Cấu trúc mạng w cdma

Tổng quan về IMT-2000

Mục tiêu của IMT-2000

Những nỗ lực trong nghiên cứu và phát triển đã được thực hiện cho IMT-2000 với mục đích cung cấp các dịch vụ đa phương tiện có chất lượng cao, tốc độ cao, khai thác một dải rộng các nội dung gồm thoại, số liệu và video trong môi trường di động Hệ thống IMT-2000 có các mục tiêu sau:

(1) Các dịch vụ thông tin cá nhân nhằm nâng cao hiệu suất phổ (cá nhân hoá):

Sự nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng tần số và tối thiểu hoá đầu cuối sẽ cho phép thực hiện thông tin giữa "người với máy" và "máy với máy".

(2) Các thông tin xuyên suốt toàn cầu (toàn cầu hoá):

Người sử dụng sẽ có thể thông tin và nhận các dịch vụ đồng nhất ở bất cứ đâu trên thế giới chỉ với một đầu cuối duy nhất.

(3) Các dịch vụ đa phương tiện qua hệ thống truyền dẫn có tốc độ và chất lượng cao (đa phương tiện):

Việc sử dụng băng thông rộng hơn cho phép truyền thống thông tin chất lượng và tốc độ cao với một dung lượng lớn số liệu, hình ảnh tĩnh và video bên cạnh các kết nối thoại.

Liên minh viên thông Châu Âu đã đặt ra các yêu cầu đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến IMT-2000 để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện trong nhiều môi trường khác nhau Tốc độ truyền yêu cầu là 144 kbit/giây trong môi trường di chuyển tốc độ cao, 384 kbit/giây khi chuyển ở các tốc độ thấp và 2 Mbit/giây trong môi trường trong nhà.

Các dịch vụ thông tin di động đã được rất nhiều doanh nhân sử dụng ngay từ khi ra đời Trong lĩnh vực kinh doanh, ngoài thông tin dữ liệu văn bản, IMT-2000 còn được sử dụng cho thông tin hình ảnh Người ta rất trông đợi rằng các dịch vụ này sẽ giúp người sử dụng có thể thu nhận được một số lượng lớn số liệu kinh doanh một cách kịp thời cũng như trao đổi thông tin một cách dễ dàng mọi nơi, mọi lúc.

Một ví dụ điển hình về các ứng dụng sử dụng trong lĩnh vực công cộng là dịch vụ thông tin khẩn cấp đã sử dụng triệt để giá trị tiện lợi của các hệ thống di động trong việc giải quyết các trường hợp thảm hoạ Các ứng dụng giám sát từ xa với vai trò hiện thực hoá việc thông tin liên lạc "từ máy đến máy" cũng được xem xét sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công cộng.

Các dịch vụ tiềm năng khác bao gồm các dịch vụ như sử dụng hệ thống di động như một phần của hệ thống giao thông vận tải thông minh (IST), sử dụng i-mode lái xe an toàn, các hệ thống phương tiện đường thuỷ dựa trên các mạng thông tin và các hệ thống cho người đi bộ.

Lĩnh vực cá nhân đã trở thành một lĩnh vực quan trọng đối với hệ thống thông tin di động trong những năm gần đây Với sự ra đời của IMT-2000, các hình thức tiên tiến của các dịch vụ Internet di động như i-mode dự kiến sẽ trở thành một phần của các ứng dụng cá nhân Trong thông tin hình ảnh, điện thoại video đã xuất hiện, cùng lúc trong lĩnh vực thư tín, thư đa phương tiện đang được trông đợi cho phép người sử dụng có thể gửi kèm theo thư điện tử các bản tin hình ảnh và thoại Còn đối với dịch vụ cung cấp thông tin, người ta đang hy vọng các dịch vụ cung cấp âm nhạc và hình ảnh sẽ được chấp nhận rộng rãi trên thị trường.

Chuẩn hoá IMT-2000

Nghiên cứu về IMT-2000 đã được bộ thông tin vô tuyến của ITU (ITU- R) bắt đầu thực hiện từ năm 1985, ban đầu có tên là hệ thông viễn thông di động mặt đất tương lai (FPLMTS) nhằm đạt được những mục tiêu đã kể trên. ùng với nghiên cứu này bộ phận chuẩn hoá viễn thông của ITU đã coi việc nghiên cứu IMT-2000 là một nhiệm vụ quan trọng và đã tiến hành các nghiên cứu về các giao thức báo hiệu lớp trên, các nhận dạng, các dịch vụ, mã hoá thoại/hình ảnh, v.v Tiếp theo các nghiên cứu này là các nghiên cứu về các thông số kỹ thuật chi tiết cho dự án đối tác thế hệ 3 (3GPP) thực hiện và những nỗ lực nhằm xây dựng sự thống nhất chung giữa các tổ chức hướng tới sự phát triển của một giao diện vô tuyến được chuẩn hoá.

Các hoạt động chuẩn hoá IMT-2000 trong ITU-R ban đầu có tên là FPLMTSITU-R bắt đầu các nghiên cứu với việc làm rõ khái niệm hệ thống IMT-2000, bao gồm các hệ thống vệ tinh và mặt đất ITU-R đã thống đã thống nhất các kiến nghị liên quan đến các nguyên tắc và khái niệm cơ bản, tiếp theo là các kiến nghị về khung chung và các yêu cầu của IMT-2000 Sau đó, ITU-R bắt đầu chuẩn bị một kiến nghị về giao diện vô tuyến nhằm đáp ứng những yêu cầu đặt ra trong các kiến nghị này.

Trước hết, ITU-R làm rõ những yêu cầu tối thiểu đối với giao diện vô tuyến IMT-2000 Bảng 1.2 sẽ mô tả những yêu cầu này yêu cầu các tổ chức,các quốc gia đề xuất một giao diện vô tuyến để thoả mãn các yêu cầu các tổ chức, các quốc gia đề xuất một giao diện vô tuyến để thoả mãn các yêu cầu này vào tháng 6/1998.

Ngoài ITU còn các quốc gia, khu vực và các tổ chức cũng tiến hành các nghiên cứu như ARIB của Nhật và ETSI Kết quả là 10 hệ thống thông tin mặt đất và 06 hệ thống vệ tinh đã được đề xuất lên ITU-R, tất cả các đề xuất này sau đó được đánh giá bởi một nhóm đánh giá bao gồm nhiều nước và tổ chức khác nhau Sau khi các hệ thống này được đánh giá là thoả mãn các yêu cầu của IMT-2000, các đặc tính chủ yếu của giao diện vô tuyến được cải tiến trên cơ sở xem xét các đặc tính tần số vô tuyến (RF) và các đặc tính băng gốc quan trọng Những nỗ lực đồng thời xảy ra nhằm tạo dựng được thể hiện trong bản kiến nghị về các thông số cơ bản tháng 3/1999 Tại cuộc họp cuối cùng tháng 11/1999, ITU TG8/1 đã đạt được một thoả thuận về kiến nghị đối với các thông số kỹ thuật chi tiết của giao diện vô tuyến, bao gồm các thông số liên doanh đến các lớp cao hơn Bản kiến nghị dự thảo này đã được chính thức thông qua một văn bản kiến nghị của ITU tại hội nghị RA-2000 tổ chức vào tháng 5/2000 Như mô tả trong hình 1.1 và 1.2 bản kiến nghị đã đưa ra các nội dung liên quan đến giao diện vô tuyến IMT-2000 như sau:

1 Chuẩn giao diện vô tuyến bao gồm các công nghệ CDMA và TDMA

2 CDMA bao gồm phương thức trải phổ trực tiếp song công phân chia theo tần số (FDD), phương thức đa sóng mang FDD và phương thức song công phân chia theo thời gian (TDD) Tốc độ chip tương ứng của phương thức trải phổ trực tiếp FDD và đa sóng mang FDD là 3,84 Mc/s và 3,6864 Mc/s.

3 Nhóm TDMA bao gồm phương thức sóng mang đơn FDD và phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA/TDMA.

4 Mỗi công nghệ vô tuyến này phải có thể hoạt động trên hai mạng lõi

3G chính (ví dụ phiên bản của GSM và ANSI-41 - Viện tiêu chuẩn quốc giaMỹ)

Các khuyến nghị nêu các thông số kỹ thuật của mỗi phương thức, trong đó phương thức trải phổ trực tiếp được gọi là W-CDMA.

Hình 1.1 Cấu hình giao diện vô tuyến IMT-2000

Hình 1.2 Kết nối giữa các giao diện vô tuyến và các mạng lõi

Băng tần IMT-2000

Băng tần cho IMT-2000 được quy định tại hội nghị quản lý vô tuyến thế giới 92 (WARC-92) vào năm 1992 Một giải phổ 230 Mhz trong băng tần 2

Giao diện vô tuyến mặt đất

IMT-2000 CDMA Trải phổ trực tiếp (3,84 Mc/s) IMT-2000 CDMA Đa sóng mang (3,6864 Mc/s) IMT-2000 CDMA TDD

IMT-2000 Sóng mang đơn IMT-2000 FDMA/TDMA

IMT-2000 CDMA trải phổ trực tiếp

IMT-2000 CDMA đa sóng mang

IMT-2000 CDMA TDD IMT-2000 sóng mang đơn

Kết nối linh hoạt giữa giao diện vô tuyến và mạng lõi

ANSI-41 tăng cường Cơ sở IPMạng lõi

Ghz (1885-2025 Mhz, 2110-2200 Mhz) đã được phân chia cho IMT-2000.Tuy nhiên, sự bùng nổ đối với nhu cầu thông tin di động và các xu hướng đã phương tiện trong thông tin di động đã khiến cho ITU-R dự đoán vào giữa năm 1999 và 2000 rằng tần số IMT-2000 sẽ trở nên không đủ trong tương lai gần Đặc biệt, ITU-R dự báo số thuê bao IMT-2000 sẽ đạt con số 200 triệu thuê bao trên toàn thế giới vào năm 2010, đồng thời, ITU-R cũng nhận thấy cần phải đảm bảo một băng tần chung toàn cầu để đạt được giá thành thấp hơn nhờ việc sử dụng chung các thiết bị đầu cuối IMT-2000 trên phạm vi toàn cầu và phát triển các chỉ tiêu kỹ thuật chung cho các thiết bị đầu cuối ITU-R ước tính rằng vào năm 2010 sẽ thiếu băng thông khoảng 160 Mhz cho các hệ thống thông tin mặt đất và 2x67 Mhz cho các hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới Để đáp ứng dự báo này, hội nghị thông tin vô tuyến thế giới 2000(WRC-2000) đã đề xuất dành các băng tần 800 Mhz (806-960 Mhz), 1,7 Ghz(1710-1885 Mhz) và 2, Ghz (2500-2690 Mhz) để sử dụng cho IMT-2000 trên thế giới trong tương lai, còn việc phân chia thích hợp và tần số trong các băng tàn này bởi mỗi quốc gia sẽ theo nhu cầu trong nước và các ứng dụng thương mại khác.

Giới thiệu chung về WCDMA

Đặc tính kỹ thuật

a Sử dụng hiệu quả phổ tần.

Bằng cách sử dụng lại tần số như trong CDMA làm cho hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống tăng, điều này còn có lợi cho khả năng tăng dung lượng của toàn hệ thống Tuy nhiên, khi tăng quá mức hệ số sử dụng lại tần số cũng làm ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ, điển hình là sẽ làm giao thoa giữa các kênh lân cận tăng Nhưng điều này có thể được khắc phục một phần nhờ vào khả năng điều khiển công suất trong CDMA cũng như trong WCDMA. b Điều khiển động các kênh tần số

Giống như CDMA cho phép các kênh lân cận nhau có thể dùng chung tần số, toàn bộ hệ thống sẽ không yêu cầu một kế hoạch cụ thể nào về sự phân chia hay cung cấp các kệnh này Điều này đối ngược hoàn toàn với các hệ thống TDMA hay FDMA. c Công suất phát thấp của MS

CDMA có thể cải tiến khả năng thu và giảm công suất phát của MS bằng độ thu RAKE và một số các chức năng khác Nhờ đó công suất đỉnh của mỗi bít trong CDMA là rất nhỏ, điều này kéo theo việc MS sẽ sử dụng pin được lâu hơn và nhiều giao thoa giữa các MS lân cận nhau là không đáng kể. d Sử dụng độc lập tài nguyên giữa đường lên đường xuống.

