ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG UMTS

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên của khóa luận này em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
thầy giáo hướng dẫn Th.s Nguyễn Duy Nhật Viễn. Thầy là người đã giao đề tài và
hướng dẫn em trong suốt quá trình em hoàn thành đồ án này. Nhân dịp này em cũng
xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông, những
người đã giúp đỡ chúng em trong suốt những năm học vừa qua để chúng em có
được kết quả như ngày hôm nay.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 23 tháng 05 năm 2011

Trang i


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Trong quá trình làm đồ án, em đã tìm hiểu tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau
để hoàn thành đồ án này. Tất cả những gì tham khảo em đều ghi vào phần tài liệu
tham khảo cuối đồ án.
Em cũng xin cam đoan đồ án này không sao chép của bất kỳ đồ án nào đã có
từ trước.
Đà Nẵng, ngày 23 tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện

Ngô Anh Vũ

Trang ii

Mục lục

MỤC LỤC
Lời cảm ơn….………………………………………………………………………..i
Lời cam đoan ……...………………………………………………………………..ii
Từ viết tắt …………………………………………………………………………..vi
Lời giới thiệu ..……………………………………………………………………....x
A.............................................................................................................................................1
B.............................................................................................................................................1
C.............................................................................................................................................1
D.............................................................................................................................................1
E.............................................................................................................................................1
G.............................................................................................................................................1
I...............................................................................................................................................1
L.............................................................................................................................................1

M............................................................................................................................... 1
O.............................................................................................................................................1
P......................................................................................................................................1
Q.............................................................................................................................................1
R.............................................................................................................................................1

S................................................................................................................................ 1
T.............................................................................................................................................1
U.............................................................................................................................................1
V.............................................................................................................................................1
W............................................................................................................................................1

Chương 1.................................................................................................................. 1
Tổng Quan Về Hệ Thống UMTS............................................................................1

1.3 Công nghệ WCDMA........................................................................................................1
2.5 Kết luận..........................................................................................................................27

Chương 3................................................................................................................ 28
Các Thuật Toán Điều Khiển Công Suất Trong UMTS.......................................28
3.1 Giới thiệu chương...........................................................................................................28
3.4.1 Pathloss................................................................................................................31
3.7.3 Sơ đồ khối...........................................................................................................37
3.7.4 Thuật toán............................................................................................................38
3.9.2 Gos......................................................................................................................40

Trang iii


Mục lục

3.9.4 Các công thức tính toán.......................................................................................41
3.10 Kết luận........................................................................................................................43

Chương 4................................................................................................................ 43
Tính Toán Và Mô Phỏng Kết Quả........................................................................43
4.1 Giới thiệu chương...........................................................................................................43

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................52
PHỤ LỤC...............................................................................................................53

