giao diện vô tuyến của w-cdma

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VÀ KIẾN TRÚC PHÂN LỚP CỦA GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA Những đặc tính chủ yếu của WCDMA bao gồm : • Hoạt động CDMA băng rộng với băng tần 5MHz • Lớp vật lý mềm dẻo để

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VÀ KIẾN TRÚC PHÂN LỚP CỦA GIAO DIỆN

VÔ TUYẾN CỦA WCDMA

Những đặc tính chủ yếu của WCDMA bao gồm :

• Hoạt động CDMA băng rộng với băng tần 5MHz

• Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả các tốc độ trên một sóng mang

• Tái sử dụng tẩn số bằng 1

• Các tính năng tăng cường như : phân tập phát ,anten thích ứng ,hỗ trợ cấu trúc thu tiên tiến

WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất trước hết nhờ tính linh hoạt của lớp vật

lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là các dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.Với những tính năng cơ sở trên, hệ thống WCDMA mang lại những ưu điểm sau:

• Cải thiện những hệ thống thông tin di động hiện tại cải thiện dung lượng cải thiện vùng phủ sóng

• Đem lại tính linh hoạt cao trong việc cung cấp dịch vụ

• Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy

• Mang lại tính linh hoạt cao trong vận hành : hỗ trợ hoạt động không đồng

bộ giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường Sử dụng kỹ thuật tiến bộ như anten thông minh may thu rake…

phân chia theo tần số (FDD :Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD :Time Division Duplex) Cả hai giao diện này đều sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – CDMA) Giải pháp FDD được triển khai rộng rãi còn giải pháp TDD chủ yếu dùng cho các ô quy mô nhỏ như ô micro hay ô picro Trong đề tài nay em xét giải pháp FDD

Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190MHz Đường lên sử dụng dải tần từ 1920MHz đến 1980Mhz đường xuống sử dụng dải tần từ 2110MHz đến 2170MHz Giải phân cách giữa đường lên và đường xuống là 190MHz Mặc dù sóng mang 5MHz là sóng mang danh định nhưng chúng

ta có thể sử dụng sóng mang từ 4,4MHz đến 5MHz để sử dụng từng bước sóng mang 200KHz Việc chọn độ rộng băng tần thích hợp sẽ cho phép ta tránh được nhiễu giao thoa ,nhất la nhiễu giao thoa giữa các nhà khai thác với nhau

Khác với FDD phải sử dụng cặp sóng mang cho truyền dẫn song công TDD chỉ sử dụng một sóng mang cho truyền dẫn song công tức la đường lên và đường xuống chỉ sử dụng chung một băng tần Giải pháp này sử dụng các tần số nằm trong dải 1900MHz đến 1920MHz và từ 2010MHz đến 2025MHz

1.2 Cấu trúc và chức năng các phần tử trong hệ thống mạng WCDMA

1.2.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống

Giao diện không gian của WCDMA hoàn toàn khác với GSM và GPRS ,WCDMA sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip ;a 3,84Mcps.Ở WCDMA mang truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network).Các phần tử của mạng UTRAN rất khác so với với các phần tử của mạng truy nhập vô tuyến GSM Vì vậy khả năng sử dụng lại các BTS và BSC ở GSM là rất hạn chế.một số nhà sản xuất có kế hoạch cung cấp GSM BTS cho WCDMA nhưng con số này rất hữu hạn, đa số nhà sản xuất thay thể GSM BTS bằng RNC mới cho mang WCDMA

Tốc độ chíp của hệ thống la 3.84Mcps ,độ dài khung la 10ms.mỗi khung chia ra thành 15khe (2560 chip/slot ở tốc độ chíp là 3,84Mcps).Hệ số trải phổ từ 256 đến 4 đường lên và từ 512 đến 4 đường xuống do đó ,tốc độ ký hiệu điều chế tương ứng biến đổi từ 960ksymbols/s đến 15ksymbols/s đối với đường lên FDD Để phân biệt các kênh từ cùng 1 nguồn ,sử dụng mã định kênh dựa trên cơ sỏ kỹ thuật hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF) Đường xuống ma Gold với chu kỳ 10ms được sử dụng để phân biệt các ô khác nhau.Đường lên, mã gold hoặc các mã ngắn luân phiên với chu kỳ 256 chip được dùng để phân biệt cac UE khác nhau

Về mặt mã hóa kênh thì có ba tùy chọn được hỗ trợ : mã vòng mã xoắn và mã turbo Việc lựa chọn loại mã hóa kênh nào là tùy thuộc vào các lớp trên

Khoảng cách sóng mang danh định là 5MHz nhưng có thể điều chình bằng một mành 200KHz tuy theo yêu cầu của nhiễu kênh lân cận,khoảng cách sóng mang có thể thay đổi từ 4,2MHz đến 5,4MHz.

WCDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM/GPRS hiện có cho mạng của mình, các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng cấp từ mạng SM/GPRS hiện có để có thể hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM/GPRS trong giai đoạn đầu triển khai mạng WCDMA Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA được thể hiện trong bảng

Phân tập phát đường xuống Được hỗ trợ cho cải thiện dung lượng

đường xuống

Điều khiển chất lượng Các thuật toán quản lý tài nguyên vô

tuyến RRM

Cấu trúc tổng quát của hệ thống WCDMA bao gồm các phần tử mạng logic các giao diện Hệ thống V bao gồm các phần tử logic.mỗi phần tử có một chức năng xác định Sơ đổ tổng quát của hệ thống thông tin thế hệ ba WCDMA được chia như hình 2.2 từ sơ đồ khối tổng quát ta có thể thấy mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA bao gồm hai mạng con : mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến

(GMSC) và các nút chuyển mạch gói cổng (GGSN).Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với các mạng ngoài như ISDN.PSTN thì cần có thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng(IWF).Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói ,mạng lõi còn có các cơ sở dữ liệu cần thiết cho mạng thông tin di động như HLR,AUC và EIR.

Mạng truy nhập vô tuyến gồm các phần tử sau :

• RNC : Bộ điều khiển mạng vô tuyến – đóng vai trò như BSC ở mạng GSM

• USIM (User Sim Card : Thẻ sim card của người sử dụng

• MS (Mobile station ) : Máy điện thoại

• RNC (Radio Node Controller) : Bộ điều khiển trạm gốc

• MSC (Mobile Services Switching Center) : Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động

• VLR (Visitor Location Register) Bộ ghi định vị tạm trú

• SGSN (Servicing GPRS Support Node) : Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

• GMSC (Gateway Mobile Services Sưitching Center)Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng

• GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Nút hỗ trợ GPRS cổng

• HLR(Home Location Register ) : Bộ ghi định vị thường trứ

• UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network) Mạng truy nhập vô tuyến trên mặt đất UMTS

• CN (Core Network) Mạng lõi

Hiện tại tiến trình tiêu chuẩn hóa UMTS đang được triển khai.Phần mạng truy nhập của UMTS là UTRAN đã được chuẩn hóa Tháng 01/1998.ETSI quyết định sử dụng UTRA FDD hay WCDMA trên băng tần đôi và UTRATDD hay TD/CDMA trên băng tần đơn

1.2.2 Chức năng các phần tử trong hệ thống

Cấu trúc hệ thông WCDMA được xây dựng dựng dưạ trên cơ sở của cấu trúc hệ thống UMTS.Hệ thống UMTS bao gồm các phần tử mạng logic và các giao diện.Mỗi phần tử mạng thức hiện một số chức năng nhất định

Về mặt chức năng các phần tử mạng được nhóm thành mạng truy nhập vô tuyến (RAN) để thực hiện chức năng liên quan đến vô tuyến và mạng lõi(CN) để thực hiện các chuyển mạch định tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu.Ngoài hai mạng này thì để hoàn thiện hệ thống cần phải co s thiết bị người sử dụng (UE).UE thực hiện giao diện giữa người sử dụng với hệ thống

2 Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến WCDMA

2.1 Kiến trúc phân lớp của giao diện vô tuyến W-CDMA

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

- Lớp vật lý (L1).

- Lớp đoạn nối số liệu (L2)

- Lớp mạng (L3).

