Tìm hiểu tổng quan và qui hoạch mạng w cdma

Với số lượng thuê bao phát triển lớn mạnh như vậytrong thời gian qua cùng với việc cạnh tranh khốc liệt giữa các nhà khai thác dịch vụthông tin di động thì hạ tầng mạng thông tin di động

GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 1

Hệ thống di động thế hệ 1 chủ yếu hỗ trợ dịch vụ thoại sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự và phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Trong hệ thống này, băng thông được chia thành các kênh có độ rộng W, với khoảng bảo vệ giữa các kênh nhằm tránh chồng phổ do bất ổn tần số sóng mang Khi người dùng gửi yêu cầu đến trạm phát sóng (BS), hệ thống sẽ ấn định một kênh chưa sử dụng và dành riêng cho họ trong suốt cuộc gọi, và kênh này sẽ được phân bổ lại cho người khác sau khi cuộc gọi kết thúc Hình 1.1 minh họa quá trình phân phối kênh FDMA với 5 người dùng, thể hiện việc phân chia phổ và cách các kênh được ấn định khi có nhiều người dùng duy trì cuộc gọi.

- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.

- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (Advanced Mobile phone System - AMPS).

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản nhưng không đáp ứng được nhu cầu tăng cao về dung lượng và tốc độ của người dùng Chính vì các hạn chế này, hệ thống di động thế hệ 2 được phát triển, mang lại nâng cao về dung lượng và cung cấp nhiều dịch vụ mới, vượt trội hơn so với thế hệ 1.

GVHD: TS NGUYỄN NAM QUÂN 1 SVTH: LƯỜNG VĂN

Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2

Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 ra đời nhằm đáp ứng kịp thời sự tăng nhanh của thuê bao di động Công nghệ số đã trở thành nền tảng chính cho hệ thống này, giúp xử lý số lượng lớn thuê bao một cách hiệu quả Nhờ đó, mạng di động trở nên linh hoạt hơn, cung cấp dịch vụ ổn định và chất lượng cao đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng đa dạng của người dùng.

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

- Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA).

- Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA).

Băng tần hệ thống Khoảng bảo vệ

Thời gian Người dùng 1,4 Người dùng 2,5 Người dùng 3

Hình 1.1 Khái niệm về hệ thống FDMA:

(a) Phổ tần của hệ thống FDMA; (b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng; (c) Phân bố kênh

1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần này dùng chung cho N kênh liên lạc trong hệ thống TDMA Mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ của một khung, cho phép các thuê bao sử dụng chung kênh thông qua kỹ thuật xen thời gian Mỗi thuê bao được cấp phát riêng một khe thời gian trong cấu trúc khung, đảm bảo hoạt động liên lạc ổn định và hiệu quả Hình 1.2 minh họa quá trình truy cập của một hệ thống TDMA 3 kênh với 5 người dùng, phản ánh cách chia sẻ kênh qua khe thời gian một cách rõ ràng Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần, nâng cao dung lượng mạng di động.

- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.

Liên lạc song công mỗi hướng sử dụng các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một băng tần dành để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động và một băng tần khác để truyền tuyến hiệu từ máy di động về trạm gốc Việc phân chia tần số như vậy giúp các máy thu phát hoạt động cùng lúc mà không gây nhiễu lẫn nhau, nâng cao hiệu quả liên lạc trong hệ thống viễn thông.

- Giảm số máy thu phát ở BTS.

Hình 1.2 Khái niệm về hệ thống TDMA:

(a) Phổ tần của hệ thống TDMA; (b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng; (c) Phân bố kênh (khe), với giả thiết dùng TDMA 3 kênh

Băng tần hệ thống Phổ

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile - GSM).

Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn so với công nghệ FDMA Hệ thống xử lý số trong điện thoại di động tương tự của MS có khả năng xử lý không quá 10^6 lệnh mỗi giây, trong khi đó, hệ thống TDMA yêu cầu khả năng xử lý hơn 50 triệu lệnh trên giây Điều này cho thấy công nghệ TDMA đòi hỏi khả năng xử lý tín hiệu cao hơn nhiều để đảm bảo hiệu suất truyền dữ liệu và chất lượng cuộc gọi.

1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho phép nhiều người dùng cùng chia sẻ một kênh vô tuyến, giúp tiến hành cuộc gọi đồng thời mà không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi người dùng được phân biệt nhờ vào mã đặc trưng riêng biệt, không trùng lặp, đảm bảo sự riêng tư và ổn định của cuộc gọi Kênh vô tuyến CDMA có thể tái sử dụng trong các ô (cell) khác nhau trên toàn mạng lưới, nhờ vào mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN) giúp phân biệt rõ ràng các kênh truyền tải Đặc điểm nổi bật của công nghệ này là khả năng kết nối nhiều người dùng cùng lúc trong cùng một tần số mà không gây nhiễu lẫn nhau, nâng cao hiệu suất của hệ thống truyền thông di động.

- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.

- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.

- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường hiệu quả hơn FDMA, TDMA.

Việc các thuê bao MS trong ô dùng chung tần số giúp thiết bị truyền dẫn vô tuyến trở nên đơn giản và linh hoạt hơn Thay đổi kế hoạch tần số không còn gặp khó khăn, chuyển giao trở nên mềm mại hơn, từ đó nâng cao khả năng điều khiển dung lượng ô một cách linh hoạt và hiệu quả.

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA hoặc công nghệ CDMA, trong đó có thể chồng lấn phổ tần của thế hệ 2 nếu không dùng tần số mới như GPRS, EDGE, và CDMA2000-1x Các hệ thống thế hệ thứ 3 đang hướng tới việc tích hợp thành một tiêu chuẩn duy nhất với khả năng phục vụ tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống băng hẹp hiện nay, các hệ thống di động thế hệ 3 gọi là hệ thống di động băng rộng, phản ánh sự tiến bộ về tốc độ và khả năng truyền dữ liệu cao hơn.

Băng tần hệ thống Phổ

Hình 1.3 Khái niệm về hệ thống CDMA:

(a) phổ tần; (b) mô hình khởi đầu và duy trì cuộc gọi với 5 người dùng;

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống chính là W-CDMA và CDMA2000 đã chính thức được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động từ đầu những năm 2000 Cả hai hệ thống này đều dựa trên công nghệ công nghệ CDMA, giúp thúc đẩy tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.

- W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136.

- CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95.

Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3:

Thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G), dựa trên tiêu chuẩn IMT-2000, chính thức được triển khai từ năm 2001 nhằm nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu và mang đến trải nghiệm mới cho người dùng Mục tiêu của IMT-2000 là mở ra nhiều công nghệ mới, đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của mạng di động thế hệ 2 (2G) Việc ra đời của 3G giúp tăng tốc độ kết nối, cải thiện chất lượng dịch vụ và mở ra các ứng dụng tiên tiến như internet di động, video call và truyền dữ liệu lớn.

- Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

+ 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.

Hình 1.4 Lộ trình phát triển từ 2G đến 3G

+ 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.

- Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):

+ Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

+ Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

+ Sử dụng 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 (VHE: 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 chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.

+ Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4

Hệ thống di động chuyển từ thế hệ 3 sang 4 qua giai đoạn trung gian 3,5, còn gọi là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA, giúp nâng cao trải nghiệm người dùng Công nghệ 4G là chuẩn truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên tới 1-1.5 Gb/giây trong điều kiện lý tưởng Theo nghiên cứu của NTT DoCoMo, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mb/giây khi di chuyển và đến 1 Gb/giây khi đứng yên, giúp tải và truyền hình ảnh động chất lượng cao dễ dàng hơn Chuẩn 4G hỗ trợ truyền các ứng dụng truyền thông phổ biến, góp phần phát triển các ứng dụng mạng không dây nội bộ (WLAN) cùng các dịch vụ đa dạng, phục vụ nhu cầu kết nối ngày càng cao của người dùng.

Thế hệ 4 sử dụng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM), cho phép phát đồng thời nhiều tín hiệu trên các tần số khác nhau Kỹ thuật này tối ưu hóa việc sử dụng băng thông, giảm nhiễu và tăng tốc độ truyền dữ liệu OFDM là công nghệ chủ chốt trong các mạng wireless thế hệ mới, mang lại khả năng truyền tải hiệu quả và ổn định hơn.

Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập, từ vài chục đến vài nghìn tần số, giúp tối ưu hóa băng thông và hiệu suất truyền tải Công nghệ 4G sử dụng phần mềm SDR (Software-Defined Radio) để xác nhận các thiết bị thu vô tuyến, cho phép tận dụng đa kênh đồng thời nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông Hệ thống tổng đài chuyển mạch mạng của 4G chỉ sử dụng chuyển mạch gói, giúp giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền và nhận dữ liệu, mang lại trải nghiệm mạng nhanh hơn và ổn định hơn.

Chương 1 đã trình bày một cách khái quát về những nét đặc trưng cũng như sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2, 3 và 4, đồng thời đã sơ lược những yêu cầu của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.

Thế hệ thứ nhất của hệ thống di động sử dụng công nghệ truy cập phân chia theo tần số (FDMA), cung cấp nền tảng cho các dịch vụ di động đầu tiên Tiếp đến là thế hệ thứ hai, ứng dụng công nghệ số với kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA), nâng cao hiệu suất và chất lượng dịch vụ Hiện nay, thế hệ thứ ba đang trong giai đoạn chuẩn bị hoạt động, hứa hẹn mang lại các trải nghiệm di động tiên tiến hơn với tốc độ dữ liệu nhanh và khả năng kết nối rộng rãi hơn.

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA

Giới thiệu công nghệ W-CDMA

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.

W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.

- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang.

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.

- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.

Nhược điểm chính của hệ thống W-CDMA là không được cấp phép trong băng tần TDD phát liên tục, dẫn đến hạn chế trong việc tối ưu hóa hiệu suất mạng Thêm vào đó, W-CDMA không tạo điều kiện thuận lợi cho các kỹ thuật chống nhiễu phù hợp với các môi trường làm việc đa dạng, gây ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ trong các hoạt động liên lạc khác nhau.

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có khả năng cung cấp dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s, đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu nhanh và ổn định Công nghệ này hỗ trợ nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, cùng với thông tin điểm đến điểm và đa điểm, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng Nhờ đó, hệ thống W-CDMA dễ dàng triển khai các dịch vụ mới như điện thoại xem hình, tải dữ liệu nhanh chóng, và các dịch vụ đa phương tiện phong phú Công nghệ 3G của W-CDMA mở ra kỷ nguyên mới cho truyền thông di động, nâng cao trải nghiệm người dùng.

Các nhà khai thác viễn thông có thể cung cấp đa dạng dịch vụ cho khách hàng, bao gồm các dịch vụ điện thoại phong phú cùng nhiều dịch vụ bổ sung hữu ích Bên cạnh đó, họ còn cung cấp các dịch vụ không liên quan đến cuộc gọi, như thư điện tử và dịch vụ FPT, nhằm đáp ứng mọi nhu cầu của khách hàng.

Các công trình nghiên cứu của các nước châu Âu về W-CDMA bắt đầu từ đề án CODIT (Code Division Multiplex Testbed) và FRAMES (Future Radio Multiplex Access Scheme) từ đầu thập niên 90, nhằm thử nghiệm và đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn W-CDMA là bước tiến quan trọng hướng tới hệ thống 3G của GSM, nhưng trên hành trình đó, các nhà khai thác dịch vụ di động đã trải qua giai đoạn 2,5G, bao gồm các công nghệ như dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS và công nghệ Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE).

KBit/s Đối xứng Không đối xứng Đa phương Điểm đến điểm Đa điểm Đa phương tiện di động Quảng bá

(Chất lượng thấp) Đàm thoại hội nghị Điện thoại

Thư điện tử FTP Điện thoại IP vv…

Truy nhập cơ sở dữ liệu

Mua hàng theo Catalog Video

Các dịch vụ phân phối thông tin

Hình 2.1 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba

Cấu trúc mạng W-CDMA

Hệ thống W-CDMA được xây dựng dựa trên nền tảng của mạng GPRS, chia thành hai phần chính là mạng lõi (CN) và mạng truy cập vô tuyến (UTRAN) Mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS, trong khi UTRAN là phần nâng cấp của công nghệ W-CDMA nhằm tối ưu hóa kết nối vô tuyến Để hoàn thiện hệ thống, W-CDMA còn tích hợp thiết bị người dùng (UE), giúp giao tiếp giữa người dùng và hệ thống diễn ra thuận tiện Theo tiêu chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều sử dụng các giao thức mới dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, còn mạng lõi vẫn được định nghĩa hoàn toàn dựa trên nền tảng GSM Nhờ đó, hệ thống W-CDMA có khả năng phát triển toàn cầu dựa trên nền tảng công nghệ GSM hiện có.

Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống.

- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.

Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, đảm bảo tính chính xác và an toàn trong quá trình kết nối mạng USIM thực hiện các thuật toán xác thực phức tạp để bảo vệ dữ liệu người dùng, đồng thời lưu giữ các khóa bảo mật quan trọng giúp duy trì sự an toàn của hệ thống Việc sử dụng USIM giúp nâng cao hiệu quả xác thực thuê bao trên mạng UMTS, góp phần tăng cường bảo mật và ổn định dịch vụ.

Hình 2.2 Cấu trúc của UMTS nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.

 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử :

- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC quản lý và kiểm soát các tài nguyên vô tuyến trong vùng, đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất mạng RNC còn đóng vai trò là điểm truy cập chính cung cấp tất cả các dịch vụ của UTRAN cho mạng lõi CN, góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng.

HLR (Home Location Register) là hệ thống lưu trữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng, bao gồm các dữ liệu như các dịch vụ được phép, vùng không được chuyển mạng, và các dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi và số lần chuyển hướng cuộc gọi.

MSC/VLR (Tổng đài di động / Cơ sở dữ liệu vị trí người dùng) là hệ thống cung cấp dịch vụ chuyển mạch kênh cho thiết bị người dùng (UE) tại vị trí hiện tại của nó MSC có chức năng thực hiện các giao dịch chuyển mạch kênh để kết nối cuộc gọi, trong khi VLR lưu giữ thông tin lý lịch người dùng cũng như vị trí chính xác của UE trong mạng đang phục vụ, đảm bảo hoạt động liên tục và chính xác của dịch vụ di động.

- GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.

- SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).

- GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.

- Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.

- Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.

 Các giao diện vô tuyến

- Giao diện CU : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.

