Giải thuậtgiải mã TurboMAP trong WCDMA

Đồ án tốt nghiệp
ơn

Lời cảm

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn khoa viễn thông I - Học viện công nghệ bưu chính
viễn thông đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập và thực hiện đồ án tốt
nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy ThS.Nguyễn Viết Đảm, người thầy đã
tận tình huớng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Em kính chúc thầy luôn mạnh khoẻ để giảng dạy được nhiều thế hệ sinh viên hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa viễn thông I đã tận
tình giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt những năm
học tại Học viện công nghệ bưu chính viễn thông.
Xin cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và ủng hộ của gia đình, bạn bè đã giúp đỡ em
trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Mặc dù em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, nhưng chắc chắn
sẽ không tránh khỏi những thiếu sót về kiến thức, và những kinh nghiệm thực tế. Em
mong nhận được sự thông cảm, góp ý tận tình và chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để
đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày….. tháng 12 Năm 2012
Sinh viên
Nguyễn Thị Thanh

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

i

Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................i
MỤC LỤC.........................................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................................v
LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................................1
CHƯƠNG I.......................................................................................................................2
TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS..................................................................2
1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động............................................................2
1.1.1 Giới thiệu..............................................................................................................2
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1....................................................................2
Hình 1.1. Hệ thống đa truy nhập FDMA..........................................................................2
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2....................................................................2
Hình 1.2. Đa truy nhập theo thời gian TDMA.................................................................3
1.1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access)
..................................................................................................................................3
Hình 1.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA..........................................................3
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba..................................................................3
1.1.5 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư.............................................................4
1.2 Kiến trúc của một hệ thống thông tin di động 3G......................................................4
Hình 1.4. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS....................5
1.2.1 Chuyển mạch kênh (CS), chuyển mạch gói (PS)................................................5
Hình 1.5. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS).........................................6
1.2.2 Dịch vụ chuyển mạch kênh và dịch vụ chuyển mạch gói...................................6
1.3 Hệ thống 3G WCDMA UMTS...................................................................................7
1.3.1 Kiến trúc hệ thống 3G WCDMA UMTS............................................................7

1.3.1.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3..............................................................8
Hình 1.6. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3...................................................................8
Hình 1.7. Vai trò logic của SRNC và DRNC.................................................................10
1.3.1.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4............................................................12
Hình 1.8. Sự khác biệt giữa mạng lõi R4 so với R3.......................................................12
Hình 1.9. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4..........................................13
1.3.1.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5-R6......................................................14
Hình 1.10. Chuyển đổi dần từ R4 sang R5.....................................................................14
Hình 1.11. Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6...................................................................15
1.4 Tổng kết chương.......................................................................................................16
CHƯƠNG 2.....................................................................................................................17
LỚP VẬT LÝ TRONG WCDMA..................................................................................17
2.1 Các kênh truyền tải...................................................................................................17
Hình 2.1. Các kênh truyền tải trong WCDMA...............................................................17
2.1.1 Kênh quảng bá (BCH).......................................................................................17
2.1.2 Kênh truy nhập đường xuống (FACH).............................................................18
2.1.3 Kênh tìm gọi (PCH)...........................................................................................18
2.1.4 Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH).................................................................18
2.1.5 Kênh gói chung đường lên (CPCH)..................................................................18
2.1.6 Kênh đường xuống dùng chung (DSCH)..........................................................18
2.2 Kênh vật lý và sắp xếp các kênh truyền tải trên các kênh vật lý.............................18
GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

ii


Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

Hình 2.2. Các kênh vật lý đường lên..............................................................................19
Hình 2.3. Các kênh vật lý đường xuống........................................................................19
Hình 2.4. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý............................................19
2.2.1 Kênh riêng đường lên........................................................................................19
Hình 2.5. cấu trúc khung vô tuyến cho DPDCH/DPCCH hướng lên............................20
2.2.2 Kênh chung đường lên...........................................................................................21
2.2.2.1 Kênh vật lý RACH (PRACH)...................................................................21
.........................................................................................................................................22
Hình 2.6. Hoạt động của kênh PRACH..........................................................................22
2.2.2.2 Kênh vật lý gói chung đường lên (PCPCH)..............................................22
.........................................................................................................................................23
Hình 2.7. Cấu trúc truyền trên PCPCH..........................................................................23
2.2.3 Cấu trúc kênh riêng đường xuống.........................................................................23
2.2.4 Cấu trúc kênh chung đường xuống........................................................................24
2.2.4.1 Kênh hoa tiêu chung (CPICH)...................................................................24
2.2.4.2 Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp (P-CCPCH)....................................24
2.2.4.3 Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp (S-CCPCH)..................................24
2.2.4.4 Kênh đồng bộ SCH....................................................................................25
2.2.4.5 Kênh chỉ thị truy nhập (AICH)..................................................................25
2.2.4.6 Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH)......................................................................25
2.3 Ghép kênh.................................................................................................................25
Hình 2.9. Chuỗi ghép kênh đường lên và mã hoá kênh.................................................26
Hình 2.10. Chuỗi ghép kênh đường xuống và mã hoá kênh..........................................27
2.4 Tổng kết chương.......................................................................................................27
CHƯƠNG 3.....................................................................................................................29
GIẢI THUẬT MAP CHO MÃ TURBO TRONG WCDMA........................................29
3.1. Khái niệm mã Turbo................................................................................................29
3.1.1 Hàm khả năng (Likelihood Function)...............................................................29

