Tìm hiểu giải pháp tối ưu chuyển giao trong mạng thông tin di động 3G

Với việc sử dụng các dịch vụ có tốc độ cao khi thuê bao di chuyển nhanh, vấn đề chuyển giao trong 3G trở nên hết sức quan trọng để đảm bảo tính liên tục và chất lượng của dịch vụ. Và làm thế nào để quá trình chuyển giao diễn ra nhanh nhất, tiêu tốn ít tài nguyên nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ, dung lượng, vùng phủ ở mức tốt nhất. Nội dung đồ án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G Chương 2: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA Chương 3: Một số giải pháp tối ưu chuyển giao mềm Chương 4: Mô phỏng chuyển giao mềm

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I 2

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 2

1.1 Tổng quan hệ thống 3G 2

1.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 4

1.2.1 Thiết bị người sử dụng 6

1.2.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS 7

1.2.3 Mạng lõi 8

1.2.4 Các mạng ngoài 11

1.2.5 Các giao diện 11

1.3 Công nghệ đa truy nhập của WCDMA 12

1.3.1 Trải phổ 12

1.3.2 Các đặc điểm chính của công nghệ WCDMA 13

1.4 Quản lý tài nguyên vô tuyến trong WCDMA 16

1.4.1 Điều khiển công suất 17

1.4.2 Điều khiển chuyển giao 19

1.4.3 Điều khiển tắc nghẽn 19

CHƯƠNG II 20

CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA 20

2.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động 20

2.1.1 Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA 21

2.1.2 Mục tiêu của chuyển giao 23

2.1.3 Thủ tục chuyển giao 24

2.2 Chuyển giao cùng tần số 25

2.2.1 Chuyển giao mềm 25

2.2.1.1 Nguyên lý chuyển giao mềm 25

2.2.1.2 Đo lường chuyển giao mềm 26

2.2.1.3 Thuật toán chuyển giao mềm 28

2.2.1.4 Thủ tục báo hiệu trong chuyển giao mềm 34

2.2.2 Đặc điểm của chuyển giao mềm 37

2.2.2.1 Phân tập vĩ mô 37

2.2.2.2 Đặc điểm chuyển giao mềm 38

2.3 Chuyển giao khác tần số trong WCDMA 40

2.4 Chuyển giao khác hệ thống giữa WCDMA và GSM 41

CHƯƠNG III 44

MỘT SỐ GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHUYỂN GIAO MỀM 44

3.1 Tối ưu chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc giảm nhiễu 45

3.1.1 Nhiễu trong chuyển giao mềm 45

3.1.1.1 Nhiễu intra-cell và nhiễu inter-cell 45

3.1.1.2 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống 47

3.1.2 Nguyên tắc tối ưu hoá 48

3.1.3 Thực hiện tối ưu chi phí và ngưỡng 50

3.2 Tối ưu các tham số chuyển giao mềm trong mạng UMTS môi trường ngoài trời 53

3.2.1 Giới thiệu 53

3.2.2 Mô hình phân tích lý thuyết 54

3.2.3 Môi trường mô phỏng 55

3.2.4 Kết quả mô phỏng 56

3.2.5 Kết luận 58

3.3 Tối ưu các tham số chuyển giao mềm trong mạng UMTS môi trường trong nhà 58

3.3.1 Giới thiệu 58

3.3.2 Môi trường đo đạc và các thiết lập 59

3.3.2.1 Mô tả chung về mạng thử nghiệm UMTS trong nhà 59

3.3.2.2 Thiết bị đo 60

3.3.2.3 Tiến hành đo 60

3.3.3 Kết quả đo 61

3.3.4 Kết luận 66

CHƯƠNG IV 68

MÔ PHỎNG CHUYỂN GIAO MỀM 68

4.1 Demo quá trình chuyển giao mềm 68

4.1.1 Giới thiệu Macromedia Flash Professional 8.0 68

4.1.2 Demo quá trình chuyển giao mềm 69

4.2 Mô phỏng thuật toán ngưỡng tương đối trong chuyển giao mềm 70

4.2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng MATLAB 70

4.2.2 Mô phỏng thuật toán ngưỡng tương đối 71

4.2.2.1 Mô hình mô phỏng 71

4.2.2.2 Kết quả mô phỏng 73

4.2.2.3 Kết luận 76

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Băng tần cấp phát cho hệ thống 3G ở các nước khác nhau 4

Hình 1.2 Kiến trúc UMTS 6

Hình 1.3 Vai trò logic của SRNC và DRNC 9

Hình 1.4 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 14

Hình 1.5 Chỉ định băng thông WCDMA trong không gian thời gian - tần số - mã 15

Hình 1.6 Các vị trí điển hình của RRM trong mạng WCDMA 17

Hình 1.7 Điều khiển công suất trong UMTS 18

Hình 2.1 Các loại chuyển giao được hỗ trợ bởi UMTS 22

Hình 2.2 Các viễn cảnh của các kiểu chuyển giao khác nhau 24

Hình 2.3 Thủ tục chuyển giao 25

Hình 2.4 So sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm 26

Hình 2.5 Mô hình UE 27

Hình 2.6 Chuyển giao mềm với ngưỡng tương đối 30

Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán dựa trên ngưỡng tương đối 31

Hình 2.8 Chuyển giao mềm với ngưỡng tuyệt đối 33

Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán dựa trên ngưỡng tuyệt đối 34

Hình 2.10 Quá trình chuyển giao mềm cùng tần số cùng nút B 35

Hình 2.11 Thủ tục báo hiệu trong chuyển giao mềm cùng tần số cùng nút B 35

Hình 2.12 Quá trình chuyển giao mềm cùng tần số khác nút B cùng RNC 36

Hình 2.13 Thủ tục báo hiệu trong chuyển giao mềm cùng tần số khác nút B cùng RNC.36 Hình 2.14 Quá trình chuyển giao mềm cùng tần số khác RNC 37