Giao diện UU là giao diện chính mà UE sử dụng để truy cập các phần tử cố định trong hệ thống, đóng vai trò quan trọng nhất trong tổng thể mạng UMTS Đây là giao diện mở, giúp đảm bảo kết nối hiệu quả giữa thiết bị người dùng và các thành phần cố định của mạng di động Xu hướng phát triển công nghệ mạng 4G và 5G đã làm nổi bật tầm quan trọng của giao diện UU trong việc tối ưu hóa hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống UMTS.

Giao diện IU là kết nối giữa UTRAN và core network (CN), cho phép các nhà khai thác dễ dàng tích hợp và vận hành các thành phần từ nhiều nhà cung cấp khác nhau This interface đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng cho hệ thống viễn thông, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và nâng cao trải nghiệm người dùng.

- Giao diện IUr : Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện IUb : Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC IUb được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn.

2.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

UTRAN là hệ thống mạng vô tuyến phức hợp bao gồm nhiều hệ thống mạng con RNS (Radio Network Subsystem) để tối ưu hóa hiệu suất mạng Mỗi RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các node B, giúp quản lý và kiểm soát các thiết bị truy cập vô tuyến RNC kết nối với nhau qua giao diện Iur, đảm bảo liên lạc và điều phối tuyến giữa các RNS, trong khi kết nối với node B qua giao diện Iub giúp truyền dữ liệu từ hệ thống vô tuyến đến mạng lõi, nâng cao chất lượng dịch vụ và khả năng mở rộng của mạng UTRAN.

Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN cũng như các giao thức UTRAN có các đặc tính chính sau :

- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.

Để đảm bảo tính nhất quán trong xử lý số liệu chuyển kênh và chuyển gói, cần sử dụng một giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi Việc chọn một giao thức thống nhất giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng, giảm thiểu sự phức tạp và nâng cao khả năng tương thích giữa các thành phần mạng Đây là giải pháp quan trọng để đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và hiệu quả trong hệ thống mạng di động lớn.

- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.

- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.

2.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN

RNC (Radio Network Controller) là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của mạng UTRAN RNC kết nối với các bộ phận của core mạng (thường là MSC và SGSN) qua các giao diện, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và phân phối nguồn lực vô tuyến để đảm bảo chất lượng dịch vụ ổn định và hiệu quả.

Hình 2.3 mô tả cấu trúc UTRAN diện vô tuyến Iu, trong đó RNC chịu trách nhiệm điều khiển node B để quản lý tải và tránh tình trạng tắc nghẽn trong các ô mạng Khi một thiết bị di động UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC, các RNC này sẽ đảm nhận hai vai trò logic riêng biệt để đảm bảo hoạt động liên tục và tối ưu hóa mạng.

SRNC (Serving RNC) là RNC kết cuối của một thiết bị di động (MS), chịu trách nhiệm truyền dữ liệu người dùng và báo hiệu RANAP từ mạng lõi Nó đóng vai trò chính trong việc xử lý số liệu truyền từ các lớp kết nối dữ liệu đến các tài nguyên vô tuyến, đồng thời còn là kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến Ngoài ra, SRNC còn hoạt động như CRNC của một node B cụ thể, hỗ trợ kết nối của MS với mạng UTRAN.

Trong mạng di động, DRNC (Drift RNC) là một loại RNC đặc biệt khác với SRNC, có nhiệm vụ điều khiển các ô do MS sử dụng DRNC có khả năng thực hiện kết hợp và phân tập vĩ mô khi cần thiết, giúp tối ưu hóa hoạt động mạng Tuy nhiên, DRNC không xử lý dữ liệu trong lớp kết nối số liệu mà chủ yếu định tuyến dữ liệu giữa các giao diện IUb và IUr, đảm bảo luồng dữ liệu được truyền tải hiệu quả Mỗi thiết bị người dùng (UE) có thể không có DRNC hoặc chỉ có một hoặc nhiều DRNC, tùy thuộc vào cấu hình mạng.

Node B có chức năng chính là xử lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến, bao gồm các hoạt động như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ và trải phổ, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn không dây Nó còn đảm nhận quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong để đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt nhất Với vai trò giống như trạm gốc của GSM, Node B đóng vai trò quan trọng trong hạ tầng mạng di động, nâng cao khả năng phục vụ và tối ưu hóa băng thông.

Cấu trúc UMTS chủ yếu tập trung vào việc định nghĩa các giao diện giữa các phần tử mạng logic, thay vì chi tiết chức năng nội bộ của từng thành phần Nguyên tắc thiết kế dựa trên các lớp và các phần cao độc lập về mặt logic, giúp nâng cao khả năng mở rộng và dễ dàng cập nhật cấu trúc mạng Nhờ đó, việc thay đổi một phần của giao thức không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống, đảm bảo tính linh hoạt và tối ưu hóa hoạt động của mạng UMTS.

CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG W-CDMA

Giới thiệu

Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá các kỹ thuật chính trong công nghệ WCDMA, bao gồm các phương pháp mã hóa và điều chế để nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu Ngoài ra, chúng ta sẽ tìm hiểu nguyên lý trải phổ, một kỹ thuật then chốt giúp tăng khả năng chống nhiễu và tối ưu hóa băng thông trong hệ thống Bên cạnh đó, cấu trúc phân kênh và các kỹ thuật truy nhập gói trong WCDMA sẽ được phân tích để hiểu rõ cách chia sẻ tài nguyên mạng và nâng cao khả năng truy cập đồng thời của người dùng.

Mã hóa

Mã khối là bộ mã hóa chia dòng thông tin thành các khối tin (message) có độ dài k bit, giúp biểu diễn dữ liệu một cách hệ thống Mỗi khối thông tin u = (u₁, u₂, , u_k) được chuyển thành một từ mã v = (v₁, v₂, , v_n), gồm n thành phần, qua quá trình mã hóa Tập hợp tất cả các từ mã này tạo thành một mã khối (n, k), trong đó có 2^k từ mã khác nhau Tỉ số mã R = k/n cho biết tỷ lệ bits thông tin trên tổng bits truyền, giúp tối ưu hoá quá trình mã hóa và giải mã Mã vòng là một dạng đặc biệt của mã khối tuyến tính, có tính chất đặc thù giúp đảm bảo khả năng phát hiện và sửa lỗi hiệu quả trong truyền thông dữ liệu.

Mã vòng là phương pháp mã hóa cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC – Cyclic Redundance Check) và chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin.

Mã hóa mã vòng (n,k) dạng hệ thống gồm ba bước :

(1) Nhân đa thức thông tin u(x) với x n-k

(2) Chia x n-k u(x) cho đa thức sinh g(x), ta được phần dư b(x).

Tất cả ba bước này được thực hiện bằng mạch chia với thanh ghi dịch (n-k) tầng có hàm hồi tiếp tương ứng với đa thức sinh g(x).

 Sơ đồ mạch mã hóa vòng :

Bước đầu tiên, cổng đóng để truyền thông tin qua mạch, bỏ qua các chữ số u0, u1, ,un-k, sau đó thông tin được dịch vào mạch từ thiết bị đầu cuối để nhân trước u(x) với x n-k Ngay sau khi thông tin được đưa vào mạch, n-k chữ số còn lại trong thanh ghi sẽ là các số kiểm tra chẵn lẻ để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu.

