công nghệ wcdma và giải pháp nâng cấp mạng gsm lên wcdma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI THỊ THANH HƯỜNG

CÔNG NGHỆ WCDMA VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG
GSM LÊN WCDMA

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. Phạm Minh Việt

Hà Nội – 2010

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................................5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG ..............................................................................................................13
DANH MỤC HÌNH VẼ .........................................................................................................14
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G - UMTS.........................................18
1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G. ..................................................................18
1.1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G..........................................................18
1.1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống 3G.............................................................................19
1.1.3 Công nghệ 3G cho Việt Nam...................................................................................20
1.1.3.1 Lựa chọn con đường lên 3G cho Việt Nam. .....................................................20

1.1.3.2 Phân bổ tần số cho 3G tại Việt Nam :..............................................................22
1.2

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – UMTS ..................................................23

1.2.1 Giới thiệu chung về UMTS......................................................................................23
1.2.2 Phát triển từ GSM lên UMTS / WCDMA. .............................................................24
1.2.2.1 Mạng di động thế hệ thứ 2 – GSM...................................................................24
1.2.2.2 Kết hợp UMTS và GSM. ..................................................................................26
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG W-CDMA. .............................................................29
2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WCDMA................................................................29
2.2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA................................................................33
2.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA.................................................................................34
2.2.1.1 Các kỹ thuật đa truy nhập. ................................................................................34
2.2.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA..........................................................................34
2.2.2 Nguyên lý trải phổ trong WCDMA. .......................................................................38
2.3 QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN TRONG WCDMA............................................................42
2.3.1 Điều khiển công suất trong WCDMA. .....................................................................43
2.3.1.1 Điều khiển công suất vòng hở...........................................................................45
2.3.1.2 Điều khiển công suất vòng kín..........................................................................45
2.3.2 Chuyển giao trong WCDMA....................................................................................48
2.3.2.1 Chuyển giao mềm hơn. .....................................................................................49
2.3.2.2 Chuyển giao mềm – Soft HO. ...........................................................................50
2.3.2.3 Chuyển giao liên tần số và liên hệ thống. .........................................................53
2.4

KỸ THUẬT XỬ LÝ SỐ VÀ TRUYỀN DẪN. ..........................................................55

2.4.1 Môi trường truyền dẫn vô tuyến. ..............................................................................55
2.4.2 Phân tập: ...................................................................................................................57

3


2.4. 3 Bộ thu RAKE:..........................................................................................................60
2.4.4 Anten thông minh: ....................................................................................................64
CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC MẠNG UMTS. ...........................................................................71
3.1

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2G VÀ 2,5G: .................................................72

3.1.1 Hệ thống GSM. .........................................................................................................72
3.1.2 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS..........................................................................74
3.1.3 EDGE – Cải thiện tốc độ số liệu cho GSM. ............................................................77
3.2

CẤU TRÚC HỆ THỐNG UMTS. .............................................................................78

3.2.1 Cấu trúc chung của hệ thống UMTS. ......................................................................78
3.2.2 UE – Thiết bị người sử dụng: .................................................................................82
3.2.3 Cấu trúc UTRAN của UMTS. ................................................................................84
3.2.3.1 Các đặc tính chung của UTRAN.......................................................................84
3.2.3.2 Các thành phần của UTRAN. ...........................................................................85
3.2.4 Mạng lõi CN. ...........................................................................................................88
3.3 GIẢI PHÁP CHO MẠNG TRUYỀN DẪN BACKHAUL ..........................................88
3.3.1 Mạng truyền dẫn trong hệ thống GSM. ...................................................................88
3.3.2 Cải thiện hiệu quả của mạng backhaul ...................................................................91
3.3.2.1 Sử dụng công nghệ truyền dị bộ ATM..............................................................91
3.3.2.2 Tối ưu dải thông mạng backhaul GSM. ............................................................93
3.3.3 Lựa chọn mạng backhaul thích hợp.........................................................................95

3.3.3.1 Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho Iub...............................................96
3.3.3.2 Kết hợp GSM/UMTS với các phân đoạn E1. ...................................................97
3.3.3.3 Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS ATM .....................................................98
3.3.3.4 Kết hợp GSM/UMTS với PSAX. .....................................................................99
CHƯƠNG 4: QUY HOẠCH MẠNG WCDMA CỦA VIETTEL TẠI THÁI BÌNH ..........101
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................101
4.2 MÔ TẢ VẤN ĐỀ .........................................................................................................101
4.3 Quy hoạch mạng WCDMA của Viettel tại Thái Bình ................................................103
4.3.1 Điều kiện tối ưu tổng thể (tính toán thiết kế sơ bộ):..............................................103
4.2.2 Điều kiện tối ưu cho từng trạm (thiết kế chi tiết): .................................................109

KẾT LUẬN ...............................................................................................................112
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................113

4


LỜI CAM ĐOAN

Trong kỳ làm đồ án tốt nghiệp, em đã tìm hiểu đề tài đồ án qua kiến thức
được giảng dạy, trong các sách tham khảo, các trang tạp chí và các trang web và
em đã hoàn thành đồ án với đề tài “Công nghệ WCDMA và giải pháp nâng cấp
mạng GSM lên WCDMA”. Em xin cam đoan đồ án này không sao chép các đồ án
đã có từ trước.

