Tối ưu vùng phủ mạng thông tin di động 3G WCDMA

Đề tài Tối ưu vùng phủ mạng thông tin di động 3G WCDMA Chương I giới thiệu tổng quan về mạng 3G WCDMA bao gồm các kiến trúc mạng với các phiên bản ngày càng hiện đại hơn, cấu trúc phân chia địa lý của vùng mạng di động Chương II đi vào tìm hiểu các kỹ thuật cơ bản trong mạng, giao diện vô tuyến và các kênh mà mạng 3G WCDMA sử dụng. Chương III sẽ trình bày hoạt động tối ưu vùng phủ sóng mạng 3G WCDMA thực tế, từ quy trình đo kiểm driving test, các chỉ tiêu KPIs của mạng đến những biện pháp từ thực tế để nâng cao chất lượng vùng phủ sóng.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Ngô Quang Long

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng

bá

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CSCF Call Status Control Function Chức năng điều khiển

trạng thái cuộc gọiCS-MGW Circuit Switched Media

Gateway

Cổng phương tiện chuyển mạch kênh – xử

lý dữ liệu thuê baoDCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DPCCH Dedicated Physycal Control

DPDCH Dedicated Physical Data

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường

xuốngEIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường

xuốngGGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói

chungGSM Global System For Mobile

Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA High Speed Downlink Packet

HS-DSCH High-Speed Dedicated Shared

Channel Kênh chia sẻ riêng tốc độcao

HS-PDSCH High-Speed Physical Dedicated

Shared Channel Kênh chia sẻ riêng vật lý tốc độ caoHSS Home Subsscriber Server Server thuê bao nhà

HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao

thường trúHS-SCCH High-Speed Shared Control

IMSI International Mobile

Subsscriber Identity số nhận dạng thuê bao di động quốc tế

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập

môi trườngMGCF Media Gateway Control

Function chức năng điều khiển cổng phương tiệnMMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa

phương tiệnMRFC Multimedia Resource Function

Controller bộ điều khiển chức năng tài nguyên đa phương

tiệnMRFP Multimedia Resource Function

Processor bộ xử lý chức năng tài nguyên đa phương tiện

MSC Mobile Services Switching

PCPCH Physical Common Packet

PDCP Packet-Data Convergence

Protocol

Giao thức hội tụ số liệu gói

PDP Packet Data Protocol Giao thức số liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared

Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lýPLMN Public Land Mobile Network mạng di động mặt đất

công cộngPRACH Physical Random Access

Channel Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên

PSTN Public Switched Telephone

Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu

nhiênRAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô

tuyếnRNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô

tuyếnRRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô

tuyếnR-SGW Roaming Signalling Gateway Cổng báo hiệu chuyển

mạng RTP Real Time Transport Protocol Giao thức truyền tải thời

gian thực SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục

vụ

SIM Subscriber Identity Module Mođun nhận dạng thuê

baoSIP: Session Initiation Protocol giao thức khởi tạo phiên SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp

âmTDMA Time Division Mulptiple

Access Đa truy nhập phân chia theo thời gianT-SGW Transport Signalling Gateway Cổng báo hiệu truyền tải

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống thông tin di động toàn cấu

UTRAN UMTS Terrestrial Radio

Access Network Mnạg truy nhập vô tuyếnmặt đất UMTSVLR Visitor Location Register bộ ghi định vị tạm trú

WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Mô tả phân chia 8191 mã ngẫu nhiên thành nhóm mã/mã sơ cấp/mã thứ cấp 26

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.1 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợpcả CS và PS 2

1.11 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di độnglên 4G 20

2.4 Vai trò của mã ngẫu nhiên và mã kênh trong WCDMA 25

LỜI MỞ ĐẦU

Tại Việt Nam tính đến thời điểm hiện nay đang có 3 nhà mạng viễn thônglớn nhất triển khai và cung cấp các dịch vụ trên mạng thông tin di động 3G đó làVinaphone, Mobifone, Viettel Do số lượng thuê bao đã gần như bão hòa, khôngtăng bùng nổ như giai đoạn đầu khi triển khai, các nhà cung cấp dịch vụ bắt đầucạnh tranh khốc liệt để giành thị phần, bao gồm đưa ra các dịch vụ mới, đưa ra giácước hợp lý và một điều quan trọng nhất là luôn phải đảm bảo chất lượng kết nốicho khách hàng, bằng các biện pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hệ thống mạng di độngtrong đó quan trọng là tối ưu vùng phủ sóng Các hoạt động đo kiểm bằng phầnmềm chuyên nghiệp được tiến hành liên tục, dựa vào kết quả đo, nhân viên tối ưu sẽđưa ra quyết định điều chỉnh các tham số của mạng như cân chỉnh góc anten, tối ưucông suất phát, thu, tối ưu quan hệ giữa các ô lân cận với nhau nhằm đưa chất lượngvùng phủ sóng đạt tới tiêu chí đích đề ra Vậy cụ thể hoạt động đó diễn ra như thế

nào, đây chính là lý do tôi chọn đề tài “Tối ưu vùng phủ mạng thông tin di động 3G WCDMA”.

