Quy hoạch mạng thông tin di động WCDMA

Bộ Giáo dục và đào tạo
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
------------------

BI èNH HNG

QUY HOCH MNG MNG THễNG TIN
DI NG WCDMA
CHUYấN NGNH: CễNG NGH THễNG TIN
mã số:

luận văn thạc sỹ khoa học

Ngi hng dn khoa hc: TS. NGUYN NAM QUN

Hà Nội 2010


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................5
DANH MỤC BẢNG................................................................................................10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................11
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................13
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ
THỨ 3 WCDMA UMTS.........................................................................................15
1.1 Sơ lược quá trình phát triển phát triển hệ thống thông tin di động ............15
1.2 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA ................................16
1.3 Mô hình tham khảo mạng W-CDMA .............................................................18
1.3.1 Kiến trúc mạng 3G WCDMA phát hành 3GPP Release 1999.....................18
1.3.2 Kiến trúc mạng 3G WCDMA phát hành 3GPP Release 4...........................20

1.3.3 Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP...............................................22
1.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ .................24
CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA .........................27
2.1 Các hệ thống thông tin trải phổ .......................................................................27
2.2 Áp dụng DSSS cho CDMA ...............................................................................28
2.3 Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA.......................................................31
2.4.1 Trải phổ và điều chế các kênh riêng đường lên............................................33
2.4.2. Trải phổ và điều chế kênh chung đường lên PRACH .................................35
2.5 Trải phổ và điều chế đường xuống ..................................................................36
2.5.1. Sơ đồ trải phổ và điều chế đường xuống.....................................................36
2.5.2. Các mã trải phổ đường xuống .....................................................................36
1


2.5.3. Các mã ngẫu nhiên hóa đường xuống .........................................................37
2.6 Điều khiển công suất .........................................................................................38
2.7 Chuyển giao trong hệ thống CDMA................................................................39
2.8 Máy thu phân tập đa đường RAKE ................................................................41
CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC MẠNG WCDMA ........................................................44
3.1 Cấu trúc hệ thống của WCDMA .....................................................................44
3.1.1 Cấu trúc hệ thống..........................................................................................44
3.1.1.1 Các phần tử của UTRAN.......................................................................44
3.1.1.2 Mạng lõi.................................................................................................46
3.2 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS, UTRAN ......................................47
3.2.1 Các lớp ngang...............................................................................................48
3.2.2 Các mặt đứng................................................................................................48
3.3 Giao diện vô tuyến Uu.......................................................................................49
3.4.1 Cấu trúc giao thức cho Iu-CS .......................................................................50
3.4.2 Cấu trúc giao thức Iu-PS ..............................................................................52
3.5 Các giao diện trong UTRAN ............................................................................53

3.5.1 Giao diện Iur.................................................................................................53
3.5.2 Giao diện Iub ................................................................................................54
3.6 Các loại kênh của WCDMA .............................................................................55
3.6.1 Các kênh truyền tải.......................................................................................55
3.6.2 . Kênh vật lý .................................................................................................56
CHƯƠNG 4 QUY HOẠCH MẠNG WCDMA ....................................................59
4.1 Mở đầu ...............................................................................................................59
4.2 Dự báo lưu lượng...............................................................................................60
4.2.1 Dự báo thuê bao............................................................................................61
4.2.2 Dự báo sử dụng lưu lượng tiếng...................................................................61
4.2.3 Dự báo sử dụng lưu lượng số liệu ................................................................61
4.3 Dự phòng tương lai ...........................................................................................62
4.4 Phân tích vùng phủ vô tuyến............................................................................62
4.4.1 Mở đầu..........................................................................................................62
4.4.2 Quỹ đường truyền.........................................................................................63
2


4.5 Phân tích dung lượng ô.....................................................................................65
4.5.1 Tải ô đường lên.............................................................................................66
4.5.2 Tải ô đường xuống .......................................................................................69
4.5.3 Dung lượng mềm..........................................................................................70
4.5.3.1 Dung lượng Erlang ....................................................................................70
4.6 Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến ..............................................................73
4.6.1 Định cỡ Iub...................................................................................................74
4.6.2 Định cỡ BSC.................................................................................................74
4.6.3 Định cỡ RNC………………………………………………………………74
4.7 Triển khai WCDMA chồng lấn lên GSM .......................................................76
4.8 Quy hoạch vùng phủ và dung lượng chi tiết...................................................78
4.8.1 Dự đoán vùng phủ và dung lượng lặp chi tiết ..............................................78

