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

TRẦN NGỌC HƯNG

Nghiên cứu tính toán quy hoạch
mạng vô tuyến trong hệ thống
3G sử dụng công nghệ
WCDMA

LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN NAM QUÂN

HÀ NỘI - 2010


MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................1
Mở đầu ........................................................................................................................5
Danh mục từ viết tắt trong luận văn............................................................................6
Danh sách bảng biểu .................................................................................................10
Danh sách hình vẽ và đồ thị ......................................................................................11
Chương 1...................................................................................................................14
Giới thiệu chung........................................................................................................14
Chương 2: Tổng quan về hệ thống mạng WCDMA .................................................19
2.1 Giới thiệu chung..................................................................................................19
2.2 Cấu trúc hệ thống của WCDMA.........................................................................19
2.3 Các kiểu kênh của mạng WCDMA ....................................................................23

2.3.1 Các kiểu kênh vật lý .....................................................................................23
2.3.2 Các kiểu kênh truyền tải ...............................................................................23
2.3.3 Các kiểu kênh logic ......................................................................................26
2.4 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS-UTRAN ............................................28
2.4.1. Cấu trúc UTRAN .........................................................................................28
2.4.1.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC .......................................................29
2.4.1.2 Nút B (trạm gốc UMTS) ........................................................................30
2.4.2 Mô hình giao thức tổng quát đối với các giao diện mặt đất của UTRAN....30
2.4.2.2 Các mặt đứng..........................................................................................32
2.4.2.2.1 Mặt điều khiển .................................................................................32
2.4.2.2.2 Mặt người sử dụng ...........................................................................32
2.4.2.2.3 Mặt điều khiển mạng truyền tải .......................................................32
1


2.4.2.2.4 Mặt người sử dụng mạng truyền tải.................................................33
2.5 Các giao diện trong UTRAN ..............................................................................34
2.5.1 Giao diện RNC-RNC và báo hiệu RNSNAP................................................34
2.5.1.1 Giao thức Iur1: Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC ......................35
2.5.1.2 Giao thức Iur 2: Hỗ trợ lưu lượng kênh riêng ........................................35
2.5.1.3 Giao thức Iur3: Hỗ trợ lưu lượng kênh chung........................................36
2.5.1.4 Iur4: Hỗ trợ quản lý tài nguyên toàn cầu................................................37
2.5.2 Giao diện RNC-nút B và báo hiệu NBAP ....................................................38
2.5.2.1 NBAP chung...........................................................................................40
2.5.2.2 NBAP riêng ............................................................................................40
2.5.3 Giao diện vô tuyến (Uu)............................................................................41
2.6 Giao diện UTRAN-CN, Iu ..................................................................................44
2.6.1 Cấu trúc cho giao thức Iu CS........................................................................44
2.6.1.1 Ngăn xếp giao thức mặt điều khiển Iu CS .............................................45
2.6.1.2 Ngăn xếp giao thức mặt điều khiển mạng truyền tải Iu CS ..................45

2.6.1.3 Ngăn xếp giao thức mặt người sử dụng .................................................46
2.6.2 Cấu trúc giao thức cho Iu PS ........................................................................46
2.6.2.1 Ngăn xếp giao thức mặt điều khiển Iu PS..............................................47
2.6.2.2 Ngăn xếp giao thức mặt điều khiển mạng truyền tải Iu PS...................47
2.6.2.3 Ngăn xếp giao thức mặt người sử dụng Iu PS........................................47
2.6.3 Giao thức RANAP.....................................................................................47
2.6.4 Giao thức mặt người sử dụng Iu ...................................................................50
2.6.5 Thiết lập một cuộc gọi WCDMA/UMTS .....................................................50
2.6.6 Các phiên số liệu gói ở WCDMA.................................................................53
2


2.7 Một số mô hình phát triển cho mạng WCDMA .................................................56
2.8 Các đặc trưng quan trọng của WCDMA.............................................................58
2.8.1 Mã hóa tiếng đa tốc độ thích ứng AMR .......................................................60
2.8.2 Điều khiển công suất ....................................................................................61
2.8.3 Chuyển giao ..................................................................................................64
Chương 3: Quy hoạch mạng vô tuyến trong hệ thống WCDMA .............................68
3.1 Tính toán vùng phủ WCDMA ............................................................................69
3.1.1 Tính toán quỹ đường truyền vô tuyến ..........................................................70
3.1.1.1 Công suất phát của BS ...........................................................................70
3.1.1.2 Công suất phát của thiết bị người dùng UE ...........................................71
3.1.1.3 Tăng ích ănten BS ..................................................................................71
3.1.1.4 Tăng ích ănten UE..................................................................................71
3.1.1.5 Suy hao cáp feeder .................................................................................71
3.1.1.6 Tăng ích xử lý.........................................................................................72
3.1.1.7 Tỷ số Eb/No............................................................................................72
3.1.1.8 Dự trữ nhiễu (dự trữ tải) .........................................................................74
3.1.1.9 Tạp âm nhiệt...........................................................................................74
3.1.1.10 Hệ số tạp âm .........................................................................................75