Bước 2 : Cắt đứt đường hồi tiếp bằng cách điều khiển cho các cổng gi hở (không cho thông tin qua).

Bước 3 trong quá trình mã hóa là dịch các con số kiểm tra chẵn lẻ và xác định đường truyền phù hợp Các chữ số kiểm tra này giúp kiểm soát lỗi hiệu quả, khi kết hợp với k chữ số thông tin tạo thành vector mã hoàn chỉnh Việc này đảm bảo dữ liệu được truyền chính xác và an toàn trong quá trình truyền thông.

Mã xoắn (Convolutional Code) (n,k,m) có cấu trúc gồm n đầu ra và k đầu vào, giống như mã khối (n,k) Tuy nhiên, khác với mã khối, các n đầu ra của mã xoắn phụ thuộc không chỉ vào k bit dữ liệu tại thời điểm hiện tại mà còn dựa trên các bit dữ liệu trước đó nhờ vào bộ nhớ m của mã Điều này giúp mã xoắn cải thiện khả năng chống lỗi và tối ưu hóa hiệu quả truyền dữ liệu trong các hệ thống truyền thông.

Các số kiểm tra chẵn lẻ

Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch

Cổng XOR Cổng XOR Cổng XOR Cổng XOR

Mối liên kết g = 1 : Có liên kết g = 0 : Không liên kết g g g g

Hình 3.1 Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh g(x) = 1 + g1x + g2x 2 + + gn-k-1x n-k-1 + x n-k

Cổng logic trong mạch điện tử phụ thuộc vào các khối tín hiệu trước đó để hoạt động chính xác Mã xoắn (n, k, m) được xây dựng dựa trên mạch dãy, trong đó sử dụng thanh ghi dịch m bit làm bộ nhớ Các đầu ra của các phần tử nhớ được cộng với nhau theo quy luật nhất định để tạo thành chuỗi mã, sau đó các chuỗi này được ghép xen kẽ để tạo nên chuỗi mã đầu ra hoàn chỉnh, đảm bảo tính liên tục và chính xác của quá trình mã hóa trong hệ thống.

Mã hóa Turbo chỉ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) để tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu ở tốc độ bit cao Công nghệ này giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit (BER) trong phạm vi từ 10^-3 đến mức thấp hơn, đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và chính xác hơn Sử dụng mã hóa Turbo là giải pháp quan trọng để nâng cao chất lượng dịch vụ trong các mạng di động hiện đại.

Turbo codes are fundamentally parallel concatenated convolutional codes (PCCC) that utilize component encoders with eight states, providing robust error correction capabilities essential for high-performance communication systems.

Điều chế BIT/SK và QPSK

Trong hệ thống điều chế BIT/SK (BPSK – Binary Phase Shift Keying), cặp tín hiệu s1(t) và s2(t) được sử dụng để biểu diễn các giá trị nhị phân, giúp truyền dữ liệu hiệu quả qua các kênh truyền thông BPSK là phương pháp điều chế cơ bản, sử dụng pha của sóng mang để biểu thị bit 0 và 1, đảm bảo độ ổn định cao và khả năng chống nhiễu tốt trong quá trình truyền tải Các tín hiệu s1(t) và s2(t) đóng vai trò quan trọng trong quá trình mã hóa và giải mã dữ liệu, tạo nền tảng cho hệ thống truyền thông số hiện đại.

E b : Năng lượng của một bit.

: Góc pha thay đổi theo tín hiệu điều chế, là góc pha ban đầu.

Một cặp sóng sin đối pha 180 0 như trên gọi là một cặp tín hiệu đối cực.

Luồng số tốc độ bit Rb được đưa qua bộ chuyển đổi về tín hiệu NRZ (01, 1-

1), sau đó nhân với sóng mang để được tín hiệu điều chế BIT/SK

Chọn một tín hiệu là cơ sở là trực chuẩn:

(3.3) Khoảng cách giữa hai tín hiệu :

Xác suất lỗi trong BPSK:

Eb là năng lượng của bit N0 mật độ xác suất nhiễu trắng.

Tín hiệu điều chế QPSK có dạng:

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK

Hình 3.3 – Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSK

E = 2E b : Năng lượng tín hiệu phát đi trên một ký hiệu.

T = 2T b : Thời gian của một ký hiệu f c : Tần số sóng mang, : góc pha ban đầu. i = 1, 2, 3, 4.

Biến đổi lượng giác ta có phương trình dạng tương đương như sau :

(3.6) Nếu ta chọn Q 1 và Q 2 là các hàm năng lượng cơ sở trực giao chuẩn :

Ta có thể biểu diễn tín hiệu điều chế QPSK bằng bốn điểm trong không gian tín hiệu với các toạ độ xác định như sau :

Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong không gian tín hiệu thể hiện ở bảng sau :

Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu

Toạ độ các điểm tín hiệu

Xác suất lỗi trong QPSK:

BPSK và QPSK có xác suất lỗi tương đương nhau, nhưng QPSK cung cấp hiệu suất băng thông gấp đôi so với BPSK Băng thông của QPSK xấp xỉ bằng tốc độ truyền dữ liệu Rb, giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyên phổ tần số.

Trải phổ trong W-CDMA

Tín hiệu trải phổ có độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn nhiều lần so với độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền thông tin Quá trình trải phổ được thực hiện bởi mã trải phổ, loại mã này độc lập với dữ liệu truyền tải Ở phía thu, việc nén phổ nhằm khôi phục lại thông tin ban đầu dựa trên sự tương quan giữa tín hiệu thu được và bản sao đồng bộ của mã trải phổ từ phía phát.

Trong các hệ thống thông tin, việc sử dụng hiệu quả băng tần luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu, với mục tiêu thiết kế hệ thống có độ rộng băng tần tối thiểu để nâng cao hiệu quả Trong W-CDMA, để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM đã được thay thế bằng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã (CDMA), hoạt động trên băng tần rộng (từ 5MHz), gọi là hệ thống thông tin trải phổ Các hệ thống trải phổ (SS) mở rộng độ rộng băng tần của tín hiệu trước khi phát, giúp nhiều người dùng có thể chia sẻ chung một băng tần trải phổ, tận dụng các ưu điểm của công nghệ trải phổ dù độ rộng băng tần tăng lên đáng kể Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ từ phía phát, đảm bảo truyền tín hiệu hiệu quả và ổn định.

Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau :

Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS - Direct Sequence Spreading Spectrum) là kỹ thuật truyền tín hiệu trong đó tín hiệu nguồn được nhân với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn nhiều so với tốc độ bit gốc Phương pháp này giúp mở rộng b-band, nâng cao khả năng chống nhiễu và cải thiện độ bảo mật của truyền dẫn không dây DSSS thường được ứng dụng trong các hệ thống Wi-Fi, Bluetooth và các công nghệ không dây khác nhằm đảm bảo tín hiệu ổn định, chống chọi tốt với nhiễu và tăng cường bảo mật thông tin.

Hệ thống trải phổ nhảy tần (FHSS - Frequency Hopping Spreading Spectrum) sử dụng kỹ thuật nhảy tần số mang trên một tập các tần số theo mẫu ngẫu nhiên Tần số trong mỗi khoảng thời gian của một chip TC được giữ cố định, giúp đảm bảo tính ổn định của tín hiệu Tốc độ nhảy tần có thể linh hoạt, từ nhanh đến chậm; hệ thống nhảy tần nhanh thực hiện việc nhảy tần ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, trong khi hệ thống nhảy tần thấp có thể hoạt động với tốc độ nhảy tần chậm hơn Kỹ thuật này giúp cải thiện khả năng chống nhiễu và bảo mật trong truyền thông không dây.

