đề tài “kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba umts”

Nội dung chính của từng chương: Chương 1: Hệ thống viễn thông di động thế hệ thứ ba UMTS Giới thiệu một cách cơ bản về hệ thống viễn thông thế hệ thứ ba UMTS như là nguồn gốc của hệ thốn

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của các hệ thống viễn thông di động trên toàn thế giới đã trảiqua được ba thế hệ, với rất nhiều các kiểu hệ thống khác nhau Từ các hệ thốngtương tự ở thế hệ thứ nhất đến các hệ thống số ở các thế hệ tiếp theo và hiện naycòn đang được triển khai phát triển ở các hệ thống viễn thông di động thế hệ thứ tư

Trong đó hệ thống viễn thông di động đa năng UMTS thuộc về thế hệ viễnthông di động thứ ba đã được đề xuất bởi Tổ Chức Tiêu Chuẩn Viễn Thông Châu

Âu ETSI và Liên Đoàn Kinh Doanh Và Công Nghiệp Vô Tuyến ARIB của Nhật

Hệ thống UMTS được xây dựng trên cơ sở của mạng GSM là mạng đã được sự thừanhận của hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới Nhiều nước hàng đầu trên thế giới

đã triển khai hệ thống 3G của mình theo UMTS như các nước ở Châu Âu, Nhật Bản

và trong đó có Viêt Nam Mạng UMTS hiện đang được Viettel, Mobifone,Vinaphone là ba nhà mạng chiếm thị phần chính ở Việt Nam triển khai và pháttriển

Kỹ thuật điều khiển công suất là một trong những kỹ thuật được sử dụngtrong việc quản lý tài nguyên mạng vô tuyến trong UMTS Nhằm mục đính giảiquyết hiện tượng gần xa tránh được sự can nhiễu giữa các tín hiệu thu được củanhững người sử dụng khác nhau

Trên những cơ sở đấy em đã quyết định trọn đề tài “Kỹ thuật điều khiểncông suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS” Đề tài được thựchiện với mục đính có thể nắm được một cách cơ bản về hệ thống cũng như các kỹthuật quản lý tài nguyên vô tuyến và hiểu rõ về các kỹ thuật điều khiển công suấttrong hệ thống UMTS

Mặc dù bản thân đã rất cố gắng và được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáohướng dẫn TS Trần Mạnh Hoàng song do trình độ hiểu biết của bản thân còn nhiềuhạn chế, thời gian chuẩn bị ngắn, nguồn tài liệu không nhiều, nên không tránh khỏithiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo thêm của thầy giáo hướng dẫn, sự góp

ý của các thầy cô giáo khoa Điện tử-Viễn thông cũng như của các bạn sinh viên, để

em khắc phục những thiếu sót đó để hoàn thiện thêm kiến thức của mình

Em xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn TS Trần Mạnh Hoàng đãtận tình chỉ bảo cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Sinh viên

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án được chia làm bốn chương với nội dung nghiên cứu chủ yếu là kỹthuật điều khiển công suất trong hệ thống viễn thông UMTS

Nội dung chính của từng chương:

Chương 1: Hệ thống viễn thông di động thế hệ thứ ba UMTS

Giới thiệu một cách cơ bản về hệ thống viễn thông thế hệ thứ ba UMTS như

là nguồn gốc của hệ thống UMTS, kiến trúc mạng UMTS,các loại kênh vô tuyến,một số đặc điểm cơ bản như trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã, giao diện

vô tuyến, quy hoạch tần số và các loại chất lượng dịch vụ

Chương 2: Các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống UMTS

Trình bầy về các kỹ thuật quản lý tài nguyên mạng vô tuyến và tầm quantrọng của nó trong mạng UMTS như kỹ thuật điều khiển công suất, điều khiểnchuyển giao, điều khiển cho phép, điều khiển tải, điều khiển tải, lập biểu gói

Chương 3: Kỹ thuật điều khiển công suất theo bước DSSPC và kỹ thuật điều khiển công suất phân tán DPC

Nghiên cứu hai thuật toán điều khiển công suất thông minh là DSSPC vàDPC

Chương 4: Kết quả tính toán và mô phỏng

Đưa ra các kết quả tính toán để mô phỏng hai thuật toán DSSPC và DPC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

MỤC LỤC 4

DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 8

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 10

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 11

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG VIỄN THÔNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA UMTS 20

1.1 Giới thiệu chương 20

1.2 Sự ra đời của hệ thông viễn thông UMTS 20

1.2.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống viễn thông 20

Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ nhất 20

Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ hai 21

Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ hai (2G) cải tiến 21

Các hệ thống thế hệ thứ tư 23

1.2.2 Hệ thống viễn thông di động quốc tế cho năm 2000 (IMT-2000) 24

Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000: 24

1.2.3 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM thế hệ thứ hai sang UMTS (WCDMA) thế hệ thứ ba 27

1.3 Một số đặc điểm cở bản của hệ thống UMTS 27

1.3.1 Trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã 27

1.3.2 Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS(WCDMA) 29

1.3.3 Quy hoạch tần số 30

1.3.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ QoS (Quality Of Service) của mạng UMTS 30

1.4 Kiến trúc hệ thống viễn thông UMTS 31

1.4.1 Kiến trúc hệ thống UMTS theo mô thức R3 31

Thiết bị người sử dụng UE 32

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN) 34

Mạng lõi CN 36

1.4.2 Kiến trúc hệ thống UMTS R4 40

Các giao thức và giao diện sử dụng trong kiến trúc R4 42

1.4.3 Kiến trúc hệ thống UMTS R5 42

Phân hệ đa phương tiện IP chứa các phần tử: 43

1.5 Các loại kênh trong WCDMA 44

1.5.1 Các kênh logic LoCH 44

1.5.2 Các kênh truyền tải TrCH 45

1.5.3 Các kênh vật lý PhCH 47

1.5.4 Cấu trúc kênh vật lý riêng 51

1.6 Kết luận chương 53

Chương 2: CÁC KỸ THUẬT QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG UMTS 54

2.1 Giới thiệu chương 54

2.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến 54

2.3 Điều khiển công suất 55

2.3.1 Phân loại điều khiển công suất 56

2.3.2 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở 57

Điều khiển công suất vòng hở đường lên cho PRACH 57

Kỹ thuật điều khiển công suât vòng hở đường xuống 58

2.3.2 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín đường lên 59

Phương pháp điều khiển công suất vòng trong đường lên 59

Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên 60

2.3.3 Điều khiển công suất vòng kín đường xuống 60

Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống 61

Điều khiển công suất vòng trong đường xuống 61

2.4 Điều khiển chuyển giao 61

2.4.1 Giới thiệu về chuyển giao 61

2.4.2 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống UMTS 62

Chuyển giao mềm 62

Chuyển giao mềm hơn 64

Chuyển giao mềm – mềm hơn 64

Chuyển giao cứng 65

2.5 Điều khiển cho phép 67

2.6 Điều khiển tải (điều khiển ứ nghẽn) 67

2.7 Lập biểu gói 69

2.8 kết luận chương 69

Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THEO BƯỚC ĐỘNG DSSPC VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUÂT PHÂN TÁN DPC 70

3.1 Giới thiệu chương 70

3.2 Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 70

3.2.1 Khái niệm và lợi ích của độ dự trữ, cửa sổ công suất 70

3.2.2 Sự hoạt động của mạng 71

3.2.3 Sự hoạt động của UE 73

3.3 Phương pháp điều khiển công suât phân tán DPC (Distributed Power Control) 75

3.3.1 Điều khiển công suất phân tán và điều khiển công suất tập trung 76

3.3.2 Thuật toán điều khiển công suất 76

3.4 Công thức tính toán SIR real từ P đk 77

3.5 Kết luận chương 80

Chương 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 81

4.1 Giới thiệu chương 81

4.2 Phần mềm mô phỏng Matlab 81

4.3 Quỹ đường truyền cho hệ thống UMTS được sử dụng để tính toán 81

4.4 Phương pháp tính toán 83

4.5 Mô phỏng thuật toán DSSPC 85

4.5.1 Lưu đồ thuật toán và thiết lập ban đầu cho phương pháp điều khiển công suất theo bước DSSPC 85

4.5.2 Kết quả mô phỏng 88

4.6 Mô phỏng thuật toán DPC 89

4.6.1 Lưu đồ thuật toán và thiết lập ban đầu cho phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC 89

Công suât phát lớn nhất và nhỏ nhất của thiết bị di động UE 90

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIRdich 91

4.6.2 Kết quả mô phỏng 91

4.7 Kết luận chương 92

KẾT LUẬN CHUNG 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

A G TRO G DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN NH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN SÁCH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN H SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁNÌNH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁNỤN N ĐỒ ÁN ÁN

Hình 1.1: Phân vùng dịch vụ cho IMT-2000 25

Hình 1 2: Lộ trình phát triển UMTS từ GSM 27

Hình 1 3: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 28

Hình 1 4: Phổ tần cho ghép kênh FDD và TDD 30

Hình 1 5: Phân bố tần số cho WCDMA/FDD 30

Hình 1 6: Kiến trúc hệ thống UMTS R3 32

Hình 1 7: Vai trò logic của SRNC và DRNC 35

Hình 1 8: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 41

Hình 1 9: Kiến trúc mạng UMTS R5 43

Hình 1 10: Sự chuyển đổi các kênh logic thành các kênh truyền tải 47

Hình 1 11: Tổng kết kiểu các kênh vật lý 48

Hình 1 12: Sự chuyển đổi từ kênh truyền tải sang kênh vật lý 51

Hình 1 13: Cấu trúc kênh vật lý riêng cho đường lên và đường xuống 53

Hình 2 1:Vị trí điển hình của các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) 55 Hình 2 2: Điều khiển cống suất trong UMTS 56

Hình 2 3: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển công suất vòng kín đường lên 59

Hình 2 4: Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường xuống 61

Hình 2 5: Chuyển giao mềm hai đường 63

Hình 2 6: Chuyển giao mềm 3 đường 63

Hình 2 7: Chuyển giao mềm hơn 64

Hình 2 8: Chuyển giao mềm – mềm hơn 65

Hình 2 9: Chuyển giao cùng tần số 66

Hình 2 10: Chuyển giao khác tần số 67

Hình 3 1: Dự trữ SIR đối với các chất lượng dịch vụ khác nhau 71

Hình 3 2: Thuật toán tạo lập TPC trong DSSPC 72

Hình 3 3: Mô hình chung của DSSPC với điều khiển công suất đường lên 75

Hình 4 1: Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 90

Hình 4 2: Mô phỏng sự thay đổi của công suất phát tại 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DSSPC 90

Hình 4 3: Mô phỏng sự thay đổi của tỷ số SIR thu được tại Node B tương ứng với 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DSSPC 91

Hình 4 4: Thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC 92

Hình 4 5: Mô phỏng sự thay đổi của công suất phát tại 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DPC 93

Hình 4 6: Mô phỏng sự thay đổi của tỷ số SIR thu được tại Node B tương ứng với 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DPC 94

DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN NH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN SÁCH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN BẢN BIỂU

Bảng 1 1: Phân loại các dịch vụ trong IMT-2000 26

Bảng 1 2: Các loại lưu lượng trong UTMTS 31

Bảng 1 3: Danh sách kênh logic và ứng dụng của chúng 45

Bảng 1 4: Danh sach các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng 46

Bảng 1 5: Tổng kết các kênh vật lý và ứng dụng của chúng 48

Bảng 3 1: Bảng tra cứu ứng dụng DSSPC 74

Bảng 4 1: Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian thực 144kbit/ s (3km/giờ, người sử dụng trong nhà được phủ sóng bởi BS ngoài trời, kênh xe ô tô kiêu A, có chuyển giao mềm) 81

T H SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁNUẬT NGỮ VIẾT TẮT N Ữ VIẾT TẮT VIẾT TẮT T G T T T ẮT

AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập

AICH Acquisition Indication Channel Kênh chỉ thị bắt

AMPS Advanced Mobile Phone

System Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

ARIB Association of Radio

Industries and Businesses

Liên đoàn kinh doanh và công nghệ vô tuyến

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

BCCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

Kênh chỉ thị ấn định kênh/ Phát hiện xung đột

CDMA Code Division Multiple

CPCH Common Physical Channel Kênh vật lý chung

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CRC Cyclic Redundancy Check Mã dịch vòng

CSCF Call State Control Function Chức năng điều khiển trạng thái cuộc

gọi

CSICH CPCH Status Indicator

CSPDN Circuit Switch Public Data

Network

Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh

CTCH Common Traffic Channel Kênh lưu lượng chung

D/A Digital/Analog Bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tương

tựDCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel Kênh điều khiển vật lý riêngDPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPCH Downlink Physical Channel Kênh vật lý đường xuống

DPDCH Dedicated Physical Data

Channel Kênh vật lý số liệu riêng

DRNC Drift Radio Network

Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến trôi

DSSS Direct Sequence Spread

DS-CDMA Direct Sequence - Code

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng riêng

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM

EIR Equipment Identity Register Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị

ETSI European Telecommunication

Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

FACCH Fast Associated Control

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống

FDD Time Division Duplex Ghép kênh phân chia theo tần số

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GMSC Gateway Mobile Service

Switching Center

Trung tâm chuyển mạnh các dịch vụ di động cổng

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM Global System for Mobile

Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSCSD High Speed Circuit Switched

HSS Home Subscriber Server Dịch vụ thuê bao thường trú (Đăng ký

thường trú)

IF Intermediate Frequency Trung tần

IMSI International Mobile Station

Identity Nhận dạng trạm di động quốc tế

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISDN Integrated Service Digital

Network

Mạng số liên kết đa dịch vụ

IWF Internetworking Function Chức năng tương tác mạng

LAI Location Area Identity Nhận dạng vùng định vị

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian

MGCF Media Gateway Control

Function

Chức năng điều khiển cổng các phươngtiện

MRF Multimedia Resource Function Chức năng tài nguyên đa phương tiện

MSISDN Mobile Station ISDN Số thuê bao

MSRN Mobile Station Random

NMT Nordic Mobile Telephone Hệ thống điện thoại di động vùng Bắc

Âu OMC Operation and Management

Center Hệ thống khai thác và bảo dưỡng mạngPACCH Packet Associated Control

Channel

Kênh điều khiển liên kết gói

PAGCH Packet Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập gói

PCCCH Packet Common Control

Channel

Kênh điều khiển chung góiP-CCPCH Primary Common Control

Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

PCCH Paging Control Channel Kênh tìm điều khiển tìm gọi

PCPCH Physical Common packet

PDC Personal Digital Cellular Tế bào số cá nhân

PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared

Channel

Kênh vật lý chia sẻ đường xuống

PDP Packet Data Protocol Giao thức số liệu gói

PDTCH Packet Data Traffic Channel Các kênh lưu lượng số liệu gói

PICH Paging Indicator Channel Kênh chỉ thị tìm gọi

PIN Personal Identification

PhCH Physical Channal Kênh vật lý

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

PRACH Physical Random Access

Channel

Kênh truy nhập vật lý ngẫu nhiên

PRACH Packet Random Access

PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha

PSPDN Packet Switch Public Data

P-TMSI Packet- Temporary Mobile

Subscriber Identity Các số nhận dạng tạm thời góiQPSK Quadrate Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc

QoS Quality Of Service Các loại lưu lượng và dịch vụ

RAB Radio Access Bearer Vật mang truy nhập vô tuyến

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (cao tần)

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS Radio Network System hệ thống mạng vô tuyến

R-SGW Roaming Signaling Gateway Cổng báo hiệu chuyển mạng

S-CCPCH Secondary Common Control

Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp

SCH Synchronous Channel Kênh đồng bộ

SGSN Serving GPRS Support Note Điểm hỗ trợ GPRS phục vụ

SRNC Serving Radio Network

Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến phục vụ

TACS Total Access Communication

System

Hệ thống truyền thông truy nhập toàn

bộ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

TDD Time Divede Duplex Ghép kênh phân chia theo tần số

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

TMSI Temporary Mobile Station

Identity

Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời

TRAU Transponder Rate Adaptor

T-SGW Transport Signalling Gateway Cổng báo hiệu truyền tải

UE User Equipment Thiết bị của người sử dụng

UMTS Universal Mobile

Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động đa năngUPCH Uplink Physical Channel Kênh vật lý đường lên

USIM UMTS subscriber Identity

UTRAN UMTS Terrestrial Radio

Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

W-CDMA Wideband Code Division Đa truy nhập vô tuyến phân chia theo

mã băng rộng

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG VIỄN THÔNG DI ĐỘNG THẾ

HỆ THỨ BA UMTS

1.1 Giới thiệu chương

Mục đích của chương 1 cần đạt được là hiểu rõ về nguồn gốc của hệ thốngviễn thông thế hệ thứ ba UMTS thông qua chủ đề “Sự ra đời của hệ thống viễnthông UMTS” cùng với việc đi vào tìm hiểu kỹ hơn về mạng UMTS thông qua haichủ đề tiếp theo là “Một số đặc điểm của hệ thống UMTS” và “Kiến trúc mạngviễn thông UMTS”

1.2.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống viễn thông

Sự phát triển của các hệ thống viễn thông di động trên toàn thế giới đã trảiqua được ba thế hệ, với rất nhiều các kiểu hệ thống khác nhau Từ các hệ thốngtương tự ở thế hệ thứ nhất đến các hệ thống số ở các thế hệ tiếp theo và hiện naycòn đang được tiếp tục triển khai phát triển vào các hệ thống viễn thông di động ởthế hệ thứ tư

Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ nhất

Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ nhất là các hệ thống điện thoại di độngtheo công nghệ tương tự được ra đời vào khoảng thời gian cuối những năm 1970đầu những năm 1980 Hệ thống sử dụng kỹ thuật phân chia theo tần số FDMA và

điều tần FM Hệ thống đơn thuần hỗ trợ dịch vụ thoại, chất lượng kém, tính bảo mậtthấp Trong đó có ba hệ thống điển hình là :

 Hệ thống điện thoại di động vùng Bắc Âu (NMT: Nordic MobileTelephone) vào năm 1981 ở băng tần 450 MHz

 Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS: Advanced Mobile PhoneSystem) triển khai tại Bắc Mỹ

 Hệ thống truyền thông truy nhập toàn bộ (TACS: Total AccessCommunication System) triển khai tại Anh vào năm 1985

Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ hai

Sử dụng thành tựu của công nghệ kỹ thuật số, các hệ thống viễn thông thế hệthứ hai đã có được những bước tiến quan trọng so với hệ thống tương tự Ngoài lĩnhvực viễn thông truyền tiếng nói bằng kỹ thuật số, một loạt các dịch vụ số mới vớitốc độ truyền dữ liệu thấp đã trở nên phong phú và đa dạng Bao gồm “mobile fax’(chuyển fax di động), gửi thư tiếng nói, và dịch vụ gửi tin nhanh (short messageservice – SMS) Những hệ thống của thế hệ thứ hai (2G) sử dụng công nghệ đa truynhập là TDMA và CDMA Một số hệ thống điển hình:

 Hệ thống truyền thông di động toàn cầu (GSM) được chuẩn hóa tại Châu

Âu bởi Tổ Chức Tiêu Chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) là một tiêuchuẩn toàn cầu được sự thừa nhận của hầu hết các quốc gia trên toàn thếgiới

 IS-95 (CDMA one) – CDMA triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc

 Các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến kỹ thuật số (D-AMPS) do HộiCông nghiệp Viễn thông (TIA) định chuẩn

 PDC (Personal Digital Cellular) – TDMA, Triển khai tại Nhật Bản vàonăm 1991

Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ hai (2G) cải tiến

Các mạng thế hệ 2G cải tiến khai thác các nhu cầu đối với dịch vụ dữ liệumobile, với khả năng có những tốc độ dữ liệu cao hơn so với các dịch vụ 2G thuầntúy.

 Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD: Data Switched CircuitSpeed Hight) bằng cách tận dụng khả năng sẵn có của GSM với tối đa 8kênh TCH trọn tốc thì HSCSD có thể đạt tới tốc độ tối thiểu là 76,8 kb/s

và còn có thể lên tới 115 kb/s nếu sử dụng thêm một số những kỹ thuậtgiảm thủ tục rườm rà HSCSD tận dụng cấu trúc mạng GSM và khôngcần có những chỉnh sửa đối với cơ cấu hạ tầng của mạng chỉ trừ việc cậpnhật phần mềm

 Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: Services Radio Packet General) làdịch vụ chuyển mạch gói không giống với GSM và HSCSD là dịch vụchuyển mạch kênh Đây là một bước quan trọng trong sự trưởng thànhcủa GSM mang lại sự hội tụ gần gũi hơn của IP và tính di động GPRScho ra các dịch vụ phi thời gian với tốc độ dữ liệu lên tới 171 kb/s

 Những tốc độ dữ liệu nâng cao cho phát triển của mạng GSM (EDGE :Enhance Data rate for GSM Evolution) Công nghệ EDGE ra đời đãnâng được dung lượng và tốc độ truyền dữ liệu của cả hai mạng chuyểnmạch kênh HSCSD và chuyển mạch gói GPRS Điều này thực hiện được

là nhờ việc thiết lập một giao diện sóng radio mới liên kết với khóa mã sửdụng trong GSM (GMSK) là khóa dịch pha bát phần (8-PSK) Phươngpháp điều chế mới này cho phép các tốc độ dữ liệu của HSCSD và GPRS

có sẵn có thể mở rộng lên đến ba lần cho từng kênh EDGE có thể đạt tới

400 kb/s đối với các dịch vụ chất lượng cao

Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ ba

Sự bức thiết về những hệ thống di động lại có thể truy cập vào được các dịch

vụ đa phương tiện băng rộng, tốc độ cao như những gì đã có ở các mạng cố định

Mà các dịch vụ này nằm ngoài khả năng của các mạng 2G (cung cấp các dịch vụ có

tốc độ thấp) Đã dẫn tới sự phát triển của các hệ thống 3G với nền tảng là sự hội tụcủa những công nghệ dựa trên giao thức Internet và di động.

Việc tiêu chuẩn hóa các hệ thống 3G do Liên đoàn Viễn thông Quốc tế thựchiện Trên phương diện toàn cầu, đó là hệ thống viễn thông Di động Quốc tế 2000(IMT-2000)

Ban đầu các hệ thống 3G được dự kiến như một chuẩn chung thống nhất trênthế giới, nhưng thực tế theo IMT-2000 thế giới 3G được chia làm 3 phần:

 Hệ thống viễn thông di động đa năng UMTS (WCDMA) của tổ chứcETSI ở Châu Âu và ARIB ở Nhật Bản

 Đa truy nhập đồng bộ phân kênh theo thời gian TD-SCDMA của tổ chứcRITT ở Trung Quốc

 CDMA2000 phát triển từ IS-95 của tổ chức TIA ở Mỹ

Các hệ thống thế hệ thứ tư

Với yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng , mạng 3G vẫn chưa đủ nhanh

để có thể đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng chuyển động Ví dụ như bạnkhông thể chát video trên các mạng 3G hiện nay khi đang chuyển đông, chẳng hạnnhư khi ở trên tầu Tuy nhiên mạng 4G lại có thể thực hiện rất tốt chuyện này và lạicòn tăng thêm tốc độ truyền dẫn dữ liệu Cuộc đua phát triển mạng viễn thông lên4G hiện tại vẫn chưa ngã ngũ Hai đối thủ còn lại trong cuộc đua là WMAX di động

và LTE Cả hai đều đang được rất nhiều các đại gia tài trợ phát triển

WMAX có lợi thế phát triển sớm hơn so với LTE, các mạng WMAX đãđược triển khai và các thiết bị WMAX cũng đã có mặt trên thị trường Tuy nhiênLTE lại được hiệp hội các nhà khai thác GSM (GSM Association ) chấp nhận làcông nghệ băng rộng tương lai của hệ thống di động hiện tại đang chiếm lĩnh thịtrường di động toàn cầu với hơn 2,5 tỉ thuê bao Và còn quan trọng hơn LTE chophép tận dụng cơ sở hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần thêm đầu tư thiết bị ) cònWMAX thì phải xây dựng lại từ đầu Nên cuộc đua phát triển lên 4G hiện giờ vẫn

rất căng thẳng, liệu rằng ai sẽ chiến thắng hay cả hai sẽ hợp thành một chuẩn 4Gchung duy nhất trong tương lai.

1.2.2 Hệ thống viễn thông di động quốc tế cho năm 2000 (IMT-2000)

Bộ phận tiêu chuẩn của ITU-R (Liên minh Viễn thông Quốc tế - bộ phận vôtuyến) đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT-2000 Mục đích của IMT-2000 là đưa

ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục củathông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000 Thông tin di động thế hệthứ ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT-2000 sẽ được đưa vào phục vụ từ năm 2001.Các hệ thống 3G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: thoại, số liệutốc độ bít thấp và bít cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc cả ởmôi trường công cộng lẫn tư nhân (vùng công sở, vùng dân cư, phương tiện vận tải

…)

Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000:

 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz :

- Đường lên : 1885-2025 MHz

- Đường xuống : 2110-2200 MHz

 Là hệ thống thông tịn di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vôtuyến

- Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

- Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

 Sử dụng trong các môi trường khai thác khác nhau:

- Trong công sở

- Ngoài đường

- Trên xe

- Vệ tinh

 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

- Môi trường thông tin nhà ảo (VHF: Virtual Home Environment) trên cơ

sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

- Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

- Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyểnmạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện thì mội trường hoạt động củaIMT-2000 được chia thành bốn vùng với các tốc độ phục vụ như sau:

Satellite

Urban

In-Building Picocell

Global

Suburban

Basic Terminal PDA Terminal Audio/Visual Terminal

Hình 1.1: Phân vùng dịch vụ cho IMT-2000

- Vùng 1: Trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2Mbit/s

- Vùng 2: Thành phố, ô micro, Rb ≤ 384 kbit/s

- Vùng 3: Ngoại ô, ô macro, Rb ≤ 144 kbit/s

- Vùng 4: Toàn cầu , Rb ≤ 9,6144 kbit/s

Bảng 1 1: Phân loại các dịch vụ trong IMT-2000 hân loại các dịch vụ trong IMT-2000 loại các dịch vụ trong IMT-2000 các ịch vụ trong IMT-2000 trong IMT-2000 on loại các dịch vụ trong IMT-2000g IMT-2000 I P d r MT -2000

Dịch vụ

di động

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

dịch vụDịch vụ thông tin

- Dịch vụ Video (384 kbit/s)

- Dịch vụ ảnh động (384 kbit/s – 2Mbit/s)

- Dịch vụ ảnh động thời gian thực (≥2Mbit/s)

Dịch vụ

Internet

Dịch vụ Internet đơn giản

Dịch vụ truy nhập Wep ( 385 kbit/s -2 Mbit/s)

Dịch vụ Internet thời gian thực

Dịch vụ Internet (384 kbit/s – 2Mbit/s)

Dịch vụ Internet đa phương tiện

Dịch vu Website đa phương tiên thời gian thực (≥2Mbit/s)

Để xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 thì hai tổchức quốc tế 3GPP và 3GPP2 đã được ra đời dưới sự điều hành chung của ITU

 3GPP (đề án của các đối tác thế hệ thứ ba) có bốn thành viên: ETSI củaChâu Âu, TTA của Hàn Quốc, ARIB của Nhật và T1P1 của Mỹ

 3GPP2 (tổ chức thứ hai về đề án của đối tác thế hệ thứ ba) có các thànhviên là: TIA và T1P1 của Mỹ, TTA của Hàn Quốc, ARIB và TTC củaNhật

Công nghệ W-CDMA được xây dựng từ 3GPP còn cdma2000 được xâydựng từ 3GPP2

1.2.3 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM thế hệ thứ hai sang UMTS (WCDMA) thế hệ thứ ba

Lộ trình phát triển lên UMTS từ GSM sẽ được thực hiện từng bước tùy theođòi hỏi về chất lượng dịch vụ và đảm bảo tính khả thi về kinh tế

Hình 1 2: Lộ trình phát triển UMTS từ GSM

1.3 Một số đặc điểm cở bản của hệ thống UMTS

1.3.1 Trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã

Sử dụng hợp lý và hiệu quả tài nguyên băng tần là vấn đề được quan tâmhàng đầu trong các hệ thống viễn thông Để giải quyết vấn đề này công nghệ đa truynhập đã được sử dụng để nhiều khách hàng có thể dùng chung tài nguyên tần sốhoặc khe thời gian hoặc là cả hai Trong hệ thống thông tin tương tự (1G) công nghệ

đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA được sử dụng Trong hệ thống thông tinthế hệ thứ hai (2G) thì sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian

GS

M

HSCS D

GPRS SSS

EDG EEE

UMTS

TDMA và phân chia theo mã CDMA Và sau đó là WCDMA được xây dựng dựatrên CDMA nhưng với băng tần rộng hơn.

Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độrộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khiđược phát Có ba kiểu trải phổ cơ bản

 Chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum)

 Nhẩy tần (FHSS: Frequence Hopping Spreading Spectrung)

 Nhẩy thời gian(THSS: Time Hopping Spreading Spectrum)

Phương pháp trải phổ được hệ thống WCDMA sử dụng là DSSS

Hình 1 3: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Trong hình 1.3 thì

 Ký hiệu 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 miềnthời gian

 X(f), Y(f) và C(f) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trongmiền tần số

 Tb là thời gian một bit của luồng số cần phát, Rb=1/Tb là tốc độ bit củaluồng số cần truyền; Tc là thời gian một chip của mã trải phổ, Rc=1/Tc làtốc độ chip của mã trải phổ Rc=15Rb và Tb=15Tc

1.3.2 Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS(WCDMA)

W-CDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS-CDMA) và có hai giảipháp cho giao diện vô tuyến là: Ghép song công phân chia theo thời gian (TDD:Time Division Duplex) và ghép song công phân chia theo tần số (FDD: TimeDivision Duplex)

Phương pháp ghép song công phân chia theo thời gian hiện nay đang đượctriển khai FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190MHz:

 Đường lên có băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz

 Đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170MHz

Phương pháp ghép kênh TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến

1920 MHz và 2010 MHz đến 2025 MHz, ở đây đường lên đường xuống sử dụngtrung một băng tần

Hình 1 4: Phổ tần cho ghép kênh FDD và TDD 1.3.3 Quy hoạch tần số

Hình 1 5: Phân bố tần số cho WCDMA/FDD 1.3.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ QoS (Quality Of Service) của mạng UMTS

Trong UMTS có bốn loại lưu lượng : Loại hội thoại, loại luồng, loại tươngtác và loại cơ bản.

Yếu tố phân biệt chủ yếu của các dịch vụ này là độ nhạy cảm trễ của lưulượng Chẳng hạn loại hội thoại rất nhạy cảm với trễ, trong khi đó loại cơ bản ítnhạy cảm với trễ nhất

Bảng 1 2: Phân loại các dịch vụ trong IMT-2000 Các loại các dịch vụ trong IMT-2000 lưu lượng trong UTMTS lượn loại các dịch vụ trong IMT-2000g IMT-2000 trong IMT-2000 on loại các dịch vụ trong IMT-2000g IMT-2000 U r TMT S

Đòi hỏi phải trả lời trong một thời gian nhất định và

có tỷ lệ lỗi thấp

Các dữ liệu tải xuống không đòi hỏi trễ thấp, trễ có thể lên tới vài giây,vài chục giây hay tới vài phút

Thí dụ

về ứng

dụng

Thoại Điện thoại thấy hìnhCác trò chơi thoại

Phân phối truyền hìnhthời gian thực Video Streaming

Duyệt trình Web

Truy nhập server

Tải xuống e-mail,tải xuống video

1.4 Kiến trúc hệ thống viễn thông UMTS

Hệ thống viễn thông UMTS được xây dựng theo ba mô thức chính làR3,R4,R5

1.4.1 Kiến trúc hệ thống UMTS theo mô thức R3

Một mạng UMTS bao gồm ba phần:

 Thiết bị di động (UE: User Equipment) bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầucuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS(USIM: UMTS Subscriber Identity Module).

 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS TerrestrialRadio Access Network) tạo thành từ các hệ thống mạng vô tuyến (RNS:Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio NetworkController: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó

 Mạng lõi (CN: Core Network) bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyểnmạch 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 (EquipmentIdentity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị)

Hình 1 6: Kiến trúc hệ thống UMTS R3

Thiết bị người sử dụng UE

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là thiết bị đầu cuối trong mạngUMTS, được khách hàng sử dụng Đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sựphát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng Giáthành giảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị củaUMTS

 Các đầu cuối TE

Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còncung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó được chuyển thành đầu cuối Cácnhà sản xuất chính đã đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trên các khái niệm mới, nhưngtrong thực tế chỉ một số ít là được đưa vào sản xuất Mặc dù các đầu cuối dự kiếnkhác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ít phímhơn so với 2G Lý do chính là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ sốliệu hơn và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di động, modem và máytính bàn tay

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 có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phảituân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng cácđầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theo cùng mộtcách

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 (Personal Identification Number)

- Giải chặn PIN/PIN2 (PUK : PIN Unlooking

- Trình bầy IMEI (International Mobile Equipment Identity)

- 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 nút chạm), các phím và menu

 UICC (UMTS IC card)

UMTS IC card là một card thông minh Điều mà ta quan tâm đến nó là dunglượng nhớ và tốc độ bộ xử lý do nó cung cấp Ứng dụng USIM chạy trên UICC

Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao)cài cứng trên card Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê baoUMTS được cài như một ứng dụng trên UICC Điều này cho phép lưu nhiều ứngdụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đíchkhác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh) Ngoài ra có thể có nhiềuUSIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng

USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trongmạng UMTS Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao

Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mãPIN Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạngUMTS Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trênnhận dạng USIM được đăng ký

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN)

UTRAN là liên kết giữa người sử dụng và mạng lõi CN Nó gồm các phần tửđảm 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, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyểnmạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giaodiện này là hai nút, RNC và nút B

RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạmgốc và điều khiển các tài nguyên của chúng Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch

vụ mà UTRAN cung cấp cho CN Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một chomiền chuyển mạch gói (đến SGSN) và một đến miền chuyển mạch kênh (đếnMSC)

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 Sau đó các 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 dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khi người sửdụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNCtrôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưngRNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN Vai trò logic củaSRNC và DRNC được mô tả trên hình 1.3 Khi UE trong chuyển giao mềm giữacác RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur Chỉ mộttrong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn cácRNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur

Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC).Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyếncủa nó Một RNC vật lý trong thực tế sẽ chứa tất cả các chức năng củaDRNC,SRNC và CRNC

Hình 1 7: Vai trò logic của SRNC và DRNC

Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kếtnối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từRNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu Nó cũng thực hiện một

số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòngtrong" Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối

đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từcác đầu cuối ở xa Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thôngbáo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu đượccông suất như nhau từ tất cả các đầu cuối.

Mạng lõi CN

Mạng lõi CN được chia thành ba miền :

- Miền chuyển mạch gói PS (Packet Switch) đảm bảo cácdịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và cácmạng số liệu khác

- Miền chuyển mạch kênh CS (Circuit Switch) đảm bảo cácdịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM Các núttrong mạng lõi CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khaithác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP.Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sửdụng IP

- Môi trường nhà HE (Home Environment)

Nút SGSN là nút chính của miền chuyển mạch gói Nó nối đến UTRANthông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn SGSN chịu tráchnhiệm cho tất cả kết nối chuyển mạch gói PS của tất cả các thuê bao Nó lưu haikiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao

Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm :

- Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI (International MobileSubsscriber Identity )

- Các số nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary MobileSubscriber Identity)

- Giao thức số liệu gói PDP (Packet Data Protocol)

Số liệu vị trí lưu trên SGSN :

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

- Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Rigister)

- Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực

GGSN là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác Tất cả các cuộc truyềnthông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN GGSN nối đếnInternet thông qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp Cũng như SGSN, nó lưu

cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí

Số liệu thuê bao lưu trong GGSN :

Số liệu vị trí lưu trong GGSN là địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến

BG là một cổng giữa miền chuyển mạch kênh PS của PLMN với các mạngkhác Chức năng của nút này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng

an ninh chống lại các tấn công bên ngoài

VLR là bản sao của HLR cho mạng phục vụ (SN: Serving Network) Dữ liệuthuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ởđây Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng

Số liệu sau đây được lưu trong VLR:

- Vùng định vị 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 nút vật lý với VLR vì thếđược gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC

Switching Center

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 CS giữa UTRAN vàMSC Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua 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

HE lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác Nó cũng cung cấp cho cácmạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết

để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp Tất cả các dịch

vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm đều được liệt kê ở đây

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 địa chỉ PDP(Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói) Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụnglàm khoá để truy nhập đến các thông tin được lưu khác Để định tuyến và tính cướccác cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu tráchnhiệm thuê bao Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thưthoại cũng có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyểnmạng

HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùngmột nút vật lý HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao

Như: thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào 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.

AUC lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ sựtoàn vẹn thông tin cho người sử dụng Nó liên kết với HLR và được thực hiện cùngvới HLR trong cùng một nút vật lý Tuy nhiên cần đảm bảo rằng AuC chỉ cung cấpthông 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 cáchàm tạo khóa từ f0 đến f5 Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khiSGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ

EIR chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI:International Mobile Equipment Identity) Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bịđầu cuối Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: danh mục trắng, xám vàđen Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập mạng Danh mục xámchứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEIcủa 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.Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấm các seri máy đặc biệt không đượctruy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn

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

 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.

Trong UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE

WCDMA trong UMTS Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vàophần cố định của mạng Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối

gồm hai phần, IuPS cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyểnmạch kênh CN có thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS

và IuPS Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập

CN

GSM đây là giao diện mở

thiết kế để đảm bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quátrình phát triển nhiều tính năng mới được bổ sung Giao diện này đảmbảo 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

1.4.2 Kiến trúc hệ thống UMTS R4

Sự khác nhau cơ bản của kiến trúc R3 và R4 ở chỗ mạng lõi trong R4 làmạng phân bố và chuyển mạch mềm Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênhtruyền thống như ở kiến trúc R3 trước đó, kiến trúc mạng phân bố và chuyển mạchmềm được đưa vào

Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện(MGW : Media Gateway) MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi,

quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trậnchuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC server điều khiển

và có thể đặt xa MSC Server

Hình 1 8: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Kiến trúc R4 của mạng UMTS được truyền tải hoàn toàn bằng IP.Cả số liệu

và tiếng đều sử dụng truyền tải bằng IP trong mạng lõi Từ hình 1.8 ta có thể thấylưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và đến GGSN trên mạng đường trục IP.Còn các cuộc gọi cần được chuyển đến các mạng khác, như trên hình là PSTN sẽ đi

từ RNC đi qua một MGW được điều khiển bởi MSC Server đến một MGW cổngđược điều khiển bởi GMSC Server MGW này sẽ chuyển tiếng thoại thành luồngPCM (64 Kbps) tiêu chuẩn để đưa đến PSTN Truyền theo phương pháp này sẽ cóthể tiết kiệm được đáng kể độ rộng băng tần khi các MGW ở cách xa nhau

Sử dụng kiến trúc mạng phân bố R4 và chuyển mạch mềm có thể giảm đáng

kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác của mạng Để thấy rõ được điều này taxét một cuộc gọi nội hạt tại một thành phố A, được điều khiển bởi một MSC đặt tạithành phố B Nếu như không có kiến trúc phân bố như ở R3 thì cuộc gọi cần chuyển

từ thành phố A đến thành phố B để đấu nối với thuê bao PSTN đặt tại chính thànhphố A Nhưng với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được diều khiển tại MSC