Hình 2.15 Thủ tục báo hiệu trong chuyển giao mềm cùng tần số khác RNC 37

Hình 2.16 Phân tập vĩ mô 38

Hình 2.17 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng SHO 39

Hình 2.18 Chuyển giao khác tần số trong WCDMA 41

Hình 2.19 Thủ tục chuyển giao khác tần số 41

Hình 2.20 Chế độ nén 42

Hình 2.21 Chuyển giao giữa GSM và WCDMA 43

Hình 2.22 Quá trình chuyển giao từ WCDMA sang GSM 43

Hình 3.1 Nhiễu hướng lên 47

Hình 3.2 Nhiễu hướng xuống 47

Hình 3.3 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống 48

Hình 3.4 Nguyên lý tối ưu chuyển giao 50

Hình 3.5 Lưu đồ tối ưu chuyển giao 53

Hình 3.6 Sự suy giảm tín hiệu 55

Hình 3.7 Mô hình phân tích được sử dụng cho mô phỏng SHO 55

Hình 3.8 Công suất phát của các BS trong phạm vi từ 300m đến 700m 56

Hình 3.9 Các khu vực chuyển giao mềm tiềm năng, phạm vi báo cáo 2dB và 6dB 57

Hình 3.10 Kích thước tập tích cực với RR là 4dB, 60 Erlang/sector 58

Hình 3.11 Nhiễu DL, nhiễu UL, 50 Erlang/sector 58

Hình 3.12 Giảm nhiễu trong UL, DL, 50 Erlang mỗi sector 59

Hình 3.13 Sơ đồ mạng UMTS trong nhà 61

Hình 3.14 Tuyến đường thực hiện đo đạc 61

Hình 3.15 Công suất phát DL cho 3 thiết lập giá trị thời gian khởi tạo khác nhau 64

Hình 3.16 Hàm phân phối tích lũy của công suất phát DL 66

Hình 3.17 Tỷ lệ rớt cuộc gọi 66

Hình 4.1 Giao diện làm việc của phần mềm Macromedia Flash Professional 8.0 69

Hình 4.2 Mô hình quá trình chuyển giao 70

Hình 4.3 Mô hình hệ thống 72

Hình 4.4 Quỹ đạo di chuyển của UE trong mô phỏng 73

Hình 4.5 Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến số lần lặp chuyển giao 74

Hình 4.6 Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến kích thước tập tích cực trung bình 75

Hình 4.7 Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến tốc độ cập nhật tập tích cực 76

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS 4

Bảng 1.2 So sánh các thông số lớp vật lý của UTRA TDD và UTRA FDD 15

Bảng 2.1 Tổng kết chuyển giao 43

Bảng 3.1 Tác động của phạm vi báo cáo đến xác suất tập tích cực 56

Bảng 3.2 Giảm nhiễu trong SHO được so sánh với HHO 57

Bảng 3.3 Các thông số trạm gốc 59

Bảng 3.4 Các giá trị SIR mục tiêu được yêu cầu với tốc độ liên kết 12,2 kbps 62

Bảng 3.5 Công suất phát DL được yêu cầu (dBm) 63

Bảng 3.6 Xác suất chuyển giao mềm SHO (%) 64

Bảng 3.7 Giá trị BER của kênh P-CPICH (%) 66

Bảng 4.1 Các thông số mô phỏng 72

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3G Third Generation Technology Công nghệ truyền thông thế hệ

thứ ba3GPP Third Generation Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ ba AuC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ

di động

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

DS-CDMA Direct- Sequence Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã

DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo

tần sốFDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần sốGGSN Gateway GPRS Support Node Gateway hỗ trợ GPRS

GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động

HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú

IMEI International Mobile Equipment Nhận dạng thiết bị di động quốc tế

IdentifierIMSI International Mobile Subscriber Nhận dạng thuê bao di động toàn

OVSF Orthogonal variable spreading factor Hệ số trải phổ khả biến trực giao

PLMN Public Land Mobite Network Mạng di động mặt đất công cộng

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộng

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc

RAT Radio Access Technology Kỹ thuật truy nhập vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS Radio Network System Hệ thống mạng vô tuyến

RRM Radio Resource Management Quản lí tài nguyên vô tuyến

RSCP Received Signal Code Power Công suất của mã tín hiệu thuRSSI Received Signal Strength Indicator Chỉ thị cường độ tín hiệu thu

SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ dịch vụ GPRS

SIR Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

thời gianTDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity Nhận dạng thuê bao di động tạm

thời

UMTS Universal Mobile Telecommunication Dịch vụ truyền thông di động

USIM UMTS Subscriber Identity Module Modun xác định thuê bao UMTSUTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn

cầu

WCDMA Wideband Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã

LỜI NÓI ĐẦU

Các hệ thống thông tin di động với khả năng giúp con người trao đổi thông tin mọilúc, mọi nơi đã phát triển rất nhanh và không thể thiếu được trong xã hội thông tin ngàynay Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1946, thôngtin di động đã liên tục phát triển và đến nay các hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G)

đã được đưa vào khai thác thương mại ở nhiều nước trên thế giới Ở Việt Nam, các hệthống thông tin di động thế hệ ba cũng đã được phê duyệt và bắt đầu triển khai từ năm

2009 Hệ thống WCDMA đã được Việt Nam lựa chọn cho việc triển khai 3G, đã mở ramột bước tiến lớn của Việt Nam trong việc bắt kịp khoa học kỹ thuật hiện đại của thếgiới, đặc biệt là viễn thông

Với việc sử dụng các dịch vụ có tốc độ cao khi thuê bao di chuyển nhanh, vấn đềchuyển giao trong 3G trở nên hết sức quan trọng để đảm bảo tính liên tục và chất lượngcủa dịch vụ Và làm thế nào để quá trình chuyển giao diễn ra nhanh nhất, tiêu tốn ít tàinguyên nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ, dung lượng, vùng phủ ở mức tốt nhất

Do đó, em lựa chọn đề tài “Tìm hiểu giải pháp tối ưu chuyển giao trong mạng thông tin di động 3G” Nội dung đồ án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G

Chương 2: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA

Chương 3: Một số giải pháp tối ưu chuyển giao mềm

Chương 4: Mô phỏng chuyển giao mềm

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy Nguyễn Chiến Trinh đã nhiệt tìnhhướng dẫn, góp ý giúp em hoàn thành đồ án này Em cũng xin cảm ơn toàn thể các thầy

cô tại Học viện Công nghệ bưu chính viễn thông đã giảng dạy và truyền đạt các kiến thứcquý báu trong thời gian em theo học tại trường

Do thời gian nghiên cứu có hạn và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi nhữngsai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng toàn thể các bạn

Hà Nội, tháng 11 năm 2012

Sinh viên

Trần Phương Mai – Lớp D08VT2

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.1 Tổng quan hệ thống 3G

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng với mục đích cung cấp mộtmạng di động toàn cầu với các dịch vụ phong phú bao gồm thoại, nhắn tin, Internet và dữliệu băng rộng ITU (International Telecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chuẩnhoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba với tên gọi IMT-2000 để đạt được các mục tiêuchính sau đây:

Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập internetnhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về cácdịch vụ này

Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điệnthoại vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ của các

WCDMA UMTS là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệhai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136 CDMA-2000 là sự phát triểntiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ CDMA như: IS-95

