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

NGUYỄN THÀNH TRUNG

CÁC PHƢƠNG PHÁP CHUYỂN GIAO
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Chuyên ngành : Kỹ thuật Truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN LUẬN VĂN :
TS. PHẠM DOÃN TĨNH

Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Luận văn đƣợc viết dựa trên
kết quả nghiên cứu theo đề cƣơng của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Phạm
Doãn Tĩnh.
Cùng với kết quả thực nghiệm thực tế với mạng Mobifone, những kết quả
thực tế trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kì một bản
luận văn nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2013

Học viên thực hiện

Nguyễn Thành Trung


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................6
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..........................................................................................7
LỜI MỞ ĐẦU ...........................................................................................................13
CHƢƠNG 1: TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG .......................................................................................................................15
Hệ thống thông tin di động đầu tiên................................................................15

1.1.

1.1.1.

Lịch sử phát triển......................................................................................15

1.1.2.

Đặc điểm hệ thống....................................................................................15

1.2.

Hệ thống 2G ....................................................................................................15

1.2.1.


Đặc điểm hệ thống....................................................................................16

1.2.2.

Các hệ thống điển hình .............................................................................17

1.2.3.

Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống ...................................................................17

1.3.

Hệ thống 3G, 3,5G ..........................................................................................18

1.3.1.

Đặc điểm hệ thống....................................................................................19

1.3.2.

Ƣu nhƣợc điểm .........................................................................................20

1.3.3.

Hệ thống 3,5G ..........................................................................................21

1.4.

Hệ thống 4G và kế tiếp ...................................................................................21


1.4.1.

Đặc điểm công nghệ .................................................................................22

1.4.2.

Kiến trúc tổng quát của hệ thống .............................................................22

CHƢƠNG 2: CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG GSM ...................................24
2.1.

Kiến trúc mạng ............................................................................................24

2.2.

Mạng truy nhập vô tuyến .............................................................................26

2.3.

Chuyển giao trong GSM ..............................................................................33

2.3.1.

Nguyên tắc chung của chuyển giao ......................................................34

2.3.2.

Chuyển giao trong BTS ........................................................................40

2.3.3.


Chuyển giao trong cùng BSC ...............................................................41

2.3.4.

Chuyển giao trong cùng MSC ..............................................................41

2.3.5.

Chuyển giao giữa các MSC ..................................................................42
1


2.3.6.

Chi tiết chuyển giao ..............................................................................43

CHƢƠNG 3: CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG UMTS ................................53
3.1.

Mô hình mạng ..............................................................................................53

3.1.1.

Kiến trúc UTRAN và mạng lõi trong 3GPP R4 ...................................54

3.1.2.

Kiến trúc logic của UTRAN .................................................................55


3.1.3.

Giao diện và chức năng các thành phần mạng .....................................56

3.2.

Giao thức và mạng truy nhập vô tuyến........................................................57

3.2.1.

Giao thức mạng .....................................................................................57

3.2.2.

Mạng truy nhập vô tuyến ......................................................................60

3.3.

Chuyển giao trong UMTS ...........................................................................72

3.3.1.

Chuyển giao cùng tần số .......................................................................75

3.3.2.

Chuyển giao khác tần số và chuyển giao khác công nghệ truy cập vô

tuyến


...............................................................................................................87

CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM CHUYỂN GIAO 640VỚI MẠNG MOBIFONE ....99
4.1.

Giới thiệu phần mềm TEMS Investigation ...........................................99

4.2.

Kịch bản thực hiện ..............................................................................100

4.3.

Kết quả thực hiện ................................................................................100

4.4.

Phân tích kết quả .................................................................................103

KẾT LUẬN .............................................................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................110

2


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Kết nối liên tục giữa các mạng ..................................................................23
Hình 2.1. Cấu trúc mạng GSM..................................................................................24
Hình 2.2. Đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA .....................................................28
Hình 2.3. Tổ chức một khung TDMA.......................................................................28