Trải phổ nhảy thời gian (THSS - Time Hopping Spreading Spectrum) là phương pháp truyền tín hiệu bằng cách nén các khối bit dữ liệu và phát các đột quãng trong nhiều khe thời gian khác nhau Phương pháp này sử dụng kỹ thuật nhảy tần thời gian để xác định các khe thời gian cụ thể được dùng để truyền dẫn trong mỗi khung, đảm bảo sự an toàn và giảm nhiễu trong hệ thống truyền thông.

Trong hệ thống DSSS, tất cả người dùng chia sẻ cùng một băng tần và phát tín hiệu đồng thời, sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để nén phổ và lấy ra tín hiệu chính Các tín hiệu khác xuất hiện dưới dạng nhiễu phổ rộng với công suất thấp, như tạp âm, giúp giảm thiểu nhiễu loạn Ngược lại, hệ thống FHSS và THSS phân chia tần số hoặc khe thời gian bằng cách sử dụng mã ngẫu nhiên nhằm tránh xung đột giữa các máy phát DSSS hoạt động theo nguyên tắc lấy trung bình, trong khi FHSS và THSS chủ yếu là hệ thống tránh xung đột, nhưng trong các hệ thống di động công nghệ CDMA, chỉ sử dụng kỹ thuật trải phổ DSSS, vì vậy ta sẽ tập trung phân tích kỹ thuật này.

3.4.2 Nguyên lý trải phổ DSSS

Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS - Direct Sequence Spreading Spectrum) là phương pháp trải phổ dữ liệu bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn nhiều so với tốc độ bit, giúp tăng cường khả năng chống nhiễu và bảo mật truyền tải dữ liệu.

Tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên và tốc độ bit được tính theo công thức sau :

RC : tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên.

TC : thời gian một chip.

Tb : thời gian một bit.

Các tín hiệu trải phổ băng rộng được tạo ra bằng cách sử dụng mã giả tạp âm PN (Pseudo Noise), còn gọi là mã giả ngẫu nhiên do có đặc tính thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) và mang tính ngẫu nhiên, bất xác định Tuy nhiên, để thu chính xác và đồng bộ với tín hiệu phát, máy thu cần biết chính xác mã này để tái tạo bản sao phù hợp Chính vì vậy, mã giả ngẫu nhiên phải được thiết lập một cách hoàn toàn xác định để đảm bảo quá trình giải mã hiệu quả.

Mã giả ngẫu nhiên được tạo ra bằng các bộ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính (LFSR : Linear Feedback Shift Register) và các cổng XOR.

Tb : Thời gian một bit của luồng số cần phát

Tn : Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ

TC : Thời gian một chip của mã trải phổ

Hình 3.4 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính bậc m (m > 0) :

(với gm = g0 = 1) (3.11) x m : Đơn vị trễ.

Giả sử ta nạp chuỗi giá trị khởi đầu cho thanh ghi dịch :

Giá trị đầu ra trong (m -1) xung đồng hồ đầu tiên là :

Cm-1 = S0(1) Tại xung đồng hồ thứ i (i > m-1) ta có trạng thái của thanh ghi dịch :

Si-m+1(1) = g1.Si-m(1) + g2.Si-m(2) + …+ Si-m(m) (gm = 1)

=> Si(m) = g1.Si-m(1) + g2.Si-m(2) + …+ Si-m(m) (3.13) Áp dụng công thức (4.12), ta có :

S i (1) S i (2) g 1 g 2 g m-1 ci-m Đến bộ điều chế

Hình 3.5 Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN

S i (j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i. g i = 0 : khóa mở, g i = 1 : khóa đóng

Giá trị đầu ra tại xung thứ i chính là giá trị phần tử nhớ Si(m) của thanh ghi dịch :

=> Ci = g1.Ci-1 + g2.Ci-2 + …+ Ci-m (3.15) Hay :

Tốc độ của mạch bị hạn chế do tổng thời gian trễ trong các thanh ghi và các cổng loại trừ ở đường hồi tiếp Để nâng cao tốc độ của mạch tạo mã ngẫu nhiên, có thể sử dụng sơ đồ mạch tối ưu giúp giảm thiểu thời gian trễ và tăng hiệu suất Việc thiết kế phù hợp đảm bảo mạch hoạt động ổn định và nhanh hơn, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng cần tốc độ xử lý cao.

Các hàm trực giao đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống DSSS Trong hệ thống thông tin di động W-CDMA, mỗi người dùng được phân bổ một phần tử trong bộ các hàm trực giao, giúp giảm thiểu nhiễu và tăng khả năng truy cập đồng thời Hàm Walsh và chuỗi Hadamard tạo thành các tập các hàm trực giao, là nền tảng cho việc mã hóa và truyền dữ liệu hiệu quả trong W-CDMA Trong hệ thống này, hàm Walsh được sử dụng dưới hai dạng chính là mã trải phổ và các ký hiệu trực giao, góp phần tối ưu hóa việc sử dụng băng tần và nâng cao chất lượng liên lạc.

Các hàm Walsh được xây dựng dựa trên các ma trận Hadamard đặc biệt, là loại ma trận vuông chứa một hàng toàn bit “0” và các hàng còn lại có số lượng bit “1” và bit “0” bằng nhau Hàm Walsh có cấu trúc phù hợp với độ dài khối N = 2^j, trong đó j là một số nguyên dương, giúp đảm bảo tính toàn cục và tính đối xứng của các hàm này trong các ứng dụng kỹ thuật số và xử lý tín hiệu.

Tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hadamard như sau : r

Hình 3.6 Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN tốc độ cao

S i (j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i. g i = 0 : khóa mở, g i = 1 : khóa đóng. g 1

Trong đó là đảo cơ số hai của HN.

Cấu trúc phân kênh của WCDMA

Trong hệ thống WCDMA, các kênh thông tin được phân chia thành hai loại dựa trên quan điểm tiếp cận: theo quan điểm truyền dẫn, chúng ta có các kênh vật lý, còn theo quan điểm thông tin, các kênh truyền tải Việc phân chia này giúp tối ưu hóa quá trình quản lý dữ liệu trong mạng di động và đảm bảo hiệu suất truyền tải thông tin Như trong các hệ thống thông tin di động thế hệ hai, việc phân loại kênh theo hai phương diện này đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc mạng và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống WCDMA.

Lớp vật lý ảnh hưởng lớn đến độ phức tạp của thiết bị, đảm bảo khả năng xử lý băng tần cơ sở cần thiết ở trạm gốc và trạm đầu cuối Các hệ thống thông tin di động thế hệ ba là hệ thống băng rộng, yêu cầu thiết kế lớp vật lý linh hoạt để hỗ trợ các dịch vụ tương lai, không chỉ tập trung vào dịch vụ thoại duy nhất Việc đảm bảo tính linh hoạt của lớp vật lý là yếu tố then chốt để đáp ứng nhu cầu mở rộng và nâng cao chất lượng dịch vụ trong các mạng di động hiện đại.

