Một số giải pháp nâng cao năng lực cạnh tranh dich vụ điện thoại di động của tổng công ty viễn thông quân đội (nay là tập đoàn viễn thông quân đội)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------TRẦN ĐỨC LỢI

ĐỀ TÀI: TỐI ƯU HÓA MẠNG VÔ TUYẾN UMTS VÀ ÁP DỤNG TRONG MẠNG
MOBIFONE 3G.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S NGUYỄN VŨ THẮNG

HÀ NỘI - NĂM 2011


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Trần Đức Lợi, học viên cao học lớp Điện tử viễn thông 2 khóa 2008 – 2010.
Thầy giáo hướng dẫn tôi là TS Nguyễn Vũ Thắng.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trình bày trong bản luận văn này là kết quả tìm hiểu và
nghiên cứu của riêng tôi, trong quá trình thực hiện đề tài “Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS
và áp dụng trong mạng Mobifone 3G.” Các kết quả và dữ liệu được nêu trong luận văn là hoàn
toàn trung thực và rõ ràng. Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt
kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được
viết trong luận văn này.
Hà Nội, ngày tháng năm 20 .
Học viên

Trần Đức Lợi

2


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................................... 2
MỤC LỤC ................................................................................................................................................ 3
DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT ................................................................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA ..................................................................................................11
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................................................ 12
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG UMTS, LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN.14
1.1. Giới thiệu chương ........................................................................................................................ 14
1.1.1. Mục đích chương .................................................................................................................. 14
1.1.2. Các chủ đề được trình bày trong chương.............................................................................. 14
1.2. Lộ trình phát triển thông tin di động lên 3G ................................................................................ 14
1.3. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G............................................................. 16
1.3.1. Mạng lõi CN (Core Network) ............................................................................................... 18
1.3.2. Truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network)................ 19
1.4. Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ................................................ 21
1.5. Kiến trúc 3G UMTS R3............................................................................................................... 23
1.6. Kiến trúc 3G UMTS R4............................................................................................................... 24
1.7. Kiến trúc 3G UMTS R5 và R6 .................................................................................................... 27
1.8. Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS ............................................................................. 30
1.8.1. 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn ............................................................................ 30
1.8.2. 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM......................................................................... 31
1.8.3. 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất ....................................................................................... 32
1.9. Kết luận chương........................................................................................................................... 33
CHƯƠNG II: CÁC VẦN ĐỀ CƠ BẢN TRONG MẠNG WCDMA..................................................... 34
2.1. Giới thiệu chung........................................................................................................................... 34

2.1.1. Mục đích chương .................................................................................................................. 34
2.1.2. Các chủ đề được trình bầy trong chương.............................................................................. 34
2.2. Các quá trình xủ lý tín hiệu trong hệ thống WCDMA................................................................. 34
2.2.1. Mã hóa nguồn ....................................................................................................................... 34
2.2.2. Mã hóa khối .......................................................................................................................... 35
2.2.3. Mã hóa kênh.......................................................................................................................... 36
2.2.4. Trải phổ ................................................................................................................................. 36
2.3. Các giao diện vô tuyến trong hệ thống WCDMA........................................................................ 37
2.4. Các kênh của WCDMA ............................................................................................................... 38
2.4.1. Các kênh logic, LoCH........................................................................................................... 39
2.4.2. Các kênh truyền tải, TrCH .................................................................................................... 40
2.4.3. Các kênh vật lý...................................................................................................................... 42
2.4.4. Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói CPCH.......................................... 48
2.5. Các trạng thái của UE .................................................................................................................. 49
2.6. Tìm gọi......................................................................................................................................... 50
2.7. Các tiến trình xử lý cuộc gọi........................................................................................................ 51
2.7.1. Thiết lập kết nối RRC ........................................................................................................... 52
2.7.2. Tiến trình bảo mật và nhận thực............................................................................................ 54
2.7.3. Quá trình thiết lập cuộc gọi................................................................................................... 55
2.7.4. Thiết lập kết nối RAB . ......................................................................................................... 57
3


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
2.8. Điều khiển công suất.................................................................................................................... 59
2.9. Các quá trình chuyển giao............................................................................................................ 60
2.10. Kết luận chương......................................................................................................................... 62
CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG WCDMA..................................... 63
3.1. Giới thiệu chương ........................................................................................................................ 63
3.2. Ý nghĩa của điều khiển công suất ................................................................................................ 63

