Trình bày cấu trúc mạng của hệ thống thông tin di động GSM cấu trúc hệ thống UMTS lựa chọn cell và tái lựa chọn cell trong UMTS chuyển giao liên hệ thống UMTS GSM

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

.......................................
Phạm Công Thuấn

Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ
thống UMTS-GSM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. Đỗ Trọng Tuấn

HÀ NỘI – 2010


l

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................................9
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................11
LỜI GIỚI THIỆU..............................................................................................................12
CHƯƠNG I.........................................................................................................................15
CẤU TRÚC MẠNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN ..................................................15
DI ĐỘNG GSM.................................................................................................................15
1.1 Giới thiệu chương ......................................................................................................15
1.2 Cấu trúc mạng GSM ..................................................................................................16
1.2.1Trạm di động........................................................................................................17
1.2.2 Phân hệ trạm gốc (BSS)......................................................................................17

1.2.3 Phân hệ chuyển mạch (SS) .................................................................................19
1.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS) ..............................................................22
1.2.5 Cấu trúc kênh trong GSM...................................................................................23
1.3 Hoạt động của MS trong chế độ thoại .......................................................................26
1.4 Nâng cấp GSM lên 3G...............................................................................................31
1.4.1 Sự cần thiết nâng cấp mạng GSM lên 3G...........................................................31
1.4.2 Hoạt động song song hai hệ thống 2G và 3G .....................................................32
1.4.3 Mô hình triển khai 3G.........................................................................................34
CHƯƠNG II .......................................................................................................................36
CẤU TRÚC HỆ THỐNG UMTS .....................................................................................36
2.1 Giới thiệu chung ........................................................................................................36
2.2 Cấu trúc mạng UMTS (R99) .....................................................................................38
2.2.1 Thực thể mạng lõi (CN - Core Network)............................................................39
2.2.2 Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN)...................................................................40
2.2.3 Giao diện vô tuyến..............................................................................................42
2.3. Cấu trúc kênh trên giao diện vô tuyến ......................................................................44
2.3.1 Các kênh logic ....................................................................................................45
2.3.2 Kênh vận chuyển ................................................................................................45
2.3.3 Các kênh vật lý ...................................................................................................46
2.4 Các kỹ thuật chính trong WCDMA ...........................................................................51
2.4.1 Điều khiển công suất...........................................................................................51
2.4.2 Điều khiển chuyển giao ......................................................................................55
2.4.3 Điều khiển chấp nhận (Admission Control) .......................................................59
2.4.4 Điều khiển tải, điều khiển nghẽn ........................................................................60
2.4.5 Phân bổ mã nguồn...............................................................................................62
2.4.6 Chức năng của mã OVSF ...................................................................................62
2.4.7 Chức năng của mã PN ........................................................................................63
2.4.8 Yêu cầu của việc quy hoạch mã nguồn...............................................................64
CHƯƠNG III .....................................................................................................................66
LỰA CHỌN CELL VÀ TÁI LỰA CHỌN CELL ..........................................................66

TRONG UMTS .................................................................................................................66
3.1 Lựa chọn lại cell giữa UMTS và GSM......................................................................66
3.2 Phân loại lựa chọn lại cell..........................................................................................67
3.3. Thủ tục các phép đo ..................................................................................................67

1


3.3 Quy tắc S – Dành cho lựa chọn cell...........................................................................68
3.4 Quy tắc R – Dành cho tái lựa chọn cell .....................................................................69
3.5 Các giá trị được định nghĩa như sau ..........................................................................69
3.6 Lựa chọn cell .............................................................................................................70
3.7 Tái lựa chọn cell ........................................................................................................71
3.8 Tái lựa chọn Intra Frequency.....................................................................................72
3.9 Tái lựa chọn Inter-RAT cell từ 3G sang 2G ..............................................................73
3.10 Tái lựa chọn Inter-Rat Cell từ 2G sang 3G..............................................................74
3.11 Bảng giá trị các tham số...........................................................................................76
3.12 Các trường hợp Reselection thường gặp..................................................................76
CHƯƠNG IV......................................................................................................................80
CHUYỂN GIAO LIÊN HỆ THỐNG UMTS-GSM ........................................................80
4.1.Tổng quan về chuyển giao .........................................................................................80
4.2 Chuyển giao cùng một tần số.....................................................................................81
4.2.1 Thuật toán của các sự kiện trong chuyển giao cùng tần số.................................83
4.2.2 Trường hợp có nhiều hơn 32 cell liền kề ............................................................85
4.3 Chuyển giao khác tần số ............................................................................................87
4.3.1 Sự kiện 2A ..........................................................................................................89
4.3.2 Sự kiện 2B ..........................................................................................................90
4.3.3 Sự kiện 2C ..........................................................................................................91
4.3.4 Sự kiện 2D ..........................................................................................................91
4.3.5 Sự kiện 2E...........................................................................................................92

4.3.6 Sự kiện 2F ...........................................................................................................92
4.4 Chuyển giao khác mạng (Inter-RAT Handover) .......................................................93
4.4.1 Sự kiện 3A ..........................................................................................................96
4.4.2 Sự kiện 3C ..........................................................................................................96
4.5 Tổng kết các tham số .................................................................................................99
4.5.1 Các thông số của Intra-Frequency Handover .....................................................99
4.5.2 Các thông số của Inter-Frequency Handover .....................................................99
4.5.3 Các thông số của Inter-RAT Handover ............................................................100
4.6 Một số trường hợp thường gặp ................................................................................101
4.6.1 Lỗi handover từ 3G sang 2G do thời gian xảy ra handover quá chậm .............101
4.6.2 Lỗi handover từ 3G sang 2G do thiếu neighbour .............................................102
4.6.3 Kết quả tối ưu đối với một trạm IBS như sau..................................................102
Kết luận chung .................................................................................................................106
PHỤ LỤC..........................................................................................................................107
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................112

2


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A
AAL2

ATM Adaption Layer 2

Thích ứng ATM lớp 2 (cho thời
gian thực)

AAL5

ATM Adaption Layer 5

Thích ứng ATM lớp 5

AGCH

Access Grant Channel

Kênh cho phép truy nhập

AICH

Acquisiton Indicator Channel

Kênh chỉ thị thu được

ATM

Asynchronous Tranfer Mode

Chế độ truyền không đồng bộ

AuC

Authentication Center

Trung tâm nhận thực

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh quảng bá điều khiển

BER

Bit Error Ratio

Tỷ số bit lỗi

BLER

Block Error Rate

Tỷ lệ lỗi khối

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BSS

Base Station Subsystem

Phân hệ trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm vô tuyến 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 nhập chia theo mã

CEPT

Conference of European Post
and Telecommunication

Hội nghị châu Âu về Bưu Chính
Viễn Thông

C/I

Carrier to Interference ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

CTCH

Common Traffic Channel

Kênh lưu lượng chung

B

C

D

3

Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng

DCS

Digital Communication System

Hệ thống truyền thông số

DPCCH

Dedicated Physical Common
Channel

Kênh vật lý ấn định chung

DPDCH

Dedicated Physical Data
Channel

Kênh dữ liệu vật lý ấn định

DS-SS

Direct Sequence Spread
Spectrum

Trải phổ trực tiếp

DTCH

Dedicated Traffic Channel

Kênh lưu lượng được ấn định

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM
Evolution

Tốc độ dữ liệu nâng cấp bởi GSM

ETSI

European Telecommunations
Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu
Âu

EIR

Equipment Identification
Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

E

F
FACCH

Fast Associated Control
Channel

Kênh điều khiển liên kết nhanh

FCCH

Frequency Common Channel

Kênh hiệu chỉnh tần số

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo tần
số

FHSS

Frequency Hopping Spread
Spectrum

Phương pháp trải phổ nhảy tần

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FDMA

Frequence Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Node hỗ trợ GPRS cổng

GMSC

Gateway Mobile Service
Switching Centrer

Tổng đài cổng

G-PDU

T-PDU + GTP Header

Các nhãn

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

G

4


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

Global System For Mobile
Telecommunications

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

HLR

Home Location Register

Bộ đăng kí định vị thường trú

HSCSD

High Speed Circuit Switched
Data

Dữ liệu chuyển mạch tốc độ cao

High Speed Downlink Packet
Access

Truy nhập gói đường xuống tốc độ
cao

HSUPA

High Speed Uplink Packet
Access

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

HS-DSCH

High Speed Downlink Channel

Kênh đường xuống tốc độ cao

IMT-2000

International Mobile
Telecommunication

Tiêu chuẩn thông tin di động toàn
cầu

IMEI

International Mobile Subscriber
Identity

Số nhận dạng thiết bị di động quốc
tế

IMSI

International Mobile Subscriber
Identity

Số nhận dạng thuê bao di động
quốc tế

ISDN

Integrated Services Digital
Network

Mạng số tích hợp

LAC

Link Access Control

Điều khiển truy nhập liên kết

LAC

Location Area Code

Mã vùng định vị

LA

Location Area

Vùng định vị

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

M3UA

MTP3 User Adaption Layer

Lớp thích ứng sử dụng MTP3

MAI

Mobile Access Interference

Giao diện truy nhập di động

MoU

Memorandum of Understanding Tổng cục đo lường chất lượng

MNC

Mobile Network Code

Mã mạng

MS

Mobile Station

Trạm di động

GSM

H

HSDPA

I

ITU

L

M

5


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

MSC

Mobile Service Switching
Center

Tổng đài di động

MTP-3b

Message Transfer Part level 3

Phần truyền thông điệp mức 3

NAS

Non-Access Stratum

Tầng không truy nhập

NLOS

Non Line Of Sight

Không trong tầm nhìn thẳng

Operation and Support
Subsystem

Phân hệ khai thác và hỗ trợ

N

O
OSS
OVSF

Orthogonal Variable Spreading
Factor

Hệ số trải phổ thích ứng

PCH

Paging Channel

Kênh tìm gọi

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

PDC

Personal Digital Cellular

Mạng tế bào số

PDCH

Packet Data Channel

Kênh dữ liệu gói

PG

Processing Gain

Độ tăng ích

PICH

Page Indicator Channel

Kênh chỉ thị

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công cộng

PIN

Personal Identification Number

Mã số nhận dạng cá nhân

PN

Pseudo Noise

Mã giả ngẫu nhiên

PRACH

Physical Random Access
Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

PSC

Primary Screambling Code

Mã kiểm tra chính

P-SCH

Primary Synchronization
Channel

Kênh đồng bộ chính

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế khóa dịch pha

PSTN

Public Switched Telephone
Network

Mạng chuyển mạch thoại công
cộng

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

P

R
RACH

6


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

RANAP

Radio Access Network
Application Part

Phần ứng dụng truy cập mạng

RLA_C

Receiving Level Average
Combination

Giá trị trung bình các tín hiệu thu

RNC

Radio Network Controller

Điều khiển mạng vô tuyến

RNS

Radio Network Subsystem

Mạng con vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RSCP

Received Signal Code Power

Công suất thu tín hiệu

RSSI

Reveived Signal Strength
Indication

Cường độ chỉ thị tín hiệu

Rxlev

Receiver Level

Mức thu

Rxqual

Receivel Quality

Chất lượng tín hiệu thu

SACCH

Slow Associated Control
Channel

Kênh điều khiển liên kết chậm

SC

Screambling Code

Mã kiểm tra

SCCP

Signaling Connection Control
Part

Phần điều khiển kết nối báo hiệu

SCH

Synhchronization Channel

Kênh đồng bộ

SCTP

Simple Control Transmission
Protocol

Giao thức truyền đơn giản

SDCCH

Stand-alone Dedicated Control
Channel

Kênh điều khiển ấn định đứng một
mình

SFN

System Frame Number

Số khung hệ thống

SIB

Systerm Information Broadcast

Quảng bá thông tin hệ thống

SIM

Subscriber Identity Modul

Mô đun nhận dạng thuê bao

SS7

Signaling System No.7

Hệ thống báo hiệu số 7

SSC

Second Screambling Code

Mã kiểm tra phụ

SDCCH

Stand alone Dedicated Control
Channel

Kênh điều khiển dành riêng

SGSN

Serving GPRS Support Node

Node hỗ trợ GPRS

S

T

7


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

TCH

Traffic Channel

Kênh lưu lượng

TCP

Transmitted Carrier Power

Công suất sóng mang

TRAU

Transcoder/Rate Adapter Unit

Bộ thích ứng tốc độ và chuyển mã

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

UMTS

Universal Mobile
Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access
Mạng truy nhập mặt đất của UMTS
Network

U

V
VLR

Visitor Location Register

Thanh ghi định vị tạm trú

Wideband Code Division
Multiplex Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng

W
WCDMA

8

Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM[5]……………………………16
Hình 1.2 Minh họa cho TDMA [5]………………………………………………...24
Hình 1.3 Phân loại kênh logic[5]…………………………………………………..25
Hình 1.4: Hoạt động MS ở đường lên và xuống[5]………………………………..27
Hình 1.5 Cấu trúc kênh đa khung thoại[5]…………………………………………28
Hình 1.6 Cấu trúc bản tin báo cáo[5]………………………………………………29
Hình 1.7 Phương án chung mạng lõi[6]………………………………………………33
Hình 1.8 Phương án thêm mạng lõi[6]………………………………………………..33
Hình 1.9 Phương án tích hợp chung[6]………………………………………………34

Hình 2.1 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ
Ba……………………………………………. ……………………………………37
Hình 2.2 Cấu trúc của mạng UMTS[5]…………………………………………….38
Hình 2.3 Cấu trúc UTRAN[5]……………………………………………………...40
Hình 2.4. Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến của UTRAN………………...42
Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc các kênh[5]……………………………………………….44
Hình 2.6 Các kênh vận chuyển[5]…………………………………………………46
Hình 2.7 Minh họa các kênh vật lý chung[5]………………………………………48
Hình 2.8 Sự ánh xạ của kênh[5]……………………………………………………49
Hình 2.9. Cấu trúc khung vô tuyến[5]……………………………………………..50
Hình 2.10 Cấu trúc kênh CPICH[5]……………………………………………….51
Hình 2.11 Điều khiển công suất vòng mở và vòng kín[4]……………………………..52
Hình 2.12 Inner Loop [4]……………………………………………………………54
Hình 2.13 Outer Loop[4]……………………………………………………………55
Hình 2.14 Minh họa chuyển giao [4]…………………………………………………56
Hình 2.15 Chuyển giao cứng[4]……………………………………………………...57

Hình 2.16 Chuyển giao mềm[4]……………………………………………………...57
Hình 2.17 Sơ đồ điều khiển tải……………………………………………………………60

9


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

Hình 2.18 Cell Breathing………………………………………………………..….…..…62
Hình 2.19 OVSF code[4]……………………………………………………..…..….62
Hình 2.20 OVSF code[4]……………………………………………………..….…..62
Hình 2.21 Mã gốc và mã con[4]……………………………………………..…….....63
Hình 2.22 Mã PN[4]……………………………………………………….….….….63
Hình 2.23 Quy hoạch mã PN theo đường xuống[4]………………………….….…….64
Hình 2.24 Sơ đồ hình cây của mã kênh[4]………………………………….….……..65
Hình 2.25 Ví dụ về việc ấn định mã[4]………………………………………...….….65

Hình 3.1 Tái lựa chọn cell[3]…………………………………………………..…..72
Hình 3.2 Sơ đồ lựa chọn cell từ 3G sang 2G[4]…………………………………………..73
Hình 3.3 : Sơ đồ lựa chọn lại cell từ 2G sang 3G[4]…………………………..…………..74

Hình 3.4 Minh họa trước khi tối ưu………………………………………………..78
Hình 3.5. Minh họa sau khi tối ưu………………………………………...……….78
Hình 4.1.Các bước thực hiện Handover…………………………………………....80
Hình 4.2.Kết quả đo neighbour…………………………………………………………....81

Hình 4.3 Minh họa về chuyển giao một tần số[3]………………………………….82
Hình 4.4 Thứ tự ưu tiên các cell liền kề……………………………………………86
Hình 4.5 Cách cấu hình độ ưu tiên của cell[4]…………………………..…………87
Hình 4.6 Sự kiện 2A……………………………………………………………………….90

Hình 4.7 Sự kiện 2B………………………………………………………………….……91
Hình 4.8 Sự kiện 2C……………………………………………………………………….91
Hình 4.9 Sự kiện 2F……………………………………………………………………….93

Hình 4.10 Nguyên lý của Compression Mode . .. .. .…………………… ....................94
Hình 4.11 Sự kiện 3C …………………………………………………………...…97
Hình 4.12 Cách cấu hình độ ưu tiên của Neighbour GSM cell[4]……………..…..97
Hình 4.13 Cách thực hiện Inter-RAT[4]…………………………………………...98
Hình 4.14 Đặt các thông số đo để thực hiện Handover[4]……………………..…..98
Hình 6.15 Thống kê CSSR và DCR…………………………………………...….104
Hình 6.16 Thống kê HOSR……………………………………………...……….105

10


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Công suất phát của MS[5]…………………………………….…………29
Bảng 2.1 Các kênh vật lý…………………………………………………………..47
Bảng 3.1. Bảng giải thích các tham số……………………………………………..72
Bảng 3.2 Giá trị của hàm F(Qsearch-I)…………………………………...………..75
Bảng 3.3 Các tham số của tái lựa chọn cell………………………………..………76
Bảng 3.4 Các tham số trước và sau khi tối ưu……………………………..………77
Bảng 4.1 Các sự kiện của Intra-frequency……………………………………...….82
Bảng 4.2 Các tham số của sự kiện 1A………………………………………….….83
Bảng 4.3 Các tham số của sự kiện 1B……………….…………………….………84
Bảng 4.4 Các tham số của sự kiện 1C………………………………………….….85
Bảng 4.5 Các tham số của sự kiện 1D……………………………………………..85
Bảng 4.6 Các sự kiện Inter-frequency……………………………………………..88

Bảng 4.7 Các tham số…………………………………………………….………..89
Bảng 4.8 Các sự kiện của Inter-RAT………………………………………………95
Bảng 4.9 Các tham số của Inter-RAT…………………………………….………..96

11


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

LỜI GIỚI THIỆU
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học,công
nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các
loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Kể từ
khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã phát triển qua nhiều
thế hệ và đã tiến một bước dài trên con đường công nghệ.
Trong thế kỷ 21, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ về nhu cầu truyền thông
không dây cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ. Tuy nhiên, theo
đánh giá thì công nghệ truyền thông không dây hiện thời vẫn còn quá chậm và
không đáp ứng được các yêu cầu về dịch vụ mới đặc biệt là các dịch vụ truyền số
liệu đa phương tiện. Điều này đòi hỏi các nhà khai thác phải có được công nghệ
truyền thông không dây nhanh hơn và tốt hơn. Để đáp ứng yêu cầu đó, ngay từ
những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu, hoạch định hệ
thống thông tin di động thế hệ ba. ITU-R đang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa
cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000, còn ở châu Âu ETSI đang tiến
hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile
Telecommunnication System). Mục tiêu trước mắt là tăng tốc độ bit truyền từ
9.5Kbps lên 2Mbps. Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại, và dịch vụ dữ
liệu sẽ hỗ trợ truyền thông đa phương tiện đến các thiết bị không dây.
Có nhiều chuẩn thông tin di động thế hệ ba được đề xuất, trong đó chuẩn WCDMA đã được ITU chấp thuận và hiện nay đang được triển khai ở một số khu
vực. Hệ thống UMTS là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động

thế hệ hai sử dụng công nghệ TDMA như GSM, PDC, IS-136...UMTS sử dụng
công nghệ CDMA đang là mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông tin di động
trên toàn thế giới, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến
công nghệ truyền thông không dây trên toàn cầu.
Hiện nay, các mạng thông tin di động lớn của Việt Nam đang sử dụng công
nghệ GSM, đồng thời các nhà mạng cũng đang triển khai hệ thống thông tin di động

12


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

động thứ ba UMTS để đáp ứng được các yêu cầu về dịch vụ mới cũng như đòi hỏi
chất lượng dịch vụ ngày càng cao của người sử dụng. Do đó việc nghiên cứu và
triển khai mạng thông tin di động thế hệ ba UMTS là một điều tất yếu. Xuất phát
những khó khăn khi nhà mạng triển khai UMTS dựa trên nền tảng mạng GSM có
sẵn nên em đã quyết định chọn đề tài: " Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển
giao liên hệ thống UMTS - GSM".
Nội dung luận văn gồm 4 chương :
Chương 1: Cấu trúc hệ thống di động GSM
Chương này trình bày về cấu trúc mạng của hệ thống GSM, giao diện vô tuyến
và cấu trúc kênh vô tuyến.
Chương 2: Cấu trúc hệ thống UMTS
Chương này trình bày về cấu trúc mạng của hệ thống UMTS (R99). Các vấn
đề liên quan đến giao diện vô tuyến, các kênh vô tuyến và các kĩ thuật của hệ thống
UMTS
Chương 3: Lựa chọn cell và tái lựa chọn cell trong UMTS
Chương này trình bày tổng quát về tái lựa chọn cell, nguyên lý cơ bản cũng
như các thuật toán tái lựa chọn cell, phân tích trường hợp tái lựa chọn cell từ
WCDMA sang GSM và ngược lại

Chương 4: Chuyển giao trong UMTS
Chương này trình bày các thuật toán áp dụng trong chuyển giao đồng thời đưa
ra một số giá trị tham số khuyến nghị có thể giải quyết các vấn đề gặp phải trong
chuyển giao đặt biệt là trong chuyển giao giữa hệ thống UMTS và hệ thống GSM.
Trong quá trình làm luận văn, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn
chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự phê bình,
hướng dẫn và sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè.

13


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy giáo Tiến sĩ Đỗ Trọng
Tuấn cùng các Thầy cô trong khoa để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Hà Nội, ngày......tháng......năm 2010

Học Viên Phạm Công Thuấn

14


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

CHƯƠNG I
CẤU TRÚC MẠNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG GSM
1.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về sự hình thành và phát triển của hệ thống thông tin
di động GSM, kiến trúc mạng GSM , phương pháp đa truy cập trong GSM , các thủ

tục thông tin của thuê bao sử dụng trong mạng và sự cần thiết phải nâng cấp mạng
GSM lên thế hệ 3G.
Lịch sử hình thành GSM bắt đầu từ một đề xuất vào năm 1982 của Nordic
Telecom và Netherlands tại hội nghị châu Âu về Bưu Chính Viễn Thông (CEPT) để
phát triển một chuẩn tế bào số mới đáp ứng với nhu cầu ngày càng tăng của mạng
di động Châu Âu.
Ủy ban Châu Âu đưa ra lời hướng dẫn yêu cầu các quốc gia thành viên sử
dụng GSM cho phép liên lạc di động trong băng tần 900MHz. Viện tiêu chuẩn viễn
thông Châu Âu (ETSI) định nghĩa GSM khi quốc tế chấp nhận tiêu chuẩn hệ thống
điện thoại tế bào số.
Lời đề xuất có kết quả vào tháng 9 năm 1987, khi 13 nhà điều hành và quản lý
của nhóm cố vấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp định GSM MoU “Club”, với ngày
khởi đầu là 1 tháng 7 năm 1991.
GSM là từ viết tắt của Global System for Mobile Communications (hệ thống
thông tin di động toàn cầu), trước đây có tên là Groupe Spécial Mobile.
Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là hệ thống thông tin tế bào số tích hợp
và toàn diện, được phát triển đầu tiên ở Châu Âu và đã nhanh chóng phát triển trên
toàn thế giới. Mạng được thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN và các dịch vụ mà
GSM cung cấp là một hệ thống con của dịch vụ ISDN chuẩn.
GSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890-915 MHz và 935-960 MHz,
hiện nay là 1.8GHz. Một vài tiêu chuẩn chính được đề nghị cho hệ thống :

15


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

• Chất lượng âm thoại chính thực sự tốt.
• Giá dịch vụ và thuê bao giảm.
• Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế.

• Khả năng hỗ trợ thiết bị đầu cuối trao tay.
• Hỗ trợ các phương tiện thuận lợi và dịch vụ mới.
• Khả năng tương thích ISDN.
Tiêu chuẩn được ban hành vào tháng giêng năm 1990 và những hệ thống thương
mại đầu tiên được khởi đầu vào giữa năm 1992. Tổ chức MoU (Memorandum of
Understanding) thành lập bởi nhà điều hành và quản lý GSM được cấp phép đầu
tiên, lúc đó có 13 hiệp định được ký kết và đến nay đã có 191 thành viên ở khắp thế
giới. Tổ chức MoU có quyền tối đa, được quyền định chuẩn GSM.

1.2 Cấu trúc mạng GSM

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM[5]
Mạng thông tin di động theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ chính sau:
• Trạm di động
• Phân hệ trạm gốc BSS
• Phân hệ chuyển mạch SS
• Phân hệ khai thác và bảo dưỡng

16


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

1.2.1Trạm di động
Trạm di động bao gồm thiết bị trạm di động và một khối nhỏ gọi là mođun
nhận dạng thuê bao. Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card
hoặc còn gọi là SIM. SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử dụng
có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ
đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại
di động IMEI. Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI để hệ thống

nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác. IMEI và IMSI
hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân. Card SIM có thể
chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN).
Trạm di động ở GSM thực hiện hai chức năng:
• Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường
vô tuyến.
• Đăng ký thuê bao, ở chức năng thứ hai này mỗi thuê bao phải có một
thẻ gọi là SIM card. Trừ một số trường hợp đặc biệt như gọi cấp
cứu… thuê bao chỉ có thể truy nhập vào hệ thống khi cắm thẻ này vào
máy.

1.2.2 Phân hệ trạm gốc (BSS)
BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông
qua giao diện vô tuyến. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân
hệ chuyển mạch SS. Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ
vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn
thông khác. BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận
hành và bảo dưỡng OSS. Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:
• TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit): Bộ chuyển đổi mã và phối
hợp tốc độ.
• BSC (Base Station Controler): Bộ điều khiển trạm gốc.
• BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc.

17


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

1.2.2.1 Trạm thu phát gốc
Một BTS bao gồm các thiết bị thu/phát tín hiệu sóng vô tuyến, anten và bộ

phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng
GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến.
Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào
(cell).
1.2.2.2 Khối chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ (TRAU)
Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các
kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn (64 Kb/s)
trước khi chuyển đến tổng đài. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải
mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng
tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. TRAU thường được đặt gần MSC
1.2.2.3 Khối điều khiển trạm gốc BSC
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều
khiển từ xa. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và
chuyển giao. Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân
hệ chuyển mạch SS. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa
BTS và BSC là giao diện A.bis.
Các chức năng chính của BSC:
• Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và
các kênh logic của chúng. Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo
đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vô
tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất
bại...
• Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: Trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu
hình của BTS ( số máy thu/phát TRX, tần số cho mỗi trạm... ). Nhờ đó mà
BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và kết nối cuộc
gọi.

18

Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

• Điều khiển kết nối các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải
phóng các đấu nối tới máy di động MS. Trong quá trình gọi, việc kết nối
được BSC giám sát. Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở
máy di động và TRX gửi đến BSC. Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định
công suất phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng
cuộc đấu nối. BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả
đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được
chất lượng cuộc gọi tốt hơn. Trong trường hợp chuyển giao sang cell của
một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC. Bên cạnh đó, BSC
cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ
cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều.
• Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường
truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin. Trong trường
hợp có sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự
phòng.

1.2.3 Phân hệ chuyển mạch (SS)
Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:
• Trung tâm chuyển mạch di động MSC
• Thanh ghi định vị thường trú HLR
• Thanh ghi định vị tạm trú VLR
• Trung tâm nhận thực AuC
• Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR
Phân hệ chuyển mạch (SS) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của
mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di
động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người
sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.

19


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

1.2.3.1 Trung tâm chuyển mạch di động MSC
Tổng đài di động MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một
số các bộ điều khiển trạm gốc BSC. MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch
chính, nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao
của GSM, một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao tiếp với mạng
ngoài qua tổng đài cổng GMSC (Gateway MSC).
Chức năng chính của tổng đài MSC:
• Xử lý cuộc gọi
• Điều khiển chuyển giao
• Quản lý di động
• Tương tác mạng qua GMSC
1.2.3.2 Bộ ghi định vị thường trú (HLR - Home Location Register)
HLR là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao,
các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông. HLR không phụ
thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của
thuê bao.
HLR bao gồm:
• Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN.
• Các thông tin về thuê bao
• Danh sách các dịch vụ mà MS được sử dụng và bị hạn chế
• Số hiệu VLR đang phục vụ MS
1.2.3.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR)
VLR là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng
phục vụ của MSC. Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC.
Ngay cả khi MS lưu động vào một vùng MSC mới. VLR liên kết với MSC sẽ yêu

cầu số liệu về MS từ HLR. Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở
vùng MSC nào. Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các
thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR, có thể coi VLR

20


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

như một HLR phân bố. VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng
MSC. Nhưng khi thuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số
liệu liên quan tới nó cũng hết giá trị.
Hay nói cách khác, VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạm thời thông
tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu
HLR.
VLR bao gồm:
• Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI.
• Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS
• Danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế sử dụng
• Trạng thái của MS
1.2.3.4 Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR)
EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng
di động quốc tế (IMEI) và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị. Một ME sẽ có
số IMEI thuộc một trong ba danh sách sau:
1. Nếu ME thuộc danh sách trắng (White List) thì nó được quyền truy nhập
và sử dụng các dịch vụ đã đăng ký.
2. Nếu ME thuộc danh sách xám (Gray List), tức là có nghi vấn và cần kiểm
tra. Danh sách xám bao gồm những ME có lỗi (lỗi phần mềm hay lỗi sản xuất thiết
bị) nhưng không nghiêm trọng tới mức loại trừ khỏi hệ thống
3. Nếu ME thuộc danh sách đen (Black List), tức là bị cấm không cho truy

nhập vào hệ thống, những ME đã thông báo mất máy.
1.2.3.5 Khối trung tâm nhận thực AuC
AuC được nối đến HLR, chức năng của AuC là cung cấp cho HLR các tần số
nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật. Đường vô tuyến cũng được
AuC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho
từng thuê bao. Cơ sở dữ liệu của AuC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi

21


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu
cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép.

1.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS)
OSS thực hiện 3 chức năng chính:
• Khai thác và bảo dưỡng mạng.
• Quản lý thuê bao và tính cước.
• Quản lý thiết bị di động.
1.2.4.1 Khai thác và bảo dưỡng mạng
• Khai thác
Là hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như
tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai cell.v.v.. Nhờ vậy nhà
khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho
khách hàng và kịp thời nâng cấp. Khai thác còn bao gồm việc thay đổi cấu hình để
giảm những vẫn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng
trong tương lai và mở rộng vùng phủ sóng. Ở hệ thống viễn thông hiện đại, khai
thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm.
• Bảo dưỡng

Có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố và hỏng hóc, nó có một
số quan hệ với khai thác. Các thiết bị ở hệ thống viễn thông hiện đại có khả năng tự
phát hiện một số các sự cố hay dự báo sự cố thông qua kiểm tra. Bảo dưỡng bao
gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố, cũng như
việc sử dụng các phần mềm điều khiển từ xa.
Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý của
mạng quản lý viễn thông. Lúc này, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được
nối đến các phần tử của mạng viễn thông (MSC, HLR, VLR, BSC, và các phần tử
mạng khác trừ BTS). Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối tới máy
tính chủ đóng vai trò giao tiếp người - máy. Theo tiêu chuẩn GSM hệ thống này
được gọi là trung tâm vận hành và bảo dưỡng (OMC).

22


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

1.2.4.2 Quản lý thuê bao
Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập
và xoá thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm
nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung. Nhà khai thác có thể thâm nhập được các
thông số nói trên. Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các
cuộc gọi rồi gửi đến thuê bao. Khi đó HLR, SIM-Card đóng vai trò như một bộ
phận quản lý thuê bao.
1.2.4.3 Quản lý thiết bị di động
Quản lý thiết bị di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện.
EIR lưu trữ toàn bộ dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối đến MSC
qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị. Trong hệ thống GSM thì
EIR được coi là thuộc phân hệ chuyển mạch NSS.

1.2.5 Cấu trúc kênh trong GSM
1.2.5.1 Kênh vật lý
Kênh vật lý được tổ chức theo quan niệm truyền dẫn. Mỗi một sóng mang
GSM có thể hỗ trợ lên đến 8 thuê bao di động. Mỗi kênh chiếm một phần tám độ
dài thời gian của sóng mang. Đó được gọi là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo
thời gian (TDMA). Khoảng thời gian đó được chia thành các chu kỳ riêng biệt gọi
là khe thời gian. Các khe thời gian sắp xếp liên tiếp được đánh số từ 0 đến 7 (Hình
1.3). Mỗi một khung như thế được gọi là khung TDMA.
Mỗi một cuộc gọi chiếm một khe thời gian (0-7) trong một khung cho đến khi
cuộc gọi đó kết thúc hoặc là chuyển giao. Các khung TDMA có thể tạo ra nhiều cấu
trúc khung tùy theo các loại kênh. Để cho hệ thống hoạt động chính xác thì việc
đồng bộ trong truyền dẫn từ và đến MS là rất quan trọng. MS và BS phải được
truyền thông tin chính xác liên quan đến một cuộc gọi nếu không thì khe thời gian
đó sẽ bị mất. Thông tin mang trên một khe thời gian gọi là cụm.

23


Nghiên cứu về tái lựa chọn cell và chuyển giao liên hệ thống UMTS-GSM

Hình 1.2 Minh họa cho TDMA [5]
1.2.5.2 Kênh logic
Kênh logic được tổ chức theo quan điểm nội dung tin tức, các kênh này được
đặt vào các kênh vật lý. Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa
BTS và MS. Có thể chia kênh logic thành hai loại tổng quát: các kênh báo hiệu điều
khiển CCH và các kênh lưu lượng TCH
a.Kênh lưu lượng TCH: Có hai loại kênh lưu lượng:
Kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin thoại hay số liệu ở
tốc độ 22,8 kbit/s.
Kênh lưu lượng bán tốc (TCH/H), kênh này mang thông tin ở tốc độ 11,4 kbit/s

b.Kênh điều khiển CCH : bao gồm các nhóm kênh sau:
• Kênh quảng bá BCH chỉ hoạt động theo chiều hướng xuống bao gồm
các kênh sau
- FCCH: Kênh hiệu chỉnh tần số cung cấp tần số tham chiếu của hệ
thống cho trạm MS. FCCH chỉ được dùng cho đường xuống.
- SCH : Kênh đồng bộ khung cho MS.

24