3.5.1.1 Kênh vật lý riêng đường lên

Kênh vật lý đường lên gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) và một kênh điều khiển vật lý (DPCCH).

 Kênh điều khiển vật lý (DPCCH)

Kênh điều khiển vật lý đường lên đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin điều khiển của lớp vật lý, bao gồm các bit hoa tiêu để hỗ trợ đánh giá kênh và tách sóng nhất quán Ngoài ra, nó còn mang các lệnh điều khiển công suất (TCP), thông tin hồi tiếp (FBI) và chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI), đảm bảo hoạt động hiệu quả của mạng di động.

Thông số k xác định số bit trên khe của DPDCH/DPCCH đường lên, trong đó mỗi khung dài 10ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip (khoảng 666μs), phù hợp với chu kỳ điều khiển công suất như trong GSM Các bit FBI được sử dụng khi thực hiện phân tập phát vòng kín ở đường xuống, với tổng cộng 6 cấu trúc khe cho DPCCH đường lên Người dùng có các tùy chọn về số bit FBI là 0, 1 hoặc 2, và có thể có hoặc không có các bit TFCI Các bit hoa tiêu và TPC luôn luôn có mặt, với số lượng bit thay đổi để đảm bảo sử dụng đầy đủ khe DPCCH Cấu trúc các trường của DPCCH được thiết kế tối ưu để nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu.

Tốc độ ký hiệu kênh

SF Số bit / khu ng

Số khe được phát trên khung vô tuyến

Hoa tiêu TFCI FBI TCP

N pilot bit N TFCI bit N FBI bit N TPC bit

Một khung vô tuyến : T f = 10ms

Hình 3.7 Cấu trúc khung vô tuyến của DPDCH/DPCCH đường lên

 Kênh số liệu vật lý riêng DPDCH

Kênh truyền số liệu cho người sử dụng có thể thay đổi tốc độ theo khung, thường được thông báo qua kênh DPCCH Thông tin về tốc độ số liệu của kênh DPDCH, dựa trên chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI), được phát liên tục qua DPCCH Nếu giải mã TFCI sai, toàn bộ khung dữ liệu có thể mất, nhưng do độ tin cậy của TFCI cao hơn, tình trạng mất TFCI rất hiếm xảy ra.

Cấu trúc các trường của DPDCH như sau :

Tốc độ bit kênh (kbit/s)

Tốc độ ký hiệu kênh SF Số bit

3.5.1.2 Kênh vật lý chung đường lên

 Kênh truy cập ngẫu nhiên PRACH

Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) được sử dụng để mang RACH.

Phát RACH là phương pháp truy cập ngẫu nhiên dựa trên thuật toán ALOHA theo phân khe, sử dụng chỉ thị bắt nhanh để quản lý truy cập Trong mỗi hai khung thời gian, hệ thống cung cấp 15 khe truy cập riêng biệt, cách nhau khoảng 5120 chip để đảm bảo khả năng truy cập hiệu quả Các lớp cao hơn trong hệ thống cung cấp thông tin về khe truy cập đang được sử dụng, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu và giảm nhiễu xuyên kênh.

- Phần tiền tố của RACH : Phần tiền tố của cụm truy nhập ngẫu nhiên gồm 256 lần lặp một chữ ký

- Phần bản tin của RACH : Khung vô tuyến phần bản tin 10ms được chia thành

Trong mỗi khe, dữ liệu dài Tslot = 2560 chip gồm hai phần chính: phần số liệu mang thông tin lớp 2 và phần điều khiển chứa thông tin lớp 1 Cả hai phần này được truyền đồng thời để đảm bảo hiệu quả truyền tải Phần số liệu có độ dài 10.2 kbit, trong khi phần điều khiển gồm 8 bit hoa tiêu hỗ trợ đánh giá tách sóng nhất quán và hai bit TFCI Tổng số bit TFCI trong bản tin truy nhập ngẫu nhiên là 30, với giá trị TFCI xác định dạng truyền tải cụ thể của bản tin truy cập hiện thời.

Khung vô tuyến 10ms Khung vô tuyến 10ms

Phát truy cập ngẫu nhiên

Hình 3.8 Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng

Phát truy cập ngẫu nhiên Phát truy cập ngẫu nhiên Phát truy cập ngẫu nhiên

Tiền tố Tiền tố Tiền tố

10ms (Một khung vô tuyến)

20ms (Hai khung vô tuyến)

Hình 3.9 Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên

Các trường số liệu của phần bản tin RACH :

Tốc độ bit kênh (kbit/s)

Tốc độ ký hiệu kênh (kbit/s)

Trường điều khiển phần bản tin RACH :

Tốc độ ký hiệu kênh (kbit/s)

Kênh gói chung vật lý được sử dụng để mang CPCH PCPCH thực chất là sự mở

Khung vô tuyến phần bản tin T RACH = 10

Hình 3.10 minh họa cấu trúc khung vô tuyến của phần bản tin RACH rộng trong hệ thống RACH Khung RACH rộng khác biệt chính so với khung RACH thông thường là khả năng dành trước nhiều khung cho việc truyền dữ liệu Ngoài ra, kênh này còn sử dụng điều khiển công suất để tối ưu hóa hiệu quả truyền tải.

Phát CPCH dựa trên nguyên tắc DSMA – CD (Collision Detection) với chỉ thị bắt nhanh, nhằm tối ưu hóa quá trình truy cập ngẫu nhiên Hệ thống này sử dụng một bộ tiền tố truy nhập (AP) dài 4096 chip và một tiền tố phát hiện tranh chấp (CDP) dài 4096 chip để đảm bảo hiệu quả trong việc kiểm soát xung đột Ngoài ra, phát CPCH còn có tiền tố điều khiển công suất (PCP) dài từ 0 đến 8 khe, giúp điều chỉnh mức công suất phù hợp Bên cạnh đó, bản tin có độ dài khả biến từ Nx10ms cho phép linh hoạt trong việc truyền dữ liệu, tối ưu hoá hiệu suất mạng.

Phần tiền tố truy nhập CPCH (Channel Preamble Content Header) có đặc điểm tương tự như của RACH, với chức năng chính là khởi tạo kết nối ban đầu Trong đó, số chuỗi được sử dụng cho tiền tố truy nhập ngẫu nhiên CPCH có thể nhỏ hơn so với số chuỗi được sử dụng trong phần tiền tố RACH, giúp tối ưu hóa hiệu quả truy cập và giảm xung đột trong quá trình truyền dữ liệu.

- Phần tiền tố phát hiện tranh chấp : Phần này giống như phần tiền tố RACH

Phần tiền tố điều khiển công suất là các tiền tố có độ dài từ 0 đến 8 khe, được thiết lập dựa trên các bit cao để điều khiển công suất một cách chính xác.

Phần bản tin CPCH gồm các khung bản tin 10ms do lớp cao hơn quy định, mỗi khung này chứa 15 khe dài 2560 chip Mỗi khe được chia thành hai phần: phần số liệu mang thông tin các lớp cao và phần điều khiển chứa thông tin các lớp thấp, cả hai phần này được phát đồng thời để đảm bảo truyền nhận dữ liệu hiệu quả trong hệ thống.