Hình 2.4. Phân khung TDMA ...................................................................................29
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thồng các kênh logic trong mạng GSM .....................................29
Hình 2.6. Tổ chức hai kênh lƣu lƣợng bán tốc TCH0/H và TCH1/H lên đa khung
26 ...............................................................................................................................30
Hình 2.7. Tổ chức các kênh điều khiển quảng bá lên các khe thời gian ...................31
Hình 2.8. Tổ hợp các kênh logic lên kênh vật lý ......................................................33
Hình 2.9. Tổng quan về chuyển giao trong GSM .....................................................34
Hình 2.10. Quy trình chung thực hiện thuật toán chuyển giao ................................35
Hình 2.11. Quy trình quyết định chuyển giao dựa trên thuật toán chuyển giao 1 ....36
Hình 2.12. Quá trình chuyển giao và ƣu tiên trong thuật toán chuyển giao 1 ..........38
Hình 2.13. Quy trình chuyển giao sử dụng thuật toán chuyển giao 2.......................39
Hình 2.14. Quyết định chuyển giao theo thuật toán chuyển giao 2 ..........................40
Hình 2.15 Chuyển giao trong BTS ............................................................................41
Hình 2.16. Chuyển giao trong cùng BSC..................................................................41
Hình 2.17. Chuyển giao trong cùng MSC .................................................................42
Hình 2.18. Chuyển giao giữa các MSC khác nhau ...................................................43
Hình 2.19. Các bản tin gửi để BSC quyết định chuyển giao trong cùng MSC.........44
Hình 2.20. Giai đoạn cấp kênh trong GSM...............................................................45
Hình2.21. Giai đoạn thực hiện chuyển giao trong cùng MSC ..................................46
Hình 2.22. Thủ tục giải phóng kênh trong chuyển giao GSM ..................................47
Hình 2.23. Thủ tục chuyển giao thành công trong cùng MSC .................................48
Hình 2.24. Quá trình MS quay trở lại BSS cũ ..........................................................50
Hình 2.25. Giải phóng cuộc gọi ................................................................................51
Hình 3.1. Kiến trúc tổng quan ...................................................................................54
Hình 3.2. Kiến trúc logic của UTRAN .....................................................................55
Hình 3.3. Chức năng chính của các thành phần mạng ..............................................56
Hình 3.4. Giao tiếp giữa UE và UTRAN ..................................................................57
3



Hình 3.5. Các giao thức mạng ...................................................................................57
Hình 3.6. Các giao thức trên giao diện Iu .................................................................59
Hình 3.7. Tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến ....................................................60
Hình 3.8. Truy cập dịch vụ........................................................................................60
Hình 3.9. Kênh vô tuyến, giao thức và thành phần mạng .........................................61
Hình 3.10. Mô hình kênh logic .................................................................................62
Hình 3.11. Các kênh logic, vận chuyển, và vật lý ở hƣớng xuống ............................63
Hình 3.12. Các kênh logic, vận chuyển, và vật lý ở hƣớng lên .................................63
Hình 3.13. Mô hình kênh vận chuyển .......................................................................66
Hình 3.14. Mô hình kênh vật lý ................................................................................68
Hình 3.15. Chuyển giao đƣợc hỗ trợ bởi UMTS .....................................................73
Hình 3.16. So sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm ............................75
Hình 3.17. Điều khiển chuyển giao ...........................................................................77
Hình 3.18. Chuyển giao cùng tần số, cùng NodeB ...................................................81
Hình 3.19. Thủ tục báo hiệu cho chuyển giao cùng tần số, cùng NodeB .................81
Hình 3.20. Chuyển giao cùng RNC, khác NodeB, cùng tần số ................................82
Hình 3.21. Thủ tục chuyển giao cùng RNC, khác NodeB, cùng tần số ....................83
Hình 3.22. Chuyển giao mềm khác RNC, cùng tần số .............................................83
Hình 3.23. Chuyển giao mềm khác RNC, cùng tần số .............................................84
Hình 3.24. Chuyển giao cứng cùng RNC, khác NodeB, cùng tần số .......................85
Hình 3.25. Chuyển giao cứng cùng RNC, khác NodeB, cùng tần số .......................85
Hình 3.26. Chuyển giao cứng khác RNC, cùng tần số .............................................86
Hình 3.27. Chuyển giao cứng khác RNC, cùng tần số .............................................86
Hình 3.28. Chuyển giao khác tần số giữa các NodeB trong cùng RNC ...................88
Hình 3.29. Thủ tục báo hiệu cho chuyển giao khác tần số giữa các NodeB trong
cùng RNC ..................................................................................................................89
Hình 3.30. Thủ tục chuyển giao cứng khác tần số giữa các RNC ............................90
Hình 3.31. Thủ tục báo hiệu của chuyển giao khác tần số giữa các RNC ................90
Hình 3.32. Quy trình báo hiệu cho chuyển giao 3G-2G trong miền CS ...................91
Hình 3.33. Chuyển giao 3G-2G trong miền PS ........................................................93

Hình 3.34. Tạm dừng và trả lại dịch vụ SGSN .........................................................94
4