Hệ thống di động viễn thông toàn cầu UMTS được phát triển bởi 3GPP (ThirdGeneration Partnership Project) là dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩnhoá (SDO) như: ETSI (Châu Âu), ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (Hàn Quốc)

và CWTS (Trung Quốc) UMTS đáp ứng các yêu cầu phát triển của các dịch vụ di động

và ứng dụng Internet với tốc độ truyền dẫn lên tới 2Mbps và cung cấp một tiêu chuẩnchuyển vùng toàn cầu

Hình 1.1 Băng tần cấp phát cho hệ thống 3G ở các nước khác nhau

Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dùng cho hệ thốngUMTS:

 1920 MHz ÷ 1980 MHz và 2110 MHz ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụngFDD (Frequency Division Duplex: ghép song công phân chia theo tần số) đườnglên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5 MHz

 1900 MHz ÷ 1920 MHz và 2010 MHz ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụngTDD – TD/CDMA, khoảng cách kênh là 5 MHz

Dịch vụ của hệ thống UMTS

3GPP đã xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ của hệ thống UMTS nhằm đáp ứng:

Định nghĩa và các đặc điểm yêu cầu của dịch vụ

Phát triển dung lượng và cấu trúc dịch vụ cho các ứng dụng mạng tổ ong,mạng cố định và mạng di động

Thuê bao và tính cước

UMTS cung cấp các loại dịch vụ xa (teleservices) như thoại hoặc bản tin ngắn (SMS)

và các loại dịch vụ mang (bearer services: một dịch vụ viễn thông cung cấp khả năngtruyền tín hiệu giữa hai giao diện người sử dụng - mạng) Các mạng có các tham số QoS(Quality of Service: chất lượng dịch vụ) khác nhau cho độ trễ truyền dẫn tối đa, độ trễtruyền biến thiên và tỉ số lỗi bit (BER) Những tốc độ dữ liệu được yêu cầu là:

144 Kbps cho môi trường vệ tinh và nông thôn

384 Kbps cho môi trường thành phố (ngoài trời)

2084 Kbps cho môi trường trong nhà và ngoài trời với khoảng cách gần

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS

Dịch vụ di

động

Dịch vụ di động Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động dịch

vụDịch vụ thông tin định vị

- Theo dõi di động/ theo dõi di động thông minh

Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps - 2Mbps)

Dịch vụ Internet thời gian thực

Dịch vụ Internet (384 kbps - 2Mbps)

Dịch vụ internet

đa phương tiện

Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực ( 2Mbps)

1.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

3G UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5 Trong đómạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh) vàmiền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói) Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầukhi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh Khi này miền

CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được truyền trên miền PS R4 phát triểnhơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tảigiữa các nút chuyển mạch đều trên IP Mạng truy nhập của UMTS có thể là TDMA hoặcCDMA Tuy nhiên chương này chỉ xét mạng truy nhập CDMA cho UMTS và kiến trúc3G WCDMA UMTS R3

UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbpstrong miền CS và 2Mbps trong miền PS Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấpmột tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại

cố định và Internet Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanhchất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối Một tính năng khác cũng được đưa

ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet UMTS cũng cung cấp thông tin vịtrí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí

Hình 1.2 Kiến trúc UMTS

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạngtruy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạnglõi (CN: Core Network) (hình 1.2)

UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và modulenhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module)

UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) vàmỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vôtuyến) và các nút B nối với nó

Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE(Home Environment: Môi trường nhà) HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC(Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register:

Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhậndạng thiết bị)

1.2.1 Thiết bị người sử dụng

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của người sửdụng Có thể nói đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnhhưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạođiều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS Điều này đạt được nhờ tiêu chuẩnhóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các card thông minh

a) Các đầu cuối

Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến (giao diệnWCDMA) Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS Giao diện thứ hai làgiao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối Giao diện này tuân theo tiêu chuẩncho các card thông minh

Các nhà sản xuất đầu cuối phải tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn

để các người sử dụng bằng các đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chứcnăng cơ sở theo cùng một cách Các tiêu chuẩn này gồm:

 Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình)

 Đăng ký mật khẩu mới

 Thay đổi mã PIN

 Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)

 Trình bày IMEI

 Điều khiển cuộc gọi

Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng sẽchọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) là thiết kế vàgiao diện Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cung cấp (màn hìnhnút chạm), các phím và menu

nhập giao dịch ngân hàng an ninh) Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC

1.2.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặtđất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN (Core Network: Mạng lõi) Nó gồm cácphần tử đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng

UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện Giao diện Iu giữa UTRAN và CN, gồmhai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh; giaodiện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC

và nút B

a) RNC

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm chomột hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng Đây cũng chính là điểmtruy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN Nó được nối đến CN bằng hai kết nối,một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC).Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn Sau thủ tụcnhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC Sau đócác khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9

RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào Người sử dụngđược kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khi người sử dụng chuyểnvùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: DriftRNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản

lý kết nối của người sử dụng đến CN Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các RNC, tồntại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur Chỉ một trong số các RNC này(SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làmnhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur Chức năng cuối cùng của RNC là RNCđiều khiển (CRNC: Control RNC) Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệmcho các tài nguyên vô tuyến của nó

1.2.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần: miền PS, miền CS và HE Miền PS đảm bảocác dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệukhác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nốiTDM Các nút B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác,thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP Mạng đường trục trongmiền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP

a) SGSN

SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là nút chínhcủa miền chuyển mạch gói Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSNthông quan giao diện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuêbao Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuêbao

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN:

 IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao diđộng quốc tế)

 Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet - Temporary Mobile SubscriberIdentity: Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói)

 Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

 Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:

 IMSI

 Các địa chỉ PDP

Số liệu vị trí lưu trong GGSN:

 Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến

 GGSN nối đến Internet thông qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp

c) BG

BG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN (PublicLand Mobile Network: Mạng di động công cộng mặt đất) với các mạng khác Chức năngcủa nút này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấncông bên ngoài

d) VLR

VLR (Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao của HLR chomạng phục vụ (SN: Serving Network) Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụthuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng

Số liệu sau đây được lưu trong VLR:

 MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến

Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp CảSGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế được gọi làVLR/SGSN và VLR/MSC

e) MSC

MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng Nó thực hiện các chức năngbáo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình Chức năng củaMSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khả năng hơn.Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và MSC Các MSC đượcnối đến các mạng ngoài qua GMSC

f) GMSC

GMSC có thể là một trong số các MSC GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chứcnăng định tuyến đến vùng có MS Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của mộtnhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản

lý MS

g) Môi trường nhà

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác

Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuêbao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cungcấp Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm đều được liệt kê ở đây

Thanh ghi định vị thường trú (HLR)

HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động Một mạng diđộng có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR

và tổ chức bên trong mạng

Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: Số nhậndạng thuê bao di động quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: Số thuê bao

có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức

số liệu gói) Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy nhập đến các thông tinđược lưu khác Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin vềSGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê bao Các dịch vụ khác như chuyểnhướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng có trong danh sách cùng với các hạn chếdịch vụ như các hạn chế chuyển mạng

HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùng một nútvật lý HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao Như: thông tintính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối và thông tinchuyển hướng cuộc gọi Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện VLR và SGSN nào đangphụ trách người sử dụng.

