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

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

DƯ THỊ THU HUYỀN

NGHIÊN CỨU VỀ QUẢN LÝ DI ĐỘNG VÀ CHUYỂN GIAO
TRONG MẠNG DI ĐỘNG 3G

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Phạm Hải Đăng

Hà Nội – 2011


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

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................4
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................................5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU............................................................................................7
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................8
MỞ ĐẦU........................................................................................................................12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G UMTS/WCDMA.14
1.1

Giới thiệu chương .........................................................................................14

1.2

Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động........................................14

1.3

Hệ thống thông tin di động 3G UMTS/WCDMA.........................................16

1.3.1

Giới thiệu công nghệ WCDMA.................................................................16

1.3.2

Dịch vụ của hệ thống WCDMA ................................................................19

1.3.3

Cấu trúc của hệ thống UMTS/WCDMA ...................................................21

1.3.4

Cấu trúc của mạng lõi (Core Network)......................................................22

1.3.4.1

Phần chuyển mạch kênh......................................................................23

1.3.4.2

Phần chuyển mạch gói. .......................................................................23

1.3.4.3

Phần dùng chung.................................................................................24

1.3.5

Cấu trúc địa lý của mạng 3G UMTS/WCDMA ........................................24

1.3.6

Các loại mã hóa được sử dụng trong hệ thống 3G WCDMA....................27

1.3.6.1

Mã Spreading (mã trải phổ) ................................................................28

1.3.6.2

Mã Scrambling (mã xáo trộn) .............................................................29

1.4

Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS/ WCDMA.....................................30

1.4.1

Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến ...............................................30

1.4.2

Các kênh logic ...........................................................................................32

1.4.3

Các kênh truyền tải ....................................................................................33

1.4.4

Các kênh vật lý ..........................................................................................34

1.4.5

Chuyển đổi các kênh truyền ......................................................................36

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

1


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
1.5

Kết luận chương............................................................................................38

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CHUNG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG
HỆ THỐNG WCDMA...................................................................................................39
2.1

Mục đích chung của quản lý tài nguyên vô tuyến.........................................39

2.2

Các chức năng của quản lý tài nguyên vô tuyến RRM.................................39

2.2.1

Điều khiển công suất .................................................................................40

2.2.2

Điều khiển chuyển giao .............................................................................40

2.2.3

Điều khiển thu nạp.....................................................................................41

2.2.4

Điều khiển tải (điểu khiển nghẽn) .............................................................42

CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT...................................................................44
3.1

Giới thiệu chung............................................................................................44

3.1.1

Điều khiển công suất vòng mở (Open-loop power control) ......................45

3.1.2

Điều khiển công suất vòng kín .................................................................46

3.1.3

Điều khiển công suất vòng bên ngoài........................................................46

3.2

Điều khiển công suất nhanh ..........................................................................46

3.2.1

Độ lợi của điều khiển công suất nhanh......................................................46

3.2.2

Phân tập và điều khiển công suất...............................................................48

3.2.3

Điều khiển công suất trong chuyển giao mềm ..........................................51

3.2.3.1

Sự trôi công suất đường xuống ...........................................................52

3.2.3.2

Độ tin cậy của các lệnh điều khiển công suất đường lên....................55

3.2.3.3

Cải thiện chất lượng báo hiệu điều khiển công suất ...........................55

3.3

Điều khiển công suất vòng ngoài ..................................................................55

3.3.1

Độ lợi của điều khiển công suất vòng ngoài..............................................56

3.3.2

Tính toán chất lượng thu............................................................................57

3.3.3

Thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài .............................................58

3.3.4

Các dịch vụ chất lượng cao........................................................................60

3.3.5

Giới hạn biến động điều khiển công suất ..................................................60

3.3.6

Đa dịch vụ..................................................................................................61

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

2


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
3.3.7

Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống ........................................61

CHƯƠNG 4. QUẢN LÝ DI ĐỘNG VÀ CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG UMTS..63
4.1

Quản lý di động trong UMTS .......................................................................63

4.1.1

Quá trình cập nhật vị trí .............................................................................63

4.1.2

TMSI..........................................................................................................64

4.1.3

Roaming.....................................................................................................64

4.1.4

Location Area (LA) ...................................................................................65

4.2

Khái quát về chuyển giao trong các hệ thống thông tin di động...................65

4.2.1

Các kiểu chuyển giao trong các hệ thống WCDMA 3G ...........................66

4.2.2

Các mục đích của chuyển giao ..................................................................67

4.2.3

Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao....................................................69

4.3

Chuyển giao trong cùng tần số......................................................................69

4.3.1

Chuyển giao mềm ......................................................................................70

4.3.1.1

Nguyên lý chuyển giao mềm ..............................................................70

4.3.1.2

Các thuật toán của chuyển giao mềm .................................................72

4.3.1.3

Các đặc điểm của chuyển giao mềm...................................................75

4.3.2

Lợi ích liên kết chuyển giao mềm .............................................................76

4.3.3

Tổng phí của chuyển giao mềm.................................................................79

4.3.4

Độ lợi dung lượng mạng của chuyển giao mềm........................................81

4.4

Chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM......................................82

4.5

Chuyển giao giữa các tần số trong WCDMA ...............................................85

4.6

Tổng kết chuyển giao ....................................................................................85

KẾT LUẬN....................................................................................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................89

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

3


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

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Dư Thị Thu Huyền, tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ đề tài “Nghiên cứu
về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G” do chính tôi nghiên cứu
và thực hiện. Các thông tin, số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực và chính
xác.
Hà Nội, ngày 21 tháng 9 năm 2011
Học viên

Dư Thị Thu Huyền

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

4

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

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào...15
Hình 1.2. Dải tần của WCDMA.....................................................................................16
Hình 1.3. Các công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã.............................................17
Hình 1.4. Các dịch vụ cơ bản của hệ thống 2G và 3G..................................................19
Hình 1.5. Kiến trúc mạng 2G GSM &3G WCDMA .....................................................21
Hình 1.6. Cấu trúc của mạng lõi ....................................................................................23
Hình 1.7. Cấu trúc địa lý của mạng................................................................................25
Hình 1.8. Số cell do một Node B phụ trách ...................................................................26
Hình 1.9. Kiểu lắp đồng hướng......................................................................................26
Hình 1.10. Kiểu lắp xen kẽ (nhìn từ trên xuống) ...........................................................27
Hình 1.11. Sơ đồ quá trình trải phổ và giải trải phổ trong mạng 3G WCDMA ............28
Hình 1.12. Phân khung của mã sambling code cơ bản ..................................................30
Hình 1.13. Cấu trúc giao thức vô tuyến của hệ thống WCDMA...................................31
Hình 1.14. Cấu trúc đóng gói khung trong hệ thống UMTS .........................................32
Hình 1.15. Cấu trúc khung tổng quát của kênh vật lý....................................................35
Hình 1.16. Tổng kết các loại kênh vật lý .......................................................................36
Hình 1.17. Kênh logic, kênh truyền tải và sự chuyển đổi giữa chúng...........................37
Hình 1.18. Sự chuyển đổi của kênh truyền tải với kênh vật lý đường xuống................37
Hình 1.19. Sự chuyển đổi của kênh truyền tải với kênh vật lý đường xuống................38
Hình 2.1. Các vị trí điển hình của các chức năng RRM trong mạng WCDMA ............40
Hình 2.2. Đường cong tải...............................................................................................42
Hình 3.1. Hiệu ứng gần-xa (điều khiển công suất trên đường lên)...............................44
Hình 3.2. Bù nhiễu bên trong cell (điều khiển công suất ở đường xuống)....................45
Hình 3.3. Công suất phát và thu trong 2 nhánh (công suất khoảng hở trung bình 0dB,10dB) Kênh phadinh Rayleigh tại 3km/h ......................................................................49
Hình 3.4. Công suất phát và thu trên 3 nhánh (công suất khoảng hở như nhau)...........50
Kênh phadinh Rayleigh tại tốc độ 3km ..........................................................................50

Hình 3.5. Công suất tăng trong kênh phadinh với điều khiển công suất nhanh ............50
Hình 3.6. Trôi công suất đường xuống trong chuyển giao mềm ...................................53
Hình 3.7. Kiểm tra độ tin cậy của điều khiển công suất đường lên tại UE trong chuyển
giao mềm........................................................................................................................54
Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng dịch vụ AMR , BLER= 1%, sử dụng điều khiển công suất
vòng ngoài......................................................................................................................56
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

5


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Hình 3.8. Tính toán chất lượng trong vòng ngoài tại RNC ...........................................58
Hình 3.9. Eb/N0 mục tiêu trong kênh ITU Pedestrian A, bộ mã hoá/giải mã thoại AMR,
BLER mục tiêu 1%, bậc 0,5dB, tốc độ 3km/h...............................................................60
Hình 4.1. Các kiểu chuyển giao khác nhau....................................................................67
Hình 4.2. Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm...............................71
Hình 4.3. Nguyên lý của chuyển giao mềm...................................................................72
Hình 4.4. Thuật toán chuyển giao mềm IS-95A ............................................................73
Hình 4.5. Thuật toán chuyển giao mềm trong WCDMA..............................................74
Hình 4.6. Sự suy giảm nhiễu do có chuyển giao mềm trong UL...................................76
Hình 4.7. Độ lợi chuyển giao mềm của công suất phát đường lên(giá trị dương = độ lợi,
giá trị âm = suy hao) ......................................................................................................78
Hình 4.8. Độ lợi chuyển giao mềm trong công suất phát đường xuống (Giá trị dương
=độ lợi, âm =suy hao) ....................................................................................................79
Hình 4.9. Tổng phí chuyển giao mềm............................................................................81
Hình 4.10. Chuyển giao giữa các hệ thống GSM và WCDMA.....................................83
Hình 4.11. Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống........................................................84

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

6


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

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ của hệ thống thông tin di động 3G WDCMA UMTS 20
Bảng 1.2. Các loại mã trong WCDMA.........................................................................27
Bảng 3.1. Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển công suất
nhanh ..............................................................................................................................47
Bảng 3.2. Công suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp có và không có điều
khiển công suất nhanh....................................................................................................48
Bảng 3.3. Các mức tăng công suất được minh hoạ của kênh ITU Pedestrian A đa
đường với phân tập anten...............................................................................................51
Bảng 4.1. Các giá trị của cửa sổ.....................................................................................79
Bảng 4.2.Tổng kết chuyển giao .....................................................................................85

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

7


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

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
1G

First Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1

2G

Second Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

3G

Third Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

ACCH

Associated Control Channels

Kênh điều khiển liên kết.

AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến.

AS

Access Stratum

Tầng truy nhập.

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh quảng bá điều khiển.

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá.

BER

Bit Error Ratio

Tỷ số bit lỗi.

BLER

BLock Error Rate

Tỉ lệ lỗi khối

BSC

Base Station Controler

Bộ điều khiển trạm gốc.

BSS

Base Station Subsystem

Phân hệ trạm gốc.

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm vô tuyến thu phát gốc.

CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung.

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập chia theo mã.

CCCH

Common Control Chanel

Kênh điều khiển chung.

CCPCH

Common Control Physical Chanel

Kênh vật lý điều khiển chung.

CPCC

Common Power Control Chanel

Kênh điều khiển công suất chung.

CPCH

Common Packet Chanel.

Kênh gói chung.

CPICH

Common Pilot Chanel

Kênh hoa tiêu chung.

CN

Core Network

Mạng lõi.

CR

Chip Rate

Tốc độ chip

CS

Circuit Switch

Chuyển mạch kênh.

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng.

DPCCH

Dedicated Physical Control Chanel

Kênh điều khiển vật lý riêng.

DPCH

Dedicated Physical Chanel

Kênh vật lý riêng.

DPDCH

Dedicated Physical Data Chanel

Kênh số liệu vật lý riêng.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

8


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

Dedicated Traffic Chanel

Kênh lưu lượng riêng.

DSCH

Downlink Shared Chanel

Kênh dùng chung đường xuống.

EDGE

Enhanced Data rate for GSM Evolution

EIR

Equipment identity register

Nhận dạng thiết bị

FACCH

Fast Associated Control Channel

Kênh điều khiển liên kết nhanh.

FACH

Forward Access Chanel

Kênh truy nhập đường xuống.

FAUSCH Fast Uplink Signalling Chanel

Giải pháp cải thiện tăng tốc độ
truyền dẫn

Kênh báo hiệu đường lên nhanh.
Kênh điều khiển chung đường

FCCCH

Forward Common Control Chanel

FCCH

Frequency Correction Channel

FDD

Frequency Division Duplex

FDMA

Frequence Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

FDCCH

Forward Dedicated Control Chanel

Kênh điều khiển riêng đường xuống.

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Cổng hỗ trợ truy nhập dịch vụ GPRS

GSM

Global System for Mobile
Communication

xuống.
Kênh hiệu chỉnh tần số.
Ghép kênh song công phân chia theo
tần số.

Thông tin di động toàn cầu
Cồng truy nhập vào trung tâm

GMSC

Gateway MSC

GPS

Global Position System

Hệ thống định vị toàn cầu.

GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ vô tuyến gói chung.

HLR

Home location register

Bộ đăng kí thường trú

HH

Hard Handover

Chuyển giao cứng.

HSCSD

Hight Speed Circuit Switched Data

IMT-

International Mobile

Tiêu chuẩn thông tin di động toàn

2000

Telecommunication

cầu.

IMSI

International Mobile Subscriber Identity

Số nhận dạng thuê bao di động quốc

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

chuyển mạch

Hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ
cao.

9


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

Internet Protocol

IS-95A

Interim Standard 95A

ISDN

Integrated Servive Digital Network

Mạng số đa dịch vụ.

International Mobile

Liên minh viễn thông quốc tế - bộ

Telecommunication Union Radio Sector

phận vô tuyến.

KPI

Key Performance Indicator

Chỉ số hoạt động

LAC

Link Access Control

Điều khiển truy nhập liên kết.

LAI

Location Area Indentify

Nhận dạng vùng vị trí.

LC

Load Control

Điều khiển tải

LR

Location Registration

Đăng ký vị trí.

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập mức trung.

ME

Mobile Equipment

Thiết bị di động.

MS

Mobile Station

Trạm di động.

MTP

Message Transfer Part

Phần truyền bản tin.

MSC

Mobile Service Switching Center

Tổng đài di động.

ITU-R

Giao thức Internet.
Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA
cải tiến của Mỹ (Qualcomm)

Nút logic kết cuối giao diện IuB với

Node B

RNC.

NSS

Network and Switching Subsystem

PAGCH

Paging and Access

PCCH

Paging Contrlo Chanel

Kênh điều khiển tìm gọi.

PCH

Paging Channel

Kênh nhắn tin.

PCPCH

Physical Common Packet Chanel

Kênh gói chung vật lý

PDCP

Packet Data Convergence

Tập trung dữ liệu gói

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công cộng.

PS

Packet Switched

Chuyển mạch gói

PSTN

Public Switched Telephone Network

Mạng chuyển mạch thoại công cộng.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

Hệ thống chuyển mạch
Kênh chấp nhận truy cập và nhắn
tin.

10


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

Routing Area

Vùng định tuyến

RACH

Random Access Channel

Kênh truy cập ngẫu nhiên.

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập sóng vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển sóng vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến.

RSCP

Received Signal Code Power

Cường độ tín hiệu thu được

SC

Serving Cell

Cell phục vụ chính

SCH

Synchronization Channel

Kênh đồng bộ.

SDCCH

Stand alone Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng.

SDMA

Space Division Multiple Access

SGSN

Serving GPRS Support Node

Điểm hỗ trợ dịch vụ GPRS

SIR

Signal Interference Ration

Cường độ tín hiệu trên nhiễu

SRNC

Serving RNC

Phục vụ RNC

TACH

Traffic and Associated Channel

Kênh lưu lượng và liên kết.

TCH

Traffic Channel

Kênh lưu lượng.

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

TDD

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia thời gian.

UE

User Equiment

Thiết bị người sử dụng

UTRAN

Universal Terrestrial Radio Access Network

UMTS
WCDMA

Đa truy cập phân chia theo không
gian

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
toàn cầu.

Universal Mobile Telecommunnication

Hệ thống viễn thông di động toàn

System

cầu

Wideband Code Division Multiplex

Đa truy cập phân chia theo mã băng

Access

rộng.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

11


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

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

quản lý di động và chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của
người sử dụng đầu cuối. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người
sử dụng di động di chuyển từ qua ranh giới các ô tế bào.
Luận văn được chia làm 4 chương:
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

12


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

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

13


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

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 3G UMTS/WCDMA
1.1 Giới thiệu chương

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

1.2 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động
Trong hơn hai thập kỷ qua, sự phát triển của mạng thông tin di động và Internet
đã làm thay đổi lối sống của con người từ cách họ liên lạc với nhau đến cách họ làm
việc, vui chơi và giải trí. Mạng thông tin di động thế hệ đầu tiên 1G ra đời vào thập
niên 80. Đây là thế hệ mạng thông tin di động dùng tín hiệu tương tự (analog). Tuy thế
hệ 1G chứa đựng nhiều khuyết điểm kỹ thuật, nhưng nó đã đánh dấu một bước ngoặt
quan trọng trong lịch sử truyền thông.
Để chứng kiến sự bùng nổ của mạng thông tin di động rộng khắp thế giới thì
người ta phải đợi đến thế hệ thứ hai 2G, ra đời từ đầu những năm 90. Mạng 2G có thể
phân ra hai loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA.
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

14


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Đánh dấu điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136)

dùng TDMA phổ biến ở Mỹ. Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA
phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu
tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới. Sự thành công của mạng 2G
là do các dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng
thoại và khả năng di động.

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

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

15


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Ở Việt Nam, do hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 2G đã trở nên rất phổ
biến, vì vậy việc phát triển lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G cần dựa trên
các hệ thống đã tồn tại nhằm giảm chi phí và giá thành triển khai. Theo khuyến cáo của
ITU-2000, các hệ thống thông tin di động GSM 900 của chúng ta khi triển khai lên các
hệ thống thông tin di động thế hệ ba nên đi theo con đường phát triển lên hệ thống
UMTS/WCDMA gọi tắt là hệ thống WCDMA.
Trong tương lai, với sự ra đời và hoạt động của mạng di động thế hệ thứ tư (4G)
hứa hẹn còn cung cấp nhiều dịch vụ và tốc độ cao hơn nữa.

Hệ thống thông tin di động 3G UMTS/WCDMA

1.3

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

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

16


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Thông thường là 5MHz nhưng có thể điều chỉnh để đạt hiệu năng tối ưu trong
tùy trường hợp cụ thể.
• Channel raster
Giá trị là 200KHz, có nghĩa là tần số trung tâm phải là bội số nguyên của
200KHz.
• Số chỉ thị kênh
Mỗi tần số sóng mang được định danh bằng số chỉ số kênh tần số UARFCN:
Fcenter = UARFCN * 200 KHz
Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì WCDMA nhận được sự ủng
hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ
khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.

Hệ thống sử dụng chung một tần số cho các kênh đường xuống và đường lên,
người sử dụng được cấp một mã và hệ thống sẽ mã hóa dữ liệu tới người sử dụng đó
theo mã đó và truyền trên toàn kênh truyền, toàn băng thông, tuy nhiên chỉ có người sử
dụng đó mới có thể giải mã được dữ liệu truyền đi này.

Hình 1.3. Các công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã
¾ WCDMA có các đặc điểm cơ bản sau :

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

17


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
• Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit lên
cao (lên đến 2 Mbps).
• Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc độ dữ
liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập.
• Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục. Mỗi người sử dụng cung cấp một
khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ có thể thay đổi từ
khung này đến khung khác.
• Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD. Trong mô hình FDD sóng mang 5
MHz sử dụng cho đường lên và đường xuống.
• WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát
triển các trạm gốc vừa và nhỏ.
• WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênh hoa
tiêu (CPICH), nâng cao dung lượng và vùng phủ.
• WCDMA được thiết kế dễ dàng nâng cấp hơn các hệ thống CDMA có thể sử
dụng anten thông minh để nâng cao dung lượng và vùng phủ.
• WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và

dung lượng của mạng.
• Lớp vật lý mềm dẻo thích hợp tất cả thông tin trên một sóng mang.
• Hệ số tái sử dụng tần số bằng một.
• Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến thu Rake.
Nhược điểm chính của WCDMA là hệ thống không cho phép trong băng TDD
phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu các môi
trường làm việc khác nhau.

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

18


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Do hoạt động ở dải tần có băng thông lớn làm cho hệ thống có tốc độ truyền dẫn
cao thích hợp cho các dịch vụ như video 64Kbps, đường truyền tốc độ cao với băng
thông 7,2Mbps.

1.3.2 Dịch vụ của hệ thống WCDMA
¾ Hệ thống WCDMA bao gồm hai dịch vụ:
• Dịch vụ chuyển mạch kênh: dựa vào nền tảng của hệ thống GSM nó gồm dịch
vụ thoại, tin nhắn, tin nhắn đa phương tiện, fax…
• Dịch vụ chuyển mạch gói: có tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn, cơ chế xử lý
khác so với hệ thống cũ, dữ liệu được đóng gói và truyền đi như trong hệ thống mạng
máy tính. Các dịch vụ nó cung cấp bao gồm truy cập internet, xem video trực tuyến,
xem truyền hình, tải dữ liệu tốc độ cao…

Hình 1.4. Các dịch vụ cơ bản của hệ thống 2G và 3G
¾ 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
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

19


Nghiên cứu về quản lý di động và chuyển giao trong mạng di động 3G
Có thể tổng kết các dịch vụ do 3G WCDMA UMTS cung cấp như sau:
Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ của hệ thống thông tin di động 3G WDCMA
UMTS
Kiểu

Phân loại

Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ di động

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

Dịch vụ di
động

Dịch vụ thông tin

- Theo dõi di động/ theo dõi di động thông

định vị

minh

Dịch vụ âm thanh

- Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64
kbps)
- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps)
- Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps)

Dịch vụ số liệu

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

Dịch vụ

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

viễn thông

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

- Dịch vụ Video (384 kbps)

phương tiện

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

Dịch vụ

Dịch vụ Internet

Internet

đơn giản
Dịch vụ Internet

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

Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)

thời gian thực
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

20


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

Phân loại

Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ internet

Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực

đa phương tiện

(≥ 2Mbps)

1.3.3 Cấu trúc của hệ thống UMTS/WCDMA

Hình 1.5. Kiến trúc mạng 2G GSM &3G WCDMA
Ta có thể thấy cấu trúc của một hệ thống UMTS bao gồm các phần tử mạng
logic và các giao diện.
¾ Về mặt chức năng các phần tử logic được chia làm 2 nhóm phần tử mạng :
• Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất (RAN hay UTRAN) bao gồm khối điều khiển
truy nhập vô tuyến RNC và NodeB thực hiện chức năng liên quan đến truy nhập vô
tuyến. UTRAN được nối với mạng lõi qua giao diện Iu. Trong đó:

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

21


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

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

-

NodeB: Chức năng chính của node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của
giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…Nó
cũng thực hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển
công suất vòng trong. Về phần chức năng nó giống như trạm gốc của GSM.

