Tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng dịch vụ mạng 3g WCDMA

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CCPCH Common Control Physical Chanel Kênh vật lý điều khiển chung CRC Cyclic Redundance Check

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TIẾN THẮNG

TỐI ƯU HOÁ HIỆU XUẤT CHẤT LƯỢNG DỊCH

VỤ MẠNG 3G WCDMA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – 2010

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

LỜI MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG I: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G WCDMA 12

1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động 3G WCDMA 12

1.2 Các thành phần chức năng của hệ thống 13

1.2.1 Thiết bị người sử dụng 13

1.2.2 Mạng lõi 14

1.2.3 Mạng truy cập vô tuyến 15

1.2.4 Các mạng ngoài và giao diện 18

1.3 Cấu trúc phân lớp của WCDMA và cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến 20

1.3.1 Lớp vật lý 22

1.3.2 Các kênh vật lý 23

1.3.3 Các kênh truyền tải 25

1.3.4 Giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC 28

1.3.5 Các kênh logic 29

1.3.6 Giao thức điều khiển kết nối vô tuyến RLC 30

1.3.7 Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC 31

1.3.8 Giao thức hội tụ số liệu gói PDCP 31

1.3.9 Giao thức điều khiển quảng bá/ đa phương BMC 31

1.3.10 Sắp xếp các kênh trong WCDMA 32

1.3.10.1 Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 32

1.3.10.2 Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 32

CHƯƠNG II : CÁC KỸ THUẬT QUAN TRỌNG TRONG WCDMA 35

2.1 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 35

2.1.1 Khái quát về kỹ thuật trải phổ 35

2.1.2 Nguyên lí cơ bản của kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 39

2.1.3 Các loại mã giả tạp âm dùng trong kĩ thuật trải phổ .40

2.1.3.1 Các chỉ tiêu ngẫu nhiên 41

2.1.3.2 Chuỗi m 42

2.1.3.3 Chuỗi Gold 44

2.1.3.4 Chuỗi Kasami 45

2.1.3.5 Các hàm trực giao 45

2.1.4 Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp DS- CDMA 46

2.2 Điều khiển công suất 49

2.3 Chuyển giao 50

2.4 Mã hóa 53

2.4.1 Mã hoá nguồn 53

2.4.2 Mã hóa phát hiện lỗi 54

2.4.3 Mã hoá kênh 55

2.5 Kỹ thuật thu đa đường 56

2.6 Tóm tắt chương 58

CHƯƠNG III: NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ QOS MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN UTRAN 59

3.1 Tác động của nhiễu 59

3.1.1 Nhiễu đồng kênh 59

3.1.3 Nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) 62

3.1.4 Nhiễu đa đường MPI (Multipe path interference) hay nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) 63

3.1.5 Độ dự trữ nhiễu 63

3.2 Vấn đề Fading 64

3.3 Suy hao đường truyền trong quá trình truyền lan tín hiệu 65

3.3.1 Mô hình tính suy hao đường truyền 66

3.3.1.1 Mô hình Hata - Okumura 66

3.3.1.2 Mô hình Walfisch-Ikegami (hay COST 231) 67

3.3.2 Suy giảm đường truyền lớn nhất cho phép 71

3.4 Ảnh hưởng của việc quy hoạch và định cỡ mạng ban đầu 72

3.5 Tóm tắt chương 72

CHƯƠNG IV: CÁC THÔNG SỐ KPI TRONG MẠNG UTRAN 74

4.1 Khái niệm về chất lượng dịch vụ QOS 74

4.2 Một số khái niệm cần quan tâm 74

4.3 Dung lượng kết nối vô tuyến 75

4.4 Phương pháp chuyển đổi lưu lượng data hệ thống UMTS theo mô hình Erlang.77 4.5 Những KPI cần quan tâm đối với mạng UTRAN 78

4.5.1.Tỷ lệ lỗi khối 78

4.5.2 Các thông số liên quan đến vô tuyến 78

4.5.2.1 Công suất sóng mang được truyền 79

4.5.2.2 Công suất băng rộng tổng nhận được 79

4.5.2.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) 79

4.5.2.4 Round Trip Time (RTT) 80

4.5.3.Tỷ lệ sử dụng kênh truyền tải 80

4.5.4 Soft handover 80

4.5.5 Tỷ lệ lỗi và thành công Hard HO giữa các tần số 80

4.5.6 Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công và không thành công 81

4.5.7 Call drop rates 82

4.6 Tóm tắt chương 83

CHƯƠNG V: CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO HIỆU SUẤT VÀ QOS TRONG MẠNG

TRUY NHẬP VÔ TUYẾN UTRAN 84

5.1 Các thuật toán diều khiển và quản lý tài nguyên vô tuyến trong WCDMA 84

5.1.1 Giới thiệu về quản lý tài nguyên vô tuyến WCDMA 84

5.1.2 Điều khiển công suất 85

5.1.3 Điều khiển chuyển giao 87

5.1.3.1 Chuyển giao mềm 87

5.1.3.2 Chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM 89

5.1.3.3 Chuyển giao giữa các tần số trong WCDMA 90

5.1.4 Điều khiển thu nạp 91

Giá trị ngưỡng giống với độ tăng nhiễu đường lên lớn nhất và có thể được thiết lập bởi việc quy hoạch mạng vô tuyến .92