Hà Nội, ngày tháng năm 2010
Người cam đoan

Bùi Thị Thanh Hường

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Tiếng Anh

Tiếng Việt

3G

3rd Generation

Thế hệ thứ ba

3GPP

Third Generation Partnership Project

Dự án hội nhập thế hệ 3

3GPP2

Third Generation Partnership Project 2

Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ
hai

8-PSK

8 Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha 8 trạng
thái

A
AAL

ATM Adaptation Layer

Lớp thích ứng ATM

ACI

Adjacent Channel Interference

Nhiễu kênh lân cận

ADSL

Asymmetric DigitalSubscriber Line

Đường dây thuê bao số bất
đối xứng

AMPS

Advanced Mobile Phone Service

Dịch vụ điện thoại di động
tiên tiến

AMR

Adaptive Multirate

Đa tốc độ thích nghi

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền không
đồng bộ

AuC

Authentication Center

Trung tâm nhận thực

ANSI

American National Standards Institute

Viện Tiêu chuẩn Quốc gia
Hoa Kỳ

B
BER

Bit Error Rate

Tỉ số bit lỗi

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha nhị phân

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BSS

Base Station Subsystem

Phân hệ trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

6

C
CAMEL

Customized Application for Mobile

Ứng dụng tùy chọn cho logic

network Enhanced Logic

nâng cao của mạng di động

CES

Circuit Emulation Service

Dịch vụ mô phỏng mạch.

CCI

Co-channel interference

Nhiễu đồng kênh

CDMA

Code Division Multi Access

Đa truy nhập phân chia theo
mã

C/I

Carrier to Inteference Ratio

Tỉ lệ sóng mang trên nhiễu

CN

Core Network

Mạng lõi

CRC

Cyclic Redundance Check

Kiểm tra dư vòng

CRNC

Controlling RNC

RNC điều khiển

CS

Circuit-Switched

Chuyển mạch kênh

CSCF

Call State Control Function

Chức năng điều khiển trạng
thái cuộc gọi

D
DRNC

Drift RNC

RNC trôi

DS

Direct Sequence

Chuỗi trải phổ trực tiếp

DXC

Digital Cross Connect

Bộ kết nối số

EC

Echo

Bộ triệt tiếng vọng

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM

Cải thiện tốc độ số liệu cho

Evolution

phát triển GSM

EFR

Enhanced full-rate

Tốc độ nâng cao

EFC

Enhanced Full Rate Codec

Mã hóa tốc độ nâng cao

EIR

Equipment Identify Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

ETSI

European Telecommunication Standa

Viện tiêu chuẩn viễn thông

Institude

Châu Âu.

E

7


F
FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia
theo tần số

FDMA

Frequency Division Multi Access

Đa truy nhập phân chia theo
tần số.

FER

Frame Error Rate

tỉ số khung lỗi

FPLMTS

Future Public Land Mobile Telephon

Hệ thống điện thoại di động

System

mặt đất Công cộng trong
tương lai

FR

Full Rate

Toàn tốc

FHSS

Frequency – Hopping SS

Trải phổ nhảy tần

GSM/EDGE Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

G
GERAN

GSM/EDGE
GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút mạng hỗ trợ GPRS cổng

GMM

GPRS Mobility Management

Quản lý mềm dẻo GPRS

GMSC

Gateway MSC

MSC cổng

GMSK

Gaussian Minimum Shift Keying

Điều chế dịch pha cực tiểu
Gaussian

GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GPS

Global Position System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động

Communications

toàn cầu

HLR

Home Location Register

Bộ ghi định vị thường trú

HO

handover

Chuyển giao

HR

Half Rate

Bán tốc độ

HSCSD

High Speed Circuit Schitched Data

Số liệu chuyển mạch kênh

H

tốc độ cao

8


HSDPA

High-speed Downlink Packet-data

Truy nhập dữ liệu gói đường

Access

xuống tốc độ cao

IMA

Inverse Multiplexing over ATM

Ghép kênh chéo qua ATM

IM

IP Multimedia

Miền IP đa phương tiện

I

IMT-2000 International Mobile

Viễn thông di dộng quốc tế

Telecommunications-2000

2000

IN

Intelligent Network

Mạng thông minh

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IS-95

Interim Standard-95

Tiêu chuẩn thông tin di động
TDMA của Mỹ

ISDN

Integrated Services Digital Network

Mạng số dịch vụ tích hợp

ISUP

ISDN User Part

Đối tượng sử dụng ISDN

ITU

International Telecommunication

Liên hiệp viễn thông quốc tế

Union
IWF

InterWorking Function

Chức năng kết nối mạng

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LPF

Low Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi

L

M
MAC

trường
MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MC

Multi-Carrier

Đa sóng mang

ME

Mobile Equiment

Thiết bị di động

MGCF

Media Gateway Control Function

MGW

Media Gateway

Cổng media

MMS

Multimedia Messaging Services

Dịch vụ nhắn tin đa phương

Chức năng điều khiển cổng media

tiện
MRF

Media Resource Function

Chức năng nguồn media

9


MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Service Center

Trung tâm chuyển mạch dịch
vụ di động

MSS

Mobile Satellite System

Nghiệp vụ lưu động qua vệ
tinh

N
NSS

Network Switching Subsystem

Phân hệ mạng chuyển mạch

Operation Maintenance Center GPRS

Hệ thống quản lý khai thác

O
OMCG

trong GPRS
OSS

Operation and Support Subsystem

Phân hệ vận hành và hỗ trợ

OFDMA

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo

Multiple Access

tần số trực giao.

