1
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Xuân Bách

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠNG LÕI 3G Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI -2012 1 Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bạch Nhật Hồng Phản biện 1: …………………………………………………

UMTS. phục vụ cho quá trình vận hành khai thác cũng như phát triển nâng cấp hệ
thống mạng lõi 3G đảm bảo phục vụ kịp thời nhu cầu đang tăng nhanh của người sử
dụng.
2
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động và giới thiệu hệ thống thông tin
IMT-2000
1.1.1 Lịch sử phát triển
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba, 3G ra đời với mục tiêu là thực hiện một
hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới. Khác với các dịch vụ được
cung cấp bởi những hệ thống thông tin di động hiện nay chủ yếu là thoại (công nghệ
tương tự là đặc trưng hệ thống thế hệ thứ nhất, công nghệ số là đặc trưng của hệ
thống thế hệ thứ 2), hệ thống 3G nhằm vào các dịch vụ băng rộng như truy nhập
Internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lượng cao tương đương mạng hữu tuyến
1.1.2 Hệ thống thông tin di động 3G theo IMT-2000
1.2 Nâng cấp từ CDMA IS-95 (cdmaOne) lên 3G
1.3 Hướng phát triển theo nhánh WCDMA từ GSM
Các mạng WCDMA mới được xây dựng trên sự thành công của GSM và tận dụng
cơ sở hạ tầng sẵn có của những nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển về
dịch vụ và mạng là từ mạng GSM hiện nay, qua giai đoạn phát triển GPRS và cuối
cùng tiến lên mạng WCDMA.
1.3.1 GPRS
GPRS là hệ thống 2.5G được nâng cấp từ GSM chủ yếu về mạng lõi theo nguyên
tắc chuyển mạch gói. GPRS tăng cường các dịch vụ số liệu của GSM một cách đáng
kể bằng cách cung cấp các kết nối dữ liệu chuyển mạch gói đầu cuối đến đầu cuối,
cho tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 171,.2 kbps và hỗ trợ các giao thức Internet

IMS và hoàn thiện một số tính năng (về tính cước, chất lượng dịch vụ…) của phiên
bản Release 5.
Đặc trưng cơ bản đối với phiên bản Release 7 của 3GPP là chuẩn hóa tính năng
hỗ trợ truy nhập với mạng băng rộng cố định.
4
1.4.1 HSDPA
1.4.2 HSUPA
1.4.3 HSPA+
Tổng kết chương:
Chương này đã trình bày quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, cho
ta cái nhìn khái quát về các giai đoạn phát triển của hệ thống thông tin đi động và xu
hướng phát triển trong giai đoạn tới, trong đó tập trung trình bày sự phát triển từ
mạng 2G lên mạng 3G.
GGSN là một cổng kết nối giữa mạng UMTS PS/GPRS và các mạng dữ liệu bên
ngoài (ví dụ: Internet). Nó thực hiện các chức năng như định tuyến và đóng gói dữ
liệu giữa MS và mạng dữ liệu ngoài, điều khiển an ninh, điều khiển truy nhập và
quản lý mạng. Đối với phía UMTS PS/GPRS một MS sẽ lựa chọn một GGSN như
một thiết bị định tuyến giữa nó với mạng ngoài trong 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 với phía mạng dữ liệu gói bên ngoài
GGSN là một bộ định tuyến mà có thể xác định được địa chỉ IP của tất cả MS trong
mạng UMTS PS/GPRS. GGSN cung cấp giao diện 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 là một 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 đã được 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 của
các 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 D để kết nối với VLR trong MSC server,
giao diện C để kết nối với MSC server hoặc MSC trong mạng lõi GSM, giao diện Gr
với SGSN, giao diện Gc với GGSN. Loại báo hiệu 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 chức
năng làm nhiệm vụ thiết lập dịch vụ cuộc gọi, quản lý di động, chuyển giao và các
7
dịch vụ bổ xung khác. Theo nguyên lý tách riêng chức năng điều khiển khỏi kênh
mang trong mạng lõi UMTS, nó thực sự là một bộ điều khiển cho MGW để thiết lập
các hướng cuộc gọi giữa các MS thông qua giao diện Mc. MSC server về mặt vật lý
cũng tích hợp một VLR để lưu giữ dữ liệu của thuê bao. MSC server cung cấp một
giao diện tùy chọn Gs với SGSN.

