Nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ 3 và một số giải pháp đáp ứng chất lượng dịch vụ

Model quan đường bao ESPRIT Estimation of Signal Parameters by Rotation Invariance Technique Ước tính tham số tín hiệu dựa trên kỹ thuật quay bất biến EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nghành: Công nghệ Điện tử-Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VƯƠNG ĐẠO VY

Hà Nội – 2008

Nội dung Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

2.2.1.3 Các kênh vật lý dùng chung tuyến xuống 24

2.3 Chế độ UTRA TDD 39

Chương 3 : GIẢI PHÁP ĂNTEN THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG 3GPP WCDMA

3.5.6 Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao 70

3.6 Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động 73 Chương 4: HIỆU SUẤT CỦA ĂNTEN THÔNG MINH TẠI THIẾT BỊ DI

ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG 3GPP WCDMA

75

4.1.2 Kết quả mô phỏng với mô hình kênh đường tròn GBSB 76 4.1.3 Kết quả mô phỏng với mô hình kênh elip GBSB 78 4.2 Hiệu suất của ănten thông minh trong mô hình kênh ITU 81 4.2.1 Môi trường mô phỏng cho mô hình kênh ITU 81 4.2.2 Hiệu suất của AC,DC và HC đối với mô hình kênh ITU 83

KẾT LUẬN 88

A

ADC Analogue – Digital Convert Bộ chuyển đổi tương tự số

AT- GSC Absolute Threshold Generalized

Selection Combining

Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá ngưỡng tuyệt đối

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

B

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

C

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

CODIT Code Division Multiple Testbed Đa kiểm tra phân chia theo mã CPICH Common PIlot CHannel Kênh hoa tiêu chung

D

DECT Digital European Cordless Telephone Mạng điện thoại không dây số

Châu Âu DPCCH Data Physical Common Channel Kênh vật lý số liệu chung DPDCH Data Physical Dedicated Channel Kênh vật lý số liệu riêng

DSP Digital Signal Procesor Bộ xử lý tín hiệu số

Model quan đường bao ESPRIT Estimation of Signal Parameters by

Rotation Invariance Technique

Ước tính tham số tín hiệu dựa trên kỹ thuật quay bất biến EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ lợi cân bằng

F

FDMA Frequency Division Multi Access Đa truy cập phân chia theo tần

số FDD Frequency Division Duplex Ghép song công theo tần số FRAMES Future Radio Wideband Multiple

Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu GGSN Gateway GPRS Support Node Node hỗ trợ cổng GPRS GPRS General Packet Radio Sevice Dịch vụ vô tuyến gói chung

H

HSCSD High Speed Circuit Switched Data Chuyển mạch dữ liệu tốc độ

cao

IMT International Mobile

Telecommunication

Hội thông tin di động quốc tế

ITU International Telecommunication

Union

Liên đoàn viễn thông quốc tế

MLE Maximum Likehood Estimation Khả năng giống nhất

MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình

tối thiểu MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ tối đa

MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di

động MUSIC MUltiple SIgnal Classification Phân chia đa tín hiệu

N

N-LMS Normalized Least Mean Square Bình phương trung bình tối

thiểu chuẩn hoá NT-GSC Normalized Threshold Generalized

Selection Combining

Kết hợp lựa chọn tổng quát ngưỡng chuẩn hoá

P

PCH Pilot Channel Kênh hoa tiêu

PCS Personal Communication Service Dịch vụ truyền thông cá nhân

Q

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương

R

RLS Recurstive Least Square Bình phương tối thiểu đệ quy

S

SCFCM Spatially Correlated Fading channel

Model

Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo

không gian SINR Signal - to – Interference plus Noise

SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ dịch vụ GPRS TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia

theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo

thời gian TIA Telecommunication Industry Association Hội công nghiệp viễn thông

U

UCFCM Uncorrelated Fading Channel Model Mô hình kênh pha đinh không

tương quan UMTS Universal Mobile Telecommunication

System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy cập vô tuyến mặt đất cho

UMTS WCDMA Wideband Code Division Multiple

Mở đầu

Xã hội càng phát triển thì nhu cầu thông tin càng cao Chính vì vậy các hệ thống thông tin ngày càng phát triển Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai được xây dựng theo tiêu chuẩn IS-95, GSM, phát triển rất nhanh trong những năm 1990 Các yêu cầu về dịch vụ mới của các hệ thống thông tin di động, nhất là các dịch vụ truyền

số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đưa ra được các hệ thống thông tin di động mới Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm những mục tiêu sau đây:

Tốc độ số liệu cao để đảm bảo các dịch vụ truy nhập Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện

Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động

Cải thiện tầm phủ của các hệ thống thông tin di động

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đã được đề xuất, trong đó hai tiêu chuẩn WCDMA và Cdma2000 đã được ITU chấp thuận và được triển khai trong những năm đầu của thế kỷ 21 WCDMA sẽ là sự phát triển tiếp theo của các

hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136, PDC Cdma2000 sẽ là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai dựa trên chuẩn IS-95 Tại Việt Nam các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba cũng đang được triển khai và thử nghiệm bởi các nhà cung cấp dịch vụ

Nhưng vấn đề là làm thế nào để nâng cao dung lượng của hệ thống mà không làm tăng băng tần của vô tuyến? Làm thế nào để hệ thống đảm bảo cung cấp dịch vụ với giá thành rẻ, chất lượng và tốc độ truyền dữ liệu cao, đồng thời phải giảm thiểu năng lượng truyền tín hiệu từ thuê bao nhằm tăng tuổi thọ của pin, làm cho cấu trúc của máy di động ngày càng gọn nhẹ? Việc đi tìm lời giải cho các câu hỏi này quả là một thách thức lớn cho các nhà quản lý và khai thác mạng viễn thông cũng như các nhà thiết kế hệ thống vì dường như các yêu cầu này không có tính dung hoà với nhau

Đã có rất nhiều giải pháp đưa ra nhằm giải quyết những vướng mắc này Chính vì vậy

tôi chọn đề tài: Nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ ba và một số giải pháp

đảm bảo chất lượng dịch vụ Mục tiêu của đề tài: nghiên cứu các nguyên tắc hoạt

động, đưa ra một số giải pháp nhằm đáp ứng chất lượng dịch vụ của các hệ thống IMT-2000, nội dung chính của luận văn này gồm 4 chương:

 Chương 1: Tiến lên 3G sẽ khái quát quá trình phát triển của thông tin di động

 Chương 2: Các hệ thống IMT-2000 tại châu Âu đề cập tới nguyên tắc hoạt

động của các hệ thống thông tin di động UMTS, là chuẩn cho các hệ thống thông tin di động 3G tại châu Âu

 Chương 3: Giải pháp ănten thông minh trong hệ thống thông tin di động

3GPP WCDMA đi vào nghiên cứu ứng dụng của ănten thông minh tại máy di

động trong hệ thống WCDMA Chương đã giới thiệu một số các cấu trúc của hệ thống ănten thông minh kép được tích hợp trong các đầu cuối di động Theo đó, chương cũng đưa ra những cấu trúc của ănten thông minh trong các môi trường truyền lan khác nhau cũng như ănten thông minh sử dụng các thuật toán khác nhau trong thực tế Đồng thời giới thiệu các mô hình kênh được khuyến nghị của ITU

 Chương 4: Hiệu suất của anten thông minh tại thiết bị di động trong hệ thống

3GPP WCDMA khi sử dụng các lược đồ kết hợp phân tập, tương thích hay lai

ghép trong hệ thống 3 GPP với các mô hình kênh khác nhau và mô hình kênh

của ITU khuyến nghị

Tuy nhiên trình độ bản thân và điều kiện còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để đề tài này được hoàn thiện hơn

Qua đây, tác giả cũng xin cảm ơn các thầy, cô giáo, đặc biệt là thầy giáo, PGS.TS Vương Đạo Vy đã tận tình hướng dẫn và góp ý để luận văn được hoàn thành

Tác giả

Vũ Đức Hưng

Chương 1 - QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ 2G LÊN 3G

Chương này sẽ khái quát quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, quá trình phát triển từ mạng 2G lên mạng 3G

1.1 Giới thiệu

Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G-generation) là GSM và IS-95

đã được triển khai tại nhiều nơi trên thế giới và chúng sẽ tiếp tục tồn tại trong thập kỷ tới Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống này phải đối mặt với các hạn chế về dung lượng Chính vì vậy sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) là một điều tất yếu

Các hệ thống 3G hứa hẹn một dung lượng thoại lớn hơn, tốc độ kết nối di động cao hơn và sử dụng các ứng dụng đa phương tiện Các hệ thống vô tuyến 3G cung cấp các dịch vụ với chất lượng tương đương với các hệ thống hữu tuyến và các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ (từ 144 kbps) lên tới 1920 Kbps

Bất chấp những ưu điểm nổi trội của hệ thống 3G, cho đến nay số lượng thuê bao của các hệ thống 2G vẫn tiếp tục phát triển nhờ những cải tiến của nó vì thế, trước khi đi vào miêu tả các hệ thống 3G chúng ta hãy xem xét lịch sử phát triển của thông tin di động tế bào và hệ thống 2G, đặc biệt là các hệ thống GSM

1.1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động

Vào cuối thế kỷ 19, các thí nghiệm của nhà khoa học người Italy, Marconi, cho thấy thông tin vô tuyến có thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa nhau di động Song phải tới những năm đầu 1980 thì mạng điện thoại di động kiểu tế bào thế hệ thứ nhất (1G) mơí ra đời Các mạng này ban đầu chỉ dành cho tín hiệu thoại, và giữa các

hệ thống và các thuê bao của mạng không hề tương thích với nhau, khả năng lưu động của thiết bị thấp

Trong tình hình như vậy, người châu Âu nhận thấy cần phải có một hệ thống tế bào thế hệ thứ 2 (2G) hoàn toàn số

Năm 1982, hội nghị Bưu chính và Viễn thông châu Âu (CEPT) đã thành lập nhóm chuyên trách về thông tin di động GSM (Group Special on Mobile) có nhiệm vụ xây dựng một hệ thống thông tin di động công cộng tiêu chuẩn toàn châu Âu hoạt động trên băng tần 900 MHz Các khuyến nghị về GSM được thông qua vào tháng 4 năm 1988 Sau một thời gian thử nghiệm, năm 1991 mạng GSM (Global System for Mobile Communication) chính thức được đưa vào sử dụng tại châu Âu và nhiều nước trên thế giới

Song không chỉ dừng ở lại đó, người châu Âu đã có tầm nhìn lâu dài Ngay vào năm 1988 họ đã tiến hành dự án RACE 1043 với mục đích xác định các dịch vụ và

công nghệ cho hệ thống thông tin di động tân tiến thế hệ thứ 3 (3G) và sự triển khai dự tính vào năm 2000 Hệ thống của họ sớm được biết đến với tên gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu UMTS ( Universal Mobile Telecommunication System) Các hệ thống 1G, 2G, 3G sẽ hoàn toàn độc lập với nhau và việc triển khai sẽ đan xen nhau, sau đó GSM sẽ được thay thế dần bằng UMTS

Tuy nhiên sự thành công của GSM cho tới nay là cực lớn cho nên quá trình tiến hoá từ 2G lên 3G cần được cân nhắc Mặc dù mạng xương sống của GSM và UMTS

có thể xem là giống nhau, song giao diện vô tuyến lại khác nhau đáng kể

Đã có những mong chờ, hy vọng lớn ban đầu đối với UMTS Nó không chỉ là tế bào mà sẽ bao các loại mạng khác từ vô tuyến di động cá nhân (PMR- Private Mobile Radio), các mạng nội hạt không dây (Wireless LAN) tới các hệ thống vệ tinh di động MSSs Các đặc điểm quan trọng là nó sẽ hoạt động toàn cầu, hỗ trợ các dịch vụ tốc độ bit cao và quan trọng nhất là định hướng dịch vụ Trong khi châu Âu xem mạng 3G toàn cầu cho thế kỷ 21 là UMTS, hầu hết các kỹ sư của họ làm việc với UMTS hy vọng rằng họ sẽ đạt được thỏa thuận với ITU để sớm điều chỉnh UMTS và điều cơ bản

là UMTS sẽ được chấp nhận là chuẩn toàn cầu

Để giải thích việc hy vọng này, chúng ta cần chỉ ra là ITU đã tham gia trò chơi 3G từ lúc bắt đầu Đồng thời với sự khởi đầu của RACE tại châu Âu, nhóm đặc biệt được thành lập của ITU là TG 8/1 (task group thuộc CCIR) Uỷ ban này coi hệ thống 3G của họ như là hệ thống thông tin di động mặt đất, công cộng tương lai FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System) Người châu Âu, tất nhiên cũng là thành viên của TG8/1 và dưới áp lực về chính trị cũng như thương mại thì FPLMTS và UMTS dường như chung mục đích và đối tượng Cái khác nhau cơ bản giữa TG8/1 và cái đang diễn ra tại châu Âu là người châu Âu đã sẵn sàng đưa hệ thống của họ vào thực tiễn trong khi TG8/1 vẫn chỉ là diễn đàn

Còn người Mỹ thì sao? Tại Mỹ không có các chương trình R&D (Research and Development) tầm cỡ quốc gia về hệ thống 2G hay 3G nào được tiến hành cả Hệ thống 1G dịch vụ thoại tân tiến của họ AMPS (Advanced Mobile phone Service) được phát triển thành thế hệ 2 là IS-136 sau đó trở thành hệ thống hai mode là IS-95 Người

Mỹ cũng giới thiệu hệ thống IDEN có khả năng hỗ trợ các dịch vụ tế bào và vành vô tuyến Nó chiếm một phổ tần rất lớn cho 3G và nó cho phép GSM vào Mỹ dưới dạng PCS1900 Việc sở hữu phổ như vậy đồng nghĩa là có các ưu điểm nổi trội khi mạng lưới 2G được phát triển thành 3G

Một yếu tố lớn không chỉ tại Mỹ mà trên cả thế giới là sự xuất hiện của IS-95,

nó ra đời sau so với GSM và một vài người tranh cãi rằng nó là 2,5G Nó đã phải tranh đấu để tồn tại bởi thiếu phổ tần và thái độ của các kỹ sư đối với phương pháp đa truy nhập Phổ hẹp cỡ 1,25MHz ở đầu dải AMPS là đủ cho CDMA tế bào Những người

ủng hộ CDMA đều rõ một điều là nó có hiệu quả về mặt phổ rất cao Do đó chúng ta

có thể coi IS-95 là một hệ thống 2,5G vì nó phù hợp với môi trường nhiều người dùng 3G và việc phát triển lên 3G sẽ dễ dàng Điều này không đúng đối với các hệ thống TDMA thế hệ 2G khi chuyển sang hệ thống 3G Tuy nhiên chúng ta sẽ thấy trong phần sau, GMS với TDMA của nó có thể phát triển tới 3G mà không cần có thêm card CDMA Tuy nhiên vẫn có một sự phát triển từ giai đoạn 2+ của GSM lên UMTS được

đề cập ở phần1.2

Ủy ban TG8/1 đã từ bỏ cái tên FPLMTS khi dùng cho hệ thống 3G của nó, và thay thế bằng từ thông tin di động quốc tế năm 2000, hay đơn giản là IMT-2000 (International Mobile Telecommunication for 2000) Sau đó nó đã loại bỏ sự khó khăn mang tính chính trị về một chuẩn duy nhất bằng cách chọn một họ chuẩn Mỗi thành viên của họ phải đáp ứng một số chỉ tiêu tối thiểu Có tất cả 16 đề nghị được chấp thuận, 10 chuẩn cho mạng 3G mặt đất và 6 cho hệ thống vệ tinh di động Phần lớn các yêu cầu ủng hộ CDMA là phương pháp đa truy cập Một dung hoà đã được đưa ra và cuối cùng ITU đã đồng ý là họ IMT-2000 sẽ bao gồm 5 công nghệ sau:

 IMT DS ( Direct Sequence) được biết tới là UTRA FDD và W-CDMA trong đó UTRA là UMTS terrestrial Radio Access truy cập vô tuyến mặt đất cho UMTS

và W trong W-CDMA là wideband

 IMT MC ( Multicarrier) hệ thống này là phiên bản của IS-95 (bây giờ được gọi

là CDMA One) và cũng được biết đến với tên là Cdma2000, chúng ta sẽ sử dụng cái tên được dùng phổ biến là Cdma2000

 TC ( Time Code) là UTRA TDD được đặt tên cho chế độ UTRA sử dụng song công theo thời gian

 IMT FT ( Frequency Time) là hệ thống viễn thông không dây tiên tiến số (DECT- Digitally Enhanced Cordless Telecommunication)

 IMT SC ( Single Carrier) đây thực chất là một dạng đặc biệt của GSM giai đoạn 2+ được biết đến là EDGE, (Enhanced Data Rates for GSM Evolution-tốc độ

dữ liệu được cải thiện cho sự phát triển của GSM)

1.1.2 Phổ của IMT-2000

Hội nghị về quản lý vô tuyến của thế giới tháng 3/1992 đã chỉ định 200 MHz trong dải tần 2G cho IMT-2000 sử dụng toàn cầu Các dải tần thực tế là 1885-2025MHz và 2110-2200MHz Thật không may là một vài phần của dải tần này đã được các dịch vụ khác sử dụng Hình 1.1 là sơ đồ phổ của IMT-2000 và việc sử dụng

tại châu Âu, Mỹ, Nhật dải phổ này

Phổ IMT-2000 có thể chia thành 7 khoảng Tần số các khoảng này như bảng 1.1

 Khoảng 1: được dùng cho DECT tại châu Âu và cho PHS, PCS, DECT tại một số vùng trên thế giới

 Khoảng 2: tại Mỹ, Nhật dùng cho PCS, PHS

 Khoảng 3 và 6 hình thành các dải ghép phân kênh theo tần số 60 MHz

 Khoảng 4,7: dùng cho các dịch vụ vệ tinh di động cung cấp các dải tần 30MHz kiểu FDD

 Khoảng 4: dùng cho tuyến lên

 Khoảng 7: dùng cho tuyến xuống

 Khoảng 1,2,5: không cặp đôi phù hợp với các hoạt động ghép kênh phân chia theo thời gian

 Khoảng 5: có thể sử dụng cho các dịch vụ MSS tuyến lên tại Mỹ

Hình 1.1: Phổ của IMT-2000 và việc sử dụng phổ này tại châu Âu, Mỹ, và Nhật PCS, SAT Mobile Sattelite Service, DECT- Digital Enhanced Cordless

Telecommunications, PHS –Handyphone System

Có hai dịch vụ đã được giới thiệu ở giai đoạn 2+ của GSM cho phép tăng tốc độ người dùng bằng cách cho phép 1MS truy cập nhiều khe thời gian trong một khung TDMA Đó là các dịch vụ HSCSD (High Speed Circuit Switched Data -dữ liệu chuyển mạch tốc độ cao) và GPRS (General Packet Radio Service -dịch vụ vô tuyến gói chung) HSCSD cho phép một MS được cấp phát một số khe thời gian trong một khung TDMA trên nền tảng chuyển mạch có nghĩa là MS độc quyền sử dụng các tài nguyên được cấp phát trong thời gian cuộc gọi Ngược lại GPRS sử dụng các kết nối định hướng gói trên giao diện vô tuyến bằng cách cấp cho người dùng một hay một số các kênh lưu lượng chỉ khi có yêu cầu truyền thông tin Các kênh này sẽ được thu hồi khi mà việc truyền hoàn tất Trong những phần sau chúng ta sẽ miêu tả chi tiết hơn hai dịch vụ này

Cách tiếp cận thứ hai để tăng tốc độ số liệu người dùng là phương pháp điều chế nhiều mức hiện đang được nghiên cứu bởi dự án cải thiện tốc độ số liệu cho phát triển của GSM ( Enhanced Data Rates for GSM Evolution -EDGE) Nguyên lý cơ sở của EDGE là phương pháp điều chế được sử dụng trên giao diện vô tuyến GSM phải dựa trên cơ sở chất lượng của tuyến radio Một phương pháp điều chế nhiều mức hơn

sẽ được sử dụng khi chất lượng của tuyến thông tin là tốt, nhưng hệ thống sẽ chuyển sang phương pháp điều chế số mức thấp hơn khi chất lượng của tuyến kém đi Khi được phát triển, công nghệ EDGE sẽ cải thiện số lượng các dịch vụ được cung cấp bởi GSM Phiên bản đầu của EDGE sẽ được sử dụng để cải thiện các dịch vụ GPRS và HSCSD thành GPRS cải tiến Trong các phiên bản sau của EDGE các dịch vụ khác sẽ được giới thiệu nhờ sử dụng các phương pháp điều chế khác nhau

1.2.1 Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao

Dịch vụ này là sự mở rộng tự nhiên của dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh được hỗ trợ bởi GSM giai đoạn đầu Không có sự thay đổi đối với giao diện lớp vật lý giữa các thành phần của mạng cung cấp dịch vụ HSCSD Ở các lớp cao hơn MS và mạng hỗ trợ các chức năng bổ trợ được yêu cầu để ghép hay tách số liệu người dùng vào một số kênh lưu lượng để truyền qua hai giao diện Abis và giao diện vô tuyến Các chức năng bổ trợ cũng được thêm vào mức quản lý tài nguyên vô tuyến để quản lý các tình huống mới khi mà một số các kênh lưu lượng khác nhau được phối hợp để có cùng một kết nối Ví dụ khi một người dùng HSCSD được quản lý qua hai cell, cần một cơ cấu để đảm bảo các kênh lưu lượng hữu hiệu sẵn sàng trong cell mới trước khi chuyển giao xảy ra Tuy nhiên một kết nối HSCSD bị giới hạn bởi một mạch 64Kbps tại giao diện A

Khi thiết lập cuộc gọi MS cung cấp thông tin cho mạng để xác định bản chất của kết nối HSCSD Một phân nhóm cấp nhiều khe của MS được sử dụng bởi mạng để quyết định số khe lớn nhất MS có thể truy cập

1.2.2 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Service)

Nhiều dịch vụ không yêu cầu dòng dữ liệu người dùng hai hướng liên tục trên giao diện vô tuyến Để minh họa điều này, hãy xem xét người dùng W3 khi PC của họ

sử dụng kết nối quay số qua mạng tế bào Khi một trang thông tin được tải xuống thì

có một khoảng dừng trong dòng thông tin giữa MS và mạng khi mà người dùng đọc thông tin và trước khi thông tin được yêu cầu Sử dụng kết nối chuyển mạch cho những dịch vụ như vậy thường không đem lại hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên

vô tuyến vì người dùng liên tục chiếm một kênh vô tuyến trong thời gian cuộc gọi Sự bất cập kiểu này có thể chấm dứt bằng sử dụng dịch vụ kết nối định hướng gói

Hệ thống GSM ban đầu được thiết kế để hỗ trợ chỉ kết nối chuyển mạch kênh tại mức giao diện vô tuyến với tốc độ người dùng lên tới 9,6Kbps Tuy nhiên các quy định trong giai đoạn 2+ hiện nay bao gồm cả việc hỗ trợ dịch vụ kết nối định hướng gói được biết đến là dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS Dịch vụ này cố gắng tối ưu tài nguyên mạng và vô tuyến Sự phân chia nghiêm ngặt giữa các hệ thống con vô tuyến với các hệ thống phụ trợ của mạng được duy trì cho dù các hệ thống phụ trợ của mạng tương thích với các thủ tục truy cập vô tuyến của GSM Kết quả là, MSC của GSM

không bị ảnh hưởng Việc phân bổ một kênh vô tuyến GPRS là rất mềm dẻo, giới hạn

từ 1-8 khe thời gian của giao diện vô tuyến trong một khung TDMA Khe thời gian tuyến lên và tuyến xuống được cấp phát riêng Tài nguyên giao diện vô tuyến có thể được chia xẻ linh hoạt giữa dịch vụ chuyển mạch kênh và dịch vụ gói Tốc độ bit biến đổi từ 9 Kbps-150 Kpbs trên một người dùng GPRS có thể cùng tương tác với mạng

IP và X25 Các dịch vụ điểm nối điểm và nhiều điểm được hỗ trợ cũng như là dịch vụ bản tin ngắn (SMS) GPRS có thể hoạt động theo kiểu truyền dữ liệu gián đoạn, cũng như là truyền dữ liệu liên tục

Sau đây chúng ta sẽ xem xét tổng quan kiến trúc lô-gic của GPSR Hình 1.2 là

sơ đồ khối minh họa cấu trúc một mạng GSM và giao tiếp giữa các thành phần của mạng Các dịch vụ GPRS yêu cầu thêm hai thành phần của mạng là: nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN –Gateway GPRS Support Node) và nút hỗ trợ GPRS (SGSN -Serving GPRS Support Node) Như tên gọi của nó, GGSN hoạt động như là cổng giữa mạng

dữ liệu bên ngoài (Packet Data Network) và mạng GSM hỗ trợ GPRS GGSN mang thông tin định tuyến các gói dữ liệu tới SGSN phục vụ một MS cụ thể và nó kết nối với mạng bên ngoài thông qua điểm chuẩn Gi Điểm này của kết nối được xem là một điểm chuẩn chứ không phải là một giao diện bởi vì không có thông tin đặc trưng nào cho GPRS được trao đổi tại điểm này

Hình 1.2: Kiến trúc mạng GPRS

SGSN được nối tới các GGSN thuộc mạng di động mặt đất của nó qua giao diện Gn và nối với các GGSN thuộc mạng khác thông qua giao diện Gp Hai giao diện này rất giống nhau, nhưng Gp hỗ trợ thêm chức năng an ninh cần thiết cho thông tin

giữa các PLMN GGSN cũng giao tiếp trực tiếp với bộ đăng ký định vị thường trú qua giao diện Gc

Một SGSN sẽ theo dõi các thông tin định vị và thông tin an ninh kết hợp với các MS trong vùng phục vụ của nó Một SGSN giao tiếp với các GGSN và các SGSN trong cùng một mạng PLMN qua giao diện Gn và GGSN của mạng PLMN khác qua giao diện Gp Các giao diện cũng tồn tại giữa một SGSN và một MSC/VLR (giao diện Gs) và HLR (giao diện Gr) EIR ( giao diện Gf) và một cổng dịch vụ bản tin ngắn MSC (SMS-GMSC) và các MSC khác (giao diện Gd) SMS-GMSC và SMS-IWMSC cho phép dịch vụ bản tin ngắn của GSM được truyền trên kênh GPRS thay vì trên kênh SDCCH và SACCH GPRS hỗ trợ các nút (GGSN và SGSN) của một mạng PLMN kết nối với nhau nhờ sử dụng một giao thức internet (IP) dựa trên mạng xương sống

1.3 Các lựa chọn giao diện vô tuyến cho IMT-2000

Các cơ quan về chuẩn đã quyết định các công nghệ tham khảo cho IMT-2000 Việc phát triển trong những năm gần đây do khởi xướng của Nhật Bản, đầu năm 1997, hiệp hội công nghiệp và doanh nghiệp về vô tuyến của Nhật đã quyết định đưa ra những chuẩn chi tiết cho CDMA băng rộng Điều này đã thúc đẩy việc tiêu chuẩn hoá tại châu Âu và Mỹ Vào năm 1997 các tham số cho CDMA băng rộng đã được châu

Âu và Nhật thoả hiệp Giao diện vô tuyến bây giờ có thể xem xét chung là WCDMA

Vào năm 1998, sự ủng hộ mạnh mẽ cho CDMA băng rộng đã dẫn tới việc chọn WCDMA là chuẩn vô tuyến mặt đất cho UMTS tại ETSI (European Telecommunication Standards Institute) cho các dải tần của FDD WCDMA cũng được các nhà khai thác GSM tại châu Á và châu Mỹ Đối với các dải tần của TDD, phương án TD-CDMA được lựa chọn

Tại Mỹ tháng 3/1998, uỷ ban TR45.5 của TIA (Telecommunication Industry Association) chịu trách nhiệm về tiêu chuẩn của IS-95 đưa ra một cấu trúc cho CDMA băng rộng tương thích với IS-95 gọi là Cdma2000 TR45.3 chịu trách nhiệm về chuẩn IS-136 đưa ra một chuẩn cho thế hệ ba dựa trên TDMA gọi là UWC-136 ( Universal Wireless Communication)

Tại Hàn Quốc, người ta vẫn cân nhắc giữa hai công nghệ CDMA băng rộng là WCDMA và Cdma2000

Công nghệ được lựa chọn cho thế hệ di động thứ ba phụ thuộc vào các yếu tố

kỹ thuật, chính trị và kinh tế Sau đây, chúng ta sẽ xem xét các hoạt động nghiên cứu

và chuẩn hoá tại một số khu vực và các nước dẫn tới việc lựa chọn được đề cập ở trên

1.3.1 Tại châu Âu

 Các hoạt động nghiên cứu vô tuyến thế hệ 3 tại châu Âu:

Như đã đề cập trong phần 1.1 châu Âu đã tiến hành các chương trình đối với thế hệ 3G (UMTS) của họ là RACE-I, RACE-II dưới sự bảo trợ của cộng đồng châu

Âu

Chương trình RACE-I kéo dài từ năm 1988-6/1992 Nghiên cứu của RACE-I tập trung vào các công nghệ riêng lẻ như: truyền dẫn tế bào, chuyển giao và cấp phát các tài nguyên vô tuyến một cách linh hoạt, điều chế, san bằng, mã hoá, quản lý kênh

và chức năng di động của mạng cố định Các công nghệ này về sau là cơ sở phát triển

hệ thống giai đoạn hai RACE-II

Chương trình RACE-II được tiến hành từ 1992-1995 gồm các dự án CODIT (Code Division Multiple Testbed) và ATDMA (Advanced TDMA) phát triển giao diện

vô tuyến và kiểm tra về truy cập vô tuyến cho UMTS Việc thử nghiệm ATDMA hỗ trợ tốc độ người dùng lên tới 64 Kbps với mã hoá 1/4 tốc độ và việc thử nghiệm CODIT cho tốc độ lên tới 128 Kbps với mã hoá1/2 tốc độ

Chương trình ACTS (Advanced Communication Technologies and Service) được triển khai vào năm 1995 để hỗ trợ cho cả nghiên cứu và phát triển thông tin di động Trong ACTS, dự án FRAMES (Future Radio Wideband Multiple Access System) xem xét lai ghép các công nghệ đa truy cập để tạo sự phối hợp tốt nhất cho hệ thống truy cập vô tuyến tương lai Dựa trên đánh giá này một nền tảng đa truy nhập dung hoà là FRAMES (FMA) được vạch ra bao gồm hai chế độ là FMA1 là TDMA băng rộng có và không có trải phổ, FMA2 là CDMA băng rộng FMA1 không trải phổ

 Các hoạt động chuẩn hoá của châu Âu:

Thành công cực lớn của GSM sẽ ảnh hưởng mạnh mẽ tới chuẩn hóa các hệ thống thế hệ thứ 3 tại châu Âu Tại châu Âu, để tạo ra một bước chuyển tiếp trơn chu giữa hai thế hệ người ta đã cố gắng xây dựng các hệ thống thế hệ thứ 3 như là một phát triển từ GSM

Trong ETSI, uỷ ban kỹ thuật SMG có nhiệm vụ chuẩn hoá cho UMTS Tiểu ban SMG-2 chịu trách nhiệm về chuẩn truy nhập vô tuyến UMTS đã bắt đầu quá trình thiết lập truy cập vô tuyến mặt đất cho UMTS vào 12/1996 cụ thể như sau:

- 6/1997 xác định một số các phương pháp UTRA, dựa trên các công nghệ truy cập riêng lẻ hay phối hợp chúng

- 12/1997 lựa chọn một phương pháp UTRA cụ thể

- 6/1998 xác định các mặt kỹ thuật chủ chốt của UTRA (dải thông sóng mang, điều chế, mã hoá kênh, loại kênh, cấu trúc khung, giao thức truy nhập, cấp phát kênh, chuyển giao và lựa chọn các cell) Các khái niệm về giao diện vô tuyến được phân thành 5 nhóm khái niệm khác nhau FMA2 và ba phương án CDMA băng rộng của Nhật Bản được đệ trình lên nhóm Alpha Nhóm Beta đánh giá FMA1 không trải phổ cùng với một vài phương án TDMA Các phương án OFDM được nhóm nghiên cứu Gamma xem xét Nhóm Delta xem xét FMA1 có trải phổ còn gọi là dự án TD-CDMA cùng với các phương án lai ghép khác như CTDMA Nhóm Epsilon xem xét ODMA (Opportunity Driven) là các ứng dụng dựa trên tất cả các phương án đa truy cập

Cuối cùng, vào tháng 1/1998, dựa trên FMA2 và các phương án CDMA băng rộng của Nhật Bản ETSI SMG đã tiến tới một nhất trí về UTRA như sau:

 Trong dải cặp đôi (FDD) của hệ thống UMTS ứng dụng các công nghệ truy cập vô tuyến được nhóm W-CDMA đưa ra

 Trong dải không cặp đôi (TDD) hệ thống UMTS ứng dụng các công nghệ truy cập vô tuyến được nhóm TD-CDMA đưa ra

Các tiêu chuẩn của UMTS phải đáp ứng được điều kiện cho ra một giá thành thấp, dễ dung hoà được với GSM và hỗ trợ các đầu cuối hoạt động hai chế độ FDD/TDD

Đến tháng 4/1998 các khái niệm của UTRA được hoàn tất, hai chế độ FDD và TDD có cùng độ dài khung, số khe thời gian và tốc độ lấy mẫu

Đối với TDMA có 8 đề nghị, từ đó nhóm này đưa ra một hệ thống TDMA một sóng mang là MTDMA (Multimode & Multimedia) Hệ thống này xây dựng và thử nghiệm tốc độ bit sóng mang 1.536 Mbps và tốc độ bit người dùng là 512 Kbps

Tuy nhiên đến năm 1997 người ta khẳng định là hệ thống MTDMA không thể

là chuẩn cho IMT-2000 tại ARIB

Tại Nhật Bản, có một vài công ty đã phát triển các đề xuất giao diện không gian CDMA băng rộng Ban đầu có 13 giao diện vô tuyến CDMA băng rộng được đưa lên

uỷ ban nghiên cứu IMT-2000

Đến đầu năm 1995, người ta gộp lại thành ba phương án FDD (Kiểu A,B và C)

và một đề xuất TDD Hệ thống kiểu B dựa trên các tiêu chuẩn hoá về CDMA băng rộng cho PCS tại Mỹ được biết tới là IS-95

Đến cuối năm 1996, một đề xuất hợp nhất bốn phương án trên làm một trong đó các tham số chính là của nhóm A

Ba đề xuất CDMA băng rộng ban đầu của Nhật Bản hai phương án FDD và một TDD cũng được đưa tới ETSI của châu Âu Ngoài ra, đề xuất TDD cũng được đưa tới TIA TR45.5 của Mỹ với các tham số được thay đổi

Nhật Bản đã tiến hành các thí nghiệm và thử nghiệm đối với CDMA băng rộng vào khoảng 1995-1996 Đối cấu hình kiểu A người ta đã tiến hành thử với truyền dẫn video 384 Kbps và kiểm tra truyền 2 Mbps và độ rộng băng tần 20 MHz trong phòng thí nghiệm Trong giai đoạn thử nghiệm lần hai hệ thống A, việc loại bỏ nhiễu cũng được kiểm tra

Kết luận chính của ITM-2000 RTSG là việc nghiên cứu CDMA cần được bắt đầu Điều này đồng nghĩa với việc CDMA được lựa chọn là công nghệ chính cho IMT-2000 Sự thúc đẩy của CDMA băng rộng chỉ bắt đầu thực sự khi nhà khai thác tế bào lớn nhất của thế giới, NTT DoCoMo, quyết định tiến hành phát triển CDMA băng rộng và tiến hành một hệ thống thử nghiệm vào năm 1996 Các nhà sản xuất lớn đều đưa ra đề xuất cho phát triển đầu cuối và phát triển cấu trúc Massushita, Motorola, NEC và Nokia được lựa chọn cho phát triển đầu cuối, còn việc phát triển cấu trúc được giao cho Ericson, Lucent, Massushita và NEC

1.3.3 Tại Mỹ

Tình hình chuẩn hoá tại Mỹ đa dạng hơn so với châu Âu và Nhật Bản Các hoạt động chuẩn hoá chính cho các hệ thống vô tuyến được thực hiện bởi uỷ ban TR45 và TR46 trực thuộc TIA và uỷ ban T1P1 của T1 TR45.5 chịu trách nhiệm về chuẩn hoá IS-95, TR45.3 chịu trách nhiệm về chuẩn hoá IS-136 T1P1 và TR46 chịu trách nhiệm

về GSM1900 và một số công nghệ khác Ngoài các cơ quan chuẩn hoá, còn có các hội nghị xem xét các vấn đề chính sách liên quan tới chuẩn: UWCC cho IS-136, nhóm phát triển CDMA (CDG) cho IS-95, nhóm liên minh Bắc Mỹ GSM đối với GSM

Vào tháng 4/1997, CDG đã phát động một cuộc khởi tạo Hệ thống tân tiến để phát triển các giao tiếp vô tuyến cho thế hệ thứ ba dựa trên IS-95 Trong năm 1997,

cũng có một và đề xuất về CDMA băng rộng lên TR45.5 để phát triển CDMA2000 từ các công ty Hughes, Lucent, Motorola, Nokia, Nortel Một đặc điểm chung của các phương án này là tính tương thích của chúng với IS-95 Vào tháng 3/1998, TR45.5 đã thông qua cấu trúc cho CDMA2000

Vào đầu năm 1997, UWCC, GTF (Global TDMA Forum) thành lập nhóm HSD (High Speed Data) để đánh giá các ứng cử viên cho phát triển IS-136 thành thế hệ ba Còn có một vài phương án, bao gồm TDMA, CDMA băng rộng, và 2 phương án cho OFDM được đưa lên HSD Dựa vào những đề xuất này, UWCC đã phát triển phương

án UWC-136 được TR45.3 chấp thuận vào tháng 2/1998 UWC-136 gồm một sóng mang 30 KHz của IS-136 cải tiến, sóng mang dữ liệu tốc độ cao 200 KHz và sóng mang HSD 200 KHz có cùng tham số với sóng mang GSM cải tiến (EDGE) TDMA băng rộng dựa trên FMA1 không trải phổ của FRAMES

TR46.1 cũng phát triển một giao diện vô tuyến CDMA băng rộng cho các ứng dụng của mạch vòng vô tuyến nội hạt (WLL) Cơ sở cho phương án CDMA băng rộng của TR46.1 là chuẩn IS-665 cho PCS của Mỹ CDMA băng rộng có độ rộng băng là 5 MHz Nó cũng được sử dụng cho đề xuất nhóm B tại Nhật Bản

Chương 2 - CÁC HỆ THỐNG IMT-2000 TẠI CHÂU ÂU

Chương này đề cập tới nguyên tắc hoạt động của các hệ thống thông tin di động với công nghệ WCDMA cho UMTS, là chuẩn cho các hệ thống thông tin di động 3G tại châu Âu

2.1 Giới thiệu

Như đã trình bày trong chương một, chúng ta biết rằng tại châu Âu người ta đã

đề ra các tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 3G, hệ thống UMTS của họ đã được chấp thuận là chuẩn CDMA của IMT-2000 Để thấy rõ sự khác nhau giữa các chuẩn chúng ta sẽ xem xét cụ thể lớp vật lý của các hệ thống, với trọng tâm tập trung vào việc tổ chức các kênh ở đầu vào và đầu ra lớp vật lý: kênh truyền tải và kênh vật

Base Station Transceiver (BTS) Node B

Base Station Controller (BSC) Radio Network Controller (RNC) Base Station Subsystem (BSS) Radio Network Subsystem (RNS) Subcriber Identity Module (SIM) Universal Subcriber Identity Module

(USIM) Kiến trúc một mạng UMTS được trình bày như trên hình 2.1 Nó gồm một mạng lõi và các hệ thống thành phần Trên hình 2.1, mạng lõi được bao bởi các đường nét đứt MSC/VLR: trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động, là tổng đài MSC cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh (CS) đối với các thiết bị trong mạng GMSC: đóng vai trò tổng đài cổng, thực hiện chuyển mạch với các mạng CS bên ngoài Vì giai đoạn 2+

của GSM được trang bị GPRS nên mạng UMTS cũng sẽ có các nút hỗ trợ GPRS là SGSN và các nút hỗ trợ cổng GSGN SGSN là nút hỗ trợ GPRS đóng vai trò tổng đài chuyển mạch gói GGSN là nút hỗ trợ GPRS cổng, có chức năng giống GMSC nhưng hỗ trợ số liệu Các thành phần khác của mạng hỗ trợ có chức năng nhận thực, đăng ký tạm trú, thường trú, và nhận dạng thiết bị (AuC, HLR, EIR, VLR ) để

hỗ trợ cả hai mạng chuyển mạch kênh và số liệu gói

Hình 2.1: Kiến trúc mạng UMTS

Như vậy, mạng lõi của UMTS có kiến trúc như mạng lõi của GSM giai đoạn 2+

được nâng cấp để có thể thực hiện ở cấp độ cao hơn và tốc độ cao hơn, lưu lượng IMT-2000

Trên hình 2.1 ta cũng thấy bên dưới mạng lõi là hai hệ thống con trạm gốc của GSM và hai hệ thống con của mạng vô tuyến UMTS ( RNSs- Radio Network Sub System) RNS, nodeB, UE có chức năng tương tự như BSC, BTS, MS ở mạng GSM

Vì UMTS lựa chọn CDMA là phương pháp đa truy nhập nên trên hình 2.1 chúng ta cũng thấy các giao tiếp vô tuyến khác nhau của GSM và UMTS trên cùng một mạng xương sống Giao tiếp giữa BSC và MSC là giao diện A, IuPS là giao diện giữa BSC và SGSN, trong đó uSP cho biết đây là giao tiếp chuyển mạch gói Giống như mạng GSM giao diện giữa BTS và BCS là Abis [9]

Hình 2.2: Sơ đồ khối một máy phát UMTS tại lớp vật lý

Trên hình 2.2 là sơ đồ khối một máy phát UMTS tại lớp vật lý Số liệu các kênh truyền tải từ lớp hai và các lớp trên được sắp vào các khối phụ thuộc vào loại dữ liệu Các khối này được mã CRC để phát hiện lỗi phía thu Sau đó số liệu được phân thành các khối và mã hoá kênh, mã có thể là mã Turbo hay mã tích chập Sau đó số liệu được đan xen lần một Số liệu sau khi đan xen được phân thành các khung để tương thích với giao diện của UTRA Tiếp theo là việc thực hiện phối hợp tốc độ, bằng cách ngắt quãng mã hay lặp số liệu, để sau khi ghép các kênh truyền tải tốc độ số liệu phù hợp với tốc độ của kênh vật lý dành riêng Đan xen lần hai được thực hiện, sau đó số liệu được ghép vào cấu trúc khung giao diện vô tuyến, tại điểm này các kênh vật lý khác nhau được hình thành

Chuẩn UMTS có hai chế độ UTRA FDD và TDD Sau đây chúng ta sẽ xem xét các chế độ này.[9]

Theo bảng phân bổ tần số 1.1, chế độ UTRA-FDD sử dụng khoảng 3 cho tuyến lên (từ UE đến Node B) và khoảng 6 cho tuyến xuống (từ Node B đến UE)

Trong chế độ FDD, khoảng cách song công khoảng cách tần số giữa các kênh trong một cặp tần số thu-phát) là từ 134,8 MHz tới 245,2 MHz và tất cả các UE phải

hỗ trợ khoảng song công là 190 MHz Khoảng cách bình thường giữa các sóng mang

vô tuyến là 5 MHz với một bước xê dịch là 0,2 MHz (khoảng cách giữa các sóng mang

có thể điều chỉnh theo các bước 0,2 MHz, ví dụ khoảng cách có thể là 4,8 MHz)

Tần số sóng mang được xác định bởi số kênh tần số vô tuyến tuyệt đối cho UTRA (UARFCN- UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number) trong dải tần

từ 0-3,7 GHz Kết quả là UARFCN, với N u và N d tương ứng cho tuyến lên và cho tuyến xuống luôn là một số nguyên tuy nhiên chú ý là các kênh vô tuyến trong UTRA FDD không nhất thiết phải cặp đôi như ở GSM

 Các kênh vật lý

Trong UTRA FDD, các kênh vật lý được xác định bởi các tần số sóng mang và các mã riêng biệt Có hai loại kênh vật lý cơ bản là kênh riêng và kênh chung Kênh riêng được các UE sử dụng trong thời gian cuộc gọi trong khi kênh chung mang thông tin tới tất cả các UE trong một cell và được sử dụng để truy cập vào mạng

Có hai loại kênh vật lý riêng: kênh vật lý điều khiển riêng DPCCH mang thông tin điều khiển lớp vật lý và kênh vật lý số liệu riêng DPDCH mang lưu lượng người dùng cũng như thông tin điều khiển từ lớp 2 và các lớp cao hơn

Kênh DPCCH mang các ký hiệu hoa tiêu (pilot), thông tin điều khiển công suất (TPC), chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI- Transport Format Combine Indicator) Các ký hiệu hoa tiêu cho phép máy thu ước tính đáp ứng xung kênh vô tuyến và thực hiện thu kết hợp Từ hoa tiêu có độ dài 0,666 ms Lệnh TPC điều khiển công suất vòng kín nhanh, được dùng cho cả tuyến lên và tuyến xuống chúng mang các lệnh nhị phân để tăng hoặc giảm công suất một lượng nhất định và cũng được phát trong tất cả các gói

TFCI thông báo cho máy thu biết các thông số hiện thời của các kênh truyền tải khác Nó cũng cho máy thu biết tốc độ số liệu hiện thời TFCI cũng mang thông tin phản hồi (FBI) trên tuyến lên được sử dụng để cung cấp một vòng phản hồi cho phân tập phát và lựa chọn phân tập

Cấu trúc khung, sắp xếp ghép kênh và các phương án trải phổ đối với tuyến lên

và tuyến xuống là không giống nhau DPCCH và DPDCH được ghép kênh thời gian với nhau, có nghĩa là chúng được ghép trong cùng một khe thời gian trước khi trải phổ

và phát đi từ node B ở tuyến xuống Ngược lại, ở tuyến lên DPDCH và DPCCH được phát song song trên các thành phần trực giao của bộ điều chế QPSK hai kênh

2.2.1 Tuyến xuống của UTRA FDD

Hình 2.3: Cấu trúc khung và khe tuyến xuống của kênh riêng

Hình 2.3 là cấu trúc khung tuyến xuống Độ dài khung là 10 ms với 15 khe thời gian, mỗi khe dài 0,667 ms mang 2560 chip, như vậy tốc độ chip là 3,838 Mchips/s

Vì k nguyên và có giá trị từ 0-7, nên hệ số trải phổ là 4, 8, 16, 256

Cũng trên hình 2.3 chúng ta thấy rằng khe thời gian thứ i gồm các khe nhỏ Đầu tiên là DPDCH chứa Ndata bit số liệu 1, sau đó là một DPCCH có NTFCI bit của TFCI DPCCH tiếp theo có NTPC bit DPDCH thứ hai có Ndata2 bit của số liệu thứ hai, kết thúc

là DPDCH cuối cùng với NPilot bit tín hiệu hoa tiêu Có tất cả 17 dạng khe tuyến xuống liên quan đến tốc độ bit của kênh Ví dụ nếu tốc độ bit là 150 kb/s thì

2



data1

N , N data22, N TFCI 0, N TPC 2, và N pilot4, tổng cộng là 10 bit

trong một khe, tương ứng với k = 0, SF= 512 Đối với tốc độ là 1920 ( dạng khe 16) thì N data1 =240, N data2 =1008, N TFCI =8, N TPC =8, và N pilot =16 nghĩa là tổng số bit trong

một khe là 1280 và hệ số trải phổ SF = 4

Tất cả các khe tuyến xuống đều có ký hiệu hoa tiêu Các mẫu bit hoa tiêu có giá trị 2, 4, 8, 16 bit Đối với một Npilot cụ thể giá trị các bit thay đổi giữa các khe thời gian tạo ra một mẫu hoa tiêu lặp lại sau mỗi khung 15 khe Bằng thủ tục này các ký hiệu hoa tiêu tác động tới cả đồng bộ khung cũng như là ước lượng kênh

Trường TPC có N TPC =2, 4, 8 bit, nhưng những bit N TPC này toàn „1‟ hoặc „0‟phụ thuộc lệnh điều khiển công suất là tăng hay giảm công suất

TFCI cho biết thông tin về tốc độ số liệu hiện thời được sử dụng trên kênh số liệu TFCI có thể không có trong trường hợp các dịch vụ có tốc độ cố định, khi đó UE

sẽ biết giá trị SF, mẫu hoa tiêu và Ndata1, Ndata2, NTPC

Chúng ta thấy rằng DPCCH mang các bit TFCI, TPC và hoa tiêu trên cơ sở phân chia thời gian trong mỗi khe, trong khi DPDCH mang số liệu 1 và 2 cũng theo chế độ ghép kênh thời gian trong từng khe Sau đó cả hai kênh DPDCH và DPCCH được ghép kênh với nhau, rồi từ dòng số liệu nối tiếp chúng lại được phân làm hai thành phần song song với nhau được gọi là đồng pha và cầu phương Tuy nhiên tại điểm này, thực tế chúng vẫn cùng pha Sau đó, cả hai dòng bit này được trải phổ 3,84Mchips/s bởi cùng loại mã được gọi là mã phân kênh Cch,SF,n và SF=2n ( SF phải được chọn sao cho tốc độ chip luôn là 3,84 Mchips/s, ví dụ nếu kênh kết hợp DPDCH/DPCCH có tốc độ 960 Kb/s, hai nhánh I & Q sẽ hoạt động ở tốc độ 480kb/s

và SF sẽ là 8 từ kết quả 3,84 Mchips/s chia cho 480 kb/s Nếu tốc độ số liệu vượt quá khả năng của một kênh DPDCH thì sẽ dùng thêm các kênh DPDCH khác, mỗi kênh DPDCH có một mã phân kênh riêng Việc sắp xếp này được minh họa trên hình 2.4, ta thấy rằng DPCCH được ghép kênh với DPDCH1 Nếu không có số liệu điều khiển trên DPDCHi đồng nghĩa với việc phát bị tạm dừng trong những khoảng đó trong khe thời gian, trong khi việc truyền DPCCH vẫn xảy ra bình thường Hình 2.5 minh họa dạng khe thời gian tuyến xuống khi truyền nhiều mã

Hình 2.4: Sắp xếp trải phổ tuyến xuống trong truyền dẫn đa mã

Trên hình 2.4 ta thấy rằng các tín hiệu đã trải phổ đồng pha và cầu phương từ mỗi bộ nhân được đưa đến các bộ cộng để tạo ra tín hiệu đồng pha I và cầu phương Q

cho truyền dẫn đa mã Tín hiệu Q được dịch pha 90 , như vậy tín hiệu I và Q bây giờ

là vuông pha Tại đầu ra của bộ cộng ta có tín hiệu I+jQ Tín hiệu này sau đó được xáo trộn bằng một mã Cscramble [9]

Sau đây chúng ta sẽ xem xét mã này và mã hoá phân kênh

Hình 2.5: Dạng khe tuyến xuống khi phát đa mã

2.2.1.1 Mã phân kênh

W_CDMA sử dụng trải phổ tốc độ 3,84 Mchips/s Một hệ thống thông tin di động ngoài việc phải phân biệt các UE còn phải phân biệt các kênh vật lý, các BTS W_CDMA thực hiện các yêu cầu này bằng trải phổ và ngẫu nhiên hoá Trước hết các kênh khác nhau của một UE (hay BS) được trải phổ bằng các mã phân kênh tốc độ 3,84 Mchip/s Sau đó các kênh vật lý này kết hợp với nhau ở bộ cộng tuyến tính và sau

đó được xáo trộn bằng một mã xáo trộn phức có cùng tốc độ chip Mã phân kênh trải phổ luồng tín hiệu kênh vì thế làm tăng độ rộng băng tần, còn mã xáo trộn có cùng tốc

độ chip thực hiện xáo trộn sau trải phổ nên không làm tăng độ rộng băng tần Tại đầu thu, trước tiên kênh tín hiệu tổng được giải ngẫu nhiên bằng một mã tương ứng với UE hoặc BS sau đó các luồng số kênh được đưa qua các bộ trải phổ để giải trải phổ bằng các mã định phân tương ứng Như vậy nhiều người dùng có thể sử dụng chung các mã định kênh Các mã phân kênh là các mã có hệ số biến đổi trực giao (OVSF) và dùng để nhận dạng kênh đường xuống Về cơ bản chúng là các mã Walsh có độ dài khác nhau

mà vẫn giữ được tính trực giao giữa các kênh ngay cả khi tốc độ dữ liệu khác nhau Các mã được chọn từ cây mã hình 2.6

Hình 2.6: Cây mã OVSF

Các mã định kênh ở sơ đồ 2.6 được ký hiệu là Cch,SF,k, trong đó ch là kênh, SF

là hệ số trải phổ, và 0kSF1 Hệ số trải phổ là tỷ số của tốc độ trải phổ chia cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu đưa lên trải phổ và nó cũng bằng chu kỳ hay độ dài của chuỗi trải phổ Một cây mã được xác định bởi một mã ngẫu nhiên hoá nhận dạng BS hay MS Phương pháp xác định mã định kênh được xây dựng trên cơ sở ma trận Hadamard như sau:

mã khi và chỉ khi không có mã nào được sử dụng ở cùng tế bào nằm trên đường dẫn từ

mã này đến gốc cây hoặc cây con ở phía dưới mã này Các mã trực giao đường xuống trong một trạm gốc được quản lý bởi bộ điều khiển mạng vô tuyến trong mạng.[9]

2.2.1.2 Mã xáo trộn

Mã xáo trộn đường lên

Đường lên sử dụng các mã ngẫu nhiên dài và ngắn chu kỳ 10 ms để phân biệt các UE khác nhau Các mã dài được cắt ngắn để phù hợp với độ dài khung 10 ms Với tốc độ chip 3,84 Mchip/s đoạn cắt ngắn này chứa 38400 chip Độ dài mã ngắn là 256 chip Các mã dài được sử dụng nếu BS sử dụng máy thu RAKE Khi các phát hiện đa người dùng hoặc các máy thu loại bỏ nhiễu được sử dụng thì mã ngắn được dùng để thực hiện các cấu trúc máy thu tiên tiến dễ hơn Cả hai họ mã đều chứa hàng triệu mã

vì thế không cần quy hoạch mã đường lên

Các mã dài được sử dụng khi máy thu BS là một máy thu RAKE Số mã ngẫu nhiên cho đường lên là 224

-1

Mã xáo trộn đường xuống

Đường xuống sử dụng các mã ngẫu nhiên hoá dài được cắt ngắn cho phù hợp với độ dài khung 10 ms để phân biệt các BS khác nhau Ở tốc độ 3,84 Mchip/s đoạn

mã được cắt ngắn chứa 38400 chip

Bộ tạo mã dài ngẫu nhiên đường xuống có thể cung cấp tổng số mã lên tới 262143

1

218  được đánh số từ 0 đến 262.142 Tuy nhiên nếu sử dụng tất cả các mã này để tìm BS thì quá trình chọn cell sẽ rất lâu Để rút ngắn quá trình này, các mã khả dụng đường xuống phải ít hơn và được chia thành 512 nhóm, mỗi nhóm gồm 16 mã trong đó một mã sơ cấp và 15 mã thứ cấp 512 mã sơ cấp lại được chia thành 64 nhóm với 8 mã sơ cấp trong mỗi nhóm như hình 2.7

Hình 2.7: Phân cấp mã xáo trộn

Mỗi BS chỉ được gán một mã sơ cấp duy nhất và tất nhiên là nó cũng có 15 mã thứ cấp trong cùng nhóm liên kết với mã sơ cấp này BS sử dụng mã sơ cấp để nhận dạng các UE trong cell Như vậy các bản tin tìm gọi cần được ngẫu nhiên hoá bằng mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp của cell Tất cả các truyền dẫn từ BS cũng sử dụng mã ngẫu nhiên sơ cấp này

Tất nhiên một cell có thể chọn một mã ngẫu nhiên thứ cấp để phát các kênh đến một người dùng đặc thù Tuy nhiên tốt nhất là sử dụng mã ngẫu nhiên sơ cấp cho tất cả các cuộc truyền dẫn trong một cell để giảm tối đa nhiễu

Các chuỗi mã ngẫu nhiên được cấu trúc bằng cách kết hợp hai chuỗi thực vào một chuỗi phức Chuỗi thực Si

long,n(i) được xây dựng trên cơ sở chuỗi mã Gold

Clong,n(i) còn chuỗi thực Qi

long,n(i) là phiên bản dịch 13072 chip của chuỗi Gold

Clong,n(i) Chuỗi mã Gold Clong,n(i) được xây dựng trên cơ sở cộng modul 2 theo vị trí bit của hai chuỗi đa thức.[9]

2.2.1.3 Các kênh vật lý dùng chung tuyến xuống

Đó là các kênh:

Kênh hoa tiêu dùng chung CPICH (Common Pilot Chanel) cung cấp giải điều chế chung cho toàn bộ hay một phần của cell

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCCPCH (Primary Common Control Physical Channel) mang thông tin toàn mạng

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp SCCPCH (Secondary Common Control Physical Channel) cho tìm gọi và số liệu gói

Kênh đồng bộ SCH (Synchronisation Channel) được một UE dùng khi khởi đầu việc tìm cell

Kênh chỉ thị yêu cầu AICH (Acquisition Indication Channel) điều khiển việc sử dụng các kênh chung tuyến lên

Kênh hoa tiêu chung CPICH (Common Pilot Chanel):

Là kênh vật lý đường xuống có tốc độ cố định 30 Kb/s, SF = 256 Nó mang một chuỗi bít xác định Có hai kiểu kênh hoa tiêu chung: kênh CPICH sơ cấp và kênh thứ

cấp

Kênh CPICH sơ cấp (Primary Common Pilot Chanel)

Kênh này có các đặc tính như sau:

Luôn sử dụng mã định kênh Cch,256,0, một mã toàn logic „1‟

Mã ngẫu nhiên là mã ngẫu nhiên sơ cấp của cell

Mỗi ô có một kênh

Phát quảng bá trên toàn bộ ô

CPICH là chuẩn pha cho các kênh đường xuống sau: SCH, CCPCH sơ cấp, AICH, PICH CPICH cũng chuẩn pha cho các kênh đường xuống khác

Từ tín hiệu hoa tiêu thu được UE đánh giá đáp ứng xung của kênh và nhờ đó số liệu được khôi phục Như vậy hoa tiêu và số liệu phải được phát trên cùng một kênh

vô tuyến Vì P-CPICH được phát trên toàn bộ cell nên không thể dùng nó để khôi phục

số liệu từ một búp hẹp của anten thông minh Một anten thông minh có các búp hẹp sẽ tạo ra kênh vô tuyến chỉ có ít hoặc hầu như không có các thành phần đa đường so với một búp rộng

Kênh hoa tiêu chung thứ cấp S-CPICH (Secondary-Common Pilot Channel)

Kênh hoa tiêu thứ cấp cung cấp chuẩn kết hợp (Coherent) trong một phần của cell hay sector Việc hướng tới các UE riêng lẻ hay một nhóm UE gần một UE khác được thực hiện nhờ các anten thông minh có búp sóng hẹp Một nodeB có thể dùng bất

kỳ mã định kênh nào có độ dài 256 chip Kênh S-CPICH có thể sử dụng làm chuẩn cho S-CCPCH (mang các bản tin tìm gọi tuyến xuống) và kênh dành riêng tuyến xuống DPCH

Các kênh vật lý điều khiển chung đường xuống CCPCH

Các kênh CCPCH đường bao gồm hai loại kênh: kênh CCPCH sơ cấp CCPCH) và kênh CCPCH thứ cấp (P-CCPCH)

(P-Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp P-CCPCH

P-CCPCH là kênh đường xuống Nó được phát liên tục trên toàn cell tốc độ 30kb/s, SF = 256 và được mã hoá ngẫu nhiên bởi các mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp của cell Kênh này để mang kênh điều khiển quảng bá BCH (kênh phát thanh) Kênh này không có các bit TPC, TFCI cũng như các bit hoa tiêu Hình 2.8 cho thấy cấu trúc khung của P-CCPCH, nó chiếm tới 90% của một khe P-CCPCH không được phát trong 256 chip đầu của khe (10%), khoảng thời gian này phát SCH sơ cấp và thứ cấp