Chương I giới thiệu tổng quan về mạng 3G WCDMA bao gồm các kiến trúcmạng với các phiên bản ngày càng hiện đại hơn, cấu trúc phân chia địa lý của vùngmạng di động Chương II đi vào tìm hiểu các kỹ thuật cơ bản trong mạng, giao diện

vô tuyến và các kênh mà mạng 3G WCDMA sử dụng Chương III sẽ trình bày hoạtđộng tối ưu vùng phủ sóng mạng 3G WCDMA thực tế, từ quy trình đo kiểm drivingtest, các chỉ tiêu KPIs của mạng đến những biện pháp từ thực tế để nâng cao chấtlượng vùng phủ sóng

Luận văn được thực hiện trong thời gian ngắn, có những hạn chế nhất định

về nhận thức người viết cũng như hạn chế về tiếp cận số liệu thực tế nên khôngtránh khỏi sai sót Để hoàn thiện luận văn hơn, rất mong được sự đóng góp nhiệttình của người đọc

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS-TS Nguyễn Minh Dân đã địnhhướng, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG I TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS

1.1 Giới thiệu chương

Người làm tối ưu vùng phủ mạng di động 3G WCDMA trước tiên cần đượctrang bị kiến thức nền cơ bản về kiến trúc tổng quát của một mạng thông tin diđộng, các thành phần, giao diện, giao thức trong mạng đó, với những dịch vụ đangkhai thác…

Chương này mô tả kiến trúc tổng quát của một mạng thông tin di động 3G,nêu ra các kiến trúc mạng 3G WCDMA với các phiên bản R3, R4, R5, R6, cấu hìnhđịa lý của mạng

1.2 Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyểnmạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng Các trungtâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM Trên đườngphát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyểnmạch gói Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuốicùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói Hình1.1 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của mạng 3G kết hợp cả CS

và PS trong mạng lõi

Hình 1.1 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

Thiết Bị Chuyển Mạch Cổng

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiệnbằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chứcnăng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Chẳng hạn có thể thực hiệnchức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói(SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phépchuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đếnlưu lượng số liệu dung lượng lớn

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thôngtin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN Kiểu thứ nhất sử dụng côngnghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truynhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial RadioNetwork: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS) Kiểu thứ hai sử dụng côngnghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio AccessNetwork: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM) Tài liệuchỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3G WCDMAUMTS

1.3 Các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G WCDMA hỗ trợ

Vì thông tin di động 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhậpInternet và lưu lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh, hỗ trợ tốt tất cả cácdịch vụ thoại và đa phương tiện, vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mứcQoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ QoS ở W-CDMA được phân loại nhưsau:

Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (thoại

chẳng hạn, video call)

Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ

(phân phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: xem phim, )

Loại tương tác (Interactive, nrt): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỷ

lệ lỗi thấp (trình duyệt Web, game online, bản đồ tìm địa chỉ…)

Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được thực hiện trên

nền cơ sở (e-mail, tải xuống các file ảnh, nhạc chuông…)

Môi trường hoạt động của 3WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng vớicác tốc độ bit Rb phục vụ như sau:

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 tinđịnh vị

- Theo dõi di động/ theo dõi di động thôngminh

Dịch vụ âm thanh - Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64

kbps)

- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps)

- Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps)Dịch vụ

đa phương tiện

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

Dịch vụ Internetthời gian thực Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps)Dịch vụ internet

đa phương tiện

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

3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3,R4, R5 Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch:chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói) Việc kết hợpnày phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thựcnhư thoại và hình ảnh Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệuđược truyền trên miền PS R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyểnmạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP

Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên

1.4 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

Để đảm bảo lợi ích kinh tế cho các nhà cung cấp dịch vụ, thiết kế ban đầucho kiến trúc mạng R3 sẽ tương thích cả 2G và 3G, như vậy sẽ hỗ trợ tốt tất cả cácdịch vụ trên nền 2G, GPRS, 3G, có nghĩa là miền chuyển mạch kênh CS và chuyển

mạch gói PS sẽ hoạt động song song trên mạng Thành phần của mạng lõi R3 baogồm MSC/VLR, SGSN, GGSN, HLR/AuC và EIR Để hỗ trợ các dịch vụ 3G, cácgiao thức giao diện phù hợp sẽ được thêm vào các phần tử đồng thời cải tiến cácgiao thức giao diện gốc.

Trong phiên bản R3, các thành phần chức năng của miền chuyển mạch kênh

CS bao gồm MSC, VLR và một số phần tử khác Dựa vào các phương thức kết nốikhác nhau, nhà cung cấp có thể thiết lập MSC như là GMSC Các thành phần chứcnăng của miền chuyển mạch gói bao gồm SGSN và GGSN cung cấp các dịch vụ gói

số liệu cho khách hàng HLR, AuC và EIR là thiết bị được chia sẻ dung chung trongmiền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

Hình 1.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

1.4.1.1 Các đầu cuối TE

Các thiết bị đầu cuối ngày nay không đơn thuần chỉ dành riêng cho thoại màcòn có hàng loạt các dịch vụ số liệu mới Thị trường sản xuất thiết bị đầu cuối thôngminh (các smartphone) đang rất sôi động và cạnh tranh gay gắt, với màn hình hiểnthị lớn hơn, cảm ứng đa điểm thay cho bàn phím vật lý ngày trước, có thể nói thiết

bị đầu cuối ngày nay trở thành tổ hợp của máy điện thoai di động, modem và máytính

Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến(giao diện WCDMA) Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS Giaodiện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối Giao diện nàytuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối córất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêuchuẩn để các người sử dụng bằng các đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một

số các chức năng cơ sở theo cùng một cách

Các tiêu chuẩn này gồm:

* Bàn phím (các phím vật lý hay cảm ứng trên màn hình)

* Đăng ký mật khẩu mới

* Thay đổi mã PIN

* Giải chặn PIN/PIN2 (PUK) 12

* Trình bầy IMEI

* Điều khiển cuộc gọi

Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sửdụng sẽ chọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài)

là thiết kế và giao diện Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hìnhcung cấp (màn hình Node chạm), các phím và menu

ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (mã truy nhập giao

dịch ngân hàng) Trên cùng một UICC có thể hỗ trợ nhiều USIM (thường là 2) đểtruy nhập tới nhiều mạng USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhậnthực thuê bao trong mạng UMTS Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao

1.4.2 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

WCDMA bao gồm RAN (Radio Access Network : mạng truy nhập vô tuyến)

và CN (Core Network : mạng lõi) RAN sẽ xử lý tất cả các chức năng về mặt vôtuyến trong khi CN xử lý các kết nối cuộc gọi thoại và số liệu trong hệ thốngWCDMA, đồng thời thực hiện chức năng định tuyến và chuyển mạch với các mạngngoài

Xét về logic, CN được chia thành miền chuyển mạch kênh CN (CircuitSwitched) và chuyển mạch gói PS (Packet Switched), như vậy là UTRAN, CN, và

UE , cấu thành nên hệ thống UMTS

Hình 1.3 Các giao diện bên trong và bên ngoài của UTRAN

Một khối RNS bao gồm một RNC và một hay nhiều Nút B, trong đó Iu làgiao diện giữa RNC và CN, IuB là giao diện giữa RNC và Nút B, các RNC lại kếtnối với nhau qua giao diện Iur Giao diện Iur có thể kết nối các RNC qua các liênkết vật lý hoặc qua mạng truyền tải RNC được dùng để phân bố và điều khiển cáctài nguyên vô tuyến của Nút B, tuy nhiên Nút B phục vụ lại trao đổi các luồng số

PS

liệu bằng giao diện Iub và Uu ở cùng thời điểm, nó cũng tham gia môt phần vàoquản lý tài nguyên vô tuyến

Các giao diện giữa hai các phần tử mạng được đặt tên trong đó

• Iu định nghĩa giao diện giữa UTRAN và CN, gồm hai phần IuPS cho miềnchuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh

• Uu định nghĩa giao diện giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng

• Iub định nghĩa giao diện RNC và nodeB

• Iur định nghĩa giao diện giữa các RNC

1.4.2.1 RNC

RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm và điều khiển tải nguyêncho một hay nhiều trạm gốc Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRANcung cấp cho CN Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miềnchuyển 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 Sauthủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vàoRNC RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ Node nào.Người sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khingười sử dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC

cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) 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 Vaitrò logic của SRNC và DRNC được mô tả trên hình 1.4

Hình 1.4 Vai trò logic của SRNC và DRNC

Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub

và có ít nhất một kết nối qua Iur Chỉ một trong số các RNC này (SRNC) là đảmbảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụđịnh tuyến thông tin giữa các Iub và Iur

Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC).Mỗi NodeB có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyếncủa nó

1.4.2.2 Nút B

Trạm gốc trong UMTS được gọi là NodeB có nhiệm vụ thực hiện kết nối vôtuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nút B nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC vàchuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu Nó cũng thực hiện một số thaotác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòng trong" Tínhnăng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phátcùng một công suất, thì các đầu cuối gần NodeB nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầucuối ở xa NodeB kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báocho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho NodeB luôn thu được côngsuất như nhau từ tất cả các đầu cuối

1.4.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN) nói chung được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và

HE Miền PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đếnInternet và các mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điệnthoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM Các NodeB trong CN được kếtnối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệmạng tốc độ cao như ATM và IP Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDMcòn trong miền PS sử dụng IP

1.4.3.1 SGSN

SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: Node hỗ trợ GPRS phục vụ) làNode chính của miền chuyển mạch gói Nó nối đến UTRAN thông qua giao diệnIuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kếtnối PS của tất cả các thuê bao Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng kýthuê bao và thông tin vị trí thuê bao

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

- IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao

Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

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

số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí

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

1.4.3.3 BG

BG (Border Gatway: Gateway kết nối ngoài) là một cổng giữa miền PS củaPLMN với các mạng khác Chức năng của Node này giống như tường lửa củaInternet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài

1.4.3.4 VLR

VLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao củaHLR cho mạng phục vụ (SN: Serving Network) Dữ liệu thuê bao cần thiết để cungcấp các dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây Cả MSC và SGSN đều cóVLR nối với chúng

Số liệu sau đây được lưu trong VLR:

- IMSI

- MSISDN

- TMSI (nếu có)

- LA hiện thời của thuê bao

- 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 cungcấp

Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một node vật lý với VLR vìthế được gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC.