Gn, Gi, Gs và Gr do chúng đã hình thành trong mạng GPRS nên chúng sẽ được trình
bày dựa trên một quy tắc chung: lưu lượng tổng (Erlang hoặc kích cỡ bản tin), tỉ lệ
lưu lượng theo thời gian để tính toán sự phân phối lưu lượng cho mỗi thực thể mạng
và mỗi liên kết mạng.
3.1 Giao diện Iu-PS
Giao diện Iu-PS là giao diện giữa bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và node hỗ
trợ GPRS phục vụ (SGSN) và giao diện Iu-CS giữa RNC và MGW tạo thành giao
diện Iu.
3.1.1 Kích thước mào đầu của GTP-U
Mào đầu của giao thức GTP-U có độ dài thay đổi, nhỏ nhất là 8 tytes. Như trong
Bảng 8 ta có Octet 1 gồm 3 cờ là cờ PN, cờ S và cờ E. Độ dài tối đa của mào đầu của
giao thức GTP-U là 12 Octet, nó sẽ được áp dụng trong quá trình tính toán của chúng
ta sau này.
3.1.2 Kích thước mào đầu của giao diện Iu-UP trong công thức thông lượng ở mặt
phẳng người dùng:
Chúng ta sẽ đề cập chính tới chế độ Support mode trong quá trình tính toán do
chế độ này phức tạp hơn chế độ transparent mode. Có một số kiểu đơn vị dữ liệu gói
PDU được định nghĩa cho giao thức Iu-UP là loại 0, loại 1 và loại 14 là các kiểu điển
hình của định dạng PDU.
9
Ngoại trừ PDU loại 1 có phần FCSP chiếm 1 octet, do vậy kích thước mào đầu
loại 1 là 3 octets, còn lại hầu hết các loại khác có kích thước mào đầu là 4 octets. Do
đó chúng ta sẽ sử dụng mào đầu có kích thước 4 octets cho những phân tích, tính toán
sau này.
3.1.3 Tính toán thông lượng của mặt phẳng người dùng trên giao diện Iu-PS
Các gói dữ liệu gửi qua giao diện Iu-PS sử dụng giao thức ATM. Do đó để tính
toán thông lượng trên giao diện Iu-PS đầu tiên ta phải tính xem cần bao nhiêu tế bào
ATM để truyền tải gói tin. Kích thước gói tổng bao gồm trung bình cộng của gói tin,
mào đầu của Iu-UP, mào đầu của GTP-U, mào đầu của UDP, mào đầu của giao thức
IP và AAL5. Kích thước thực sự của tế bào ATM để tải các gói tin đã được đóng gói

H
AAL5
: giá trị mào đầu của gói AAL5
H
ATM
: giá trị mào đầu của tế bào ATM.
Khi tính toán cho mạng chuyển mạch gói, các nhà vận hành mạng sẽ ước tính một
số các tham số lưu lượng quan trọng liên quan đến mô hình lưu lượng, như là kích
thước trung bình của gói tin, số lượng thuê bao ước tính, tỉ lệ người dùng truy cập
trong giờ bận, thông lượng trung bình trên một người dùng trong giờ bận và tham số
dự phòng. Với những điều kiện được cung cấp bởi mô hình lưu lượng này, giá trị
thông lượng thuần túy mà trong đó không có bất kỳ mào đầu nào được tính bởi công
thức:
PureThroughput = N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
* Th
User/S
* 8 (3.2)
Trong đó:
10
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
Th
User/S
: thông lượng trung bình của mỗi người dùng trên giây (bps)