Hình 3.35. Tạm dừng và trả lại dịch vụ Inter-SGSN ................................................94
Hình 3.36. Chuyển giao 2G tới 3G trong miền CS ...................................................95
Hình 3.37. Thủ tục báo hiệu của chuyển giao 2G-3G trong miền PS.......................96
Hình 3.38. Các trạng thái quản lý tính di động của mạng vô tuyến và mạng lõi
chuyển gói dành cho một đƣờng truyền chuyển gói tích cực ...................................98
Hình 4.1. Kết quả đo route Dƣơng Đình Nghệ, Trung Kính ..................................101
Hình 4.2. Mức thu RSCP trung bình trên cả tuyến đo ............................................102
Hình 4.3. Mức Ec/No trung bình trên tuyến đo ......................................................103
Hình 4.4. Kết quả chuyển giao mềm .......................................................................103
Hình 4.5. Các sự kiện xảy ra trên MS1 ...................................................................104
Hình 4.6. Active set của MS1 tại một thời điểm .....................................................104
Hình 4.7. Các bản tin layer 3 của MS1 ...................................................................105
Hình 4.8. Chuyển giao từ WCDMA sang GSM .....................................................106
Hình 4.9. Danh sách cell lân cận .............................................................................107
Hình 4.10. Chuyển giao không thành công .............................................................107

5


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Sự khác nhau giữa chuyển giao mềm và mềm hơn ..................................76
Bảng 3.2. Các sự kiện đƣợc báo cáo bởi UE ............................................................78
Bảng 3.3. Danh sách các kiểu quyết định và kích hoạt chuyển giao theo sự kiện....80
Bảng 3.4. Các loại chuyển giao khác tần số và khác công nghệ...............................88
Bảng 4.1. Tổng hợp kết quả đo ...............................................................................102


6


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

2G

Second Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

3G

Third Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

3GPP

3rd

Generation

Partnership


Project

Dự án đối tác thế hệ thứ 3

A
AICH

Acquisition Indicator Channel

Kênh chỉ số thiết lập

AuC

Authentication Centre

Trung tâm nhận thực

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BER


Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BMC

Broadcast/Multicast Control

Điều khiển quảng bá, đa truy nhập

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung

B

C

CCCH
CDMA

Code

Division

Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CN

Core network

Mạng lõi

CPCH

Common Packet Channel

Kênh dữ liệu gói dùng chung
7


CRC

Cyclic Redundancy Check


Mã kiểm tra độ dƣ vòng

CS

Circuit Switched

Chuyển mạch kênh

CTCH

Common Traffic Channel

Kênh truyền tải dùng chung

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng

DCH

Dedicated Channel

Kênh dành riêng

DL

Downlink


Đƣờng lên

D

DPCCH

DPDCH

DSSS
DTCH

Dedicated

Physical

Control

Channel
Dedicated

Physical

Data

Channel
Direct

Sequence


Spread

Spectrum

Kênh điều khiển vật lý dành riêng

Kênh vật lý dành riêng

Trải phổ chuỗi trực tiếp
Kênh truyền tải dành riêng

Dedicated Traffic Channel

E
EIRP

Effective

Isotropically Công suất phát xạ đẳng hƣớng hiệu

Radiated Power

dụng

FACH

Forward Access Channel

Kênh truy nhập chuyển tiếp


FBI

Feedback Information

Thông tin phản hồi

FDD

Frequency Division Duplex

Phân chia theo tần số

Gateway GPRS Support Node

Cổng hỗ trợ GPRS

F

G
GGSN

8


GMM

GPRS MM

Quản lý di động GPRS


GMSC

Gateway MSC

Cổng MSC

GSM

Global System for Mobile
Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

H
HLR

Home Location Register

Thanh ghi định vị thƣờng trú

HO

Hand over

Chuyển giao

HSDPA

HSUPA


High-speed Downlink Packet Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ
Access
High-speed