PCU

Packet Control Unit

Khối điều khiển gói dữ liệu

PDC

Personal Digital Cellular

Hệ thống tổ ong số cá nhân

PDN

Packet Data Network

Mạng số liệu gói

PDSN

Packet Data Service Node

Nút dịch vụ số liệu gói

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công

P

cộng
PN

Pseudorandom Noise

Giả tạp âm

PS

Packet-switched

Chuyển mạch gói

PSAX

PacketStar

Cổng phương tiện đa dịch vụ

PSDN

Packet Switched Data Network

Mạng số liệu chuyển mạch
gói

PSPDN

Packet Switched Public Data Networ

Mạng số liệu công cộng
chuyển mạch gói

PSTN

Public Switched Telephone Network

Mạng điện thoại chuyển
mạch công cộng.

Q
10


QoS

Quality of Srervice

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha cầu
phương

R
RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RANAP

RAN Application Part

Phần ứng dụng RAN

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS

Radio Network Subsystem

Hệ thống mạng vô tuyến con

RRM

Radio Resource Management

Quản lý tài nguyên vô tuyến

RSS

Radio SubSystem

Phân hệ vô tuyến

Space Division Multi Access

Đa truy nhập phân chia theo

S
SDMA

không gian
SF

Spectrum Factor

hệ số trải phổ

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút mạng hỗ trợ dịch vụ
GPRS

SID

Silence Descritor

Mô tả im lặng

SIM

Subscriber Identity Module

Modun nhận dạng thuê bao

SIR

Signal to Interference Ratio

Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu

SMS

Short Message Service

Dịch vụ tin nhắn

SMSC

Short Message Service Center

Trung tâm dịch vụ tin nhắn

SRNC

Serving RNC

RNC phục vụ

SS

Spread Spectrum

Kỹ thuật trải phổ

STM

Synchronous Transfer Mode

Phương thức truyền đồng bộ

Terminal Adaption Function

Chức năng thích ứng đầu

T
TAF

cuối
TCH

Traffic Channel

Kênh lưu lượng

TDD

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia
theo thời gian

11


TDMA

Time Division Multi Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

TE

Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối

THSS

Time – Hopping SS

Trải phổ nhảy thời gian.

TRAU

Transcode and Rate Adaption Unit

Khối chuyển đổi mã và thích
ứng tốc độ

TRX

Transceiver

Bộ thu phát

User Equiment

thiết bị người sử dụng

U
UE
Um
UMTS

USIM

Giao diện vô tuyến
Universal Mobile Telecommunication

Hệ thống Viễn thông Di dộng

System

Toàn cầu

UMTS Subscriber Identity Module

Modun nhận dạng thuê bao
UMTS

UTRAN

UMTS Terresrial Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

Network

đất UMTS

VAD

Voice Activity Detector

Bộ phát hiện tích cực tiếng

VHE

Virtual Home Environment

Môi trường thường trú ảo

VLR

Visitor Location Register

Bộ ghi định vị tạm trú

VMS

Vietnam Mobile Telecom Services

Công ty thông tin di động

V

Company
VoIP

Voice over IP

Thoại trên nền IP

VBR

Variable Bit Rate

Tốc độ bit thay đổi

VTI

Vietnam Telecom International

Viễn thông quốc tế

VTN

Vietnam Telecom National

Viễn thông trong nước.

Wireless Application Protocol

Giao thức ứng dụng vô tuyến.

W
WAP

WCDMA Wideband Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập băng rộng phân
chia theo mã .

12


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1: Đặc điểm và lợi ích của Anten thông minh .................................................66
Bảng 2. 2 Anten thông minh cải thiện dung lượng đường truyền.................................70
Bảng 3. 1: Quá trình phát triển từ GSM/EDGE lên UTMS. ........................................82
Bảng 4. 1: Dân số và diện tích của tỉnh Thái Bình......................................................101
Bảng 4. 2: Thông số RNC của một số vendor.............................................................107
Bảng 4. 3: Số lượng sector và cell theo dung lượng của BTS.....................................108
Bảng 4. 4: Năng lực của RNC .....................................................................................111

13


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G....................................................................22
Hình 1. 2: Quy hoạch phổ tần cho mạng 3G tại Việt Nam. .........................................23
Hình 1. 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G/UMTS...................................................27
Hình 1. 4: Các giải pháp khi phát triển từ 2G lên 3G....................................................28
Hình 2. 1: Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA……………………………………….31

Hình 2. 2: Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA.............................................35
Hình 2. 3: Phương thức đa truy nhập trong hệ thống GSM. .........................................36
Hình 2. 4: Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.....................................................37
Hình 2. 5: Trải phổ và giải trải phổ DS – CDMA. ........................................................38
Hình 2. 6: Máy phát BPSK – DSSS. .............................................................................39
Hình 2. 7: Mật độ phổ công suất PSD của tín hiệu BPSK – DSSS...............................40
Hình 2. 8: Máy thu BPSK – DSSS. ...............................................................................41
Hình 2. 9: Điều khiển công suất trong CDMA..............................................................44