4.8.2 Công cụ quy hoạch .......................................................................................79
4.8.2.1 Sự lặp lại trên đường lên và đường xuống.............................................80
4.8.2.2 Mô hình hóa các chỉ tiêu liên kết...........................................................81
4.9 Minh họa ............................................................................................................81
4.10 Tối ưu mạng.....................................................................................................85
4.12 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ số liệu đến dung lượng mạng trong một
mô hình cụ thể .........................................................................................................89
4.12.1Giới thiệu.....................................................................................................89
4.12.2.Mô hình Okumura-Hata .............................................................................90
4.12.3.Mô hình Walfisch-Ikegami ........................................................................91
KẾT LUẬN ............................................................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................111
PHỤ LỤC ...............................................................................................................112

3


 
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng toàn bộ nội dung trong luân văn của tôi dưới dây
không được sao chép y nguyên từ một bài luân văn của một tác giả khác.
Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự tham khảo, trích dẫn trong bài luận văn
của tôi đều đã được ghi rõ nguồn trong mục Tà liêu tham khảo của luân văn.
Nếu hội đồng phát hiện có những điều không đúng với những gì tôi đã cam
đoan trên thì tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiêm
Hà Nội, ngày tháng năm 2010
Người thực hiện

BÙI ĐÌNH HƯNG

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ACCH

Associated Control Channels

Kênh điều khiển liên kết.

AI

Acquisition Indicator

Chỉ thị bắt.

AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động tiên
tiến.

ARQ

Automatic Repeat Request

Yêu cầu lặp lại tự động.

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.

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.

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân.

CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung.

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập chia theo mã.

C/I

Carrier to Interference ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu.

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.

CR

Chip Rate

Tốc độ chip (tương đương với tốc
độ trải phổ của kênh).
5


CS

Circuit Switch

Chuyển mạch kênh.

DCA

Dynamic Chanel Allocation

Phân bổ kênh động.

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 điều khiển vật lý riêng.

DPDCH

Dedicated Physical Data Chanel

Kênh số liệu vật lý riêng.

DTCH

Dedicated Traffic Chanel

Kênh lưu lượng riêng.

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối số liệu.

DSCH

Downlink Shared Chanel

Kênh dùng chung đường xuống.

EDGE

Enhanced Data rates for GSM Các tốc độ số liệu tăng cường để
Evolution.

phát triển GSM.

European Telecommunications

Viện Tiêu chuẩn viễn thông châu

Standards Institute

Âu

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

Kênh báo hiệu đường lên nhanh.

FCCCH

Forward Common Control Chanel

Kênh điều khiển chung đường

ETSI

xuống
FCCH

Frequency Correction Channel

Kênh hiệu chỉnh tần số.

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép kênh song công phân chia
theo

FDMA

Frequence Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo tần số

Access
FDCCH

Forward Dedicated Control Chanel Kênh điều khiển riêng đường
xuống.

FSK

Frequency Shift Keying

Khoá điều chế dịch tần.

GSM

Global System for Mobile

Thông tin di động toàn cầu

Communication
GPS

Global Position System

Hệ thống định vị toàn cầu
6


GPRS

General Packet Radio Services

Handover

Dịch vụ vô tuyến gói chung.
Chuyển giao

HSCSD

Hight Speed Circuit Switched Data Dữ liệu chuyển mạch tốc độ cao

IMT-2000

International Mobile

Tiêu chuẩn thông tin di động toàn

Telecommunication

cầu.

International Mobile Subscriber

Số nhận dạng thuê bao di động

Identity

quốc tế.

Interim Standard 54

Tiêu chuẩn thông tin di động

IMSI
IS-54

TDMA của Mỹ (do AT&T đề
xuất).
IS-136

Interim Standard 136

Tiêu chuẩn thông tin di động
TDMA cải tiến của Mỹ (AT&T).

IS-95A

Interim Standard 95A

Tiêu chuẩn thông tin di động
TDMA

cải

tiến

của

Mỹ

(Qualcomm)
ISDN

Integrated

Servive

Digital Mạng số đa dịch vụ.

Network
ITU-R

International Mobile

Liên minh viễn thông quốc tế -

Telecommunication Union Radio

bộ phận vô tuyến.