cao
Uplink

Packet

Access

Truy nhập gói đƣờng lên tốc độ cao

I
I
IMT
IP

Nhiễu

Interfere
International

Mobile

Telecommunications

Giao thức mạng internet

Internet Protocol

Inter Radio Access

IRAT
ITU

Viễn thông di động quốc tế

Chuyển giao khác công nghệ

Technology Handover
International

Hiệp hội viễn thông quốc tế

Telecommunication Union

K
KPI

Key Performance Indicator

Chỉ số hoạt động

Location Area

Khu vực định vị

L
LA


9


LAC

Location Area Code

Mã vùng

M
Lớp điều khiển truy nhập môi

MAC

Medium Access Control

ME

Mobile Equipment

Thiết bị di động

MM

Mobility Management

Quản lý di động

MMS


Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Centre

Trung tâm chuyển mạch di động

NBAP

Node B Application Protocol

Giao thức ứng dụng trạm gốc

NF

Noise Figure

Hệ số tạp âm

Operations and Maintenance

Vận hành và bảo dƣỡng


PC

Power control

Điều khiển công suất

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

PCH

Paging Channel

Kênh tìm gọi

PCPCH

Physical CPCH

Kênh hoa tiêu

trƣờng

N

O
O&M

P

PDCP

PDF

Packet

Data

Convergence

Protocol
Probability

dustrubition

function

10

Giao thức hội tụ chuyển mạch gói

Hàm phân bố xác suất


PG

Process gain


Độ lợi quá trình

PICH

Paging Indicator Channel

Kênh chỉ số tìm gọi

PLMN

PublicLandMobile Network

Mạng di động mặt đất công cộng

PN

Pseudo Noise

Nhiễu giả ngẫu nhiên

PS

Packet Switched

Chuyển mạch gói

PSC

Primary Synchronisation Code Từ mã đồng bộ chính


PSTN

Public

Switched

Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công

Network

cộng

QoS

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

Q

R
RAC

Routing Area Code

Vùng định tuyến


RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập sóng vô tuyến

Radio Access Network

Giao thức ứng dụng mạng truy cập

RANAP

Application Protocol

vô tuyến

RB

Radio Bearer

Dịch vụ mang vô tuyến

RLB


Radio Link Budgets

Quỹ năng lƣợng đƣờng truyền

RLC

Radio Link Control

Điều khiển tuyến vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Khối điều khiển sóng vô tuyến

Radio Network Sub-system
RNSAP

Giao thức ứng dụng mạng vô tuyến

Application Protocol

11


Received Signal Code Power

Công suất sóng thu đuợc


SAP

Service access point

Điểm truy cập dịch vụ

SCH

Synchronisation Channel

Kênh đồng bộ

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SHO

Soft Hand over

Chuyển giao mềm

RSCP
S

SSC


Secondary

Synchronisation

Code

Từ mã đồng bộ phụ

T
TDMA

Time

Division

Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

Transmit Power Control

Điều khiển công suất phát

UE

User Equipment

Thiết bị ngƣời sử dụng


UL

Uplink

Đƣờng lên

TPC
U

UMTS

UTRAN

Universal

Mobile

Telecommunications System
Universal

Terrestrial

Radio

Access

Hệ thống viễn thông toàn cầu

Mạng truy nhập mặt đất


V
VLR

Thanh ghi định vị thƣờng trú

Visitor Location Register

W
WCDMA

Wideband

Code

Division

Multiple Access
12

Đa truy cập mã băng rộng


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay thông tin liên lạc đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc
sống của chúng ta, chƣa bao giờ việc liên lạc, trao đổi thông tin giữa con ngƣời với
nhau ở trên khắp hành tinh trở nên dễ dàng nhƣ vậy, những giá trị mà công nghệ
viễn thông mang lại góp một phần to lớn vào sự phát triển và tiến bộ của xã hội loài
ngƣời. Dịch vụ viễn thông ngày nay không đơn thuần chỉ là cuộc gọi, nhắn tin mà
còn vô số dịch vụ hấp dẫn khác nhƣ: cuộc gọi video, truy cập internet, duyệt web,

email… ở mọi nơi, mọi thời điểm. Để đáp ứng nhu cầu ngày một lớn của khách
hàng, các nhà cung cấp dịch vụ cũng không ngừng cải tiến, nâng cấp chất lƣợng
dịch vụ, mở rộng vùng phủ sóng, đƣa ra nhiều dịch vụ mới với các gói cƣớc linh
hoạt phù hợp với mọi lứa tuổi, mọi thành phần. Ở Việt Nam hiện đang có sáu nhà
cung cấp dịch vụ di động với vùng phủ sóng trên toàn quốc và khả năng chuyển
vùng quốc tế linh hoạt.
Hiện nay các nhà mạng tại Việt Nam đang khai thác dịch vụ dựa trên hai
công nghệ là công nghệ GSM và UMTS (W-CDMA). Phát triển mở đầu dựa trên
công nghệ GSM với kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và kết
hợp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) để tăng dung lƣợng hệ thống, sau đó
với nhu cầu một tăng của ngƣời dùng về các dịch vụ mới chủ yếu liên quan đến dữ
liệu, kết nối internet thì công nghệ UMTS (W-CDMA công nghệ truy cập băng rộng
phân chia theo mã) đƣợc sử dụng để đáp ứng nhu cầu đó.
Nói đến hệ thống di động thì điều quan trọng đầu tiên là tính “di động” của
nó, đây là chìa khóa tạo nên thành công của hệ thống di động so với các hệ thống
thông tin liên lạc trƣớc đây, và để đảm bảo tính di động của hệ thống đó chính là kỹ
thuật chuyển giao (Handover), nhờ có chuyển giao mà dịch vụ luôn thông suốt ở
mọi nơi, mọi lúc khi chúng ta di chuyển. Chính vì những yếu tố đó tôi đã lựa chọn
chuyển giao làm nội dung nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp cao học.
Đồ án đƣợc chia làm năm phần chính:
Phần 1: Nghiên cứu về quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ
thế hệ đầu tiên.
13


Phần 2: Nghiên cứu về kỹ thuật chuyển giao trong GSM, các loại chuyển
giao, thủ tục báo hiệu.
Phần 3: Nghiên cứu về kỹ thuật chuyển giao trong UMTS, kiến trúc mạng,
mạng truy cập vô tuyến, các thủ tục báo hiệu.
Phần 4: Thực nghiệm chuyển giao trên mạng Mobifone bằng công cụ TEMS

Investigation.
Phần 5: Kết luận và hƣớng phát triển tiếp theo của đề tài.
Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Phạm Doãn Tĩnh đã tận
tình hƣớng dẫn tôi trong suốt thời gian làm luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn
đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thiện luận văn này.

14


CHƢƠNG 1: TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG
Chƣơng này giới thiệu về lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống thông
tin di động qua các giai đoạn, đặc điểm của từng hệ thống từ đó để có cái nhìn tổng
quan của toàn hệ thống hiện tại và hƣớng phát triển trong tƣơng lai.
1.1.

Hệ thống thông tin di động đầu tiên

1.1.1. Lịch sử phát triển
Là mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới, sử dụng
công nghệ tƣơng tự, là hệ thống truyền tín hiệu tƣơng tự (analog), là mạng điện
thoại di động đầu tiên của nhân loại, đƣợc khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Nó sử
dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm
thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di
động. Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thƣớc
khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc hai module thu tín hiện và phát tín hiệu
nhƣ trên. Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là : NMT
(Nordic Mobile Telephone) đƣợc sử dụng ở các nƣớc Bắc Âu, Tây Âu và Nga.
Cũng có một số công nghệ khác nhƣ AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ
thống điện thoại di động tiên tiến) đƣợc sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access

Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) đƣợc sử dụng ở Anh,
C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở
Italia.
1.1.2. Đặc điểm hệ thống
Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ
yếu là âm thanh. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba.
Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex,
DataTac. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lƣợng thấp, xác suất rớt cuộc gọi
cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lƣợng âm thanh kém, không có
chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng .
1.2.

Hệ thống 2G
15


Năm 1982, hội nghị quản lý bƣu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT –
European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập
1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới
về thông tin di động ở Châu âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng
ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991.
Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI – European
Telecommunication Standards Institute) đƣợc thành lập, có trách nhiệm biến đổi
nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European.
Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA -1G, 2G - là kết hợp FDMA và TDMA. Tất
cả các chuẩn của thế hệ này đều là chuẩn kỹ thuật số và đƣợc định hƣớng thƣơng
mại, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS, HSCSD,
WiDEN và CDMA2000 (1xRTT/IS-2000). Trong đó khoảng 60% số mạng hiện tại
là theo chuẩn của châu Âu.
1.2.1. Đặc điểm hệ thống

Hệ thống GSM làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890960MHz). Băng tần đƣợc chia làm 2 phần:
-

Uplink band từ (890 – 915) MHz

-

Downlink ban từ (935 – 960)MHz

Băng tần gồm 124 sóng mang đƣợc chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz,
khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số
riêng biệt cho 2 đƣờng lên và xuống gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần
số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và
mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. Tốc
độ mã từ (6.5- 13)Kbps. 125 kênh tần số đƣợc đánh số từ 0 đến 124 đƣợc gọi là
kênh tần số tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number).
Ful(n) = 890 MHz + (0,2MHz) * n
Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz
Với 1 <= n <= 124
Sử dụng các phƣơng pháp đa truy nhập chính là :
+ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple
Access ).
16


+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple
Access).
+ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple
Access).
1.2.2. Các hệ thống điển hình

Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên,
sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Trong thời kỳ của
thế hệ thứ hai, nền công nghệ thông tin di động đã tăng trƣởng vƣợt trội cả về số
lƣợng thuê bao và các dịch vụ giá trị gia tăng. Các mạng thế thứ hai cho phép truyền
dữ liệu hạn chế trong khoảng từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps. Các mạng này đƣợc sử
dụng chủ yếu cho mục đích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh. Tƣơng tự nhƣ
trong 1G, không tồn tại một chuẩn chung toàn cầu nào cho 2G, hiện nay các hệ
thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:
-

D-AMPS (Digital AMPS): Đƣợc sử dụng tại Bắc Mỹ. D-AMPS đang dần

đƣợc thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000.
-

GSM (Global System for Mobile Communications): Các hệ thống triển khai

GSM đƣợc sử dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ, Nhật). Hệ thống
GSM dồn kênh phân chia tần số đƣợc sử dụng, với mỗi đầu cuối di động truyền
thông trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số khác cao hơn (chênh lệch
80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM). Trong cả hai hệ thống, phƣơng
pháp dồn kênh phân chia thời gian lại đƣợc áp dụng cho một cặp tần số, làm tăng
khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của hệ thống. Tuy nhiên, các kênh GSM rộng
hơn các kênh AMPS (200kHz so với 30kHz) qua đó GSM cung cấp độ truyền dữ
liệu cao hơn D-AMPS.
-

CDMA (code Division Multiple Access):
CDMA sử dụng công nghệ đa truy cập thông qua mã . Nhờ công nghệ này


mà CDMA có thể nâng cao dung lƣợng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một
cell cao hơn hẳn so với hai công nghệ trên.
-

PDC (Personal Digital Cellular): Là chuẩn đƣợc phát triển và sử dụng duy
nhất tại Nhật Bản. Giống nhƣ D-AMPS và GSM, PDC sử dụng TDMA.

1.2.3. Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống
17


-

Những cuộc gọi di động đƣợc mã hóa kĩ thuật số.

-

Cho phép tăng hiệu quả kết nối các thiết bị.

-

Bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động –
khởi đầu là tin nhắn SMS.
Những công nghệ 2G đƣợc chia làm hai dòng chuẩn : TDMA (Time –

Divison Mutiple Access : Đa truy cập phân chia theo thời gian), và CDMA ( Code
Divison Multple Access : Đa truy cập phân chia theo mã), tùy thuộc vào hình thức
ghép kênh đƣợc sử dụng.
Tại Việt Nam, các hệ thống thông tin đầu tiên sử dụng công nghệ GSM với
các nhà cung cấp là Mobifone, Vinaphone và sau này là Viettel, sau đó với sự tham

gia của ba nhà mạng là Sfone, EVN Telecom, HT-Mobile sử dụng công nghệ
CDMA. Tuy nhiên do tham gia thị trƣờng sau cùng với hạn chế về thiết bị đầu cuối,
các nhà mạng sử dụng công nghệ CDMA đã không còn chỗ đứng trên thị trƣờng.
Sau sự kiện EVN Telecom sát nhập với Viettel, HT-Mobile xin chuyển đổi cộng
nghệ sang GSM và Sfone chính thức tạm ngừng cung cấp dịch vụ, hệ thống 2G tại
Việt Nam hiện nay chỉ sử dụng duy nhất công nghệ GSM.
1.3.

Hệ thống 3G, 3,5G
3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3

(Third Generation). Đã có rất nhiều ngƣời nhầm lẫn một cách vô ý hoặc hữu ý giữa
hai khái niệm 3G và UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems).
Mạng 3G (Third-Generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công
nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải
dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là
chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập
radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này
so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình
ảnh chất lƣợng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ
khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng
18


các dịch vụ đa phƣơng tiện, nhƣ âm nhạc chất lƣợng cao; hình ảnh video chất lƣợng
và truyền hình số; Các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail;video streaming;
High-ends games;...
Quốc gia đầu tiên đƣa mạng 3G vào sử dụng rộng rãi là Nhật Bản. Vào năm
2001, NTT Docomo là công ty đầu tiên ra mắt phiên bản thƣơng mại của mạng WCDMA. Năm 2003 dịch vụ 3G bắt đầu có mặt tại châu Âu. Tại châu Phi, mạng 3G
đƣợc giới thiệu đầu tiên ở Maroc vào cuối tháng 3 năm 2007 bởi Công ty Wana.