Trang iii


Mục lục

CÁC TỪ VIẾT TẮT
3G

Third Generation Cellular

Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ ba

3GPP

Third Generation Patnership Project

Dự án hợp tác thế hệ 3

A
AC

Admission Cotrol

Điều khiển cho phép

AICH

Acquistion Indication Channel

Kênh chỉ thị bắt

B
BER

Bit Error Rate

Tỷ số bit lỗi

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

C

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo
mã

CN

Core Network

Mạng lõi

D
DCH

Delicated Channel

Kênh riêng

DL

Down Link

Hướng xuống

DS-CDMA Direct Sequence Code Division
DSSPC

Đa truy nhập phân chia theo mã

Multiple Access

chuổi trực tiếp

dynamic step-size power control

Điều khiển công suất theo
bước động

DPCCH

Delicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý

Trang iv


Mục lục

DPDCH

Delicated Physical Data Channel

Kênh số liệu vật lý riêng

E
ETSI

European Telecommunications
Standard Institute

Học viện viễn thông
Châu Âu

F
FACH

Forward Access Channel

Kênh truy nhập đường
xuống

FDD Fequency Division DuplexGhép song công phân chia

theo tần

số
FDMA

Frequency Division

Đa truy cập phân chia theo

Multiple Access

tần số

G
GGSN

Gateway GPRS Support Node

GPRS General Packet Radio Service

Node dịch vụ GPRS

Dịch vụ chuyển mạch gói

vô tuyến
GoS

Grade of Service

Cấp độ phục vụ

GSM

Global System of Mobile

Hệ thống thông tin di động

Communication

toàn cầu

H
HC

Handover Control

Điều khiển chuyển giao

HLR

Home Location Register

Thanh ghi định vị thường trú

I
IMT-2000
ITU

International Mobile

Tiêu chuẩn viễn thông di

Telecommunication

động toàn cầu 2000

International Telecomunication

Liên minh viễn thông quốc tế

Union

Trang v


Từ viết tắt

L
LC

Load Control

Điều khiển tải

M
ME

Mobile Equipment

Thiết bị nhận dạng thuê bao

MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch
dịch vụ di dộng

O
OFDM

Orthogonal Frequency Division

Đa phân chia theo tần

Multiple

số trực giao

P

PC

Power Control

Điều khiển công suất

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công

Physical Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

cộng
PRACH

vật lý

Q
QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

R
RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN

Random Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RNC

Radio Network Controler

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên
vô tuyến

RRM

Radio Resouce Management
Quản lí tài nguyên vô tuyến
tuyến

Trang vi


Từ viết tắt

S
SGSN Serving GPRS Support Node

Node hỗ trợ chuyển mạch gói

SIR

Signal to Interference Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SF

Spreading Fator

Hệ số trải phổ

SHO

Soft Hand Over

Chuyển giao mềm

T
TDD Time Division Duplex

Ghép song công phân chia

theo

thời gian
TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo
thời gian

TPC

Transmit Power Command

Lệnh công suất phát

U
UE

User Equipment

Thiết bị người sử dụng

UMTS

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di

Telecommunication System

động toàn cầu

USIM UMTS Subscriber Indentity

Module nhận dạng thuê bao

Module

UMTS
UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến
mặt đất UMTS

V
VLR

Vistor Location Register

Thanh ghi định vị tạm trú

W
WCDMA

Wideband Code Division
Multiple Access

Đa truy cập phân chia
theo mã băng rộng

Trang vii


Từ viết tắt

LỜI GIỚI THIỆU
Cùng với sự phát triển của các nghành công nghệ như điện tử, tin học...
Công nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển 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
Để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng về số lượng lẫn chất lượng dịch vụ
đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu đa phương tiện công nghệ băng rộng đã ra đời. Với
khả năng tích hợp nhiều dịch vụ, công nghệ băng rộng đã dần chiếm lĩnh thị trường
viễn thông. Có nhiều chuẩn thông tin di động thế hệ ba được đề xuất, trong đó
chuẩn WCDMA đã được ITU chấp nhận và hiện nay đang được triển khai ở một số
khu vực. Hệ thống 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.
Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động là một trong những
khâu quan trọng nhất của hệ thống sử dụng công nghệ CDMA, nó hạn chế được ảnh
hưởng của hiệu ứng gần xa đến chất lượng dịch vụ thoại, dung lượng của hệ thống
và khả năng chống lại fading vốn là đặc trưng của môi trường di động. Điều khiển
công suất cho các hệ thống vô tuyến tế bào đã được nghiên cứu tương đối chi tiết

trong một số công trình.
Với tầm quan trọng như vậy nên em đã quyết định chọn đề tài: “Điều khiển
công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba UMTS” để tìm hiểu. Đồ án
gồm 4 chương với nội dung chính trong từng chương như sau :
Chương 1: “Hệ thống thông tin di động thế hệ ba UMTS” sẽ giới thiệu tổng
quan các vấn đề cơ bản về công nghệ WCDMA, cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến

Trang viii


Từ viết tắt

UMTS, sơ lược về những dịch vụ và ứng dụng trong hệ thống này trong hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ ba.
Chương 2: “Các kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di
động thế hệ ba UMTS” sẽ trình bày về ý nghĩa và phân loại các kỹ thuật điều khiển
công suất. Từ đó đi sâu vào phân tích các kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ
thống thông tin di động thế hệ ba UMTS.
Chương 3: Nghiên cứu 2 thuật toán điều khiển công suất cho hệ thống
UMTS là: điều khiển công suất bước động DSSPC và điều khiển công suất thích
nghi ASPC.
Chương 4: “Kết quả tính toán và mô phỏng” dựa trên quỹ đường truyền để
tính toán các thông số của hai phương pháp điều khiển công suất. Đồ án đã đưa ra
phương thức tính toán cụ thể để điều khiển công suất đường lên đồng thời kết quả
được thể hiện thông qua chương trình mô phỏng sử dụng ngôn ngữ lập trình C#.
Trong thời gian làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức và thời
gian còn hạn chế nên đồ án có thể sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự phê bình, các ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để đồ
án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đở tận tình của thầy Nguyễn Duy Nhật

Viễn cùng các thầy cô và bạn bè trong khoa để em có thể hoàn thành đề tài này.
Đà Nẵng, ngày 23 tháng 05 năm 2011

Trang ix


Lời giới thiệu

Chương 1
Tổng Quan Về Hệ Thống UMTS
1.1

Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu sơ lược về công nghệ WCDMA, các dịch vụ mà