Sector
IWF

InterWorking Function

Chức năng liên mạng

LAC

Link Access Control

Điều khiển truy nhập liên kết

LAI

Location Area Indentify

Nhận dạng vùng vị trí.

LLC

Logical Link Control

Điều khiển liên kết logic.

LR

Location Registration

Đăng ký vị trí.

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.

7


Node B

Là nút logic kết cuối giao diện
IuB với RNC.

NSS

Network and Switching Subsystem Hệ thống chuyển mạch

OM

Operation and Maintance

Quản lý và hoạt động

PAGCH

Paging and Access

Kênh chấp nhận truy cập và nhắn
tin.

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.

PCS

Personal Communication Services

Dịch vụ thông tin cá nhân.

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công cộng.

PSTN

Public Switched Telephone

Mạng chuyển mạch thoại công

Network

cộng.

RACH

Random Access Channel

Kênh truy cập ngẫu nhiên.

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến.

SCH

Synchronization Channel

Kênh đồng bộ.

SDCCH

Stand alone Dedicated C ontrol

Kênh điều khiển dành riêng.

Channel
SDMA

Space Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo không
gian

TACH

Traffic and Associated Channel

Lênh 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.

UTRAN
UMTS

Universal Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Network

toàn cầu.

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động toàn
8


Telecommunnication System

cầu

VA

Voice Activity factor

Hệ số tích cực tiếng.

VBR

Variable Bit Rate

Tốc độ khả biến.

WCDMA

Wideband

Code

Division Đa truy cập phân chia theo mã

Multiplex Access

băng rộng

9


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ ở 3G WDCMA UMTS

25

Bảng 2.1. Thí dụ bộ tám mã trực giao

29

Bảng 2.2. Thí dụ nhân hai mã giống nhau

29

Bảng 2.3. Thí dụ nhân hai mã khác nhau

30

Bảng 4.1 Phụ thuộc dự trữ nhiễu yêu cầu vào tải ô

64

Bảng 4.2 Các tham số được sử dụng trong mô phỏng

82

Bảng 4.3 Phân bố người sử dụng ở các dịch vụ

83

Bảng 4.4 Thông lượng của ô, tải và bổ xung cho chuyển giao mềm

83

Bảng 4.5 Các kết quả xác suất vùng phủ

85

Bảng 4.6 Yêu cầu đối với hiệu năng kênh lân cận

88

Bảng 4.7 Giả định quỹ đường truyền của máy di động

99

Bảng 4.8 Giả định về quỹ đường truyền của trạm gốc

100

Bảng 4.9 Tốc độ các dịch vụ khác nhau

102

Bảng 4.10 Bán kinh phủ sóng

102

Bảng 4.11 Diện tích phủ sóng ứng với các dịch vụ khác nhau

102

Bảng 4.12 Số người sử dụng trong môt ô

103

Bảng 4.13. Kết quả mô phỏng với Eb/N0 = 5dB

104

Bảng 4.14. Kết quả mô phỏng với Eb/N0 = 4dB

106

Bảng 4.15. Kết quả mô phỏng với Eb/N0 = 3dB

107

10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang
Hình 1.1 Quá trình phát triển 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA

16

Hình 1.2 Kiến trúc mạng ở 3GPP Release 1999

18

Hình 1.3. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 4

20

Hình 1.4. Kiến trúc mạng 3GPP đa phương tiện IP của 3GPP

23

Hình 2.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

29

Hình 2.2. Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K

31

tín hiệu

Hình 2.3. Cây mã định kênh

33

Hình 2.4. Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên

34

Hình 2.5. Truyền dẫn kênh điều khiển vật lý riêng đường lên và kênh số

34

liệu vật lý riêng đường lên khi có/ không có (DTX) số liệu của
người sử dụng.
Hình 2.6. Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dung ngẫu nhiên hóa

35

phức, β biểu diễn cho tỷ số công suất giữa DPDCH và DPCCH.
Hình 2.7. Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH

35

Hình 2.8. Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường

37

xuống
Hình 2.9. Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp

38

Hình 2.10.Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b)