3.1.2 Trường hợp hai tín hiệu.....................................................................................29
Hình 3.1. Hàm Likelihood..............................................................................................30
3.1.3 Hàm log của tỉ lệ likelihood (LLR: log-likelihood ratio)................................31
3.2.1 Nguyên lý mã hóa-giải mã.....................................................................................32
3.2.1.1 Nguyên lý giải mã lặp................................................................................32
Hình 3.2. Bộ giải mã vào mềm/ra mềm (cho mã hệ thống)...........................................32
3.2.1.2 Mã hóa bằng mã hệ thống hồi quy............................................................33
Hình 3.4a. Mã xoắn hệ thống hồi quy RSC....................................................................35
Hình 3.4b. Cấu trúc lưới của mã RSC trong phần a......................................................35
3.2.1.2.1 Móc nối các mã RSC...................................................................................35
Hình 3.5. Bộ ghép song song 2 bộ lập mã RSC.............................................................37
3.2.1.3 Bộ giải mã hồi tiếp.....................................................................................37
3.2.1.3.1 Minh họa hiệu năng sửa lỗi của mã Turbo.............................................39
Hình 3.7. Xác suất lỗi bit là một hàm của và số bước lặp..............................................40
3.2.2 Sơ đồ mã hóa turbo trong WCDMA.................................................................40
3.2.2.1 Mã hóa turbo..............................................................................................40

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

iii


Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

3.2.2.1.1 Hàm truyền đạt........................................................................................40
3.2.2.1.2 Đan xen bên trong mã turbo...................................................................40

Hình 3.8. Sơ đồ mã hóa turbo 8 trạng thái gồm cả bộ đan xen bên trong.....................41
3.2.2.2 Phối hợp tốc độ..........................................................................................43
Hình 3.9. Đục lỗ các kênh TrCH được mã hóa turbo....................................................44
3.3 Giải mã Turbo...........................................................................................................44
3.3.1 Khái quát............................................................................................................44
3.3.2 Giải thuật MAP..................................................................................................44
3.3.2.1 Các số đo trạng thái và số đo nhánh..........................................................46
3.3.2.2 Tính số đo trạng thái thuận........................................................................47
Hình 3.10. Đồ thị trình bày việc tính toán và.................................................................48
3.3.2.3 Tính số đo trạng thái ngược.......................................................................48
3.3.2.4 Tính số đo nhánh........................................................................................49
3.4 Lưu đồ giải thuật và kết quả mô phỏng....................................................................52
3.4.1 Mô hình mô phỏng.............................................................................................52
Hình 3.11. Mô hình mô phỏng........................................................................................52
3.4.2 Kết quả mô phỏng..............................................................................................52
3.4.2.1 Trường hợp 1 với đa thức: ,.......................................................................52
Hình 3.12. Kết quả số vòng lặp 2...................................................................................53
Hình 3.13. Kết quả số vòng lặp 3...................................................................................54
Hình 3.14. Kết quả số vòng lặp 5...................................................................................55
Hình 3.15. Kết quả số vòng lặp 18.................................................................................56
3.4.2.2 Trường hợp 2 cho W-CDMA với đa thức: , .............................................57
Hình 3.16. Kết quả số vòng lặp 2 cho W-CDMA.........................................................57
Hình 3.17. Kết quả số vòng lặp 3 cho W-CDMA..........................................................58
Hình 3.18. Kết quả số vòng lặp 5 cho W-CDMA..........................................................59
Hình 3.19. Kết quả số vòng lặp 18 cho W-CDMA........................................................60
3.5 Tổng kết chương.......................................................................................................60
KẾT LUẬN.....................................................................................................................61
PHỤ LỤC........................................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................80