3.3. Một số vấn đề ảnh hưởng tới điều khiển công suất trong hệ thống UMTS.. ............................... 64
3.3.1. Nhiễu đồng kênh. .................................................................................................................. 64
3.3.2. Nhiễu kênh lân cận................................................................................................................ 65
3.3.3. Hiện tượng gần xa................................................................................................................. 67
3.3.4. Tải lưu lượng......................................................................................................................... 68
3.3.5. Cấp độ phục vụ GoS (Grade of Service) .............................................................................. 69
3.3.6. Hiệu quả sử dụng kênh ......................................................................................................... 70
3.4. Phân loại điều khiển công suất..................................................................................................... 71
3.4.1. Phân loại điều khiển công suất theo đường xuống và đường lên ......................................... 71
3.4.2. Phân loại điều khiển công suất theo mô hình phân tán và tập trung..................................... 71
3.4.3. Phân loại điều khiển công suất theo phương pháp đo.......................................................... 72
3.4.4. Phân loại điều khiển công suất theo vòng lặp....................................................................... 73
3.5. Điều khiển công suất vòng hở...................................................................................................... 75
3.5.1. Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở đường lên ............................................................... 75
3.5.2. Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở đường xuống .......................................................... 76
3.5.3. Điều khiển công suất ở các kênh chung đường xuống ......................................................... 77
3.6. Điều khiển công suất vòng trong. ................................................................................................ 78
3.6.1. Điều khiển công suất vòng trong đường lên ......................................................................... 79
3.6.2. Điều khiển công suất vòng trong đường xuống .................................................................... 80
3.7. Điều khiển công suất vòng ngoài................................................................................................. 81
3.7.1. Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên......................................................................... 82
3.7.2. Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống.................................................................... 83
3.8. Kết luận chương........................................................................................................................... 84
CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THEO BƯỚC ĐỘNG ........................ 85
4.1. Giới thiệu chương ........................................................................................................................ 85
4.2. Phương pháp điều khiển công suất theo buớc động (DSSPC)..................................................... 85
4.2.1. Độ dự trữ, cửa sổ công suất trong phương pháp DSSPC...................................................... 85
4.2.2. Sự hoạt động của mạng trong phương pháp DSSPC. ........................................................... 86
4.2.3. Sự hoạt động của trạm di động trong phương pháp DSSPC................................................. 87
4.2.4. Các công thức tính toán được sử dụng trong phương pháp DSSPC..................................... 90

4.3. Kết luận chương........................................................................................................................... 93
CHƯƠNG V: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG..................................................................... 94
5.1. Giới thiệu chương ........................................................................................................................ 94
5.2. Qũy đường truyền tham khảo cho hệ thống UMTS..................................................................... 94
5.3. Giới thiệu về chương trinh mô phỏng.......................................................................................... 96
5.4. Các kết quả của chương trình mô phỏng. .................................................................................... 96
5.4.1.Form giới thiệu về chương trình ............................................................................................ 96
5.4.2. Mô phỏng truờng hợp sử dụng dịch vụ thoại tốc độ bit 12.2 Kbps ...................................... 97
5.4.3. Mô phỏng trường hợp sủ dụng dịch vụ số liệu tốc độ bít 144 Kbps..................................... 98
5.4.4. Mô phỏng trường hợp sủ dụng dịch vụ số liệu tốc độ bít 384 Kbps..................................... 98
5.5. Kết quả mô phỏng và nhận xét. ................................................................................................... 99
5.5.1. Kết quả mô phỏng................................................................................................................. 99
4


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
5.5.3. Nhận xét. ............................................................................................................................. 102
5.6. Kết luận chương......................................................................................................................... 102
CHƯƠNG VI: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG MOBIFONE 3G .................................................. 104
5.1. Giới thiệu chương. ..................................................................................................................... 104
5.2. Giới thiệu về công ty thông tin di động Mobifone. ................................................................... 104
5.3. Giới thiệu về các dịch vụ của Mobifone và cơ sở hạ tầng hiện có. ........................................... 105
5.3.1. Các dịch vụ 3G của Mobifone ............................................................................................ 105
5.3.2. Cơ sỏ hạ tầng sau khi triển khai 3G cả Mobifone............................................................... 105
5.4. Một số thiết bị 3G của HUAWEI.............................................................................................. 106
5.4.1. BTS3900A WCDMA.......................................................................................................... 106
5.4.2. BSC6900 UMTS................................................................................................................. 107
5.5. Kết luận chương..........................................................................................................................110
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .......................................................111
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................113