N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
Th
User/S
: thông lượng trung bình của mỗi người dùng trên giây (bps)
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
R
Active/Actach
: tỉ lệ người dùng tham gia mạng và kích hoạt PDP trong giờ bận
Š
packet
là giá trị kích thước gói trung bình có được từ mô hình lưu lượng do nhà vận
hành mạng cung cấp.
N
ATMCell
: Số tế bào ATM nhận được từ công thức (3.1)
R
Down
: Tỉ lệ thông lượng đường xuống so với thông lượng dữ liệu lên và xuống
( N
ATMCell
x 53/ Š
packet
) : tỉ số kích thước tế bào ATM trên kích thước gói thuần túy.
Nó giải thích tác động của mào đầu trên giao diện Iu-PS.

R


* Liupsi) * 8 / 3600 (3.4)
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
Bảng 3.6 chú thích các tham số trong công thức 3.4

N
IuPSi

L
IuPSi

1 Authentication times per busy hour Length of messages per authentication
2 Attachment times in busy hour Length of messages per attachment in
Iu-PS
3 Detachment times in busy hour Length of messages per detachment in
Iu-PS
4 Inter SGSN route update times in
busy hour
Length of messages per inter SGSN
route update
5 Intra SGSN route update times in
busy hour
Length of messages per intra SGSN
route update
6 Intra SGSN SRNC times inbusy

TH
IuPS
= TH
UPIuPS
+ TH
CPIuPS
(3.5)
3.2 Giao diện G
n
/G
p
:
Giao diện G
n
/G
p
nằm giữa SGSN và GGSN. Cụ thể, giao diện G
n
nằm giữa các
node GSN trong cùng mạng di động mặt đất công cộng (PLMN), còn giao diện G
p

nằm giữa các node GSN trên các PLMN khác nhau. Cả hai giao diện này sử dụng
cùng một chồng giao thức, trong đó giao thức đường hầm GPRS (GTP) được sử dụng
để truyền các gói dữ liệu đã được đóng gói thông qua đường hầm GPRS giữa SGSN
và GGSN. Bảng 12 chỉ ra chồng giao thức từ lớp cao nhất cho đến lớp cuối cùng
GTP/UDP/IP/LLC/MAC.

3.2.1 Công thức tính toán thông lượng gói GTP-U trên giao diện G
n

/G
p
là:
Th
UGn/Gp
= N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
*(R
Down
* Th
User/S
) * RO
Gn/Gp
* 8 (3.7)
Trong đó:
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
Th
User/S
: thông lượng trung bình của mỗi người dùng trên giây (bps)
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
R
Active/Actach

n
/G
p
. Để tính toán phần đóng góp của các gói
tin GTP-C vào thông lượng trên giao diện này, chúng ta xác định các bản GTP-C tin
chính đi qua giao diện Gn/Gp. Các bản tin đó bao gồm bản tin kích hoạt PDP context,
chỉnh sửa PDP context, và hủy kích hoạt PDP context. Trong bài này hai quá trình
kích hoạt và hủy kích hoạt PDP context được coi như đóng góp hầu hết thông lượng
của GTP-C trên giao diện Gn/Gp. Vì vậy ta tính thông lượng của gói GTP-C trên
giao diện Gn/Gp theo công thức:
Th
CGn/Gp
= N
s
x R
Atach
x
∑
(


* Lgni) * 8 / 3600 (3.8)
Trong đó:
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
Các tham số khác được chỉ ra dưới bảng sau:

Dựa vào 4 bản tin chính chúng ta có thể tính toán thông lượng cho giao diện Gr.
Trong bảng 14 dưới đây liệt kê những tham số cần thiết mà có thể ước tính bởi nhà
vận hành khai thác di động dựa vào quá trình vận hành trong quá khứ. Tổng thông
lượng của 4 bản tin này tạo nên lưu lượng tổng trên giao diện Gr. Nếu các bản tin
khác cần xem xét đến thì ta sẽ thêm vào công thức (3.10) dưới đây một tham số dự
phòng (Số dư).
Thông lượng trên giao diện Gr tính bởi công thức:
Th
Gr
= N
s
* R
Atach
*
∑
(


* Rgri * Lgri) * 8 / 3600 (3.10)
Trong đó:
N
s
: Số thuê bao đăng ký dịch vụ chuyển mạch gói 3G
R
Actach
: tỉ số người dùng tham gia mạng trong giờ bận
3.4 Giao diện Gs
Giao diện Gs là giao diện có tính tùy chọn giữa MSC và SGSN. Mặc dù nó không
bắt buộc, một số dịch vụ chung giữa miền PS và CS có thể được thực hiện thông qua
15

túy tại giao diện Gi. Lưu lượng được truyền tải qua giao diện Gi thực sự bao gồm
data payload (như IP datagram), tùy chọn của đóng gói VPN, và mào đầu (như mào
đầu Ethernet). Giả sử hầu hết các thuê bao không được đóng gói VPN, tỉ lệ mào đầu
trên giao diện Gi là:
RO
Gi
= ( Š
packet
+ H
datagram
) / Š
packet
(3.12)
Trong đó
Š
packet
: Kích thước gói trung bình mà có thể thu được từ mô hình lưu lượng cung
cấp bởi nhà vận hành mạng.
H
datagram
: mào đầu của media trên giao diện Gi. Ví dụ như mào đầu của gói IP được
mang bởi packet over SDH (PoS) là 10 Octets. Mào đầu của gói IP được mang bởi
chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) và PoS là 14 Octets.
Do đó thông lượng trên giao diện Gi cho bởi công thức:
Th
Gi
= N
s
* R
Atach
17
CHƯƠNG IV - BÀI TOÁN CỤ THỂ
Từ cơ sở lý thuyết và các phương thức tính toán đã trình bày ở các chương trước
ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể. Tính toán dung lượng và khả năng phục vụ của
mạng dựa trên sơ đồ phủ sóng 3G UMTS Hình 4.1. Giả sử thiết kế cung cấp 1 SGSN
và 1 GGSN để phục vụ 100000 thuê bao 3G UMTS trong vùng trung tâm Hà Nội.

Hình 4.1 Sơ đồ phủ sóng mạng 3G UMTS Hình 4.2 Mô hình rút gọn mạng chuyển mạch gói

Bảng 4.1 - Mô hình lưu lượng cho miền chuyển mạch gói
18
Các tham số lưu
lượng
Giá trị Miêu tả
Kích cỡ mạng 100.000 Số thuê bao đăng ký UMTS/PS
Th
User/bps

600 Thông lượng trung bình của 1 người dùng

giờ bận
N
Route-IntraSGSN

4 Thời gian cập nhật vùng định tuyến trong
cùng SGSN của một user trong giờ bận
N
Route-InterSGSN

0.1 Thời gian cập nhật vùng định tuyến khác
SGSN của một user trong giờ bận
N
Route-periodic

0.3 Thời gian cập nhật vùng định tuyến định kỳ
N
Route
4.4 N
Route
= N
Route-IntraSGSN
+N
Route-InterSGSN
+
N
Route-periodic

R
Joint Route



20% Tỉ lệ nhận thực cần thiết để nhận được các
tham số từ HLR
N
SMS-MO

0.1 Thời gian nhắn tin của một user trong giờ
bận (gọi đi)
N
SMS-MT
0.5 Thời gian nhắn tin của một user trong giờ
bận (gọi đến)
N
SMS
0.6 N
SMS
= N
SMS-MO
+ N
SMS-MT

R
Down-up

3 Tỉ số dữ liệu đường xuống so với đường lên
L
dMAP

0.2 Tải kiên kết của bản tin MAP


L
SRNC
at Iu-PS 1152 Độ dài bản tin mỗi lần chuyển vùng dịch
20
vụ RNC tại giao diện Iu-PS
L
Authen
at Iu-PS 192 Độ dài bản tin mỗi lần nhận thực tại giao
diện Iu-PS
L
SMS
at Iu-PS 1022 Độ dài bản tin mỗi lần gửi tin nhắn tại
giao diện Iu-PS
L
PDP-Active
at Gn 300 Độ dài bản tin mỗi kích hoạt PDP tại giao
diện Gn
L
PDP-Deactive
at Gn 50 Độ dài bản tin mỗi hủy kích hoạt PDP tại
giao diện Gn
L
Attach
at Gr 294 Độ dài bản tin nhập mạng tại giao diện Gr
L
Route
at Gr 71 Độ dài bản tin mỗi lần cập nhật vùng định
tuyến tại giao diện Gr
L
Authen

= N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
* (R
Down
* Th
User/S
) * (N
ATMCell
* 53/ Š
packet
) *
*8/F
Redundancy
= 100000*75%*25%*(600*3/4)*(10*53/400)*8/0.7 = 127.77 Mbps
Thông lượng ở mặt phẳng điều khiển trên giao diện Iu-PS:
Th
CPIuPS
= N
s
* R
Atach
*
∑
(



= N
s
* R
Atach
* R
Active/Actach
*(R
Down
* Th
User/S
) * RO
Gn/Gp
* 8
= 100000*75%*25%*(600*3/4)*1.1*8 = 74.25Mbps
- Thông lượng của gói GTP-C trên giao diện Gn/Gp là:
Th
CGn/Gp
= N
s
x R
Atach
x
∑
(


* Lgni) * 8 / 3600
= 100000*75%*525*8/360 = 87500bps = 0.0875Mbps
Tổng thông lượng trên giao diện Gn/Gp là:
Th

Th
Gs
= N
s
* R
Atach
*
∑
(


* Rgsi * Lgsi) * 8 / 3600
= 100000*75%*61*8/3600 = 10166.67 bps
Do giao diện Gs dùng cho SGSN kết nối với 2G MSC bằng đường truyền E1
hoặc T1 sẽ được xác định như sau:
N
E1
= TH
Gs
/[(56*1024)*Ld
MAP
] = 10166.67/[(56*1024)*0.2] ≈ 2
Từ công thức (3.12), (3.13) ta tính được thông lượng của giao diện Gi. Trong
trường hợp này giả thiết gói tin IP được mạng bởi giao thức MPLS và POS, vì vậy
mào đầu trong chế độ kênh mang này là 14 Octets:
RO
Gi
= ( Š
packet
+ H

tính toán được thông lượng trên các giao diện kết nối giứa các phần tử mạng trong
miền chuyển mạch gói 3G UMTS. Từ cơ sở lý thuyết và các phương thức tính toán
đã trình bày ta sẽ tính toán một bài toán cụ thể trong chương 4, với mô hình mạng cụ
thể và các tham số mạng được cung cấp bởi nhà vận hành mạng Mobifone. Việc tính
toán này giúp các nhà vận hành khai thác độc lập trong quá trình triển khai đầu tư
thiết kế vận hành mạng để tối ưu chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành
(OPEX). Mô hình và các thuật toán cũng giúp nhà khai thác ước tính tổng dung
lượng cần thiết độc lập với nhà cung cấp thiết bị.
Hiện nay mạng viễn thông đang chuyển dần từ 3G UMTS lên 4G LTE (Long
Term Evolution). Mạng chuyển mạch gói sẽ hình thành hệ thống đa phương tiện IP
(IMS) từ pha R5 và hệ thống SAE (System Architecture Evolution) trong LTE. Sự
hội tụ giữa IMS với SAE yêu cầu sự tiếp cận tối ưu và có hệ thống. Chúng ta sẽ tiếp
tục nghiên cứu, định cỡ và quy hoạch cho mạng này trong những nghiên cứu tiếp
theo.
Do luận văn được viết trong khoảng thời gian ngắn nên không tránh khỏi những
thiếu xót. Rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các anh, chị để luận văn được
hoàn chỉnh hơn.