Trung tâm nhận thực (AuC)

AuC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mãhóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng Nó liên kết với HLR và được thựchiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý Tuy nhiên cần đảm bảo rằng AuC chỉ cungcấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV: Authetication Vector) cho HLR

AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạokhóa từ f0 đến f5 Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu haykhi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ

Bộ ghi nhận thực thiết bị (EIR)

EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị diđộng quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity) Đây là số nhận dạng duynhất cho thiết bị đầu cuối Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: danh mụctrắng, xám và đen Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập mạng Danhmục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các sốIMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng Khi một đầu cuối được thông báo là bịmất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen vì thế nó bị cấm truy nhập mạng Danhmục này cũng có thể được sử dụng để cấm các seri máy đặc biệt không được truy nhậpmạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn

1.2.4 Các mạng ngoài

Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cần thiết

để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác Các mạng ngoài có thể là các mạng điệnthoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: Mạng di động mặt đất công cộng),PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng),ISDN hay các mạng số liệu như Internet Miền PS kết nối đến các mạng số liệu còn miền

CS nối đến các mạng điện thoại

1.2.5 Các giao diện

Vai trò các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diệnkhác nhau Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản xuất có thể kết nốicác phần cứng khác nhau của họ

Giao diện Cu: Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh Trong

UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE

Giao diện Uu: Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong UMTS.

Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng Giao diệnnày nằm giữa nút B và đầu cuối

Giao diện Iu: Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN Nó gồm hai phần, IuPS cho

miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh CN có thể kết nối đếnnhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS Nhưng một UTRAN chỉ có thểkết nối đến một điểm truy nhập CN

Giao diện Iur: Đây là giao diện RNC - RNC Ban đầu được thiết kế để đảm bảo

chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tínhnăng mới được bổ sung Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:

1 Di động giữa các RNC

2 Lưu thông kênh riêng

3 Lưu thông kênh chung

4 Quản lý tài nguyên toàn cục

Giao diện Iub: Giao diện Iub nối nút B và RNC Khác với GSM đây là giao

diện mở

1.3 Công nghệ đa truy nhập của WCDMA

1.3.1 Trải phổ

Trong CDMA có 3 kiểu hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum)

cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS:Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời gian (THSS: Time-HoppingSpreading Spectrum) Cũng có thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nóitrên

WCDMA sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) với tốc độ chip3,84Mcps Hệ thống DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tínhiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip (Rc =1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc

độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát Ở hệ thống DSSS, tất cảcác người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời Máythu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cáchgiải trải phổ Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạpâm

x, y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ; x(t), y(t) và c(t) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian; X(f), Y(f) và C(f) ký hiệu cho các tín hiệu vào,

ra và mã trải phổ trong miền tần số; T b là thời gian một bit của luồng số cần phát, R b =1/T b là tốc

độ bit của luồng số cần truyền; T c là thời gian một chip của mã trải phổ, R c =1/T c là tốc độ chip của mã trải phổ R c =15R b và T b =15T c

Hình 1.4 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Hình 1.4a cho thấy sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ DSSS trong đó luồng số cần truyền

x có tốc độ Rb được nhân với một mã trải phổ c tốc độ Rc để được luồng đầu ra y có tốc

độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb của luồng vào Các hình 1.4b và 1.4c biểu thị quátrình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số

Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khôi phục lại luồng x bằng cáchnhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=yc

1.3.2 Các đặc điểm chính của công nghệ WCDMA

WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ ba giúp tăng tốc

độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ởbăng tần rộng thay thế cho TDMA Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thìWCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc

hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình

WCDMA là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp CDMA: Direct-Sequence Code Division Multiple Access), tức là bit thông tinngười dùng được trải trên một băng tần rộng bằng cách nhân dữ liệu người dùngvới các bit ngẫu nhiên (gọi là chip) có được từ mã trải phổ CDMA Để hỗ trợ tốc

(DS-độ bit cao (lên đến 2 Mb/s), có thể thay đổi hệ số trải phổ và sử dụng nhiều kếtnối đa mã

Tốc độ chip 3,84Mc/s sừ dụng trên một sóng mang có độ rộng băng tần khoảng5MHz Hệ thống DS-CDMA với băng thông 1MHz, như IS-95, được gọi chung

là hệ thống CDMA băng hẹp Với độ rộng băng tần sóng mang lớn, WCDMAkhông những hỗ trợ tốc độ bit cao mà còn có những thuận lợi nhất định như tăng

độ lợi phân tập đa đường Các nhà mạng có thể triển khai nhiều sóng mang 5MHz

để tăng dung lượng hệ thống Ví dụ, hình 1.5, khoảng cách giữa các sóng mang

có thể là 200kHz hoặc lớn hơn tùy thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang

Hình 1.5 Chỉ định băng thông WCDMA trong không gian thời gian - tần số - mã

WCDMA hỗ trợ tốc độ dữ liệu người dùng cao và có thể thay đổi, hay nói cáchkhác là băng thông theo yêu cầu (BoD: Bandwidth on Demand) được hỗ trợ tốt.Tốc độ dữ liệu là không đổi trong mỗi khung 10ms Tuy nhiên, dung lượng dữliệu có thể thay đổi theo từng khung như hình 1.5 Sự chỉ định dung lượng vôtuyến nhanh này sẽ được điều khiển bởi mạng để đạt được thông lượng tối ưu chocác dịch vụ dữ liệu gói

WCDMA hỗ trợ 2 chế độ hoạt động cơ bản: ghép song công phân chia theo tần số(FDD), và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD) Trong chế độ FDD,mỗi khoảng tần số sóng mang 5MHz khác nhau sẽ được sử dụng cho hướng

xuống và hướng lên tương ứng Trong khi đó, TDD chỉ sử dụng một khoảng tần

số sóng mang được chia sẻ theo thời gian để sử dụng cho cả hai hướng

Bảng 1.2 So sánh các thông số lớp vật lý của UTRA TDD và UTRA FDD

Đa tốc độ Đa mã, đa khe, và hệ số trải phổ

biến thiên trực giao (OVSF)