5


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT
3G

Third Generation Cellular

3 GPP

Third Generation Patnership Project

A
AC

Admission Cotrol

AI

Acquistion Indicator

AICH

Acquistion Indication Channel

A-P

Access Preamble

ATM

Asynchoronous Transfer Mode

AS

Access Slot

B
BER

Bit Error Rate

BCH

Broadcast Channel

BMC

Broadcast/Multicast Control

BS

Base Station

BSC

Base Station Controller

BTS

Base Transceiver Station

C
CC

Connecting Management

CDMA

Code Division Multiple Access

CD-P

Collision Detection Preamble

CN

Core Network

CPCH

Common Packet Channel

CPICH

Common Pilot Channel

D
6


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
DC

Delicated Control

DCH

Delicated Channel

DL

Down Link

DS-CDMA

Direct Sequence Code Division Multiple Access

DSCH

Downlink Shared Channel

DSSPC

dynamic step-size power control

DPCCH

Delicated Physical Control Channel

DPDCH

Delicated Physical Data Channel

E
ETSI

European Telecommunications Standard Institute

F
FACH

Forward Access Channel

FBI

Feedback Information

FER

Frame Error Rate

FDD

Fequency Division Duplex

FDMA

Frequency Division Multiple Access

G
GC

General Control

GGSN

Gateway GPRS Support Node

GPRS

General Packet Radio Service

GoS

Grade of Service

GSM

Global System of Mobile Communication

H
HC

Handover Control

HDLA

History Data Logic Analyzer
7


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
HLR

Home Location Register

I
IMT-2000

International Mobile Telecommunication

ISDN

Integated Service Digital Network

ITU

International Telecomunication Union

L
LC

Load Control

M
MAC

Medium Access Control

ME

Mobile Equipment

MM

Mobility Management

MSC

Mobile Services Switching Center

N
Nt

Notification

O
OFDM

Orthogonal Frequency Division

OSS

Operation Support System

P

PC

Power Control

PCH

Paging Channel

PCPCH

Physical Common Packet Channel

PDCP

Packet Data Convergence Protocol

PDSCH

Physical Downlink Shared Channel

PICH

Paging Indication Channel

PLMN

Public Land Mobile Network

PRACH

Physical Random Access Channel

8


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
PSH

Packet Scheduler

PSTN

Public Switch Telephone Network

Q
QI

Quality Indicator

QoS

Quality of Service

R
RACH

Random Access Channel

RAN

Random Access Network

RAT

Radio Access Technology

RLC

Radio Link Control

RNC

Radio Network Controler

RRM

Radio Resouce Management

RRU

Radio Resouce Utilization

S
S-CCPCH

Secondary Common Control

SCH

Synchronization Channel

SGSN

Serving GPRS Support Node

SIR

Signal to Interference Ratio

SF

Trải phổ Fator

SHO

Soft Hand Over

SNR

Signal Noise Ratio

T
TCP

Transit Control Power

TDD

Time Division Duplex

TDMA

Time Division Multiple Access

TFCI

Transport Format Combination Indicator

9


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
U
UE

User Equipment

UL

Up link

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

USIM

UMTS Subscriber Indentity Module

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access

V
VHE

Virtual Home Enviroment

VLR

Vistor Location Register

W
WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

10


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA
Figure 1: Lộ trình phát triển các công nghệ di động................................................................................15
Figure 2: Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu qua các bản phát hành 3G..................................................16
Figure 3: Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G..........................................................17
Figure 4: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất.............................................................................................20
Figure 5: Kiến trúc UMTS R3 .................................................................................................................24
Figure 6: Kiến trúc 3G UMTS R4 ...........................................................................................................25
Figure 7: Kiến trúc UMTS R5 ................................................................................................................28