1.3.1. Đặc điểm hệ thống
Đặc điểm nổi bật nhất của mạng 3G là khả năng hỗ trợ một lƣợng lớn các
khách hàng trong việc truyền tải âm thanh và dữ liệu – đặc biệt là ở các vùng đô thị
- với tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn mạng 2G.
3G sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho phép
việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống
tĩnh. Ngƣời dùng hy vọng mạng 3G sẽ đƣợc phát triển hiệu quả hơn nữa, để các
khách hàng của các mạng 3G khác nhau trên toàn cầu có thể kết nối với nhau.
Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ đƣợc phân tầng,
không giống nhƣ mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những ƣu điểm
nhƣ triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm đƣợc tập trung hóa. Tầng giữa là
tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và cho phép mạng lƣới có thể
đƣợc phân chia linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu
nào cũng có thể đƣợc sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ đƣợc chuyển qua ATM/AAL2
hoặc IP/RTP.
CDMA đƣợc dùng trong mạng IMT-2000 3G là WCDMA (Wideband
CDMA) và CDMA2000.
-

WCDMA là đối thủ của cdma2000 và là một trong 2 chuẩn 3G, trải phổ rộng

hơn đối với CDMA do đó có thể phát và nhận thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn.
-

Ở Châu Âu, mạng 3G WCDMA đƣợc biết nhƣ là UMTS (Universal Mobile

Telephony System) là một cái tên khác cho W-CDMA/dịch vụ 3G. UMTS sử dụng
WCDMA, WCDMA nhƣ chuẩn phát vô tuyến. Nó có băng thông kênh là 5 MHz,
19



có thể mang 100 cuộc gọi cùng một lúc, hoặc nó có thể mang dữ liệu tới 2Mbps.
Tuy nhiên, với sự tăng cƣờng HSDPA và HSUPA chính là trong những release sau
này (R99/R4/R5/R6) của chuẩn, tốc độ phát dữ liệu tăng tới 14,4 Mbps.
UMTS cho phép cả 2 chế độ FDD và TDD. Chế độ đầu tiên là FDD là uplink
và downlink trên các tần số khác nhau. Không gian giữa chúng là 190MHz cho
mạng band1. Ở TDD uplink và downlink đƣợc chia theo thời gian với những trạm
cơ sở (base station) và sau đó di động phát lần lƣợt trên cùng tần số, đặc biệt phù
hợp tới nhiều loại ứng dụng khác nhau. Nó cũng thực hiện ở những cell nhỏ. Thời
gian bảo vệ đƣợc yêu cầu giữa phát và thu. Hệ thống TDD có thể hiệu quả khi sử
dụng trong picocell để mang dữ liệu internet.
Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào
UMTS tần số cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 – 2025)MHz và Downlink (2110
– 2200) MHz.
UMTS sử dụng WCDMA nhƣ một cơ cấu vận chuyển vô tuyến. Điều chế
trên đƣờng uplink và downlink là khác nhau. Downlink sử dụng dịch khóa pha cầu
phƣơng (QPSK) cho tất cả những kênh vận chuyển. Tuy nhiên, Uplink sử dụng 2
kênh riêng biệt để thực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng thái on và off để không
gây ra nhiễu trên đƣờng audio, những kênh đôi ( dual channel phase chifl keying)
dùng để mã hóa dữ liệu ngƣời dùng tới I hoặc đầu vào In-phase tới bộ điều chế
DQPSK, và điều khiển dữ liệu đã đƣợc mã hóa bằng việc sử dụng mã khác nhau tới
đầu vào Q hoặc quadrature tới bộ điều chế.
CDMA2000, chuẩn 3G khác. Nó là một sự nâng cấp cdmaOne. Nó sử dụng
trải phổ rộng do đó có thể phát và thu thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn, phát dữ
liệu internet nhanh, video, và phát nhạc chất lƣợng CD. Tuy nhiên, có nhiều phần tử
CDMA2000 đƣợc gọi là cdma20001X, 1X-EV-DV, 1X EV-DO, và cdma2000 3X.
Chúng phát dịch vụ 3G khi chiếm dữ một phổ tần nhỏ (1,25 MHz mỗi sóng mang).
1.3.2. Ƣu nhƣợc điểm
-


Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến.

-

Có khả năng truyền tải đa phƣơng tiện.

-

Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là
2Mbps.
20


-

Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn.

-

Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp đƣợc với mạng NGN.

-

Chất lƣợng thoại đƣợc nâng lên và dung lƣợng mạng tăng lên 4-5 lần so với
GSM.

-

CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lƣợng, giúp tăng thời gian thoại của
pin.


-

Khả năng mở rộng dung lƣợng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so
với GSM.