WCDMA có thể dễ dàng cung cấp một cấu trúc đường lên và xuống độc lập Ví dụ, trong hệ thống truy cập TDMA, rất khó để cấp phát các TS (khe thòi gian) giữa đường lên và xuống cho một user độc lập với các user khác. Nhưng trong CDMA thì khác, hệ số trải phổ có thể thiết lập sự khác biệt giữa đường lên và xuống cho mỗi người sử dụng Điều này cho phép sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách hợp lý và hiệu quả nhất. e Cung cấp tốc độ dữ liệu động

Một băng tần rộng thì hiển nhiên là để dùng truyền tốc độ cao Tuy nhiên nó cũng có thể được tích hợp một cách hiệu quả cho cả những dịch vụ có tốc độ truyền dữ liệu thấp hoặc cao Nó được thiết kế tối ưu cho khả năng này. f Tăng khả năng chống nhiều đa đường.

Bộ thu đa đường PAKE có thể thu một lúc nhiều đường tín hiệu đến và sau đó có thể so sánh và kết hợp những đường tín hiệu hợp pháp thành một đường tín hiệu có công suất lớn nhất. g Ghép kênh thống kê

Băng tần rộng có thể làm tăng tần số lượng người sử dụng bằng cách ghép bởi một sóng mang Tuy nhiên, dung lượng hệ thống có thể được tăng lên nhợ vào hiệu quả của việc ghép kênh thống kê trong hệ thống WCDMA. h Điều chỉnh tốc độ bit phù hợp và trạng thái của các thiết bị đầu cuối Điều này cho phép các thiết bị đầu cuối khác nhau có thể thâm nhập vào mạng Ngoài ra nó còn cho phép MS thu được toàn bộ bản tin trong khi đang trong chế độ cũng như trong chế độ standby nạp pin.

Giao diện vô tuyến cho 3G

Một trong những điều triển vọng nhất tiến đến gần hệ thống 3G là kết hợp đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (Wideband CDMA) với những mạng sẵn có của GSM Tất cả các tổ chức viễn thông cố gắng đạt được những yêu điểm của kỹ thuật vô tuyến WCDMA mà không bỏ đi những ưu điểm của mạng GSM sẵn có Những tiêu chuẩn nổi bật được dựa trên UMTS của ETSI và nó được trải phổ trên băng tần 5Mhz Chính độ rộng băng tần này đã dẫn đến khái niệm WCDMA. Ở đây ta xét hai khái niệm ghép song công khác nhau là:

FDD (Frequency Divesion Duplex) - Song công nhân chia theo tần số trong đó truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt, Ở FDD đường lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau Hệ thống được phân bổ một cặp băng tần riêng biệt.

TDD (Time Dvision Duplex) - Song công phân chia thời gian trong đó đường lên và đường xuống thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những khe thời gian luân phiên Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý được chia thành hai phần: phần phát và phần thu Thông tin đường xuống và đường lên được truyền dẫn luân phiên.

Khả năng làm việc ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.

Tiêu chuẩn WCDMA

Theo định nghĩa, băng thông của một hệ thống WCDMA là 5Mhz và có thể nhiều hơn Người lựa chọn băng thông như vậy vì một số lý do như sau:

Nó đủ để có thể cung cấp tớ đọ dữ liệu 144 và 384 Kbps (đây là các mục tiêu chuẩn của 3G) và có thể lên tới 2Mbps trong những điều kiện hợp lý. Băng thông bao giờ cũng khan hiếm, và người ta nên sử dụng nó 1 cách tiết kiệm nhất có thể Điều này đặc biệt quan trọng nếu hệ thống mới phải sử dụng tần số đã được cấp phát cho các hệ thống thế hệ 2 (2G) cũ.

Băng thông này có thể giải quyết được nhiều tín hiệu đa đường hơn các băng thông hẹp, và do đó tăng hiệu quả của hệ thống.

Các kiến nghị cho hệ thống WCDMA 3G có thể được chia thành 2 nhóm: mạng đồng bộ và mạng không đồng bộ Trong mạng đồng bộ, tất cả các trạm gốc được đồng bộ với nhau về thời gian Điều này dẫn đến một giao diện vô tuyến hiệu quả hơn nhưng đòi hỏi phần cứng giá thành cao hơn trong các trạm gốc Ví dụ, chúng ta có hể sử dụng các bộ thu hệ thống định vị toàn cầu (GPS) trong các trạm gốc để thực hiện được đồng bộ hoá Cho dù việc làm thực tế không đơn giản lắm Các bộ thu GPS cũng không thật sự cần thiết ở một số nơi nhủ trung tâm đô thị cao tầng hay là không khí trong nhà cửa chẳng hạn.

Ngoài ra, WCDMA còn có nhiều ưu điểm khác như là điều khiển công suất nhanh tỏng cả đường lên lẫn đường xuống và có khả năng biến đổi linh hoạt tỷ lệ bit, các tham số dịch vụ dựa trên cơ sở của chuỗi khung và trái phổ thay đổi.

Cũng giống như đề suất TTAII của Hà Quốc WCDMA của viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu và hội các doanh nghiệp và công nghiệp vô tuyến là không đồng bộ Còn các đề suất TTAI của Hàn Quốc và CDMA2000 bao gồm các mạng đồng bộ.

Kiến nghị của ETSI/ARIB là một kiến nghị cho hệ thống 3 G được ưa chuộng nhất Ở giai đoạn đầu, nó nhận được sự ủng hộ của Ericsson, Nokia và các công ty viễn thông lớn nhất của Nhật Bản, bao gồm cả NTT DoCoMo.

Về sau, nó cũng được các nhà sản xuất và châu Âu lựa chọn, và nó được đổi tên thành mạng truy cập vô tuyến mặt đất toàn cầu (UTRAN), chính xác hơn là chế độ song công phân chia theo tần số (FDD) của UTRAN Nó là 1 sự lựa chọn hấp dẫn đối với các nhà vận hành GSM sẵn có bởi mạng lõi của nó dựa trên bộ phận ứng dụng di động của GSM (GSM MAP) và việc đầu tư mới là thấp hơn so với các kiến nghị cho hệ thống 3G khác Điều này này có nghĩa là các dịch vụ của GSM sẽ có từ ngày đầu tiên của mạng UMTS mới Sẽ rất khó khăn để mà thuyết phục các khách hàng sử dụng mạng thế hệ 2.5G sẵn có chuyển sang sử dụng 3G mới nếu như các dịch vụ của mạng mới kém chất lượng hơn so với dịch vụ trong mạng 2.5G Các chi tiết kỹ thuật của kiến nghị này được phát triển sâu hơn bởi liên tiếp hiệp dự án các đối tác mạng thế hệ 3(3GPP)

Dự án đối tác (3GPP)

Song công phân chia theo thời gian

Nguyên lý cơ bản của chế độ FDD là các băng tần khác nhau được cấp phát hướng lên và hướng xuống nhưng trong chế độ TDD cả hướng lên và hướng xuống đều sử dụng cùng một sóng mang Một khe thời gian của khung TDD có thể được linh hoạt cấp phát cho hướng lên hoặc hướng xuống Bàn đề xuống WCDMA ban đầu của ETSI/ARIB chỉ dựa trên mỗi chế độ FDD Chế độ TDD được bổ sung vào hệ thống UTRAN sau đó trong quá trình hệ thống hoá các tiêu chuẩn Có một số lý do trong việc sử dụng hệ thống TDD Thứ nhất là về việc cấp phát phổ Phổ được cấp phát cho IMT-2000 là bất đối xứng mà có nghĩa là các hệ thống FDD không thể dùng toàn bộ đó bởi vì hiện nay nó đòi hỏi các băng tần đối xứng Do vậy, giải pháp rõ ràng nhất định là dành phần đối xứng của phổ đó cho hệ thống FDD và dành phần bất đối xứng cho hệ thống TDD Phổ tần đề nghị cấp phát cho UTRAN TDD là 1900-1920 Mhz và 2010-2025 Mhz Các giây phép 3G TDD được cấp phát ban đầu cho mỗi nhà vận hành TDD chỉ có thể có một sóng mang TDD mà thôi.

Do nhiều dịch vụ cấp phát bởi các mạng 3G đòi hỏi dung lượng truyền dữ liệu là bất đối xứng theo hướng lên và hướng xuống, khi mà hướng xuống thường yêu cầu băng thông rộng hơn hướng lên Một ví dụ có thể chứng minh điều này là dung lượng internet trên đường xuống có thể phải truyền hàng trăm Kbps đến thuê bao đang sử dụng Bởi vì dung lượng của TDD là không cố định theo hướng lên và hướng xuống, nó là một kỹ thuật hấp dẫn đối với các dịch vụ có tính chất đối xứng cao Trạm gốc có thể linh động cấp phát các khe thời gian cho hướng lên và hướng xuống tuỳ thuộc nhu cầu hiện tại.

Lý do thứ ba là TDD dễ điều khiển công suất hơn Ở chế độ TDD cả đường lên lãn đường xuống đều sử dụng cùng một tần số Do đó, các tính chất fading nhanh là giống nhau cho cả hai hướng Bộ phát TDD có thể dự tính điều kiện fading nhanh của một số tần số cụ thể dựa trên các trường hợp thu được Điều này có nghĩa là không cần điều khiển công suất đồng vòng đóng nữa và chỉ cần có điều khiển công suất vòng hở là đủ (sẽ đề cập ở chương sau) Tuy nhiên, điều khiển công suất vòng hở là dựa trên các mức tín hiệu và nếu như cần thiết phải biết được mức nhiễu thì chúng ta phải được thông báo bằng các thông tin báo hiệu.

Chính nhờ việc sử dụng kênh giống nhau này mà có thể dùng để đơn giản hoá sự đa dạng của anten Dựa vào chất lượng và mức tín hiệu hướng lên nhận được, mạng có thể lựa chọn trạm gốc mà giải quyết tốt nhất việc truyền thông tin theo hướng xuống cho trạm di động đang được hỏi Điều này đồng nghĩa là với việc sẽ có lượng tổng cộng ít hơn Cần lưu ý rằng không có chuyển giao mềm (SHO) trong chế độ TDD và tất cả cuộc chuyển giao đều được quy ước là chuyển giao cứng (HHO, giống như trong chuyển giao trong GSM).

Bởi vì chế độ TDD là một hệ thống TDMA, một thiết bị đầu cuối (UE) chỉ cần hoạt động tích cực (truyền hoặc nhận dữ liệu) trong một số khe thời gian mà thôi Luôn luôn tồn tại tộ số khe thời gian rỗi trong một khung và chúng có thể được dùng để cho đạc các trạm gốc và các hệ thống khác.

Hệ thống TDD cũng có nhược điểm Nhược điểm thứ nhất là về sự phát xung công suất TDD Tốc độc trạm di động càng cao thì khung TDD càng ngắn và do đó điều khiển công suất vòng hở nhanh có thể được sử dụng. Khoảng thời gian truyền ngắn như vậy sẽ dẫn đến nhiễu nghe thấy được tạo ra truyền xung cả bên trong máy đầu cuối lẫn từ thiết bị ngoài Hơn nữa, thời gian đòi hỏi cho nhiều thành phần khác cũng khít chặt hơn Cải hai nhược điểm này có thể được khắc phục, nhưng các giải pháp đó có thể đòi hỏi các thiết bị đắt tiền.

Băng thông sóng mạng được sử dụng trong URTA TDD là 5MHz, và tốc độ chip là 3.84 Mcps Cấu trúc khung là giống như chế độ FDD ở chỗ độ dài của một khung là 10MS, và nó có 15 khe thời gian (xem hình 1.3) Theo nguyên lý, mạng có thể cấp phát các khe thời gian này một cách tự do cho hướng lên và hướng xuống Tuy nhiên, ít nhất cũng phải dành 1 khe thời gian để cấp phát cho hướng lên và một khe thời gian cho hướng xuống Bởi vì sự liên lạc giữa một thiết bị người dùng (UE) và mạng lưới bao giờ cũng đòi hỏi một kênh trở lại.

Hình 1.3 Một vị trí của khung TDD

Các khe thời gian được cấp phát một cách độc chiếm cho một người dùng, giống như trong GSM Chế độ TDD là sự kết hợp của công nghệ TDMA và công nghệ CDMA, và mỗi khe thời gian có thể được truy cập tới

16 người dùng Các tín hiệu những người khác nhau chia sẻ cùng một khe thời gian có thể được tạo ra bởi vì chúng được điều chế bằng các mã hoá trực thể với mỗi người sử dụng Các số này có thể có hệ số trải phổ (SFbằng 1,2,4,8 hoặc 16 Tốc độ dữ liệu người dùng phụ thuộc vào hệ số trải phổ xác định Hệ số trải phổ bằng 1 cung cấp cho người dùng tất cả các tài nguyên của một khe thời gian, hệ số trải phổ bằng 2 cung cấp cho người dùng một nửa vùng tài nguyên, v.v Tuy nhiên, theo hướng xuống chỉ có hệ số trải phổ bằng 1 và 16 mới được cho phép Một người sử dụng vẫn có thể được tốc độ dữ liệu "trung gian" bằng cách sử dụng đa mã, tức là một người sử dụng có thể được cấp phát một số mã trải phổ có SF và được sử dụng một cách song song Cũng cần lưu ý rằng một người sử dụng có thể được cấp phát các hệ số trải phổ khác nhau theo hướng lên xuống khi có yêu cầu truyền dữ liệu bất đối xứng.

TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS11TS12TS13TS14

DL DL DL DL DL DL DL DL DL DL DL

Hệ thống TDD dễ bị nhiễu trong tế bào và giữa các tế bào và giữa các tế bào theo hướng lên và hướng xuống Vấn đề cơ bản là tại các tế bào gần kề cùng một khe thời gian có thể được cấp phát cho các hướng khác Có thể xảy ra trường hợp một EU cố gắng thu thông tin từ khe thời gian mà một UE gần đó phát trên cùng không gian đó Việc truyền thông tin như vậy sẽ làm tắc nghẽn một cách dễ dàng sự cố gắng thu thông tin của trạm EU đầu tiên Vấn đề này có thể khắc phục được nếu tất cả các trạm góc được đồng bộ hoá, và chúng đều sử dụng tính bất đối xứng giống nhau trong các đường truyền Tuy nhiên, làm như vậy sẽ tốn kém (các trạm gốc đồng bộ về thời gian), và cũng làm hạn chế khả năng sử dụng hệ hống (bất đối xứng cố định).

Với thực tế như vậy, có nhiều khả năng FDD sẽ được sử dụng để cung cấp vùng phủ sóng rộng, và TDD sẽ chỉ được hạn chế để bổ sung cho FDD ở những điểm nóng và trong toà nhà Một cách điển hình các tế bào TDD sẽ nằm trong các toà nhà nơi mà chúng có thể cung cấp tốc độ dữ liệu tài xuống cao và bản chất trong toà nhà của hệ thống này ngăn chặn nhiễu điển hình ở các hệ thống TDD.

Dự án đối tác 3G hai (3GPP2)

Giai đoạn đầu, 3GPP2 là một tổ chức tiêu chuẩn hoá 3G to lớn khác Tổ chức này xúc tiến hệ thống CDMA2000 mà cũng dựa trên một dạng của công nghệ WCDMA Trong thế giới 2GPP và thế giới 3GPP2 về mặt tiếp cận phát triển chi tiết kỹ thuật giao diện vô tuyết là ở chỗ 2GPP đã cố định rõ một giao diện vô tuyến hoàn toàn mới và không có ràng buộc nào từ các hệ thống cũ, còn 3GPP2 đã định nghĩa một hệ thống mà tương thích với các hệ thống IS-

95 Phương pháp tiếp cận như vậy là quan trọng bởi vì tại Bắc Mỹ, các hệ thống IS-95 đã và đang sử dụng các băng tần cấp phát cho hệ thống 3G bởiHội thảo quản lý vô tuyến toàn cầu (WARC) Chúng ta có thể dễ dàng hơn trong việc chuyển sang 3G nếu như hệ thống CDMA2000 cũng sử dụng mạng lõi giống như IS-95, cụ thể là IS-41 mà thực sự nó là một chuẩn của ANSI: TIA/EIA-41).

Tốc độ chip trong CDMA2000 là không cố định như trong UTRAN Nó sẽ là bội (có thể đến 12 lần của 1.2288 Mcps, mà có thể cung cấp tốc độ tối đa là 14.7456 Mcps Trong pha đầu của CDMA2000, tốc độ tối đa là 3 lần của 1.2288 Mcps, Tức là 3.6884 Mcps Và như chúng ta có thể thấy, tốc độ này là quan sát với tốc độ con chip của UTRAN Tuy nhiên, rất có thể tốc độ 3x sẽ không xuất hiện tại vì 1xEV-DO (IS-856) có vẻ đã thoả mãn nhu cầu mà 3x có thể cung cấp được.

Trong chi tiết kỹ thuật của hệ thống CDMA2000, đường xuống được gọi là đường thuật ngữ quy ước này Thành phần sóng mang của CDMA2000 theo đường thuận và được ngược có thể khác nhau Theo đường thuận, cấu hình đa sóng mang luôn luôn được sử dụng (xem hình 1.4) Trong cấu hình này, một số sóng mang băng kẹp (1.25MHZ) được bó lại với nhau Mục đích ban đầu của CDMA2000 là để tạo ra một hệ thống với 3 mang như vậy (chế độ 3x) Các mạng này có băng thông giống như sóng mang IS-95 Cũng có thể chọn các mã trong CDMA2000 sao cho chúng trực tiếp giai với các mã trong IS-95 Ở đường liên kết ngược, cấu hình trải phổ trực tiếp sẽ được sử dụng Trong trường hợp này, toàn bộ băng thông liên kết ngược có thẻ được cấp phát cho một sóng mang băng thông trải phổ trực tiếp Ví dụ, một băng thông 5MHz có thể chưa được một sóng mang 3.75MHz cộng với băng tần bảo vệ 625 KHz Trường hợp này có thể được sử dụng nếu một nhà vận hành có một giải phổ 5 MHz Hệ thống CDMA2000 này không sử dụng đường liên kết ngược đồng hồ về thời gian, và do đó không thể dùng các mã trực giao với mã của các hệ thống IS-95 Do đó, việc chia cắt sóng mang băng rộng thành một số sóng mang băng hẹp sẽ không mang lịa lợi ích gì Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong trường hợp của chế độ 1x (giai đoạn đầu của quá trình phát triển CDMA2000), chỉ có duy nhất một sóng mang 1.25MHz trong trường hợp liên kết ngược, và do đó các cấu trúc đa sóng mang và trải phổ trực tiếp có thể có ý nghĩa giống nhau Nói rộng hơn 1xEV-DO thoả mãn sự mong đợi của nó, và rất có thể chế độ sóng mang đơn sẽ tiếp tục phát triển

Hình 1.4 Các loại sóng mang của CDMA2000

Quá trình phát triển từ một hệ thống IS-95A thành một hệ thống CDMA2000 đầy đủ, tức là CDMA2000 3xRTT, có thể có nhiều dạng khác nhau (xem hình 1.5) Bước đầu có thể là IS-95B, mà có thể làm tăng tỷ lệ dữ liệu từ 14.4 Kbps đến 64 Kbps Tuy nhiên, nhiều nhà vận hành IS-95 đã chuyển sang hệ thống CDMA2000 1xPTT Một lần nữa các hệ thống 1xRTT có bốn mức Cái đầu tiên được gọi là 1xRTT Relesae 0, hoặc đơn giản là 1xRTT Phiên bản này có thể cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh bằng 144 Kbps. Cái tiếp theo là 1xRTT release A mà có thể cung cấp tốc độ dữ liệu đến 384 Kbps Chuẩn 1xEV-DO là một hệ thống đầu tiên mà có thể được coi như là một hệ thống 3G theo cơ quan viễn thông quốc tế (ITU) Cả hai mức trước chủ là 2.5G Hệ thống này có thể cung cấp tốc độ dữ liệu 2 Mbps Pha cuối cùng (cho đến thời điểm này) của 1xRTT là 1xE-DV Hệ thống này vẫn đang được phát triển và nó tương thích với sự nâng cấp HSDPA trong các hệ thống 3GPP Tốc độ dữ liệu đỉnh có thể lên tới 5 Mbps Lưu ý rằng con số này đã là

K ho ản g bả o vệ K ho ản g bả o vệ K ho ản g bả o vệ

625KHz 1,25MHz 1,25MHz 1,25MHz 625KHz 625KHz 3,75MHz 625KHz

5MHz 5MHz lớn hơn tốc độ dữ liệu đỉnh dự định của hệ thống CDMA2000 3xRTT Cho đến nay, người ta vẫn chưa thể khẳng định rõ liệu các nhà vận hành CDMA2000 thực sự chú ý đến sự phát triển của hệ thống đa sóng mang nữa hay không, nếu hệ thống sóng mang đơn có thể cung cấp một kết quả tương ứng, hệ thống 1xRTT dễ triển khai hơn tại vì các sóng mang của nó có thể đối chiếu một -một với các sóng mang của hệ thống IS-95 Trong mỗi trường hợp, một nhà vận hành IS-95 không cần thiết khai tất cả các quá trình phát triển này khi nâng cấp mạng lưới của mình Một số trong các pha này cso thể, và sẽ, bị bỏ qua.

Có hai loại kênh trong hệ thống CDMA2000 Cũng giống như UTRAN kênh vật lý tồn tại trong giao diện vô tuyến, và nó được định nghĩa bởi một tần số và một mã trải phổ Các kênh logic tồn tại trên các kênh vật lý Chúng định nghĩa loại dữ liệu được truyền kênh vật ly Một số kênh chuyển logic có thể được sắp xếp trên một kênh vật lý Trong CDMA2000 không có khái niệm về kênh chuyển tải và chố đó là được thay bằng các kênh vật lý.

Các thành viên của 3GPP2 bao gồm: ARIB, CWTS, TIA, TTA, và TTC.Mặc dù có một số tính chất chung trong hệ thống 2GPP và 3GPP2 và cả hai đều thuộc tổ chức điều hợp IMT-2000, về kỹ thuật chúng không tương thích với nhau Nhóm hoà hợp các nhà vận hành (OHG) cố gắng kết hợp các hệ thống này Mục đích của tổ chức này không phải đưa ra một chi tiết kỹ thuật chung cho cả hai bởi đó là một nhiệm vụ quá tham vọng và không thể thực hiện nổi Mục đích của tổ chức này chỉ nhằm tạo điều kiện cho công việc của công nghệip viễn thông và của các nhà vận hành trở lên dễ dàng hơn một chút Ví dụ, nếu một số tham số vận hành cụ thể trong hai hệ thống này đủ gần sát với nhau, người ta có thể sử dụng các thành phần giống nhau cho các thiết bị của hai hệ thống.

Hình 1.5: Quá trình phát triển của CDMA2000

Với nhu cầu về mặt kỹ thuật cũng như chất lượng dịch vụ viễn thông của người sử dụng, đòi hỏii các nhà cung cấp phải đẩy nhanh quá trình phát triển hệ thống 3G-WCDMA, được gọi là Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) Với những đặc tính kỹ thuật cao như: sử dụng hiệu quả phổ tần, sử dụng hiệu quả tài nguyên giữa đường lên và đường xuống, cung cấp tốc độ dữ liệu động, tăng khả năng chống nhiễu ra đường, điều chỉnh tốc độ bít phù hợp với trạng thái của thiết bị đầu cuối cho nên công nghệ 3G-WCDMA là một công nghệ rất tốt so với công nghệ GSM.

CẤU TRÚC MẠNG W-CDMA

Tổng quan kiến trúc mạng

Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần: mạng lõi (N) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, tong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng với hệ thống Từ quan điểmk chuẩn hoá, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầuk trên cơ sở công nghệ GSM.

Hình 2.1 Cấu trúc của UMTS

UE UTRAN CN mạng Các

Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống UE gồm hai phần:

- 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 minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thức, lưu giữ các khoá nhận thức và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.

UTRAN (UMTS Terestrial 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 Iup và Uu.

Nó cũng tham gia quản lý tài liệu vô tuyến.

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở tong vùng (các nút B được kết nối với nó). RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.

- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này bao gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.

MSC/VLR (Mbole Services Switching Center/Vistor Location Register):

Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.

- 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 dịch vô tuyến

- Giao diện CU: Là giao diện giữa kẻ 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 mà qua đó UE truy cập các phần tử có định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.- Giao diện IU: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.

- Giao diện IUr: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNCkl 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 hoá như là một giao diện mở hoàn toàn.

Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến (Radio NetworkSubsystem) Một RNS gồm một số điều khiển mạng vô tuyến RNC và các node B Các RNC được kết ối với nhau bằng giao diện Iur và kết nối với nodek B bằng giao diện Iub.

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

- UTRA phải hỗ trợ tốc độ số liệu cao, ít nhất là 384kbps trong vùng phủ sóng lớn và 2Mbps trong nhà hoặc vùng phủ sóng tầng thấp.

- UTRA cũng phải hỗ trợ các dịch vụ ở mức độ lĩnh hoạt cao như các dịch vụ chuyển mạch gói hoặc chuyển mạch kẽm Phải hỗ trợ nhiều tốc độ truyền Đa dịch vụ trên một kết nối cũng là một dịch vụ cần phải được hỗ trợ.

- UTRA phải mạnh hơn GSM về mặt dung lượng

- UTRA phải cung cấp các chức năng để hỗ trợ hai chế độ cùng tồn tại song song với GSM.