1.4.3.5 MSC

MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng Nó thực hiện các chứcnăng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình Chứcnăng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiềukhả năng hơn Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện IuCS giữaUTRAN và MSC Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC

1.4.3.6 GMSC

GMSC có thể là một trong số các MSC GMSC chịu trách nhiệm thực hiệncác chức năng định tuyến đến vùng có MS Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đếnPLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR vềMSC hiện thời quản lý MS

Bộ ghi định vị thường trú (HLR)

HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động Mộtmạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượngcủa từng HLR và tổ chức bên trong mạng

Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile SubsscriberIdentity: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế), ít nhất một MSISDN (MobileStation ISDN: số thuê bao có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địachỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói) Cả IMSI và MSISDN cóthể sử dụng làm khoá để truy nhập đến các thông tin được lưu khác Để định tuyến

và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiệnđang chịu trách nhiệm thuê bao Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc

độ số liệu và thư thoại cũng có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ nhưcác hạn chế chuyển mạng

HLR và AuC là hai Node mạng logic, nhưng thường được thực hiện trongcùng một Node vật lý HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuêbao, ví dụ như thông tin tính cước, các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị từchối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiệnVLR và SGSN nào đang phụ trách người sử dụng.

Trung tâm nhận thực (AuC)

AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhậnthực, mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng Nó liên kếtvới HLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một Node vật lý Tuy nhiêncần đảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV:Authetication Vector) cho HLR AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuêbao cùng với tất cả các hàm tạo khóa từ f0 đến f5 Nó tạo ra các AV, cả trong thờigian thực khi SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ

Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR)

EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạngthiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity) Đây là sốnhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối Cơ sở dữ liệu này được chia thành badanh mục: danh mục trắng, xám và đen Danh mục trắng chứa các số IMEI đượcphép truy nhập mạng Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõicòn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng Khimột đầu cuối được thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen

vì thế nó bị cấm truy nhập mạng Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấmcác seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theotiêu chuẩn

1.4.3.8 Các mạng ngoài

Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúngcần thiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác Các mạng ngoài có thể làcác mạng điện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di động mặtđất công cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoạichuyển mạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet Miền PS kết nốiđến các mạng số liệu còn miền CS nối đến các mạng điện thoại

1.4.3.9 Các giao diện

Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua cácgiao diện khác nhau Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sảnxuất có thể kết nối các 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 củamạng Giao diện này 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 thểkết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS Nhưng mộtUTRAN chỉ có thể kết 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 nhiềutính năng mới được bổ sung Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bậtsau:

 Di động giữa các RNC

 Lưu thông kênh riêng

 Lưu thông kênh chung

 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

1.5 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Trong phiên bản R4, SGSN và GGSN của miền chuyển mạch gói vẫn khôngthay đổi và có thêm các giao diện ngoài Để đáp ứng cho yêu cầu phát triển củamạng toàn IP, các thành phần của miền chuyển mạch kênh CS trong phiên bản R4

có những cải tiến sau :

MSC được chia làm hai phần khác nhau : MSC Server (chỉ xử lý phần báohiệu) và CS-MGW (Circuit Switched Media Gateway : cổng phương tiện chuyểnmạch kênh – xử lý dữ liệu thuê bao), tương tự thì GMSC cũng được chia thànhGMSC Server và MGW

MSC Server bao gồm khối module điều khiển cuộc gọi và module điềukhiển di động để xử lý các cuộc gọi trong miền CS, nó thực hiện kết cuối và chuyểnđổi báo hiệu giữa người dùng – mạng thành báo hiệu giữa mạng – mạng MSCServer

MGW là điểm kết cuối truyền dẫn của PSTN/PLMT, nó kết nối với mạng lõi

CN và UTRAN qua giao diện Iu Nó có thể là điểm kết cuối của cả mạng chuyểnmạch kênh CS hay chuyển mạch gói PS

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữaRNC và MSC Server Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được

thực hiện giữa RNC và MGW Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC vàđịnh tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Trong nhiềutrường hợp đường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: RealTime Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP) Từ hình 1.5 ta thấy lưu lượng

số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP

Cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi Đây làmạng truyền tải hoàn toàn IP

Hình 1.5 Kiến trúc mạng 3G WCDMA UMTS R4

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server vớiMGW là giao thức ITU H.248, được ITU và IETF cộng tác phát triển và có tên làđiều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control )

Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSCServer Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN

Từ hình 1.5 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là HSS ( HomeSubscriber Server) HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trừ giao diệnvới HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi HLR sửdụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 Ngoài ra còn có các giao diện (không cótrên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS

UE

1.6 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện

IP (hình 1.6) Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi Ởđây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuốicủa người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụtoàn diện của tiếng và số liệu

Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đaphương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) Đây là một miền mạng IP đượcthiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP Từ hình 1.6 ta thấytiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhấtmang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không

có MGW riêng

Hình 1.6 Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6

HSS (Home Subscriver Server : máy chủ thuê bao thường trú) : HSS lưu trử

cơ sở dữ liệu chính của các thuê bao di động trong mạng và thông tin dịch vụ liênquan tới thuê bao để hỗ trợ xử lý cuộc gọi và các phiên điều khiển bởi mạng

UE

CSCF (Call Status Control Function – chức năng điều khiển trạng thái cuộcgọi) : CSCF bao gồm Proxy CSCF (P-CSCF :CSCF ủy quyền ), Serving CSCF (S-CSCF : CSCF phục vụ) hay Interrogating CSCF (I-CSCF : CSCF truy vấn).