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

iv


Đồ án tốt nghiệp
vẽ

Danh mục hình

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hệ thống đa truy nhập FDMA..........................................................................2
Hình 1.2. Đa truy nhập theo thời gian TDMA.................................................................3
Hình 1.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA..........................................................3
Hình 1.4. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS....................5
Hình 1.5. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS).........................................6
Hình 1.6. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3...................................................................8
Hình 1.7. Vai trò logic của SRNC và DRNC.................................................................10
Hình 1.8. Sự khác biệt giữa mạng lõi R4 so với R3.......................................................12
Hình 1.9. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4..........................................13
Hình 1.10. Chuyển đổi dần từ R4 sang R5.....................................................................14
Hình 1.11. Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6...................................................................15
Hình 2.1. Các kênh truyền tải trong WCDMA...............................................................17
Hình 2.2. Các kênh vật lý đường lên..............................................................................19
Hình 2.3. Các kênh vật lý đường xuống........................................................................19
Hình 2.4. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý............................................19
Hình 2.5. cấu trúc khung vô tuyến cho DPDCH/DPCCH hướng lên............................20
.........................................................................................................................................22

Hình 2.6. Hoạt động của kênh PRACH..........................................................................22
.........................................................................................................................................23
Hình 2.7. Cấu trúc truyền trên PCPCH..........................................................................23
Hình 2.9. Chuỗi ghép kênh đường lên và mã hoá kênh.................................................26
Hình 2.10. Chuỗi ghép kênh đường xuống và mã hoá kênh..........................................27
Hình 3.1. Hàm Likelihood..............................................................................................30
Hình 3.2. Bộ giải mã vào mềm/ra mềm (cho mã hệ thống)...........................................32
Hình 3.4a. Mã xoắn hệ thống hồi quy RSC....................................................................35
Hình 3.4b. Cấu trúc lưới của mã RSC trong phần a......................................................35
Hình 3.5. Bộ ghép song song 2 bộ lập mã RSC.............................................................37
Hình 3.7. Xác suất lỗi bit là một hàm của và số bước lặp..............................................40
Hình 3.8. Sơ đồ mã hóa turbo 8 trạng thái gồm cả bộ đan xen bên trong.....................41
Hình 3.9. Đục lỗ các kênh TrCH được mã hóa turbo....................................................44
Hình 3.10. Đồ thị trình bày việc tính toán và.................................................................48
Hình 3.11. Mô hình mô phỏng........................................................................................52
Hình 3.12. Kết quả số vòng lặp 2...................................................................................53
Hình 3.13. Kết quả số vòng lặp 3...................................................................................54
Hình 3.14. Kết quả số vòng lặp 5...................................................................................55
Hình 3.15. Kết quả số vòng lặp 18.................................................................................56
Hình 3.16. Kết quả số vòng lặp 2 cho W-CDMA.........................................................57
Hình 3.17. Kết quả số vòng lặp 3 cho W-CDMA..........................................................58
Hình 3.18. Kết quả số vòng lặp 5 cho W-CDMA..........................................................59
Hình 3.19. Kết quả số vòng lặp 18 cho W-CDMA........................................................60

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

v

Đồ án tốt nghiệp

Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
3G

Từ đầy đủ tiếng anh

Dịch nghĩa tiếng việt

Third Generation Technology

3GPP

Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ ba
3rd Generation Partnership Project Hiệp hội nghiên cứu hệ thống di
động thế hệ thứ 3
A

ACS

Add-Compara-Select

Cộng-so sánh-chọn

AICH

Acquisition Indicator Channel

Kênh chỉ thị bắt

ATM

Asynchronous Trafer Mode

Chế độ truyền dị bộ

B
BCH

Broatcast Channel

Kênh quảng bá

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BG

Border Gateway

Cổng biên giới

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc
C

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia

CN

Core Network

Mạng lõi

CPCH

Common Packet Channnel

Kênh gói chung đường lên

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

CRC

Cyclic Redundance Check

Kiểm tra vòng dư

CRNC

Control RNC

Bộ điều khiển RNC

CS

Circuit Switching

Chuyển mạch kênh

CSCP

Connection State Control Function Điểu khiển trạng thái kết nối
D

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

vi


Đồ án tốt nghiệp

Thuật ngữ viết tắt

DPCCH

Delicated Physical control channel Kênh điều khiển vật lý riêng

DPDCH

Delicated Physical data channel

Kênh số liệu vật lý riêng

DRNC

Drif RNC

RNC trôi

DSCH

Dowlink Shared Channnel

Kênh đường xuống dùng chung
F

FACH

Forward Access Channel

Kênh ttruy nhập đường xuống

FDD

Frequency Division Duplexing

Ghép song công theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple
Access
G