3.5.1.3 Kênh vật lý riêng đường xuống (DPCH)

Kênh riêng đường xuống được tạo bởi lớp hai và các lớp trên Một khung kênh

Tiền tố truy nhập Tiền tố phân giải va chạm

Hình 3.11 trình bày cấu trúc phát đa truy nhập ngẫu nhiên CPCH riêng đường xuống dài 10ms, được chia thành 15 khe, mỗi khe dài 2560 chip tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất, đảm bảo tối ưu hóa hiệu quả truyền dữ liệu Cấu trúc khung của kênh riêng đường xuống được thể hiện rõ ràng trong hình, giúp nâng cao khả năng quản lý và phân bổ tài nguyên trong hệ thống truyền thông.

3.5.1.4 Kênh vật lý chung đường xuống

 Kênh hoa tiêu chung (CPICH)

Kênh hoa tiêu chung là kênh vật lý đường xuống có tốc độ cố định để mang chuỗi bit/ký hiệu đã được định nghĩa trước.

Số liệu 1 TPC TFCI Số liệu 2 Hoa tiêu

N data bit N TPC bit N TFCI bit N data2 bit N pilot bit

Hình 3.12 Cấu trúc khung của DPCH đường xuống.

Một khung vô tuyến T f = 10ms

Kênh hoa tiêu chung gồm hai kiểu chính là kênh hoa tiêu sơ cấp và kênh hoa tiêu thứ cấp, mỗi loại có đặc điểm nổi bật về lĩnh vực sử dụng và hạn chế về tính năng vật lý Kênh hoa tiêu sơ cấp thường được sử dụng trong các hệ thống dẫn đường chính, đảm bảo độ chính xác cao và khả năng ổn định tốt Trong khi đó, kênh hoa tiêu thứ cấp thường hoạt động như một phương án dự phòng hoặc trong các trường hợp cần độ chính xác thấp hơn Việc phân biệt rõ ràng các loại kênh hoa tiêu này giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và đáp ứng nhu cầu sử dụng linh hoạt hơn.

Kênh hoa tiêu chung sơ cấp được ngẫu nhiên hóa bằng mã ngẫu nhiên sơ cấp nhưng vẫn sử dụng cùng một mã định kênh để đảm bảo tính ổn định trong truyền tải dữ liệu Mỗi ô mạng có một kênh riêng biệt và kênh này được phát quảng bá trên toàn bộ ô để tối ưu hóa hiệu suất liên lạc Việc sử dụng kênh hoa tiêu chung sơ cấp giúp hệ thống duy trì kết nối ổn định và tránh xung đột dữ liệu trong mạng di động.

Truy nhập gói trong W-CDMA

3.6.1 Tổng quan về truy nhập gói trong W-CDMA

Trong mạng W-CDMA, việc truy nhập gói cho phép các vật mang không thời gian thực sử dụng linh hoạt các kênh chung, riêng và dùng chung, tối ưu hóa dung lượng mạng Bộ lập biểu gói PS (Packet Scheduler), thường đặt tại RNC, điều khiển việc phân chia tài nguyên kênh một cách hiệu quả cho nhiều ô khác nhau Ngoài ra, tại RNC còn được xem xét các kết nối chuyển giao mềm, giúp nâng cao độ tin cậy và liên tục của dịch vụ dữ liệu.

Bộ lập biểu gói có các chức năng chính sau :

- Phân chia dung lượng của giao diện vô tuyến giữa các người sử dụng.

CÁC KÊNH VẬT LÝ CÁC KÊNH TRUYỀN TẢI

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp (P-CPCH)

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp (S-CPCH)

Kênh vật lý truy cập ngẫu nhiên (PRACH)

Kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) Kênh điều khiển vật lý riêng (DPCCH)

Kênh vật lý đường xuống dùng chung (PDSCH)

Kênh gói chung vật lý (PCPCH) Kênh đồng bộ (SCH)

Kênh hoa tiêu chung (CPICH) Kênh chỉ thị bắt (AICH) Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH) Kênh phát hiện tranh chấp/chỉ thị ấn định kênh (CD/CA-ICH)

Hình 3.20 Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

- Phân chia các kênh truyền tải để sử dụng cho truyền dẫn số liệu của từng người sử dụng

- Giám sát các phân bổ gói và tải hệ thống.

3.6.2 Lưu lượng số liệu gói

Truy cập gói dịch vụ dành cho các dịch vụ không theo thời gian thực, dựa trên quan điểm của giao diện vô tuyến, có các thuộc tính điển hình như khả năng truyền dữ liệu ổn định và linh hoạt Các gói này phù hợp cho ứng dụng yêu cầu truyền tải dữ liệu liên tục mà không cần phản hồi ngay lập tức Việc sử dụng các gói này giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và giảm thiểu độ trễ trong truyền dữ liệu vô tuyến Thích hợp cho các dịch vụ yêu cầu truyền dữ liệu dài hạn và không đòi hỏi phản hồi tức thì từ phía khách hàng.

- Số liệu gói có dạng cụm, tốc độ bit yêu cầu có thể biến đổi rất nhanh.

Số liệu gói cho phép trễ lớn hơn so với các dịch vụ thời gian thực, điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng truy nhập vô tuyến Vì vậy, số liệu gói được xem như là lưu lượng có thể kiểm soát, mang lại sự linh hoạt trong quản lý mạng Việc điều chỉnh số liệu gói giúp giảm thiểu độ trễ và cải thiện chất lượng dịch vụ trong các hệ thống mạng vô tuyến.

Các gói dữ liệu có thể được phát lại bởi lớp điều khiển kết nối vô tuyến (RLC), giúp tối ưu hóa chất lượng đường truyền trong mạng vô tuyến Nhờ đó, hệ thống có thể sử dụng các kết nối có chất lượng kém hơn và chịu tỷ lệ lỗi khung cao hơn mà vẫn duy trì hiệu suất truyền dữ liệu Tính năng này đặc biệt hữu ích trong các dịch vụ không yêu cầu độ trễ thấp như truyền dữ liệu không thời gian thực, nâng cao khả năng ổn định và tin cậy của mạng vô tuyến.

Lưu lượng gói được đặc trưng bởi các thông số sau :

- Quá trình đến của phiên.

- Số cuộc gọi đến phiên.

- Thời gian đọc giữa các cuộc gọi.

- Số gói trong một cuộc gọi gói.

- Khoãng thời gian giữa hai gói trong một cuộc gọi gói.

3.6.3 Các phương pháp lập biểu gói

Chức năng lập biểu gói trong mạng W-CDMA phân chia dung lượng giao diện vô tuyến giữa các người dùng, quyết định tốc độ bit và thời gian phân bổ Thuật toán lập biểu gói trong W-CDMA bao gồm hai phương pháp chính: phân chia theo mã và phân chia theo tần số Trong phương pháp phân chia theo mã, khi nhu cầu tăng dung lượng, tốc độ bit của người dùng sẽ giảm, còn phương pháp phân chia theo thời gian dành dung lượng cho ít người trong từng khoảng thời gian nhất định, cho phép người dùng có tốc độ bit cao nhưng chỉ trong thời gian ngắn Khi số lượng người dùng tăng lên, quá trình truyền dẫn phải chờ đợi lâu hơn Trong thực tế, quá trình lập biểu gói là sự kết hợp hai phương pháp này để tối ưu hóa hiệu suất mạng.