P-CSCF phục vụ như điểm truy nhập lần đầu của UE trong phân hệ đaphương tiện IMS, S-CSCF xử lý các trạng thái của phiên làm việc trong mạng, I-CSCF xử lý chính về định tuyến liên quan tới yêu cầu cuộc gọi liên quan tới giaothức SIP, giống như chức năng GMSC trong miền CS

MGCF (Media Gateway Control Function : chức năng điều khiển cổngphương tiện) : điều khiển trạng thái cuộc gọi của module điều khiển kết nối trongkênh phương tiện IMS-MGW

MRFC (Multimedia Resource Function Controller : bộ điều khiển chức năngtài nguyên đa phương tiện) : điều khiển các tài nguyên luồng đa phương tiện trongMRFP

MRFP (Multimedia Resource Function Processor :bộ xử lý chức năng tàinguyên đa phương tiện) : cung cấp các tài nguyên được điều khiển bởi MRFC, xử

lý các luồng đa phương tiện

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau:

Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State ControlFunction)

Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function) :lập cầu hội nghi được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiềuphía và dịch vụ hội nghị

Chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media GatewayControl Function): điều khiển MGW để thực hiện tương tác với các mạng ngoài ởmức đường truyền đa phương tiện Giao thức điều khiển giữa các thực thể này làITU-T H.248 MGCF cũng liên lạc với CSCF Giao thức được chọn cho giao diệnnày là SIP

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) : là mộtcổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài nhưPSTN T-SGW hỗ trợ các giao thức Sigtran

Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway) : làmột nút đảm bảo tương tác báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêuchuẩn Trong nhiều trường hợp T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nềntảng

Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng đượctăng cường rất nhiều Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE Trong thực tế, UE hỗ trợ

giao thức khởi tạo phiên (SIP: Session Initiation Protocol) UE trở thành một tác

nhân của người sử dụng SIP Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớnhơn trước rất nhiều.

1.7 Cấu hình địa lý của hệ thống thông tin di động 3G

Để theo dõi được vị trí của thuê bao thì mạng di động phải được tổ chức theomột cấu trúc địa lý nhất định

1.7.1 Phân chia theo vùng mạng

Mỗi quốc gia có thể có nhiều có nhiều vùng mạng viễn thông, mỗi vùngmạng di động 3G được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC hoặc GGSN, dó đó tất

cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến quamột trong hai tổng đài cổng này Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyếncuộc gọi kết cuối ở trạm di động GMSC/GGSN cho phép hệ thống định tuyến cáccuộc gọi vào từ mạng ngoài đến nơi nhận cuối cùng đó là các trạm di động bị gọi

1.7.2 Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN

Một mạng thông tin di động được phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗivùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 1.7a) hay SGSN (1.7b) Tagọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR hay SGSN

Hìn

h 1.7 Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN

Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền quamạng sẽ được nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động cần gọi Ở mỗi vùngphục vụ MSC/VLR thông tin về thuê bao được ghi lại tạm thời ở VLR Thông tinnày bao gồm hai loại:

• Thông tin về đăng ký và các dịch vụ của thuê bao

• Thông tin về vị trí của thuê bao (thuê bao đang ở vùng định vị hoặc vùngđịnh tuyến nào)

1.7.3 Phân chia theo vùng định vị và vùng định tuyến

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị: LA(Location Area) (hình 1.8a) Mỗi vùng phục vụ của SGSN được chia thành cácvùng định tuyến (RA: Routing Area) (1.8b)

Vùng định vị (hay vùng định tuyến là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR(hay SGSN) mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do và không cần cậpnhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR (hay SGSN) quản lý vị trí này

Hình 1.8 Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng định vị

(LA: Location Area) và định tuyến (RA: Routing Area)

Có thể nói vùng định vị (hay vùng định tuyến) là vị trí cụ thể nhất của trạm

di động mà mạng cần biết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nó Ở vùng định vịnày thông báo tìm sẽ được phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi Hệ thống

có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị (LAI:Location Area Identity) hay nhận dạng vùng định tuyến (RAI Routing AreaIdentity) Vùng định vị (hay vùng định tuyến) có thể bao gồm một số ô và thuộcmột hay nhiều RNC, nhưng chỉ thuộc một MSC (hay một SGSN)

1.7.4 Phân chia theo ô

Vùng định vị hay vùng định tuyến được chia thành một số ô (hình 1.9)

Hình 1.9 Phân chia LA và RA

Ô là một vùng phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàncầu (CGI: Cell Global Identity) Trạm di động nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạmgốc (BSIC: Base Station Identity Code) Vùng phủ của các ô thường được môphỏng bằng hình lục giác để tiện cho việc tính toán thiết kế

và trong mặt đứng búp sóng của chúng chúc xuống mặt đất Trong một số trườnghợp ô phân đoạn có thể được tạo ra từ phát xạ của nhiều hơn ba anten Trong thực tế

mẫu ô có thể rất đa dạng tùy vào địa hình cần phủ sóng Tuy nhiên các mẫu ô nhưtrên hình 1.10 thường được sử dụng để thiết kế cho sơ đồ phủ sóng chuẩn.