40

Hình 2.11. Truyền sóng đa đường và lý lịch trễ công suất

41

Hình 2.12. Máy thu RAKE

42

Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống WCDMA UMTS

45

11


Hình 3.2. Vai trò logic của SRNC và DRNC

46

Hình 3.2. Mô hình giao thức tổng quát cho các giao diện mặt đất UTRAN

49

Hình 3.4. Cấu trúc phân lớp của giao diện vô tuyến WCDMA

51

Hình 3.5. Cấu trúc giao thức Iu-Cs

52

Hình 3.6. Cấu trúc giao thức Iu-PS

53

Hình 3.7. Ngăn xếp giao thức cho giao diện Iur

54

Hình 3.8. Ngăn xếp giao thức cho giao diện Iub

55

Hình 3.9. Giao diện giữa các lớp cao và lớp vật lý

56

Hình 3.10. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

57

Hình 3.11. Các kênh vật lý đường lên

57

Hình 3.12. Các kênh vật lý đường xuống

58

Hình 4.1 Quá trình quy hoạch mạng WCDMA

59

Hình 4.2 Các vùng phủ của ô cho các dịch vụ khác nhau

63

Hình 4.3 Sự phụ thuộc tải ô đường lên vào số người sử dụng dịch vụ tiếng

68

Hình 4.4 Phụ thuộc dự trữ nhiễu vào số người sử dụng dịch vụ tiếng

68

Hình 4.5 Phụ thuộc tổn hao đường truyền cực đại cho phép vào số người

69

sử dụng dịch vụ tiếng ở đường lên
Hình 4.6 Chia sẻ nhiễu gữa các ô ở WCDMA

71

Hình 4.7 Quá trình tính toán vùng phủ và dung lượng lặp

78

Hình 4.8 Quá trình tối ưu mạng

86

Hình 4.9 Đo hiệu năng của mạng

87

Hình 4.10 Nhiễu kênh lân cận ở đường xuống

89

Hình 4.11 So sánh công thức tổn hao WIM và tổn hao tự do

93

Hình 4.12 Các thông số của mô hình Walfisch-Ikegami NLOS

93

Hình 4.13 Tổn hao theo hướng sử dụng trong mô hình Walfisch-Ikegami

95

Hình 4.14. Kết quả mô phỏng với Eb/N0 = 5dB

106

Hình 4.15. Kết quả mô phỏng với Eb/N0 = 4dB

107

Hình 4.16. Kết quả mô phỏng với Eb/N0 = 3dB

109

12


MỞ ĐẦU
Thông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với
những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, dịch vụ và cuộc sống hằng
ngày. Các kỹ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của người tiêu
dùng. Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp nhiều cản
trở, cần có thêm nhiều dịch vụ mới được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu của
sử dụng.
Trước các yêu cầu mới, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đã ra đời,
cung cấp băng thông rộng hơn cho người sử dụng. Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch
vụ mới và nhiều thuận tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu
như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền
tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao…
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.

Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA và mạng WCDMA em đã thực hiện luận văn: “Quy hoạch mạng thông tin di động WCDMA”.
Luận văn này bao gồm 4 chương đó là:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA
UMTS
Chương 2: Công nghệ đa truy nhập của WCDMA
Chương 3: Cấu trúc mạng WCDMA
Chương 4: Quy hoạch mạng WCDMA
13


Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn
của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin
chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Nam Quân và các thầy cô giáo đã giúp em hoàn
thành luân văn này.
Hà Nội, ngày

tháng năm

Người thực hiện
Bùi Đình Hưng

14


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ
THỨ 3 WCDMA UMTS
1.1 Sơ lược quá trình phát triển phát triển hệ thống thông tin di động
Vào những năm 1980, hệ thống thông tin di động tế bào điều tần song công sử
dụng kỹ thuật đa phân chia theo tần số xuất hiện, đây là hệ thống tương tự hay còn
gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). Các hệ thống thông tin di

động tế bào nổi tiếng nhất là: hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone System –
hệ thống điện thoại di động tiên tiến), hệ thống AMPS băng hẹp, hệ thống TASC
(Total Access Communication System – hệ thống thông tin truy nhập toàn diện).
Hạn chế của các hệ thông này là: phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, không
đáp ứng được các dịch vụ mới…
Giải pháp để loại bỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông
tin số. Các hệ thống 2G là hệ thống GSM (Global System for Mobile
Telecommucations – Hệ thống thông tin di động toàn cầu) ở Châu Âu, hệ thống DAMPS (Mỹ) sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA, và IS-95 ở Mỹ và Hàn Quốc
sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA băng hẹp. Mạng thông
tin thế hệ 2 (2G) đã thành công trong việc cung cấp dịch vụ mới tới người dùng trên
toàn thế giới, chất lượng thông tin được cải tiến. Mặc dù vậy, hệ thống thông tin di
động 2G vẫn gặp phải các hạn chế sau: tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp. Do đó,
cần phải chuyển đổi lên hệ thống thông tin di động tiếp theo để cải thiện chất lượng
dịch vụ, nâng cao tốc độ…
Khác với hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai, hệ thống thông tin
di động thế hệ thứ ba (3G) có xu hướng chuẩn hóa toàn cầu và có khả năng cung
cấp các dịch vụ ở tốc độ cao ( có thể truy nhập internet, truyền hình và nhiều dịch
vụ khác). ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba
với tên gọi IMT-2000, có nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ
15