3G mang lại và sẽ đi sâu hơn vào việc phân tích hệ thống UMTS : cấu trúc, các
thành phần trong mạng. Qua đây chúng ta sẽ có được cái nhìn sơ lược về hệ thống
UMTS. Cuối cùng sẽ giới thiệu về các loại chuyển giao trong hệ thống UMTS.
1.2

Hệ thống thông tin di động IMT-2000
Giữa thập niên 1980, ITU khai sinh hệ thống truyền thông di động 3G. Sau

hơn 10 năm phát triển, vào năm 2000 ITU đã đưa ra một tiêu chuẩn duy nhất cho
các mạng di động tương lai gọi là IMT-2000. Phổ tần từ 400MHz đến 3GHz phù
hợp cho hệ thống viễn thông 3G.
IMT-2000 cung cấp hạ tầng kỹ thuật cho các dịch vụ gia tăng và các ứng
dụng trên một chuẩn duy nhất cho mạng thông tin di động. Dự kiến, nền tảng này
cung cấp các dịch vụ từ cố định, di động, thoại, dữ liệu, Internet đến các dịch vụ đa
phương tiện. Điều quan trọng hơn là nó cung cấp dịch vụ chuyển vùng toàn cầu,

cho phép người dùng có thể di chuyển đến bất kỳ quốc gia nào cũng có thể sử dụng
với một số điện thoại duy nhất.
IMT-2000 hổ trợ các tốc độ bit Rb tương ứng với từng vùng như sau :
+ Vùng 1 : trong nhà (pico cell) , Rb = 2048 Kbps
+ Vùng 2 : thành phố (micro cell) , Rb = 384 Kbps
+ Vùng 3 : ngoại ô (macro cell) , Rb = 144 Kbps
+ Vùng 4 : toàn cầu , Rb = 9,6 Kbps
1.3 Công nghệ WCDMA
Theo tiêu chuẩn của IMT-2000 cho 3G thì hiện nay có 2 công nghệ chủ yếu
được dùng cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 là WCDMA và CDMA2000.
Trong đó WCDMA sẽ là con đường mà các mạng GSM phải tiến đến trong tiến

Trang x


Lời giới thiệu

trình phát triển lên mạng di động thế hệ thứ 3. Công nghệ WCDMA sẽ tận dụng cơ
sở hạ tầng sẵn có của mạng GSM để phát triển, vì vậy nó sẽ tiết kiệm được chi phí
cho các nhà đầu tư.
Các đặc điểm của công nghệ WCDMA:
+ WCDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ phân chia theo mã trực tiếp DS-CDMA.
Tức là các bits thông tin của người dùng sẽ được trải phổ trên một băng rộng bằng
cách nhân bits dữ liệu với chuỗi bits ngẫu nhiên tốc độ cao quasi (gọi là tốc độ
chips) lấy từ mã trải phổ CDMA. Vì vậy mà WCDMA có thể hổ trợ tốc độ bits cao
đến 2Mbps.
+ WCDMA sử dụng tốc độ chips 3.84Mcps cho các sóng mang có băng thông
là 5Mhz. Còn DS-CDMA sử dụng sóng mang khoảng 1Mhz như IS-95 gọi là hệ
thống CDMA băng hẹp.
+ WCDMA hổ trợ các tốc độ dữ liệu khác nhau và tốc độ dữ liệu của người

dùng luôn không đổi trong một khung 10ms. Tuy nhiên giữa các người dùng khác
nhau thì có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.
+ WCDMA hổ trợ 2 chế độ truy cập: FDD và TDD. Ở chế độ FDD, thì các
sóng mang 5Mhz khác nhau được sử dụng lần lượt cho các đường lên và đường
xuống, trong khi đó TDD chỉ sử dụng một sóng mang 5Mhz và phân biệt ở các khe
thời gian khác nhau cho đường lên và đường xuống.
+ WCDMA hổ trợ không đồng bộ giữa các trạm gốc, do đó không cần những
khoảng thời gian đồng bộ giữa các trạm. Vì vậy việc phát triển các trạm ở khu vực
trong nhà, thành phố sẽ dể dàng hơn.
+ WCDMA sử dụng kết hợp tách sóng ở đường lên và đường xuống dựa vào
việc sử dụng các biểu tượng hoa tiêu.
+ Hệ thống WCDMA sử dụng các máy thu Rake để làm giảm suy hao do nhiễu
đa đường.
+ Giao diện vô tuyến của WCDMA được chế tạo như là một cách để cải tiến hệ
thống CDMA, như hổ trợ khả năng tách sóng của nhiều người dùng, sử dụng anten
thông minh để làm tăng dung lượng và vùng phủ sóng của hệ thống.