Đa truy xuất phân chia theo tần
số

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS

Gereral Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM

Global System For Mobile
Communications
H

Hệ thống di động toàn cầu

HE

Home Environment

Môi trường nhà

HLR

Home Location Register

Thanh ghi thường trú

HSS

Home Subscriber Server

Máy chủ thuê bao thường trú
I

IMT
IP
ITU

International Mobile
Telecommunications
Internet Protocol

Viễn thông di động quốc tế

International Telecommunications
Union

Liên minh viễn thông quốc tế

Giao thức internet

Iub

Giao diện giữa RNC và node B

Iur

Giao diện giữa 2 RNC
L

LLR

Log-likelihood Ratio

Hàm log của tỷ lệ likelihood
M

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

vii


Đồ án tốt nghiệp

Thuật ngữ viết tắt

MAP

Maximum A Posteriori

Cực đại hậu định

ME

Mobile Equipment

Thiết bị di động

MGCF

Media Gateway Control Function

Điều khiển cổng các phương tiện

MGW

Media Gateway

Nút cổng của Softswitch

MRF

Multimedia Resource Function

Tài nguyên đa phương tiện

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di động
P

PCH

Paging Channel

kênh tìm gọi

pdf

Power density function

Hàm mật độ xác suất

PCCC
PLMN

Parallet Concatened Convolutional Mã xoắn móc nối song song
Code
Public Land Mobile Network
Mạng di động mặt đất công cộng

PS

Packet Switching

Chuyển mạch gói

PSTN

Public Switched Telephone
Network
R

Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RSC

Recursive Systematic
Convolutional
Roaming Signalling Gateway

Mã xoắn hồi quy hệ thống

R-SGW

Cổng báo hiệu chuyển mạch

S
SC

Systematic Convolutional

Mã xoắn hệ thống

SCH

Synchronization Channel

Kênh đồng bộ

SGSN

Serving General Packet Radio
Service Support Node
Short Message Service

Các nút hỗ trợ chuyển mạch gói

SMS

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

Dịch vụ nhắn tin ngắn

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

viii


Đồ án tốt nghiệp

Thuật ngữ viết tắt

SNR

Signal to Noice Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SRNC

Serving RNC

RNC phục vụ
T

TDMA

Time Division Multiple Access

T-SGW

Transport Signalling Gateway

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
Cổng báo hiệu truyền tải

U
UE

User Equipment

Thiết bị người sử dụng

UMTS

Universal Mobile
Telecommunication System
UMTS Subscriber Identify
Module
UMTS Terrestrial Radio Access
Network
V

Hệ thống viễn thông di động toàn
cầu
Bao UMTS

Visitor Location Register

Thanh ghi định vị tạm trú

USIM
UTRAN

VLR

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
theo tiêu chuẩn UMTS

W
WCDMA

Wideband CDMA

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

CDMA băng rộng

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

ix

Đồ án tốt nghiệp

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hàng
ngày. Máy di động ngày nay đã trở thành một vật dụng không thể thiếu với mỗi người,
nó đáp ứng những nhu cầu liên lạc của người dùng.
Tuy nhiên nhu cầu con người luôn luôn được nâng cao và công nghệ di động phổ
biến nhất hiện giờ là GSM không đáp ứng được những nhu cầu mới như nhu cầu truy
cập thông tin với tốc độ đặc biệt như: điện thoại thấy hình, Video trực tuyến, email…
đòi hỏi tốc độ truyền số liệu phải cao và băng thông lớn. Vì thế công nghệ 3G ra đời
như một bước đột phá công nghệ di động, nó cung cấp băng thông rộng hơn cho mỗi
người sử dụng qua đó đáp ứng được những nhu cầu mới của người sử dụng.
Hiện nay công nghệ 3G đang được ứng dụng một cách mạnh mẽ ở các nước trên
thế giới và đặc biệt cũng đang được triển khai và ứng dụng ở nước ta. Các công ty viễn
thông được triển khai công nghệ 3G trên băng tần 1900-2200MHz dựa trên công nghệ
WCDMA.
Xuất phát từ ý tưởng tìm hiểu về hệ thống WCDMA và đặc biệt được sự hướng
dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của Thầy ThS.Nguyễn Viết Đảm em đã hoàn thành đồ án
với đề tài : “Giải thuật-giải mã Turbo-MAP trong W-CDMA” .
Đồ án em xin trình bày gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA UMTS.
Chương 2: Lớp vật lý trong WCDMA.
Chương 3: Giải thuật MAP cho mã Turbo trong W-CDMA.
Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi những sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn
của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

1


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS

1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động
1.1.1 Giới thiệu
Ra đời vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động là một lĩnh vực rất quan
trọng trong đời sống xã hội. Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của
con người ngày càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết
và tính tiện dụng của nó. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều
giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển
trên thế giới – thế hệ 4.
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy nhập phân
chia theo tần số (FDMA).

Hình 1.1. Hệ thống đa truy nhập FDMA
Đặc điểm:
- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- Trạm BTS phải có bộ thu – phát riêng làm việc với mỗi MS.
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
Tất cả hệ thống thông tin di động 2 sử dụng điều chế số. Và chúng sử dụng 2
phương pháp đa truy nhập:

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

2


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

1.1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple
Access)

Hình 1.2. Đa truy nhập theo thời gian TDMA
Đặc điểm:
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong
đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di
động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm
gốc.
- Giảm số máy thu phát ở BTS.
- Giảm nhiễu giao thoa.

1.1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access)

Hình 1.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Đặc điểm của CDMA:
- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất
nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn vô tuyến đơn giản, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba hay còn gọi là hệ thống thông tin di
động 3G. Công nghệ này gồm nhiều cải tiến đang được thực hiện trong lĩnh vực truyền
thông không dây cho điện thoại và dữ liệu thông qua bất kỳ chuẩn nào trong những
chuẩn hiện nay. 3G mang lại cho người dùng nhiều dịch vụ giá trị gia tăng cao cấp,
GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

3


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như email và tin nhắn văn bản),
download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và các dịch vụ thông tin di động, ngay từ

đầu những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hoạch định hệ
thống thông tin di động thế hệ ba. ITU-R đang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho
hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Hệ thống mới này sẽ làm việc ở dải tần
2GHz. Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên đến 2Mbps.
Các chuẩn công nghệ chủ yếu của 3G gồm:
- WCDMA: là nền tảng chuẩn UMTS, dựa trên kỹ thuật CDMA trải phổ trực
tiếp.
- CDMA 2000: là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95.
- TD-CDMA (Time-division-CDMA): là một chuẩn dựa trên kỹ thuật song công
phân chia theo thời gian.
- TD-SCDMA: chuẩn này được biết đến ít hơn. Đang được phát triển ở Trung
Quốc nhằm mục đích như là một giải pháp thay thế cho WCDMA.
1.1.5 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư
Tiếp theo mạng thông tin di động thế hệ thứ ba (3G), Liên minh viễn thông quốc
tế ITU đang hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư (4G). 4G
có những tính năng vượt trội như: cho phép thoại dựa trên nền IP, truyền số liệu và đa
phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các mạng di động hiện nay. Theo tính
toán, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến 100Mb/s, thậm chí lên đến 1Gb/s trong các
điều kiện tĩnh.
Có thể nói, hiện nay có hai yếu tố từ nhu cầu của người dùng tác động đến sự
phát triển của công nghệ 4G. Thứ nhất, đó là sự gia tăng về nhu cầu của các ứng dụng
của mạng không dây và nhu cầu băng thông cao khi truy nhập Internet. Thứ hai, người
dùng luôn muốn công nghệ không dây mới ra đời vẫn sẽ cung cấp các dịch vụ và tiện
ích theo cách tương tự như mạng hữu tuyến, mạng không dây.
1.2 Kiến trúc của một hệ thống thông tin di động 3G
Hệ thống thông tin di động 3G được xây dựng và phát triển dựa trên nền tảng
cơ sở của hệ thống thông tin đi động 1G và 2G – là những hệ thống ban đầu, do vậy
chúng có những giới hạn về công nghệ, hệ thống 1G và 2G chỉ cho phép người dùng
sử dụng những dịch vụ căn bản đặc thù là thoại, và số liệu.
Mạng thông tin di động 3G ban đầu là mạng kết hợp giữa chuyển mạch gói PS

(Packet Switching ) và chuyển mạch kênh CS (Circuit Switching) để truyền số liệu gói
(chủ yếu là truy cập internet) và thoại - video. Các trung tâm chuyển mạch gói sử dụng
công nghệ ATM. Để hướng tới môi trường IP toàn bộ, chuyển mạch kênh sẽ dần được
thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu hay thời gian thực (như tiếng
GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

4


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển
mạch gói.

Hình 1.4. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS
 RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến.
 BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc.
 BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc.
 RNC: Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến.
 CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh.
 PS: Packet Switch: chuyển mạch gói.
 SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin.
 Server: máy chủ.
 PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng.

 PLMN: Public Land Mobile Network: mạng di động công cộng mặt đất.
Hệ thống thông tin di động toàn cầu 3G UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System) phát triển theo hai hướng:
- Hướng thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập W-CDMA (Wide Band Code
Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của
UMTS).
- Hướng thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA (Time Devision
Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo thời gian) được gọi là GERAN (GSM
EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dựa trên công nghệ EDGE
của GSM).
1.2.1 Chuyển mạch kênh (CS), chuyển mạch gói (PS)
3G cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh như tiếng, video và các dịch vụ
chuyển mạch gói chủ yếu để truy cập internet.
 Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch)

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

5


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

Chuyển mạch kênh (CS) là quá trình chuyển mạch mà trong đó thiết bị chuyển
mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối chiếm một tài nguyên

mạng nhất định trong toàn bộ cuộc truyền tin. Kết nối này là tạm thời, liên tục và dành
riêng.
- Tạm thời: vì nó chỉ được duy trì trong thời gian cuộc gọi.
- Liên tục: vì nó được cung cấp liên tục một tài nguyên nhất định (băng thông
hay dung lượng và công suất) trong suốt thời gian cuộc gọi.
- Dành riêng: vì kết nối này và tài nguyên chỉ dành riêng cho cuộc gọi này.
 Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch)
Chuyển mạch gói (PS – Packet Switching) là quá trình chuyển mạch thực hiện
phân chia số liệu của một kết nối thành các gói có độ dài nhất định và chuyển mạch
các gói này theo thông tin về nơi nhận được gắn với từng gói. Trong chuyển mạch gói
tài nguyên mạng chỉ bị chiếm dụng khi có gói cần truyền.
Chuyển mạch gói cho phép nhóm tất cả các số liệu của nhiều kết nối khác nhau
phụ thuộc vào nội dung, kiểu hay cấu trúc số liệu thành các gói có kích thước phù hợp
và truyền chúng trên một kênh chia sẻ. Việc nhóm các số liệu cần truyền được thực
hiện bằng ghép kênh thống kê với ấn định tài nguyên động. Các công nghệ sử dụng
cho chuyển mạch gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc IP.

Hình 1.5. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS)
Các miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói được thể hiện bằng một nhóm
các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt
vào các thiết bị và các nút vật lý.

1.2.2 Dịch vụ chuyển mạch kênh và dịch vụ chuyển mạch gói
 Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service)

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

6

Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service) là dịch vụ trong đó mỗi đầu cuối được
cấp phát một kênh riêng và nó toàn quyền sử dụng tài nguyên của kênh này trong thời
gian cuộc gọi, tuy nhiên phải trả tiền cho toàn bộ thời gian này dù có truyền tin hay
không. Dịch vụ chuyển mạch kênh có thể được thực hiện trên chuyển mạch kênh hoặc
chuyển mạch gói. Thông thường dịch vụ này được áp dụng cho các dịch vụ thời gian
thực (thoại).
 Dịch vụ chuyển mạch gói (PS)
Dịch vụ chuyển mạch gói (PS Service) là dịch vụ trong đó nhiều đầu cuối cùng
chia sẻ một kênh và mỗi đầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này khi có
thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lượng tin được truyền trên kênh. Dịch
vụ chuyển mạch gói chỉ có thể được thực hiện trên chuyển mạch gói. Dịch vụ này rất
phù hợp cho các dịch vụ phi thời gian thực (truyền số liệu). Tuy nhiên nhờ sự phát
triển của công nghệ, dịch vụ này cũng được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực
(VoIP).
Chuyển mạch gói có thể thực hiện trên cơ sở ATM hoặc IP.
● ATM (Asynchronous Transfer Mode: chế độ truyền dị bộ) là công nghệ thực
hiện phân chia thông tin cần phát thành các tế bào 53 byte để truyền dẫn và chuyển
mạch. Một tế bào ATM gồm 5 byte tiêu đề (có chứa thông tin định tuyến) và 48 byte
tải tin (chứa số liệu của người sử dụng).
● Chuyển mạch hay Router IP (Internet Protocol) cũng là một công nghệ thực hiện
phân chia thông tin phát thành các gói được gọi là tải tin (Payload). Sau đó mỗi gói
được gán một tiêu đề chứa các thông tin địa chỉ cần thiết cho chuyển mạch.
Công nghệ 3G WCDMA UMTS được phát triển từ những năm 1999 khi mà

công nghệ chuyển mạch gói ATM đang khá phát triển, nên các chuẩn của công nghệ
3G cũng được xây dựng dựa trên công nghệ ATM. Tuy nhiên hiện nay và tương lai
mạng viễn thông sẽ được xây dựng trên cơ sở internet.
1.3 Hệ thống 3G WCDMA UMTS
1.3.1 Kiến trúc hệ thống 3G WCDMA UMTS
3G WCDMA UMTS được xây dựng qua các mô hình mạng lõi 3GPP R3 (hay
còn gọi là R99, vì công nghệ này được phát triển bắt đầu từ năm 1999), 3GPP R4,
3GPP R5-R6. Trong đó, mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS và miền PS.
Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời
gian thực như thoại và hình ảnh. Lúc này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn
số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang
chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các node chuyển mạch đều trên
IP. Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS vừa nêu trên.