1.3.3. Hệ thống 3,5G
3,5G là những ứng dụng đƣợc nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G.
Công nghệ của 3,5G chính là HSDPA (High Speed Downlink Package Access).
Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, đƣợc phát triển trên cơ sở
của hệ thống 3G W-CDMA.
HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tƣơng
đƣơng tốc độ đƣờng truyền ADSL, vƣợt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối
của một điện thoại thông thƣờng. HSDPA là một bƣớc tiến nhằm nâng cao tốc độ
và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS. HSDPA đƣợc thiết kế
cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu nhƣ: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email),
dịch vụ tƣơng tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và
dịch vụ Streaming.
1.4.

Hệ thống 4G và kế tiếp
Việc triển khai tại một số nƣớc đã chỉ ra một vài vấn đề mà 3G chƣa giải

quyết đƣợc hoặc mới chỉ giải quyết đƣợc một phần đó là :
-

Sự khó khăn trong việc tăng liên tục băng thông và tốc độ dữ liệu để thoả

mãn nhu cầu ngày càng đa dạng các dịch vụ đa phƣơng tiện, và các dịch vụ khác
với nhu cầu về chất lƣợng dịch vụ (QoS) và băng thông khác nhau.

-

Sự giới hạn của giải phổ sử dụng.

-

Mặc dù đƣợc hứa hẹn khả năng chuyển vùng toàn cầu, nhƣng do tồn tại

những chuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trong việc chuyển vùng
(roamming) giữa các môi trƣờng dịch vụ khác biệt trong các băng tần số khác nhau.
21


-

Thiếu cơ chế chuyển tải “seamless” (liền mạch) giữa đầu cuối với đầu cuối

khi mở rộng mạng con di động với mạng cố định.
Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G, để hƣớng tới mục tiêu tạo ra
một mạng di động có khả năng cung cấp cho ngƣời sử dụng các dịch vụ thoại,
truyền dữ liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia tại mọi nơi
(anywhere), mọi lúc (anytime), mạng di động thế hệ thứ tƣ - 4G (Fourth
Generation) đã đƣợc đề xuất nghiên cứu và hứa hẹn những bƣớc triển khai đầu tiên
trong vòng một thập kỷ nữa.
1.4.1. Đặc điểm công nghệ
Hiện nay, 4G mới đang ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển với nhiều
cách tiếp cận tƣơng đối khác nhau, ta sẽ xem xét 5 đặc điểm cơ bản, là động lực cho
sự phát triển hệ thống di động 4G.
-


Hỗ trợ lƣu lƣợng IP.

-

Hỗ trợ tính di động tốt.

-

Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau.

-

Không cần liên kết điều khiển.

-

Hỗ trợ bảo mật đầu cuối-đầu cuối.

1.4.2. Kiến trúc tổng quát của hệ thống
Dựa trên xu thế phát triển của thông tin di động, mạng 4G sẽ có băng thông
rộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, chuyển giao nhanh hơn và không gián đoạn, và
đặc biệt cung cấp các dịch vụ liên tục giữa các hệ thống và các mạng.
Mạng 4G sẽ bao gồm tất cả các hệ thống của các mạng khác nhau, từ mạng
công cộng đến mạng riêng, từ mạng băng rộng có quản trị mạng đến mạng cá nhân
và các mạng adhoc. Các hệ thống 4G sẽ hoạt động kết hợp với các hệ thống 2G và
3G cũng nhƣ các hệ thống phát quảng bá băng rộng khác. Thêm vào đó, mạng 4G
sẽ là mạng Internet di động dựa trên IP hoàn toàn.
Hình 1.1 (dƣới) cho thấy một loạt các hệ thống mạng 4G sẽ tích hợp: vệ tinh
băng rộng, mạng tổ ong 2G, mạng tổ ong 3G, mạch vòng nội hạt vô tuyến (WLL)
và mạng cá nhân (PAN), dùng giao thức IP là giao thức tích hợp.


22


Hình 1.1. Kết nối liên tục giữa các mạng
Qua các phần trên chúng ta đã tìm hiểu sơ qua về các hệ thống thông tin di
động, lịch sử phát triển, đặc điểm của hệ thống, ƣu và nhƣợc điểm. Trong đồ án này
sẽ tập trung tìm hiểu về kỹ thuật chuyển giao trong hệ thống thông tin di động GSM
và UMTS bởi vì chuyển giao đƣợc coi nhƣ chìa khóa, quyết định tính “di động” của
hệ thống. Từ đó áp dụng vào mạng lƣới để cải thiện chất lƣợng cung cấp dịch vụ
của nhà mạng.

23