Hình 2. 10: Điều khiển công suất vòng kín trong WCDMA.........................................46
Hình 2. 11: Các loại chuyển giao trong WCDMA. .......................................................49
Hình 2. 12: Chuyển giao mềm hơn trong WCDMA. ....................................................50
Hình 2. 13: Chuyển giao mềm trong WCDMA. ...........................................................51
Hình 2. 14: Thuật toán chuyển giao mềm. ....................................................................53
Hình 2. 15: Chuyển giao giữa WCDMA và GSM. .......................................................54
Hình 2. 16: Mô hình truyền sóng vô tuyến....................................................................55
Hình 2. 17: Máy thu RAKE...........................................................................................61
Hình 2. 18: Đầu ra của bộ lọc thích ứng........................................................................63
Hình 2. 19: Sơ đồ khối của máy thu RAKE. .................................................................64
Hình 2. 20: So sánh vùng bức xạ của các loại Anten. ...................................................65
Hình 2. 21: Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh......................................................67
Hình 2. 22: Hệ thống Anten thích ứng. .........................................................................69
Hình 2. 23: So sánh búp sóng Anten chuyển beam (trái) và Anten thích ứng (phải) có
thể chọn trong điều kiện tín hiệu người dùng và xuyên nhiễu giống hệt nhau .............69
14


Hình 3. 1: Cấu trúc mạng GSM....................................................................................72
Hình 3. 2: Mô hình cổng WAP......................................................................................73
Hình 3. 3: Cấu trúc HSCSD. ........................................................................................74
Hình 3. 4: Cấu trúc mạng GSM/GPRS..........................................................................75
Hình 3. 5: Cấu trúc mạng GPRS. ..................................................................................76
Hình 3. 6: Cấu trúc mạng EDGE...................................................................................78
Hình 3. 7: Cấu trúc tổng quát của mạng UMTS............................................................79
Hình 3. 8: Các phần tử mạng UMTS.............................................................................80
Hình 3. 9: Các phần tử mạng trong PLMN. ..................................................................80
Hình 3. 10: Cấu trúc mạng GSM/UMTS. .....................................................................84
Hình 3. 11: Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN. .............................................86
Hình 3. 12: Chức năng RNC đối với một kết nối UTRAN – UE..................................87

Hình 3. 13: Mạng truyền dẫn Backhaul trong hệ thống GSM ......................................89
Hình 3. 14: Cấu trúc “hình sao” cho mạng backhaul. ...................................................90
Hình 3. 15: Phối hợp truy nhập sử dụng PSAX. ...........................................................92
Hình 3. 16: Giao diện Abis trong GSM.........................................................................93
Hình 3. 17: Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho Iub........................................96
Hình 3. 18: Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với các phân đoạn E1.....................97
Hình 3. 19: Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS ATM ..............................................98
Hình 3. 20: Mạng backhaul kết hợp GSM/UMTS với PSAX.......................................99

15


MỞ ĐẦU
Ngày này thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh
nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,6 tỷ tính đến cuối năm 2008. Khởi nguồn từ dịch
vụ thoại đắt tiền cho một số ít người, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các
thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại
dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera, MP3
và PDA. Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày các trở nên phổ biến này, nhu cầu 3G
cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã được
đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và CDMA-2000 đã được ITU chấp
thuận và đã được đưa vào hoạt động. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA
điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ
thống thông tin động thế hệ ba.
Công nghệ 3G đã được triển khai và đưa vào sử dụng trên thế giới từ những
năm cuối của thế kỷ 20. Việc chuyển sang công nghệ 3G là một xu thế tất yếu trong
việc phát triển công nghệ di động trên thế giới. Ở Việt Nam, đây là một vấn đề đang
rất “nóng”. Người dân đang rất mong đợi vào những tiện ích của 3G như truy cập
Internet di động, các dịch vụ đa phương tiện, các phương thức trao đổi thông tin và

thanh toán di động… - là chìa khóa của tăng trưởng kinh tế và phát triển xã hội.
3G đã chính thức được phép triển khai ở Việt Nam kể từ trung tuần tháng 8/2009
khi Bộ TT&TT chính thức cấp 4 giấy phép cho các doanh nghiệp Viettel, MobiFone,
Vinaphone và liên danh Hanoi Telecom - EVN Telecom.
Trong tương lai hệ thống 3G sẽ dần thay thế 2G nhưng thời gian đầu mới được
triển khai sẽ vẫn còn một bộ phận lớn thuê bao 2G chưa thực sự quen và chưa thực sự
muốn chuyển sang 3G. Do đó các nhà khai thác di động vừa phải tìm kiếm phương án
tối ưu để chuyển dần mạng của họ sang mạng 3G, vừa phải duy trì chất lượng dịch vụ
mạng 2G truyền thống. Lý do thứ hai: Nếu xây dụng 3G hoàn toàn mới và độc lập sẽ
dẫn tới sự lãng phí rất lớn cơ sở hạ tầng và kỹ thuật hiện có của 2G. Điều này cũng

