điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di độ

Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều thuận tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu như truyền thông hữu ích như điện thoại truyền hình, định vị và tìm ki

MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I 1

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 UMTS 1

1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 IMT-2000 2

1.3 CÔNG NGHỆ WCDMA 3

1.4 HỆ THỐNG UMTS 5

1.4.1 Tổng Quan 5

1.4.2 Mối quan hệ và sự khác nhau giữa WCDMA và UMTS 7

1.4.3 Dịch Vụ Của Hệ Thống UMTS 8

1.4.3.1 Lớp hội thoại 10

1.4.3.2 Lớp luồng 11

1.4.3.3 Lớp tương tác 11

1.4.3.4 Lớp cơ bản 11

1.4.4 Cấu trúc cell 12

1.4.5 Cấu trúc của hệ thống UMTS 14

1.4.6 Mạng lõi CN (Core Network) .16

1.4.7 Truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network) 18

1.4.7.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến 19

1.4.7.2 Nút B (trạm gốc) 20

1.4.8 Thiết bị người sử dụng UE (User Equipment) 20

1.5 TỔNG KẾT VỀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN WCDMA TRONG HỆ THỐNG UMTS 21

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 24

CHƯƠNG II 24

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG UMTS 24

2.1 MỤC TIÊU CỦA ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 24

2.2 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 26

2.2.1 Điều khiển công suất cho đường xuống và đường lên 27

2.2.2 Điều khiển công suất phân tán và tập trung 27

2.2.3 Phân loại điều khiển công suất theo phương pháp đo 28

2.2.4 Điều khiển công suất vòng hở, điều khiển công suất vòng kín 28

2.3 MỘT SỐ THUẬT NGỮ LIÊN QUAN 29

2.3.2 Hiệu ứng đa đường, bộ thu RAKE 29

2.3.4 Kỹ thuật phân tập 32

2.3.5 Sự trôi công suất đường xuống 35

2.3.6 Độ tin cậy của các lệnh điều khiển công suất đường lên 37

2.3.7 Cải thiện chất lượng báo hiệu điều khiển công suất 37

2.4 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 38

2.5 ĐKCS VÒNG HỞ (Open-loop power control) 41

2.5.1 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở đường lên 42

2.5.2 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở đường xuống 42

2.6 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NHANH VÒNG KÍN 43

2.6.1 Các kỹ thuật điều khiển công suất vòng trong 44

2.6.1.1 Điều khiển công suất vòng trong đường lên 45

2.6.1.2 Điều khiển công suất vòng trong đường xuống 47

2.6.2 Điều khiển công suất vòng ngoài 50

2.6.2.1 Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên 50

2.6.2.2 Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống 52

2.7 SỰ KHÁC NHAU GIỮA ĐKCS TRONG GSM, CDMA & UMTS 52

2.8 GIẢI PHÁP SMART ANTENA VỚI ĐKCS 54

2.8.1 Giới thiệu 54

2.8.2 Hoạt động của anten thông minh 54

2.8.2.1 Công nghệ cũ 54

2.8.2.2 Công nghệ anten thông minh 55

2.8.2.2.1 Anten thông minh 55

2.8.2.2.2 Hệ thống Smart Antena 56

2.8.3 Cơ sở kỹ thuật xử lý tín hiệu trong hệ thống Smart Antena kết hợp điều khiển công suất 58

2.8.4 Ứng dụng của anten thông minh trong mạng 3G 60

2.8.5 Những lợi ích chính khi triển khai anten thông minh 61

2.8.6 Tổng kết công nghệ Smart Antena 61

2.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 61

CHƯƠNG III 63

CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 63

3.1 GIỚI THIỆU 63

3.2 THUẬT TOÁN ĐKCS VÒNG NGOÀI 63

3.3 PHƯƠNG PHÁP ĐKCS THEO BƯỚC ĐỘNG DSSPC (Dynamic Step-size Power Control) 64

3.3.1 Độ dự trữ SIR nhiều mức 64

3.3.2 Sự hoạt động của mạng 65

3.3.3 Sự hoạt động của trạm di động 68

3.4 ĐKCS PHÂN TÁN DPC (Distributed Power Control) 71

3.4.1 Khái quát 71

3.4.2 Mô hình hệ thống 72

3.4.3 Thuật toán điều khiển công suất phân tán 72

3.4 CÁC ĐẠI LƯỢNG DÙNG TRONG THUẬT TOÁN 74

3.6 MỘT SỐ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG THUẬT TOÁN 77

3.6.1 Nhiễu đồng kênh ( Co- chanel Interference ) 77

3.6.2 Nhiễu đa truy cập MAI (Multiple Access Interference ) 78

3.6.3 Nhiễu kênh lân cận 79

3.6.4 Tải lưu lượng 81

3.6.5 Cấp độ phục vụ (Grade of Service) 82

3.6.6 Hiệu quả sử dụng kênh 83

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 83

CHƯƠNG IV 85

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 85

4.1 QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN THAM KHẢO CHO HỆ THỐNG UMTS 85

4.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỤ THỂ 86

4.3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 88

4.4 ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG 92

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 92

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

3 AC Admission Cotrol Điều khiển cho phép

4 AGC Authomatic Gain

9 AS Access Slot Khe truy nhập

10 BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi

11 BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

18 CN Core Network Mạng lõi

Channel

Kênh gói chung đường lên

Channel

Kênh hoa tiêu chung

21 DC Delicated Control Điều khiển riêng

22 DCH Delicated Channel Kênh riêng

24

DS-CDMA

Direct Sequence Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã dãy trực tiếp