 Lớp 2 được chia thành các lớp con:

• MAC (Medium Access Control): Điều khiển truy nhập môi trường

• RLC (Radio Link Control): Điều khiển đoạn nối vô tuyến

• PDCP (Packet Data Convergence Protocol): Giao thức hội tụ số liệu gói

• BMC (Broadcast/Multicast Control): Điều khiển quảng bá/đa phương

 Lớp 3 và RLC được chia thành hai mặt phẳng:

L2/BMC(đk quảng bá đa phương)

L2/RLC (Điều khiển đoạn VT) Các kênh logic

Các kênh truyền tải

(Điều khiển tài nguyên VT)

PDCP PDCP

BMC

RLC RLC RLC RLC

RLC RLC RLC RLC

MAC

L2/MAC

L2/PDCP (giao thức hội tụ

số liệu gói)

Hình 2. Kiến trúc phân lớp giao thức giao diện vô tuyến

• Mặt phẳng điều khiển C (Control Plane).

• Mặt phẳng người sử dụng U (User Plane)

Trong kiến trúc giao thức trên, PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U

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

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

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

Trong mặt phẳng điều khiển C được chia thành các lớp con nằm ở tầng truy nhập nhưng kết cuối ở mạng lõi CN-Core Network và ở lớp điều khiển tài nguyên RRC-Radio Resource Control

2.2 Lớp vật lý trong WCDMA

Kênh truyền tải được truyền dẫn nhờ kênh vật lý.Kênh vật lý được tổ chức dưới dạng các siêu khung.khung vô tuyến khe thời gian như chi ra trong hình vẽ dưới Lý thuyết của cấu trúc khung phân cấp này cũng giống phần nào lớp khung GSM TDMA Tuy nhiên nếu với GSM.mỗi người sử dụng TDMA có một vị trí khe riêng thì trong WCDMA số người có thể sử dụng đồng thời phụ thuộc vào tốc độ bit yêu cầu của thuê bao và hệ số trải phổ hợp của chúng Các mức di động có thể phát liên tục hoặc gián đoạn ở mọi khe thời gian,ví dụ như khi dùng bộ tách thoại (VAD)

Hình 3 Cấu trúc kênh vật lý của UTRA/IMT 2000

Siêu khung UTRA/IMT -2000 gồm 72 khung vô tuyến, với 16 khe thời gian trong mỗi khung.Độ dài của mỗi khe thời gian là 0.625ms tạo ra 10ms và 720ms cho khung vô tuyến và siêu khung tương ứng Độ dài khung 10ms cũng phù hợp với độ dài khung của mã thoại ITU G729 cho thông tin thoại trong khi no là “tích con” của nhiễu độ dài khung mã thoại toàn tốc và tốc độ một nửa của hệ thống GSM.Ta cũng thấy rằng việc sắp xếp ghép của luồng hình của mãvideophone H263 có thể được sắp xếp trên các khung vô tuyến 10ms để hỗ trợ các dịch vụ hình tương tác khi đang

di chuyển.Trên đường xuống của UTRA,kênh DPDCH và DPCCH được kết nối bằng cách ghép thời gian Trên đường lên chúng được xếp ghép thành các nhánh modem I và Q Ở chế độ FDD,kênh vật lý đường xuống được định nghĩa bởi mã trải phổ và tần số của nó Hơn nữa ở đường lên các kênh bốn pha và “in pha” trực giao của modem được dùng để phát thông tin điều khiển và dữ và dữ liệu đồng thời song song trên nhánh I và Q của modem và do đo pha sóng mang tương đối (I hoăc Q) được biết sẽ tạo thành phần nhận dạng của kênh vật lý Trái lại.ở chế độ TDD,một kênh vật lý của UTRAN và IMT – 2000 cũng có những khác nhau nhưng không được đề cập thêm ở đây

CHƯƠNG II CÁC KÊNH CỦA WCDMA 2.1 Các kênh logic

Kênh logic được chia thành 2 nhóm:

 Nhóm các kênh điều khiển CCH (Control Channel)

Gồm 4 loại kênh sau:

1 BCCH (Broadcast Control Channel: Kênh điều khiển quảng bá): kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin hệ thống

2 PCCH (Paging Control Channel: Kênh điều khiển tìm gọi): kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin tìm gọi

3 CCCH (Common Control Channel: Kênh điều khiển chung): kênh hai chiều

để phát thông tin điều khiển giữa mạng và các UE Được sử dụng khi không

có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ô mới

4 DCCH (Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển riêng): kênh hai chiều điểm đến điểm để phát thông tin điều khiển riêng giữa UE và mạng Được thiết lập bởi thiết lập kết nối của RRC