Đa mã và OVSF

Đan xen Đan xen inter-frame (10, 20, 40, 80 ms)

Điều khiển công suất

Đường lên: điều khiển công suấtvòng hở; 100Hz hoặc 200HzĐường xuống: điều khiển côngsuất vòng kín; tốc độ ≤ 800Hz

Điều khiển công suấtvòng kín nhanh; tốc độ

WCDMA dùng bộ thu kết hợp ở cả hướng xuống và hướng lên bằng cách sửdụng ký tự hoa tiêu

Giao diện vô tuyến WCDMA được thiết kế có nhiều ưu điểm hơn các hệ thốngCDMA như tách sóng đa người sử dụng, sử dụng anten thông minh để nâng caodung lượng và vùng phủ

WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dunglượng của mạng

Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

Nhược điểm chính của WCDMA là hệ thống không cho phép trong băng TDD phátliên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi trường làmviệc khác nhau.

1.4 Quản lý tài nguyên vô tuyến trong WCDMA

Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) trong mạng di động 3G có nhiệm vụ cải thiệnviệc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến Các mục đích của công việc quản lý tài nguyên

vô tuyến RRM có thể tóm tắt như sau:

Cung cấp vùng phủ tối ưu

Tối ưu dung lượng hệ thống

Đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu

Các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến gồm có:

Điều khiển công suất (Power Control)

Điều khiển chuyển giao (Handover Control)

Điều khiển tắc nghẽn (Congestion Control)

 Điều khiển truy cập (Admission Control)

 Điều khiển tải (Load Control)

 Sắp xếp thứ tự truyền các gói dữ liệu (Packet Data Scheduling)

Hình 1.6 Các vị trí điển hình của RRM trong mạng WCDMA

1.4.1 Điều khiển công suất

Điều khiển công suất là một yếu tố cần thiết trong tất cả các hệ thống di động bởi cácvấn đề về pin và các lý do an toàn, nhưng trong hệ thống CDMA, điều khiển công suất làcần thiết bởi đặc điểm giới hạn nhiễu của CDMA

Trong các hệ thống GSM, chỉ áp dụng điều khiển công suất chậm (tần số xấp xỉ 2Hz) Trong IS-95, điều khiển công suất nhanh với tần số 800 Hz được hỗ trợ ở đường lên,nhưng ở đường xuống lại sử dụng điều khiển công suất tương đối chậm (xấp xỉ 50 Hz).Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh với tần số 1.5 kHz được hỗ trợ trên cảđường lên và đường xuống Điều khiển công suất nhanh khép kín là một vấn đề quantrọng của hệ thống WCDMA

Các lý do để sử dụng điều khiển công suất là khác nhau đối với đường lên và đườngxuống Các mục tiêu của điều khiển công suất có thể được tóm tắt như sau:

 Khắc phục hiệu ứng gần xa ở đường lên

 Tối ưu hoá dung lượng hệ thống bằng cách điều khiển nhiễu

 Tối đa hoá tuổi thọ pin của đầu cuối di động

Có 3 kiểu điều khiển công suất trong các hệ thống WCDMA đó là: điều khiển côngsuất vòng hở, điều khiển công suất vòng kín và điều khiển công suất vòng ngoài

Hình 1.7 Điều khiển công suất trong UMTS

Điều khiển công suất vòng hở

Điều khiển công suất vòng hở được sử dụng ở chế độ FDD UMTS cho việc thiết lậpcông suất ban đầu cho MS Trạm di động sẽ tính toán suy hao đường truyền giữa trạm gốc

và trạm di động bằng cách đo cường độ tín hiệu nhận được sử dụng mạch điều khiển độtăng ích tự động (AGC) Tùy theo sự tính toán suy hao đường truyền này, trạm di động cóthể quyết định công suất phát đường lên của nó Điều khiển công suất vòng hở có hiệuquả trong hệ thống TDD bởi vì hướng lên và hướng xuống là tương hỗ, nhưng không cóhiệu quả nhiều trong các hệ thống FDD bởi các kênh đường lên và đường xuống hoạtđộng ở các băng tần khác nhau và hiện tượng pha đinh Rayleigh ở đường lên và đườngxuống độc lập nhau Vậy điều khiển công suất vòng hở chỉ có thể bù một cách đại kháisuy hao do khoảng cách Đó là lý do tại sao điều khiển công suất vòng hở chỉ được sửdụng như là để thiết lập công suất ban đầu trong hệ thống FDD

Điều khiển công suất vòng kín

Điều khiển công suất vòng kín, còn được gọi là điều khiển công suất nhanh trong các

hệ thống WCDMA, có nhiệm vụ điều khiển công suất phát của MS (đường lên), hay côngsuất của trạm gốc (đường xuống) để chống lại pha đinh của các kênh vô tuyến và đạtđược SIR mục tiêu được thiết lập bởi vòng ngoài Ví dụ ở đường lên, trạm gốc so sánhSIR nhận được từ MS với SIR mục tiêu Nếu SIR nhận được lớn hơn mục tiêu, BS sẽtruyền một lệnh TPC “0” đến MS thông qua kênh điều khiển riêng đường xuống Còn nếuSIR nhận được nhỏ hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “1” đến MS Bởi vì tần sốcủa điều khiển công suất vòng kín là rất lớn nên có thể bù được pha đinh nhanh và cả phađinh chậm

Điều khiển công suất vòng ngoài

Điều khiển công suất vòng ngoài cần thiết để duy trì chất lượng truyền thông tại cácmức yêu cầu bằng cách thiết lập giá trị mục tiêu cho điều khiển công suất vòng kín nhanh.Mục đích của nó là cung cấp chất lượng yêu cầu đó Tần số của điều khiển công suất vòngngoài thường là 10-100 Hz Hình 1.9 thể hiện thuật toán chung của điều khiển công suấtvòng ngoài

Điều khiển công suất vòng ngoài so sánh chất lượng thu được với chất lượng yêu cầu.Thông thường chất lượng được định nghĩa như một BER (Bit Error Rate: tỷ số lỗi bit) hayFER (Fame Error Rate: tỷ số lỗi khung) Mối quan hệ giữa SIR mục tiêu và mục tiêu chấtlượng phụ thuộc vào tốc độ di động và cấu hình đa đường Nếu chất lượng thu được tốt

hơn, có nghĩa là SIR mục tiêu hiện tại đủ cao để đảm bảo QoS yêu cầu Để giảm thiểukhoảng thừa, SIR mục tiêu sẽ được giảm Tuy nhiên, nếu chất lượng thu được xấu hơnchất lượng yêu cầu, SIR mục tiêu phải tăng lên để đảm bảo QoS yêu cầu.