Học viện viễn thông châu âu

30 EDGE Enhanced Data Rates

Kênh truy nhập đường xuống

32 FBI Frame Error Rate Tỷ số khung lỗi

33 FER PIN Unlock Key Khoá mở PIN

34 FDD Fequency Division

Duplex

Ghép song công phân chia theo tần số

35 RSCP Receive Signal Code Công suất mã tín hiệu thu được

Dịch vụ chuyển mạch gói vô tuyến

39 GoS Grade of Service Cấp độ phục vụ

40 GSM Global System of

Mobile Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

41 HC Handover Control Điều khiển chuyển giao

42 HDLA History Data Logic

Analyzer

Bộ phân tích dữ liệu gốc

43 HLR Home Location

Register

Thanh ghi định vị thường trú

44 IMT-2000 International Mobile

Liên minh viễn thông quốc tế

47 LC Load Control Điều khiển tải

Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động

52 OFDM Orthogonal

Frequency Division

Đa phân chia theo tần số trực giao

53 OSS Operation Support

System

Hệ thống hỗ trợ hoạt động

54 PC Power Control Điều khiển công suất

55 PCH Paging Channel Kênh tìm gọi

Giao thức hội tụ số liệu gói

58 PDSCH Physical Downlink

Shared Channel

Kênh vật lý chung đường xuống

59 PICH Paging Indication

Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý

62 PSH Packet Scheduler Lập biểu gói

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

65 QI Quality Indicator Chỉ số chất lượng

66 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

67 RACH Random Access

Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

68 RAN Random Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến

69 RAT Radio Access

Technology

Kỹ thuật truy nhập vô tuyến

70 RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

Quản lí tài nguyên vô tuyến

74 RRU Radio Resouce

Utilization

Quản lí tài nguyên vô tuyến

75 S-CCPCH Secondary Common

Control Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp

Node hỗ trợ chuyển mạch gói

78 SIM Subscriber Indentity

Module

Mô đun nhận dạng thuê bao

79 SIR Signal to Interference

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

80 SF Spreading Fator Hệ số trải phổ

81 SHO Soft Hand Over Chuyển giao mềm

82 SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Ghép song công phân chia theo thời gian

85 TFCI Transport Format

Combination Indicator

Chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải

86 TPC Transmit Power

Command

Lệnh công suất phát

87 UE User Equipment Thiết bị người sử dụng

89 UMTS Universal Mobile

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

90 USIM UMTS Subscriber

Indentity Module

Module nhận dạng thuê bao UMTS

91 UTRAN UMTS Terrestrial

Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

92 VHE Virtual Home

Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G 1

Hình 1.2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP 1

Hình 1.3 Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 2

Hình 1.4 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba 4

Hinh 1.5 Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS 6

Hình 1.6 Cấu trúc cell UMTS 14

Hình 1.7 Cấu trúc của hệ thống UMTS 15

Hình 1.8 Kiến Trúc UTRAN 18

Hình 2.1 Công suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc 26

Hình 2.2 Phân loại kỹ thuật điều khiển công suất 26

Hình 2.3 Truyền sóng đa đường 30

Bảng 2.1 Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh 31

Bảng 2.2 Công suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh 31

Hình 2.4 Công suất phát và thu trong 2 nhánh (công suất khoảng hở trung bình 0dB,- 10dB).Kênh phading Rayleigh tại 3km/h .32 Hình 2.5 Công suất phát và thu trên 3 nhánh (công suất khoảng hở như nhau) Kênh phading Rayleigh tại tốc độ 3km 34

Hình 2.6 Công suất tăng trong kênh phading với điều khiển công suất nhanh 34

Hình 2.7 Trôi công suất đường xuống trong chuyển giao mềm 36

Hình 2.8 Kiểm tra độ tin cậy của điều khiển công suất đường lên tại UE trong chuyển giao mềm 36

Hình 2.9 Điều khiển công suất vòng kín bù trừ phading nhanh 40

Hình 2.10 Điều khiển công suất vòng ngoài 41

Hình 2.11 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín 44

Hình 2.12 Các thủ tục điều khiển công suất vòng trong và vòng ngoài 45

Hình 2.13 UL PC vòng trong khi chuyển giao mềm 47

Hình 2.14 Dịch công suất (PO) để cải thiện chất lượng báo hiệu đường xuống 48

Hình 2.15 Dải động điều khiển công suất đường xuống 49

Hình 2.16 DL PC vòng trong khi DHO (SHO) 50

Hình 2.17 Kiến trúc logic chức năng UL PC vòng ngoài 51

Hình 2.18 Hệ thống anten tuyến tính 56

Hình 2.19 Hệ thống chuyển mạch búp sóng 57

Hình 2.20 Hệ thống anten tương thích 57

Hình 2.21 Sơ đồ khối của anten thích nghi dưới dạng tổng quát 58

Hình 3.1 Eb/N0 mục tiêu trong kênh ITU Pedestrian A, bộ mã hoá/giải mã thoại AMR, BLER mục tiêu 1%, bậc 0,5dB, tốc độ 3km/h 64

Hình 3.2 Độ dự trữ SIR đối với các loại dịch vụ khác nhau 65

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC .67

Hình 3.4 Mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên 70

Hình 3.6 Nhiễu hướng lên 77

Hình 3.7 Nhiễu hướng xuống 78

Hình 3.3 Các loại nhiễu trong hệ thống 81

Hình 3.8 Quá trình thiết lập cuộc gọi 82

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1.2 Bảng tóm tắt các thông số chính của WCDMA 22 1.3 Các điểm khác nhau cơ bản giữa WCDMA và CDMA2000 23 2.1 Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp có và không có

2.2 Công suất phát yêu cầu trong trường hợp có và không có điều

2.3 Các mức tăng công suất được minh họa trên kênh ITU

pedestrian A đa đường với phân tập anten 34

4.1 Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ thoại 12,2Kbps 84 4.2 Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian

4.3 Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ Phi thoại 384 Kbps 85

LỜI NÓI ĐẦU

-@ -Thông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin, dịch vụ và trong đời sống hàng

ngày 3G là một bước đột phá của ngành di động, bởi vì nó cung cấp băng thông

rộng hơn cho người sử dụng Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều thuận

tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu như truyền thông hữu

ích như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao,… Truyền thông di động ngày nay đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống

Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động là một trong những khâu quan trọng của hệ thống, hạn chế được ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa đến chất lượng dịch vụ thoại, dung lượng của hệ thống và khả năng chống lại fading vốn

là đặc trưng của môi trường di động Điều khiển công suất cho các hệ thống vô tuyến tế bào đã được nghiên cứu tương đối chi tiết trong một số công trình Đối với các hệ thống băng hẹp, các sơ đồ điều khiển công suất đã gợi mở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo cho hệ thống băng rộng

Xuất phát từ tầm quan trọng đó em chọn đề tài “ Điều khiển công suất trong

hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 UMTS” Đồ án gồm 4 chương có những nội dung chính sau:

Chương 1: “Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS” sẽ giới thiệu tổng quan

các vấn đề cơ bản về công nghệ WCDMA, cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS, sơ lược về những dịch vụ và ứng dụng trong hệ thống này trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Chương 2: “Kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động

thế hệ ba UMTS” sẽ trình bày về ý nghĩa và phân loại các kỹ thuật điều khiển công suất Từ đó đi sâu vào phân tích các kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba UMTS

Chương 3: “Các thuật toán điều khiển công suất” nhằm nghiên cứu các mô

hình điều khiển công suất để tối ưu hoạt động của mạng.Qua đó đánh giá được ưu nhược điểm của từng phương pháp

Chương 4: “Kết quả tính toán và mô phỏng” dựa trên quỹ đường truyền để

tính toán các thông số của hai phương pháp điều khiển công suất Mô phỏng đã đưa

ra cái nhìn trực quan thông qua chương trình mô phỏng sử dụng ngôn ngữ Visual Basic

Trong thời gian làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nên đồ án còn nhiều sai sót Em rất mong nhận được sự phê bình, các ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đở tận tình của thầy Nguyễn Đỗ Dũng cùng các thầy cô trong khoa kỹ thuât-công nghệ để em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Quy Nhơn, Ngày tháng năm 2009

Sinh viên thực hiện

Đặng Vũ Thái

CHƯƠNG I

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 UMTS

1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG

Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu IP đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghệ thông tin di động Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng đuợc dịch vụ mới này Trước bối cảnh đó hiệp hội viễn thông quốc tế đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá để xây dựng hệ thống thông tin thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 thông qua dự án 3GPP (Thir Generation Partnership Project) Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được ra đời từ dự án 3GPP được gọi là hệ thống thông tin di đông UMTS/WCDMA