16


không cần thiết vì 3G hoàn toàn có thể tận dụng tối đa năng lực sẵn có và chia sẽ hiệu
quả tài nguyên cùng 2G.
Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã quyết định chọn đề tài: " Công
nghệ W-CDMA và giải pháp nâng cấp mạng GSM lên W-CDMA".
Luận văn tập trung vào các giải pháp để triển khai 3G – UMTS đồng thời cùng
GSM, cụ thể là giải pháp về xây dựng mạng lưới, giải pháp về triển khai kỹ thuật và
vấn đề quy hoạch mạng. Về xây dựng mạng lưới, luận văn sẽ trình bày về cấu trúc
mạng UMTS được xây dựng trên nền 2G và 2,5G, đồng thời sẽ đưa ra bốn mô hình để
nâng cao mạng truyền dẫn backhaul và các điểm cần lưu ý khi thiết kế quy hoạch
mạng. Về giải pháp triển khai, luận văn sẽ trình bày các vấn đề kỹ thuật liên quan tới
công nghệ đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA. Về vấn đề quy hoạch mạng, luận
văn trình bày về các bước trong quy hoạch mạng, và đưa ra kết quả tối ưu mạng của
Viettel tại một số tỉnh phía Bắc nước ta.
Do nội dung của đề tài tương đối rộng, điều kiện về thời gian và kiến thức có hạn
nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của
thầy cô để đồ án được chính xác và đầy đủ hơn.

Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đặc biệt tới PSG.TS Phạm Minh Việt đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.

17


CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
3G - UMTS
Giới thiệu chung:
Chương1 trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G và tập trung giới thiệu
về hệ thống 3G – UMTS. Về hệ thống 3G nói chung, chương này giới thiệu các đặc
điểm, các yêu cầu khi triển khai hệ thống này, đồng thời đề cập tới con đường đi lên
3G tại thị trường di động Việt Nam. Phần thứ hai chương này sẽ tập trung vào hệ
thống 3G – UMTS, bao gồm: các đặc điểm của hệ thống, việc kết hợp UTMS với GSM,
và trình bày tổng quát các giải pháp thực hiện việc kết hợp này.

1.1

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G
Xu thế chung của công nghệ di động là phải đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về
chất lượng, dung lượng, tính tiện lợi, giá cả và tính đa dạng dịch vụ cho người dùng.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba – 3G là một dạng của hệ thống truyền thông
có thể cung cấp các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao, thực thi phủ sóng và chuyển
vùng quốc tế. Đồng thời 3G tương thích với các mạng cố định và thực hiện bất kỳ liên
lạc nào ở bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào với các thiết bị đầu cuối linh hoạt.
Các hệ thống 3G cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông, bao gồm: thoại, số liệu
tốc độ bit thấp và cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc cả ở môi
trường công cộng lẫn tư nhân (vùng công sở, vùng dân cư, phương tiện vận tải…). Các

ứng dụng mới đem lại lưu lượng truyền tải và lợi nhuận cao hơn cho các nhà khai thác
mạng.
Nhưng các dịch vụ mới cho khách hàng không phải là động lực duy nhất thúc đẩy
3G phát triển. Một nhân tố nữa đó là 3G giúp các nhà khai thác mạng có thể quản lý
được số lượng các thuê bao ngày càng tăng. Do 3G sử dụng dải phổ hiệu quả hơn, nên

18


có thể phục vụ tốt hơn một số lượng lớn hơn các thuê bao so với các mạng di động
truyền thống trước đây
Về các hoạt động quốc tế để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba thì
3G được đưa ra vào năm 1985 bởi ITU – hiệp hội viễn thông quốc tế. IMT – 2000 đã
mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và bao phủ một vùng rộng lớn các môi
trường thông tin. Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng
đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G).
Thay vì tạo ra một giải pháp sóng radio đơn lẻ, IMT – 2000 bao gồm một họ các tiêu
chuẩn công nghệ cho giao diện truy nhập vô tuyến xung quanh những hệ thống 2G
đang tồn tại và những hệ thống 3G cải tiến mà hiện đang chuẩn hóa.
Việc xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống 3G được thực hiện bởi hai tổ chức quốc
tế, hoạt động dưới sự điều hành chung của ITU là 3GPP và 3GPP2. Và hiện nay 2 tiêu
chuẩn đã được chấp thuận cho IMT – 2000 là:
¾

WCDMA được xây dựng từ 3GPP.

¾

CDMA2000 được xây dựng từ 3GPP2.
Hai hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA – đa truy nhập phân chia theo mã,

điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ ba. WCDMA – đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng là
sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng công
nghệ TDMA như GSM, PDC, IS – 136. CDMA2000 là sự phát triển tiếp theo của hệ
thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ CDMA như CDMA IS – 95.

1.1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống 3G.
Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 như sau:
¾

Sử dụng dải tần qui định quốc tế 2GHz:

-

Đường lên: (1885 – 2025) MHz.

-

Đường xuống: (2110 – 2200) MHz.

¾

Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

-

Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.

-

Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.

19


-

Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau như: trong công sở, ngoài đường,
trên xe, vệ tinh….

¾

Có thể hỗ trợ các dịch vụ như: Môi trường thường trú ảo (VHE) trên cơ sở mạng
thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.

¾

Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.

¾

Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch
theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.