Figure 8: Cấu hình lai ghép......................................................................................................................30
Figure 9: 3GR1 ........................................................................................................................................31
Figure 10: 3GR2 ......................................................................................................................................32
Figure 11: 3GR3.......................................................................................................................................33
Figure 12: Giao diện vô tuyến trong WCDMA. ......................................................................................37
Figure 13: Chuyển đổi giữa các LoCH và TrCH trên đường lên và đường xuống..................................42
Figure 14: Tổng kết các kiểu kênh vật lý.................................................................................................43
Figure 15: Chuyển đổi giữa các kênh truyền tải và các kênh vật lý ........................................................47
Figure 16: Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý ...............................................................................48
Figure 17: Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói....................................................48
Figure 18: RRC Connection.....................................................................................................................53
Figure 19: Tiến trình bảo mật và nhận thực .............................................................................................54
Figure 20: Call setup flow........................................................................................................................56
Figure 21: RAB setup flow. .....................................................................................................................58
Figure 22: Chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn. ........................................................................61
Figure 23: Công suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc................................................................................64
Figure 24: Nhiễu đường lên. ....................................................................................................................65
Figure 25: Nhiều đường xuống. ...............................................................................................................65
Figure 26: Các loại nhiễu trong hệ thống.................................................................................................67
Figure 27: Vấn đề gần - xa trong điều khiển công suất đường lên. .........................................................67
Figure 28: Bù nhiễu ở kênh lân cận trong điều khiển công suất đường xuống. ......................................68
Figure 29: Quá trình thiết lập cuộc gọi ....................................................................................................70
Figure 30: Phân loại kỹ thuật điều khiển công suất công suất................................................................72
Figure 31: Nguyên lý điều khiển công suất vòng trong...........................................................................74
Figure 32: Điều khiển công suất vòng ngoài ...........................................................................................75
Figure 33: Các thủ tục điều khiển công suất vòng trong và vòng ngoài..................................................79
Figure 34: UL PC vòng trong khi chuyển giao mềm ...............................................................................80
Figure 35: Dải động điều khiển công suất đường xuống .........................................................................81
Figure 36: Kiến trúc logic chức năng điều khiển công suất vòng ngoài đường lên.................................83
Figure 37: Đồ thị mức công suất truyền của trạm di động dưới dạng nhiều mức SIR ............................86

Figure 38: Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC ..........................................87
Figure 39: Mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên ....................................90

11


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Sự ra đời của thông
tin di động là một bước ngoặt lịch sử trong nghành viễn thông cũng như bước phát triển quan
trọng của loài người.
Qua quá trình phát triển và cho đến ngày nay mạng di động đã phát triển ở thế hệ thứ 3 –
3G. Cùng với việc cho phép kết nối mọi lúc mọi nơi mạng 3G còn mang tới các tiện ích khác
như nhắn tin đa phương tiện, các dịch vụ định vị, … trong đó nổi bật là khả năng cung cấp kết
nối internet với tốc độ cao. Ở Việt Nam hiện nay các dịch vụ 3G đã được các nhà mạng triển
khai và đưa vào khai thác thực tế với các kết quả khả quan.
Để theo kịp xu thế chung của thế giới và nắm bắt được các chi tiết kỹ thuật của hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ 3, việc nghiên cứu đề tài “Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp
dụng trong mạng Mobifone 3G” giúp làm rõ vấn đề điều khiển công suất trong việc tối ưu
hóa mạng vô tuyến UMTS.
Bên cạnh đó luận văn cũng thực hiện việc giới thiệu phương pháp điều khiển công suất
theo bước động và thực hiện chương trình mô phỏng để làm rõ ưu điểm của phương pháp này
so với các phương pháp đang được sử dụng.
Luận văn được chia làm 6 chương:
Chương I: Giới thiệu chung về mạng UMTS, lịch sử và xu hướng phát triển.
Chương II: Các vấn đề cơ bản trong mạng WCDMA.
Chương III: Điều khiển công suất trong mạng WCDMA.
Chương IV: Phương pháp điều khiển công suất theo bước động.
Chương V: Chương trình mô phỏng phương pháp điều khiển công suất theo bước động.

Chương VI: Giới thiệu về mạng Mobifone 3G.
Mặc dù đã cố gắng hết sức và đã nhận nhiều ý kiến chỉ bảo từ các thầy cô giáo nhưng do
thời gian có hạn, chắc chắn còn nhiều thiếu sót cần khắc phục và hoàn thiện. Song những vấn
đề mà luận văn nêu ra về việc điều khiển công suất trong hệ thống vô tuyến UMTS đã và đang
là những lý thuyết được áp dụng thực tiễn trong mạng vô tuyến đã triển khai của các nhà mạng
ở Việt Nam hiện nay. Cùng với đó là việc thực hiện mô phỏng để cho thấy sự ưu việt của
12


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
phương pháp điều khiển công suất DSSPC được đề xuất để thay thế phương pháp truyền thống.
Sau cùng em xin gửi lời chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Vũ Thắng, người trực
tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Học viên

Trần Đức Lợi

13


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG UMTS, LỊCH SỬ VÀ
XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN.
1.1. Giới thiệu chương
1.1.1. Mục đích chương
• Trình bày sự phát triển thông tin di động lên 3G
• Trình bày kiến trúc tổng quát của một mạng thông tin di động 3G và các giao diện có
liên quan.
• Trình bày kiến trúc mạng 3G WCDMA UMTS: R3, R4 và R5 và chiến lược chuyển dịch

GSM lên 3G UMTS.
1.1.2. Các chủ đề được trình bày trong chương
• Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 3G.
• Kiến trúc chung của một mạng thông tin di động 3G.
• Các loại lưu lượng và các loại dịch vù mà 3G WCDMA UMTS có thể hỗ trợ.
• Kiến trúc 3G WCDMA UMTS qua các phát hành khác nhau: R3, R4, R5 và R6.
• Chiến lược chuyển dịch GSM lên 3G UMTS.

1.2. Lộ trình phát triển thông tin di động lên 3G
Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 3G và lộ trình nghiên cứu phát
triển trong 3GPP được cho trên hình sau:

14


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

Figure 1: Lộ trình phát triển các công nghệ di động

AMPS: Advanced Mobile Phone System
TACS: Total Access Communication System
GSM: Global System for Mobile Telecommucations
WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access
EVDO: Evolution Data Only
IMT: International Mobile Telecommnications
IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers
WiFi: Wireless Fidelitity
WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access
LTE: Long Term Evolution
UMB: Untra Mobile Broadband

15


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

Hình sau cho thấy lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP:

Figure 2: Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu qua các bản phát hành 3G.

1.3. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G
Mỗi phần tử mạng logic có một chức năng xác định. Trong tiêu chuẩn các phần tử mạng
được định nghĩa cũng thường được thực hiện ở dạng vật lí tương tự, nhất là có một số giao diện
mở (giao diện sao cho ở mức chi tiết có thể sử dụng được thiết bị của hai nhà sản xuất khác
nhau ở các điểm cuối). Có thể nhóm các phần tử mạng theo các chức năng giống nhau hay theo
mạng con mà chúng trực thuộc.

16


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

Figure 3: Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G.

Về mặt chức năng có 2 nhóm phần tử mạng:
• Mạng truy nhập vô tuyến (RAN: Random Access Network hay UTRAN : UMTS
Terrestrial RAN) thực hiện chức năng liên quan đến vô tuyến .
• Mạng lõi (CN: Core Network) thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi
và kết nối số liệu.
Để hoàn thiện, hệ thống còn có thiết bị người sử dụng (UE :User Equipment) để thực

hiện giao diện người sử dụng với hệ thống và cần định nghĩa giao diện vô tuyến.
Cấu trúc hệ thống mức cao được thể hiện trong hình trên. Từ quan điểm chuẩn hoá, cả UE và
UTRAN đều bao gồm các giao thức mới. Việc thiết kế các giao thức này dựa trên những nhu
cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới. Trái lại, việc định nghĩa CN dựa trên GSM. Điều
này cho phép hệ thống với công nghệ vô tuyến mới mang tính toàn cầu dựa trên công nghệ CN
đã biết và đã phát triển.
Một phương pháp chia nhóm khác cho mạng UMTS là chia chúng thành các mạng con.
Trên khía cạnh này, hệ thống UMTS được thiết kế theo Modun. Vì thế, có thể có nhiều phần tử
mạng cho cùng một kiểu. Khả năng có nhiều phần tử của cùng một kiểu cho phép chia hệ thống
UMTS thành các mạng con hoạt động hoặc độc lập hoặc cùng với các mạng con khác. Các
mạng con này được phân biệt bởi các nhận dạng duy nhất. Một mạng con như vậy được gọi là
mạng di động mặt đất công cộng UMTS (UMTS PLMN:UMTS Public Land Mobite Network).
Thông thường, mỗi PLMN được khai thác duy nhất, và nó được nối đến các PLMN khác như
ISDN, PSTN, Internet..
17