thứ ba IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và cdma2000 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 thứ ba.
1.2 Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA
WCDMA là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G của IMT-2000 được phát
triển chủ yếu ở Châu Âu với mục đich cho phép các mạng cung cấp khả năng
chuyển vùng toàn cầu và để hỗ trợ nhiều loại dịch vụ thoại, dịch vụ đa phương tiện.
Mạng WCDMA được xây dựng dựa trên cơ sở mạng GSM, tần dụng cơ sử hạ tầng

sẵn có của các nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển từ GSM lên WCDMA
qua các giai đoạn trung gian có thể được tóm tắt trong sơ đồ dưới đây:
GSM

HSCSD

GPRS

EDGE

WCDMA

Hình 1.1 Quá trình phát triển 3G theo nhánh sử dụng công nghệ WCDMA
HSCSD ( High speed circuit switched data – Số liệu chuyển mạch kênh tốc
độ cao): HSCSD cho phép tăng tốc dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh của GSM. Để
tăng tốc độ người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn. Giao diện
vô tuyến của HSCSD có thể hỗ trợ tốc độ lên đến 8 x 14,4kps. HSCSD còn hỗ trợ
cả kết nối đối xứng lẫn kết nối không đối xứng. Kết nối đối xứng là số khe phát từ
BTS đến MS bằng số khe phát từ MS đến BTS đối với người sử dụng. HSCSD sử
dụng điều chế 8-PSK, và cơ chế chuyển mạch kênh.
GPRS ( General packet radio service - Dịch vụ dữ liệu vô tuyến gói chung):
một người sử dụng GPRS có thể sự dụng đến 8 khe thời gian để đạt được tốc độ đến
hơn 100kbps. Tuy nhiên đây là tốc độ đỉnh, khi có nhiều người sử dụng hơn thì tốc
độ bit sẽ giảm đi. Mạng GPRS kết nối với mạng sô liệu công cộng như IP và mạng
X25. Nút hỗ trợ GPRS (SGSN: Service General packet radio service Support Node)
và nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN: Gateway GPRS Support Node) thực hiện thu và
phát các gói số liệu giữa các MS và các thiết bị đầu cuối cố định của mạng số liệu

16

công cộng. Các nút GGSN còn cho phép thu phát các gói số liệu đến các MS ở các
mạng thông tin di động GSM khác.
EDGE ( Enhanced data rate for GSM evolution – Tốc độ số liệu gói tăng
cường để phát triển GSM): nói chung, cấu trúc EDGE giống như GPRS nhưng sử
dụng điều chế nhiều trạng thái hơn (8-PSK chẳng hạn) vì thế có thể đạt được tốc độ
truyền số liệu cao hơn.
WCDMA ( Wideband code division multiple access – Đa truy nhập phân
chia theo mã băng rộng ) : WCDMA được phát triển từ GSM để cung cấp các khả
năng cho thế hệ thứ ba. WCDMA có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép
song công phân chia theo tần số ( FDD: Frequency division duplex ) và ghép song
công phân chia theo thời gian ( TDD: Time division duplex ). Cả hai giao diện này
đều sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp ( DS-CDMA: Direct spectrum Code division
multiple access ). Giải pháp thứ nhất sẽ được triển khai rộng rãi còn giải pháp thứ
hai sẽ được áp dụng cho các ô nhỏ ( micro và pico)
Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5MHz với hai sóng mang phân cách
nhau 190MHz; đường lên có băng tần nằm trong dải phổ từ 1920MHz đến
1980MHz và đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110MHz đến
2170MHz. Mặc dù 5MHz là độ rộng băng tần danh định, ta cũng có thể chọn độ
rộng băng từ 4,4MHz đến 5MHz với nấc tăng là 200KHz. Việc chọn độ rộng băng
tần đúng đắn cho phép tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5MHz tiếp theo
thuộc nhà khai thác khác.
Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900-1920MHz và 20102025MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng cùng một băng tần.
Giao diện không gian của WCDMA hoàn toàn khác với GSM và GPRS,
WCDMA sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là
3,84Mcps. Với WCDMA mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN ( UTMS
terrestrial radio access network ). Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử
ở mạng truy nhập vô tuyến của GSM. Do vậy mà việc sử dụng lại các trạm BTS và
BSC của GSM là rất hạn chế. WCDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM,
17

