bạn không thể kết nối với
cùng một trạm BTS được. Khi bạn đi ra khỏi vùng phủ sóng của một trạm BTS A
và đi vào vùng phủ của một trạm BTS B, lúc đó bạn sẽ kết nối với trạm B. Dĩ nhiên
là cuộc gọi vẫn diễn ra bình thường. Quá trình chuyển đổi kết nối từ một trạm phát
sóng này sang một trạm phát sóng khác được gọi chung là chuyển giao (handover).
Mạng luôn luôn phải cập nhật vị trí cho thiết bị di động tránh tình trạng mất sóng.
Sự di động của các người sử dụng đầu cuối gây ra một sự biến đổi động cả trong
chất lượng liên kết và mức nhiễu, người sử dụng đôi khi còn yêu cầu thay đổi trạm
gốc phục vụ. Quá trình này được gọi là chuyển giao. 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. Trong thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai thì kỷ thuật chuyển
giao đang còn đơn giản, nhưng trogn hệ thông thông tin di động thế hệ ba thì kỷ
thuật chuyển giao là chuyển giao mềm.
2.1.1 Mục đích của chuyển giao
Nguyên nhân của việc khởi đầu của một tiến trình chuyển giao là do chất
lượng đường truyền, sự thay đổi dịch vụ, sự thay đổi tốc độ, do lưu lương hoặc do
cự điều hành và bảo dưỡng.
Các mục đích của chuyển giao có thể tóm tắt như sau:
• Đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di
chuyển qua ranh giới của các tế bào.

• Giữ cho QoS đảm bảo mức yêu cầu.
• Làm giảm nhỏ mức nhiễu trong toàn bộ hệ thống bằng cách giữ cho máy di
động được kết nối với BS tốt nhất.
• Roaming giữa các mạng khác nhau
• Cân bằng tải.
2.1.2 Trình tự chuyển giao


Trình tự chuyển giao có 3 pha bao gồm như hình sau:

Hình 2.1 Trình tự thực hiện chuyển giao
• Đo lường là nhiệm vụ quan trọng trong quá trình chuyển giao vì:
 Mức tín hiệu trên đường truyền dẫn vô tuyến thay đổi rất lớn tùy thuộc vào
fadinh và tổn hao đường truyền, những thay đổi này phụ thuộc vào môi
trường trong cell và tốc độ di chuyển của thuê bao.
 Số lượng các báo cáo đo lường quá nhiều sẻ làm ảnh hưởng đến tải hệ thống.
Để thực hiện chuyển giao trong suốt quá trình kết nối UE liên tục đo cường độ tín
hiệu của các cell lân cận và thông báo kết quả tới mạng, tới RNC.
• Pha quết định chuyển giao bao gồm đánh giá tổng thể về QoS của kết nối so
sánh nó với các thuộc tính QoS yêu cầu và ước lượng từ các cell lân cận. Tùy theo
kết quả so sánh mà ta có thể quyết định thực hiện hay không thực hiện chuyển giao.
SRNC kiểm tra các giá trị của các báo cáo đo đạc để kích hoạt một bộ các điều kiện
chuyển giao. Nếu các điều kiện này RNC phục vụ sẻ cho phép thực hiện chuyển
giao.
• Nguyên tắc chung thực hiện thuật toán chuyển giao được thể hiện trên hình
sau:


Hình 2.2 Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao
Điều kiện đầu tiên là điều kiện thực hiện quyết định của thuật toán dựa trên mức tín

hiệu hoa tiêu do UE thông báo.
 Ngưỡng hạn trên: là mức tín hiệu của kết nối đạt gia trị cực đại cho phép
thõa mãn một chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu.
 Ngưỡng hạn dưới: là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực tiểu cho phép
thõa mãn một chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu. Do đó mức tín hiệu kết nối
không được nằm dưới ngưỡng đó.
 Giới hạn chuyển giao: là tham số được định nghĩa trước được thiết lập tại
điểm mà cường độ tín hiệu của cell bên cạnh (cell B) vượt quá cường độ tín
hiệu của cell hiện tại (cell A) một lượng nhất định.
 Tập tích cực: là một danh sách các nhánh tín hiệu (các cell) mà UE thực hiện
kết nối đồng thời tới mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN).
Giả sử UE trong cell A đang chuyển động về phía cell B tín hiệu hoa tiêu của cell A
bị suy giảm tới mức ngưỡng giới hạn dưới. Khi đó xuất hiện các bước chuyển giao
sau đây:
(1) Cường độ tín hiệu A bằng với mức ngưỡng giới hạn dưới. Còn tín hiệu B sẻ
được RNC nhập vào tập tích cực. Khi đó UE sẻ thu tín hiệu tổng hượp của hai kết
nối đòng thời đến UTRAN.