1.7.6 Tổng kết phân chia vùng địa lý trong hệ thống thông tin di động 3G

Trong các kiến trúc mạng bao gồm cả miền chuyển mạch kênh và miềnchuyển mạch gói, vùng phục mạng không chỉ được phân chia thành các vùng định

vị (LA) mà còn được phân chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area) Cácvùng định vị (LA: Location Area) là khái niệm quản lý di động của miền CS kếthừa từ mạng GSM Các vùng định tuyến (RA: Routing Area) là các thực thể củamiền PS Mạng lõi PS sử dụng RA để tìm gọi Nhận dạng thuê bao P-TMSI(Packet- Temporary Mobile Subsscriber Identity: nhận dạng thuê bao di động góitạm thời) là duy nhất trong một RA

Trong mạng truy nhập vô tuyến, RA lại được chia tiếp thành các vùng đăng

ký UTRAN (URA: UTRAN Registration Area) Tìm gọi khởi xướng UTRAN sửdụng URA khi kênh báo hiệu đầu cuối đã được thiết lập URA không thể nhìn thấyđược ở bên ngoài UTRAN

1.8 Lộ trình phát triển thông tin di động lên thế hệ thứ tư 4G

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được cho trênhình 1.11

Hình 1.11 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Tại Việt Nam, mạng 3G được triển khai bắt đầu từ năm 2009 và ngay đếntháng 9/2010, bộ Thông Tin và Truyền Thông đã cấp giấy phép thử nghiệm côngnghệ 4G cho 5 nhà mạng gồm VNPT, Viettel, CMC, VTC và FPT Theo dự kiếncủa Cục Tần Số Vô Tuyến Điện thì sớm nhất sau 2015, 4G mới được triển khai tạiViệt Nam, khi ấy người dùng có thể sử dụng dịch vụ trên nền mạng 4G với tốc độ

từ 100 Mbps tới 1Gbps

1.9 Kết luận chương

Hệ thống thông tin di động 3G WCDMA đang triển khai tại Việt Nam hiện nay được tiêu chuẩn hóa bởi 3GPP dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật của GSM Hiện tại các nhà khai thác mạng vẫn đang triển khai đồng thời các dịch

vụ trên nền tảng GSM và 3G WCDMA Kiến trúc mạng thông tin di động càng về sau càng phức tạp hơn, có nhiều thành phần hơn và đòi hỏi các thiết

bị trong đó phải có khả năng xử lý nhanh hơn Trong chương 2 chúng ta sẽ tìm hiểu các kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba.

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN VÀ

KÊNH VÔ TUYẾN CỦA 3G WCDMA 2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này mô tả các kỹ thuật cơ bản sử dụng trong 3G WCDMA,cùng với các kênh vô tuyến của mạng để trang bị kiến thức hữu trang bị cho cán bộthực hiện tối ưu vùng phủ sóng

2.2 Kỹ thuật trải phổ

2.2.1 Nguyên lý trải phổ

Trong các hệ thống thông tin, để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm đến chất ượng của hệ thống, người ta sử dụng hai tham số: tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra(S/N) và tỉ số lỗi bit (BER) Đây là hai tham số quan trọng nên việc nâng cao chấtlượng thông tin thường tập trung vào cải thiện hai tham số này

l-Với một mức tạp âm đã cho, việc nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm có thể đượcthực hiện theo một trong ba cách sau:

• Tăng công suất của tín hiệu để cải thiện tỷ số S/N Biện pháp này không phảilúc nào cũng thực hiện được, đặc biệt trong các hình thức thông tin dùngnhiều phương tiện kỹ thuật phức tạp, mặt khác công suất của nguồn tín hiệucòn bị ràng buộc bởi các quy định về nhiễu, mật độ phổ và công suất

• Tăng độ dài của tín hiệu, tức là tăng độ dư cho tín hiệu Biện pháp này có thểcải thiện S/N nhưng sẽ làm giảm tốc độ truyền tin

• Trải rộng phổ tín hiệu: đây là phương pháp gần đây được nghiên cứu và ápdụng rộng rãi trên thế giới Sau đây sẽ tập trung trình bày kỹ thuật này

Trải phổ nghĩa là biến đổi độ rộng băng tín hiệu ban đầu ra tín hiệu có băngthông rộng hơn Theo nguyên lý dung lượng kênh truyền của Shannon:

(2.1)Trong đó:

- C là dung lượng kênh [b/s]

- B là băng thông tín hiệu [Hz]

- S là công suất tín hiệu trung bình [W]

- N là công suất nhiễu trung bình [W]

Như vậy, rõ ràng dung lượng kênh truyền có thể được tăng lên bằng cáchtăng băng tần kênh truyền.

Hình 2.1 Kết quả quá trình trải phổ

Các bit thông tin từ người sử dụng được trải trên một băng thông rộng bằngcách nhân với một mã trải phổ tốc độ cao

Tỷ số độ rộng băng tần truyền thực với độ rộng băng tần của thông tin cần

truyền được gọi là độ lợi xử lý (G P) hoặc là hệ số trải phổ

Hình 2.2 Độ lợi xử lý hay hệ số trải phổ

2.2.2 Các mã trải phổ

WCDMA sử dụng hai loại mã trải phổ là mã ngẫu nhiên và mã hoá kênh.Mỗi mã đều có đặc trưng là trực giao Các bước trải phổ tín hiệu trong WCDMAđược diễn ra như mô tả trong hình dưới đây

Hình 2.3 Các bước trải phổ tín hiệu

Tuỳ thuộc vào loại tín ở đường lên hay ở đường xuống mà các ngẫu nhiên và

mã hoá định kênh có vai trò khác nhau

Đối với đường xuống:

• Mã ngẫu nhiên (Scramble code) được cấp phát cho mỗi cell (Base station).Các UE sẽ dùng mã này để phân biệt các cell với nhau

• Mã định kênh: Mã này sẽ được cấp phát để phân biệt các kênh dùng trongcell này Các kênh trong một cell không được dùng chung mã Nhưng cáccell khác nhau có thể dùng chung các mã này (vì các cell đã được phân biệtbởi mã ngẫu nhiên