3.1.1.11 Độ nhạy máy thu ..................................................................................75
3.1.1.12 Tăng ích chuyển giao mềm ..................................................................75
3.1.1.13 Dự trữ điều khiển công suất .................................................................75
3.1.1.14 Suy hao đâm xuyên ..............................................................................76
3.1.1.15 Dự trữ fading ........................................................................................76
3.1.2 Tính toán vùng phủ của ô .............................................................................78
3


3.1.2.1 Mô hình Okmura-Hata ...........................................................................78
3.1.2.2 Mô hình Walfisch/Ikegami.....................................................................80
3.2 Tính toán dung lượng trong WCDMA................................................................82
3.2.1 Tính toán dung lượng hướng lên ..................................................................82
3.2.2 Tính toán dung lượng hướng xuống .............................................................84
3.3 Tính toán quy hoạch mạng đối với trường hợp cụ thế........................................88
Chương 4: Quy hoạch mạng WCDMA sử dụng phần mềm mô phỏng....................94
4.1 Các thông số đầu vào mô phỏng .........................................................................95
4.2 Thiết lập các thông số mô phỏng ........................................................................97
4.3 Kết quả tính toán mô phỏng..............................................................................102
Chương 5: Kết quả tính toán và mô phỏng mạng 3G WCDMA EVNTelecom .....108
5.1 Kết quả tính toán mạng truy cập vô tuyến ........................................................109
5.2 Một số kết quả mô phỏng và kiểm tra thực tế...................................................113
Kết luận ...................................................................................................................117
Danh mục tài liệu tham khảo ..................................................................................119

4


Mở đầu
Hiện tại, ở Việt Nam đang có tất cả 7 nhà khai thác mạng thông tin di động mặt

đất bao gồm cả công nghệ GSM và CDMA. Hơn nữa, vào tháng 4/2009 bộ TT&TT
đã cấp phép triển khai mạng 3G UMTS theo công nghệ WCDMA cho 4 nhà khai
thác. Như vậy, thị trường mạng viễn thông tại Việt Nam đang phát triển rất nhanh,
từng bước tiến tới khả năng cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng tốc độ cao. Điều
này đòi hỏi việc quy hoạch và triển khai các hệ thống mạng cần phải được quan tâm
nghiên cứu nhiều hơn nữa nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các nhà khai
thác mạng, đặc biệt là đối với việc quy hoạch và triển khai mạng 3G WCDMA đang
bắt đầu được các nhà khai thác triển khai. Trên cơ sở thực tiễn đó và sau thời gian
học tập và nghiên cứu trong khuôn khổ chương trình đào tạo thạc sỹ Điện tử Viễn
thông tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội, được sự hướng dẫn chu đáo, nhiệt tình
của các thày, cô trong khoa Điện tử Viễn thông, Viện đào tạo sau đại học, đặc biệt
là TS Nguyễn Nam Quân, tôi đã lựa chọn đề tài luận văn là “Nghiên cứu tính toán
quy hoạch mạng vô tuyến trong hệ thống 3G sử dụng công nghệ WCDMA”.
Kết cấu của luận văn bao gồm 5 chương. Chương 1 giới thiệu chung về quá
trình phát triển của các thế hệ mạng di động mặt đất và các đặc tính cơ bản của các
công nghệ hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam.
Chương 2 trình bày về các đặc tính cơ bản trong mạng di động sử dụng công nghệ
WCDMA. Chương 3 tập trung nghiên cứu về phương pháp tính toán dung lượng
cũng như vùng phủ của hệ thống mạng sử dụng công nghệ WCDMA, lựa chọn các
thông số tính toàn phù hợp với điều kiện triển khai thực tế từng khu vực. Chương 4
trình bày phương pháp quy hoạch mạng thông qua các chương trình mô phỏng và
một số kết quả mô phỏng chung. Cuối cùng, chương 5 đưa ra các kết quả quy hoạch
mạng cụ thể của mạng EVNTelecom cùng một số kết quả mô phỏng dựa trên cơ sở
lý thuyết đã được trình bày trong các chương trước, so sánh với kết quả đo đạc thực
tế, qua đó đánh giá và hiệu chỉnh tối ưu phương án quy hoạch mạng.

5


Danh mục từ viết tắt trong luận văn

16QAM
2G
2.5G
3G
3GPP
3GPP2
8-PSK
B(T)S
BCCH
BCH
BCS
BER
BLER
BM
BPSK
BSC
BSS
C/I
CBR
CCCH
CCH
CCPCH
CDMA
CN
CPCH
CPICH
CRC
CS
DCCH
DCH

DPCCH
DPCH
DPDCH
DSCH
EDGE
FACH

16 State Quadrature Amplitude Modulation
2nd Generation
2.5th Generation
3rd Generation
3rd Generation Partnership Project
3rd Generation Partnership Project 2
8 Phase Shift Keying
Base (Transceiver) Station
Broadcast Control Channel
Broadcast Channel
Binary Coded Signalling
Bit Error Rate
Block Error Rate
Business Management
Binary Phase Shift Keying
Base Station Controller
Base Station Subsystem
Carrier-to-Interference ratio
Call Block Ratio
Common Control Channel
Control Channel
Common Control Physical Channel
Code Division Multiple Access