(2) Tại vị trí này chất lượng tín hiệu B tốt hơn tín hiệu A nên nó được coi là điển
khởi đầu khi tính toán giới hạn chuyển giao.
(3) Cường độ tín hiệu B bằng hoặc tốt hơn ngưỡng giới hạn dưới. Tín hiệu A bị xóa
khỏi tập tích cực bởi RNC.
Khích cỡ tập tích cực có thể thay đổi được và thông thường ở trong khoảng từ 1 dến
3 tín hiệu.
2.2 Các kiểu chuyển giao trong WCDMA
Có bốn loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA đó là:
2.2.1 Chuyển giao cứng
Là thủ tục chuyển giao trong đó tất cả các liên kết vô tuyến củ của một máy
di động được giải phóng trước khi các liên kết vô tuyến mới được thiết lập. Nó

không phù hợp với dịch vụ thời gian thực. Chuyển giao cứng diễn ra như là chuyển
giao trong cùng một tần số và chuyển giao ngoài tần số. Hay nói cách khác chuyển
giao cứng có thể xẩy ra khi chuyển giao từ một cell này sang một cell khác khi hai
cell có tần số sóng mang khác nhau hoặc từ một cell này sang cell khác khi các cell
này được nối đến hai RNC khác nhau và không tồn tại giao diện Iur giữa hai RNC
này. Tất cả các kết nối sử dụng kênh FACH (kênh không sử dụng điều khiển công
suất và dành cho các gói ngắn) hay DSCH (kênh phù hợp nhất cho các dịch vụ
chuyển mạch gói) đều sử dụng HHO. Ngoài ra HHO sử dụng cho:
HO giữa các hệ thống (giữa UTRAN và GSM)
HO giữa các tần số sóng mang khác nhau của UTRAN
• Chuyển giao cứng cùng tần số
Chuyển giao cứng cùng tần số có thể thực hiện khi giao diện Iur không còn hiệu
lực. Trường hợp chuyển giao này có thể phát sinh nếu chuyển giao gồm hai RNC
được cung cấp bởi các hãng sản xuất khác nhau. Trong chuyển giao cứng cùng tần
số, UE truyền trong phạm vi dải tần số bằng nhau, nhưng kết nối cũ kết thúc khi kết
nối mới được thiết lập do đó gây ngắt quảng kết nối trong khoảng thời gian ngắn
nhưng không làm mất kênh mang NRT. Quyết định này được thực hiện bởi NRC
dựa trên các kết quả đo nội tần số mà UE định kỳ gửi về sau khi UE đã báo cáo một
sự kiện khởi động nội tần số và không thể cập nhật tập tích cực cubgx như các
thông số điều khiển liên quan. Giải thuật đơn giản cho HHO có thể các giá trih


trung bình của P-CPICH Ec/I0 của ô phục vụ và các ô lân cận, và một dự trữ HO
được sử dụng để tránh HHO lặp giữa các ô. Trước khi thực hiện HHO nội tần số
trong trường hợp này, các kết quả đo ô lân cận cần thỏa mãn phương trình sau:
AveEcIoDownlink + EcIoMargin(n) < AveEcIoNcell(n)
Trong đó AveEcIoDownlink là giá trị trung bình của P-CPICH Ec/I0 của ô phục
vụ tốt nhất; AveEcIoNcell(n) là giá trị trung bình của P-CPICH Ec/I0 của ô lân cận
n; và EcIoMargin(n) là lượng dự trữ mà Ec/I0 của ô lân cận n phải vượt qua Ec/Io của
ô phục vụ trước khi thực hiện HHO. Với việc thực hiện HHO khi không thể SHO,

có thể tránh được nhiễu thái quá. Trong thủ tục HHO, tất cả các liên kết trong tập
tích cực bị đồng loạt thay thế bởi một liên kết mới.

Hình 2.3 Chuyển giao cứng cùng tần số
• Chuyển giao cứng khác tần số
Đây là kiểu chuyển giao giống chuyển giao trong GSM, giữa hai tần số
WCDMA f1 và f2. Trong trường hợp chuyển giao này, kết nối qua cell cũ (cell
A) bị xóa và kết nối đến mạng vô tuyến vẫn được duy trì qua cell mới (cell B).
Chuyển giao khác tần số cũng có thể thực hiện giữa hai tần số trong giới hạn của
cùng một cell. Trong trường hợp chuyển giao khác tần số cần thiết đo cường độ
tín hiệu và chất lượng ở các tần số khác trong khi vẫn có thể kết nối với tần số
hiện tại.