2.2.2 Kiến trúc mạng vô tuyến UTRAN.

Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN bao gồm hai hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến (RNS: Radio Network Subsystem), có nghĩa là RNS là một mạng con trong mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Mỗi một RNS bao gồm các Nút B (Node B) và một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controler), mỗi RNC có thể kết nối với một hay nhiều Node B Các node B được kết nối với RNC thông qua giao diện Iub và các RNC được kết hợp với nhau thông qua giao diện Iur Kiến trúc UTRAN được mô tả hình 2.2. Chức năng của các phân tử trong hệ thống con mạng vô tuyến:

Nút B (NodeB): Chức năng chính của node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến như mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ Nó cũng thực hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong Về phần chức năng nó giống như trạm gốc củ GSM Node B còn dùng để chuyển đổi dòng dữ liệu giữa các giao diện Iub và

Uu Do đó, chức năng chủ yếu của Nút B là thực hiện xử lý hợp lý vật lý của giao diện vô tuyến (mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ, điều khiển công suất ) Ngoài ra, nút B còn tham gia khai thác và quản lý tài nguyên vô tuyến.

Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC): là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN RNC giao diện với mạng lõi và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa UE và UTRAN) RNC là điểm truy nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi, chẳng hạn như quản lý tất cả các kết nối đến UE RNC điều khiển một nút B cho trước được xem như RNC điều khiển (CRNC) CRNC chịu trách nhiệm điều khiển tài và ứ nghẽn cho các ô của mình Khi một kết nối UE-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt.

RNC phục vụ (Serving RNC): SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cả đường lối Iu để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ mạng lõi SRNC cũng là kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến Nó thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến SRNC cũng là CRNC của một node B nào đó được sử dụng để MS kết nối với UTRAN.

RNC trôi (Drift RNC): DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các ô được MS sử dụng Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân tập vĩ mô DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ định tuyến số liệu giữa các giao diện Iub và IUr Một UE có thể có hoặc có một hay nhiều DRNC.

Giao diện vô tuyến

Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng mà chỉ định giao diện giữa các phần logic Cấu trúc giao diện được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic Cấu trúc giao diện được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với nhau, điều này cho phép thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữa nguyên các loại còn lại.

Hình 2.3 Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến (UTRAN)

Giao diện IU là một giao diện mở có chức năng kết nối UTRAN với CN.

Iu có hai kiểu: Iu CS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh và Iu PS để kết nối UTRAN với chuyển mạch gói.

IU CS sử dụng phương thức truyền tải ATM trên lớp vật lý và kết nối vô tuyến, cáp quang hay cáp đông Có thể lựa chọn các công nghệ truyền dẫn khác nhau như SONET, STM-1 hay E1 để thực hiện lớp vật lý.

Ngăn xếp giao thức phía điều khiển: Gồm RANAP trên đỉnh giao diện SS7 băng rộng và các lớp ứng dụng là phần điều khiển kết nối báo hiệu

Phía người sử dụng mạng truyền tải

Phía người sử dụng mạng truyền tải

Phía điều khiển mạng truyền tải

SCCP, phần truyền bản tin MTP3-b, và lớp thích ứng báo hiệu ATM cho các giai diện mạng SAAL-NNI.

Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải: Gồm các giao thức báo hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630) và lớp thích ứng Q.2150 ở đỉnh các giao thức SS7 băng rộng.

Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng: Gồm một kết nối AAL2 được dành trước cho từng dịch vụ CS.

Phương thức truyền tải ATM được áp dụng cho cả phía điều khiển và phía người sử dụng.

Ngăn xếp giao thức phía điều khiển IUPS: Chứa RANAP và vật mang báo hiệu SS7 Ngoài ra cũng có thể định nghĩa vật mang báo hiệu IP ở ngăn xếp này Vật mang báo hiệu trên cơ sở IP bao gồm: M3UA (SS7 MTP3 User Adaption Layer), SCTP (Simple Control Transmission Protocol), IP (Internet Protocol) và ALLL5 chung cho cả hai tuỳ chọn.

Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải IUPS: Phía điều khiển mạng truyền tải không áp dụng cho IU PS Các phần tử thông tin sử dụng để đánh địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 giống như các phần tử thông tin được sử dụng trong CS.

Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng IU PS: Luồng số liệu gói được ghép chung lên một hay nhiều AAL5 PVC (Permanent Virtual Connection).Phần người sử dụng GTP-U là lớp ghép kênh để cung cấp các nhận dạng cho từng luồng số liệu gói Các luồng số liệu sử dụng truyền tải không theo nối thông và đánh địa chỉ IP.

2.3.2.Giao diện RNC-RNC, I Ur

IUr là giao diện vô tuyến giữa các bộ điều khiển mạng vô tuyến Lúc đầu giao diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trong quá trình phát triển tiêu chuẩn nhiều tính năng đã được bổ sung và đến nay giao diện IUr phải 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 vô tuyến toàn cầu

2.3.3 Giao diện RNC - Node B, I Ub

Giao thức IUb định nghĩa cấu trúc khung và các thủ tục điều khiển trong băng cho các từng kiểu kênh truyền tải Các chức năng chính của IUb:

Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng.

Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vô tuyến.

Xử lý các kênh riêng và kênh chung.

Xử lý kết hợp chuyển giao

Quản lý sự cố kết nối vô tuyến.

Chương này đã giới thiệu được công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạng W-CDMA, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN và giao diện vô tuyến. Mạng W-CDMA triển khai trên nền tảng mạng GSM nên căn cứ vào đó để thiết kế triển khai kiến trúc phần cứng của mạng sao cho là tối ưu nhất.

CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG W - CDMA

Mã hoá trong W - CDMA

Có ba loại mã kiểm soát lỗi được sử dụng trong W - CDMA là: mã khối tuyến tính hay cụ thể là mã CRC, mã xoắn và mã turbo Trong đó mã CRC được sử dụng để phát hiện lỗi, còn hai mã còn lại dùng để sửa lỗi (mã hoá kênh) Trong phần này ta sẽ xét nguyên lý cơ bản của các loại mã trên và các ứng dụng của nó trong W - CDMA.

Mã khối là bộ mã hoá chia dòng thông tin thành những khối tin (message) có k bit Mỗi tin được biểu diễn bằng một khối k thành phần nhị phân u = (u1, u2 , un), u được gọi là vector thông tin Có tổng cộng 2 k vector thông tin khác nhau Bộ mã hoá sẽ chuyển vector thông tin u thành một bộ n thành phần v = (v1, v2, , vn) được gọi là từ mã Như vậy ứng với 2 k vector thông tin sẽ có 2 k từ mã khác nhau Tập hợp 2 k từ mã có chiều dài n được gọi là một mã khối (n,k) Tỉ số R = k/n được gọi là tỉ số mã, R chính là số bit thông tin đưa vào bộ giải mã trên số bit được truyền Do n bit ra chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin vào, bộ giải mã không cần nhớ và có thể được thực hiện bằng mạch logic tổ hợp Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính.

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

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

(1) Nhân đa thức thôngtin 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).

* Sơ đồ mạch mã hoá vòng:

Hình 3.1: Mạch mã hoá vòng với đa thức sinh g(x) = 1 + g 1 x + g 2 x 2 + … + g n-k-1 x n-k-1 + x n-k

Bước 1: Cổng đóng cho thông tin qua mạch, k chữ số thông tin u0, u1, , un-k 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 thì n-k chữ số còn lại trong thanh ghi là những con số kiểm tra chẵn lẻ.

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

Thông tin x n+x u(x) Các số kiểm tra chẵn lẻ Một khâu của thanh ghi dịch

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

Bước 3: Dịch các con số kiểm tra chẵn lẻ và đưa ra đường truyền CÁc chữ số kiểm tra này kết hợp với k chữ số thông tin tạo thành vector mã.

Mã xoắn (Convolutional Code) (n,k,m) cũng có n đầu ra, k đầu vào như mã khối (n,k) nhưng n đầu ra của mã xoắn phụ thuộc không chỉ vào k đầu vào tại thời gian đó mà còn phụ thuộc vào m khối bản tin trước đó Mã xoắn (n,k,m) được xây dựng bởi mạch dãy Mạch này dùng 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 nên chuỗi mã, sau đó các chuỗi này được ghép xen với nhau để tạo nên chuỗi mã đầu ra.

Mã hoá Turbo chỉ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba khi hoạt động ở tốc độ bit cao với yêu cầu tỉ số lỗi bit BER nằm trong khoảng 10 -3 đến 10 -6 Bộ mã hoá turbo thực chất là bộ mã xoắn móc nối song song PCCC (Parallel Concatenated Code) với các bộ mã hoá thành phần

8 trạng thái được sử dụng.

Điều chế BIT/SK và QPSK

Trong một hệ thống điều chế BIT/SK (BPSK - Binary Phase Shift Keying) cặp tín hiệu s1 (t) vá s2 (t) được sử dụng để biểu diễn các giá trị nhị phân Ta có

Tb: Độ rộng băng thông

Eb: Năng lượng của một bit.

(t): 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.

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK

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.:

Khoảng cách giữa hai tín hiệu:

Hình 3.3 Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSK

Xác xuất lỗi trong BPSK:

Với Eb: Là năng lượng của bit.

N0: Mật độ xác suất nhiễu trắng

Luồng số cơ hai NRZ

Tín hiệu điều chế QPSK có dạng:

Eb: Năng lượng một bit.

Tb: Thời gian một bit.

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

T: 2Tb: Thời gian của một ký hiệu. fc: 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:

Nếu ta chọn Q1 và Q2 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 toạ độ xác định như sau:

Quan hệ của cắp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chếQPSK trong không gian tín hiệu thể hiện ở bảng sau:

Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu S1

Toạ độ các điểm tín hiệu

Bảng 3.1 Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín dụng điều chế QPSK trong không gian tín hiệu.

Xác suất lỗi trong QPSK: Pe, QPSK 0

Ta thấy xác suất lỗi của BPSK và QPSK là như nhau Tuy nhiên, với QPSK thì hiệu suất băng không gấp 2 lần BPSK Băng không của QPSK xấp xỉ bằng Rb.

Cơ sở lý thuyết trải phổ trong W - CDMA

Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấp nhiều lần độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền thông tin đi Sự trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ được coi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu Tại phía thu, việc nén phổ (khôi phục tại thông tin ban đầu) được thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao đồng bộ của mã trải phổ sử dụng ở phía phát.

Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đề được quan tâm hàng đầu Các hệ thống được thiết kế sao cho độ rộng băng tàn càng nhỏ càng tốt Trong W - CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu,phương pháp đã truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ Đối với các hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng trước khi được phát Tuy độ rộng băng tần tăng lên rất nhiều nhưng lúc này nhiều người sử dụng có thẻ dùng chung một băng tần trải phố, do đố mà hệ thống vẫn sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng được các ưu điểm của trải phổ Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ biến bên máy phát.

Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau:

- Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum): Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giải ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit.

- Trải phổ nhảy tần (EHSS: Frequency Hopping Spreading Spectrum):

Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số.Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên Tần số trong khoảng thời gian một chp TC được cố định không đổi Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại.

- Trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time Hopping Spreading Spectrum): Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quảng trong một hay nhiều khe thời gian Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung.

Trong hệ thống DSSS, tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu bằng cách nén phổ Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu phổ rộng, công suất thấp giống tạp âm Trong các hệ thốngFHSS và THSSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã ngẫu nhiên sao không có cặp máy phát nào dùng chung tần số hoặc khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh bị xung đột Nói cách khác DSSS là kiểu hệ thống lấy trung bình, FHSS và THSS là kiểu hệ thống tránh xung đột Hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA chỉ sử dụng DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phố DSSS.

3.2.2 Nguyên lý trải phổ DSSS

Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS: Direct Sequene Spreading Sperctum): Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit.

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

Trong đó: RC: Tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên.

TC: Thời gian một chip.