¾

Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.
Dựa trên các tiêu chí trên, hệ thống thông tin di động 3G cần đáp ứng các yêu cầu

dưới đây để cung cấp các dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện:
¾

Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện, nghĩa là
mạng phải đảm bảo được tốc độ bit lên tới 2Mbps phụ thuộc vào tốc độ di chuyển
của máy đầu cuối: 2Mbps dự kiến cho các dịch vụ cố định, 384Kbps khi đi bộ và
144Kbps khi đang di chuyển tốc độ cao.

¾

Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu.
Điều này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau. Ngoài
ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng, chẳng hạn với tốc độ bit
cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên hoặc ngược lại.

¾

Mạng cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, đảm bảo kết nối chuyển mạch cho
thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu.

¾

Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định, nhất
là đối với thoại.

¾

Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh.

1.1.3 Công nghệ 3G cho Việt Nam.

1.1.3.1 Lựa chọn con đường lên 3G cho Việt Nam.
Ở Việt Nam, mạng lưới thông tin di động những năm qua đã đạt được những
thành tựu đáng kể, góp phần vào tăng trưởng kinh tế của đất nước.
Tháng 8-2010 Bộ Thông tin và Truyền thông đã chính thức cấp giấy phép thiết
lập mạng và cung cấp dịch vụ viễn thông di động mặt đất tiêu chuẩn IMT- 2000 trong
20


bằng tần số 1900- 2200MHZ (cấp phép 3G) cho các nhà mạng di động trúng tuyển 3G,
bao gồm: 3 mạng di động gồm VinaPhone, MobiFone, Viettel và Liên danh
EVNTelecom - HanoiTelecom.
Mỗi mạng trúng tuyển được cấp tần số gồm 15 MHz băng tần FDD và 5 MHz
băng tần TDD. Có băng tần 80 MHz chia cho 4 nhà cung cấp để mỗi mạng có 20 MHz.
Tính đến thời điểm tháng 6/2010 tất cả các mạng trúng tuyển đã công bố cung cấp dịch
vụ 3G đến người sử dụng.
Việc lựa chọn công nghệ nào trong số rất nhiều công nghệ 3G để cấp phép và
triển khai mạng thế hệ ba sao cho có hiệu quả nhất, tiết kiệm chi phí đầu tư đồng thời
mang lại lợi ích lớn nhất cho xã hội lại không hề đơn giản. Nếu lựa chọn công nghệ
không đúng, không đi theo dòng chảy chính trên thế giới thì không những chi phí đầu
tư cao, hiệu quả thấp mà còn có nguy cơ đi vào ngõ cụt, ít có khả năng được tiếp tục hỗ
trợ để phát triển trong tương lai. Điều đó sẽ gây thiệt hại cho cả nhà nước, doanh
nghiệp lẫn người tiêu dùng.
Hiện nay trên thế giới có tới sáu nhóm công nghệ được đề xuất cho các hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ ba vậy con đường nào là hợp lý cho Việt Nam? Việc lựa
chọn này cần phải xem xét đến hai khía cạnh, đó là xu thế phát triển công nghệ của thế
giới và hiện trạng mạng viễn thông Việt Nam.
a. Về xu hướng chung của thế giới, lộ trình tiến tới 3G như sau:
Con đường thứ nhất: GSM Æ GPRS Æ EDGE Æ WCDMA thực hiện chủ yếu tại các
nước Châu Âu.
Con đường thứ hai: IS – 95A Æ IS – 95B Æ CDMA2000 mà bước đầu là CDMA2000

1x thực hiện ở một số nước Bắc Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số nước khác.
Riêng Nhật Bản thì phát triển mạng PDC của mình theo cả hai hướng WCDMA và
CDMA2000.
Lộ trình tiến tới 3G được khái quát như hình 1.1 dưới đây:

21


GSM

GPRS
W-CDMA
(UMTS)

EDGE

4G

PDC

IS-95B
CDMA
IS-95A

CDMA
20001x EV

CDMA
2000

Hình 1. 1 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G
b. Về hiện trạng mạng viễn thông của Việt Nam hiện tại:
Trong băng tần 1900 – 2200 MHz mà Việt Nam đang dự định cấp phép cho 3G
thì WCDMA là công nghệ duy nhất hiện nay đã có thiết bị sẵn sàng, được nhiều nhà
cung cấp thiết bị sản xuất và có thể cung cấp ngay khi có đơn đặt hàng.
Mặc dù một số nước trên thế giới cấp phép băng tần 3G theo tiêu chí độc lập về
công nghệ (không gắn việc cấp băng tần với bất kỳ công nghệ nào) nhưng thực tế triển
khai ở nhiều nước cho thấy trong băng tần 1900 – 2200 MHz, công nghệ
WCDMA/HSPA vẫn là công nghệ chủ đạo, được đa số các nhà khai thác lựa chọn.
Mặt khác, do quy mô thị trường lớn và là công nghệ đã “trưởng thành” nên WCDMA
là một trong những công nghệ có chi phí đầu tư thấp nhất, đem lại hiệu quả cao nhất.
Còn các công nghệ khác, kể cả CDMA2000 1x EV – DO chưa sẵn sàng ở đoạn băng
tần này.