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

7


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

1.3.1.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3
So với hệ thống 2G, kiến trúc R3 được nâng cấp ở phần mạng truy nhập vô
tuyến băng rộng UTRAN, phần mạng lõi vẫn sử dụng tối đa các phần tử GSM/GPRS
đã có.

Mạng lõi R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói, với tốc
độ đạt được trong miền CS là 384Mbps và trong miền PS là 2Mbps. Các kết nối tốc độ
cao này đảm bảo cung cấp một tập các dịch vụ mới cho người sử dụng di động giống
như 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.
Phát triển nền tảng mạng GSM, mạng UMTS cũng bao gồm ba phần:
-Thiết bị người sử dụng (UE: User Eqiupment).
- Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio
Network).
- Mạng lõi (CN: Core Network).

Hình 1.6. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3
 Thiết bị người sử dụng UE
UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của
người sử dụng. Đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó ảnh
hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng. UE bao gồm: thiết bị đầu cuối
(TE), thiết bị di động (ME), module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS
Subscriber Identity Module) là một ứng dụng chạy trên UICC.
● Đầu cuối TE bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung
cấp các dịch vụ số liệu mới, nó đã trở thành tổ hợp của máy di động, modem và máy
tính bàn tay.
GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

8

Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện:
- Giao diện Uu: liên kết vô tuyến (giao diện WCDMA). Nó đảm nhiệm toàn bộ
kết nối vật lý với mạng UMTS.
- Giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối: giao diện này tuân
theo tiêu chuẩn cho các card thông minh.
● 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.
Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân 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. Ngoài ra có thể có nhiều
USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng.
 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất 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, NRC và nút B.
● RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm
gốc (node B) 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).
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 1.7. 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
node B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó.
GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

9


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

Hình 1.7. Vai trò logic của SRNC và DRNC
● 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.
 Mạng lõi CN
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 bào 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: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là
nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN trong qua giao diện IuPS và
đến GGSN thông qua 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.
• 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 thống 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.

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

10


Đồ án tốt nghiệp

UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

• BG (Border Gateway: 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 (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao của HLR
cho mạng phục vụ (SN: Serving Network). 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.
• 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 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.
• Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng
khai thác. Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông
tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các
dịch vụ cung cấp.
 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 Netwwork: 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.
 Các giao diện
Các nhà sản xuất thiết bị phải tuân theo quy định chặt chẽ về các giao diện
trong mạng, để có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ.
- 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: 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
node B và đầu cuối.
- 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
GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

11


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

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: 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: là giao diện Iub nối node B và RNC. Khác với GSM đây là
giao diện mở.
1.3.1.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4
Kiến trúc R3 đã nâng cấp mạng truy nhập vô tuyến; kiến trúc R4 tiếp tục nâng
cấp mạng lõi CN. 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 trong mạng lõi R4 được chia thành MSC server và cổng các phương tiện
(MGW: Media Gateway).
- MSC server chứa VLR, thực hiện chức năng quản lý di động và điều khiển
cuộc gọi. MSC Server điều khiển ma trận chuyển mạch nằm trong MGW. Một MSC
phục vụ có thể quản lý một số MGW.
- MGW thực hiện các chức năng chuyển mạch và kết nối mạng.

Hình 1.8. Sự khác biệt giữa mạng lõi R4 so với R3
Mạng lõi có thể được xây dựng tùy theo yêu cầu hoạt động. Có nhiều loại thủ
tục có thể được sử dụng kết nối giữa UE với MSC và giữa MSC server với MGW.