Tb: Thời gian một bit

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) 3.3.3 Mã trải phổ

Các tín hiệu trải phổ băng rộng được tạo ra bằng cách sử dụng các chuỗi mã giải tạp âm PN (Pseudo Noise) Mã giả tạp âm còn được gọi là mã giả ngẫu nhiên do có tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) và có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định Tuy nhiên máy thu cần biết mã này để tạo bản sao một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để giải mã bản tin Vì thế mã giả ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định

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

T b = T n Đến bộ điều chế si(j): là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i gi = 0: khoá mở, gi = 1: khoá đóng

Hình 3.5 Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PX

Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính bậc m (m >0). g(x) = gmx m + gm-1x m-1 + + g1x + g0 (với gm = g0 = 1) (3.12) x m : Đơn vị trễ

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

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

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) g m-1

=> Si(m) = g1.Si-m(1)+ g2Si-m(2)+ + Si-m(m) (3.14) Áp dụng công thức (3.13), ta có:

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

Tốc độ của mạch như trên bị hạn chế về tốc độ do tổng thời gian trễ trong các thanh ghi và các cổng loại trừ ở đường hồi tiếp Để hạn chế thời gian trễ, nâng cao tốc độ của mạch tạo mã ngẫu nhiên ta có thể sử dụng sơ đồ mạch sau:

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

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

Các hàm trực giao

Các hàm trực giao được sử dụng để cải thiện hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống DSSS Trong hệ thống thông tin di động W - CDMA mỗi người sử dụng một phần tử trong các hàm trực giao Hàm Walsh là các chuỗi

Hadamard tạo nên một tập các hàm trực giao Trong W - CDMA các hàm Walsh được sử dụng theo hai cách là mã trải phổ hoặc các ký hiệu trực giao. Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trận vuông đặc biệt được gọi là các ma trận Hadamarad Các ma trận này chứa một hàng toàn bit"0", các hàng còn lại có số bit "1" và số bit "0" bằng nhau Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N= 2 j , trong đó j là một số nguyên dương.

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

Trong đó H N là đảo cơ số hai của HN

Kỹ thuật trải phổ trong W - CDMA

Trải phổ nghĩa là biến đổi độ rộng băng tín hiệu ban đầu ra tín hiệu có băng thông rộng hơn Hình sau minh hoạ kết quả tín hiệu sau trải phổ.

Hình 3.7 Kết quả tín hiệu sau trải phổ

Tín hiệu gốc - băng thông hẹp

Tín hiệu trải phổ - băng thông rộng

Công suất tín hiệu lớn

3.5.1 Mã trải phổ trong WCDMA

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

Hình 3.8 Các bước trải phổ tín hiệu trong W - CDMA

Tùu thuộc vào loại tín ở đường lên hay ở đường xuống mà các ngẫu nhiên và mã hoá định kênh có vai trò khác nhau. Đối với đường xuống:

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

- Mã định kênh: Mã này sẽ được cấp phát để phân biệt các kênh dùng trong cell này Các kênh trong một cell không được dùng chung mã Nhưng cá cell khác nhau có thể dùng chung các mã này (vì các cell đã được phân biệt bởi mã ngẫu nhiên). Đối với đường lên:

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

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

Hình 3.9 Vai trò của mã ngẫu nhiên và mã kênh trong

Khái niệm trải phổ đã được đề cập ở trên Ngoài trải phổ một bộ phận của máy phát trong W - CDMA sẽ thực hiện việc ngẫu nhiên hoá quá trình này cần thiết để phân biệt các UE và các BS Ngẫu nhiên hoá được thực hiện thêm chính vì vậy nó không làm thay đổi độ rộng băng tần nhưng cho phép phân biệt các tín hiệu từ các nguồn khác nhau Mã ngẫu nhiên (Scramble code) có độ dài cố định là 38.400 chip được sử dụng trong khác khung dữ liệu 10ms Mã này được dùng ở cả hai hướng đường lên và đường xuống.

3.5.2.1 Mã ngẫu nhiên đường xuống

Bộ tạo mã dài ngẫu nhiên đường xuống có thể cung cấp tổng số mã lên tới 2 18 - 1= 262.143 mã và được đánh số từ 0 - 262.142 Tuy nhiên hệ thống không thể dùng hết các mã này vì như vậy sẽ dẫn đến UE rất khó khăn trong việc chọn ô.

Do đó các mã dài đường xuống được cắt ngắn cho phù hợp với khung 10ms Số mã còn lại sẽ là 8.192 mã được đánh số từ 0- 8.192 Các mã này sẽ được rút gọn xuống còn 512 nhóm, mỗi nhóm có 16 mã Trong 16 mã này lại được phân loại ra 2 loại Mã đầu tiên sẽ gọi là mã sơ cấp 15 mã còn lại sẽ gọi là mã thứ cấp Hệ thống sẽ sử dụng mã sơ cấp này để gán cho các BS.

Downilnk: Nhận dạng cell Uplink: Sử dụng phân biệt các thuê bao

Downilnk: Phân biệt các kênh trong mỗi cell Uplink: Phân biệt các kênh được sử dụng bởi uer

Như vậy sẽ có 512 mã ngẫu nhiên được cấp phát cho các BS Với 512 mã này sẽ không đủ để cấp cho mỗi BS một mã riêng trong toàn hệ thống Do đó cần phải quy hoạch tái sử dụng mã này dể cấp phát lại. Để thuận tiện cho quá trình quy hoạch cũng như giúp thuê bao tăng tốc độ tìm kiếm cell thì 512 mã này sẽ được chua thành 64 nhóm mã (8mã /nhóm).

Nhóm mã Mã sơ cấp Mã thứ cấp

Số thứ tự nhóm mã sơ cấp Số mã sơ cấp trong mỗi nhóm mã

Bảng 3.2 Mô tả phân chia 8191 mã ngẫu nhiên thành nhóm mã/mã sơ cấp/mã thứ cấp

Cấu tạo mã ngẫu nhiên đư ờng xuống

Các chuỗi tạo mã ngẫu nhiên được tạo ra bằng cách kết hợp hai chuỗi thực và chuỗi phức.

Chuỗi thực S I long, n (i) được xây dựng trên cơ sở chuỗi mã Golf C long, n (i) Còn chuỗi phức S Q long,n(i) là bản dịch 131072 chip của chuỗi mã Gold nói trên.

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

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

3.5.2.2 Mã ngẫu nhiên đường lên

Bộ tạo mã ngẫu nhiên đường lên có thể tạo ra 2 24 (16.777.216) mã được dùng để phân biệt các UE với nhau Vì số lượng mã này là rất lớn nên không cần thiết lập quy hoạch sử dụng mã này.

Mã định kênh sử dụng ở giao diện vô tuyến được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật hệ số phải trả biến trực giao OSVF (Orthogonal Variable Speading Factor).

Tín hiệu sau khi được mã hoá định kênh sẽ có tốc độ được tính theo

"chip", và tốc độ của nó sẽ là 3.840Mchip. Độ dài của mã OSVF không cố định khi được sắp xếp cho các kênh Độ dài của mã này trong khoảng 4 chip - 512 chip tuỳ thuộc vào tốc độ truyền của dữ liệu cần chuyền Khi truyền dữ liệu tốc độ cao, thì hệ số trải phổ SF sẽ nhỏ và ngược lại

Nếu dịch vụ HSDPA được sử dụng, dịch vụ này có khả năng sử dụng tối đa 15 kênh vô tuyến, nghĩa là nó dùng tối đa 15 mã định kênh Khi đó chế độ truyền dẫn đa mã sẽ được sử dụng với cùng SF (hệ số trải phổ - tốc độ trải phổ)

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

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

Bảng 3.3: Một số tương quan giữa tốc độ người dùng và tốc độ trải phổ

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

Cấu tạo mã đ ịnh kênh:

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

Trong đó: + i là chiều dài mã (SF)

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

Công thức của mã này là:

    Độ lớn của "i" là tốc độ trải phổ SF nhận giá trị từ 2 - 256

 SF = 2 thì mã PSVF se là (1,1) và (1,-1)

 SF = 4 thì mã OSVF sẽ là (1,1,1,1); (1,1,-1,-1); (1,-1,1,-,1); (1,-1,-1,1)

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

Hình 3.10 Cấu trúc cây mã của mã định kênh

Khi truyền dẫn từ một nguồn, từ hoặc một UE hay BS, một cây mã được sử dụng cùng với một mã ngẫu nhiên hoá ở đỉnh cây: Nghĩa là các UE khác nhau và các BS khác nhau có thể sử dụng các cây mã hoàn toàn độc lập với nhau, không cần thiết phải kết hợp sử dụng tài nguyên cây mã giữa các UE và

Chú ý: Nếu một thuê bao đã đùng mã C2,1 = (1,1) thì không thuê bao nào được phép dùng các mã liên quan dược sinh ra từ nó nữa ( ví dụ các mã trong hình vuống nét đứt) vì khi tốc độ dữ liệu này thay đổi, thuê bao dùng mã này sẽ dùng các mã còn lại tương ứng với sự thay đổi đó.

Cấu trúc phân kênh của WCDMA

Lớp vật lý ảnh hưởng đến sự phức tạp của thiết bị về mặt đảm bảo khả năng sử lý băng tần cơ sở cần thiết ở trạm gốc và trạm đầu cuối Trên quan điểm các hệ thống thông tin di động thế hệ ba là các hệ thống băng rộng, vì vậy không thể thiết kế lớp vạt lý chỉ cho một dịch vụ thoại duy nhất mà cần đảm bảo tính linh hoạt cho các dịch vụ tương lai

Kênh vô tuyến trong WCDMA được phân thành 3 loại:

Kênh logic được dùng giữa RLC và MAC (tất cả thuộc lớp 2)

Kênh truyền dẫn: Được dùng giữa MAC và lớp vật lý

Kênh vật lý: Dữ liệu được truyền trên kênh vật lý và được chế vào tín hiệu vô tuyến giữa UE và BS

Trong đồ án này sẽ tập trung vào giới thiệu các kênh vật lý Đây là những kênh quan trọng nhất trong hệ thống WCDMA.

Hình 3.11 Sơ đồ phân lớp kênh trong W-CDMA

3.6.1.Cấu trúc kênh vô tuyến

Trong các kênh vô tuyến, có một số kênh được truyền từ RLC tới lớp vật lý và dùng chung một kênh vật lý như kênh S-CCPCH Cũng có một số kênh được tạo ra chỉ dung bởi lớp vạt lý như SCH, CPICH, PICH…

Kênh lưu lượng Kênh điều khiển Kênh lưu lượng Kênh điều khiển

BCH FACH PCH HS-DSCH

Hình 3.12 Các kênh vô tuyến trong WCDMA

Kênh logic được sắp xếp bởi lớp RLC tuỳ thuộc vào chức năng của tín hiệu yêu cầu của lớp trên

Kênh logic được dùng để truyền dữ liệu giữa RLC và MAC

Kênh logic được chia thành hai loại: kênh điều kênh và kênh lưu lượng.

Hình 3.13 Mối quan hệ kênh logic và kênh truyền dẫn Kênh Đ iều khiển

Truyền thông tin của lớp điều khiển:

BCCH Broadcast Control Channel Đây là kênh dowlinh Phát quản bá thông tin điều khiển cho các thuê bao Cell PCCH Paging Control Channel Đây là kênh downlink Truyền thông tin tìm gọi cho các user trong cell CCCH Common control channel Kênh hai chiều Kênh này truyền thông tin điều khiển giữa mang và UE Các UE dùng kênh này khi chưa được thiết lập kết nối với lớp trên (RRC) Kênh riêng Mô tả

Kênh lôgic Kênh truyền dẫn

FACHRACHHS-DSCHMAC

DCCH Dedicated Control Channel Kênh hai chiều

Dùng để truyền thông tin điều khiển rành riêng giữa mạng và người dùng kênh DCCH để thiết lập kết nối với lớp trên

Bảng 3.4 Kênh logic điều khiển Kênh l ư u l ư ợng

Truyền thông tin của người dùngi dùng

CTCH Common Traffic Channel Đây là kênh downlink. truyền dữ liệu cho tất cả các UE hoặc một UE xác định.

Hệ thống cho phép sử dụng kênh này vào mục đích kết nối point to multi point

DCH Dedicated Channel Kênh dành riêng Kênh hai chiều.

Dùng để truyền dữ liệu cho người dùng

Bảng 3.5 Kênh logic lưu lượng

3.6.1.2 Cấu trúc kênh truyền tải

Kênh này nằm giữa kênh logic và kênh vật lý Nó truyền dữ liệu giữa lớp

2 và lớp vật lý Dữ liệu từ kênh logic được chia thành các khối truyền đi trên kênh truyền dẫn Các dữ liệu này sau đó được ghép kênh vào các kênh vật lý để phát trong giao diện vô tuyên và ngược lại ạic l i

BCH Broadcast Channel Đây là kênh downlink Phát quảng bá thông tin điều khiển cho các thuê bao trong

Cell riêng biệt hoặc trong toàn bộ hệ thống.

PCH Paging channel Đây là kenh downlink Truyền thông tin tìm gọi cho các user trong cellFACH Forward Access channel: Kênh truy nhập nhanh.

Kênh đường xuống Truyền dữ liệu điều khiển và data người dùng trong toàn bộ cell RACH Random Access Channel: Kênh truy cập ngẫu nhiên.

Kênh đường lên Kênh này truyền tín hiệu điều khiển và dữ liệu của người dùng.