3.6.3.1 Lập biểu phân chia theo thời gian

Trong quá trình phân chia thời gian để phân bổ các tốc độ gói, hiệu năng vô tuyến đóng vai trò quan trọng Các dịch vụ có tốc độ bit cao thường yêu cầu ít năng lượng bit hơn, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Phương pháp phân chia theo thời gian có lợi thế là Eb/No thấp hơn, từ đó nâng cao hiệu quả truyền dẫn Ngoài ra, thời gian trễ trung bình trong phương pháp này cũng ngắn hơn so với phương pháp phân chia theo mã, mang lại trải nghiệm người dùng tốt hơn và giảm thiểu độ trễ trong truyền tải dữ liệu.

Nhược điểm chính của phương pháp phân chia thời gian là :

- Thời gian truyền dẫn ngắn trong khi việc thiết lập và giải phóng kết nối đòi hỏi thời gian dài thậm chí đến vài khung.

- Việc sử dụng phân bổ theo thời gian bị hạn chế bởi dải tốc độ cao do hạn chế

Thời gian đọc Thời gian

Hình 3.21 Đặc trưng của một phiên dịch vụ gói công suất của MS ở đường lên.

Phương pháp này sử dụng tốc độ bit cao để tạo ra lưu lượng dạng cụm, giúp cải thiện hiệu quả truyền tải dữ liệu Nhờ đó, nó vượt trội hơn so với các phương pháp lập biểu phân chia theo mã về khả năng kiểm soát nhiễu và chất lượng truyền dẫn Việc áp dụng tốc độ bit cao và tạo ra lưu lượng dạng cụm còn giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, đảm bảo truyền thông ổn định và liên tục Đây là giải pháp tối ưu cho các hệ thống yêu cầu truyền dữ liệu với hiệu suất cao và độ ổn định cao.

3.6.3.2 Lập biểu phân chia theo mã

Trong hệ thống phân chia theo mã, mỗi người dùng được gán một kênh riêng khi cần sử dụng Khi nhiều người dùng yêu cầu lưu lượng cao cùng lúc, tốc độ bit phải giảm xuống trong biểu đồ phân chia theo thời gian để đảm bảo hiệu suất và ổn định mạng.

Các ưu điểm chính của phương pháp này là :

Trong lập biểu phân chia theo mã, việc thiết lập và giải phóng tài nguyên sẽ gây ít tổn thất dung lượng hơn nhờ vào tốc độ bit thấp và thời gian truyền dẫn lâu hơn Vì tốc độ bit thấp, quá trình phân bổ tài nguyên trong lập biểu gói phân chia theo mã đòi hỏi nhiều thời gian hơn so với lập biểu gói phân chia theo thời gian, giúp dễ dàng dự báo mức nhiễu mạng.

Lập biểu phân chia theo mã có thể là dạng tĩnh hoặc động, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu Trong lập biểu tĩnh, tốc độ bit được phân bổ cố định suốt quá trình kết nối, đảm bảo sự ổn định và dự đoán chính xác về băng thông Ngược lại, lập biểu động cho phép tốc độ bit linh hoạt thay đổi theo lưu lượng gói, giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông và cải thiện chất lượng dịch vụ trong môi trường mạng biến đổi.

- Phương pháp lập biểu này đòi hỏi các khả năng của MS thấp hơn.

Việc quy hoạch mạng WCDMA có thể được chia thành 3 pha:

Khởi tạo quy hoạch (định cỡ).

Quy hoạch chi tiết mạng.

Vận hành và tối ưu hóa mạng.

Các hệ thống di động trước đây sử dụng các đường truyền đối xứng, nhưng trong hệ thống 3G, đường lên và đường xuống không đối xứng, dẫn đến giới hạn về dung lượng hoặc vùng phủ sóng của một trong hai phía Việc tính toán quỹ đường truyền và phân tích nhiễu là quá trình độc lập với loại công nghệ sử dụng, đặc biệt trong công nghệ WCDMA, nơi phân tích nhiễu giúp đánh giá độ nhạy và tải của hệ thống Để tận dụng tối đa khả năng của WCDMA, cần hiểu rõ giao diện vô tuyến của hệ thống để tối ưu hóa hiệu suất mạng.

Pha định cỡ nhằm ước lượng số lượng trạm cần thiết để đảm bảo mạng hoạt động hiệu quả Quá trình này giúp xác định cấu hình trạm phù hợp và số lượng các phần tử mạng cần thiết Thông qua đó, dự báo chính xác chi phí đầu tư cho toàn bộ hệ thống mạng được thực hiện một cách hợp lý.

Quy hoạch vùng phủ sóng và dung lượng được thực hiện dựa trên công cụ quy hoạch mạng vô tuyến tĩnh, đảm bảo tính chính xác trong xác định phạm vi phủ sóng Việc này xét đến vị trí thực tế của các trạm và điều kiện truyền sóng dựa trên bản đồ số, nhằm tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu Quy hoạch chi tiết còn chú trọng đến phân bố thực tế của người dùng để đảm bảo mạng lưới phù hợp và hiệu quả cao nhất.

Cấu hình mạng và định cỡ

Các yêu cầu và chiến lược đối với vùng phủ , chất lượng và dung lượng cho mỗi loại hình dịch vụ

Quy hoạch vùng phủ và lựa chọn vị trí trạm

Số liệu đo về đặc tính truyền dẫn.

Tối ưu hóa vùng phủ và vị trí trạm.

Quy hoạch tham số Đặc trưng vùng /cell

Báo cáo số liệu đo

Phân tích hiệu năng thống kê

Chất lượng Hiệu quả Tính sẵn sàng

Các yêu cầu về dung lượng

Phân bố lưu lượng Phân bố dịch vụ Mức nghẽn cho phép Các đặc tính về hệ thống hàng đợi

Phân tích nhiễu bên ngoài

QUY HOẠCH VÀ XÂY DỰNG MẠNG

Hình 4.1 trình bày các bước thực hiện quy hoạch mạng dựa trên dự đoán lưu lượng Sau khi hoàn thành quy hoạch chi tiết, có thể phân tích vùng phủ và lưu lượng của mạng để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo khả năng cung cấp dịch vụ Quá trình này giúp xác định rõ các khu vực cần cải thiện và dự báo lưu lượng truy cập chính xác hơn.

O & M: Operations and Maintenance: Vận hành và bảo dưỡng.

4.1 Khởi tạo quy hoạch (định cỡ mạng): Đây là pha khởi tạo của quá trình quy hoạch mạng, liên quan đến việc đánh giá các phần tử mạng và dung lượng của các phần tử này Định cỡ thực hiện cho cả mạng truy cập vô tuyến lẫn mạng lõi Mục đích của pha định cỡ là đưa ra dự tính mật độ đài trạm, trạm gốc, cấu hình các phần tử gốc và các phần tử mạng khác trên cơ sở những yêu cầu của nhà khai thác cho một vùng mong muốn để dự báo chi phí dự án và các đầu tư liên quan Định cỡ phải thực hiện được các yêu cầu về vùng phủ, dung lượng và chất lượng phục vụ

QUY HOẠCH MẠNG W-CDMA

QUY HOẠCH MẠNG W-CDMA TẠI THANH HÓA

Tiêu đề	Tìm hiểu tổng quan và qui hoạch mạng W-CDMA
Tác giả	Lương Văn Chung
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Nam Quân
Trường học	Viện Đại Học Mở Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Điện Tử - Thông Tin
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	1,63 MB