1.4.2 Điều khiển chuyển giao

Chuyển giao là một phần quan trọng của các hệ thống thông tin di động tổ ong Tính

di động là nguyên nhân dẫn đến những biến đổi chất lượng liên kết và mức độ nhiễu trong

hệ thống di động tổ ong, đôi khi yêu cầu một người sử dụng cụ thể thay đổi trạm gốc phục

vụ nó Sự thay đổi này được gọi là chuyển giao (Handover)

1.4.3 Điều khiển tắc nghẽn

Trong WCDMA một điều quan trọng là giữ mức tải dưới một mức ngưỡng cho trước

Vì tải tăng lên quá mức sẽ dẫn đến không đảm bảo vùng phủ theo yêu cầu, dung lượnggiảm, chất lượng dịch vụ (QoS) không đảm bảo và có thể dẫn đến tình trạng mạng không

ổn định Ba chức năng khác nhau được sử dụng để tránh hiện tượng này:

Điều khiển truy cập (AC): điều khiển các lưu lượng truy nhập mới AC kiểm tra mộtvật mang dịch vụ vô tuyến (RAB – Radio Access Bearer) mới là chuyển mạch mạch haychuyển mạch gói và cho phép truy nhập vào hệ thống hay không Sau đó, AC đưa ra cácthông số cho RAB mới cho phép truy nhập này

Điều khiển tải (LC): điều khiển khi tình trạng tải hệ thống vượt quá mức ngưỡng vàđưa ra các biện pháp đối phó phục hồi lại trạng thái tải thông thường

Lập lịch gói (PS): điều khiển tất cả các lưu lượng không gian thời gian thực - tức là

dữ liệu gói PS quyết định khi nào việc truyền gói tin được thiết lập và tốc độ bit sử dụng

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Chương này đưa ra một tổng quan về sự phát triển của hệ thống thông tin di động 3G và kiến trúc UMTS R3 Chương này cũng giới thiệu các đặc điểm cơ bản của công nghệ WCDMA và chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến

Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu tìm hiểu về các loại chuyển giao trong WCDMA và tập trung tìm hiểu chuyển giao mềm

CHƯƠNG II CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA

2.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động

Các mạng di động cho phép người sử dụng có thể truy nhập các dịch vụ trong khi dichuyển nên có thuật ngữ “tự do” cho các thiết bị đầu cuối Tuy nhiên, sự di chuyển tự donày mang đến tính không ổn định trong hệ thống di động Tính di động của các thuê bao

là nguyên nhân dẫn đến những biến động trong cả chất lượng đường dẫn và mức độnhiễu, đôi khi đòi hỏi người sử dụng phải thay đổi trạm gốc dịch vụ của nó Và quá trìnhnày gọi là chuyển giao (Handover: HO)

Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của người sử dụng đầucuối Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động dichuyển qua ranh giới các cell

Trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ nhất như AMPS, chuyển giao là tương đốiđơn giản Trong hệ thống di động thế hệ hai dựa trên công nghệ truy nhập TDMA/FDMAnhư GSM và PACS thì chuyển giao được đưa lên một mức cao hơn ở nhiều hình thức baogồm các giải thuật được sử dụng Trong các hệ thống này, chỉ tồn tại duy nhất chuyểngiao cứng (là chuyển giao mà trong đó liên kết vô tuyến cũ được giải phóng trước khi liênkết vô tuyến mới được thiết lập) Các thủ tục quyết định chuyển giao và xử lý tín hiệu đãđược tích hợp trong những hệ thống này và trễ chuyển giao cũng được giảm thiểu đáng

kể Từ khi công nghệ CDMA được giới thiệu, một ý tưởng khác được đề xuất để cải thiện

quá trình chuyển giao, đó là chuyển giao mềm và đây là công việc trọng tâm trong đồ án.

2.1.1 Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA

Hình 2.1 Các loại chuyển giao được hỗ trợ bởi UMTS

Chuyển giao từ UMTStới GSM đảm bảo vùng

Chuyển giao

trong UMTS

Chuyển giao khác tần sốđảm bảo tốc độ

Chuyển giao khác tần sốđảm bảo vùng phủ

Chuyển giao từGSM tới UMTS

Chuyển giao khác tần sốđảm bảo tải

Chuyển giao khác tần sốđảm bảo QoS

Chuyển giao

giữa các RAT

Chuyển giaocùng tần số

Chuyển giao cứng cùng

tần số

Chuyển giaokhác tần số

Chuyển giao từ UMTStới GSM đảm bảo QoS

Chuyển giao từUMTS tới GSM

Chuyển giao từ UMTStới GSM đảm bảo dịch vụ

Chuyển giao trong WCDMA có thể chia thành các loại sau:

- Chuyển giao cùng hệ thống (Intra-system HO): xảy ra trong cùng hệ thống

WCDMA Nó được chia thành 2 loại:

 Chuyển giao cùng tần số (Intra-frequency HO) giữa các cell trong hệ thốngWCDMA có cùng tần số

 Chuyển giao khác tần số (Inter-frequency HO) giữa các cell trong hệ thốngWCDMA nhưng khác tần số

- Chuyển giao giữa các hệ thống (Inter-system HO):

 Chuyển giao giữa các cell có 2 công nghệ truy nhập vô tuyến (RAT-RadioAccess Technology) khác nhau Ví dụ: Chuyển giao giữa WCDMA vàGSM/EDGE

 Chuyển giao giữa các chế độ truy nhập vô tuyến (RAM – Radio Access Mode)khác nhau Ví dụ: chuyển giao giữa 2 chế độ UTRA FDD và UTRA TDD

- Chuyển giao cứng: là các thủ tục chuyển giao mà liên kết vô tuyến sẽ giải phóng

trước khi UE thiết lập 1 liên kết vô tuyến mới Chuyển giao cứng diễn ra như là chuyểngiao trong cùng tần số và chuyển giao khác tần số

- Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn (softer HO): là các thủ tục

chuyển giao mà UE luôn giữ ít nhất 1 liên kết với UTRAN Trong suốt quá trình chuyểngiao mềm, UE được điều khiển đồng thời bởi 2 hoặc nhiều cell thuộc các nút B khác nhaucủa cùng một bộ điều khiển mạng vô tuyến (intra-RNC) hoặc các bộ điều khiển mạng vôtuyến khác nhau (inter-RNC) Trong chuyển giao mềm hơn, UE được điều khiển ít nhấtbởi 2 sector của cùng nút B Chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn chỉ có thể xảy

ra trong cùng một tần số sóng mang, do đó chúng là các quá trình chuyển giao trong cùngtần số