Kênh này có các đặc điểm:

- Kích thước trường dữ liệu nhỏ

- Có độ rủi ro bị tắc nghẽn cao

- Truyền dữ liệu điều khiển công suất trong vòng hở

HS - DSCH High Speech - Downlink Share Channel Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao Đây là kênh đường xuống, được chia sẻ giữa các UE để có thể truyền dữ liệu tốc độ cao.

DCH Dedicated Channel Kênh hai chiều

Dùng để truyền thông tin điều khiển ràng riêng giữa mạng và người dùng

Kênh này có đặc điểm tốc độ thay đổi sau 10ms

3.6.2 Cấu trúc kênh vật lý

Kênh vật lý là kênh phức tạp nhất trong hệ thống WCDMA Nó thu/phát tín hiệu vô tuyến giữa BS và Ú

Kênh vật lý được chia làm 2 loại: Kênh đường lên (uplink) và kênh đường xuống (Dowlink)

Kênh vật lý được dùng để:

 Truyền thông tin điều kiện

 Truyền thông tin của lớp trên

Kênh vật lý riêng đường lên

 Kênh Đ PCH/DPCCH (Kênh dữ liệu vật lý dành riêng/Kênh đ iều khiển vật lý rành riêng)

Các kênh này được sắp xếp riêng rẽ cho một UE Cấu trúc kênh được mô tả như hình dưới đây

Slot 0 Slot 1 Slot2 Slot i … Slot 14

Hình 3.14 Cấu trúc kênh ĐPCH/DPCCH

- Data: Dữ liệu lớp cao

- Pilot: Có giá trị cố định, được dùng để tìm kiếm kênh truyền dẫn và đo giá trị SIR đường lên Các giá trị Pilot khác nhau trong các slot của khung sẽ giúp cho BS nhận dạng biên giới khung và vị trí hiện thời trong khung

- TPC (Transmission Power Control): Lệnh điều khiển công suất cho đường xuống UE sẽ gửi lệnh này tới BS để yêu cầu thay đổi công suất của trạm theo mức 1 - 2dB Nếu TPC = 0, nghĩa là UE yêu cầu BS giảm công suất Các mã hoá kênh sẽ không tác động đến thông số này để tránh trễ

- TFCI (Transmission format Combination Indicator) mang thông tin về cấu trúc phần dữ liệu

- FBI (Feedback information) : Phản hồi thông tin được dùng trong phân tập phát.

Hai kênh đường lên được ghép kênh theo mã I&Q để mang thông tin của kênh truyền tải HCH Kênh ĐPCH được điều chế QPSK đồng pha, còn kênh DPCCH được điều chế ở nhánh BPSK với pha vuông góc.

Ngoài cấu trúc khung, kênh này còn có cấu trúc siêu khung bao gồm 72 frame, time - 72ms.

Hai kênh này có những đặc trưng sau:

- Điều khiển công suất nhanh

- Thay đổi tốc độ số liệu nhanh theo từng khung

- Có khả năng phát đến một phần ô hay đoạn ô bằng cách thay đổi hướng tính anten của hệ thống anten thích ứng.

- Hỗ trợ chuyển giao phần mềm

 HS-DPCCH (High Speech Dedicated Phylsial Control Channe - kênh đ iều khiển vật lý chuyên dụng tốc đ ộ cao

Kênh này được ghép với kênh DPCCH trước khi truyền đi Kênh này dùng để mạng báo hiệu phản hồi đường lên (H-ARK-ACK, CQI) liên quan tới truyền tải HS-DSCH

Mối subframe có thời gian trễ tương đương 256 chip so với kênh ĐPCH/ DPCCH.

Hình 1.35 Cấu trúc kênh HS-DPCCH

Các thông số trong khung:

- H-ARQ-ACK (Hybird - Automatic Repeat Request): thông tin phản hồi (ACK/NACK) cho H-ARQ

- CIQ: (Chỉ thị chất lượng kênh): thông tin phản hồi cho AMC (chất lượng kênh vô tuyến)

 PRACH (Kênh truy nhập ngẫu nhiên)

Kênh PRACH mang thông tin của kênh RACH ở lớp truyền tải Nó mang thông tin của UE gửi tối BS yêu cầu thiết lập kết nối.

Ngoài ra kênh này còn có thể dùng để phát đi các cụm nhỏ dữ liệu gói từ

UE trong thời gian từ 10ms - 20ms. Để mạng hoạt động tốt, thì hệ thống phải thu được kênh PRACH tròng toàn bộ vùng phủ sóng của ô

Ta sẽ tìm hiểu về cách phát kênh PRACH và cấu trúc kênh của nó:

Hình 3.16 Cách phát kênh PRACH và cấu trúc kênh của nó

Kênh PRACH là kênh truy cập ngẫu nhiên, nó dựa trên phương pháp ALOHA theo phân khe với chỉ thị bắt nhanh Với phương pháp truy cập này, thì tất cả các đường truyền UE có thể bắt đầu phát tại một số thời điểm quy định trước gọi là các khu truy nhập Cứ 2 khung (20ms) thì có 15 khu truy nhập, mỗi khe có 5120 chips Hình sau đây sẽ mô tả cách thức phát các kênh này trong hệ thống.

Hình 3.17 Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên

Tiền tố Tiền tố Tiền tố Phần bản

Tiền tố Tiền tố Tiền tố Phần bản tin

Hình trên cho thấy, cấu trúc kênh PRACH bao gồm hai phần: phần tiền tố truy nhập dài 4096 chip, tương đương với 256 lần lặp của mã Walsh 16 chip (chữ ký) và phần bản tin dài 10ms hoặc 20ms.

UE sẽ thông báo độ dài của phần bản tin cho mạng bằng các chữ ký riêng và (hoặc) các khu truy nhập.

Các lớp cao hơn sẽ quy định chữ ký và khe thời gian truy cập nào được sử dụng cho độ dài bản tin ra sao.

UE sẽ lựa chọn ngẫu nhiên một trong số 16 chữ ký này trước khi thử truy nhập.

Slot 0 Slot 1 Slot 2 ………… Slot i …… Slot 14

Hình 3.18 Cấu trúc kênh PRACH

Da ta: Dữ liệu lớp trên

Lilot: là giá trị cố định dùng để tìm kiếm truyền và đo SIR đường lên TFCI: Thông tin về cấu trúc phần dữ liệu

Cấu trúc khung của kênh PRACH 10 ms được chia thành 15 khe, mỗi khe chứa 2560 chip Mỗi khe gồm có hai phân: Phần dữ liệu mang thông tin

Da ta Pilot (Npilot bit) TFCI Tslot%60 chips, 10x2 k bit, k=0-3

1 Radio frame of data p art with time = 10ms của lớp 2 và phần điều khiển mang thông tin của lớp 1 Hai phần dữ liệu này được ghép trực giao I&Q với nhau và phát đồng thời.

Phần bản tin 20ms gồm có 2 khung vô tuyến liên tiếp của phần bản tin. Phần dữ liệu có 10x2 k bit với K=0-3 Điều này tương đương với hệ số trải phổ

SF thay đổi và nhận các giá trị: 256; 128;64;32 cho bản tin và tốc độ thay đổi từ 15-20kb/s.

Phần điều khiển gồm 8 bit hoa tiếu biết trước để hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quá và 2 bít TFCL tương ứng với hệ số trải phổ 256 và tốc độ bit là 15 kbps Do đó tổng số bit TFCI tương đương với một khuôn dạng truyền tải nhất định của bản tin truy nhập hiện thời Mẫu 8 bit hoa tiêu thay đổi theo từng khe và lặp lại theo khung.

Hoạt động của kênh RACH không bao gồm chức năng điều khiển công suất, vì thế để đảm bảo mức công suất hợp lý thì các tiền tố được phát với mức công suất tăng dần theo từng nấc Thủ tục này chỉ hợp lý cho một thời gian ngắn (1 hoặc 2 khung tuỳ môi trường).

CÁC THỦ TỤC LỚP VẬT LÝ

Đồng bộ hệ thống

Để đồng bộ được với hệ thống thì UE phải biết được định thời tín hiệu được truyền từ BS và mã trải phổ được dùng trong đó Do đó UE sẽ tìm kiếm tín hiệu được truyền đều đặn từ trạm gốc.

Bằng cách tổ chức lại định thời tín hiệu, đầu cuối có thể xác định được định thời truyền trên kênh vật lý.

Quá trình dưới đây sẽ mô tả quá trình đồng bộ của UE với hệ thống.

Bước a: Tìm kiếm cell (cell search)

UE phát hiện cell và thư mã ngẫu nhiên

Bước b: Đồng bộ kênh vật lý chung (P/S-CCPCH-)

UE có thể nhận các các tín hiệu kênh chung như thông tin quảng bá hệt hống bằng việc sử dụng mã ngẫu nhiên ở bước a (thiết lập đồng bộ đường xuống), và thiết lập đồng bộ đường lên bằng việc sử dụng các quy trình truy nhập ngẫu nhiên.

Các kênh điều khiển chung được dùng bởi tất cả các UE trong cell và thông tin quảng bá bao gồm thông tin hệ thống

Bước c: Đồng bộ kênh dành riêng (DPCCH/DPDCH)

UE thực hiện thiết lập kết nối với lớp trên (RRC- Radio Recource Control) sau đó có thể thực hiện liên lạc hai chiều qua kênh dành riêng (Dedicated Channel).

Sau đây là mô tả cụ thể từng bước của quá trình tìm kiếm cell:

4.1.1 Tìm kiếm cell Đây là quá trình mà UE phát hiện cell và thu mã ngẫu nhiên đường xuống được phát ra bởi BS.

UE thực hiện cell search trong ba trường hợp

1 UE bật máy và tìm kiếm cell (khởi tạo tìm kiếm)

2 Tìm cell lân cận trước khi chuyển giao (đang làm thoại)

3 Khi Handover được diễn ra ở chế độ Idle mode, đầu cuối nhận gián đoạn các kênh điều khiển, tìm kiếm cell mà kết nối vô tuyến đã được thiết kế.

4.1.1.1 Quá trình khởi tạo tìm kiếm cell

Trong quá trình này, khi MS bật máy và tìm kiếm cell thì nó sẽ phân tích hai kênh SCH và CPICH được phát ra từ BS Hai kênh này được dùng vào cho mục đích:

- SCH gồm P-SCH và S-SCH: Dùng cho cell search (phát hiện ra sóng mang hợp lệ)

- CPICH cũng bao gồm hai kênh P-CPICH và S-CPICH Tuy nhiên hỉ có kênh P-CPICH là tham gia vào quá trình này Kênh này giúp UE phát hiện ra mã ngẫu nhiên ấn định cho trạm gốc.

Trong quá trình này, UE phải phát hiện được ra mã ngẫu nhiên của trạm gốc Nhưng vì có tới 512 mã dành cho các trạm gốc, nên nếu tìm kiếm tất cả thì sẽ khiến UE cần nhiều thời gian để phân tích Do đó UE sẽ phân tích và tìm ra các nhóm mã (64 nhóm) rồi sau đó sẽ tìm ra mã chính xác (trong 8 mã của nhóm).

Quá trình khởi tạo tìm kiếm được chia thành 03 bước nhỏ hơn đó là:

Bước 1: Đồng bộ khe: Thu kênh P-SCH phát hiện định thời khe báo hiệu (15 slot/frame).

Bước 2: Đồng bộ khung và phát hiện nhóm mã UE sử dụng kênh S- SCH để xác định nhóm mã Scramble.

Bước 3: UE phát hiện mã ngẫu nhiên hóa của BS UE dùng kênh P- CPICH để phân tích tìm ra mã ngẫu nhiên, từ đó giúp UE có thể thu được các thông tin quảng bá của hệ thống bằng cách sử dụng mã nói trên.

Hình 4.1 Qui trình khởi tạo tìm kiếm cell

Nhận P-SCH Bước 1: đồng bộ khe

Nhận /phân tích Bước 2: nhóm mã và khung

Nhận /phân tích Bước 3: dò tìm mã ngẫu nhiên

Hoàn thành quá trình nhận biết (xác nhận hợp đồng bộ khung) Nhận biết mã ngẫu nhiên

Kết thúc tìm kiếm cell next

Xác nhận hợp đồng khung lần thứu 2 no yes

Ba bước trên cơ thể được mô tả thông qua sơ đồ sau:

Bước 1: Đồng bộ khe (slot)

Việc đồng bộ này giúp cho UE phân biệt được định thời tín hiệu gửi từ các BS khác nhau Kênh SCH đường xuống sẽ giúp UE thực hiện việc này. Mỗi BS đều có các kênh SCH (bao gồm P-SCH và S-SCH) Hai kênh này kết hợp với kênh CPICH được truyền trong 256 chip đầu tiên trong mỗi cell (xem thêm chương 3 về định thời các kênh đường xuống).