1.1.3.2 Phân bổ tần số cho 3G tại Việt Nam :
Băng tần 1900 – 2200 được cấp phép sử dụng để khai thác 3G IMT – 2000 ở Việt
Nam với qui hoạch cụ thể của Cục tần số vô tuyến điện như hình 1.2. Theo đó sẽ có 4
nhà khai thác thông tin di động 3G, mỗi nhà khai thác được cấp một dải tần 15Mhz
trên băng tần IMT 2000 FDD tương ứng với 3 sóng mang và 1 tần số 5Mhz trên băng
tần IMT 2000 TDD tương ứng với một sóng mang.

22


1900

1920

5Mhz

IMT 2000
TDD

1980

15Mhz

2010

MSS
IMT 2000

2025

2110

2170

Private
System

IMT 2000
FDD Uplink

15Mhz

2200Mhz

MSS
IMT 2000

IMT 2000
FDD Downlink

Hình 1. 2: Quy hoạch phổ tần cho mạng 3G tại Việt Nam.
¾

Băng tần 1980 – 2010 MHz, và 2170 – 2200 MHz sẽ dành cho các nghiệp vụ lưu
động qua vệ tinh MSS IMT – 2000.

¾

Các băng tần 1900-1980 MHz, 2010 – 2025 MHz, 2110 – 2170 MHz được cấp
phép sử dụng để triển khai IMT – 2000 ở Việt Nam. Trong đó:

-

Băng tần 2010 – 2025 MHz được dùng để triển khai các mạng viễn thông dùng
riêng IMT – 2000 hoặc các ứng dụng khác sử dụng công nghệ IMT – 2000.

-

Các băng tần 1900 – 1980 MHz và 2110 – 2170 MHz được phân chia cho các
nhà khai thác mạng IMT – 2000 công cộng như sau:

+

Băng tần 1900 – 1920 MHz dành cho các giao diện vô tuyến sử dụng phương
thức song công phân chia theo thời gian (IMT – 2000 TDD). Băng tần này được
chia cho mỗi nhà khai thác với độ rộng băng tần tối thiểu 5 MHz.

+

Băng tần 1920 –1980 MHz được dành làm đường lên và băng tần 2110 – 2170
MHz được dành làm đường xuống cho các giao diện vô tuyến sử dụng phương
thức song công phân chia theo tần số (IMT – 2000 FDD). Các băng tần này được
chia cho mỗi nhà khai thác với độ rộng băng tần tối thiểu 2x15 MHz (15

+

1.2

MHz cho đường lên và 15 MHz cho đường xuống).

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – UMTS

1.2.1 Giới thiệu chung về UMTS
UMTS – hệ thống viễn thông di động toàn cầu, là hệ thống 3G của châu Âu dựa
trên công nghệ WCDMA và là giải pháp tổng quát cho các nước sử dụng công nghệ di
động GSM. UMTS đã được thương mại hóa ở Nhật và ở châu Âu. Ở Nhật, mấu chốt
của UMTS là mang lại dung lượng cho thoại. Ở châu Âu, mấu chốt là tăng yêu cầu của

23


các dịch vụ đa phương tiện multimedia và khả năng sử dụng các ứng dụng dữ liệu tốc
độ cao 2Mbps. Cụ thể các chức năng của UMTS như sau:
¾

Hỗ trợ các dịch vụ, phương tiện và các ứng dụng đang được cung cấp bởi các hệ

thống 2G đang tồn tại.

¾

Cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng và các dịch vụ roaming toàn cầu.
Những dịch vụ này sẽ có mặt phổ biến với tốc độ bit từ 64Kbps đến 2048 Kbps,
cung cấp việc truyền hình ảnh, truy nhập cơ sở dữ liệu từ xa, truyền fax độ nhạy
cao, video phân giải thấp, truy nhập Web…Cả hai loại dịch vụ chuyển mạch kênh
và chuyển mạch gói sẽ được hỗ trở bởi UMTS.

UMTS là một thành phần trong họ các giao diện sóng radio hình thành IMT – 2000,
bao gồm cả thành phần vệ tinh và thành phần mặt đất. Cụ thể băng tần của UMTS
được phân cấp như sau:
¾

Thành phần mặt đất:

-

Băng tần kép: 1900 – 1980 MHz (Uplink) và 2110 – 2170 MHz (Downlink).

-

Băng tần đơn: 2010 – 2025 MHz.

¾

Thành phần vệ tinh:

-

Uplink:

2500 – 2520 MHz.

-

Downlink:

2670 – 2690 MHz.

Có hai chế độ được định nghĩa là FDD – Ghép song công phân chia theo tần số và
TDD – ghép song công phân chia theo thời gian. Cả hai chế độ đều là đa truy nhập
phân chia theo mã băng rộng với độ rộng kênh vô tuyến là 5 MHz và đã được phát
triển nhằm sử dụng tối đa hiệu quả và lợi ích của CDMA.

1.2.2 Phát triển từ GSM lên UMTS / WCDMA
1.2.2.1 Mạng di động thế hệ thứ 2 – GSM
GSM xuất hiện đầu tiên trên thế giới vào đầu những năm 90 do Viện Tiêu chuẩn
Viễn thông châu Âu (ETSI) đề xuất. Với tính mở và tính tiêu chuẩn hóa cao của GSM
đã giúp hệ thống dễ dàng triển khai trên mọi quốc gia, dễ dàng tương thích với nhiều
nhà cung cấp từ thiết bị tổng đài cho đến điện thoại.
Một số ưu thế GSM đã đạt được:
-

GSM giải quyết được sự hạn chế về dung lượng so với các mạng di động thế hệ
trước nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và hiệu quả hơn.
24

-

Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như
nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCDS),
dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) và số liệu 14,4 kbps.