Đối với đường lên:

• Mã ngẫu nhiên (Scramble code) được cấp phát cho các UE để phân biệt cácuser với nhau Base station sẽ dùng mã này để phân biệt các UE

• Mã định kênh: Mã này dùng để nhận dạng kênh vô tuyến mà UE sử dụng.Tuy nhiên các mã này có thể dùng chung giữa các UE UE còn có thể sửdụng nhiều kênh vô tuyến cùng một lúc (truyền dẫn đa mã) Điều này dẫnđến người dùng có thể thực hiện các cuộc gọi chuyện mạch kênh và gói đồngthời (multi-call), hoặc liên lạc với tốc độ cao (>384Kbps)

Downlink: Phân biệt các kênh trong mỗi cell

Uplink: Phân biệt các kênh được sử dụng bởi user

Mã trải phổ

Hình 2.4 Vai trò của mã ngẫu nhiên và mã kênh trong WCDMA

Hình 2.5 Mã trải phổ dùng trong đường xuống

Hình 2.6 Mã trải phổ dùng trong đường lên

Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu các loại mã này

2.2.2.1 Mã ngẫu nhiên

Mã ngẫu nhiên (Scramble code) có độ dài cố định là 38.400 chip được sửdụng trong khác khung dữ liệu 10ms Mã này được dùng ở cả hai hướng đường lên

và đường xuống

a) Mã ngẫu nhiên đường xuống

Bộ tạo mã dài ngẫu nhiên đường xuống có thể cung cấp tổng số mã lên tới

218 – 1 = 262.143 mã và được đánh số từ 0 - 262.142 Tuy nhiên hệ thống không thểdùng hết các mã này vì như vậy sẽ dẫn đến UE rất khó khăn trong việc chọn ô

Do đó các mã dài đường xuống được cắt ngắn cho phù hợp với khung 10ms

Số mã còn lại sẽ là 8.192 mã được đánh số từ 0 – 8.191 Các mã này sẽ được rútgọn xuống còn 512 nhóm, mỗi nhóm có 16 mã Trong 16 mã này lại được phân loại

ra 2 loại Mã đầu tiên sẽ gọi là mã sơ cấp 15 mã còn lại sẽ là mã thứ cấp Hệ thống

sẽ sử dụng mã sơ cấp này để gán cho các BS

Như vậy sẽ có 512 mã ngẫu nhiên được cấp phát cho các BS Với 512 mãnày sẽ không đủ để cấp cho mỗi BS một mã riêng trong toàn hệ thống Do đó cầnphải quy hoạch tái sử dụng mã này để cấp phát lại

Để thuận tiện cho quá trình quy hoạch cũng như giúp thuê bao tăng tốc độtìm kiếm cell thì 512 mã này sẽ được chia thành 64 nhóm mã (8mã/nhóm)

Bảng 2.1 Mô tả phân chia 8191 mã ngẫu nhiên thành nhóm mã/mã sơ cấp/mã

8064, 8080, 8096, 8112, 8128, 8114,

8160, 8176

Cấu tạo mã ngẫu nhiên đường xuống :

Các chuỗi tạo mã ngẫu nhiên được tao ra bằng cách kết hợp hai chuỗi thực

và chuỗi phức

Chuỗi thực SI long,n (i) được xây dựng trên cơ sở chuỗi mã Gold C long,n(i) Còn chuỗi phức SQ long,n (i) là bản dịch131072 chip của chuỗi mã Gold nóitrên

Chuỗi mã C long,n (i) được xây dựng trên cơ sở cộng modul 2 theo vị trí bíhai chuỗi mx(i) vày y(i) có đa thức tạo mã lần lượt là 1 + X7 +X18 và 1 + X5 +X7+X10 + X18 do đó nó có độ dài là 218 – 1 = 262.143

Công thức của chuỗi mã dài tạo mã ngẫu nhiên đường xuống được tính theocông thức:

S long,n (i) = SI

long,n (i) + SQ

long,n (i) = C long,n (i) + jC long,n (i+131072) mod (218-1) (i =0,1….38399) (2.3)

b) Mã ngẫu nhiên đường lên

Bộ tạo mã ngẫu nhiên đường lên có thể tạo ra 2 24 (16.777.216) mã đượcdùng để phân biệt các UE với nhau Vì số lượng mã này là rất lớn nên không cầnthiết phải quy hoạch sử dụng mã này

2.2.2.2 Mã định kênh

Mã định kênh sử dụng ở giao diện vô tuyến được xây dựng trên cơ sở kỹthuật hệ số trải phổ khả biến trực giao OSVF (Orthogonal Variable SpeadingFactor)

Tín hiệu sau khi được mã hoá định kênh sẽ có tốc độ được tính theo “chip”,

và tốc độ của nó sẽ là 3.840 Mchip

Độ dài của mã OSVF không cố định khi được sắp xếp cho các kênh Độ dàicủa mã này trong khoảng 4 chip – 512 chip tuỳ thuộc vào tốc độ truyền của dữ liệucần truyền Khi truyền dữ liệu tốc độc cao, thì hệ số trải phổ SF sẽ nhỏ và ngược lại

