KỸ THUẬT WCDMA TRONG MẠNG DI ĐỘNG (CD CÔNG THƯƠNG)

đề tài báo cáo kỹ thuật WCDAM hoàn chỉnh các bạn tham khảo nhé

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG

ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT WCDMA

GVHD: Lê Quốc Chiến

SVTH: Đào Văn Thắng

TP.Hồ Chí Minh , Tháng 07 Năm 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG WCDMA 1

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP WCDMA 6

1.3.TRẢI PHỔ VÀ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ 6

1.4.ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 7

1.5.CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG CDMA 8

1.6.MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG HAY MÁY THU RAKE 10

1.7.CÁC MÃ TRẢI PHỔ SỬ DỤNG TRONG WCDMA 12

1.8.TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG LÊN 13

1.9.TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG XUỐNG 16

CHƯƠNG III GIAO DIỆN VÔ TUYẾN WCDMA UMTS 20

1.3.CÁC THÔNG SỐ LỚP VẬT LÝ VÀ QUY HOẠCH TẦN SỐ 22

1.4.CÁC KÊNH CỦA WCDMA 26

1.5.CẤU TRÚC KÊNH VẬT LÝ RIÊNG 34

1.6.PHÂN TẬP PHÁT 35

1.7.ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG WCDMA 38

1.8.CÁC KIỂU CHUYỂN GIAO VÀ CÁC SỰ KIỆN BÁO CÁO TRONG WCDMA 40

1.9.CÁC THÔNG SỐ MÁY THU VÀ MÁY PHÁT VÔ TUYẾN CỦA UE 42

1.10.AMR CODEC CHO W-CDMA 43

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG WCDMA

1.1 Giới thiệu mạng di động WCDMA

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - truy cập đa phân mã băng rộng) là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ

đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo hình

WCDMA là hệ thống sử dụng chuỗi trải phổ trực tiếp Nghĩa là luồng thông tin được trải trên một băng thông rộng bằng việc nhân luồng dữ liệu này với một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên PN Để có thể hỗ trợ việc truyền dữ liệu ở tốc độ cao, hệ số trải phổ (SF) thay đổi và kết nối dựa trên nhiều mã trải phổ được hỗ trợ trong WCDMA

Tốc độ chip sử dụng trong WCDMA có tốc độ 3.84 Mc/s tương ứng với băng tần truyền dẫn WCDMA là 5 MHz (đối với CDMA2000 băng tần truyền dẫn có thể là 3x1.25 Mhz hoặc 3.75 MHz) Băng thông truyền dẫn lớn của WCDMA ngoài việc nhằm hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao còn mang lại một vài ưu điểm khác như: tăng hệ số phân tập đa đường

WCDMA hỗ trợ truyền dẫn tốc độ thay đổi, hay nói cách khác là khái niệm sử dụng băng thông theo nhu cầu có thể được thực hiện Trong một khung truyền dẫn thì tốc độ dữ liệu là cố định Tuy nhiên tốc độ dữ liệu giữa các khung truyền dẫn khác nhau có thể giống nhau hoặc khác nhau

WCDMA có hai chế độ hoạt đông đó là FDD và TDD Đối với FDD thì các cặp tần số sóng mang với độ rộng 5 MHz được sử dụng cho kênh truyền dẫn hướng lên và hướng xuống một cách tương ứng Trong khi đó ở chế độ TDD thì chỉ có một sóng mang độ rộng 5 MHz được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống theo kiểu phân chia theo thời gian TDD được sử dụng ở giải băng tần không chia cặp được

Bảng 1 Các thông số chính của WCDMA

Ghép kênh hướng lên

Kênh điều khiển, kênh pilot ghép thời gian

Ghép kênh I&Q cho kênh dữ liệu và kênh điều khiển

Đa tốc độ Trải phổ đa mã và khả biến

Hệ số trải phổ 4 – 256

Điều khiển công suất Vòng hở và vòng khép kín (tốc độ 1,6KHz)

Trải phổ (hướng lên)

Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã Gold 218

Trải phổ (hướng xuống)

Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã Gold 241

 UE (User Equipment)

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

UE có thể là các thiết bị cầm tay hoặc thiết bị được lắp đặt bên trong ô tô Càng ngày thì UE càng được chế tạo càng nhỏ gọn, hiện đại tiện lợi cho người sử dụng UE gồm hai phần :

- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử

dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): Là một thẻ thông minh chứa

thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối

 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

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

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

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các

tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó) RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN

 CN (Core Network)

- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ

thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này bao gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông

Hình 1: Cấu trúc mạng WCDMA

tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.

- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register):

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

- GMSC(Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng ): Làm nhiệm

vụ giao tiếp với mạng ngoài Do vậy GMSC được đặt tại điểm kết nối UMTS với mạng chuyển mạch kênh bên ngoài

- IWF (chức năng tương tác): bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và

truyền dẫn IWF cho phép mạng WCDMA kết nối với các mạng khác như: mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh (CSPND), mạng PSTN, mạng ISDN và các mạng PLMN khác

- EIR: thực hiện quản lý thiết bị người sử dụng UE EIR lưu tất cả các dữ liệu

liên quan đến UE EIR được nối đến MSC và SGSN qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm

-AUC (Trung tâm nhận thực ): Quản lý các thông tin nhận thực và mật mã

hoá liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựa trên khoá bí mật Việc quản lý thuê bao được thực hiện thông qua khoá nhận dạng bí mật duy nhất cho từng thuê bao Khoá này được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ của UE

-SGSN (Node hỗ trợ GPRS phục vụ): cung cấp việc định tuyến gói tin từ/tới

một vùng dịch vụ của SGSN Nó phục vụ tất cả các thuê bao sử dụng dịch vụ gói nằm trong vùng phục vụ của mình Một thuê bao sử dụng dịch vụ gói có thể được bất cứ SGSN nào trong mạng phục vụ tuỳ thuộc vào vị trí của thuê bao Phần mạng được thâm nhập qua SGSN thường được gọi là vùng PS

-GGSN (Node hỗ trợ GPRS cổng ): GGSN được nối tới các mạng ngoài như

mạng Internet, mạng X.25 Nhìn từ mạng ngoài thì GGSN đóng vai trò như bộ định tuyến cho các mạng ngoài tới được mạng WCDMA GGSN tiếp nhận số liệu (có địa chỉ của một người sử dụng nhất định) thì nó sẽ kiểm tra, nếu địa chỉ này là tích cực thì GGSN gửi số liệu đó tới SGSN tương ứng để phục vụ UE Trong trường hợp địa chỉ này là không tích cực thì số liệu thu được bị loại bỏ Các gói tin từ UE nguồn được định tuyến đến đúng mạng đích thông qua GGSN

 Các mạng ngoài

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

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

 Các giao diện vô tuyến

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

- Giao diện U U: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của

hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

- Giao diện I U: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

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

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

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP WCDMA

1.3 TRẢI PHỔ VÀ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ

1.3.1 Các hệ thống thông tin trải phổ

Trong các hệ thống thông tin thông thường độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc

độ bit của nguồn Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc và kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v )

Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát

Một hệ thống thông tin số được coi là SS nếu:

* Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin.

* Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.

Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum) Cũng có thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên WCDMA sử dụng DSSS DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát Hình 2.1 minh họa quá trình trải phổ trong đó Tb=15Tc hay Rc=15Rb Hình 2.1a cho thấy sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ DSSS trong đó luồng số cần truyền x có tốc độ Rb

được nhân với một mã trải phổ c tốc độ Rc để được luồng đầu ra y có tốc độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb của luồng vào hình 2.1 biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số

Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khôi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=y×c

x, y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ; x(t), y(t) và c(t) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian; X(f), Y(f) và C(f) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền tần số; T b là thời gian một bit của luồng số cần phát, R b =1/T b là tốc độ bit của luồng số cần truyền; T c là thời gian một chip của mã trải phổ, R c =1/T c là tốc độ chip của mã trải phổ R c =15R b và T b =15T c

Hình 2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)1.4 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Trong trường hợp một máy phát gây nhiễu đến gần máy thu k (đến gần nút B chẳng hạn), công suất của máy phát này tăng cao dẫn đến MAI tăng cao, tỷ số tín hiệu trên nhiễu giảm mạnh và máy thu k không thể tách ra được tín hiệu của mình Hiện tượng này được gọi là hiện tượng gần và xa Để tránh hiện tượng này hệ thống phải điều khiển công suất sao cho công suất thu tại nút B của tất cả các UE đều bằng nhau (lý tưởng) Điều khiển công suất trong WCDMA được chia thành:

√ Điều khiển công suất vòng hở

√ Điều khiển công suất vòng kín

Điều khiển công suất vòng hở được thực hiện tự động tại UE khi nó thực hiện thủ tục xin truy nhập Nút B (dựa trên công suất mà nó thu được từ kênh hoa tiêu phát đi từ B), khi này UE chưa có kết nối với nút này Còn điều khiển công suất vòng kín được thực hiện khi UE đã kết nối với nút B Điều khiển công suất vòng hở lại được chia thành:

√ Điều khiển công suất vòng trong được thực hiện tại nút B Điều khiển công suất vòng trong được thực hiện nhanh với 1500 lần trong một giây dựa trên so sánh SIR thu với SIR đích

√ Điều khiển công suất vòng ngoài được thực hiện tại RNC để thiết lập SIR đích cho nút B Điều khiển công suất này dựa trên so sánh tỷ lệ lỗi khối (BLER) thu được với tỷ lệ đích

1.5 CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG CDMA

Thông thường chuyển giao (HO: Handover) được hiểu là quá trình trong đó kênh lưu lượng của một UE được chuyển sang một kênh khác để đảm bảo chất lượng truyền dẫn Tuy nhiên trong CDMA khái niệm này chỉ thích hợp cho chuyển giao cứng còn đối với chuyển giao mềm khái niệm này phức tạp hơn, ta sẽ xét cụ thể trong phần dưới đây

Có thể chia HO thành các kiểu HO sau:

thành

khác nhau

(RAT) khác nhau hay các chế độ truy nhập vô tuyến (RAM) khác nhau Trường hợp thường xuyên xẩy ra nhất đối với kiểu thứ nhất là HO giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE Tuy nhiên cũng có thể là IS-HO giữa WCDMA và hệ thống các hệ thống CDMA khác (cdma2000 1x chẳng hạn) Thí dụ về HO giữa các RAM là HO giữa các chế độ UTRA FDD và UTRA TDD

Có thể có các thủ tục HO sau:

tuyến cũ của một UE được giải phóng trước khi thiết lập các đường truyền vô tuyến mới

đó UE luôn duy trì ít nhất một đường vô tuyến nối đến UTRAN Trong chuyển giao mềm UE đồng thời được nối đến một hay nhiều ô thuộc các nút B khác nhau của

Trong chuyển giao mềm hơn UE được nối đến ít nhất là hai đoạn ô của cùng một nút

B SHO và HO mềm hơn chỉ có thể xẩy ra trên cùng một tần số sóng mang và trong cùng một hệ thống

Hình 2.3 Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b)

Phụ thuộc sự tham gia trong SHO, các ô trong một hệ thống WCDMA được chia thành các tập sau đây:

UE

√ Tập lân cận/ tập được giám sát (cả hai từ được sử dụng như nhau) Tập này bao gồm

tất cả các ô được giám sát/đo liên tục bởi UE và hiện thời không có trong tập tích cực

tập tích cực lẫn tập lân cận

SHO là một tính năng chung của hệ thống WCDMA trong đó các ô lân cận họat động trên cùng một tần số Trong chế độ kết nối, UE liên tục đo các ô phục vụ và các ô lân cận (do RNC chỉ dẫn) trên tần số sóng mang hiện thời UE so sánh các kết quả đo với các ngưỡng HO do RNC cung cấp và gửi báo cáo kết quả đo đến RNC khi thực hiện các tiêu chuẩn báo cáo Vì thế SHO là kiểu chuyển giao được đánh giá bởi đầu cuối di động (MEHO: Mobile Estimated HO) Tuy nhiên giải thuật quyết định SHO được đặt trong RNC Dựa trên các báo cáo kết quả đo nhận được từ UE (hoặc định kỳ hoặc được khởi động bởi một số các sự kiện nhất định), RNC lệnh cho UE bổ sung hay loại bỏ một số ô khỏi tập tích cực của mình (ASU: Active Set Apdate: cập nhật tập tích cực)

1.6 MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG HAY MÁY THU RAKE

Phađinh đa đường trên kênh vô tuyến dẫn đến tán thời và chọn lọc tần số làm hỏng tín hiệu thu Để đánh giá hiện tượng tán thời trên đường truyền vô tuyến, người ta phát đi một xung hẹp (xung kim) và đo đáp ứng xung này tại phía thu Đáp ứng này là bức tranh thể hiện sự phụ thuộc công suất của các đường truyền khác nhau đến máy thu vào thời gian trễ của các đường truyền này Đáp ứng này được gọi là lý lịch trễ công suất Hình 2.4a cho thấy truyền sóng đa đường và hình 2.4b cho thấy thí dụ về lý lịch trễ công suất

Hình 2.4 Truyền sóng đa đường và lý lịch trễ công suất

Chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên được phát đi ở CDMA có thuộc tính là các phiên bản dịch thời của nó tại phía thu hầu như không tương quan Như vậy một tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu theo nhiều đường khác nhau (thời gian trễ khác nhau) có thể được phân giải vào các tín hiệu phađinh khác nhau bằng cách lấy tương quan tín hiệu thu chứa nhiều phiên bản dịch thời của chuỗi giả ngẫu nhiên Máy thu sử dụng nguyên lý này được gọi là máy thu phân tập đa đường hay máy thu RAKE (hình 2.5)

Hình 2.5 Máy thu RAKE

Trong máy thu RAKE để nhận được các phiên bản dịch thời của chuỗi ngẫu nhiên, tín hiệu thu phải đi qua đường trễ trước khi được lấy tương quan và được kết hợp Đường trễ bao gồm nhiều mắt trễ có thời gian trễ bằng thời gian một chip Tc Máy thu dịch định thời bản sao mã trải phổ từng chip cho từng ký hiệu thông tin để giải trải phổ ký hiệu trong vùng một ký hiệu và tạo nên lý lịch trễ công suất (xem hình 2.5a) Với tham khảo lý lịch trễ công suất (bức tranh thể hiện công suất và trễ của các đường truyền) được tạo ra, máy thu chọn các đường truyền có công suất vượt ngưỡng để kết hợp RAKE trên cơ sở số lượng bộ tương quan, bộ ước tính kênh và bộ bù trừ thay đổi pha (được gọi là các ngón máy thu RAKE) Trong trường hợp áp dụng thu phân tập không gian hay phân tập giữa các đoạn ô, lý lịch trễ công suất được tạo ra cho mỗi nhánh và các đường truyền được chọn từ lý lịch trễ công suất suất tổng hợp của tất cả các nhánh Trong thực tế, vì các tín hiệu trải phổ gồm nhiễu của các người sử dụng khác và các tín hiệu đa đường của kênh người sử dụng, nên giá trị ngưỡng được lập dưạ trên mức công suất tạp âm nền và các đường truyền có SIR hiệu dụng (có công suất thu vượt ngưỡng) được chọn Vì MS chuyển động (hoặc môi trường truyền sóng thay đổi khi MS cố định), nên vị trí đường truyền (thời gian trễ) được kết hợp RAKE cũng sẽ thường xuyên thay đổi, máy phải định

kỳ cập nhật lý lịch trễ đường truyền và cập nhật các đường truyền được kết hợp RAKE

trên cơ sở lý lịch mới (quá trình này được gọi là tìm kiếm đường truyền vì nó liên quan đến tìm kiếm đường truyền để kết hợp RAKE).

1.7 CÁC MÃ TRẢI PHỔ SỬ DỤNG TRONG WCDMA

Khái niệm trải phổ được áp dụng cho các kênh vật lý, khái niệm này bao gồm hai thao tác Đâu tiên là thao tác định kênh, trong đó mỗi ký hiệu số liệu dược chuyển thành một số chip nhờ vậy tăng độ rộng phổ tín hiệu Số chip trên một ký hiệu (hay tỷ số giữa tốc độ chip và tốc độ ký hiệu) được gọi là hệ số trải phổ (SF: Spectrum Factor), hay nói một cách khác SF=Rs/Rc trong đó Rs là tốc độ ký hiệu còn Rc là tốc đô chip Hệ số trải phổ

là một giá trị khả biến, ngoại trừ đối với kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao PDSCH ) trong HSDPA có SF=16 Thao tác thứ hai là thao tác ngẫu nhiên hóa để tăng tính trực giao trong đó một mã ngẫu nhiên hóa được ‘trộn’ với tín hiệu trải phổ Mã ngẫu nhiên hoá được xây dựng trên cơ sở mã Gold

(HS-Trong quá trình định kênh, các ký hiệu số liệu được nhân với một mã OVSF (Orthogonal Variable Spread Factor: mã trực giao hệ số khả biến) đồng bộ về thời gian với biên của ký hiệu Trong 3GPP, OVSF (hình 2.6) được sử dụng cho các tốc độ ký hiệu khác nhau và được ký hiệu là Cch,SF,k trong đó SF là hệ số trải phổ của mã và k là số thứ tự

mã (0≤k≤SF-1) Các mã định kênh có các tính chất trực giao và được sử dụng để phân biệt các thông tin được phát đi cùng từ một nguồn: (1) các kết nối khác nhau trên đường xuống trong cùng một ô trên đường xuống và giảm nhiễu nội ô, (2) các kênh số liệu vật lý đường lên từ một UE Trên đường xuống các mã OVSF trong mộ ô bị hạn chế vì thế cần được quản lý bởi RNC, tuy nhiên điều này không xẩy ra đối với đường lên

Cần lưu ý khi chọn mã định kênh để chúng không tương quan với nhau Chẳng hạn khi đã chọn mã Cch,8,4=+1-1+1-1+1-1+1-1, không được sử dụng mã Cch,16,8=+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1; vì hai mã này hoàn toàn giống nhau (tích của chúng bằng 1) và chúng sẽ gây nhiễu cho nhau

Các mã OVSF chỉ hiệu quả khi các kênh được đồng bộ hoàn hảo tại mức ký hiệu Mất tương quan chéo do truyền sóng đa đường được bù trừ bởi thao tác ngẫu nhiên hóa

bổ sung Với thao tác ngẫu nhiên hóa, phần thực (I) và phần ảo (Q) của tín hiệu trải phổ được nhân bổ sung với mã ngẫu nhiên hóa phức Mã ngẫu nhiên hóa phức được sử dụng

để phân biệt các nguồn phát: (1) các ô khác nhau đối với đường xuống và (2) các UE khác nhau đối với đường lên Các mã này có các tính chất tương quan tốt (trung bình hóa nhiễu) và luôn được sử dụng để ‘trộn’ với các mã trải phổ nhưng không làm ảnh hưởng

độ rộng phổ tín hiệu và băng thông truyền dẫn

Hình 2.6 Cây mã định kênh

Đường truyền giữa nút B và UE trong WCDMA chứa nhiều kênh Có thể chia các kênh này thành hai loại: (1) kênh riêng để truyền lưu lượng và (2) kênh chung mang các thông tin điều khiển và báo hiệu Đường truyền từ UE đến nút B được gọi là đường lên, còn đường ngược lại từ nút B đến UE được gọi là đường xuống Trước hết ta xét trải phổ cho các kênh đường lên

1.8 TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG LÊN

1.8.1 Trải phổ và điều chế các kênh riêng đường lên

Nguyên lý trải phổ cho DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: kênh số liệu vật lý riêng, kênh để truyền lưu lượng của người sử dụng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: kênh điều khiển vật lý riêng; kênh đi cùng với DPDCH để mang thông tin điều khiển lớp vật lý) được minh họa trên hình 2.7

Một DPCCH và cực đại sáu DPDCH song song giá trị thực có thể được trải phổ và phát đồng thời DPCCH luôn được trải phổ bằng mã Cc=Cch,256,0, trong đó k=0 Nếu chỉ một kênh DPDCH được phát trên đường lên, thì DPDCH1 được trải phổ với mã

Cd,1=Cch,SF,k, trong đó k=SF/4 là số mã OVSF và k=SF/4 Nghĩa là nếu hệ số trải phổ SF=128 thì k=32 Nếu nhiều DPDCH được phát, thì tất cả DPDCH đều có hệ số trải phổ

là 4 (tốc độ bit kênh là 960kbps) và DPDCHn được trải phổ bởi mã Cd,n=Cch,4,k, trong đó k=1 nếu n∈{1,2}, k=3 nếu n∈{3,4} và k=2 nếu n∈{5,6} Để bù trừ sự khác nhau giữa các

hệ số trải phổ của số liệu, tín hiệu trải phổ được đánh trọng số bằng các hệ số khuyếch đại

ký hiệu là βc cho DPCCH và βd cho DPDCH Các hệ số khuyếch đại này được tính toán bởi SRNC và được gửi đến UE trong giai đoạn thiết lập đường truyền vô tuyến hay đặt lại cấu hình Các hệ số khuyếch đại nằm trong dải từ 0 đến 1 và ít nhất một trong số các giá trị của βc và βd luôn luôn bằng 1 Luồng chip của các nhánh I và Q sau đó được cộng phức với nhau và được ngẫu nhiên hóa bởi một mã ngẫu nhiên hóa phức được ký hiệu là Sdpch,n

trên hình 2.7 Mã ngẫu nhiên hóa này được đồng bộ với khung vô tuyến, nghĩa là chip thứ nhất tương ứng với đầu khung vô tuyến.

Hình 2.7 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên

Các nghiên cứu cho thấy mọi sự phát không liên tục trên đường lên có thể gây nhiễu âm thanh cho thiết bị âm thanh đặt gần máy đầu cuối di động Thí dụ điển hình là trường hợp nhiễu tần số khung (217 Hz=1/4,615ms) gây ra do các đầu cuối GSM Để tránh hiệu ứng này, kênh DPCCH và các kênh DPDCH không được ghép theo thời gian

mà được ghép theo mã I/Q (điều chế QPSK hai kênh) với ngẫu nhiên hoá phức Minh họa trên hình 2.8 cho thấy sơ đồ điều chế này cho phép truyền dẫn liên tục ngay cả trong các chu kỳ im lặng khi chỉ có thông tin điều khiển lớp 1 để duy trì hoạt động đường truyền (DPCCH) là được phát

Hình 2.8 Truyền dẫn kênh điều khiển vật lý riêng đường lên và kênh số liệu vật lý

riêng đường lên khi có/ không có (DTX) số liệu của người sử dụng

Như minh họa trên hình 2.9, các mã ngẫu nhiên hóa phức được tạo ra bằng cách quay pha giữa các chip trong một chu kỳ ký hiệu trong giới hạn ±900 Bằng cách này hiệu suất của bộ khuếch đại (liên quan đến tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) trong UE hầu như không đổi không phụ thụ thuộc vào tỷ số β giữa DPDCH và DPCCH.

Hình 2.9 Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dung ngẫu nhiên hóa phức, β biểu

diễn cho tỷ số công suất giữa DPDCH và DPCCH.

DPCCH và các DPDCH có thể được ngẫu nhiên hóa bằng các mã ngẫu nhiên dài hoặc ngắn Có 224 mã ngẫu nhiên hóa dài đường lên và 224 mã ngẫu nhiên ngắn đường lên

Vì có thể sử dụng được hàng triệu mã nên không cần quy hoạch mã đường lên Số mã ngẫu nhiên cho DPCH (0,…., 16777215), cùng với SF thấp nhất được phép của mã định kênh (4, 8, 16, 32, 128 và 256) cho phần số liệu được ấn định bởi các lớp cao hơn, chẳng hạn khi thiết lập kết nối RRC hoặc khi điều khiển chuyển giao

1.8.2 Trải phổ và điều chế kênh chung đường lên PRACH

Phần này sẽ trình bầy ấn định mã cho tiền tố và phần bản tin của PRACH là một dạng kênh chung đường lên

Trải phổ và ngẫu nhiên hóa phần bản tin PRACH được minh họa trên hình 2.10

Hình 2.10 Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH

Phần điều khiển của bản tin PRACH được trải phổ bằng mã định kênh Cc=Cch,256,m, trong đó m=16.s+15 và s (0 ≤s≤15) là chữ ký tiền tố và phần số liệu được trải phổ bằng

mã định kênh Cd=Cch,SF,m, trong đó SF (có giá trị từ 32 đến 256) là hệ số trải phổ sử dụng cho phần số liệu và m=SF.s/16

Phần bản tin PRACH luôn luôn được trải phổ bằng mã ngẫu nhiên hóa dài Độ dài của mã ngẫu nhiên hóa được sử dụng cho phần bản tin là 10ms Có tất cả là 8192 mã ngẫu nhiên hóa

1.9 TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG XUỐNG

1.9.1 Sơ đồ trải phổ và điều chế đường xuống

Khái niệm trải phổ và ngẫu nhiên hóa đường xuống được minh họa trên hình 2.11 Ngoại trừ các SCH (kênh đồng bộ sẽ xét trong chương 3), mỗi cặp hai bit kênh trước hết được biến đổi từ nối tiếp vào song song tương ứng một ký hiệu điều chế, sau đó được đặt lên các nhánh I và Q Sau đó các nhánh I và Q được trải phổ đến tốc độ 3,84Mcps bằng cùng mỗi mã dịnh kênh Cch,SF,m Các chuỗi chip giá trị thực trên các nhánh I và Q sau đó được ngẫu nhiên hóa bằng mã ngẫu nhiên hóa phức để nhận dạng nguồn phát nút B, mã này đựợc ký hiệu là Sdl,n trên hình 2.11 Mã ngẫu nhiên hóa này được đồng bộ với mã ngẫu nhiên hóa sử dụng cho P-CCPCH (kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp sẽ xét trong cương 3), trong đó chíp phức đầu tiên của khung P-CCPCH được nhân với chip số 0 của

mã ngẫu nhiên hóa này

Sau trải phổ, mỗi kênh vật lý đường xuống (trừ các SCH) được đánh trọng số bằng các hệ số trọng số riêng ký hiệu là Gi như trên hình 2.11 P-SCH và S-SCH giá trị phức được đánh trọng số riêng bằng các hệ số trọng số Gp và Gs Tất cả các kênh đường xuống được kết hợp với nhau bằng cộng phức Chuỗi nhận được sau trải phổ và ngẫu nhiên hóa được điều chế QPSK.

Hình 2.11 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống1.9.2 Các mã trải phổ đường xuống

Trên đường xuống, cùng các mã định kênh như trên đường lên (mã OVSF) được

sử dụng Thông thường mỗi ô chỉ có một cây mã và mỗi cây mã được đặt dưới một mã ngẫu nhiên hóa để dùng chung cho nhiều người sử dụng Theo quy đinh, các mã định kênh dùng cho P-CPICH (kênh hoa tiêu chung sơ cấp sẽ xét trong chương 3) và P-CCPCH là Cch,256,0 và Cch,256,1 Bộ quản lý tài nguyên trong RNC ấn định các mã định kênh cho tất cả các kênh khác với giới hạn SF=512 trong trường hợp sử dụng chuyển giao phân tập

Mã OVSF có thể thay đổi theo từng khung trên kênh PDSCH (kênh chia sẻ đường xuống vật lý sẽ xét trong chương 3) Quy tắc thay đổi như sau, mã (các mã) OVSF được

sử dụng cho kết nối phía dưới hệ số trải phổ nhỏ nhất là mã từ nhánh cây, mã nhánh cây

mã được chỉ ra bởi hệ số trải phổ thấp nhất này Nếu DSCH được sắp xếp lên nhiều PDSCH song song, thì quy tắc tương tự được áp dụng, nhưng tất các nhánh mã được sử dụng bởi các mã này tương ứng với hệ số trải phổ nhỏ nhất đều có thể sử dụng cho ấn định hệ số trải phổ cao hơn

1.9.3 Các mã ngẫu nhiên hóa đường xuống

Trên đường xuống chỉ có các mã ngẫu nhiên hóa dài là được sử dụng Có cả thẩy

218-1=262143 mã ngẫu nhiên được đánh số từ 0 đến 262142 Các chuỗi mã ngẫu nhiên được ký hiệu là Sdl,n được cấu trúc bằng các đoạn của chuỗi Gold Để tăng tốc quá trình tìm ô, chỉ 8192 mã trong số 262143 được sử dụng trong thực tế và được cắt ngắn lấy đoạn đầu 38400 chip để phù hợp với chu kỳ khung 10 ms Như minh họa trên hình 2.12, chỉ có các mã với n=0,1,…, 8191 được sử dụng Các mã này được chia thành 512 tập Mỗi tập gồm 16 mã (i=0…15) với một mã sơ cấp và 15 mã thứ cấp 8 tập (i=0…7) với 8x16 mã hợp thành một nhóm tạo nên 64 nhóm (j=0…63)

Hình 2.12 Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp

Vì thông thường mỗi ô được nhận dạng bằng một mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp, nên quá trình tìm kiếm ô cũng là quá trình tìm kiếm mã này Quá trình tìm kiếm ô có thể được thực hiện theo ba bước sau:

√ Tìm P-SCH (kênh đồng bộ sơ cấp) để thiết lập đồng bộ khe và đồng bộ ký hiệu

√ Tìm S-SCH (kênh đồng bộ thứ cấp) để thiết lập đồng bộ khung và nhóm mã

√ Tìm mã ngẫu nhiên hóa để nhận dạng ô

1.9.4 Ghép kênh đa mã đường xuống

Để tăng dung lượng kênh đường xuống ta có thể sử dụng sơ đồ ghép kênh đa mã như cho ở hình 2.13

S/P: biến đổi nối tiếp thành song song

Hình 2.13 Truyền dẫn đa mã cho đường xuống

CHƯƠNG III GIAO DIỆN VÔ TUYẾN WCDMA UMTS

1.1 Giới thiệu

WCDMA UMTS là một trong các tiêu chuẩn của IMT-2000 nhằm phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ ba WCDMA UMTS sử dụng mạng đa truy nhập vô tuyến trên cơ sở W-CDMA và mạng lõi được phát triển từ GSM/GPRS W-CDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex) Cả hai giao diện này đều sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) Giải pháp thứ nhất sẽ được triển khai rộng rãi còn giải pháp thứ hai chủ yếu sẽ được triển khai cho các ô nhỏ (Micro và Pico)

Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau

190 MHz: đường lên có băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz, đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 Mhz Mặc dù 5 MHz là độ rộng băng danh định, ta cũng có thể chọn độ rộng băng từ 4,4 MHz đến 5 MHz với nấc tăng là 200 KHz Việc chọn độ rộng băng đúng đắn cho phép ta tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác

Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và từ 2010 MHz đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần Giao diện vô tuyến của W-CDMA/FDD (để đơn giản ta sẽ bỏ qua ký hiệu FDD nếu không xét đến TDD) hoàn toàn khác với GSM và GPRS, W-CDMA sử dung phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps Trong WCDMA mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access

Network) Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vô tuyến của GSM Vì thế khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế Một số nhà sản xuất cũng đã có kế hoạch nâng cấp các GSM BTS cho WCDMA Đối với các nhà sản suất này có thể chỉ tháo ra một số bộ thu phát GSM từ BTS và thay vào đó các bộ thu phát mới cho WCDMA Một số rất ít nhà sản suất còn lập kế hoạch

xa hơn Họ chế tạo các BSC đồng thời cho cả GSM và WCDMA Tuy nhiên đa phần các nhà sản suất phải thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA

W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM, GPRS hiện có cho mạng của mình Các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng cấp từ mạng hiện có để hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM

Giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD được xây dựng trên ba kiểu kênh: kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý Kênh logic được hình thành trên cơ sở đóng gói