Core Network
Common Packet Channel
Common PIlot Channel
Cyclic Redundancy Check
Circuit Switched
Dedicated Control Channel
Dedicated Channel
Dedicated Physical Control Channel
Dedicated Physical Channel
Dedicated Physical Data Channel
Downlink Shared Channel
Enhanced Data rates for GSM Evolution
Forward Access Channel
6


FAUSCH
FDD
FDMA
FER
GGSN
GSM
GSM1900
HO
HSDPA
HS-DPCCH
HS-DSCH
HS-PDSCH
HS-SCCH
HSUPA

HTML
HTTP
IEEE
IP
IS-95
ISDN
IS-HO
ISO
ITU-T
Iub
Iur
Kbps
KPI
KQI
LAN
MAC
Mbps
Mcps
MIMO
MPLS
MS
MSC
MT
N/A

FAst Uplink Signalling Channel
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiple Access
Frame Erasure Rate
Gateway GPRS Support Node

Global System for Mobile communication
GSM at 1900 MHz band
HandOver
High-speed Downlink Packet Access
High-speed Dedicated Physical Control Channel (UL)
High-speed DSCH
High-speed Physical DSCH
High-speed Shared Control Channel (DL)
High-speed Uplink Packet Access
Hyper Text Markup Language
Hyper Text Transfer Protocol
The Institute of Electrical and Electronics Engineers
Internet Protocol
North American Version of the CDMA Standard
Integrated Services Digital Network
Inter-system HO
International Organisation for Standardisation
International Telecommunication Union, Telecommunication
Interface between an RNC and a Node B
Logical interface between two RNCs
Kilo bits per second
Key Performance Indicator
Key Quality Indicator
Local Area Network
Medium Access Control
Mega bits per second
Mega chips per second
Multiple Input Multiple Output
Multi-Protocol Label Switching
Mobile Station

Mobile Switching Centre
Mobile Terminal
Not Available; Not Applicable
7


NE
Node B
NSS
OFDM
OMC
OS
OSI
OSS
PACCH
PAGCH
PARC
PBCCH
PC
PCCCH
PCCH
P-CCPCH
PCH
PCMCIA
PCPCH
P-CPICH
PDCH
PDCP
PDP
PDSCH

PI
PICH
PLMN
RAN
RNC
RNSAP
RSSI
Rx
RxD
S-CCPCH
SCH
S-CPICH
SCTP
SDCCH

Network Element
WCDMA BS
Networking Sub-System
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Operations and Maintenance Centre
Operations System
Open Systems Interconnection
Operations Support System
Packet Associate Control Channel
Packet Access Grant Channel
Per-Antenna Rate Control
Packet Broadcast Control Channel
Power Control
Packet Common Control Channel
Paging Control Channel

Primary CCPCH
Paging Channel
PC Modular Computer Interface Adapter card
Physical CPCH
Primary CPICH
Packet Data Channel
Packet Data Convergence Protocol
Packet Data Protocol
Physical DSCH
Paging Indicator; Performance Indicator
Paging Indicator Channel
Public Land Mobile Network
Radio Access Network
Radio Network Controler
Radio Network Subsystem Application Part
Received Signal Strength Indicator
Receive
Receive Diversity
Secondary CCPCH
Synchronisation Channel
Secondary CPICH
Stream Control Transmission Protocol
Standalone Dedicated Control Channel
8


SGSN
SHO
SIGTRAN
SIM

SINR
SIP
SIR
SMS
SMTP
SNDCP
SNR
SRNC
SRNS
S-SCH
TCP
TDD
TDM
TDMA
TE
TIA
TRX
TSL
Tx
UDP
UE
UL
UMTS
U-plane
USIM
UTRAN
Uu
VLR
VoIP
WAP

WCDMA
WiMAX
WLAN
WWW

Serving GPRS Support Node
Soft HO
SIGnalling TRANsport
Subscriber Identity Module
Signal-to-Interference and Noise Ratio
Session Initiation Protocol
Signal to Interference Ratio
Short Message Services
Simple Message Transfer Protocol
Subnetwork Dependent Convergence Protocol
Signal-to-Noise Ratio
Serving RNC
Serving RNS
Secondary SCH
Transmission Control Protocol
Time Division Duplex
Time Division Multiplex
Time Division Multiple Access
Terminal Equipment
Telecommunications Industry Association
Transmit and Receive Unit; Transceiver
Time SLot
Transmit
User Datagram Protocol
User Equipment

UpLink
Universal Mobile Telecommunications System
User plane
UMTS User Indentity Module
Universal Terrestrial Radio Access Network
Radio interface between UTRAN and UE
Visitor Location Register
Voice over IP
Wireless Application Protocol
Wideband Code Division Multiple Access
Worldwide interoperability for Microwave Access
Wireless Local Area Network
World Wide Web
9