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

12


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

Hình 1.9. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4
RNC  MSC Server: báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh.
RNC  MGW: đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh, định tuyến
các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói. Đường trục gói sử dụng giao
thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trên giao thức
Internet (IP).
RNC  SGSN  GGSN: đường truyền số liệu gói (cả số liệu và thoại) trên
mạng đường trục IP.
Khi có cuộc gọi tới mạng PSTN, cuộc gọi từ MSC server  GMSC server 
MGW  PSTN. Tại MGW, tín hiệu thoại được đóng gói chuyển đổi mã thành tín hiệu
PCM tiêu chuẩn. Tín hiệu PCM này đưa đến PSTN. Truyền tải kiểu này cho phép tiết
kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau.
Giao thức điều khiển giữa MSC Server/GMSC Server với MGW là giao thức
ITU H.248 – điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control).
Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một
giao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ, giao thức điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang
(BICC: Bearer Independent Call Control) được 3GPP khuyến nghị. Đôi khi MSC
Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server.
HLR và HSS (Home Subscriber Server: máy chủ thuê bao thường trú) có chức
năng tương đương. HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. HSS sử dụng giao
diện trên cơ sở truyền tải gói IP. Ngoài ra còn có các giao diện giữa SGSN với
HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS.
GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

13

Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

1.3.1.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5-R6
Mục tiêu phát triển của mạng lõi R5, R6 là kiến trúc mạng đa phương tiện IP
(IMS: IP Multimedia Subsystem): xử lý số liệu và thoại trên toàn bộ đường truyền từ
đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng.

Hình 1.10. Chuyển đổi dần từ R4 sang R5
Sự nâng cấp tập trung chủ yếu ở mạng truy nhập: GSM/EDGE RAN (GERAN),
khối chức năng chuyển mạch gói CN PS.
Cấu trúc mạng lõi theo tiêu chuẩn R5 – R6 có thêm một phần tử mới là phân hệ
đa phương tiện IP (IMS) có chức năng duy trì các cuộc gọi VoIP. IMS còn có khả
năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện: chức năng điều khiển cổng phương tiện
(MGCF), chức năng điều khiển trạng thái cuộc gọi (CSCF) và chức năng điều khiển
tài nguyên phương tiện (MRF). Các chức năng này tạo thành mô hình quản lý cuộc gọi
mở rộng so với tiêu chuẩn R4. Về cơ bản, chức năng MGCF kiểm soát MGW khi thực
hiện kết nối, chuyển đổi, loại bỏ tiếng vọng,…

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

14

Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

Hình 1.11. Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6
Từ kiến trúc mạng, ta thấy số liệu và thoại không có giao diện riêng, chỉ có một
giao diện IU duy nhất mang tất cả thông tin. 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 (TSGW: Transport Signalling Gateway) và cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW:
Roaming Signalling Gateway).
Trong kiến trúc toàn IP, thiết bị UE được nâng cấp và cài đặt nhiều phần mềm
ứng dụng. UE hỗ trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol).
Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF) là chức năng: phiên dịch và
định tuyến – thiết lập, duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến và đi từ
người sử dụng.
SGSN và GGSN được cải tiến để hỗ trợ cả dịch vụ số liệu gói và dịch vụ
chuyển mạch kênh, nâng cao chất lượng dịch vụ QoS.
Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF)là chức năng lập cầu hội nghị, hỗ
trợ các tính năng: tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị .
Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 sử dụng các giao
thức Sigtran để đảm bảo tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN.

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

15


Đồ án tốt nghiệp
UMTS

Chương 1: Tổng quan mạng 3G WCDMA

Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) 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 RSGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng.
Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF): điều khiển MGW bởi
giao thức điều khiển ITU-T H.248. MGW ở kiến trúc mạng R5 có chức năng giống
như ở kiến trúc mạng R4. MGW tương tác với các mạng ngoài qua đường truyền IP.
MGCF giao tiếp với CSCF bằng giao thức SIP.
1.4 Tổng kết chương
Chương 1 đã trình bày một cách khái quát về những nét đặc trưng cũng như sự
phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1, thứ 2, thứ 3 và hệ thống
thông tin di động tương lai 4G. Sau đó kiến trúc mạng 3G được xét. Mạng lõi 3G bao
gồm hai vùng chuyển mạch: vùng chuyển mạch các dịch vụ CS và vùng chuyển mạch
các dịch vụ PS. Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G
WCDMA UMTS được xét: R3, R4, R5 và R6. R3 bao gồm hai miền chuyển mạch
kênh và chuyển mạch gói trong đó kết nối giữa các nút chuyển mạch gọi là TDM
(ghép kênh theo thời gian). R4 là sự phát triển của R3 trong đó miền chuyển mạch
kênh chuyển thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng bằng IP. R5 và R6
hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện IP hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói. Hiện nay
mạng 3G WCDMA UMTS đang ở giai đoạn chuyển dần từ R4 sang R5.

GVHD: ThS. Nguyễn Viết Đảm

SVTH: Nguyễn Thị Thanh-L10VT10

16