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ ba và bộ phận quan trọng của nó là UMTS

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Hình 1.2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 1.3 Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 IMT-2000

Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunications Union) cũng đã thành lập một nhóm nghiên cứu để nghiên cứu các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3, nhóm nghiên cứu TG8/1 Nhóm nghiên cứu đã đặt tên cho

hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 của mình là Hệ Thống Thông Tin Di Động Mặt Đất Tương Lai (FPLMTS-Future Public Lan Mobile Telecommucation System) Sau này, nhóm nghiên cứu đổi tên hệ thống thông tin của mình thành Hệ Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu cho năm 2000( IMT-2000: Internation Mobile Telecommunication for the year 2000) Với các tiêu chí chung sau đây:

- Sử dụng dải tần quy ước quốc tế là 2GHZ như sau :

+ Đường lên 1885-2025 MHZ

+ Đường xuống 2110 – 2200 MHZ

- Là hệ thống thông tin toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến :

+ Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến

+ Tương tác cho mọi dịch vụ viễn thông

- Sử dụng các môi trường khai thác như :

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

- Cung cấp hai mô hình truyền dữ liệu đồng bộ và không đồng bộ

- Có khả năng chuyển vùng di động toàn cầu

- Có khả năng sử dụng giao thức Internet

- Hiệu quả sử dụng phổ tầng cao hơn các hệ thống đã có

- Môi trường hoạt động của IMT-2000 được chia thành bốn vùng với tốc độ bit Rb được phục vụ như sau :

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

W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :

+ Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz

+ Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang.+ Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

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

Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi trường làm việc khác nhau

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc

độ bit lên đến 2MBit/s Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới như : điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ

đa phương tiện khác

Hình 1.4 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba

Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ các dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các dịch vụ không liên quan đến cuộc gọi như thư điện tử, FPT…

Công trình nghiên cứu của các nước châu Âu cho W-CDMA bắt đầu từ đề án CODIT (Code Division Multiplex Testbed : Phòng thí nghiệm đa truy cập theo mã)

và FRAMES (Future Radio Multiplex Access Scheme : Kỹ thuật đa truy cập vô

tuyến trong tương lai) từ đầu thập niên 90 Các dự án này đã tiến hành thử nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lượng đường truyền

Theo các chuyên gia trong ngành viễn thông, đường tới 3G của GSM là WCDMA Nhưng trên con đường đó, các nhà khai thác dịch vụ điện thoại di động phải trải qua giai đoạn 2,5G Thế hệ 2,5G bao gồm những gì? Đó là: dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS và Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE)

1.4 HỆ THỐNG UMTS

1.4.1 Tổng Quan

UMTS ( Universal Mobile Telefone System ) dựa trên công nghệ WCDMA

là giải pháp tổng quát cho các nước sử dụng công nghệ di động GSM , UMTS do tổ chức 3GPP quản lý 3GPP cũng đồng thời chịu trách nhiệm về các chuẩn mạng di động như GSM , GPRS và EDGE

UMTS đôi khi còn có tên là 3GSM, dùng để nhấn mạnh sự liên kết giữa 3G

và chuẩn GSM UMTS hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu đến 1920 Kbps (gần bằng 2Mbps như một số tài liệu công bố), mặc dù trong thực tế hiệu suất đạt được chỉ vào khoảng 384 Kbps Tuy nhiên tốc độ này vẫn còn nhanh hơn nhiều so với chuẩn GSM (14,4 Kbps ) và HSCSD (14,4 kbps); và là sự lự chọn hoàn hảo đầu tiên cho giải pháp truy cập internet giá rẻ bằng thiết bị di động

Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dung cho hệ th ống UMTS

*1920- 1980 Mhz và 2110 -2170 Mhz dành cho các ứng dụng FDD

(Frequency Division Duplex : ghép kênh theo tần số ) đường lên và đường xuống khoảng cách kênh là 5MHz

*1900- 1902 MHz và 2010 -1025 MHz dành cho các ứng dụng TDD – TD/ CDMA ,khoảng cách các kênh là 5 MHz

*1980 MHz -2010 MHz và 2170MHz – 2200 MHz dành cho đường xuống

và đường lên vệ tinh

Năm 1998 3GPP đã đưa ra tiêu chuẩn chính của UMTS

+ Dịch vụ

+ Mạng lõi

+ Mạng truy nhập vô tuyến

+ Thiết bị đầu cuối

Hinh 1.5 Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS

Hai phương thức song công được sử dụng trong kiến trúc WCDMA: Song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD) Phương pháp FDD cần hai băng tần cho đường lên và đường xuống Phương thức TDD chỉ cần một băng tần Thông thường phổ tần số được bán cho các nhà khai thác theo các dải có thể bằng 2x10MHz, hoặc 2x15MHz cho mỗi bộ điều khiển Mặc dù có một số đặc điểm khác nhau nhưng cả hai phương thức đều có tổng hiệu suất gần giống nhau Chế độ TDD không cho phép giữa máy di động và trạm gốc

có trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây ra đụng độ giữa các khe thời gian thu và phát Vì vậy mà chế độ IDD phù hợp với các môi trường có trễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD vận hành ở các pico cell Một ưu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đường lên

và đường xuống có thể rất khác nhau, vì vậy mà phù hợp cho các ứng dụng có đặc tính bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống , chẳng hạn như Web browsing

Trong quá trình hoạch định mạng, các ưu điểm và nhược điểm của hai phương pháp này có thể bù trừ.

1.4.2 Mối quan hệ và sự khác nhau giữa WCDMA và UMTS

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thông tin di động trên thế giới,khi ngày càng nhiều nước quan tâm đến 3G và 3G cũng đã đưa vào khai thác thương mại ở rất nhiều nước (trên 70 quốc gia) như Hàn Quốc, Nhật Bản và cả ở Việt Nam… thì nhiều thuật ngữ về kỹ thật 3G cũng bắt đầu lưu hành Các thuật ngữ viết tắt WCDMA, UMTS, TD-SCDMA v.v… xuất hiện ngày càng nhiều trên các phương tiện thông tin đại chúng Có một hiện tượng khá phổ biến là: người ta thường lẫn lộn giữa WCDMA và UMTS, xem chúng có cùng khái niệm như nhau Vậy thực chất thì UMTS và WCDMA có mối quan hệ như thế nào và giữa chúng có

sự khác biệt nào không ?

Ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20, Hiệp hội Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) đã bắt đầu trưng cầu phương án kỹ thuật của tiêu chuẩn 3G và “vội vàng” gọi chung kỹ thuật 3G là UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems)

có nghĩa là các hệ thống thông tin di động đa năng CDMA băng rộng (WCDMA) chỉ là một trong các phương án được khuyến nghị (băng rộng lên tới 5MHz) Sau đó

sự tham gia tích cực của Nhật Bản vào việc xây dựng các tiêu chuẩn này đã thúc đẩy nhanh chóng sự phát triển của công nghệ 3G trên phạm vi toàn cầu Năm 1998, châu Âu và Nhật đạt được sự nhất trí về những tham số chủ chốt của khuyến nghị CDMA băng rộng và đưa nó trở thành phương án kỹ thuật dùng giao diện không gian FDD (ghép tần số song công - Frequency Division Duplex) trong hệ thống UMTS Và từ đó phương án kỹ thuật này được gọi là WCDMA để nêu rõ sự khác biệt với tiêu chuẩn CDMA băng hẹp của Mỹ (băng rộng chỉ có 1,25 MHz)

Tiếp tục phát triển một cách logic, UMTS trở thành một trong những tiêu chuẩn 3G của tổ chức tiêu chuẩn hoá thế giới 3GPP (Tổ chức những người bạn hợp tác về 3G)

và không chỉ định nghĩa giao diện không gian; chủ thể của nó bao gồm các khuyến nghị về các giao diện và một loạt các quy phạm kỹ thuật về các mạch kết nối và mạch phân nhóm nòng cốt của CDMA

Để vừa có thể giữ lại khoản đầu tư về mạng hiện có vừa có thể ứng dụng một cách linh hoạt các phát minh công nghệ mới nhất, tư tưởng chỉ đạo khi xây dựng tiêu chuẩn 3G là các phần tử mạng có thể phát triển một cách độc lập, toàn mạng cần quá độ một cách trôi chảy và thuận lợi Mục tiêu tổng quát và cuối cùng của nó là: thực hiện một mạng thông tin di động toàn cầu giải rộng được IP hoá Nói cụ thể hơn là kỹ thuật kết nối mạng vô tuyến và kỹ thuật mạng chuyển mạch nòng cốt đều

có cách phát triển riêng của mình Về kỹ thuật kết nối, đặc biệt là ở các giao diện không gian, 3GPP ra sức phấn đấu nâng cao hiệu suất sử dụng tần phổ, ngoài tiêu chuẩn WCDMA là kỹ thuật kết nối không gian đầu tiên được chọn và không ngừng hoàn thiện nâng cao, UMTS còn đưa vào 2 phương án kỹ thuật khác là TD-SCDMA (Time Division - Sequence Code Division Multiple Access) và HSDPA (High-Speed Digital Position Access) Phương án đầu do Trung Quốc đề xướng, có thể tận dụng tần phổ của đơn biên để cho khả năng tổ chức mạng thông tin di động tốc độ cao Phương án sau đưa vào kỹ thuật điều khiển tốc độ truyền đưa dữ liệu có lợi cho việc truyền đưa dữ liệu siêu tốc, có thể đưa tốc độ truyền dữ liệu vô tuyến lên tới 10 Mbit/s Về mặt kỹ thuật mạng nòng cốt, đã đưa vào khái niệm chuyển mạch mềm phân nhóm, tiếp đó thuận theo xu thế phát triển ứng dụng các nền tảng IP mà đưa vào khái niệm phục vụ IP đa phương tiện (IMS - IP Multimedia Service) Dựa trên các nền tảng đó để thực hiện được mục tiêu phát triển cuối cùng là thiết lập một mạng thông tin di động đa phương tiện trên nền tảng hoàn toàn IP

Sự phát triển liên tục các tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên được thể hiện bằng 4

mô thức về tiêu chuẩn UMTS của tổ chức 3GPP là: R99, R4, R5 và R6, tạo thành một bộ tiêu chuẩn đồ sộ nhưng trong nó lại gồm những hệ tiêu chuẩn tương đối độc lập WCDMA là một tiêu chuẩn về giao diện không gian đầu tiên, sớm nhất và hoàn thiện nhất trong các hệ tiêu chuẩn đó và được các nhà khai thác và sản xuất thiết bị viễn thông ở cả 3 châu lục: Âu, Á, Mỹ sử dụng rộng rãi

1.4.3 Dịch Vụ Của Hệ Thống UMTS

So với GSM và các mạng di động đang tồn tại, UMTS cung cấp các đặc tính mới và quan trọng, đó là nó cho phép thoả thuận các đặc tính của một bộ mang vô

tuyến Các thuộc tính định nghĩa đặc trưng của chuyển vận bao gồm: thông lượng, trễ truyền, và tỷ số lỗi dữ liệu Là một hệ thống hoàn hảo, UMTS phải hỗ trợ rất nhiều các dịch vụ có các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau Hiện tại, ta cũng không dự đoán được hết các đặc điểm và cách sử dụng của rất nhiều các dịch

vụ đó và cũng khó có thể tối ưu các dịch vụ UMTS thành chỉ một tập hợp các ứng dụng Cho nên các bộ mang UMTS phải có đặc điểm chung, để hỗ trợ các ứng dụng đang tồn tại đồng thời thuận tiện cho việc cho việc phát triển các ứng dụng mới Ngày nay khi mà hầu hết các dịch vụ viễn thông đều là các ứng dụng Internet hoặc N-ISDN, thì rõ ràng các ứng dụng và các dịch vụ này chủ yếu là gọi các thủ tục điều khiển các bộ mang Phần này không nghiên cứu sâu về các bộ mang, mà sẽ đề cập đến các lớp dịch vụ của UMTS

3GPP đã xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ của hệ thống UMTS nhằm đáp ứng :

+ Định nghĩa và các đặc điểm yêu cầu của dịch vụ

+ Phát triển dung lượng và cấu trúc dịch vụ cho các ứng dụng mạng tổ ong, mạng cố định và mạng di động

+ Thuê bao và tính cước

UMTS cung cấp các loại dịch vụ xa (teleservices) như thoại hoặc bản tin ngắn (SMS) và các loại dịch vụ mạng (bearer services: một dịch vụ viễn thông cung cấp khả năng truyền tín hiệu giữa hai giao diện người sử dụng mạng) Các mạng có các tham số Q0S (Quality of Service: chất lượng dịch vụ) khác nhau cho độ trễ truyền dẫn tối đa, độ trễ truyền biến thiên và tỉ lệ lỗi bit (BER) Những tốc độ dữ liệu được yêu cầu là :

♦ 144 Kbps cho môi trường vệ tinh và nông thôn

♦ 384 Kbps cho môi trường thành phố (ngoài trời)

♦ 2084 Kbps cho môi trường trong nhà và ngoài trời với khoảng cách gần

Hệ thống UMTS có 4 lớp Q0S sau:

● Lớp hội thoại (thoại, thoại thấy hình, trò chơi)

● Lớp luồng (đa phương tiện, video theo yêu cầu…)

● Lớp tương tác (duyệt web, trò chơi qua mạng, truy nhập cơ sở dữ liệu)

● Lớp cơ bản (thư điện tử, SMS, tải dữ liệu xuống)