Phân loại cell: Dựa trên sự tham gia vào quá trình chuyển giao mềm, các cell trong

WCDMA có thể chia thành các tập hợp sau:

 Tập tích cực: bao gồm các cell đang tham gia vào kết nối chuyển giao mềm với UE

 Tập giám sát: bao gồm các cell đang được giám sát/ đo đạc bởi UE và hiện tại chưathuộc tập tích cực

 Tập ứng cử: bao gồm các cell mà UE đã phát hiện nhưng chưa nằm trong tập tíchcực hay tập láng giềng

Hình 2.2 Các viễn cảnh của các kiểu chuyển giao khác nhau 2.1.2 Mục tiêu của chuyển giao

Chuyển giao có thể được được khởi tạo từ 3 cách khác nhau: máy di động khởixướng, mạng khởi xướng và hỗ trợ máy di động

Máy di động khởi xướng: Máy di động thực hiện các phép đo về chất lượng, lựa

chọn trạm gốc tốt nhất, và chuyển mạch, với sự điều phối của mạng Kiểu chuyểngiao này nhìn chung tạo ra một chất lượng liên kết nghèo nàn được đo bởi máy diđộng

Mạng khởi xướng: Trạm gốc thực hiện các phép đo và báo cáo với bộ điều khiển

mạng RNC để đưa ra quyết định có nên chuyển giao hay không Ngoài điều khiểnliên kết vô tuyến, chuyển giao bắt đầu từ mạng còn được thực hiện bởi những lý

do khác, ví dụ như để điều khiển sự phân phối lưu lượng giữa các cell Ví dụ nhưchuyển giao với lý do lưu lượng (TRHO) được điều khiển bởi trạm gốc TRHO làmột thuật toán thay đổi ngưỡng chuyển giao cho một hay nhiều sự rời đi sang celllân cận từ một cell cụ thể tuỳ thuộc vào tải của cell đó Nếu tải của cell nguồnvượt quá mức cho phép, và tải của một cell lân cận thấp hơn một mức cho phépkhác, thì khi đó cell nguồn sẽ thu hẹp vùng phủ sóng của nó, chuyển giao một sốlưu lượng đến cell lân cận Vì vậy, tỷ lệ chặn tổng thể có thể giảm, dẫn đến việc

sử dụng tài nguyên cell tốt hơn

Hỗ trợ máy di động: Ở đây cả mạng và máy di động đều thực hiện các phép đo.

Máy di động báo cáo các kết quả đo đạc từ những trạm gốc gần đó và mạng sẽquyết định có thực hiện chuyển giao hay không

Các mục đích của chuyển giao có thể được tóm tắt như sau:

 Đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động dichuyển qua ranh giới của các cell

 Duy trì QoS đảm bảo mức yêu cầu

 Giảm tối đa mức nhiễu của toàn hệ thống

 Chuyển vùng giữa các mạng khác nhau

 Phân phối tải từ các khu vực, điểm nóng (Cân bằng tải)

Sự khởi xướng cho một quá trình chuyển giao có thể bắt nguồn từ: chất lượng đườngdẫn (hướng lên hoặc hướng xuống), sự thay đổi dịch vụ, sự thay đổi tốc độ, các lý do lưulượng hoặc sự can thiệp để vận hành và bảo dưỡng

giữa các cell cần được đo để điều chỉnh định thời truyền dẫn trong chuyển giao mềm đểthực hiện việc kết hợp thống nhất ở máy thu Rake Tuy nhiên, việc truyền dẫn từ các trạmgốc khác nhau sẽ rất khó để kết hợp, đặc biệt là hoạt động điều khiển công suất trongchuyển giao mềm sẽ phải chịu ảnh hưởng của trễ bổ sung.

Trong giai đoạn quyết định chuyển giao, các kết quả đo được so sánh với ngưỡng đãxác định trước đó và sau đó sẽ quyết định có bắt đầu thực hiện chuyển giao hay không.Các giải thuật chuyển giao khác nhau sẽ có các điều kiện kích hoạt khác nhau

Trong giai đoạn thực thi, quá trình chuyển giao được hoàn thành và các thông số liênquan cũng được thay đổi tuỳ theo các kiểu chuyển giao khác nhau Ví dụ, trong giai đoạnthực thi của chuyển giao mềm, khi máy di động vào hoặc rời bỏ trạng thái chuyển giaomềm thì một trạm gốc mới sẽ được bổ sung hoặc giải phóng, tập hợp các BS đang hoạtđộng sẽ được cập nhật và công suất của mỗi kênh liên quan đến quá trình chuyển giaomềm được điều chỉnh

2.2 Chuyển giao cùng tần số

Chuyển giao cùng tần số có thể là chuyển giao cứng hoặc chuyển giao mềm, chuyểngiao mềm hơn Trong đồ án chủ yếu tập trung vào chuyển giao mềm và mềm hơn

2.2.1 Chuyển giao mềm

2.2.1.1 Nguyên lý chuyển giao mềm

Hình 2.4 So sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm

Hình 2.4 đưa ra quá trình cơ bản của chuyển giao cứng và chuyển giao mềm (trườnghợp 2 đường) Một thiết bị đầu cuối di động bên trong xe di chuyển từ cell 1 đến cell 2,

BS1 là BS phục vụ ban đầu của máy di động Trong khi di chuyển, máy di động đo đồngthời cường độ tín hiệu kênh hoa tiêu nhận được từ các BS lân cận

Chuyển giao cứng dựa trên nguyên tắc “cắt trước khi nối” (“break before make”), tức

là kết nối với kênh cũ bị cắt trước khi kết nối với kênh mới được thực hiện Trường hợpchuyển giao cứng hình 2.4(a), việc kích hoạt chuyển giao cứng được mô tả đơn giản nhưsau:

Nếu ¿ và BS1 là BS phục vụ ban đầu

Chuyển giao tới BS2

Ngược lại

Không chuyển giao

Trong đó: ¿ và ¿ lần lượt là tỷ số E c/I0 của kênh hoa tiêu nhận được từ BS1 và BS2; D

là giới hạn độ trễ

Trường hợp chuyển giao mềm hình 2.4(b), trước khi ¿ vượt quá ¿, chỉ cần điều kiệnkích hoạt chuyển giao mềm được thoả mãn thì trạm di động sẽ vào trạng thái chuyển giaomềm và một kết nối mới được thiết lập Trước khi BS1 bị ngắt kết nối (điều kiện loại bỏchuyển giao được thoả mãn) thì trạm di động sẽ truyền thông đồng thời với cả BS1 và BS2