Trang x


Lời giới thiệu

+ WCDMA được thiết kế để phát triển cùng với GSM. Vì vậy, chuyển giao
giữa GSM và WCDMA được hổ trợ để có thể tận dụng vùng phủ sóng đã có của
GSM mà phát triển WCDMA.
+ Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1
+ Tốc độ điều khiển công suất trong WCDMA là 1500Hz lớn hơn trong
CDMA2000 là 800, vì vậy tối ưu hơn trong việc giảm nhiễu.
Với việc sử dụng những kỹ thuật tiên tiến trong triệt nhiễu, cùng với tốc độ
truy cập cao hệ thống thông tin di động thứ 3 hứa hẹn sẽ mang lại cho người sử

dụng những ứng dụng đa phương tiện: thoại có hình, truy cập internet tốc độ cao,
hội nghị truyền hình, truyền hình theo nhu cầu ... và nhiều dịch vụ khác.
1.4

Hệ thống UMTS

1.4.1 Tổng quan
UMTS là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 của Châu Âu sử dụng kỹ
thuật trải phổ WCDMA. Năm 1998, châu Âu và Nhật đạt được sự nhất trí về những
tham số chủ chốt của khuyến nghị CDMA băng rộng và đưa nó trở thành phương án
kỹ thuật dùng giao diện không gian FDD trong hệ thống UMTS. Và từ đó phương
án kỹ thuật này được gọi là WCDMA để nêu rõ sự khác biệt với tiêu chuẩn CDMA
băng hẹp của Mỹ (băng rộng chỉ có 1,25 MHz).
UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP. UMTS đôi khi còn được gọi
là 3GSM, để chỉ sự kết hợp về bản chất công nghệ 3G của UMTS và chuẩn GSM
truyền thống.

Trang x


Lời giới thiệu

Hình 1.1: Phổ tần số của hệ thống UMTS
 1920-1980 Mhz và 2110-2170 Mhz là các phổ tần dành cho đường uplink và
downlink trong các ứng dụng FDD.
 1900-1920 Mhz và 2010-2025 Mhz là các phổ tần dành cho đường uplink và
downlink trong các ứng dụng TDD.
 1980-2010 Mhz và 2170-2200 Mhz là các phổ tần dành cho đường uplink và
downlink cho vệ tinh.
1.4.2 Dịch vụ UMTS

UMTS cung cấp 3 loại dịch vụ viễn thông cơ bản:
 Bearer services: là dịch vụ viễn thông cho phép truyền thông tin giữa người
sử dụng và mạng.
 Teleservices: là các dịch vụ từ xa như thoại, SMS.
 Supplementary services: các dịch vụ mở rộng như hiển thị tên người gọi,
chuyển hướng cuộc gọi ...

Trang x


Lời giới thiệu

Hình 1.2: Tiêu chuẩn QoS cho các ứng dụng real-time và non-real-time
UMTS hổ trợ 4 loại QoS:
 Conversational class: yêu cầu độ trễ nhất định là nhỏ nhất, không có bộ đệm,
lưu lượng đối xứng, đảm bảo tốc độ bits.
 Streaming class: độ trễ thay đổi là nhỏ nhất, cho phép có bộ đệm, lưu lượng
không đối xứng, đảm bảo tốc độ bits.
 Interactive class: yêu cầu độ trễ vừa phải, cho phép có bộ đệm, lưu lượng
không đối xứng, không đảm bảo tốc độ bits.
 Background class: độ trễ lớn, cho phép có bộ đệm, lưu lượng không đối
xứng, không đảm bảo tốc độ bits.
1.4.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống UMTS
Hệ thống UMTS gồm nhiều phần tử logic, mỗi phần tử sẽ có một chức năng
xác định. Thường thì các phần tử được biết như là các phần tử logic nhưng khi thực
thi vào thực tế thì thường ở lớp vật lý, đặc biệt cũng có một số giao diện mở (giao
diện cho phép sử dụng các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau). Dựa vào chức
năng của các phần tử logic mà người ta sẽ nhóm những phần tử có cùng chức năng
lại cùng một nhóm.
Hệ thống UMTS được chia thành 3 thành phần chính:

-

UE: thiết bị đầu cuối của người sử dụng.

Trang x


Lời giới thiệu

-

Mạng truy cập vô tuyến mặt đất ( UTRAN ): xử lý các chức năng có liên

-

quan đến vô tuyến.
Mạng lõi ( CN ): chứa dữ liệu để quản lý người dùng, thực hiện định tuyến
cuộc gọi và kết nối dữ liệu với mạng bên ngoài.

Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản và các giao diện của UMTS
Các loại giao diện trong mạng:
 Cu: là giao diện kết nối giữa USIM và ME. Cu là giao diện chuẩn cho các
card thông minh.
 Uu: là giao diện vô tuyến của WCDMA. Đây là giao diện mà qua đó UE truy
cập vào phần cố định của hệ thống mạng, vì vậy đây là giao diện mở quan
trọng nhất trong UMTS. Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối.
 Iub: giao diện kết nối giữa node B và RNC. Khác với GSM đây là giao diện
mở. Điều này được mong đợi sẽ thúc đẩy sự cạnh tranh giữa các nhà sản
xuất với nhau, vì vậy sẽ không còn tình trạng độc quyền và chất lượng ngày
càng tốt hơn

 Iur: giao diện kết nối giữa các RNC với nhau. Ban đầu được thiết kế để đảm
bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều
tính năng mới được bổ sung. Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật
sau:
+ Di động giữa các RNC
+ Lưu thông kênh riêng
+ Lưu thông kênh chung
+ Quản lý tài nguyên toàn cục

Trang x


Lời giới thiệu

 Iu: giao diện kết nối UTRAN với CN, là giao diện mở. CN có thể kết nối đến
nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ có
thể kết nối đến một điểm truy nhập CN. Iu gồm 2 phần:
• IuPS: dùng cho miền chuyển mạch gói
• IuCS: dùng cho miền chuyển mạch kênh
1.4.4 Mạng lõi (CN)
Mạng lõi của UMTS gồm 2 miền: miền chuyển mạch kênh (CS) và miền
chuyển mạch gói (PS).
• Chuyển mạch kênh (CS): một kênh sẽ được thiết lập và duy trì trong suốt
quá trình trao đổi giữa 2 người dùng. Sau khi quá trình trao đổi kết thúc thì
kênh sẽ được giải phóng, thường được dùng cho thoại. Chuyển mạch kênh
gồm các phẩn tử: MSC/VLR, GMSC.
• Chuyển mạch gói (PS): dữ liệu sẽ được chia thành các gói nhỏ hơn để
truyền. Mỗi gói sẽ có một địa chỉ đích để mà có thể được chuyển tiếp khi đi
qua các node. Ưu điểm của kỹ thuật này là khi mà có một node trong mạng
bị lỗi, thì tùy thuộc vào giao thức định tuyến trong mạng một đường dẫn mới

sẽ được xác định để mà vẫn có thể chuyển gói tin đến đích. Chuyển mạch gói
gồm các phần tử: SGSN, GGSN.
Còn các phần tử: VLR, HLR, EIR, AUC thì được dùng chung cho cả hai loại
chuyển mạch.
 Chức năng các phần tử trong mạng lõi:
 MSC: là node hổ trợ quá trình định tuyến trong chuyển mạch kênh. Ngoài ra
MSC là nơi xử lý quá trình chuyển giao (Handover) các cuộc gọi và cũng là
nơi chứa những thông số về vị trí hiện tại của người dùng để mà có thể thiết
lập kết nối ngay khi có cuộc gọi đến.
 GMSC: là node chuyển mạch kết nối với các mạng bên ngoài.
 HLR: khi người dùng ký kết hợp đồng sử dụng dịch vụ di động thì dữ liệu về
người dùng và khóa chứng thực được lưu giữ ở HLR. Nó cũng lưu giữ thông
tin về vị trí hiện thời của thuê bao.
 VLR: cũng chứa những thông tin giống HLR nhưng là tạm thời. Khi thuê
bao di chuyển đến một nơi khác thì thông tin sẽ được VLR cập nhật, vì vậy

Trang x


Lời giới thiệu

số liệu về vị trí thuê bao của VLR chính xác hơn HLR. Điểm thuận lợi của
mô hình nhiều cấp độ này là không phải tất cả thông tin đều được tra cứu ở
trung tâm dữ liệu, điều này ngăn cản sự quá tải có thể xảy ra ở trung tâm dữ
liệu.
 SGSN: có nhiệm vụ giống MSC và VLR nhưng thực hiện cho chuyển mạch
gói. Vị trí hiện tại của người dùng cũng được chứa ở SGSN để mà định tuyến
khi có các gói dữ liệu đến. Ngoài ra nó cũng có chức năng chứng thực.
 GGSN: là node cổng có nhiệm vụ chuyển các gói dữ liệu tới mạng khác
(Internet ...). Thường thì GGSN sẽ kết hợp với một tường lửa. Các gói dữ

liệu đến được đóng gói vào các thùng chứa đặc biệt bởi GGSN và được
chuyển tiếp trên giao thức đường hầm GTP đến SGSN.
 EIR: chứa số IMEI của máy di động. Dựa vào trạng thái của IMEI mà EIR sẽ
điều khiển việc cho phép thiết bị truy cập hay không.
Có 3 trạng thái có khả năng xảy ra:
-

Danh sách trắng: là những thiết bị được phép truy cập vào mạng.
Danh sách xám: là những thiết bị nằm ngoài khả năng giám sát

-

bởi mạng và có vấn đề.
Danh sách đen: là những thiết bị bị mất cắp hoặc bị mất kiểm soát
bởi mạng. Đây là những thiết bị không được phép truy cập vào

mạng
 AuC: kết hợp với HLR và chứa khóa chứng thực cho những thuê bao đã
được đăng ký ở HLR.

1.4.5

UTRAN
Nhiệm vụ chính của UTRAN là thiết lập và duy trì việc giao tiếp giữa UE

và CN. Về mặt kiến trúc UTRAN gồm nhiều RNS, mỗi RNS lại bao gồm nhiều
node B và một RNC. Các RNS giao tiếp với nhau thông qua giao diện Iur, giao diện
này có thể mang cả thông tin báo hiệu và lưu lượng.
1.4.5.1

RNC

Trang x


Lời giới thiệu

RNC là node trung tâm của mạng truy cập vô tuyến, cũng giống như BSC
trong hệ thống GSM. RNC quản lý nguồn tài nguyên của tất cả các cell mà nó điều
khiển ( định vị kênh, chuyển giao, điều khiển công suất ). Những nhiệm vụ chủ yếu
của RNC là:
 Điều khiển cuộc gọi: không giống GSM, UMTS sử dụng kỹ thuật CDMA vì
vậy cung cấp một số lượng lớn thuê bao trên cùng một kênh. Điều này sẽ
làm tăng khả năng nhiễu giữa các thuê bao. Do đó RNC sẽ phải tính toán lưu
lượng tải của mỗi cell, và sau đó sẽ xem xét mức nhiễu khi một thuê bao mới
yêu cầu thiết lập cuộc gọi là có thể chấp nhận được không, nếu không được
thì sẽ từ chối việc truy cập của thuê bao.
 Quản lý tài nguyên vô tuyến
 Phân bổ mã: mã CDMA trong UMTS được quản lý trong cái gọi là cây mã.
RNC cung cấp một phần cây mã đến máy di động và cũng có thể thay đổi mã
trong quá trình kết nối.
 Điều khiển công suất
 Lập lịch gói: trong chuyển mạch gói thì nhiều thuê bao sẽ cùng chia sẽ một
kênh truyền vô tuyến. RNC có nhiệm vụ lập chu trình phân bố việc truyền
các gói tin cho thuê bao.
 Điều khiển chuyển giao
 Mã hóa dữ liệu đến từ mạng cố định
 Sử dụng chuyển mạch ATM hoặc IP trên các kết nối giữa node B với RNC,
RNC với RNC và RNC với CN.
1.4.5.2 Node B

Node B trong UMTS cũng giống như trạm BTS trong GSM. Node B quản
lý một hoặc nhiều cell. Có 3 loại node B ở trong 2 chế độ UMTS: UTRA-FDD node
B, UTRA-TDD node B và dual-mode node B, có thể dùng 2 chế độ đồng thời. Node
B kết nối trên đường ATM hoặc IP đến RNC. Tùy thuộc vào khoảng cách giữa node
B và RNC mà có những nhiệm vụ khẩn cấp không thể thực hiện ở RNC như điều
khiển công suất vòng trong nên đôi khi được thực hiện ở node B. Trong trường hợp
đặc biệt của chuyển giao mềm hơn, việc tách và gộp luồng dữ liệu của nhiều phân

Trang x


Lời giới thiệu

vùng được xử lý ở node B. Ngoài ra node B cũng đo chất lượng và cường độ của tín
hiệu, lập báo cáo đo đạt cho RNC.
1.4.5.3 UE
UE là node quan trọng cuối cùng trong mạng. Gồm 2 thành phần là:
-

ME: đây là thiết bị đầu cuối di động được sử dụng để giao tiếp với mạng qua

-

giao diện vô tuyến Uu
USIM: là thẻ thông minh được gắn vào ME, chứa các thông tin về nhận thực
thuê bao, chứa khóa cho việc chứng thực và thực hiện các thuộc toán chứng
thực khi thuê bao thiết lập cuộc gọi.

1.5

Chuyển giao
Trong hệ thống thông tin di động tế bào có hổ trợ việc chuyển vùng phục vụ

khi mà user đang di chuyển từ cell này sang cell khác. Quá trình này được gọi là
chuyển giao. Mục đích chính của chuyển giao là duy trì các cuộc gọi đang diễn ra.
Điều này thực sự cần thiết khi mà user đang di chuyển (có thể với tốc độ cao) và sẽ
thật sự phiền nhiễu nếu cuộc gọi đang diễn ra bị rớt khi user di chuyển từ cell này
sang cell khác. Khác với GSM các user chỉ có giao tiếp cùng lúc với một cell gọi là
chuyển giao cứng, thì ở CDMA cho phép cùng lúc user có thể giao tiếp với nhiều
cell khác nhau gọi là chuyển giao mềm. Chuyển giao mềm và mềm hơn là các loại
chuyển giao đặc biệt của CDMA trong hệ thống UMTS và cũng là đặc tính quan
trọng nhất của cuộc cách mạng sử dụng phương thức truy cập WCDMA. WCDMA
có 3 loại chuyển giao: chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và chuyển giao mềm
hơn.
1.5.1

Chuyển giao cứng (Hard Handover)

Trang x


Lời giới thiệu

Hình 1.4: Chuyển giao cứng
Chuyển giao cứng trong WCDMA cũng có những nét tương đồng như trong
GSM. Chuyển giao cứng được thực hiện trong trường hợp chất lượng dịch vụ bị xấu
đi hoặc trong việc quản lý phân bố lưu lượng tải. Trong quá trình chuyển giao cứng
các kết nối cũ của UE bị bỏ đi trước khi một liên kết mới được thiết lập. Có 3 loại
chuyển giao cứng:
 Inter-system: là quá trình chuyển giao giữa hệ thống 2G và 3G hoặc giữa các

chế độ UTRA-FDD và UTRA-TDD. Khi vùng phủ sóng của WCDMA và hệ
thống lân cận (GSM) chồng lên nhau thì IS-HO được sử dụng để điều khiển
tải giữa các hệ thống. Chẳng hạn như các kết nối về thoại thì xử lý ở mạng
2G lân cận, còn kết nối dữ liệu thì xử lý ở hệ thống WCDMA. Thuật toán ISHO được xử lý ở RNC.
 Intra-frequency: chuyển giao này không xuất hiện ở chế độ FDD mà chỉ có ở
TDD. Quá trình chuyển giao này làm thay đổi mã trải phổ và giải trải phổ
nhưng tần số thì không đổi.
 Inter-frequency: chuyển giao này xuất hiện khi cell ở các cấp độ phân cấp
khác nhau (mico, macro, pico cell), hay giữa GSM và WCDMA. Lúc đó
chuyển giao Inter-system cũng là Inter-frequency và tần số sóng mang của
UE sẽ thay đổi.

Trang x


Lời giới thiệu

1.5.2

Chuyển giao mềm (Soft Handover)

Hình 1.5: Chuyển giao mềm trong cùng RNC và khác RNC
Chuyển giao mềm xảy ra khi UE nằm ở khu vực là nơi giao nhau giữa 2
vùng phủ sóng của 2 cell. Có 2 loại chuyển giao mềm:
-

Chuyển giao giữa các node B nhưng thuộc cùng một RNC quản lý.
Chuyển giao giữa các node B nhưng thuộc các RNC khác nhau.
Trong chuyển giao mềm thì liên kết đến 2 trạm gốc có được thiết lập đồng

thời, đây là cách mà UE có thể giao tiếp với 2 trạm gốc. Bởi việc có nhiều hơn một
kết nối trong quá trình xử lý chuyển giao, điều này làm tăng độ tin cậy hơn và quá
trình chuyển giao được liền mạch hơn.
Thực tế trong chuyển giao mềm sử dụng nhiều đường liên kết đồng thời,
điều đó có nghĩa là các cell lân cận sẽ ở trên cùng một tần số hoặc kênh bởi vì UE
không có nhiều máy phát và máy thu. Điều này là thật sự cần thiết.
Khi chuyển giao mềm, UE nhận tín hiệu từ 2 node B và kết hợp chúng bằng
sử dụng máy thu RAKE. Việc chuyển giao ở đường uplink phức tạp hơn vì việc kết
hợp tín hiệu không thể được hoàn thành vì có liên quan đến nhiều node B. Thay vào
đó việc kết hợp tín hiệu sẽ được hoàn thành trên các frame. Khung tốt nhất được lựa
chọn là sau chu kỳ của bộ xáo trộn bits (Interleaving).
Chuyển giao mềm sử dụng nguồn tài nguyên mạng nhiều hơn là chuyển giao
cứng. Tuy nhiên điều này bù lại sẽ làm tăng độ tin cậy và hiệu suất của quá trình