Nếu dịch vụ HSDPA được sử đụng, dịch vụ này có khả năng sử dụng tối đa

15 kênh vô tuyến, nghĩa là nó sẽ dùng tối đa 15 mã định kênh Khi đó chế độ truyềndẫn đa mã sẽ được sử dụng với cùng SF (hệ số trải phổ - tốc độ trải phổ)

Còn trong trường hợp tốc độ dữ liệu cần truyền nhỏ hơn 384 kbps thì sẽ chỉ cầndùng 1 mã định kênh, đó là chế độ truyền đơn mã

Bảng 2.3 Quan hệ giữa tốc độ người dùng và hệ số trải phổ

Tốc độ dữ liệu người dùng (kbps) Hệ số trải phổ SF

Note: * Không được định nghĩa rõ trong chuẩn 3GPP, nên có thể tuỳ chọn

Cấu tạo mã định kênh:

Các mã định kênh được ký hiệu là: Ci,j

Trong đó: + i là chiều dài mã (SF)

+ j là số nhận dạng của nhóm mã với chiều dài là “i”

Công thức của mã này là:

Hình dưới đây mô tả cây mã OSVF được dùng trong hệ thống

Hình 2.7 Cây mã OSVF của mã định kênh

Chú ý là nếu một thuê bao đã dùng mã C2,1=(1,1) thi không thuê bao nàođược phép dùng các mã liên quan dược sinh ra từ nó nữa (ví dụ các mã trong hìnhvuông nét đứt) Vì khi tốc độ dữ liệu thay đổi, thuê bao dùng mã này sẽ dùng các

mã còn lại tương ứng với sự thay đổi đó

2.3 Điều khiển công suất

Điều khiển công suất chặt chẽ và nhanh là một yêu cầu hàng đầu trong côngnghệ WCDMA Theo tiêu chuẩn của WCDMA thì điều khiển công suất thực hiện

cả đường lên và xuống đặc biệt đối với đường lên Trong WCDMA các máy di

động sử dụng chung một tần số cho việc thu và phát tín hiệu trên toàn bộ cell Cáctần số hay còn gọi là các kênh được phân biệt với nhau tại trạm gốc nhờ mã trải phổcủa chúng khác nhau do vậy nếu không có điều khiển công suất một cách thích hợpthì 1 điện thoại di động phát 1 công suất quá lớn sẽ dẫn tới giảm hiệu năng dịch vụ

và lưu lượng của toàn bộ cell do hiệu ứng gần xa, tức là các máy đầu cuối phải đượcđiều khiển công suất phát sao cho công suất thu của chúng tại trạm gốc không phụthuộc vào khoảng cách giữa chúng với trạm gốc Ngoài ra điều khiển công suấtthích hợp sẽ làm giảm nhiễu giữa các mobile với nhau

Trong hệ thống thông tin di động CDMA người ta sử dụng phương pháp sau

để điều khiển công suất:

• Điều khiển công suất vòng hở (open-loop power control)

• Điều khiển công suất vòng kín (close-loop power control) bao gồm điềukhiển công suất vòng trong và ngoài

Hình 2.8 Các cơ chế điều khiển công suất của WCDMA

2.3.1 Điều khiển công suất vòng hở (OLPC)

Một phương pháp điều khiển công suất là đo sự điều khuếch Automatic Gain Control) ở máy thu di động Trước khi phát, trạm di động giám sáttổng công suất thu được từ trạm gốc Công suất đo được cho thấy tổn hao đườngtruyền đối với từng người sử dụng Trạm di động điều chỉnh công suất phát củamình tỷ lệ nghịch với tổng công suất mà nó thu được Có thể phải điều chỉnh côngsuất ở một dải động lên tới 80 dB Phương pháp này được gọi là điều chỉnh công

(AGC-suất vòng hở, ở phương pháp này trạm gốc không tham gia vào các thủ tục điềukhiển công suất

OLPC sử dụng chủ yếu để điều khiển công suất cho đường lên Trong quátrình điều khiển công suất, UE xác định cường độ tín hiệu truyền dẫn bằng cách đođạc mức công suất thu của tín hiệu hoa tiêu từ BTS ở đường xuống Sau đó, UEđiều chỉnh mức công suất truyền dẫn theo hướng tỷ lệ nghịch với mức công suất tínhiệu hoa tiêu thu được Do vậy, nếu mức công suất tín hiệu hoa tiêu càng lớn thìmức công suất phát của UE (P_trx) càng nhỏ

Việc điều khiển công suất vòng hở là cần thiết để xác định mức công suấtphát ban đầu (khi khởi tạo kết nối)

Hình 2.9 Điều khiển công suất vòng hở

2.3.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC)

CLPC được sử dụng để điều khiển công suất khi kết nối đã được thiết lập.Mục đích chính là để bù những ảnh hưởng của sự biến đổi nhanh của mức tín hiệu

vô tuyến Do đó, chu kỳ điều khiển phải đủ nhanh để phản ứng lại sự thay đổinhanh của mức tín hiệu vô tuyến

Trong CLPC, BTS điều khiển UE tăng hoặc giảm công suất phát Quyết địnhtăng hoặc giảm công suất phụ thuộc vào mức tín hiệu thu SNR tại BTS Khi BTSthu tín hiệu từ UE, nó so sánh mức tín hiệu thu với một mức ngưỡng cho trước Nếumức tín hiệu thu được vượt quá mức ngưỡng cho phép, BTS sẽ gửi lệnh điều khiểncông suất phát tới UE để giảm mức công suất phát của UE Nếu mức tín hiệu thu