GPRS hiện có cho mình. Các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể nâng
cấp từ mạng hiện có để hỗ trợ đồng thời cả WCDMA và GSM.
1.3 Mô hình tham khảo mạng W-CDMA
1.3.1 Kiến trúc mạng 3G WCDMA phát hành 3GPP Release 1999
Hình 1.2 cho thấy cấu trúc mạng cơ sở WCDMA ở phát hành 3GPP Release
1999 (tập tiêu chuẩn đầu tiên cho UMTS)
Mạng lõi gồm trung tâm chuyển mạch kênh (MSC: Mobile service switching
centre) và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói phục vụ (SGSN. Các kênh thoại và
truyền số liệu chuyển mạch gói được kết nối với các mạng ngoài thông qua các
trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói cổng: GMSC (không được chỉ
ra ở hình vẽ) và GGSN.
Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử
làm chức năng tương tác mạng (IWF). Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và
nút chuyển mạch gói, mạng lõi còn chứa cơ sở dữ liệu cần thiết cho các mạng di
động như: HLR, AUC và EIR.
Mạng truy nhập chứa các phần tử sau: RNC (Radio Network Controller – Bộ
điều khiển mạng vô tuyến): đóng vai trò như BSC ở các mạng thông tin di động.NB
(Node B – Nút B): đóng vai trò như BTS ở các mạng thông tin di động. UE (User
Equipment): thiết bị của người sử dụng.

Hình 1.2 Kiến trúc mạng ở 3GPP Release 1999
18


UE bao gồm thiết bị di động và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM).
USIM là một vi mạch chứa các thông tin liên quan đến thuê bao cùng với khóa bảo
an (giống như SIM ở GSM). Uu là giao diện giữa UE và mạng. Nút B được nối đến
một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC. RNC đóng vai trò như BSC ở GSM, RNC

kết hợp với các nút B nối với nó được gọi là mạng con vô tuyến RNS (Radio
Network Subsystem). Giao diện giữa nút B và RNC được gọi là giao diện Iub. Khác
với giao diện Abis ở GSM, giao diện Iub được tiêu chuẩn hóa hoàn toàn và để mở,
vì thế có thể kết nối nút B của một nhà sản xuất này với RNC của một nhà sản xuất
khác.
Khác với ở GSM các BSC không nối vói nhau, ở mạng truy cập vô tuyến của
UMTS có cả giao diện giữa các RNC. Giao diện này được gọi là Iur. Mục đính
trước tiên của giao diện này là hỗ trợ tính di động giữa các RNC và chuyên giao
giữa các nút B nối đến các RNC khác nhau. Báo hiệu Iur hỗ trợ chuyển giao.
UTRAN được kết nối với mạng lõi thông qua giao diện Iu. Giao diện Iu có
hai phận khác nhau Iu-CS và Iu-PS. Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạch kênh
được thực hiện qua giao diện Iu-CS, giao diện này nối RNC đến một MSC/VLR.
Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạch gói được twhc hiện thông qua giao diện IuPS, giao diện này nối RNC đến một SGSN.
Từ hình 1.2 ta thấy tất cả các giao diện UTRAN của phát hành 3GPP Relaese
1999 đều được xây dựng trên cơ sở ATM. ATM được chọn vì khả năng hỗ trợ
nhiều loại dịch vụ khác nhau. Từ hình này ta cũng có thể thấy rằng mạng lõi sử
dụng cùng một kiến trúc cơ sở như kiến trúc của GSM/GPRS, nhờ vậy công nghệ
mạng lõi có thể hỗ trợ công nghệ truy cập vô tuyến mới.
Trong thực tế, các tiêu chuẩn UTMS cho phép hỗ trợ chuyển giao cứng từ
UTMS đến GSM và ngược lại. Điều này rất quan trọng vì cần phải có thời gian để
triển khai rộng khắp UMTS nên sẽ có khoảng trông trong vùng phủ của UMTS và
vì thế thuê bao UMTS phải có khả năng nhận được dịch vụ ở vùng phủ của GSM.
Trong hầu hết thực hiện của các nhà sản xuất nhiều phần tử mạng được nâng
cấp để hỗ trợ đồng thời cả GSM/GPRS và UMTS. Các phần tử mạng này bao gồm
19


MSC/VLR, HLR, SGSN, GGSN. Đối với nhiều nhà sản xuất, các trạm gốc được
triển khai cho GSM/GPRS đã được thiết kế để có thể nâng cấp chúng hỗ trợ cho cả
GSM và UTMS. Đối với một số hà sản xuất, BSC được nâng cấp để hoạt động như

cả hai GSM BSC và UMTS RNC. Tuy nhiên, cấu hình này rất hiếm. Yêu cầu các
giao diện và các chức năng khác nhau (như chuyển giao mềm) của UMTS RNC
chứng tỏ rằng công nghệ của nó hoàn toàn khác với GSM BSC. Vì vậy, thông
thường ta thấy các UMTS RNC và GSM BSC tách biệt nhau.
1.3.2 Kiến trúc mạng 3G WCDMA phát hành 3GPP Release 4
Hình 1.3 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS Release 4. Sự khác nhau cơ
bản giữa Release 1999 và Release 4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và
chuyển mạch mềm. Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như
ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa
vào.
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.

Hình 1.3. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 4
20


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 1.3 ta thấy lưu lượng số
liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP. Cả
số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng
truyền tải hoàn toàn IP.
Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ

có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng
(GMSC server). MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu
chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này. Để
thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc độ 12,2
kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN.
Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các
MGW cách xa nhau.
Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao
thức ITU H.248. Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển. Nó có tên là
điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control). Giao thức
điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức điều
khiển cuộc gọi bất kỳ. 3GPP đề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức Điều
khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) được
xây dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU.
Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC
Server. Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc
gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu
tư.

21


Để làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và
được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B. Giả sử thuê bao thành phố A
thực hiện cuộc gọi nội hạt. Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ
thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính
thành phố A. Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSC Server
ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố
A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng.
Từ hình 1.3 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại

nhà (HSS: Home Subscriber Server). HSS và HLR có chức năng tương đương,
ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn)
trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Ngoài ra còn có các giao
diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với
HLR/HSS.
Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ
sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM. Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng
truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện. Ngoài ra mạng cũng phải
giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này được thực hiện thông qua
cổng SS7 (SS7 GW). Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7
trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng
SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn). Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và
HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế
đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP. Bộ giao thức này được gọi là Sigtran.
1.3.3 Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP.
Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện
IP (hình 1.4). Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi. Ở
đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối
của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng. Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn
diện của tiếng và số liệu.

22


Điểm mới của kiến trúc mạng 3GPP đa phương tiện IP của 3GPP là nó đưa ra
một miền mới được gọi là phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia
Subsystem). Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa
phương tiện thời gian thực IP. Từ hình 1.4 ta thấy tiếng và số liệu không cần các
giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện.
Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MGW riêng.

Hình 1.4. Kiến trúc mạng 3GPP đa phương tiện IP của 3GPP
Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng điều
khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài
nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều
khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo
hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển
mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway).
Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được
tăng cường rất nhiều. Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ
23


giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác
nhân của người sử dụng SIP. Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn
hơn trước rất nhiều.
CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện
đến và từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và định tuyến.
CSCF hoạt động như một đại diện Server /hộ tịch viên.
SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở
GPRS và UMTS Release 1999 và Release 4. Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các
nút này không chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng
chẳng hạn). Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong
SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng.
Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi
được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ
hội nghị .
Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo
tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN. T-SGW hỗ trợ các giao
thức Sigtran. Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút đảm bảo tương tác

báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn. Trong nhiều trường
hợp T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng.
MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương
tiện. MGW ở kiến trúc mạng của UMTS này có chức năng giống như ở Release 4.
MGW được điều khiển bởi Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF).
Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248.
MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức được chọn cho giao diện này là
SIP.
1.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA UMTS hỗ trợ
Do 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
24