Danh sách bảng biểu
Bảng 1.1: Các đặc điểm kỹ thuật của GSM so với WCDMA ..................................16
Bảng 1.2: Các đặc điểm kỹ thuật của cdmaOne so với 3G CDMA IMT- 2000 .......17
Bảng 2.1: Các thông số chủ yếu của WCDMA ........................................................59
Bảng 3.1: Các lớp công suất của UE.........................................................................71
Bảng 3.2a: Giá trị Eb/No yêu cầu trong môi trường đường truyền tĩnh ...................73
Bảng 3.2b: Giá trị Eb/No yêu cầu trong điều kiện truyền dẫn đa đường..................73
Bảng 3.3: Các tham số tính toán quỹ đường truyền..................................................77
Bảng 3.4: Các hằng số A và B trong mô hình Okumura – Hata...............................79
Bảng 3.5: Các giả thiết hướng lên.............................................................................88
Bảng 3.6: Các giả thiết hướng xuống........................................................................88
Bảng 3.7: Các tham số tính toán quỹ đường truyền hướng lên ................................89
Bảng 3.8: Bán kính phủ sóng tương ứng với từng dịch vụ .......................................89
Bảng 3.9: Mật độ dịch vụ tương đương ....................................................................90

Bảng 3.10: Lưu lượng trung bình của dịch vụ ..........................................................92
Bảng 3.11: So sánh số lượng kênh yêu cầu tùy theo số lượng BS............................93
Bảng 4.1: Một số độ phân giải bản đồ thường dùng.................................................96
Bảng 5.1: Các dịch vụ giá trị gia tăng trên nền mạng 3G WCDMA ......................108
Bảng 5.2: Vùng phủ tối đa của Node B ..................................................................111
Bảng 5.3: Số lượng thuê bao và trạm phát sóng tương ứng với từng tỉnh..............113

10


Danh sách hình vẽ và đồ thị
Hình 1.1: Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G .................15
Hình 2.1: Các phần tử của mạng UMTS...................................................................20
Hình 2.2: Cách sắp xếp hai kênh truyền tải trên một kênh vật lý .............................24
Hình 2.3: Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý .......................................26
Hình 2.4: Sắp xếp giữa các kênh logic và các kênh truyền tải .................................27
Hình 2.5: Cấu trúc UTRAN ......................................................................................28
Hình 2.6: Chức năng logic của RNC đối với một kết nối UTRAN của UE .............30
Hình 2.7: Mô hình giao thức tổng quát cho các giao diện mặt đất UTRAN ............31
Hình 2.8: Ngăn xếp giao thức cho giao diện Iur .......................................................34
Hình 2.9: Ngăn xếp giao thức của giao diện Iub ......................................................38
Hình 2.10: Kênh logic của nút B cho FDD...............................................................39
Hình 2.11: Cấu trúc phân lớp của giao diện vô tuyến...............................................41
Hình 2.12: Cấu trúc giao thức Iu CS.........................................................................44
Hình 2.13: Cấu trúc giao thức Iu PS .........................................................................46
Hình 2.14: Thủ tục thiết lập cuộc gọi ở WCDMA....................................................51
Hình 2.15: Các ngăn xếp giao thức mặt điều khiển WCDMA GPRS ......................54
Hình 2.16: Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người sử dụng WCDMA GPRS ...........55
Hình 2.17: Kiến trúc mạng phân bố phát hành 3GPP 4...........................................57
Hình 2.18: Kiến trúc phát hành 3GPP 5 cho IP đa phương tiện ...............................58

Hình 2.19: Cấu trúc giao diện vô tuyến của WCDMA.............................................60
Hình 2.20: Hiện tượng nghẽn công suất khi không có điều khiển công suất ...........62
Hình 2.21: Điều khiển công suất trong CDMA ........................................................62
Hình 2.22: Các loại vòng lặp điều khiển công suất trong CDMA ............................64
11


Hình 2.23: Quá trình chuyển giao trong CDMA ......................................................66
Hình 3.1: Quỹ đường truyền vô tuyến trong WCDMA ............................................70
Hình 3.3: Tăng ích xử lý đối với cách dịch vụ khác nhau ........................................72
Hình 3.3: Sự phụ thuộc của dự trữ nhiễu với tải của ô .............................................74
Hình 3.4: Mô hình Walfisch/Ikegami .......................................................................80
Hình 3.5 : Mối quan hệ giữa số lượng thuê bao và sự tăng tạp âm. .........................84
Hình 3.6: Mô hình chuyển giao mềm với hai ô ........................................................86
Hình 3.7: Mối quan hệ giữa công suất phát và số lượng người dùng cho phép .......87
Hình 4.1: Các bước thực hiện mô phỏng quy hoạch mạng.......................................95
Hình 4.2: Thông số của UE.......................................................................................97
Hình 4.3: Thông số cấu hình của một ô tế bào .........................................................98
Hình 4.4: Thông số mô hình đường truyền...............................................................99
Hình 4.6: Các tham số hiệu ứng fading.....................................................................99
Hình 4.8: Thiết lập tốc độ dịch vụ ..........................................................................100
Hình 4.9: Thiết lập loại dịch vụ ..............................................................................101
Hình 4.10: Thiết lập thông số cho thiết bị đầu cuối................................................101
Hình 4.11a: Vùng phủ dịch vụ chưa tối ưu.............................................................102
Hình 4.11b: Vùng phủ dịch vụ tối ưu .....................................................................103
Hình 4.12a: Độ mạnh tín hiệu kênh Pilot................................................................103
Hình 4.12b: Độ mạnh tín hiệu kênh Pilot tối ưu.....................................................103
Hình 4.13a: Tỷ số Ec/Io ..........................................................................................104
Hình 4.13b: Tỷ số Ec/Io tối ưu................................................................................104
Hình 4.14: Khả năng chuyển giao...........................................................................105