• Mạng lõi CN (Core Network) thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến
cuộc gọi và kết nối số liệu.
¾ Các giao diện trong hệ thống UMTS cung cấp chức năng kết nối, giao tiếp giữa các
phần tử logic trong hệ thống:
• Giao diện Uu: là giao diện vô tuyến giữa UE và Node B. Đây là giao diện mà
qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống nên nó là giao diện mở quan
trọng nhất trong UMTS.
• Giao diện Iu: kết nối UTRAN với CN. Nó cung cấp cho các nhà khai thác khả
năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.
-

Iu-CS dành cho dữ liệu chuyển mạch kênh.

-

Iu-PS dành cho dữ liệu chuyển mạch gói.

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

1.3.4 Cấu trúc của mạng lõi (Core Network)

Dư Thị Thu Huyền – CH2009

22


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

Hình 1.6. Cấu trúc của mạng lõi
Hệ thống mạng lõi trong hệ thống WCDMA gồm 3 phần:
• Phần chuyển mạch kênh.
• Phần chuyển mạch gói.
• Phần dùng chung.
1.3.4.1 Phần chuyển mạch kênh
Phần chuyển mạch kênh được kế thừa từ hệ thống GSM nó bao gồm các thành
phần:
• Trung tâm chuyển mạch (MSC): quản lý các cuộc gọi đang được tiến hành.
• Cổng của trung tâm chuyển mạch (GMSC): dùng để kết nối, mở rộng hệ thống
với các hệ thống khác.
1.3.4.2 Phần chuyển mạch gói.
Chuyển mạch gói là thành phần được xây dựng mới khi triển khai hệ thống
WCDMA trên nền tảng hệ thống GSM. Nó gồm các thành phần:
• Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN): là nút thực hiện hỗ trợ các dịch vụ GPRS đã
tồn tại trước nó, nó mang thông tin của dịch vụ GPRS trên cấu trúc mạng UMTS. Bao
gồm các chức năng:
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

23

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

Quản lý di động.

-

Quản lý phiên.

-

Tương tác với các vùng mạng khác.

-

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

• Cổng hỗ trợ các dịch vụ GPRS (GCSN): dùng để kết nối mở rộng với hệ thống
chuyển mạch trong GPRS trước khi tín hiệu vào trong hệ thống nó xác thực tên mà mã
sau đó đưa vào SGSN xử lý.
1.3.4.3 Phần dùng chung
Các phần dùng chung bao gồm:
• Bộ định vị thường trú (HLR): dùng để lưu các thông tin của người sử dụng như
các dịch vụ được sử dụng, các dịch vụ bị hạn chế…
• Nhận dạng thiết bị (EIR): dùng để xác thực các thông tin cứng, thiết bị của
người sử dụng.
• Trung tâm nhận thực (AuC): xác thực các thông tin dựa trên khóa.

1.3.5 Cấu trúc địa lý của mạng 3G UMTS/WCDMA
Mạng 3G WCDMA UMTS vẫn sử dụng công nghệ tế bào như các mạng đi trước,
tức là chia mặt đất thành các ô (cell) để phủ sóng. Với mạng 2G GSM, mỗi cell được
phân biệt dựa vào BSIC (Base Station Identity Code- Mã nhận dạng trạm gốc), còn
trong mạng 3G mới thì dựa vào PSC (Primary Scrambling Code - Mã xáo trộn sơ cấp).
Trong miền chuyển mạch kênh, một nhóm cell được điều khiển bởi một node B
thì được gọi là vùng định vị LA. Hoạt động quản lý di động trên miền chuyển mạch
kênh dựa trên LA(Location Areas). Trong miền chuyển mạch gói, quản lý di động lại
dựa trên vùng định tuyến RA(Routing Areas).
Trong mạng truy nhập vô tuyến, RA lại được chia tiếp thành các vùng đăng ký
UTRAN (URA: UTRAN Registration Area). Tìm gọi khởi xướng UTRAN sử dụng
Dư Thị Thu Huyền – CH2009

24