Hình 2.8: Cấu trúc khung và khe thời gian kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

Hình 2.9: Cấu trúc khung và khe thời gian kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp S-CCPCH

Đây là kênh đường xuống để mang thông tin tìm gọi khi có yêu cầu Tốc độ số liệu biến đổi từ 30kb/s đến 1920kb/s tương ứng với SF=256 tới 4 Tốc độ số liệu thay đổi khi có yêu cầu nhờ dùng TFCI Kênh này được mã hoá ngẫu nhiên nhờ các mã ngẫu nhiên sơ cấp hoặc thứ cấp và có thể được phát có hay không có các bit hoa tiêu của nó Nhờ S-CCPCH số liệu gói có thể được gửi tới các UE mong muốn Hình 2.9 là cấu trúc khung S-CCPCH, ta thấy rằng S-CCPCH chiếm hoàn toàn một khe thời gian,

và được phát trên mọi khe thời gian Tuy nhiên kênh này chỉ được phát khi có thông tin cần truyền chứ không như kênh P-CCPCH

Kênh chỉ thị tìm gọi PICH (Paging Indicator Channel)

Kênh này luôn được kết hợp với một kênh tìm gọi trên một S-CCPCH, mà ở đó kênh truyền tải PCH được sắp xếp lên Kênh PICH mang các chỉ thị tìm gọi (PI), mỗi

UE được kết hợp với một PI xác định và có tốc độ cố định với SF=256, một khung 10ms có 15 khe thời gian và vì mỗi khe mang 20 bit số liệu, nên sẽ có 300 bit trong một khung PICH chỉ sử dụng 288 bit còn 12 bit không được sử dụng , một khung của PICH có thể mang 18, 36, 72, 144 PI đồng nghĩa với một PI gồm 16, 8, 4, hay 2 bit PI chiếm một vị trí cố định trong một khung phụ thuộc vào số PI trong một khung Hình 2.10 là một ví dụ khi PICH mang 18 PI trong một khung đó là các PI có 16 bit Tất cả các bit có giá trị „1‟ nếu PI được thiết lập đồng nghĩa với việc một bản tin được gửi trên kênh PCH, ngược lại 16 bit toàn „0‟

Hình 2.10: Khung của kênh chỉ thị tìm gọi mang 18 chỉ thị tìm gọi

Kênh đồng bộ SCH (Synchronization CHannel)

Trong bất kỳ hệ thống thông tin nào thì đồng bộ là một chức năng trọng yếu Trong UTRA kênh SCH được các UE sử dụng trong quá trình tìm cell ban đầu Trên hình 2.8 kênh P-CCPCH chiếm 90% khe thời gian, còn lại 10% đầu của khe để truyền SCH trong 66,67ns tương ứng với một từ dài 256 chip Có hai kênh SCH là kênh SCH

sơ cấp (P-SCH) và thứ cấp (S-SCH) Hình 2.11 minh hoạ kênh P-SCH và S-SCH trong một khung 15 khe thời gian

Hình 2.11: Cấu trúc khung và khe của kênh đồng bộ

Từ mã đồng bộ sơ cấp (là Cp ở trên hình 2.11) trong các khe thời gian là giống nhau cho tất cả các cell và các node B P-SCH là được cấu trúc như chuỗi Golay phân cấp tổng quát Ngoài ra P-SCH được chọn để có thuộc tính tương quan không tuần hoàn tốt và chọn sao cho việc tìm cell không quá phức tạp P-SCH được tạo bởi điều chế một mã 16 chip tốc độ 3,84 Mchips/s bằng một mã 16 chip khác có tốc độ 240kchips/s Kết quả là có thể tìm nhanh chóng một chuỗi 256 chip ở tốc độ 3,84Mchip/s có tính tự tương quan Máy thu của UE sẽ sử dụng PSCH để phát hiện ra

sự hiện diện của các node B lân cận và sau đó xác định điểm bắt đầu của mỗi khethời gian

Các từ mã SCH thứ cấp là các chuỗi tương tự nhưng khác nhau ở các NodeB khác nhau 16 chuỗi này được sử dụng để tạo ra 64 từ mã khác nhau cho phép nhận dạng 64 nhóm mã mà NodeB trực thuộc Các SCH thứ cấp (các Cs1,j , j=0,1, 14 như trên hình 2.11) được phát đồng thời với SCH sơ cấp trong 256 chip đầu của khe Trên hình 2.12 là tổ chức của một Node B Chức năng cơ bản của SCH thứ cấp là có thể xác định nhóm mã xáo trộn được Node B sử dụng tại UE Trên hình 2.11 ta thấy rằng có

15 mã đồng bộ thứ cấp độ dài 256 chip, có nghĩa là sau mỗi khe SSC lại thay đổi để các SSC trong một khung tạo thành xác định để kết hợp với nhóm mã ngẫu nhiên được

sử dụng trong cell, như trên hình 2.7

Hình 2.12: Sơ đồ khối máy phát BS

Có 64 nhóm mã ngẫu nhiên, và nhờ SSC UE sẽ biết số nhóm thực Mỗi nhóm bao gồm 8 bộ mã và mỗi bộ mã có một mã ngẫu nhiên sơ cấp duy nhất Mã này cũng

là mã hoa tiêu Máy thu của UE sẽ tương quan chéo (Cross-correlation) mã hoa tiêu với tất cả 8 mã ngẫu nhiên sơ cấp của 8 bộ trong nhóm Nhờ đó mà máy thu quyết định được đúng mã ngẫu nhiên sơ cấp Vì mã này cũng ngẫu nhiên hoá số liệu BCH nên bây giờ cũng có thể khôi phục được số liệu này Như vậy đã đạt được mục đích chính của SSC Trong trường hợp thích hợp (khi búp sóng hẹp được dùng) thì mã ngẫu nhiên thứ cấp cũng được sử dụng

Mã ngẫu nhiên sơ cấp PSC, Cp, và chuỗi SSC Csi,j, i=1,2, 512 và j=1,2, 14 được cộng với các kênh khác của tuyến xuống Cp và Csi,j không bị nhân với mã định kênh hay mã ngẫu nhiên nào

Kênh chỉ thị yêu cầu AICH ( Acquisition Indication Channel)

Là kênh mang các chỉ thị bắt Chỉ thị yêu cầu tương ứng với các chữ ký s ở kênh truy cập vật lý ngẫu nhiên PRACH hoặc kênh gói chung vật lý PCPCH Một AI

là một phần của thủ tục truy cập ngẫu nhiên nó thông báo cho UE cần phải tiếp tục truyền dẫn yêu cầu truy cập như thế nào AI có thể nhận ba giá trị: 0, +1, -1 Nếu AI=

„0‟ có nghĩa là UE cần tăng công suất cho đến khi nhận được trả lời -1 hay +1 Giá trị

„-1‟ chỉ thị cho UE ngừng tìm cách truy cập, AI=‟+1‟ cho phép UE thực hiện bước tiếp theo trong thủ tục truy cập Cũng chú ý là ba trạng thái 0, -1, +1 cho kết quả không có

mã được phát, mã được phát nhưng đảo, từ mã được phát

Trên hình 2.13 ta thấy rằng AICH có khung gồm 15 khe thời gian, độ dài 20ms (lớn hơn bình thường 10ms) Như vậy mỗi khe thời gian có độ dài1,33ms tương ứng với

5120 chip 4096 chip đầu tương ứng với 16 ký hiệu AI vì SF=256, 1024 chip sau là 4

ký hiệu AI=0

Hình 2.13: Cấu trúc khung và khe kênh chỉ thị yêu cầu

Phần AI trong khe thời gian có 16 từ mã trực giao đã được nhân với AI Mỗi từ mã tương ứng với một trong 16 mã Walsh dài 256 chip Những mã này được gọi là các mã chữ ký mào đầu (liên quan đến phương thức truy cập)

Hình 2.14 là 16 mã chữ ký mào đầu W1-W16 Mỗi mã này sẽ đi cùng với một UE,

và một mã này được nhân với một AI tương ứng Ví dụ W2AI2 kết quả là hoặc đầu

ra sẽ không có gì, hoặc các chip bị đảo thành W2, hay chỉ là W2 phụ thuộc vào AI tương ứng là 0, -1, +1 Có tất cả 16 W iAI i (i=1-16) được cộng và đưa vào khe AICH Việc thiết lập chuyển mạch trên hình 2.15 đối với 4 ký hiệu (symbol) tạo ra các logic „0‟, có nghĩa là không mã nào được phát đi Do vậy khe AICH có số liệu tương ứng với 16 ký hiệu được sắp xếp trên 80% ở đầu khe [9]