Cả hai loại kênh SCH này đều không sử dụng ngẫu nhiên Chúng chỉ sử dụng mã hóa kênh với mã sơ cấp PSC cho kênh P-SCH và mã thứ cấp SCC cho kênh S-SCh Các mã này có độ dài 256 chip UE sẽ dùng kênh P-SCH để đồng bộ khung.

Việc đồng bộ (chọn) cell nào sẽ được UE quyết định dựa vào công suất của kênh p-sch thư từ các BS (UE sẽ chọn tín hiệu mạnh nhất).

Hình 4.2 Quá trình đồng bộ khe

Mã của kênh SCH có đặc điểm:

- Mã ngẫu nhiên: Không dùng

- Mã kênh sơ cấp P-SCH (PSC) có 256 chip

- Mã kênh thứ cấp S-SCH (SSC) có 256 chip

Bước 2: Đồng bộ khung và phát hiện nhóm mã ngẫu nhiên Định thời của kênh S-SCH thu được bằng việc phát hiện ra kênh P-SCH

UE sẽ tìm được nhóm mã trải phổ mà BS đang dùng dựa trên kênh S-SCh như sau:

Mã SCC của kênh S-SCh được dùng để trải phổ kênh Mã này bao gồm các nhóm mã ngẫu nhiên mà hệ thống đang sử dụng và định thời khung (số khe) Để nhận được số nhóm mã ngẫu nhiên và định thời khung, UE sẽ phân tích mã SSC và kết hợp với mã PSC.

Mã SCC có dạng Cs i, k , trong đó:

- i: Mã động bộ thứ cấp SSC i=1 tới 64 (nhóm mã ngẫu nhiên)

- k=0 tới 14 (số khe trong khu)

Bước 3: Nhận dạng mã ngẫu nhiên

Kênh CPICH được UE thu bằng cách thu định thời khung ở Bước 2.Bằng việc tìm kiếm mã ngẫu nhiên trong tám mã thuộc nhóm, UE sẽ phân tích kênh S-SCH và giá trị của kênh CPICH để phát hiện ra mã dùng trong cell Mã hóa kênh CPICH có dạng cố định là C256,0 SF%6

Hình 4.3 Qui trình nhận dạng mã ngẫu nhiên 4.1.1.2 Tìm cell lân cận trước khi chuyển giao (đang đàm thoại)

Qúa trình tìm kiếm cell này cũng cóe thể được tuân theo ba bước như khi khởi tạo tìm cell Tuy nhiên việc thu định thời kênh CPICH của cell gốc đã được nhận ra, nên dựa vào định thời, kênh CPICH và mã của ngẫu nhiên của cell có công suất phát cao thứ hai sẽ được phát hiện

4.1.1.3 Tìm kiếm cell ở chế độ Idle mode.

Trong trường hợp này, UE sed thu được một cách gián đoạn các thông tin điều khiển mà hệ thống gửi xuống UE sẽ đo sự khác nhau trong định thời giữa các mã ngẫu nhiên của kênh CPICH thu được từ các cell.

Tiếp đó UE phát hiện mức thu lớn nhất của CPICH trong một khoảng thời gian nhất định và thu không liên tục kênh tìm gọi PCH từ cell đó.

Thủ tục tìm gọi

Để thực hiện tìm gọi UE thì hệ thống cần sử dụng hai kênh vật lý là PICH và S-CCPCH Kênh thủ tục tìm gọi PCH được tổ chức như sau:

Khi một UE đăng ký với mạng thì nó sẽ được ấn định một nhóm tìm gọi. Đối với nhóm tìm gọi này, các chỉ thị tìm gọi PI (thuộc kênh PICH) sẽ xuất hiện định ký ở kênh tìm gọi PICH khi có các bản tin tìm gọi cho một UE trực thuộc nhóm.

Khi xuất hiện PI thì UE sẽ tiến hành giải mã khung PCH tiếp theo được phát ở kênh S-CCPCH để xem bản tin này có phải tìm gọi nó hay không

Khoảng tìm gọi được mô tả như hình vẻ dưới đây:

Hình 4.8 Mối quan hệ PICH và S-CCPCH

PI càng ít xuất hiện thì UE sẽ hoạt động càng ít và tuổi thọ của Pin càng cao Tất nhiên thời gian đáp ứng với cuộc gọi khởi tạo tạo mạng cần phải cân nhắc lựa chọn.

Thủ tục truy cập ngẫu nhiên RACH

Thủ tục truy cập ngẫu nhiên trong hệ thống WCDMA phải đáp ứng được vấn đề gần xa, vì khi bắt đầu truyền tín hiệu UE chưa biết được chính xác công suất phát cần thiết.

Thủ tục RACH gồm các bước sau:

- UE giải mã kênh BCH để tìm ra các kênh con RACH, các mã ngẫu nhiên hóa và các chữ ký của chúng.

- UE chọn ngẫu nhiên một kênh con RACH từ nhóm mã mà loại truy nhập của nó cho phép sử dụng Ngoài ra chữ ký cũng được chọn ngẫu nhiên trong số các chữ ký khả dụng.

- Mức công suất phát đường xuống được đo và mức công suất RACH khởi đầu được thiết lập với độ dự trữ thích hợp do sự không chính xác của vòng hở.

- Tiến tố RACH 1ms được phát cùng với chữ ký được chọn

- Đầu cuối giải mã kênh AICH để xem BS đã phát hiện được tiền tố của kênh RACH hay chưa?

- Nếu BS chưa phát hiện được tiền tố nào khi UE sẽ tăng công suất phát thêm một nấc (bội số của 1dB) theo quy định của BS Tiền tố được phát lại ở khe truy nhập tiếp theo.

- Khi UE phát hiện được chỉ thị AI từ kênh AICH do BS gửi xuống, thì

UE sẽ tiến hành truyền dữ liệu 10ms hoặc 20ms của kênh RACH lên BS.

Điều khiển công suất

Vấn đề điều khiển công suất là vấn đề vô cùng quan trọng và cần thiết trong W-CDMA để cho hệ thống hoạt động tốt vì tất cả các thuê băo đều chia sẻ cùng một băng tần vô tuyến và giải quyết một số bài toán như hiệu ứng

"xa-gần" và để tăng tối đa dung lượng hệ thống.

4.4.1 Giới thiệu chung về điều khiển công suất.

Dung lượng của hệ thống CDMA nói chung bị giới hạn bởi nhiều trên cả đường lên và đường xuống Trên đường xuống, có nhiều những người dùng (user) khác nhau, cũng như các đường truyền dẫn khác nhau của cùng một người dùng nó phụ thuộc vào đáp ứng xung của kênh truyền dẫn Thêm vào đó, các tín hiệu đường xuống từ các cell khác nhau tác động lẫn nhau Trên đường lên, mỗi một đầu cuối di động dùng một mã trực giao khác nhau, mỗi tín hiệu lên nhận được của user phải chịu đựng nhiều của tất cả các kênh lên trong cell Ngoài ra, còn có nhiều của các user của các cell bên cạnh.

Vấn đề nhiều rắc rối nhất trên đường lên; khoảng cách của máy di động với trạm gốc thay đổi lớn nhất, đến nỗi mà những tín hiệu đường lên từ những user khác nhau đến tại bộ tru trạm gốc với những mức công suất khác nhau nhất.

Nhiều từ những user mạnh, gần trạm gốc hơn có thể hoàn toàn dìm chết tín hiệu từ các di động ở xa trạm gốc (hiệu ứng gần xa).

Hơn nữa, chất lượng truyền dẫn vô tuyến phụ thuộc vào tỷ số Eb/N0, trong đó Eb là năng lượng bit còn N0 là mật độ tạp âm trắng Gauss cộng bao gồm tự tập âm và tập âm do từ máy phát của người sử dụng khác gây ra Để đảm bảo tỷ số Eb/N0 không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất máy phát của người sử dụng theo khoảng cách của nó tới trạm gốc. Ở trong các hệ thống FDMA và TDMA điều khiển công suất không ảnh hưởng tới dung lượng nhưng trong hệ thống CDMA điều khiển công suất là bắt buộc và phải nhanh nếu không dung lượng hệ thống sẽ giảm Dung lượng hệ thống CDMA đạt giá trị cực đại nếu công suất phát của các máy di động được điều khiển sao cho công suất thu được ở trạm gốc là như nhau đối với tất cả các người dùng. Điều khiển công suất được sử dụng cho đường lên để tránh hiện tượng gần xa và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiều lên hệ thống Đối với đường xuống không cần điều khiển công suất với hệ thống đơn ô bởi nhiều gây ra bởi người sử dụng khác luôn ở mức không đổi với tín hiệu hữu ích Tất cả các tín hiệu từ trạm gốc tới máy di động điều khiển sao cho công suất thu được ở trạm gốc là như nhau đối với tất cả các người dùng. Điều khiển công suất được sử dụng lên để tránh hiện tượng gần xa và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiều lên hệ thống Đối với đường xuống không cần điều khiển công suất với hệ thống đơn ô bởi nhiều gây ra bởi người sử dụng khác luôn ở mức không đổi với tín hiệu hữu ích Tất cả các tín hiệu phát từ trạm gốc tới máy di động đều được phát chung cùng lúc vì thế không xảy ra sự khác biệt tổn hao truyền sóng như ở đường bên.

Ngoài việc giản hiện tượng gần xa, điều khiển công suất còn dùng để giảm hiện tượng che tối và duy trì công suất phát trên một người sử dụng để đảm bảo tỷ số lỗi bit ở mức cho trước tối thiểu chấp nhận được Như vậy, điều khiển công suất còn góp phần tăng tuổi thọ máy di động.

Mục đích của điều khiển công suất là đảm bảo mỗi user chỉ thu và phát năng lượng vừa đủ để truyền thông tin một cách thích hợp mà không gây nhiều tới các user (UE) khác Điều khiển công suất nhanh có thể là chức năng quan trọng nhất giống như RRM (Radio resource managerment) trong WCDMA Nếu không có cơ thể cho UE 1,2,3 để điều khiển công suất về cùng một mức ở trạm NodeB, thì UE1 có thể lấn át các UE khác và vì vậy nó khoá một phần lớn của cell.

Các thông số điều khiển công suất có thể được phân chia thành: Công suất phát cố định cho kênh chung và điều khiển công suất phát khả biến cho các kênh dành riêng.

Hình 4.9: Ví dụ minh hoạ về hiệu ứng gần xa giữa các UE

4.4.2 Phân loại điều khiển công suất

WCDMA yêu cầu điều khiển công suất nhanh để cân bằng công suất thu từ mỗi UE Trong hệ thống FDD, điều khiển công suất được dựa trên các chức năng dưới đây:

- Điều khiển công suất vòng hở

Phương pháp điều khiển này được sử dụng để cung cấp việc thiết lập điều khiển công suất khởi tạo thô của UE khi bắt đầu một kết nối.

- Điều khiển công suất vòng kín

Node B đo SIR (Signal to Interference Ratio) của các tín hiệu hoa tiêu dành riêng thu được, so sánh chúng với giá trị SIR đích, sau đó điều khiển EU tăng hoặc giảm công suất phát Nếu như giá trị SIR đo được cao hơn giá trị SIR đích, thì NodeB sẽ yêu cầu UE giảm công suất xuống thấp hơn Có hai loại điều khiển công suất vòng kín là:

- Điều khiển công suất vòng kín - vòng trong: Điều khiển sự so sánh công suất giá trị SIR thu được với SIR mục tiêu.

- Điều khiển công suất vòng kín - vòng ngoài: Không giống như điều khiển vòng trong, ở đây là điều chỉnh giá trị SIR đích của Node B theo những mong muốn của các radio- link riêng lẻ và cố gắng giữ các giá BER hoặc FER ở mức chất lượng cố định.

Hình 4.10 Sơ đồ minh hoạ các phương pháp điều khiển công suất

4.4.2.1 Điều khiển công suất vòng hở

- Điều khiển công suất PRACH Việc điều khiển đơn giản này được sử dụng trong suốt quá trình truy cập ngẫu nhiêm ở lúc bắt đầu kết nối cho đến khi có thông tin điều khiển chính

Máy thu Rake Đo chất lượng công suất dài hạn

So sánh và quyết định

So sánh và Quyết định

Tạo bit điều khiển công suất Đo chất lượng đích

Tín hiệu gốc Tín hiệu gốc Đ/K công suất vòng trong

Ghép bit điều khiển công suất vào luồng phát xác Suy hao công suất theo khoảng cách truyền dẫn tỷ lệ tương ứng với việc tăng khoảng cách giữa NodeB và UE Trong trường hợp tương tự, thông tin phản hồi từ trạm khác là không cần thiết để đánh giá suy hao công suất Loại suy hao công suất này được điều khiển bởi Điều khiển công suất phòng hở. Những kênh RACH sử dụng điều khiển công suất phòng hở. Điều khiển công suất phòng hở được thực hiện bởi UE, sau khi nhận được thông tin phát quản bá trên block thông tin hệ thống trên kênh BCH và đo suy hao đường truyền ở đường xuống.