1.4.3.1 Lớp hội thoại

Ứng dụng được biết đến nhiều nhất của lớp này là dịch vụ thoại trên bộ mang chuyển mạch kênh Kết hợp với Internet và multimedia có các ứng dụng mới như: thoại qua giao thức Internet (Voice Over IP), và điện thoại hình (Video Telephony) Các dịch vụ này được thực hiện là các cuộc hội thoại thời gian thực có đặc điểm sau: trễ giữa các đầu cuối thấp (được xác định bằng các thử nghiệm phù hợp với khả năng cảm nhận âm thanh và hình ảnh của con người, nhỏ hơn 400ms), lưu lượng là đối xứng hoặc gần như đối xứng

▪ Dịch vụ thoại đa tốc độ thích nghi (AMR)

UMTS sử dụng bộ mã hoá và giải mã thoại theo công nghệ đa tốc độ thích nghi AMR Bộ mã hoá thoại AMR có các đặc điểm sau:

+ Là một bộ mã hoá/giải mã thoại tích hợp đơn với 8 tốc độ nguồn: 12.2 (GSM-EFR), 10.2, 7.95, 7.40(IS-641), 5.90, 5.15 và 4.75 kbps

+ Bộ mã hoá AMR hoạt động với khung thoại 20ms tương ứng với 160 mẫu với tần số lấy mẫu là 8000 mẫu/s Sơ đồ mã hoá cho chế độ mã hoá đa tốc độ được gọi là Bộ mã hoá dự đoán tuyến tính được kích thích bởi mã đại số (ACELP)

+ Tốc độ bit AMR có thể điều khiển bởi mạng truy nhập vô tuyến tuỳ thuộc vào tải trên giao diện vô tuyến và chất lượng của kết nối thoại Khi tải mạng ở mức cao , đặc biệt là trong giờ bận, có thể sử dụng tốc độ bit AMR thấp hơn để yêu cầu dung lượng cao hơn trong khi chất lượng thoại giảm đi rất ít Cũng tương tự , khi

MS chạy ra ngoài vùng phủ sóng của cell và đang sử dụng sử dụng công suất phát lớn nhất của nó, thì sử dụng tốc độ bit AMR thấp hơn để mở rộng vùng phủ của cell Với bộ mã hoá thoại AMR có thể đạt được sự điều hoà giữa dung lượng vùng phủ của mạng và chất lượng của thoại tuỳ theo các yêu cầu của nhà điều hành

▪ Điện thoại hình

Dịch vụ này có yêu cầu trễ tương tự như dịch vụ thoại Nhưng do đặc điểm của nén video, yêu cầu BER nghiêm ngặt hơn thoại UMTS đã chỉ ra các đặc tính

trong ITU-T Rec H.324M sử dụng cho điện thoại hình trong các kết nối chuyển mạch kênh và giao thức khởi tạo phiên (SIP) để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện IP bao gồm dịch vụ điện thoại hình.

1.4.3.2 Lớp luồng

Luồng đa phương tiện là một kỹ thuật chuyển dữ liệu nhờ đó dữ liệu được được xử lý như là một luồng liên tục và đều đặn Nhờ có công nghệ streaming, người sử dụng có thể truy cập nhanh để tải nhanh chóng các file đa phương tiện các trình duyệt có thể bắt đầu hiển thị dữ liệu trước khi toàn bộ file được truyền hết

Các ứng dụng streaming thường rất không đối xứng, cho nên phải chịu nhiều trễ hơn là các dịch vụ hội thoại đối xứng Điều này có nghĩa là chúng phải chịu nhiều jitter hơn trong truyền dẫn

Các ứng dụng được chia thành 2 phạm vi mục đích khác nhau: Quảng bá web, luồng hình ảnh theo yêu cầu Các nhà cung cấp dịch vụ quảng web thường hướng mục tiêu đến đông đảo khách hàng mà được kết nối với một máy chủ phương tiện truyền được tối ưu hóa hiệu suất thông qua Internet Các dịch vụ luồng video theo yêu cầu thường sử dụng cho các công ty lớn mong muốn lưu trữ các video clip hoặc các bài giảng vào một máy chủ được kết nối với một mạng intranet nội bộ băng thông cao hơn

1.4.3.3 Lớp tương tác

Khi người sử dụng đầu cuối online để yêu cầu dữ liệu từ các thiết bị từ xa (máy chủ), thì lớp tương tác được sử dụng Lưu lượng tương tác là một mô hình giao tiếp dữ liệu khác mà được đặc trưng bởi mẫu đáp ứng yêu cầu của người sử dụng đầu cuối, thời gian trễ round-trip, và tính trong suốt khi vận chuyển (với tốc

độ lỗi bit thấp) Một ứng dụng quan trọng của lớp này là Computer game sử dụng công nghệ J2ME

1.4.3.4 Lớp cơ bản

Lưu lượng dữ liệu của các ứng dụng như là Email, dịch vụ nhắn tin ngắn SMS, dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MMS (MMS là một sự mở rộng hoàn hảo của SMS) tải về cơ sở dữ liệu, nhận các bản ghi đo đạc có thể sử dụng lớp nền vì

các ứng dụng này không đòi hỏi các hành động tức thì Lưu lượng nền có các đặc điểm sau: điểm đích không mong chờ dữ liệu trong một thời gian nhất định, cho nên

ít nhiều không nhạy cảm với thời gian phân phát dữ liệu; nội dung các gói không nhất thiết phải chuyển một cách hoàn toàn trong suốt; dữ liệu bên thu không có lỗi

Yếu tố chủ yếu để phân biệt các loại này là độ nhạy cảm với trễ, ví dụ như hội thoại rất nhạy với trễ còn loại cơ bản thì ít nhạy cảm với trễ nhất

Các loại Q0S của UMTS được tổng kết ở bảng (1.1)

Bảng 1.1 Các lớp QoS của hệ thống UMTS

Loại lưu lượng Lớp hội thoại Lớp luồng Lớp tương tác Lớp cơ bản

Các đặc tính cơ

bản

Dành trước quan hệ thời gian giữa các thực thể thông tin của luồng Mẫu hội thoại (chặt chẽ và

độ trễ nhỏ)

Dành trước quan hệ thời gian giữa các thực thể thông tin của luồng

Yêu cầu mẫu trả lời trướcDành trước số liệu toàn vẹn

Nơi nhận không đợi

số liệu trong khoảng thời gian nhất địnhDành trước

số liệu toàn vẹn

Thí dụ về ứng

dụng

- Thoại

- Thoại thấy hình

Luồng đa phương tiện

- Duyệt Web-Các trò chơi qua mạng

- Tải dữ liệu xuống

- Email

1.4.4 Cấu trúc cell

Trong suốt quá trình thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chú ý nhiều hơn đến sự phân tập của môi trường người sử dụng Các môi trường nông thôn ngoài trời, đô thị ngoài trời, hay đô thị trong nhà được hỗ trợ bên cạnh các mô hình di động khác nhau gồm người sử dụng tĩnh, người đi bộ đến người sử dụng trong môi trường xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao Để yêu cầu một vùng phủ sóng rộng khắp và khả năng roaming toàn cầu, UMTS đã phát triển cấu trúc lớp các miền

phân cấp với khả năng phủ sóng khác nhau Lớp cao nhất bao gồm các vệ tinh bao phủ toàn bộ trái đất; Lớp thấp hơn hình thành nên mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN Mỗi lớp được xây dựng từ các cell, các lớp càng thấp các vùng địa lý bao phủ bởi các cell càng nhỏ Vì vậy các cell nhỏ được xây dựng để hỗ trợ mật độ người sử dụng cao hơn Các cell macro đề nghị cho vùng phủ mặt đất rộng kết hợp với các micro cell để tăng dung lượng cho các vùng mật độ dân số cao Các cell pico được dùng cho các vùng được coi như là các “điểm nóng” yêu cầu dung lượng cao trong các vùng hẹp (ví dụ như sân bay…) Những điều này tuân theo 2 nguyên

lý thiết kế đã biết trong việc triển khai các mạng tế bào: các cell nhỏ hơn có thể được sử dụng để tăng dung lượng trên một vùng địa lý, các cell lớn hơn có thể mở rộng vùng phủ sóng

Do các nhu cầu và các đặc tính của một môi trường văn phòng trong nhà khác với yêu cầu của người sử dụng đang đi với tốc độ cao tại vùng nông thôn, diễn đàn UMTS đã phát triển 6 môi trường hoạt động Đối với mỗi mô hình mật độ người sử dụng có thể trên một km2 và các loại cell được dự đoán cho các mô hình

có tính di động thấp, trung bình, cao

Hình 1.6 Cấu trúc cell UMTS

1.4.5 Cấu trúc của hệ thống UMTS

Phần này sẽ xét tổng quan cấu trúc hệ thống UMTS Cấu trúc bao gồm các phần tử mạng logic và các giao diện Hệ thống UMTS sử dụng cùng cấu trúc như

hệ thống thế hệ 2, thậm chí một phần cấu trúc của hệ thống thế hệ 1

Mỗi phần tử mạng logic có một chức năng xác định Trong tiêu chuẩn các phần tử mạng được định nghĩa cũng thường được thực hiện ở dạng vật lí tương tự, nhất là

có một số giao diện mở (giao diện sao cho ở mức chi tiết có thể sử dụng được thiết

bị của hai nhà sản xuất khác nhau ở các điểm cuối) Có thể nhóm các phần tử mạng theo các chức năng giống nhau hay theo mạng con mà chúng trực thuộc

Ngoại ô

Hình 1.7 Cấu trúc của hệ thống UMTS

Để hoàn thiện, hệ thống còn có thiết bị người sử dụng (UE :User Equipment)

để thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống và cần định nghĩa giao diện vô tuyến

Cấu trúc hệ thống mức cao được thể hiện trong hình (1.7) Từ quan điểm chuẩn hoá, cả UE và UTRAN đều bao gồm các giao thức mới Việc thiết kế các giao thức này dựa trên những nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới Trái lại, việc định nghĩa CN dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống với công nghệ

vô tuyến mới mang tính toàn cầu dựa trên công nghệ CN đã biết và đã phát triển.Một phương pháp chia nhóm khác cho mạng UMTS là chia chúng thành các mạng con Trên khía cạnh này, hệ thống UMTS được thiết kế theo Modun Vì thế, có thể

có nhiều phần tử mạng cho cùng một kiểu Khả năng có nhiều phần tử của cùng một kiểu cho phép chia hệ thống UMTS thành các mạng con hoạt động hoặc độc lập hoặc cùng với các mạng con khác Các mạng con này được phân biệt bởi các nhận dạng duy nhất Một mạng con như vậy được gọi là mạng di động mặt đất công cộng UMTS (UMTS PLMN:UMTS Public Land Mobite Network) Thông thường, mỗi PLMN được khai thác duy nhất, và nó được nối đến các PLMN khác như ISDN, PSTN, Internet

Các tiêu chuẩn UMTS được cấu trúc sao cho không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của các phần tử mạng nhưng định nghĩa giao diện giữa các phần tử mạng logic Các giao diện mở chính là:

+ Giao diện Cu: là giao diện thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh

+ Giao diện Uu: là giao diện vô tuyến của WCDMA, giao diện giữa UE và Node B Đây là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống

Vì thế nó là giao diện mở quan trọng nhất ở UMTS

+ Giao diện Iu 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

◦ Iu- CS dành cho dữ liệu chuyển mạch kênh

◦ Iu- PS dành cho dữ liệu chuyển mạch gói

+ Giao diện Iur: giao diện giữa hai RNC Đây là giao diện mở, cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau

+ Giao diện Iub: kết nối một nút B với một RNC Nó cho phép hỗ trợ sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất trong lĩnh vực này UMTS là hệ thống điện thoại

di động đầu tiên có Iub được tiêu chuẩn hoá như một giao diện mở hoàn toàn

1.4.6 Mạng lõi CN (Core Network)

Những chức năng chính của việc nghiên cứu mạng lõi UMTS là:

• Quản lí di động, điều khiển báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa UE và mạng lõi

• Báo hiệu giữa các nút trong mạng lõi

• Định nghĩa các chức năng giữa mạng lõi và các mạng bên ngoài

• Những vấn đề liên quan đến truy nhập gói

• Giao diện Iu và các yêu cầu quản lí và điều hành mạng

Mạng lõi UMTS có thể chia thành 2 phần: chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

Thành phần chuyển mạch kênh gồm: MSC, VLR và cổng MSC Thành phần chuyển mạch gói gồm nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support

Node) và cổng nút hỗ trợ GPRS (GGSN: Gateway GPRS Support Node) Một số

thành phần của mạng như HLR và AUC được chia sẽ cho cả hai phần Cấu trúc của mạng lõi có thể được thay đổi khi các dịch vụ mới và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra

Các phần tử chính của mạng lõi như sau :

• HLR (Home Location Register: Thanh ghi định vị thường trú) là một cơ sở

dữ liệu được đặt tại hệ thống chủ nhà của người sử dụng để lưu trữ thông tin chính

về lý lịch dịch vụ của người sử dụng, bao gồm thông tin về các dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

• MSC/VLR (Mobile Service Switching Center): Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động) là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch

vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nó Nhiệm vụ của MSC là sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VLR làm nhiệm vụ giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng cũng như vị trí chính xác hơn của UE trong hệ thống đang phục

vụ CS là phần mạng đựơc truy nhập qua MSC/VLR

• GMSC (Gateway MSC) là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS PLMN với mạng CS bên ngoài

• SGSN (Serving GPRS: General Packet Radio Network Service Node) có chức năng giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói PS (Packet Switch) Vùng PS là phần mạng được truy nhập qua SGSN

• GGSN (Gateway GPRS Support Node) có chức năng giống như các dịch

vụ điện thoại, ví dụ như ISDN hoặc PSTN

• Các mạng PS đảm bảo các kết nối cho những dịch vụ chuyển mạch gói, ví

Các yêu cầu chính để thiết kế kiến trúc, giao thức và chức năng UTRAN

▪Tính hỗ trợ của UTRAN và các chức năng liên quan: Yêu cầu tác động tới thiêt kế của UTRAN là các yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một thiết bị đầu cuối kết nối với mạng thông qua 2 hay nhiều cell đang hoạt động) và các thuật toán quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến đặc biệt

▪ Làm tăng tính tương đồng của GSM

▪ Sử dụng phương thức vận chuyển ATM như là cơ cấu chuyển vận chính trong UTRAN

▪ Sử dung kiểu chuyển vận trên cơ sở IP như là cơ cấu chuyển vận thay thế trong UTRAN kể từ Reasle 5 trở đi

1.4.7.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến

Bộ điều kiển mạng vô tuyến (RNC) là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều kiển nguồn tài nguyên vô tuyến của UTRAN Nó giao tiếp với mạng lõi ( thường là với một MSC và một SGSN ) và cũng là phần tử cuối cùng của giao thức điều khiển nguồn tài nguyên vô tuyến mà xác định các thông điệp và thủ tục giữa máy di động

và UTRAN Về mặc logic, nó tương ứng với BSC trong GSM

*Vai trò logic của RNC

RNC điều kiển một Nút B (như là vạch giới hạn giao diện Iub tới NútB ) được coi như là bộ RNC đang điều khiển ( CRNC) của nút Bộ điều khiển CRNC chịu trách nhiệm điều khiển tải và điều khiển nghẽn cho cell của nó , và điều kiển thu nhận và phân bố mã cho liên kết vô tuyến được thiết lập trong các cell Trong trường hợp một kết nối UTRAN, máy di động sử dụng nguồn tài nguyên từ nhiều phân hệ mạng vô tuyến RNS, thì các RNS bao gồm 2 chức năng logic riêng biệt (về phương diện kết nối máy di động - UTRAN này)

RNC phục vụ (SRNC): RNC cho mỗi máy di động là một RNC mà xác định biên giới cả liên kết Iu cho sự vận chuyển dữ liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP tương thích qua mạng lõi (kết nối này được gọi là kết nối RANAP) SRNC cũng xác định biên giới của Báo hiệu điều khiển nguồn tài nguyên vô tuyến, nó là giao thức báo hiệu giữa UE và UTRAN Nó thực hiện xử lý ở lớp 2 cho các dữ liệu chuyển qua giao diện vô tuyến Hoạt động Quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến cơ bản, như là ánh xạ các thông số mang thông tin truy nhập vô tuyến thành các thông

số kênh chuyển vận giao diện vô tuyến, quyết định chuyển giao , và điều khiển công suất vòng bên ngoài Các hoạt động này được thực thi trong SNRC SRNC cũng có thể là CRNC của một số Nút B sử dụng bởi máy di động cho kết nối với UTRAN Một UE kết nối với UTRAN thì chỉ có duy nhất một SRNC

Bộ RNC trôi (DRNC): DRNC có thể là bất cứ RNC nào ngoài SRNC,

nó điều khiển các cell sử dụng bởi máy di động Nếu cần thiết, DRNC có thể thực hiện kết hợp hay chia nhỏ phân tập macro DRNC không thực hiện xử lý dữ liệu người sử dụng ở lớp 2, nhưng định tuyến một cách trong suốt dữ liệu giữa giao diện

Iub và Iur, ngoại trừ khi UE đang sử dụng một kênh chuyển vận dùng chung Một

UE có thể không có, có một hoặc có nhiều DRNC Chú ý rằng một RNC ở mức vật

lý bao gồm toàn bộ các chức năng CRNC, SRNC và DRNC

1.4.8 Thiết bị người sử dụng UE (User Equipment)

UE là sự kết hợp giữa thiết bị di động và module nhận dạng thuê bao USIM (UMTS subscriber identity) Giống như SIM trong mạng GSM/GPRS, USIM là thẻ

có thể gắn vào máy di động và nhận dạng thuê bao trong mạng lõi

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

Modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Modul) là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận thực và lưu giữ các khoá nhận thực cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng trên card Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh) Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng

USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao

Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký

1.5 TỔNG KẾT VỀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN WCDMA TRONG HỆ THỐNG UMTS

WCDMA là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng sử dụng cho phần giao diện vô tuyến cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS Các thông số nổi bật đặc trưng cho WCDMA như sau:

• WCDMA là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ dãy trực tiếp băng rộng DS-CDMA, nghĩa là các bit thông tin được trải ra trong một băng tần rộng bằng cách nhân dữ liệu người dùng với các bit giả ngẫu nhiên (gọi là chip), các bit này xuất phát từ các mã trải phổ CDMA Để hỗ trợ tốc độ bit cao (lên tới 2Mbps), cần sử dụng các kết nối đa mã và hệ số trải phổ khác nhau

• WCDMA có tốc độ chip là 3.84 Mcps dẫn đến băng thông của sóng mang xấp xỉ 5MHz, nên được gọi là hệ thống băng rộng Còn các hệ thống DS-CDMA với băng tần khoảng 1 MHz như IS-95, thường được gọi là hệ thống CDMA băng hẹp Băng thông rộng của sóng mang WCDMA hỗ trợ các tốc độ dữ liệu cao của người dùng và đem lại những lợi ích hiệu suất xác định, như là tăng khả năng phân tập đa đường Các nhà vận hành mạng có thể sử dụng nhiều sóng mang 5MHz để tăng dung lượng, có thể bằng cách sử dụng các lớp tế bào phân cấp Khoảng cách giữa các sóng mang thực tế có thể được chọn là lưới 200KHz trong khoảng 4.4 – 5Mhz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang

• WCDMA hỗ trợ tốt các tốc độ dữ liệu người dùng khác nhau hay nói cách khác là hỗ trợ tốt đặc tính băng thông theo yêu cầu (BoD) Mỗi người sử dụng được cấp các khung có độ rộng 10ms, trong khi tốc độ người sử dụng được giữ không đổi Tuy nhiên dung lượng người sử dụng có thể thay đổi giữa các khung Việc cấp phát nhanh dung lượng vô tuyến thông thường sẽ được điều khiển bởi mạng để đạt được thông lượng tối ưu cho các dịch vụ dữ liệu gói

• WCDMA hỗ trợ mô hình hoạt động cơ bản: chế độ song công phân chia theo tần số FDD và song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex).

• Trong chế độ FDD, các tần số sóng mang 5MHz khác nhau sẽ được sử dụng cho đường lên và đường xuống, trong khi ở chế đố TDD, chỉ có 1 sóng mang 5MHz được sử dụng bằng cách chia sẻ miền thời gian cho các đường lên và đường xuống

• WCDMA hỗ trợ hoạt động của các trạm gốc dị bộ, khác với hệ thống đồng

bộ IS-95, nên không cần chuẩn thời gian toàn cầu ,như là GPS, Việc triển khai các trạm gốc micro và trạm gốc indoor sẽ dễ dàng hơn khi nhận tín hiệu mà không cần GPS

• WCDMA áp dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp trên cả đường lên và đường xuống dựa vào việc sử dụng kênh hoa tiêu Mặc dù được sử dụng trên đường xuống IS-95, nhưng việc sử dụng tách sóng kết hợp trên đường lên trong hệ thống WCDMA là mới, có khả năng tăng tổng thể dung lượng và vùng phủ sóng của đường lên

Giao diện vô tuyến WCDMA được xây dựng một cách khéo léo theo cách của các bộ thu CDMA tiên tiến, như là khả năng tách sóng nhiều người dùng và các anten thích ứng thông minh, có thể được triển khai bởi các nhà điều khiển mạng như là một hệ thống được chọn lựa để tăng dung lượng và vùng phủ sóng Trong hầu hết các hệ thống thế hệ 2, không có các điều khoản cho các khái niệm bộ thu này, có nghĩa là chúng không có khả năng ứng dụng hoặc không thể áp dụng một cách bắt buộc với việc tăng hiệu suất một cách hạn chế

WCDMA được thiết kế để giao tiếp với GSM Vì thế, sự chuyển giao giữa GSM và WCDMA được hỗ trợ để cải tiến vùng phủ sóng của GSM bằng cách sử dụng WCDA

Bảng 1.2 Tóm tắt các thông số chính của WCDMA

Phương thức đa truy nhập DS-CDMA

Phương thức song công FDD/TDD

Việc đồng bộ trạm gốc Hoạt động không đồng bộ

Ghép các dịch vụ Nhiều dịch vụ với yêu cầu chất lượng khác

nhau được ghép xen trên một kết nốiKhái niệm đa tốc độ Hỗ trợ tốc độ trải phổ khác nhau và đa mãTách sóng Tách sóng kết hợp sử dụng đại diện kênh pilot

hoặc kênh pilot chungTách sóng nhiều người sử dụng,

các Anten thông minh

Được hỗ trợ bởi các chuẩn, tuỳ chọn trong quá trình thực thi

Sự khác nhau giữa WCDMA và cdma2000 (hay còn gọi là cdmaOne băng rộng) có thể chỉ ra trong một số các đặc điểm được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Các điểm khác nhau cơ bản của W-CDMA và cdma2000

Phương thức truy nhập UL: DS-CDMA

DL:Multicarrier/DS-CDMA

UL&RL: DS-CDMA

Tốc độ chip (Mcps) Bội số của 1.2288 Bội số của 1.024

Tốc độ điều khiển công

Kênh pilot được ghép theo thời gian

Cấu trúc kênh đường Kênh mã đơn với các mã Các kênh đa mã

lên để hỗ trợ các dịch

vụ dữ liệu tốc độ cao

HSD

Walsh biến đổi

Trải phổ đường lên Sự kết hợp của mã dài và mã

ngắn tương tự như CDMA 2G

Các mã ngắn dựa vào các chuỗi mã trực giao lớp Mã dài trên cơ sở các mã Gold

Kênh Pilot đường lên Kênh pilot được ghép theo

CHƯƠNG II

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG

HỆ THỐNG UMTS

2.1 MỤC TIÊU CỦA ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Mục tiêu của việc sử dụng điều khiển công suất là khác nhau trên đường lên

và đường xuống Các mục tiêu của điều khiển công suất có thể tóm tắt như sau :

• Khắc phục hiệu ứng gần-xa trên đường lên

• Tối ưu dung lượng hệ thống bằng việc điều khiển nhiễu

• Làm tăng tối đa tuổi thọ pin của đầu cuối di động

Trong hệ thống thống tin UMTS các UE đều phát chung một tần số ở cùng thời gian nên chúng gây nhiễu đồng kênh với nhau Chất lượng truyền dẫn của

đường truyền vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỷ số Eb/No (Eb :năng lượng bit,No là mật độ tạp âm trắng Gausơ cộng bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy đổi từ máy phát của người sử dụng khác Để đảm bảo tỉ số Eb/No không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suât UE

Để minh hoạ việc điều khiển công suất cần thiết như thế nào trong hệ thống UMTS, chúng ta xem xét một ô đơn lẻ có hai thuê bao giả định Thuê bao 1 gần trạm gốc hơn thuê bao 2 Nếu không có điều khiển công suất, cả hai thuê bao sẽ phát một mức công suất cố định p, tuy nhiên do sự khác nhau về khoảng cách nên công suất thu từ thuê bao 1 là pr1 sẽ lớn hơn thuê bao 2 là pr2 Giả sử rằng vì độ lệch về khoảng cách như vậy mà pr1 lớn gấp 10 lần pr2 thì thuê bao 2 sẽ chịu một

sự bất lợi lớn

Nếu tỷ số SNR yêu cầu là (1/10) thì chúng ta có thể nhận ra sự chênh lệch giữa các SNR của hai thuê bao Hình (2.1) minh hoạ điều này Nếu chúng ta bỏ qua tạp âm nhiệt thì SNR của thuê bao 1 sẽ là 10 và SNR của thuê bao 2 sẽ là (1/10) Thuê bao 1 có một SNR cao hơn nhiều và như vậy nó sẽ có được một chất lượng rất tốt, nhưng SNR của thuê bao 2 chỉ vừa đủ so với yêu cầu Sự không cân bằng này được xem là bài toán “xa-gần” kinh điển trong một hệ thống đa truy cập trải phổ

Hệ thống nói trên được coi như đã đạt tới dung lượng của nó Lý do là nếu chúng ta thử đưa thêm một thuê bao thứ 3 phát cùng mức công suất p vào bất cứ chỗ nào trong ô thì SNR của thuê bao thứ 3 đó sẽ không thể đạt được giá trị yêu cầu Hơn nữa, nếu chúng ta cố đưa thêm thuê bao thứ 3 vào hệ thống thì thuê bao thứ 3 đó sẽ không những không đạt được SNR yêu cầu mà còn làm cho SNR của thuê bao 2 bị giảm xuống dưới mức SNR yêu cầu

P

Thuê bao 2 có S/N = 1/10

Hình 2.1 Công suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc

Việc điều khiển công suất được đưa vào để giải quyết vấn đề “xa–gần” và để tăng tối đa dung lượng hệ thống Điều khiển công suất là điều khiển công suất phát từ mỗi thuê bao sao cho công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng nhau Trong một ô, nếu công suất phát của mỗi thuê bao được điều khiển để công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng với Pr thì nhiều thuê bao hơn có thể sử dụng trong hệ thống Ví dụ trên, nếu SNR yêu cầu vẫn là (1/10) thì tổng cộng có thể

có 11 thuê bao được sử dụng trong ô (hình 2.1) Dung lượng được tăng tối đa khi sử dụng điều khiển công suất

2.2 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Có nhiều phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống thông tin tế bào Khi xét đến một hệ thống điều khiển công suất thực tế, cần xem xét những mặt sau:

Hình 2.2 Phân loại kỹ thuật điều khiển công suất

- Tiêu chuẩn chất lượng: tiêu chuẩn chất lượng được đánh giá thông qua tỉ

số SIR (Signal to Interference) và BER (Bit Error Rate) Nếu cường độ tín hiệu và

nhiễu không đổi SIR và BER bao gồm các thông tin tương đương về chất lượng