Vì vậy, không giống như chuyển giao cứng, chuyển giao mềm là một quá trình “nối trướckhi ngắt” (“make before break”)

2.2.1.2 Đo lường chuyển giao mềm

Tổng quan đơn giản của mô hình UE (thiết bị người sử dụng) được trình bày tronghình 2.5

Hình 2.5 Mô hình UE

Tất cả các phép đo cùng tần số được thực hiện trên kênh hoa tiêu chung sơ cấp đườngxuống (P-CPICH), các kết quả đo được lớp vật lý được lấy mẫu một lần trong mỗi chu kỳ

đo Các đại lượng đo có thể khác nhau (E c/I0, RSCP, suy hao đường truyền và công suất

mã tín hiệu nhận được) Đầu tiên, các mẫu đo được lọc với "bộ lọc lớp 1" để lấy trungbình tác động của pha đinh đa đường Hơn nữa, để có độ chính xác của các phép đo, mộtlớp đặc biệt cao hơn "bộ lọc lớp 3" được quy định:

F n=(1−a) Fn−1+a X n (2.1) a=2−k /2

Trong đó: X n là kết quả đo nhận được mới nhất từ các phép đo lớp vật lý

F n là công suất đã được lọc từ bộ lọc lớp 3

k là tham số bộ lọc L3 được cung cấp bởi nhà điều hành.

Chuyển giao trong cùng một chế độ của UTRA FDD dựa trên việc đo E c/I0 đượcthực hiện từ kênh hoa tiêu chung CPICH:

E c

N0

=RSCP RSSI

(2.2)

Trong đó: Công suất của mã tín hiệu thu (RSCP: Received Signal Code Power) làcông suất thu ở một mã sau giải trải phổ được quy định cho các ký hiệu hoa tiêu

Chỉ thị cường độ tín hiệu thu (RSSI: Received Signal Strength Indicator)

là công suất thu băng rộng trong băng tần kênh

E c/N0 thể hiện công suất mã tín hiệu thu được chia cho tổng công suất thutrong băng tần thu

Trong giai đoạn đo lường, UE thực hiện các phép đo theo bản tin điều khiển đo lườngnhận được từ RNC Khi các điều kiện kích hoạt được đáp ứng, UE gửi báo cáo đo lườngtới RNC Bản tin điều khiển đo lường mang các thông tin sau:

 Ngưỡng kích hoạt sự kiện

 Giá trị độ trễ

 Thời gian trễ của sự kiện kích hoạt

 Danh sách cell láng giềng

2.2.1.3 Thuật toán chuyển giao mềm

a) Thuật toán dựa trên ngưỡng tương đối

R 1 A (dB): khoảng báo cáo trong sự kiện 1A (thêm 1 cell vào tập tích cực)

R 1 B (dB): khoảng báo cáo trong sự kiện 1B (xóa 1 cell khỏi tập tích cực)

H 1 A (dB): thông số trễ trong sự kiện 1A (thêm 1 cell vào tập tích cực)

H 1 B (dB): thông số trễ trong sự kiện 1B (xóa 1 cell khỏi tập tích cực)

H 1 C (dB): thông số trễ trong sự kiện 1C (thay thế 1 cell trong tập tích cực)

β: trọng số

ΔT (ms): thời gian khởi tạo (time to trigger)T (ms): thời gian khởi tạo (time to trigger)

AS_Max_Size: kích thước tối đa của tập tích cực

N C: số cell hiện có trong tập tích cực của user

Tùy thuộc vào kết quả đo đạc cung cấp bởi thiết bị đầu cuối, các sự kiện sau sẽ xảy ra nếuthỏa mãn:

- Thêm cell i vào tập tích cực (sự kiện 1A)

Hoạt động này được thực thi chỉ khi tập tích cực chưa đầy (N C < AS_Max_Size) và

sự kiện 1A được khởi động nếu:

Trong đó: (E c/N0)bestASlà E c/N0của cell mạnh nhất trong tập tích cực

Trọng số β (0< β<1) khác nhau cho các cell Khi β=0 chỉ so sánh với celllớn nhất Chú ý β tăng thì càng khó thêm 1 cell vào tập tích cực

- Xóa 1 cell khỏi tập tích cực (sự kiện 1B)

Chú ý trong trường hợp này khi β tăng thì càng dễ xóa 1 cell khỏi tập tích cực

- Thay thế cell yếu nhất trong tập tích cực bởi cell mạnh nhất trong tập giám sát (sự kiện 1C)

Hoạt động này được thực thi khi tập tích cực đầy (N C = AS_Max_Size)

Trong đó (E c/N0)bestMS là E c/N0 của cell mạnh nhất trong tập giám sát, và (E c/N0)worst AS

là E c/N0 của cell yếu nhất trong tập giám sát

Ví dụ: Hoạt động của thuật toán như trong 2.6 với giả thiết tập tích cực có tối đa 2 cell

(AS_Max_Size =2) và β =0

Hình 2.6 Chuyển giao mềm với ngưỡng tương đối

Lưu đồ thuật toán:

Đặt: Th_add = R 1 A−H 1 A/2; Th_drop = R 1 B+H 1 B/2 ; Th_rep = H 1 C/2

Thêm BS i vàotập tích cực(Sự kiện 1A)

Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán dựa trên ngưỡng tương đối b) Thuật toán dựa trên ngưỡng tuyệt đối

T_ADD (dB): ngưỡng tuyệt đối cho sự kiện 1E (thêm 1 cell vào tập tích cực)

T_DROP (dB): ngưỡng tuyệt đối cho sự kiện 1F (xóa 1 cell khỏi tập tích cực)

H A (dB): độ dự trữ trễ với sự kiện 1E

H D (dB): độ dự trữ trễ với sự kiện 1F

H R (dB): độ dự trữ trễ thay thế

ΔT (ms): thời gian khởi tạo (time to trigger)T (ms): thời gian khởi tạo

AS_Max_Size: kích thước tối đa của tập tích cực

Thuật toán bao gồm các hoạt động sau:

- Thêm cell i vào tập tích cực (sự kiện 1E)

Hoạt động này được thực thi khi tập tích cực chưa đầy và sự kiện 1E được khởi tạo:

10 log( E c

N0)i

>T ADD+H A

2 (2.9)

Và trong suốt khoảng thời gian ΔT (ms): thời gian khởi tạo (time to trigger)T, nó thỏa mãn: