Nghiên cứu thiết kế mạng thông tin di động 3G UMTS

MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 6 MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1 8 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 8 1.1 Giới thiệu về công nghệ 3G 8 1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động 8 1.1.2 Quá trình phát triển lên 3G 10 1.1.3 Cấp phát phổ tần trong 3G. 10 1.2 Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 3G 12 1.2.1Thiết bị người dùng (UE) 13 1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến 14 1.2.3 Mạng lõi 16 1.3 Giao diện vô tuyến của 3G 19 1.3.1 Kiến trúc ngăn xếp giao diện vô tuyến UMTSFDD 19 1.3.2 Giao diện trong UTRAN 21 1.3.3 Giao diện vô tuyến (Uu) 26 1.4 Giới thiệu bài toán thiết kế mạng thông tin di động 33 1.4.1 Giới thiệu về quy hoạch mạng vô tuyến 33 1.4.2 Một số đặc điểm cần lưu ý trong quy hoạch mạng 34 1.4.3 Quy hoạch định cỡ mạng 36 CHƯƠNG 2 38 GIỚI THIỆU PHẦN MÊM MÔ PHỎNG MẠNG ATOLL 38 2.1 Giới thiệu chung về Atoll. 38 2.1.1 Một số điểm nổi bật của Atoll 39 2.1.2 Mô hình truyền sóng Aster 41 2.1.3 Mô hình truyền sóng CrossWave 42 2.1.4 Công nghệ 3G 42 2.2 Các tính năng của Atoll 44 2.3 Hướng dẫn cài đặt Atoll. 46 CHƯƠNG 3 52 MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ MẠNG 3G BẰNG ATOLL 52 3.1 Tạo dự án mới. 52 3.2 Import dữ liệu địa hình 53 3.2.1 Import bản đồ địa hình 54 3.2.2 Import bản đồ Clutter 55 3.2.3 Import bản đồ vector 58 3.3 Chọn hệ tọa độ 60 3.4 Import dữ liệu trạm phát sóng 63 3.4.1 Import dữ liệu site 63 3.4.2 Import dữ liệu transmitter. 66 3.5 Lựa chọn mô hình truyền sóng 68 3.6 Mô phỏng vùng phủ 70 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 78 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DƯƠNG QUANG NGỌC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH MẠNG MÁY TÍNH

ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu thiết kế mạng thông tin di động 3G UMTS

HÀ NỘI, 2017

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 8

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 8

1.1 Giới thiệu về công nghệ 3G 8

1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động 8

1.1.2 Quá trình phát triển lên 3G 10

1.1.3 Cấp phát phổ tần trong 3G 10

1.2 Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 3G 12

1.2.1Thiết bị người dùng (UE) 13

1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến 14

1.2.3 Mạng lõi 16

1.3 Giao diện vô tuyến của 3G 19

1.3.1 Kiến trúc ngăn xếp giao diện vô tuyến UMTS/FDD 19

1.3.2 Giao diện trong UTRAN 21

1.3.3 Giao diện vô tuyến (Uu) 26

1.4 Giới thiệu bài toán thiết kế mạng thông tin di động 33

1.4.1 Giới thiệu về quy hoạch mạng vô tuyến 33

1.4.2 Một số đặc điểm cần lưu ý trong quy hoạch mạng 34

1.4.3 Quy hoạch định cỡ mạng 36

CHƯƠNG 2 38

GIỚI THIỆU PHẦN MÊM MÔ PHỎNG MẠNG ATOLL 38

2.1 Giới thiệu chung về Atoll 38

2.1.1 Một số điểm nổi bật của Atoll 39

2.1.2 Mô hình truyền sóng Aster 41

2.1.3 Mô hình truyền sóng CrossWave 42

2.1.4 Công nghệ 3G 42

2.2 Các tính năng của Atoll 44

2.3 Hướng dẫn cài đặt Atoll 46

CHƯƠNG 3 52

MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ MẠNG 3G BẰNG ATOLL 52

3.1 Tạo dự án mới 52

3.2 Import dữ liệu địa hình 53

3.2.1 Import bản đồ địa hình 54

3.2.2 Import bản đồ Clutter 55

3.2.3 Import bản đồ vector 58

3.3 Chọn hệ tọa độ 60

3.4 Import dữ liệu trạm phát sóng 63

3.4.1 Import dữ liệu site 63

3.4.2 Import dữ liệu transmitter 66

3.5 Lựa chọn mô hình truyền sóng 68

3.6 Mô phỏng vùng phủ 70

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 78

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Các dịch vụ và công nghệ trong 3G 8

Hình 1-2 Cấp phát phổ tần trong 3G 11

Hình 1-3 Băng tần UMTS 12

Hình 1-4 Kiến trúc mạng 3G 13

Hình 1-5 Vai trò logic của SRNC và DRNC 15

Hình 1-8 Ngăn xếp giao thức giao diện Iur 23

Hình 1-9 Cấu trúc phân lớp của giao diện vô tuyến 26

Hình 1-10 Sắp xếp giữa các kênh logic và các kênh truyền tải ở đường lên và đường xuống 28

Hình 1-11 Truyền thông tin từ lớp cao qua RLC và MAC đến lớp 1 29

Hình 1-12 Mô hình CCQ 34

Hình 2-1 Giới thiệu về atoll 38

Hình 2-2 Chọn ổ đĩa cài đặt Atoll 47

Hình 2-3 Lựa chọn chương trình cài đặt 48

Hình 2-4 Chọn ổ đĩa cài đặt thư mục bổ xung 48

Hình 2-5 Đặt tên và mật khẩu 49

Hình 2-6 Thiết lập cài đặt Atoll 49

Hình 2-7 Cài đặt Atoll 50

Hình 2-8 Khởi động lại máy tính 51

Hình 3-1 Giao diện khi mở phần mềm Atoll 52

Hình 3-2 Hộp thoại cho phép chọn công nghệ mô phỏng 53

Hình 3-3 Giao diện làm việc của Atoll 53

Hình 3-4 Thư mục chứa cao độ của bản đồ địa hình 54

Hình 3-5 Cửa sổ Data Type 54

Hình 3-6 Bản đồ địa hình 55

Hình 3-7 Thư mục chứa mức độ phân bố của bản đồ địa hình 55

Hình 3-8 Cửa sổ Data Type 56

Hình 3-9 Phân bố của bản đồ địa hình 56

Hình 3-10 Chọn màu cho bản đồ địa hình 57

Hình 3-11 Bản đồ địa hình 57

Hình 3-11 Thư mục chứa fide Index của vector 58

Hình 3-12 Cửa sổ Data Type 59

Hình 3-13 Cửa sổ Vector Import 59

Hình 3-14 Bản đồ địa hình Vector 60

Hình 3-15 Chọn hệ tọa độ 61

Hình 3-16 Chọn hệ tọa độ 61

Hình 3-17 Chọn hệ tọa độ 62

Hình 3-18 Chọn hệ tọa độ 63

Hình 3-19 Giao diện thông tin của trạm 64

Hình 3-20 Giao diện của trạm sau khi lược bỏ cột 65

Hình 3-21 Dữ liệu của trạm sau khi import 65

Hình 3-22 Giao diện sau khi import dữ liệu trạm 66

Hình 3-23 Giao diện bảng dữ liệu máy phát 67

Hình 3-24 Lược bỏ bớt cột của bảng dữ liệu 68

Hình 3-25 Dữ liệu sau khi được import 68

Hình 3-26 Giao diện sau khi import 69

Hình 3-27 Đặt tên vùng phủ 69

Hình 3-28 Tab chọn hệ số k 70

Hình 3-29 Mức độ suy hao clutter 70

Hình 3-30 Mô phỏng vùng phủ 71

Hình 3-31 Mô phỏng vùng phủ 71

Hình 3-32 Tạo Grup mới 72

Hình 3-33 Mô phỏng mạng 73

Hình 3-34 Mô phỏng mạng 3G 73

Hình 3-3.5 Mô phỏng mức độ bao phủ của trạm BTS 74

Hình 3-37 mô phỏng mạng 3G 75

Hình 3-38 Mô phỏng cường độ tín hiệu trạm BTS 75

Hình 3-39 Mô phỏng mạng 3G 76

Hình 3-40 Mô phỏng mức độ chống lấn tín hiệu 76

Hình 3-41 Mô phỏng mạng 3G 77

Hình 3-42 Phân tích mức độ tiếng ồn 77

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế mạng thông tin di động 3G UMTS

Sinh viên thực hiện: Dương Quang Ngọc

3 Nội dung chính

Trong đồ án này có 3 nội dung chính:

Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G

Giới thiệu phần mềm mô phỏng mạng Atoll

Mô phỏng vùng phủ mạng 3G bằng Atoll

4 Kết quả đạt được

ABC

MỞ ĐẦU

Thế kỉ 21 được coi là thế kỉ của tri thức do đó nhu cầu và trao đổi và xử lýthông tin ngày càng lớn Trong những năm đầu của thế kỉ mới chúng ta được chứngkiến bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin mà điển hình ngày càng cónhiều công nghệ mới để truyền dữ liệu có hiệu quả Để đáp ứng được nhu cầu trênthông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh

và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Sự phát triển của thị trường viễnthông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thốngthông tin di động mới trong tương lai Hiện nay, mạng thông tin di động của ViệtNam đang sử dụng công nghệ GSM và CDMA băng thông hẹp, các công nghệ nàytrở nên lạc hậu và quá tải trước các yêu cầu về dịch vụ mới như truyền số liệu tốc

độ cao, xem tivi trên điện thoại di động, truy cập web, internet và nhiều dịch vụ giátrị gia tăng khác Vì vậy sự thay thế của các công nghệ thế hệ 3G như UMTS vàCDMA2000 là điều tất yếu Phần lớn các thuê bao tại Việt Nam đang sử dụng mạngGSM mà UMTS là bước phát triển tiếp của GSM nên em chọn đề tài “Nghiên cứuthiết kế mạng thông tin di động 3G ” cho nội dung nghiên cứu đồ án của mình nhằmgóp thêm hiểu biết cho những người quan tâm và tìm hiểu công nghệ mới này Đềtài của em tìm hiểu về những nội dung:

Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin đi đông 3G

Chương 2 Giới thiệu phần mềm mô phỏng mạng

Chương 3 Mô phỏng vùng phù mạng bằng Atoll

Mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ và thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý, phê bình và hướng dẫn từ thầy cô bạn bè Trong quá trình thực hiện đồ án em đã nhận

được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và hỗ trợ từ thầy hướng dẫn : Phạm Đình Tân.

Em xin trân thành cảm ơn ạ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG1.1 Giới thiệu về công nghệ 3G

1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động

Thế hệ đầu tiên là mạng thông tin di động tế bào tương tự xuất hiện từ giữanăm 1970 cho đến giữa năm 1980 Đột phá quan trong nhất trong thời gian này làkhái niệm mạng tế bào được đề xuất bởi phòng nghiên cứu Bell từ những năm

1970 Hệ thống mạng tế bào được thực hiện bằng cách tái sử dụng tần số do đó làmtăng dung lượng hệ thống Thí dụ về hệ thống thông tin di động thế hệ đầu có thể kểđến hệ thống điện thoại di động tiên tiến (AMPS-Advanced Mobile Phone System)của Mỹ

Hình 1-1 Các dịch vụ và công nghệ trong 3G

Tại Mỹ, mạng điện thoại di động AMPS được phân bố trong một băng thông

40 MHz trong dải tần từ 800 đến 900 MHz Hệ thống này được sử dụng tại Bắc vàNam Mỹ Ở Anh, Nhật Bản và một số quốc gia Châu Á được phân bố băng thông

25 kHz với tần số 900 MHz Đặc điểm chính của các hệ thống thông tin di động thế

hệ đầu tiên là sử dụng công nghệ tái sử dụng tần số, thực hiện điều chế tương tự chocác tín hiệu thoại và cung cấp một kênh thuê bao tương tự cho một người dùng kể

cả khi người đó không đàm thoại Những nhược điểm của thế hệ đầu bao gồm: sửdụng không hiệu quả phổ tần số, giới hạn về dịch vụ, cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc

độ thấp, tính bảo mật thấp và rất dễ bị tấn công, chi phí đầu tư thiết bị cao Như vậy,

để khắc phục những điểm yếu về công nghệ của hệ thống tương tự, công nghệ thôngtin di động số đã xuất hiện vào giữa những năm 1980

Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai có thể kể đến là GSM và IS-95.Tại Châu Âu, hệ thống toàn cầu cho thông tin di động (GSM- Global System forMobile Communications) được triển khai, sử dụng công nghệ đa truy nhập phânchia theo thời gian (TDMA- Time Division Multiple Access) GSM hỗ trợ tốc độ dữliệu 64 kbps và có thể kết nối với ISDN ( Integrated Services Digital Network-Mạng số tích hợp đa dịch vụ) Hệ thống GSM sử dụng dải tần 900 MHz và phươngthức song công phân chia theo tần số (FDD- Frequency Division Duplex) Mỗi kênh

có độ rộng 200 kHz, mỗi một sóng mang gồm 8 khe thời gian nên trong hệ thốngGSM có tất cả 125 sóng mang hay 1000 khe thời gian

Hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến số (DAMPS- digital advanced mobilephone service), còn được gọi là IS-54, sử dụng băng tần 800 MHz là tiêu chuẩn tếbào số đầu tiên tại Bắc Mỹ, sử dụng công nghệ TDMA Tiêu chuẩn tế bào số còn lại

ở Bắc Mỹ là IS-95, sử dụng tại băng tần 800 MHz hoặc 1900 MHz, sử dụng côngnghệ đa truy cập phân chia theo mã (CDMA- Code Division Multiple Access) vàtrở thành sự lựa chọn hàng đầu giữa các công nghệ của các mạng hệ thống di động

cá nhân tại Mỹ

Do các hệ thống thông tin di động thứ hai tập trung vào truyền dẫn các dịch

vụ thoại và dịch vụ dữ liệu tốc độ thấp, nên hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5 đãxuất hiện vào năm 1996 nhằm cung cấp các dịch vụ truyền dẫn tôc độ trung bìnhcần thiết, có thể kể đến GPRS và IS-95B Hệ thống CDMA có dung lượng rất lớn,nếu so sánh với hệ thống tương tự có thể gấp 10 lần, thậm chí 20 lần Nhưng côngnghệ CDMA băng hẹp đi vào hoạt động tại thời điểm muộn hơn so với GSM Ứngdụng của CDMA lúc đó không bằng GSM Các ứng dựng CDMA được thực hiệnthương mại quy mô lớn tại Bắc Mỹ, Hàn Quốc và Trung Quốc Các dịch vụ chínhvẫn tập trung vào thoại và dịch vụ dữ liệu thấp Nên hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ 3 có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, chuyểnvùng toàn cầu và xem như vùng phủ sóng không giới hạn

1.1.2 Quá trình phát triển lên 3G

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được xây dựng với mục đích cung cấpmột mạng di động toàn cầu với dịch vụ phong phú bao gồm thoại, nhắn tin, Internet

và dữ liệu băng rộng Tại Châu Âu, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đượctiêu chuẩn hóa bởi Uỷ ban tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) phù hợp với tiêuchuẩn IMT - 2000 của ITU (International Telecommunications Union- Liên đoànviễn thông quốc tế) Hệ thống có tên là UMTS (Universal MobileTelecommunications Systems- Hệ thống di động viễn thông toàn cầu) UMTS đượcxem là hệ thống kế thừa hệ thống 2G GSM nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển củacác dịch vụ di động và ứng dụng Internet với tốc độ truyền dẫn lên tới 2 Mbps vàcung cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu UMTS được phát triển bởi dự ánđối tác thế hệ thứ ba (3GPP) là dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩnhóa (SDO) như: ETSI (Châu Âu), ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (HànQuốc) và CWTS (Trung Quốc)

1.1.3 Cấp phát phổ tần trong 3G.

Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dùng cho hệthống UMTS

Hình 1-2 Cấp phát phổ tần trong 3G

Tại Việt Nam, công nghệ 3G UMTS sử dụng băng tần số theo chuẩn IMT –

2000 trong băng tần số 1900 – 2200 MHz Băng tần đường lên 1920 – 1980 MHz

và băng tần đường xuống 2110 – 2170 MHz Mỗi một tần số sóng mang có băngthông 5 MHz và khoảng cách song công 190 MHz Số kênh tần số vô tuyến tuyệtđối (URAFCN) = Tần số trung tâm × 5 và tần số trung tâm = URAFCN × 200 kHz.URAFCN đường lên từ 9612 – 9888 MHz và đường xuống 10562 – 1083 MHz

Hình 1-3 Băng tần UMTS 1.2 Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 3G

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: Thiết bị di động ( UE: User Equipment),mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS ( UTRAN: UMTS Terrestrial RadioNetwork), mạng lõi (CN: Core network)

UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) vàmodule nhận 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 các RNC ( Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vôtuyến) và các node 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: Bộghi định vị thường trú) và EIR ( Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạngthiết bị)

Hình 1-4 Kiến trúc mạng 3G

1.2.1Thiết bị người dùng (UE)

UE (User Equipment) là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng Có thể nóiđây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớnlên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạo điềukiện 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

Các thiết bị 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 điện thoại di động, modem và máytính Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến Nóđảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS Giao diện thứ hai là giao diện

Cu giữa UMTS IC card (UICC-Universal Integrated Circuit Card: Thẻ vi mạch tíchhợp ) và đầu cuối Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh Mặc dù các nhà sản xuất thiết 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 cácthiết bị đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theocùng một cách

Các tiêu chuẩn này gồm:

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

 Đăng ký mật khẩu mới

 Thay đổi mã pin

 Điều khiển cuộc gọi

UMTS SIM

Trong hệ thống 2G, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) càicứng trên card Điều này đã thay đổi trong 3G, Modul nhận dạng thuê bao 3G đượccài như một ứng dụng trên UICC Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn vànhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các mãtruy nhập giao dịch ngân hàng an ninh) Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùngmột 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 tựmình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN Điểu này đảm bảo rằng chỉngười sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng 3G Mạng sẽ chỉ cung cấp cácdịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký

1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vôtuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và mạng lõi (CN) 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 mạng truy nhập vôtuyến mặt đất và mạng lõi, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCScho miền chuyển mạch kênh; giao diện Uu giữa mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC (Radio NetworkController -Bộ điều khiển mạng vô tuyến) và nút B

Bộ điều khiển mạng vô tuyến.

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 mạng lõi Nó được nối đến mạng lõi bằng hai kết nối,một cho miền chuyển mạch gói đến GPRS (General Packet Radio Service) và mộtđến miền chuyển mạch kênh MSC (Mobile Services Switching Center) Một nhiệm

vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn thông tin Sau thủ tụcnhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC.Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh

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 RNCchạy (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 mạng lõi

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

Hình 1-5 Vai trò logic của SRNC và DRNC

Node B

Trong 3G trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nút B là thực hiện kếtnối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nút B 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 cuốiđều 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

1.2.3 Mạng lõi

Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền chuyển mạch gói (PS), miềnchuyển mạch kênh (CS) và môi trường nhà (HE) Miền chuyển mạch gói đảm bảocác dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng sốliệu khác và miền chuyển mạch kênh đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạngkhác bằng các kết nối ghép kênh (TDM-Time Division Multiplexing) Các nút Btrong mạng lõi được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác, thường sửdụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM (Asynchronous Transfer Mode) và

IP (Internet Protocol) Mạng đường trục trong miền chuyển mạch kênh sử dụngTDM còn trong miền chuyển mạch gói sử dụng IP

GGSN (Gateway GPRS Support Node) là một cổng kết nối giữa mạngUMTS PS/GPRS và các mạng dữ liệu bên ngoài (ví dụ: Internet) Nó thực hiện cácchức năng như định tuyến và đóng gói dữ liệu giữa MS và mạng dữ liệu ngoài, điềukhiển an ninh, điều khiển truy nhập và quản lý mạng Đối với phía UMTS PS/GPRSmột MS sẽ lựa chọn một GGSN như một thiết bị định tuyến giữa nó với mạng ngoàitrong tiến trình kích hoạt ngữ cảnh giao thức dữ liệu gói PDP mà trong đó bộ APN(Access Point Name) sẽ xác định điểm truy nhập tới mạng dữ liệu gói đích Đối vớiphía mạng dữ liệu gói bên ngoài GGSN là một bộ định tuyến mà có thể xác địnhđược địa chỉ IP của tất cả MS trong mạng UMTS PS/GPRS GGSN cung cấp giaodiện Gc để kết nối với HLR, giao diện Gn/Gp với SGSN, giao diện Gi với các mạng

dữ liệu ngoài, và giao diện Ga với Charging Gateway(CG) Charging Gateway làmột khối tính cước cho miền chuyển mạch gói Đôi khi kết hợp với SGSN thực hiện

chức năng thu thập, kết hợp, lọc và lưu trữ chi tiết cuộc gọi Call Detail Record(CDR) xuất phát từ SGSN và giao tiếp với trung tâm tính cước để chuyển CDR đãđược xắp sếp tới trung tâm tính cước

HLR chịu trách nhiệm lưu trữ, cập nhật, sửa đổi, hay xóa thông tin thuê bao,kiểm soát thông tin đăng ký dịch vụ cơ bản, dịch vụ bổ xung, và thông tin vị trí củacác thuê bao Ngoài ra nó còn thực hiện chức năng quản lý an ninh thuê bao Đứng

ở phương diện vật lý HLR cung cấp giao diện để kết nối với bộ định vị tạm trú(VLR- Visitor Location Register) trong MSC server, giao diện C để kết nối vớiMSC server hoặc MSC (Mobile switching center: trung tâm chuyển mạch di động)trong mạng lõi GSM, giao diện Gr với SGSN, giao diện Gc với GGSN Loại báohiệu được phân phối đi và đến HLR là Mobile Aplication Part (MAP)

Trong miền chuyển mạch kênh của UMTS, MSC server là một thực thể chứcnăng làm nhiệm vụ thiết lập dịch vụ cuộc gọi, quản lý di động, chuyển giao và các 7dịch vụ bổ xung khác Theo nguyên lý tách riêng chức năng điều khiển khỏi kênhmang trong mạng lõi UMTS, nó thực sự là một bộ điều khiển cho MGW để thiết lậpcác hướng cuộc gọi giữa các MS thông qua giao diện Mc MSC server về mặt vật lýcũng tích hợp một VLR để lưu giữ dữ liệu của thuê bao MSC server cung cấp mộtgiao diện tùy chọn Gs với SGSN

Môi trường nhà

Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãngkhai thác Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) cácthông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cướccho các dịch vụ cung cấp Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấmđều được liệt kê ở đây

 Bộ ghi định vị thường trú (HLV)

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 Subsscriber Identity: sốnhận dạng 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 DataProtocol: Giao thức số liệu gói) Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá đểtruy 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 hiện đang 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 như các hạn chế chuyển mạng

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

 Trung tâm nhận thực (AuC)

AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực,mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng Nó liên kết vớiHLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý Tuy nhiên cầnđảm 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 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

 Bộ ghi nhân 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

1.3 Giao diện vô tuyến của 3G

UMTS sử dụng mạng đa truy nhập vô tuyến trên cơ sở W-CDMA vàmạng lõi được phát triển từ GSM/GPRS W-CDMA có thể có hai giải pháp chogiao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Frequency DivisionDuplex) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex)

Cả hai giao diện này đều sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) Giải phápthứ nhất sẽ được triển khai rộng rãi còn giải pháp thứ hai chủ yếu sẽ được triển khai

cho các ô nhỏ (Micro và Pico)

Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cáchnhau 190 MHz: đường lên có băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980MHz, đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 Mhz.Mặc dù 5 MHz là độ rộng băng danh định, ta cũng có thể chọn độ rộng băng từ 4,4MHz đến 5 MHz với mức tăng là 200 KHz Việc chọn độ rộng băng đúng đắn chophép ta tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khaithác khác

Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và từ

2010 MHz đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung mộtbăng tần Giao diện vô tuyến của UMTS/FDD được xây dựng trên ba kiểu kênh:kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý Kênh logic được hình thành trên cơ sởđóng gói các thông tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh truyền tải Nhiều kênhtruyền tải được ghép chúng vào kênh vật lý Kênh vật lý được xây dựng trên côngnghệ đa truy nhập CDMA kết hợp với FDMA/FDD Mỗi kênh vật lý được đặc trưngbởi một cặp tần số và một mã trải phổ Ngoài ra kênh vật lý đường lên còn đượcđặc trưng bởi góc pha

1.3.1 Kiến trúc ngăn xếp giao diện vô tuyến UMTS/FDD

Kiến trúc giao diện vô tuyến của UMTS được cho trên hình

Hình 1-7 Kiến trúc của giao diện vô tuyến UMTS

UP: Mặt phẳng người sử dụng

Lớp 3 và RLC đựơc chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C) vàmặt phẳng người sử dụng (U) PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U Trong mặtphẳng C lớp 3 được chia thành các lớp con: “tránh lặp" (TBD) nằm ở tầng truy nhậpnhưng kết cuối ở mạng lõi (CN: Core Network) và lớp RRC (Radio ResourceControl: điều khiển tài nguyên vô tuyến) Báo hiệu ở các lớp cao hơn: MM(Mobility Management) và CC (Connection Management) được coi là ở tầng khôngtruynhập.

Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến Lớp vật lý được sử dụng đểtruyền dẫn ở giao diện vô tuyến Mỗi kênh vật lý ở lớp này được xác định bằng một

tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên hoá (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên) Cáckênh được sử dụng vật lý để truyền thông tin cuả các lớp cao trên giao diện vôtuyến, tuy nhiên cũng có một số kênh vật lý chỉ được dành cho hoạt động của lớpvật lý

Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải chuyển các thôngtin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic MAC sắpxếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắpxếp chúng lên các kênh vật lý

1.3.2 Giao diện trong UTRAN

Giao diện RNC-RNC và báo hiệu RNSAP

Có 2 lựa trọn với truyền tải báo hiệu RSNAP: Ngăn xếp SS7 (SCCP vàMTP3b) và truyền tải mới dựa trên SCTP/IP Hai giao thức mặt phẳng người dùngđược định nghĩa (DCH= Dedicated channel: kênh riêng) và CCH (common channel:kênh chung)

Mặc dù lúc đầu giao diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao phần mềmgiữa các RNC, trong quá trình phát triển tiêu chuẩn nhiều tính năng được bổ sung

và đến nay giao diện Iur đảm bảo 4 chức năng sau:

 Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC

 Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng

 Hỗ trợ kênh lưu lượng chung

 Hỗ trợ quản lý tài nguyên toàn cục

Chính vì lí do này mà giao thức báo hiệu Iur ( RNSAP= radio networksubsystem application part: Phần ứng dụng hệ thống con mạng vô tuyến) được chiathành 4 mô-đun ( như các nhóm thủ tục) Nói chung có thể thực hiện chỉ một phầncủa 4 chức năng Iur giữa hai bộ mạng điều khiển mạng vô tuyến tùy theo yêu cầucủa nhà khai thác

Iur 1: Hỗ trợ tính di dộng cơ sở giữa các RNC

Chức năng này đòi hỏi mô-đun báo hiệu cơ sở RNSAP Đây là viên gạch đầu tiêncho việc xây dựng các giao diện Iur và tự mình đảm bảo chức năng cần thiết chotính di động giữa hai RNC,nhưng không hỗ trợ cho việc trao đổi bất kỳ lưu lượngnào của người sử dụng Nếu mô-đun này không được thực hiện thì giao diện Iur nóitrên sẽ không tồn tại và cách duy nhất để một người sử dụng kết nói với UTRANqua RNS1 có thể sử dụng một ô ở RNS2 là phải tự mình tạm thời cắt hết ra khỏiUTRAN ( giải phóng kết nói RRC)

Các chức năng được mô-đun cơ sở iur cung cấp bao gồm:

Hình 1-8 Ngăn xếp giao thức giao diện Iur

Iur2: Hỗ trợ lưu lượng kênh riêng

Chức năng này đòi hỏi mô- đun kênh riêng của báo hiệu rnsap và cho phéptruyền lưu lượng kênh riêng giữa hai kênh RNC Thậm chí nhu cầu đầu tiên đối vớichức năng là hỗ trợ trạng thái chuyển giao phần mềm, nói cũng cho phép giữa srnccho toàn bộ thời gian sử dụng các kênh riêng (các tài nguyên riêng ở nút B),thôngthường khi người sử dụng còn có một kết nối tích cực đến vùng chuyển mạch kênh.Chức năng này cũng đòi hỏi giao thức khung của mặt phẳng người sử dụng chokênh riêng cùng với giao thức mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải (Q.2630.1)được sử dụng cho kết nối truyền tải ( các kết nối AAL2) Mỗi kênh riêng đượctruyền trên một kết nối truyền kênh DCH được điều phối được sử dụng để nhậnđược chống lỗi không cần bằng ở giao diện vô tuyến

Giao thức khung cho các kênh riêng, viết tắt là DCH FP (FP= Frame Protocol), địnhnghĩa cấu trúc các khung số liệu mang thông tin của người sử dụng và các khungđiều khiển được sử dụng để trao đổi thông tin đo và điều khiển.Vì lý do này các

giao thức không quy định cả các bản tin và các thủ tục đơn giản Các khung số liệucủa người sử dụng thông thường được định tuyến trong suốt qua DRNC, như vậygiao thức khung Iur được sử dụng cả ở IuB và được gọi là Iur/ IuB DCH FP

Chức năng được mô- đun Iur DCH cung cấp là:

 Thiết lập, thay đổi và giải phóng kênh riêng ở DRNC do chuyển giao cứng

và chuyển giao mềm ở trạng thái kênh riêng;

 Thiết lập và giải phóng các kết nối truyền tải qua giao diện Iur;

 Truyền các khối truyền tai giữa SRNC và DRNC;

 Quản lý các đoạn nối vô tuyền ở DRNC thông qua thủ tục báo cáo đo vàthiết lập công suất

Iur3: Hỗ trợ lưu lượng kênh chung

Chức năng cho phép xử lý các luồng số liệu kênh chung Nó đòi hỏi mô-đunkênh truyền tải chung của giao thức RNSAP và giao thức khung kênh truyền tảichung( Viết tắt là CCH FP) Giao thức báo hiệu quản lý Q2630.1 của mặt phẳngđiều khiển mạng truyền tải cũng cần thiết nếu các kết nối AAL2 được sử dụng

Nếu chức năng này không được thực hiện thì mọi cập nhập giữa các RNCluôn luôn khởi động quá trình đặt lại SRNC, nghĩa là RNC phục vụ luôn luôn làRNC điều khiển ô được sử dụng cho truyền tải kênh chung hoặc kênh chia sẻ Mộtmặt chức năng này sẽ cho phép tránh được thủ tục đặt lại SRNC phức tạp ( QuaCN),mặt khác chức năng này đòi hỏi phân chia MAC ( Medium Access Control:Điều khiển truy cập môi trường) thành hai phần tử mạng dẫn đến sự kém hiệu quảkhi sử dụng các tài nguyên và phức tạp ở giao diện Iur Vị thế tính năng này vẫnđược hỗ trợ ở tiêu chuẩn nhưng không quan trọng cho hoạt động của hệ thống.Các chức năng được mô-đung kênh truyền tải chung Iur cung cấp là:

 Thiết lập và giải phóng kết nối truyền tải qua Iur cho các luồng số liệu kênhchung

 Phân chia lớp MAC giữa SRNC ( MAC- d, d kí hiệu cho Dedicated: riêng)

và DRNC ( MAC-c và MAC-sh, c kí hiệu cho Common, còn sh kí hiệu choshared: chia sẻ) Thời biểu để truyền số liệu đường xuống được thực hiện ởDRN

Iur4: Hỗ trợ quản lý tài nguyên toàn cục

Chức năng này đảm bảo báo hiệu để hỗ trợ tài nguyên tăng cường và cáctính năng khai thác bảo dưỡng ( O&M) qua giao diện Iur Nó được thực hiện bằngmô-đun toàn cục của giao thức RNSAP và không đòi hỏi giao thức mặt phẳng

người sử dụng vì không có truyền dẫn số liệu của người sử dụng qua giao diện Iur.Đây là một chức năng tùy chọn.

Các chắc năng do mô- đun tài nguyên toàn cục cung cấp là:

 Truyền các kết quả đo ở ô giữa hai RN

 Truyền thông tin định thời nút B giữa hai RN

 Tổng kết các chức năng của giao diện Iur

Ta có thể tổng kết các chức năng chung của giao diện Iur như sau:

 Quản lý mạng truyền tải

 Quản lý lưu lượng cho các kênh truyền tải chung gồm:

- Thiết lập/ Bổ sung/ Xóa đoạn nối vô tuyến

- Tìm gọi

 Quản lý lưu lượng cho các kênh truyền tải riêng

- Thiết lập/ Bổ sung/ Xóa đoạn nối vô tuyến

- Báo cáo kết quả đo

 Báo cáo kết quả đo cho các đối tượng đo chung và riêng

Các chức năng trên được phân chia như sau:

 Kết hợp/ Phân chia phân tập vĩ mô DRNS có thể thực hiện kết hợp/ Phânchia phân tập vĩ mô cho các luồng số liệu qua các ô, SNRS thực hiện kết hợp/ Phânchia các luồng số liệu Iur nhận được/ Gửi tới các DRNS và các luồng số liệu thôngtin qua các ô của chính mình

 Điều khiển topo kết hợp/ Phân chia phân tập vĩ mô Khi yêu cầu một ô mớicho biết kết nối UE-UTRAN, SRNC có thể yêu cầu DRNC một luồng số liệu mới,trong trường hợp này kết hợp và phân chia trong DRNC không được sử dụng ônày Nếu không, DRNC sẽ chịu trách nhiệm quyết định có sử dụng chức năng kếthợp và phân chia trong DRNC hay không, nghĩa là có nên bổ sung một luồng sốliệu Iur mới hay không

 Quản lý các tài nguyên phần cứng của DRNS Phân bổ và điều khiển các tàinguyên phần cứng được sử dụng cho các luồng số liệu Iur và thu/ phát giao diện vôtuyến trong DRNS được thực hiện trong DRNS

 Ấn định các kênh vật lý: Ấn định các kênh vật lý trong các kênh thuộcDRNS được thực hiện DRNS

 Điều khiển công suất đường lên: Đây là một nhóm các chức năng để điềukhiển mức công suất phát đường lên để giảm thiểu nhiễu đường lên và duy trì chất

lượng của các kết nối Nếu kết nối bao hàm cả SRNS và DRNS thì chức năng điềukhiển công suất vòng trong đường lên ( được đặt trong nút B)

 Điều khiển công suất đường xuống đây là nhóm các chức năng để điềukhiển mức công suất phát đường xuống Nó cũng được sử dụng để hiệu chỉnh sựtrôi công suất giữa một số đường truyền SRNC định kỳ ( hay theo một số giảithuật) phát tham chuẩn công suất đường xuống đích giữa trên báo cáo công suất đođược từ UE

 Điều khiển cho phép Điều khiển cho phép trong một số DRNS được yêu cầumặc định trong quá trình thiết lập/ thay đổi đoạn nối vô tuyến Thông tin về nhiễuđường lên và công suất đường xuống ở các ô phải luôn có ở Iur

 Phân chia chức năng giao thức vô tuyến, Iur hỗ trợ phân chia chức năng giaothức vôn tuyến giữa SRNC và DRNS

1.3.3 Giao diện vô tuyến (Uu)

Cấu trúc giao tuyến Uu

Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức :

 Lớp vật lý

 Lớp đoạn nối số liệu (L1)

 Lớp đoạn nối số liệu (L2)

 Lớp mạng (L3)

Hình 1-9 Cấu trúc phân lớp của giao diện vô tuyến

Lớp 2 được chia thành các lớp con :

 MAC (Medium Access Control : Điều kiện truy nhập môi trường );

 RLC (Radio Link Control : Điều khiển đoạn nối );

 PDCP (Packet Data Convergenca Protocol : Giao thức hội tụ số liệu gói );

 BMC ( Broadcast/Multi-cast Control ) : điều khiển quảng bá /đa phương.Lớp 3 và RLC được chia thành mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển người sử dụngU.PDCP và BMC chỉ có mặt phẳng U

Trong mặt phẳng C lớp 3 được chia thành các lớp con: “tránh lặp” (TBD)nằm ở tầng truy nhập nhưng kết cuối ở mạng lõi ( CN: Core Network ) và lớp RRC(Radio Resource Control: Điều khiển tài nguyên vô tuyến ) Báo hiệu ở cac lớp caohơn: MM (Mobility Management- quản lý dy động ) và CM (Connectionmanagement : Quản lý kết nối) được coi là tầng không truy cập

Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến Lớp vật lý được sử dụng đểtruyền dẫn ở giao diện vô tuyến Mỗi kênh vật lý ở lớp này xác định bằng một tổhợp tần, mã ngẫu nhiên hóa (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên) Các kênhđược sue dụng vật lý để truyền thông tin của các lớp trên giao diện vô tuyến, tuynhiên cũng có một số kênh vật lý chỉ được dành cho hoạt động của lớp vật lý

Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải truyền thông tinnày qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic MAC sắp xếpcác kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắp xếpchúng lên các kênh vật lý

Nói chung các kênh logic được chia thành 2 nhóm : các kênh điều khiển đểtruyền thông tin của mặt phẳng điều khiển và các kênh lưu lượng để truyền thôngtin người sử dụng

Các kênh điều khiển bao gồm:

 Kênh quảng bá điều khiển (BCCH) : Kênh đường xuống để quảng bá thôngtin tìm gọi

 Kênh điều khiển tìm gọi ( PCCH ) : Kênh đường xuống để phát thông tin tìmgọi

 Kênh điều khiển riêng (DCCH) : Kênh hai chiều điểm dến điểm để phátthông tin điều khiển riêng giữa UE và mạng

 Kênh điều khiển chung (CCCH) : Kênh hai chiều để phát thông tin điềukhiển giữa mạng và các UE Kênh logic này luôn luôn được sắp xếp lên cáckênh truyền tải ACH/FACH.

 Kênh lưu lượng riêng (DTCH) : Kênh điểm riêng cho một Ue để truyềnthông tin của người sử dụng DTCH có thể tồn tại cả đường lên lẫn đườngxuống

 Kênh lưu lượng chung (CTCH) : Kênh một chiều điểm đa điểm để truyềnthông tin của một người sử dụng cho tất cả hay một nhóm người sử dụng quyđịnh hoặc chỉ cho một người sử dụng Kênh này chỉ có đường xuống

Hình 1-10 Sắp xếp giữa các kênh logic và các kênh truyền tải ở đường lên và

đường xuống.

Tồn tại các kết nối sau đây giữa các kênh logic và kênh truyền tải :

 PCCH kết nối đến PCH;

 BCCH được nối đến BCH và cũng có thể được kết nối đến FACH;

 DCCH và DTCH có thể được kết nối đến hoặc RACH và FACH, CPCH vàFACH, RACH và DSCH, DCH và DSCH hoặc DCH và DCH

 CCCH được kết nối đến RACH và FACH;

 CTCH được kết nối đến FACH;

Hình 1-11 Truyền thông tin từ lớp cao qua RLC và MAC đến lớp 1

RLC : Điều khiển đoạn nối

PDU : Đơn vị số liệu giao thức

SDU : Đơn vị số liệu dịch vụ

MAC : Điều kiện truy cập môi trường

TB : Khối truyền tải

Các tiêu đề RLC và MAC trên hình 4.17 có thể không hoặc tùy thuộc vào RLC hayMAC là trong suốt hay không trong suốt Ở chế độ không trong suốt không cần cótiêu đề, ngược lại chế độ trong suốt cần có tiêu đề

Các chức năng của MAC

Giao thức MAC chuyển số liệu giữa UE và từng thực thể MAC trong RNCtheo tỷ lệ một - một Chức năng phân chia và kết hợp số liệu được cung cấp bởi cácgiao thức cao hơn vì MAC không có khả năng này MAC có thể ấn định lại các tàinguyên vô tuyến và thay đổi các thông số MAC theo các lệnh gửi RRC MAC cũng

có chức năng đo khối lượng và chất lượng lưu lượng và thông báo kết quả đo nàycho RRC

MAC cung cấp chức truyền số liệu khác nhau từ RLC ở dạng các kênh logic.MAC xử lý việc chuyển đổi giữa các kênh logic và các kênh truyền tải do lớp 1cung cấp

Các kênh logic có thể được chia thành các kênh CCH được sử dụng đểtruyền thông tin ở mặt phẳng điều khiển và các kênh TCH được sử dụng để truyềnthông tin ở mặt phẳng điều khiển và các kênh TCH được sử dụng để truyền thôngtin ở mặt phẳng sử dụng.

 Các chức năng của MAC

MAC có các chức năng sau:

- Chuyển đổi giữa cac kênh logic và các kênh truyền tải

MAC thực hiện chuyển đổi giữa các kênh logic và các kênh truyền tảinhư đã xét ở trên

- Phối hợp tổ khuôn dạng (TFC)

MAC chọn TFC (Transport Format Combination ) thích hợp cho từngkênh tập hợp kết hợp kênh truyền tải (TFCS: Transport Format CombinationSet) được mô tả bởi RRC Đối với RCAH, MAC chỉ chọn TF( TransportFormat : Khuôn dạng truyền tải) vì tại lớp 1 không xảy ra ghép cá TF

- Điều kiện ưu tiên

Trên cơ sở chọn TF, MAC chọn TF có thể truyền dẫn số liệu ưu tiêncao howntreen cơ sở sắp xếp ưu tiên theo thuật ngữ của vật mang vô tuyến

và RLC.Ngoài ra MAC lập biểu truyền số liệu giữa UE trên kênh chung

- Nhận dạng các UE trên kênh chung

MAC mô tả các nhận dạng UE-Id trong tiêu đề MAC

- Ghép và phân luồng vào và từ các kênh truyền tải ở RLC-PDU

MAC ghép luồngvà phân luồng các kênh logic lên một kênh mangtruyền tải sử dụng tiêu đề MAC

- Quan trắc khối lượng lưu lượng

MAC đo khối lưu lượng theo phương pháp quan trắc được tả bởiRRC cho từng kênh truyền tải báo cáo cho RRC

- Chuyển mạch giữa các kênh truyền tải chung và riêng

RRC chuyển mạch giữa các kênh truyền tải chung và riêng thông quaMAC trên cơ sở lưu lượng đo

- Mật mã hóa

MAC thực hiện mật mã khi chế độ tong suốt được sử dụng

- Chọn loại dịch vụ truy cập ( ASC ) để truyền đẫn RACH

MAC tại UE điều khiển và chọn các tài nguyên PRACH lớp 1 ( chữ

ký và các khe thời gian truy cập ) và các thông số RACH trên cơ sở ASC( Acess service class: Lớp dịch vụ trong truy nhập ) được mô tả bửi RRC

Chức năng điều khiển đoạn vố tuyến, RLC

Ngày nay trên lớp MAC là lớp điều khiển đoạn nối vô tuyến (RLC) Khi một lớpcao yêu cầu một mạng vô tuyến, RLC được thiết lập RLC đảm bảo các chức năngsau:

 Phân đoạn/ và lắp ráp lại các PDU ( đơn vị số liệu giao thức ) vào, ra PU(đơn vị tải tin);

 Móc nối các PDU

 Đệm cho PDU để lấp kín PU;

 Truyền tải số liệu người sử dụng ở chế độ công nhận hoặc không công nhận;

 Quản lý chất lượng dịch vụ Qos;

 Hiệu chỉnh lỗi bằng cách phát lại ở ché độ công nhận;

 Kiểm tra số trình tự ( ở chế độ không công nhận);

 Điều khiển dòng điều khiển tốc độ phát thông tin của RLC;

 Phát hiện lặp;

 Mã hóa

RLC hỗ trợ cả dịch vụ nhạn và trong suốt Với dịch vụ trong suốt, các PDUthu mắc lỗi sẽ bị loại bỏ Với dịch vụ công nhận RLC sẽ phục hồi PDU mắc lỗibằng cách yêu cầu phát lại.Một trong các giao thức nằm trên RLC là giao thức hội

tụ số liệu gói (PDCP).Nhiệm vụ chính của PDCP là cho phép các lớp lưới ( RLC,MAC và các lớp vật lý)

Được sử dụng không phụ thuộc vào kiểu cấu trúc số liệu người dùng Chẳnghạn truyền số liệu gói từ một UE có thể sử dụng IPv4 hoặc IPv6 Nhờ vậ khi đưa ramột giao thức mới ở lớp trên ta không cần thay đồi giao diện vô tuyến PDCP giốngnhư giao thức hội tụ độc lập mạng con ( SNDCP: Subnetwork Non-dependentConvergece Protocol ) ở GPRS

Điều khiển quảng bá/ đa phương (BMC): có chức năng điều khiển quảng bácác bản tin trên toàn bộ ô going như chức năng tương ứng được định nghĩa ở GMS.Các bản tin quảng bá ô cụ thể là: Thông báo về giao thông hoặc thời tiết vùng địa lýhiện thời của UE,

Các chức năng điều khiển tài nguyên vô tuyến, RRC

Có thể coi RRC là nhà quản lý chung của giao diện vô tuyến chịu nhiều tráchnhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến như: xác định tài nguyên vô tuyến nào sẽ được

ấn định cho một UE Để có thẻ phân tích các yêu cầu ừ người sử dụng và từ mạngcũng như ấn định các tài nguyên tương ứng, tất cả áo hiệu điều khiển đến và từ UEđều phải đi qua RRC Ngoài ra giữa RRC và các lớp khác cũng có giao diện điềukhiển Các bản tin RRC mang tất cả thông số cần thiết để thiết lập, thay đổi và giảiphóng các thực thể của giao diện lớp 2 và lớp 1 Cac bản tin RRC mang phần tải tincủa mình tất cả các bảo hiệu cao ( MM, CM, SM,…) và tính di động của thieeys bịngười sử dụng ở chế độ kế nối được điều khiển bởi báo hiệu RRC (đo chuyển giao,cập nhật ô,…) RRC thực hiện hoăc điều khiển các chức năng sau:

 Phát quảng bá thông tin hệ thống

 Thiết lập các kết nối báo hiệu giữa UE và mạng Khi người sử dụng và mạnmuốn liên lạc, trước hết kết nối RRC được thiết lập Kết nối RRC này sẽđược sử dụng để truyền báo hiệu giữa UE và mạng cho mục đích cấp phát vàquản ý tài ngyên vô tuyến

 Cấp phát các vật mang vô tuyến cho một UE Một UE có thể cấ phát đượcnhiều vật mang vô tuyến để truyền số liệu của người sử dụng

 Báo cáo kết quả đo RRC quyết định cần đo gì, khi nào nên đo và báo cáo kếtquả đo

 Quản lý di động Quyết định khi cần chuyển giao RRC cũng thực hiện việclựa chọn ô và vùng địn vị hay cập nhật định tuyến

 Điêu khiển chất lượng dịch vụ (QoS) Vì RRC điều khiển việc cấp phát tàinguyên vô tuyến nên nó ảnh hưởng trực tiếp đến QoS RRC ấn định tàinguyên vô tuyến tuân theo QoS cần cung cấp cho người sử dụng

1.4 Giới thiệu bài toán thiết kế mạng thông tin di động

1.4.1 Giới thiệu về quy hoạch mạng vô tuyến

Nguyên lý chung.

Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến được tiến hành trên cơ sở yêu cầu củacác thông số được thiết lập và là công việc phức tạp nhất trong việc quy hoạchmạng Công việc quy hoạch mạng vô tuyến bao gồm: định cỡ mạng, quy hoạch lưulượng và vùng phủ chi tiết và tối ưu mạng

Trong pha quy hoạch ban đầu (định cỡ mạng) cung cấp một sự đánh giá banđầu nhanh nhất về kích cỡ của mạng và dung lượng của các thành phần Định cỡ

mạng phải thực hiện được các yêu cầu của nhà khai thác về vùng phủ, dung lượng

và chất lượng dịch vụ Trong pha quy hoạch chi tiết, mật độ site đã định cỡ được xử

lý trên bản đồ số để giới hạn về mặt vật lý các thông số của mạng Ngoài ra việc tối

ưu có thể được thực hiện bằng cách điều khiển nhiễu dưới dạng anten phù hợp, cấuhình site, sự chọn lựa vị trí, hay đặt nghiêng anten Hơn nữa, các chỉ tiêu của mạng

có thể tiến đến gần hơn các mục tiêu yêu cầu bằng cách sử dụng bộ khuếch đạiMHA (mast head amplifier) hay các các loại phân tập

Khi mạng đi vào hoạt động, có thể quan sát hiệu suất của hệ thống qua việc

đo đạc các thông số và kết quả các thông số đo được sẽ sử để hiển thị và tối ưu hóamạng Quá trình quy hoạch và tối ưu hóa mạng có thể thực hiện một cách tự độngbằng cách sử dụng các công cụ thông minh và các phần tử mạng Thông thườngtrong giai đoạn triển khai mạng ta thấy không thể tối ưu hệ thống như lúc quy hoạchmạng Có rất nhiều nguyên nhân buộc phải thay đổi quy hoạch: không thể đặtNode-B đúng vị trí, nảy sinh các vấn đề về vùng phủ và chất lượng kết nối và tốiưu… Cuối cùng cần phản hồi kết quả thống kê và đo đạc được trong quá trình khaithác mạng lien quan đến điều chỉnh quy hoạch, mở rộng vùng phủ, dung lượng vànhu cầu dịch vụ trên cơ sở thực tế cho nhóm kỹ thuật chịu trách nhiệm thiết kế

Việc quy hoạch mạng thường được dựa vào mô hình CCQ Mô hình CCQ

mô tả sự cân bằng giữa 3 yếu tố: vùng phủ (coverage); dung lượng (capacity); chấtlượng dịch vụ (QoS)

 Dự báo nhu cầu dịch vụ/thuê bao:

Mục tiêu chính của dự báo thuê bao là đánh giá tổng số thuê bao trong thị trường cần phục vụ Đối với mạng UMTS có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau cho từng đối tượng khác nhau nên cần tiến hành theo từng kiểu thuê bao Dự báo cóthể chia thành các bước sau:

- Xác định mục tiêu dự báo: gồm các mục tiêu như nhu cầu dân cư, nhucầu cơ quan, vùng mục tiêu (tỉnh/thành phố hay toàn quốc), khuông khổ dự báo (5năm, 10 năm , 15 năm…)

- Xác định số liệu cần thu thập: Mật độ điện thoại, điều tra dân số, điều tra về doanh nghiệp, mức thu nhập, tốc độ tăng trưởng, quy hoạch phát triển tỉnh/thành phố

- Phân tích xu hướng của nhu cầu: xu hướng phát triển của nhu cầu đối với các dịch vụ phân tích theo các quan điểm: mật độ điện thoại, các đặc điểm riêng của vùng và so sánh với các quốc giá khác

- Phương pháp dự báo: có thể thực hiện theo một phương pháp hoặc kếthợp các phương pháp Thông thường có 02 phương pháp là: dự báo theo chuỗi thời gian và theo mô hình hóa

 Dự báo lưu lượng:

Dự báo lưu lượng là bước đầu tiên cần thực hiện trong quá trình quy hoạch mạng Dự báo lưu lượng có thể dựa trên cơ sở xu thế của các mạng di động khác đã được khai thác Dự báo lưu lượng bao gồm dự báo sử dụng lưu lượng voice và data

 Dự phòng cho tương lai:

Trong thực tế cho thấy sự phát triển nhanh của thuê bao và các dịch vụ mới khiến các nhà khai thác mạng luôn phải đối mặt với các khó khăn không nhỏ Do đo việc quy hoạch cho tương lai là rất cần thiết và rất quan trọng để tránh việc mở rộng

thường xuyên, bởi vì dự phòng cho phép cung cấp lưu lượng bổ sung trong trường hợp thuê bao tăng trưởng nóng hay sự đột biến về lưu lượng tại một thời điểm.

Quy hoạch vùng phủ vô tuyến

Nhiệm vụ chính của phấn tích vùng phủ là làm thế nào để xác định được: nơinào cần phủ sóng, kiểu phủ sóng mỗi vùng Thông thường ta cần phủ sóng trước hếtcác khu vực quan trọng: Các khu thương mại, khu công nghiệp, vùng có mật độ dân

cư cao Vè thế cần hiểu rõ mật độ dân cư, phân biệt ranh giới các vùng: thành phố, ngoại ô, nông thôn, khu thương mại, khu công nghiệp, nhà ở…

Đối với hệ thống thông tin di động 3G ngoài các tiêu chí trên, ta cần phải xét đến: các loại dịch vụ cần cung cấp ở vùng đang xét và vùng phủ sóng hiệu dụng củacell sẽ chịu ảnh hưởng của tốc độ số liệu

Sau khi đã nắm được yêu cầu vùng phủ, tiếp theo ta tiến hành quy hoạch vùng phủ thông qua xem xét các yếu tố sau: Lựa chọn mô hình truyền sóng, tính quỹ đường truyền, quy hoạch vị trí cell Trong đó quy hoạch vị trí cell là bước quan trọng trong việc quy hoạch hệ thống UMTS bởi vì nó sẽ đảm bảo mỗi trạm thu phát xây dựng sẽ đáp ứng được các tiêu chí chất lượng đề ra, tránh việc xây dựng ở các

vị trí không đảm bảo

Nhiễu từ nhiều nhà khai thác khác

Trong môi trường có nhiều mạng UMTS hoạt động với các tần số gần nhau, tín hiệu có thể gây nhiễu lẫn nhau làm ảnh hưởng đến chất lượng, vùng phủ và dunglượng mạng Nhiễu này được gọi là nhiễu kênh lân cận và để tránh nhiễu có thể sử dụng các biện pháp sau:

 Đặt anten Node-B lý tưởng

 Giảm độ nhạy máy thu

 Điều chỉnh khoảng cách giữa các sóng mang

 Chuyển giao gữa các tần số

1.4.3 Quy hoạch định cỡ mạng

Định cỡ mạng vô tuyến UMTS là một quá trình quy hoạch ban đầu nhờ đó

mà cấu hình của mạng và quy mô các thiết bị mạng được tính toán dựa vào các yêu cầu của nhà khai thác

Các yêu cầu của nhà khai thác liên quan đến các đặc điểm sau:

 Vùng phủ:

- Vùng phủ sóng

- Thông tin về loại vùng phủ sóng

- Điều kiện truyền sóng.

 Dung lượng:

- Phổ sẵn có

- Dự đoán sự tăng trưởng số thuê bao

- Thông tin mật độ lưu lượng

 Chất lượng dịch vụ (QoS):

- Xác suất vị trí các vùng (khả năng phủ sóng)

- Xác suất nghẽn

- Thông lượng người sử dụng đầu cuối

Mục tiêu của pha định cỡ mạng là tính toán mật độ site và cấu hình site yêu cầu cho các vùng phủ quan tâm Trong đó bao gồm các bước cụ thể sau:

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MÊM MÔ PHỎNG MẠNG ATOLL2.1 Giới thiệu chung về Atoll

Forsk là một công ty phần mềm độc lập chuyên về phần mềm lập kế hoạch phátthanh và tối ưu hóa cho các nhà khai thác di động và không dây

Atoll là sản phẩm chính của Forsk Năm 1997, Forsk phát hành phiên bản đầu tiêncủa Atoll Kể từ đó, Atoll đã phát triển để trở thành một nền tảng lập kế hoạch vàtối ưu hóa vô tuyến toàn diện và với hơn 8000 giấy phép cài đặt trên toàn thế giới,

đã đạt được vị trí dẫn đầu trên thị trường toàn cầu với hơn 500 khách hàng ở 140quốc gia và đối tác chiến lược với các công ty lớn trong ngành

Hình 2-1 Giới thiệu về atoll

Atoll là một phần mêm thiết kế và tối ưu hóa công nghệ mạng không dây đa phươngtiện, hỗ trợ các nhà khai thác mạng không dây từ thiết kế ban đầu cho tới việc tăngcường và tối ưu hóa

Các tính năng tích hợp và tự động hóa của Atoll giúp các nhà khai thác tự động hóaquá trình lập kế hoạch và tối ưu hóa thông qua các cơ chế dựa trên SOA và kịch bảnlinh hoạt Atoll hỗ trợ một loạt các kịch bản thực hiện, từ độc lập đến các cấu hìnhdựa trên máy chủ trên toàn doanh nghiệp

2.1.1 Một số điểm nổi bật của Atoll

Mô hình mạng đa công nghệ

Atoll là một nền tảng lập kế hoạch vô tuyến công nghệ đa phương tiện toàn diệnbao gồm các mô hình giao thông GSM / UMTS / LTE / NB-IoT (3GPP) đa truyềnthông đa phương thức và CDMA / LTE / NB-IoT (3GPP2), mô phỏng Monte Carlo

và ACP (Tự động Quy hoạch Mạng) Atoll có thể mô hình các khía cạnh liên quanđến giao thông của các mạng đa công nghệ và tự động phân phối lưu lượng giữa cáclớp đa công nghệ bao gồm Wi-Fi và các tế bào nhỏ

Dự báo và Đo lường dựa trên Kế hoạch và Tối ưu hóa

Atoll cung cấp khả năng độc đáo của việc sử dụng cả dự đoán và dữ liệu mạng trựctiếp trong quá trình lập kế hoạch và tối ưu hóa mạng Dữ liệu mạng thực tế thêmthông tin trong thế giới thực và cho phép mô hình hoá tiến trình phát triển tốt hơn,xác định các điểm nóng, và điều chỉnh dữ liệu truyền Dữ liệu mạng thực tế cũng cóthể được sử dụng để thúc đẩy quy trình lập kế hoạch (chọn các tế bào nhỏ) và điềukhiển các thuật toán tối ưu hóa của AFP và ACP

Atoll tích hợp một số các công cụ như AFP (tự động cấp phát tần số) và ACP (tựđộng căn chỉnh các thông số của cell), ASP (tự động thiết lập vị trí trạm mới) chophép các nhà mạng thực hiện thiết kế, tối ưu một cách đơn giản dễ dàng chỉ với việc

sử dụng Atoll và cơ sở dữ liệu và cơ sở hạ tầng IT

Đặc tính bản đồ số tiên tiến.

Atoll kết hợp một hệ thống thông tin địa lý được xây dựng hiệu năng cao (GIS)được thiết kế dành riêng cho việc lập kế hoạch và tối ưu hóa mạng vô tuyến điện.Công cụ GIS 64-bit của Atoll cho phép làm việc với các dữ liệu địa lý có độ phângiải cao và quy mô lớn trong khi mang lại hiệu suất cao trong thao tác và hiển thị dữliệu

Atoll hỗ trợ hiển thị dữ liệu bản đồ số với nhiều định dạng, nhiều độ phân giải khácnhau Tập dữ liệu bản đồ khu vực thành thị với độ phân giải cao và khu vực nôngthôn với độ phân giải thấp hơn đều được hỗ trợ và hiển thị tương tác nhau thànhnhiều lớp với các tham số và vùng phủ tương ứng Atoll cũng cho phép chỉnh sửa

và tích hợp dữ liệu bản đồ dạng raster/vector của các công cụ bản đồ hàng đầu nhưMap Info và Arc View

Tối giảm chiếm dụng phần cứng.