Trang x


Lời giới thiệu

chuyển giao. Điều cuối cùng cần nhớ rằng chuyển giao mềm và chuyển giao mềm
hơn được khởi tạo ở RNC chứ không phải ở mạng lõi CN.
1.5.3

Chuyển giao mềm hơn (Softer Handover)

Hình 1.6: Softer Handover
Chuyển giao mềm hơn là trường hợp đặc biệt của chuyển giao mềm. Đây là
quá trình chuyển giao giữa các sector khác nhau trong cùng một node B. Điều này
xảy ra là do UE đang ở vùng giao nhau giữa 2 sector, hoặc thông thường là do hiệu
ứng đa đường của việc phản xạ từ các tòa nhà.

Ở đường uplink node B sẽ thu tín hiệu từ nhiều sector khác nhau, điều này
làm cải thiện chất lượng tín hiệu. Ở hướng downlink thì có phức tạp hơn chút bởi vì
mỗi sector của node B sử dụng một mã trải phổ khác nhau. Để giải quyết vấn đề
này, sử dụng "finger" khác nhau của máy thu RAKE để mà giải trải phổ mã của tín
hiệu thu được. Sau khi được thực hiện tín hiệu có thể kết hợp lại với nhau như
trước. Số lượng liên kết vô tuyến tối đa mà UE có thể hổ trợ đồng thời là 8. Thực tế
điều này được giới hạn ở 4.
Thông thường khi kết nối RRC được thiết lập, nó chỉ luôn thiết lập ở trên
một cell. Mạng sẽ khởi tạo việc đo tần số bên trong (Intra-frequency) để kiểm tra
nếu có bất cứ cell nào khác mà UE có thể kết nối đồng thời để cải thiện chất lượng
dữ liệu đang được truyền giữa RNC và UE. Nếu cell là phù hợp thì thủ tục cập nhật
thiết lập kích hoạt được khởi tạo (Active Set Update). Bằng cách sử dụng bản tin
cập nhật thiết lập kích hoạt này, mạng sẽ thêm hoặc xóa nhiều hơn một kết nối vô
tuyến đến UE.

Trang x


Lời giới thiệu

1.6

Kết luận
Trong chương này chúng ta đã có được cái nhìn tổng quan về cấu trúc mạng

của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 UMTS và cũng đã hiểu sơ lược về các
loại chuyển giao trong 3G. Đây cũng là những kiến thức cơ bản làm tiền đề để
nghiên cứu sâu hơn về 3G trong các chương tiếp theo.

Trang x

Lời giới thiệu

CHƯƠNG 2
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG UMTS
2.1

Giới thiệu chương
Hệ thống UMTS sử dụng công nghệ WCDMA để tăng tốc độ dữ liệu và

dung lượng hệ thống. Nhưng để đạt được điều đó thì cần phải giảm thiểu tối đa
nhiễu trong hệ thống. Điều khiển công suất là một phương pháp hiệu quả để làm
điều này. Vì vậy trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại điều khiển công
suất trong UMTS.
2.2

Mục đích của điều khiển công suất và hiện tượng gần xa

2.2.1 Mục đích
Điều khiển công suất nhằm những mục đích sau:
• Giải quyết vấn đề của hiện tượng gần xa
• Điều chỉnh công suất phát để đảm bảo chất lượng ở đường lên và xuống
• Giảm nhiễu để tăng dung lượng hệ thống
•

Làm giảm tối đa công suất của đầu cuối di động, vì vậy làm tăng tuổi thọ của
pin.

⇒ Tóm lại điều khiển công suất là để điều chỉnh công suất phát của đầu cuối di

động ở mức thấp nhất nhưng vẫn đảm bảo được một chất lượng dịch vụ ở
một mức chấp nhận được.
2.2.2 Hiện tượng gần xa
Trong hệ thống WCDMA các thuê bao sẽ cùng phát tín hiệu trên cùng băng
tần một cách đồng thời. Vì vậy không có điều khiển công suất, ở đường lên tín hiệu
đến từ MS gần với BS nhất có thể chặn các tín hiệu từ các MS khác cách xa BS
hơn. Trong tình huống xấu nhất, một MS có công suất quá lớn có thể chặn toàn bộ
một cell. Giải pháp là áp dụng điều khiển công suất để đảm bảo rằng các tín hiệu
đến từ các đầu cuối khác nhau có sẽ có cùng mức công suất khi chúng đến node B.

Trang xi