Hình 4.15: Pilot pollution........................................................................................105
12


Hình 4.16a: Vùng phủ dịch vụ ................................................................................106
Hình 4.16b: Vùng phủ dịch vụ tối ưu .....................................................................106
Hình 4.17: Lưu lượng tải trên tưng ô ......................................................................107
Hình 5.1: Phân chia mạng vô tuyến EVNTelecom.................................................110
Hình 5.2: Bản đồ thực tế khu vực Hà Nội...............................................................114
Hình 5.3: Kết quả mô phỏng tỷ số Ec/Io Hà Nội....................................................114
Hình 5.4: Kết quả kiểm tra thực tế Hà Nội .............................................................115
Hình 5.2: Bản đồ thực tế khu vực Nam Định .........................................................116
Hình 5.3: Kết quả mô phỏng tỷ số Ec/Io Hà Nội....................................................116
Hình 5.4: Kết quả kiểm tra thực tế Nam Định ........................................................117

13


Chương 1
Giới thiệu chung
Thông tin di động đã được đưa vào sử dụng đầu tiên ở Mỹ năm 1946, khi đó
nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này có 6 kênh sử dụng cấu trúc
ô rộng với tần số 150 MHz. Mặc dù các khái niệm tế bào, các khái niệm trải phổ,
điều chế số và các công nghệ hiện đại khác được biết đến hơn 50 năm trước đây,
nhưng cho đến đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất
hiện trong các dạng ứng dụng. Các hệ thống di động đầu tiên này có ít tiện ích và có
dung lượng rất thấp.Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại di động tế bào điều
tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện, đây là
hệ thống tương tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G).
Các hệ thống thông tin di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: hệ thống di động

tiên tiến (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin
truy nhập toàn diện (TACS) và Hệ thống NTT. Hạn chế của các hệ thống này là:
phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được
các dịch vụ mới hấp dẫn với khách hàng v.v...
Giải pháp để loại bỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông
tin số sử dụng các dịch vụ đa truy nhập mới. Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên
ra đời trên thế giới là GSM. GSM được phát triển từ năm 1982, CEPT quy định việc
ấn định tần số dịch vụ viễn thông Châu âu ở băng tần 900MHz. Song song với sự
phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào nói trên, các hệ thống thông tin
di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng được
nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT
(Digital Enhanced cordless Telecoms) của châu Âu và PHS của Nhật cũng đã được
đưa vào khai thác. Ngoài kỹ thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA được đưa vào sử
dụng ở một số nước. Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật số nói trên, sử dụng
phương pháp truy nhập TDMA như GSM (Châu Âu), PDC (Nhật) hoặc phương
14


pháp truy nhập CDMA theo chuẩn năm 1995 ( CDMA-IS95) đều thuộc hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G).
Các hệ thống thông tin tế bào số có nhiều điểm nổi bật như chất lượng thông
tin được cải tiến nhờ các công nghệ xử lý tín hiệu số khác nhau, nhiều dịch vụ mới
(VD: các dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mã hóa được cải tiến, tương thích tốt hơn với
các mạng số và phát huy hiệu quả dải phổ vô tuyến.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ ba IMT 2000 đã được nghiên cứu sử dụng. Khác với các hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ nhất (tương tự) và thứ 2 (số), hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ 3 (3G) có xu thế chuẩn hoá toàn cầu và khả năng cung cấp các dịch
vụ cao, hỗ trợ sử dụng truy cập Internet, truyền hình và thêm nhiều dịch vụ mới
khác. Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, hệ thống

thông tin di động thế hệ thứ 3 còn được gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng.
Trên thế giới hiện có hai xu hướng phát triển lên 3G chính: Một hướng phát triển đi
từ CDMA IS-95 lên CDMA 2000 3G-1x rồi đến CDMA 2000 1xEV-DO, 1x EVDV, hướng phát triển còn lại xuất phát từ mạng GSM, có thể đi qua giai đoạn
EDGE, sau đó phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA.

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G
15


Các bảng dưới đây giới thiệu tổng quan về các hệ thống ở thế hệ 2,5G và 3G
và những đặc điểm khi phát triển lên 3G theo hai hướng chính trong IMT-2000: Từ
GSM lên 3G và từ cdmaOne lên 3G.
GSM CSD
GPRS (Dịch vụ
(GSM số liệu vô tuyến gói
chuyển mạch chung)
kênh)

IMT-2000
EDGE (Các tốc
W-CDMA
độ số liệu bậc
cao để phát triển
GSM )

Các máy di
động đơn mốt
(một chế độ
hoạt động)
không có khả

năng xử lý số
liệu gói

Các máy di động
cầm tay mới Các
máy cầm tay
EDGE sẽ làm
việc ở tốc độ lên
tới 384 Kbit/s**
trên các mạng
EDGE và GPRS
và ở tốc độ 9,6
Kbit/s trên mạng
GSM-đây là các
máy CSD ba chế
độ hoạt động.