NodeB quảng bá mức công suất ban đầu và Bước công suất (Power step) tới UE trong kênh BCH UE thiết lập công suất phát khởi đầu trong Preamble đầu tiên và đợi tín hiệu phản hồi AICH (Acquisition Indicator Channel) Nếu không có phản hồi, UE sẽ tăng công suất phát preamble bằng một bước (step) khoảng công suất nhất định 

Chức năng điều khiển vòng hở

Hình 4.11 Qui trình điều khiển công suất vòng hở

Công suất khởi tạo Preamble

UE thiết lập công suất phát ban đầu và gửi tín hiệu Preamle

Công suất Preamble ban đầu

 Điều khiển công suất đường lên được đặt ở UE và UTRAN.UE đo RSCP (Received Signal Code Power) ở kênh CPICH Từ một vài thông số của UTRAN thu được và kết hợp với công suất RSCP đo được để UE thiết lập công suất khởi tạo cho Preamble PRACH đầu tiên Những thông số này được phát bởi thông tin hệ thống trên kênh BCH.

Hình dưới đây thể hiện chức năng này Kênh vật lý P-CCPCH mang thông tin kênh BCH với thông tin hệ thống UE sẽ thu kênh hoa tiêu CPICH để đo tín hiệu từ đó tính toán suy hao truyền dẫn.

Hình 4.12 Công suất khởi tạo Preamble

 Công suất khởi tạo kênh đường lên DPCCH/DPDCH

QUY HOẠCH MẠNG W-CDMA

Giới thiệu

Chương này sẽ trình bày quá trình quy hoạch mạng WCDMA và kết quả mô phỏng tính toán suy hao đường truyền, kích thước ô và dung lượng kênh,

… Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba bao gồm các bước sau: định kích cỡ, quy hoạch lưu lượng và vùng phủ sóng, tối ưu hoá mạng.

Hình 5.1 Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba

Giai đoạn định kích cỡ sẽ đưa ra dự tính số đài trạm, số trạm gác, cấu hình các phần tử gốc và các phần tử mạng káhc trên cơ sở các yêu cầu của nhà khai thác trong vùng Định cỡ phải thực hiện được các yêu cầu của nhà khai thác về vùng phủ, dung lượng và chất lượng phục vụ Việc qy hoạch dung lượng và vùng phủ phải được xem xét đồng thời do dung lượng và vùng

 Các yêu cầu vùng phủ

 Kiểu vùng, mô hình truyền sóng vô tuyến

Suy hao đường truyền cho phép Đinh cỡ

Quy hoạch dung lượng và vùng phủ

Hiển thị hiệu năng mạng Tối ưu hoá

- Chọn cấu hình BS Điều chỉnh thông số

- Cấu hình đài trạm Đầu ra Đầu vào

Kết quả đo hiệu năng mạng phủ có quan hệ chặt chẽ với nhau trong mạng di động Khi mạng đi vào hoạt động,có thể tính toán hiệu năng mạng bằng các phép đo và các kết quả đo được sử dụng để hiển thị và tối ưu hoá hiệu năng của mạng

Tính suy hao đường truyền cho phép

Để xác định vùng phủ cực đại cảu ô nhà thiết kế phải tính toán tổn hao đường truyền cực đại cho phứp đảm bảo cường độ tín hiệu cho phù hợp ở biên giới ô cho chất lượng tiếng chấp thuận trên 90% vùng phủ Tổn hao đường truyền cho phép là hiệu số giữa công suất phát xạ hiệu dụng của máy phát và cường độ tín hiệu tối thiểu cần thíêt ở máy thu cho chất lượng tiếng chấp thuận.Các thành phần chính xác định tổn hao đường truyền được gọi là quỹ năng lượng đường truyền. Để tính tổn hao cực đại cho phép ta sử dụng công thức sau: min a m p c b h

Pmin = N 0  F b  ( E N b / 0 ) req  10lg B (5.2) Trong đó: La: Tổn hao đường truyền cho phép

Pm: Công suất phát xạ hiệu dụng của MS

Pmin: Cường độ tín hiệu thiểu yêu câù

Gp: Hệ số khuyếch đại của Anten phát BS

Lc: Tổn hao cáp Anten thu BS

Lb: Tổn hao cơ thể

Lh: Tổn hao truy cập toà nhà B: tốc độ bit (Bps)

N0: Tạp âm nền của BS

Fb: Hệ số tạp âm máy thu

Eb/N0: Độ dự trữ cần thiết của anten

Sau khi tính được suy hao đường truyền cực đại ta tính được bán kính ô (R) cực đại thoả mãn yêu cầu truyền nhận thông tin dựa trên các mô hình truyền sóng Do đặc điểm truyền sóng không ổn định, nên các mô hình truyền sóng đều mang tính thực nghiệm Dưới đây ta xét hai mô hình truyền sóng được sử dụng rộng rãi là mô hình Hata - Okumura và Walfsch - Ikegami.

Hết các công cụ truyền sóng sử dụng một dạng biến đổi của mô hình Hata Mô hình Hata là quan hệ thực nghiệm được rút ra từ báo cáo kỹ thuật của Okumura cho phép sử dụng trong các kết quả vào các công cụ tính toán. các biểu thức được sử dụng trong mô hình Hata để xác định tổn hao trung bình.

Trong đó: fc : tần số hoạt động (MHz)

Lp: Tổn hao cho phép hb: Độ cao anten tram gốc (m) a(hm): hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB)

Dải thông số sử dụng mô hình Hata là:

Hệ số hiệu chỉnh (hm) được tính như sau: Đối với thành phố lớn:

( ) 3, 2.(lg11,75 ) m m 2 4,97 ( ) a h  h  dB Với f c ≥ 400MHz (5.5) Đối với thành phố nhỏ và trung bình

Như vậy bán kính ô đựơc tính:

Với vùng ngoại ô hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố là:

Với vùng nông thôn hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố là:

Mô hình Walfsch - Ikegami

Mô hình này được sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền ở môi trường thành phố chi hệ thống thông tin di động tổ ong Mô hình này chứa các phần tử: tổn hao không gian tự do, nhiễu xạ mái nhà, tổn hao tán xạ và tổn hao nhiều vật chắn.

Tổn hao cho phép trong mô hình này được tính như sau:

Với tổn hao không gian tự do được xác định như sau:

Trong đó: fc: Tần số hoạt động

Nhiễu xạ mái nhà phố và tổn hao tán xạ được tính:

Lts = Lo + 20.lg hm + 10.lgfc - 10.lgW - 16.7 (5.12)

: Góc đến so với trục phố hr: Độ cao nhà hm: Độ cao Anten trạm di động

Lms = Lbsh + ka + kd.lgR+kf.lgfc - 9.lgb (5.14)

Trong đó: b: Khoảng cách giữa các toà nhà dọc theo đường truyền vô tuyến (m)

  , hb là độ cao anten BS (5.15) ka = 54 - 0.8.hb (5.16)

 với thành phố trung bình (5.19)

Như vậy bán kính cell tính theo mô hình Walf - Ikegami là: m a f c

10.lg¦W-20.lg h -k -0.lgb-(30+k ).lgf -15.7 lg (20 ) cp o bsh d

Mô hình Hata bỏ qua ảnh hưởng của độ rộng phố, nhiều xạ phố và các tổn hao tán xạ còn mô hình Walf - Ikegami có xét đến các ảnh hưởng này nên bán kính cell tính theo mô hình Hata lớn hơn so với mô hình Walf ở cùng một tổn hao cho phép.

Tính toán dung lượng và vùng phủ

Trong thông tin di động thế hệ ba, các thuê bao được chia cùng nguồn tài nguyên ở giao diện vô tuyến nên không thể phân tích chúng riêng rẽ Các thuê bao ảnh hưởng lẫn nhau nên công suất phát buộc phải thay đổi, sự thay đổi này lại gây ra các thay đổi khác vì vậy toàn bộ quá trình dự tính phải được thực hiện lặp cho đến khi công suất phát ổn định Ngoài công suất phát, các thông số khác như tốc độ MS, dạng kênh đa đường, tốc độ bit và các kiểu dịch vụ được sử dụng cũng đóng vai trò quan trọng việc quy hoạch mạng di động thế hệ ba.

Trong quá trình quy hoạch hệ thống GSM, độ nhạy của BS và ngưỡng vùng phủ được coi là không đổi cho từng trạm và quy hoạch chi tiết chủ yếu tập trung lên quy hoạch vùng phủ Trong W-CDMA độ nhạy của BS phụ thuộc vào số lượng người sử dụng và tốc độ bit ở tất cả các ô, vì thế nó mang đặc thù ô và dịch vụ cần phân tích dung lượng và quy hoạch nhiều chi tiết hơn Công cụ quy hoạch sẽ hỗ trợ việc tối ưu các cấu hình vùng phủ, chọn anten, hướng anten và vị trí đặt đài trạm để đáp ứng chất lượng dịch vụ, dung lượng và các yêu cầu dịch vụ với giá thành thấp. Để tính toán dung lượng, ta sử dụng một số định nghĩa sau:

- Đơn vị lưu lượng Erlang: Một đơn vị lưu lượng Erlang là một mạch thông tin hoạt động trong một giờ.

- Cấp phục vụ (GOS): Đại lượng biểu thị % cuộc gọi không thành công đối với hệ thống tiêu hao còn trong hệ thống đợi GOS là số % thuê bao thực hiện sự gọi trở lại.

- Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao: Giả thiết về hệ thống mà các thuê bao không hề gọi lại khi cuộc gọi không thành công.

- Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu đợi: Giả thiết về hệ thống mà các thuê bao sẽ kiên trì gọi lại cho đến khi thành công.

Lưu lượng của một thuê bao A được tính theo công thức sau:

A: Lưu lượng của thuê bao n: Số trung bình các cuộc gọi trong một giờ

T: Thời gian trung bình của một cuộc gọi (s)

Theo số liệu thống kê đối với mạng di động thì n = 5; T00s.

Lưu lượng Erlang cần cho một thuê bao được tính như sau:

Trong đó: m: Số lần thuê bao sử dụng kênh điều khiển tu: Thời gian sử dụng trung bình của thuê bao đối với kênh điều khiển Ứng với số kênh điều khiển là NCCH, tra bảng ta sẽ có tổng dung lượng Erlang cần thiết là Etot Tổng số thuê bao được phục vụ được tính như sau: tot total

 E (5.23) Để phục vụ Stotal thuê bao, ta tính được tổng lưu lượng Erlang cần thiết theo công thức:

Từ giá trị EErl tra bảng ta sẽ tính được tổng số kênh cần thiết

Chương trình mô phỏng và tính toán

Tối ưu mạng là quá trình phân tích cấu hình và hiệu năng mạng nhằm cải thiện chất lượng mạng tổng thể và đảm bảo tài nguyên của mạng được sử dụng một cách có hiệu quả.

Giai đoạn đầu của quá trình tối ưu là định nghĩa các chỉ thị thiệu năng chính Chúng gồm các kết quả đo ở hệ thống quản lý mạng và số liệu đo thực tế để xác định chất lượng dịch vụ Với sự giúp đỡ của hệ thống quản lý mạng ta có thể phân tích hiệu năng quá khứ, hiện tại và tương lai Ta có thể phân tích hiệu năng của các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến và các thông số của chúng bằng cách sử dụng các kết quả của chỉ thị hiệu năng chính.

Trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba việc tối ưu hóa mạng rất quan trọng vì mạng thế hệ ba cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng Điều chỉnh tự động phải cung cấp câu trả lời nhanh cho các điều khiển thay đổi lưu lượng trong mạng Trong giai đoạn đầu của quá trình xây dựng mạng W-CDMA chỉ có một số thông số là được điều chỉnh tự động và vì thế cần phải duy trì quá trình tối ưu hóa của hệ thống GSM.

Kết quả tính suy hao đường truyền

Thông số truyền dẫn Thông số trạm gốc Thông số trạm di động

Tính suy hao đường truyền cho phép

Nhập các thông số truyền sống và chọn mô hình truyền sóng Nhập các thông số lưu lượng

Tính kích thước Cell Tính tổng lưu lượng Erlang