-

Các công việc liên quan đến dịch vụ thoại như : Codec tiếng toàn tốc cải tiến
(EFC), Codec đa tốc độ thích ứng và khai thác tự do đầu cuối các Codec tiếng.

-

Các dịch vụ bổ sung như: Chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển
giao cuộc gọi và các dịch vụ ngăn gọi mới.

-

Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn (SMS) như: móc nối các SMS, mở
rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS.

-

Các công việc liên quan đến tính cước như: Các dịch vụ trả tiền trước, tính cước
nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình.

-

Các cải thiện chung như: Các dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông
tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu.

Mặc dù là hệ thống sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thống băng hẹp và được
xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên GSM cũng có những hạn chế:
-

Cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu trên cơ sở chuyển mạch kênh. Đối với dịch
vụ số liệu, GSM phải mô phỏng modem giữa thiết bị người sử dụng và mạng số
liệu. Tốc độ truyền số liệu cao nhất chỉ là 9,6 Kbps.

-

Quản lý tài nguyên không hiệu quả vì mỗi thuê bao cần phải có một TCH trong
suốt thời gian kết nối. Mỗi cuộc gọi chỉ có thể chiếm một khe thời gian, không có
phân bổ động khe thời gian.

-

Sử dụng kỹ thuật điều chế dịch pha cực tiểu Gaussian làm hạn chế tốc độ truyền.

-

Thuê bao phải sử dụng mạng điện thoại PSTN làm mạng chuyển tiếp và phải trả
tiền cho kết nối chuyển mạch kênh này.

-

Thời gian thiết lập cuộc gọi tăng khi phải sử dụng modem để két nối tới mạng
Internet. Không có SMS – Interworking (chức năng tương tác giữa SMS và
Internet). Độ dài SMS bị hạn chế.

Các yêu cầu mới đặt ra để thỏa mãn sự phát triển nhu cầu:
-

Về kết nối: Không chỉ kết nối giữa các thuê bao với nhau mà còn kết nối từ các
thuê bao đến các nhà cung cấp dịch vụ, các công ty,…trong đó nhiều nhất phải kể
đến kết nối tới các nhà cung cấp dịch vụ Internet.

25


-

Về tốc độ: Đối với số liệu, mạng phải đáp ứng được tốc độ tùy theo yêu cầu của
người sử dụng.

-

Về dịch vụ: Các dịch vụ mới đa dạng và đa phương tiện.
Để khắc phục những hạn chế và đáp ứng các yêu cầu, đồng thời đảm bảo tính

kinh tế, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sẽ được chuyển đổi từng bước sang
thế hệ thứ ba. Và con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là UMTS trên nền công
nghệ WCDMA – đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng.

1.2.2.2 Kết hợp UMTS và GSM
Hiện nay 3G không còn là cụm từ quá mới mẻ ở Việt Nam, tuy đã có các nhà
mạng triển khai dịch vụ này vì rất có thể còn một bộ phận lớn thuê bao 2G của họ vẫn
chưa thực sự muốn chuyển sang 3G do một số lý do như: giá thành dịch vụ còn cao,
hoặc nhu cầu sử dụng chưa nhiều,…Vì thế, các nhà khai thác di động vừa phải tìm
kiếm phương án tối ưu để chuyển dần mạng của họ sang mạng 3G, vừa phải duy trì

chất lượng dịch vụ mạng 2G truyền thống.
Một trong những mục tiêu đặt ra khi xây dụng tiêu chuẩn cho IMT – 2000 là phải
đảm bảo tính tương thích và cùng tồn tại song song với các hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ hai. Đối với các nhà khai thác mạng GSM, lộ trình lên 3G – UMTS cần đảm
bảo các yêu cầu sau:
-

Con đường chuyển dịch với tổn thất nhỏ nhất, tận dụng tối đa năng lực và cơ sở
hạ tầng đã có của hệ thống 2G để đảm bảo hiệu quả đầu tư đồng thời thuận lợi
trong việc chuyển tiếp các kỹ thuật đã tồn tại.

-

Phải có khả năng kết hợp và chia sẻ hiệu quả tài nguyên giữa 2G và 3G để nâng
cao dung lượng và năng lực mạng.

-

Phải thuận lợi trong công tác quản lý mạng, mở rộng mạng trong tương lai.

Có nhiều con đường đưa nhà khai thác mạng phát triển lên 3G: phát triển từ 2G qua
giai đoạn trung gian 2,5G rồi mới lên 3G (2G Æ 2,5G Æ 3G) hoặc là phát triển thẳng
từ 2G lên 3G (2G Æ 3G).
Nhà khai thác mạng GSM có thể triển khai theo lộ trình có qua 2,5G và cụ thể như sau:
GSM Æ GPRS Æ EDGE Æ WCDMA. Lộ trình này có một số ưu điểm như sau:

26