 Nhóm các kênh lưu lượng TCH (Traffic Channel)

Gồm 2 kênh:

1 DTCH (Dedicated Traffic Channel: Kênh lưu lượng riêng): kênh hai chiều điểm đến điểm riêng cho một UE để truyền thông tin của người sử dụng Kênh này có thể tồn tại cả ở đường lên và đường xuống

2 CTCH (Common Traffic Channel: Kênh lưu lượng chung): kênh một chiều điểm đến đa điểm để truyền thông tin của một người sử dụng cho tất cả hay một nhóm người sử dụng quy định hoặc chỉ cho một người sử dụng Kênh này chỉ có ở đường xuống

Các kênh logic sau đó được sắp xếp lên các kênh truyền tải do lớp vật lý cung cấp

2.2 Các kênh truyền tải

Tồn tại 2 kiểu kênh truyền tải: các kênh riêng và các kênh chung Điểm khác nhau giữa chúng là kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm các người sử dụng trong ô, kênh riêng được ấn định riêng cho một người sử dụng duy nhất

 Kênh truyền tải chung

3 PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi): kênh chung đường xuống để phát các tín hiệu tìm gọi

4 RACH (Random Access Channel: Kênh truy nhập ngẫu nhiên): kênh chung đường lên để phát thông tin điều khiển và số liệu người sử dụng, áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp của người sử dụng

5 CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung): kênh chung đường lên

để phát số liệu người sử dụng, áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được

sử dụng trước hết để truyền số liệu cụm (burst)

6 DSCH (Downlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống): kênh chung đường xuống để phát số liệu gói Chia sẻ cho nhiều UE Sử dụng trước hết cho truyền dẫn số liệu tốc độ cao

 Kênh truyền tải riêng

Kênh riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng): kênh hai chiều được sử dụng để phát số liệu của người sử dụng Được ấn định riêng cho người sử dụng Có khả năng thay đổi tốc độ và điều khiển công suất nhanh

 Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải cho trong hình 4

và đường xuống với phân cách là khoảng cách song công, còn các hệ thống TDD sử

DCCH DTCH CTCH

CCCH BCCH

PCCH

DCCH DTCH CCCH

RACH CPCH DCH

Các kênh logic

Các kênh truyền tải PCH BCH FACH DSCH DCH

Đường lên

Đường xuống

Hình 4 Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải

Hình 5 Băng tần IMT-2000 Kênh vật lý bao gồm kênh vật lý chung và kênh vật lý riêng.

 DPCH (Dedicated Physical Channel: Kênh vật lý riêng)

Kênh hai chiều đường xuống/đường lên được ấn định riêng cho UE Gồm DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: Kênh vật lý số liệu riêng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng)

1 DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: Kênh vật lý số liệu riêng): khi sử dụng DPCH, mỗi UE được ấn định ít nhất một DPDCH Kênh này được sử dụng để phát số liệu người sử dụng từ lớp cao hơn

2 DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng): khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ được ấn định một DPCCH Kênh này được

sử dụng để điều khiển lớp vật lý của DPCH DPCCH là kênh đi kèm với DPDCH, chứa các ký hiệu hoa tiêu, các ký hiệu điều khiển công suất (TPC: Transmit Power Control), chỉ thị tổ hợp khuôn dạng truyền tải TFCI (Transport Format Combination Indicator), thông tin hồi tiếp FBI (Feedback Information)

 CPCH (Common Physical Channel: kênh vật lý chung)

1 CPICH (Common Pilot Channel: Kênh hoa tiêu chung): kênh chung đường xuống, có 2 kiểu kênh CPICH: P-CPICH (Primary CPICH: CPICH sơ cấp)

và S-CPICH (Secondary CPICH: CPICH thứ cấp)

2 P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp): kênh chung đường xuống, mỗi ô có một kênh để truyền BCH

3 S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp): kênh chung đường xuống, một ô có thể có một hay nhiều S-CCPCH Kênh này được sử dụng để truyền PCH và FACH

4 SCH (Synchronization Channel: Kênh đồng bộ): kênh chung đường xuống,

có hai kiểu kênh SCH: SCH sơ cấp và SCH thứ cấp Mỗi ô chỉ có một SCH

sơ cấp và SCH thứ cấp Được sử dụng để tìm ô