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
Các tiêu chuẩn UMTS được cấu trúc sao cho không định nghĩa chi tiết chức năng bên
trong của các phần tử mạng nhưng định nghĩa giao diện giữa các phần tử mạng logic. Các giao
diện mở chính là:
• Giao diện Cu: là giao diện thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một
khuôn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh.
• Giao diện Uu: là giao diện vô tuyến của WCDMA, giao diện giữa UE và Node B . Đây
là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống vì thế nó là giao
diện mở quan trọng nhất ở UMTS .
• Giao diện Iu 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: giao diện giữa hai RNC. Đây 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. Nó cho phép hỗ trợ sự cạnh tranh giữa
các nhà sản xuất trong lĩnh vực này. UMTS là hệ thống điện thoại di động đầu tiên có
Iub được tiêu chuẩn hoá như một giao diện mở hoàn toàn.
1.3.1. Mạng lõi CN (Core Network)
Những chức năng chính của việc nghiên cứu mạng lõi UMTS là:
• Quản lí di động, điều khiển báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa UE và mạng lõi.
• Báo hiệu giữa các nút trong mạng lõi.
• Định nghĩa các chức năng giữa mạng lõi và các mạng bên ngoài.
• Những vấn đề liên quan đến truy nhập gói.
• Giao diện Iu và các yêu cầu quản lí và điều hành mạng.
Mạng lõi UMTS có thể chia thành 2 phần: chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.
Thành phần chuyển mạch kênh gồm: MSC, VLR và cổng MSC. Thành phần chuyển mạch gói
gồm nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng nút hỗ trợ GPRS
(GGSN: Gateway GPRS Support Node). Một số thành phần của mạng như HLR và AUC được
chia sẽ cho cả hai phần. Cấu trúc của mạng lõi có thể được thay đổi khi các dịch vụ mới và các
18


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra.
Các phần tử chính của mạng lõi như sau :
• HLR (Home Location Register: Thanh ghi định vị thường trú) là một cơ sở dữ liệu được

đặt tại hệ thống chủ nhà của người sử dụng để lưu trữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ
của người sử dụng, bao gồm thông tin về các dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển
hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.
• MSC/VLR (Mobile Service Switching Center: Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động)
là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh
cho UE tại vị trí hiện thời của nó. Nhiệm vụ của MSC là sử dụng các giao dịch chuyển
mạch kênh. VLR làm nhiệm vụ giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng cũng như vị trí
chính xác hơn của UE trong hệ thống đang phục vụ. CS là phần mạng đựơc truy nhập
qua MSC/VLR.
• GMSC (Gateway MSC) là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS PLMN với mạng CS
bên ngoài.
• SGSN (Serving GPRS: General Packet Radio Network Service Node) có chức năng
giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói PS (Packet
Switch). Vùng PS là phần mạng được truy nhập qua SGSN.
• GGSN (Gateway GPRS Support Node) có chức năng giống như các dịch vụ điện thoại,
ví dụ như ISDN hoặc PSTN.
• Các mạng PS đảm bảo các kết nối cho những dịch vụ chuyển mạch gói, ví dụ như
Internet.
1.3.2. Truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network)

19


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G

Figure 4: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất.

UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network
Subsystem). Một RNS là một mạng con trong UTRAN và gồm một bộ điều khiển mạng vô
tuyến RNC (Radio Network Controller) và một hay nhiều Node B. Các RNC và các Node B

được kết nối với nhau bằng giao diện Iub.
Các đặc tính chính của UTRAN :
• Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan. Đặc biệt là các ảnh hưởng chính lên
việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một đầu cuối kết nối qua hai hay nhiều
ô tích cực) và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù WCDMA.
• Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói
bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng cùng
một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng PS và CS của mạng lõi.
• Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết.
• Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
Hai thành phần trong UTRAN: bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và node B.
1.3.2.1. Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN.
Nó giao diện với CN (thông thường với một MSC và một SGSN) và kết cuối giao thức điều
khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio Resource Control), giao thức này định nghĩa các bản
tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN. Nó đóng vai trò như BSC.
20


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
Các chức năng chính của RNC :
• Điều khiển tài nguyên vô tuyến
• Cấp phát kênh
• Thiết lập điều khiển công suất
• Điều khiển chuyển giao
• Phân tập Macro
• Mật mã hóa
• Báo hiệu quảng bá
• Điều khiển công suất vòng hở
1.3.2.2. Node B (trạm gốc)

Chức năng chính của Node B là thực hiện xử lý L1 của giao diện vô tuyến (mã hoá
kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ,…). Nó cũng thực hiện một phần khai thác quản lý tài
nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng nó giống như trạm
gốc ở GSM. Lúc đầu Node B được sử dụng như là một thuật ngữ tạm thời trong quá trình
chuẩn hoá nhưng sau đó nó không bị thay đổi.
1.3.2.3. Thiết bị người sử dụng UE (User Equipment)
UE là sự kết hợp giữa thiết bị di động và module nhận dạng thuê bao USIM (UMTS
subscriber identity). Giống như SIM trong mạng GSM/GPRS, USIM là thẻ có thể gắn vào máy
di động và nhận dạng thuê bao trong mạng lõi. Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment) là
đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến giao diện Uu.
Modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Modulo) là một thẻ
thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận thực và lưu giữ
các khoá nhận thực cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.

1.4. Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ
Vì thông tin di động 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu
lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh. Ngoài ra thông tin di động 3G cũng được sử
dụng cho các dịch vụ tiếng. Nói chung thông tin di động 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông đa
phương tiện. Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng
21


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
dụng của dịch vụ. QoS ở W-CDMA được phân loại như sau:
• Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (thoại chẳng
hạn).
• Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ (phân
phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming)
• Loại tương tác (Interactive, nrt): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỷ lệ
lỗi thấp (trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn).

• Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được thực hiện trên nền cơ
sở (e-mail, tải xuống file: Video Download)
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 3GWCDMA UMTS cung cấp ở bảng dưới đây:
Kiểu

Phân loại

Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ di

Dịch vụ di

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

động

động
Dịch vụ thông

- Theo dõi di động/ theo dõi di động thông minh

tin định vị
Dịch vụ âm

- Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64 kbps)

thanh

- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps)
- Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps)

Dịch vụ

Dịch vụ số

- Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144 kbps)

viễn thông

liệu

- Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao (144 kbps2Mbps)
- Dịch vụ số liệu tốc độ cao (2Mbps)
22


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
Kiểu

Phân loại

Dịch vụ chi tiết

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
(2 Mbps)

Dịch vụ

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

Internet đơn
Dịch vụ

giản

Internet

Dịch vụ

Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)

Internet thời
gian thực
Dịch vụ

Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực

internet đa

(2Mbps)

phương tiện
Table 1: Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5.
Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh)
và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói). 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. Khi 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 nút chuyển mạch
đều trên IP.

1.5. Kiến trúc 3G UMTS R3
WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384
Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp
một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố
định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất
23


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng
với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet. UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và
vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí.
Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy
nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạng lõi (CN:

Core Network) (xem hình 5). UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động
(ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module).
UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao
gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó.
Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment:
Môi trường nhà). HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận
thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity
Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị).

Figure 5: Kiến trúc UMTS R3

1.6. Kiến trúc 3G UMTS R4
Hình dưới đây cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS 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
24


Tối ưu hóa mạng vô tuyến UMTS và áp dụng trong mạng Mobifone 3G
MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và
chuyển mạch mềm được đưa vào.
Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media
Gateway). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC
tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong
MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server.

Figure 6: Kiến trúc 3G UMTS 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: Real Time Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP). Từ hình 1.10
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.
25