Các máy di
động cầm tay
mới. Các
máy cầm tay
CDMA DS
sẽ làm việc ở
tốc độ lên tới
2Mbit/s***
trên các
mạng 3G.
Các máy này
có bốn chế độ
hoạt động


Cơ sở
hạ tầng
thiết bị

Không có khả Cần lắp thêm các Cần thay đổi cơ
năng xử lý số mô đun xử lý số sở hạ tầng mạng
liệu gói
liệu gói mới trên nhiều hơn
nền mạng chuyển
mạch kênh

Cơ sở hạ tầng
mới kết nối
với mạng
hiện có

Nền
tảng
công
nghệ

Công nghệ
GSM TDMA
hiện có

Yêu cầu
thiết bị
truyền
số liệu

gói
Các máy
di động
cầm tay

Các máy di động
cầm tay mới Các
máy di động cầm
tay GPRS cho
phép làm việc
trên mạng
GPRS* và trên
mạng GSM ở tốc
độ số liệu 9,6
Kbit/s, đây là các
máy CSD hai chế
độ hoạt động.

Nền GSM
TDMA bổ xung
phần xử lý số
liệu gói.

Cần sửa đổi nền
Cơ sở hạ tầng
tảng GSM TDMA WCDMA
mới

Bảng 1.1: Các đặc điểm kỹ thuật của GSM so với WCDMA
*: Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với GPRS là 171,2 Kbit/s, tuy nhiên, trên

thực tế hiện nay chưa đạt được tốc độ này mà điển hình chỉ đạt tốc độ trên
dưới 50Kbit/s
**: Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với EDGE là 384 Kbit/s, tuy nhiên, trên
thực tế hiện nay chỉ đạt được tốc độ tối đa là 144 Kbit/s.
16


***: Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với W-CDMA là 2Mbit/s, tuy nhiên, trên
thực tế hiện nay chỉ đạt được tốc độ tối đa là 384 Kbit/s.
Yêu cầu
thiết bị
truyền
số liệu
gói
Các máy
di động
cầm tay

cdmaOne IS95 A

cdmaOne IS95 B

IMT-2000
CDMA đa sóng
mang 1X (MC
1X)

IMT-2000
CDMA đa sóng
mang 3X (MC

3X)

Tiêu chuẩn
Các máy di
động cầm tay
theo chuẩn IS95A sẽ làm
việc trên tất cả
các mạng
tương lai: IS95B, 1X và
3X ở tốc độ
14,4 Kbit/sđây là các máy
một chế độ
hoạt động.

Các máy di
động theo
chuẩn năm
1999 Các máy
di động cầm tay
theo chuẩn IS95B sẽ làm việc
trên mạng IS95A ở tốc độ
14,4Kbit/s và
trên các mạng
IS-95B, 1X và
3X ở tốc độ lên
tới 114 kbit/s* đây là các máy
một chế độ hoạt
động.

Các máy di

động theo chuẩn
1X năm 2001
Các máy di
động cầm tay
1X sẽ làm việc
trên mạng IS95A ở tốc độ
14,4Kbit/s, trên
mạng IS-95B ở
tốc độ lên tới
114 Kbit/s, trên
mạng 1X và 3X
ở tốc độ lên tới
307 kbit/s**đây là các máy
một chế độ hoạt
động.

Các máy di
động cầm tay
mới. Các máy di
động cầm tay
3X sẽ làm việc
trên mạng IS95A ở tốc độ
14,4Kbit/s, trên
mạng IS-95B ở
tốc độ lên tới
114 Kbit/s, trên
mạng 1X ở tốc
độ lên tới 307
kbit/s và trên
mạng 3X ở tốc

độ lên tới 2
Mbit/s*** -đây
là các máy một
chế độ hoạt
động.

Cơ sở hạ Tiêu chuẩn
tầng
thiết bị

Đưa thêm phần
mềm mới vào
BSC

Cần sửa đổi cấu
trúc mạng chính
và bổ xung các
card kênh mới
tại trạm gốc

Nền
tảng
công
nghệ

CDMA

1X yêu cầu phần
mềm mới trong
mạng chính và

các card kênh
mới tại trạm
gốc.
CDMA

CDMA

CDMA

Bảng 1.2: Các đặc điểm kỹ thuật của cdmaOne so với 3G CDMA IMT- 2000

17


*: Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với IS-95B là 114 Kbit/s, tuy nhiên, trên thực
tế hiện nay mới đạt tốc độ 64 Kbit/s .
**: Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với cdma2000 1X là 307 Kbit/s, tuy nhiên,
trên thực tế hiện nay chỉ đạt được tốc độ tối đa là 144 Kbit/s.
***: Cdma2000 3X bao gồm cdma2000 1xEV-DO và cdma2000 1xEV-DV. Trong
đó, cdma2000 1xEV-DO có tốc độ cao nhất trên lý thuyết lên tới 2,4 Mbit/s trên một
sóng mang 1,25 MHz riêng biệt và cdma2000 1xEV-DV tích hợp thoại và số liệu
trên cùng một sóng mang 1,25 MHz có tốc độ cao nhất trên lý thuyết lên tới 4,8
Mbit/s.

18


Chương 2
Tổng quan về hệ thống mạng WCDMA
2.1 Giới thiệu chung

Hệ thống UMTS được xây dựng dựa trên cơ sở công nghệ WCDMA. UMTS
là hệ thống 3G của Châu Âu và sẽ là một thành phần trong họ của các giao diện
sóng vô tuyến hình thành nên chuẩn IMT-2000.
Kiến trúc của hệ thống thông tin di động UMTS được xây dựng dựa theo các
tiêu chuẩn kiến trúc cơ sở 3GPP. Nói chung, UMTS phải đảm bảo:
-

Hỗ trợ tất cả các dịch vụ, các ứng dụng hiện được cung cấp bởi các hệ thống
2G đang tồn tại và phát triển thêm càng nhiều các dịch vụ gia tăng càng tốt,
đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) tương đương với mạng cố định.

-

Cung cấp một loạt các dịch vụ kiểu đa phương tiện băng rộng. Những dịch
vụ này sẽ có mặt phổ biến với tốc độ bit trong khoảng từ 64 đến 2048 Kb/s,
cung cấp việc truyền hình ảnh, truy nhập cơ sở dữ liệu từ xa, truyền fax độ
nhậy cao, video phân giải thấp, truy nhập Web… Cả hai loại dịch vụ chuyển
mạch kênh và chuyển mạch gói sẽ được hỗ trợ bởi UMTS. Một số dịch vụ sẽ
bắt buộc phải có nhu cầu về băng thông theo yêu cầu, đó là phân cấp băng
thông động tới người sử dụng phía cuối khi cần thiết.

2.2 Cấu trúc hệ thống của WCDMA
Hệ thống UMTS gồm một số các phần tử mạng logic, mỗi phần tử có một
chức năng xác định. Mặc dù mạng được định nghĩa ở mức logic, nhưng cũng
thường được thực hiện ở dạng vật lý. Trong đó có một số giao diện để mở là các
giao diện được định nghĩa sao cho ở mức chi tiết có thể sử dụng được thiết bị của
hai nhà sản xuất khác nhau ở các điểm cuối. Có thể nhóm các phần tử mạng này
theo các chức năng giống nhau hay theo mạng con mà chúng trực thuộc.

19



Về mặt chức năng các phần tử của mạng được nhóm thành mạng truy nhập
vô tuyến (RAN: Radio Access Network hay UTRAN: UMTS Terrestrial RAN) để
thực hiện chức năng liên quan đến vô tuyến và mạng lõi CN (Core Network) để
thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu. Ngoài ra,
hệ thống còn có thiết bị của người sử dụng UE (User Equitment) giao tiếp với hệ
thống thông qua giao diện vô tuyến. Cấu trúc hệ thống mức cao được cho ở hình 2.1.

Hình 2.1: Các phần tử của mạng UMTS.
Trong đó, các phần tử của hệ thống cụ thể như sau
USIM= UMTS User Indentity Module: Thẻ SimCard UMTS của người sử dụng
MS=Mobile Station : trạm di động
RNC=Radio Network Control: Bộ điều khiển mạng vô tuyến.
MSC= Mobile Service Switchi ng Center: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ đi
động.
VLR=Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú
SGSN=Service GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS phục vụ
GMSC= Gateway MSC:Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng
GGSN= Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng
HLR= Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú
20


UTRAN= UMTS Terrestrial RAN: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS.
CN=Core Network: Mạng lõi
Từ quan điển chuẩn hoá, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức
mới, việc thiết kế các giao thức này dựa trên các nhu cầu của công nghệ vô tuyến
WCDMA. Trái lại việc định nghĩa mạng lõi dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ
thống với công nghệ vô tuyến mới mang tính toàn cầu dựa trên công nghệ mạng lõi

CN đã biết và đã phát triển.
Một phương pháp chia nhóm khác cho mạng UMTS là chia chúng thành các
mạng con. Khi đó, hệ thống UMTS được thiết kế theo module, vì thế có thể có
nhiều phần tử mạng cho cùng một kiểu. Về nguyên tắc, yêu cầu tối thiểu cho một
mạng hoạt động và có đầy đủ các tính năng là phải có ít nhất một phần tử logic cho
mỗi kiểu . Khả năng có nhiều phần tử của cùng một kiểu cho phép chia hệ thống
UMTS thành các mạng con hoạt động hoặc độc lập hoặc cùng các mạng con khác
và các mạng con này được phân biệt bởi các nhận dạng duy nhất. Một mạng con
như vậy được gọi là mạng di động mặt đất công cộng UMTS. Thông thường mỗi
mạng di động mặt đất công cộng được khai thác bởi một nhà khai thác duy nhất và
nó được nối đến các mạng di động mặt đất công cộng khác cũng như các dạng
mạng khác như ISDN, PSTN, Internet...
Trong cấu trúc mạng UMTS, thiết bị người sử dụng UE bao gồm hai phần:
-

Thiết bị di động (ME: Mobile Equitment) là đầu cuối vô tuyến được sử dụng
cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.

-

Modul nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Indentity
Module) chứa nhận dạng thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận thực và lưu
giữ các khoá nhận thực và một số thông tin cần thiết cho đầu cuối .
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN chứa hai phần tử khác nhau, đó là:

-

Nút B để chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện IuB và Uu. Nó cũng
tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến .


21


-

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC : sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô
tuyến ở trong vùng của mình (các nút B kết nối trong vùng kết nới tới RNC
tương ứng), RNC là điểm truy nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp
cho mạng lõi CN, chẳng hạn quản lý tất cả các kết nối đến UE.
Các phần tử chính của mạng lõi tương tự như các phần tử tương ứng có

trong hệ thống mạng GPRS đó là: HLR, MSC/VLR (phần mạng được truy nhập qua
MSC/VLR thường được gọi là vùng chuyển mạch kênh CS), GMSC (là chuyển
mạch tại điểm kết nối UMTS PLMN với mạng CS bên ngoài), SGSN (phần mạng
được truy nhập qua SGSN được gọi là vùng chuyển mạch gói PS), GGSN (giống
như GMSC nhưng liên quan đến các dịch vụ PS).
Như vậy, hệ thống mạng cũng có thể được chia thành hai nhóm :
-

Các mạng CS, các mạng này đảm bảo các kết nối chuyển mạch theo kênh
giống như các dịch vụ thoại (ví dụ như ISDN và PSTN).

-

Các mạng PS, các mạng này đảm bảo các kết nối cho các dịch vụ chuyển
mạch gói (ví dụ như truy cập Internet).
Các giao diện mở chính trong UMTS bao gồm:

-


Giao diện Cu: Đây là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện
này tuân theo một khuôn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh .

-

Giao diện Uu: Đây là giao diện vô tuyến của WCDMA . Uu là giao diện mà
qua đó UE truy nhập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế nó là giao
diện mở quan trọng nhất ở UMTS .

-

Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN. Giao diện Iu cung cấp cho
các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác
nhau trên một hệ thống mạng duy nhất.

-

Giao diện Iur : Giao diện mở Iur cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC
từ các nhà sản xuất khác nhau.

-

Giao diện Iub : Giao diện này kết nối một nút B với một RNC. UMTS là hệ
thống điện thoại di động đầu tiên trong đó giao diện giữa bộ điều khiển và
22


trạm gốc được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn. Giống
như các giao diện mở khác, Iub mở cho phép sự cạnh tranh giữa các nhà sản
xuất trong lĩnh vực này.


2.3 Các kiểu kênh của mạng WCDMA
2.3.1 Các kiểu kênh vật lý
Kênh vật lý chia thành 2 loại bao gồm là : Kênh vật lý đường lên và Kênh
vật lý đường xuống.
-

Kênh vật lý đường lên chia thành các loại như sau:
o Kênh vật lý riêng đường lên: bao gồm kênh vật lý số liệu riêng
DPDCH và kênh vật lý điều khiển riêng DPCCH .
o

Kênh vật lý chung đường lên : bao gồm kênh vật lý RACH và kênh
vật lý gói chung PCPCH .

-

Kênh vật lý đường xuống chia thành các loại như sau:
o Kênh vật lý riêng đường xuống.
o Kênh vật lý chung đường xuống: bao gồm kênh hoa tiêu chung
CPICH, kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp P-CCPCH, kênh vật lý
điều khiển chung thứ cấp S-CCPCH, kênh đồng bộ SCH, kênh vật lý
chia sẻ đường xuống PDSCH, kênh chỉ thị bắt AICH, kênh chỉ thị tìm
gọi PICH, kênh chỉ thị trạng thái CPCH, kênh phát hiện va chạm hoặc
chỉ thị ấn định CD/CA-ICH.

2.3.2 Các kiểu kênh truyền tải
Trên giao diện vô tuyến, để truyền tải số liệu được tạo ra ở các lớp cao, trước
hết các số liệu được đặt lên các kênh truyền tải, sau đó các kênh truyền tải này lại
được sắp xếp lên các kênh vật lý khác nhau. Lớp vật lý được yêu cầu để hỗ trợ các

kênh truyền tải với các tốc độ bit thay đổi nhằm cung cấp các dịch vụ với độ rộng
băng tần theo yêu cầu và để ghép nhiều dịch vụ trên cùng một kết nối.

23


Mỗi kênh truyền tải đều đi kèm với một chỉ thị khuôn dạng truyền tải TFI
(Transport Format Indicator) tại mọi thời điểm mà các kênh truyền tải sẽ nhận được
số liệu từ các mức cao hơn. Lớp vật lý kết hợp thông tin TFI từ các kênh truyền tải
khác nhau vào chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải TCFI (Transport Format
Combination Indicator). TCFI được phát trên kênh điều khiển để thông báo cho
máy thu rằng kênh nào đang tích cực ở khung hiện thời. Máy thu giải mã TFCI để
nhận được các TFI. Sau đó các TFI này được chuyển đến các lớp cao hơn cho các
kênh truyền tải tích cực ở kết nối.

Hình 2.2: Cách sắp xếp hai kênh truyền tải trên một kênh vật lý
Có hai kiểu kênh truyền tải đó là kênh truyền tải chung và kênh truyền tải riêng:
-

Kênh truyền tải chung:
Đối với kênh truyền tải chung tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một

nhóm người sử dụng trong ô. Khi kênh truyền tải chung được sử dụng để phát thông
tin cho tất cả các người sử dụng, thì thông tin này không cần có địa chỉ (ví dụ như
kênh quảng bá BCH phát thông tin hệ thống cho tất cả các người sử dụng trong một
ô nên không cần đánh địa chỉ). Còn khi kênh truyền tải chung áp dụng cho một
người sử dụng đặc thù, thì cần phát nhận dạng người sử dụng trong băng (ví dụ:

24