5.1.5 Điều khiển tải (điểu khiển nghẽn) 93

5.1.6.Truy nhập gói 95

5.1.6.1 Lưu lượng số liệu gói 95

5.1.6.2 Các phương pháp lập biểu gói 96

5.1.6.3 Lập biểu phân chia theo thời gian 96

5.1.6.4 Lập biểu phân chia theo mã 96

5.2 Các công nghệ để tăng dung lượng đường truyền trong WCDMA 97

5.2.1 Thiết bị triệt nhiễu nhiều tầng 98

5.2.2 Phân tập dàn anten thích ứng 101

5.2.2.1 Giới thiệu 101

5.2.2.2 Cấu hình phân tập dàn anten thích ứng 102

5.3 Tóm tắt chương 104

KẾT LUẬN 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Tiến Thắng, học viên lớp cao học Điện tử- Viễn thông, khoá

2008 – 2010, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn hoàn toàn là kết quả tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân tôi trên cơ sở hướng dẫn khoa học của TS.Phạm Văn Bình, giảng viên khoa Điện tử -Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong luận văn tôi có tham khảo một số tài liệu trong và ngoài nước và có liệt kê đầy đủ trong mục tài liệu tham khảo Luận văn không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với bản luận văn của mình

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

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

CCPCH Common Control Physical Chanel

Kênh vật lý điều khiển chung

CRC Cyclic Redundance Check Kiểm tra các bit dư theo chu kỳ

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng

DPCCH Dedicated Physical Control Chanel Kênh điều khiển vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Chanel Kênh số liệu vật lý riêng

DS-SS Direct Sequence - Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

trên tạp âm

Ec/Io Energy of a chip/ Interference Năng lượng của một chip

trên nhiễu FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết

nhanh FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số

thông tin di động

MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch

các dịch vụ di động

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha cầu phương

tuyến

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunnication System Hệ thống viễn thông di

động toàn cầu UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

mặt đất toàn cầu WCDMA Wideband Code Division Multiplex Access Đa truy cập phân chia theo

mã băng rộng

thế hệ 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Giá trị SFM thông dụng 65

Bảng 3.2 So sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfisch-Ikegami 71

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống WCDMA 12

Hình 1.2 Cấu trúc UE 13

Hình 1.3 Cấu trúc mạng lõi CN 15

Hình 1.4 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS 18

Hình 1.5 Cấu trúc tổng quan của mạng UMTS phát triển từ GSM 20

Hình 1.6 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA 21

Hình 1.7 Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến WCDMA 22

Hình 1.8 Sắp xếp các kênh trong WCDMA 33

Hình 2.1 Một hệ thống DSSS đơn giản 39

Hình 2.2b Mã ngắn 40

Hình 2.4 Mô hình hệ thống DS-CDMA 47

Hình 2.5a Phổ của các tín hiệu phát sau khi trải 48

Hình 2.5b Phổ của các tín hiệu thu sau khi trải 49

Hình 2.6 Các loại chuyển giao trong WCDMA 52

Hình 3.1 Nhiễu đồng kênh tác động lên UE 60

Hình 3.2 Các loại nhiễu trong hệ thống 61

Hình 3.4 Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami 68

Hình 5.1 Các vị trí điển hình của các chức năng RRM trong mạng WCDMA 85

Hình 5.2 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm 88

Hình 5.3 Chuyển giao giữa các hệ thống GSM và WCDMA 89

Hình 5.4 Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống 90

Hình 5.5 Nhu cầu chuyển giao giữa các tần số sóng mang WCDMA 91

Hình 5.6 Thủ tục chuyển giao giữa các tần số 91

Hình 5.7 Đường cong tải 93 Hình 5.9 Nguyên lý của phương pháp phân tập dàn anten thích ứng 102

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng thông tin di động thế hệ 3, 3G WCDMA mới được triển khai thương mại

ở VN chưa lâu Đây là mạng có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ Tốc độ truyền dẫn cao Ở giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo

mã Nhiều người sử dụng dùng chung băng tần rộng 5Mhz Chính vì sử dụng băng tần rộng nên tín hiệu truyền trong môi trường vô tuyến sẽ dễ bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu, cũng như tác động của fadinh, hay suy hao đường truyền Một đặc điểm nữa của mạng WCDMA là lưu lượng cell quan hệ chặt chẽ với vùng phủ sóng theo “hiệu ứng thở “, khi lưu lượng tăng thì vùng phủ sóng phải co hẹp lại, và ngược lại Luận văn này có mục đích là tìm hiểu các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN (bao gồm các bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các trạm gốc Node B) và vai trò của các chức năng này trong việc đảm bảo hiệu suất và chất lượng dịch vụ mạng 3G WCDMA Khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS) là khái niệm rộng Để đảm bảo QoS từ đầu cuối đến đầu cuối đòi hỏi sự kết hợp của nhiều thành phần mạng Luận văn này chỉ giới hạn việc xem xét QoS trong phạm vi mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Cùng với đó, khái niệm hiệu suất ở đây được hiểu là với hạ tầng mạng UTRAN hiện có, nhà khai thác mạng có thể khai thác mạng tốt nhất về mặt

kỹ thuật và kinh tế Hoạt động của mạng UTRAN có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và chất lượng dịch vụ chung của mạng 3G WCDMA, vì thế đòi hỏi người quản trị thường xuyên giám sát hoạt động của mạng truy nhập vô tuyến thông qua các chỉ số hiệu suất chính KPI (Key Performance Indicator) để có những điều chỉnh hoạt động các thiết bị, nâng cấp khi cần thiết

Về mặt bố cục, luận văn được trình bày theo 05 chương như sau:

Chương I: Hệ thống thông tin di động 3G WCDMA Trình bày tổng quan về mạng WCDMA, các thành phần phần cứng trong hệ thống, mô hình phân lớp mạng truy nhập vô tuyến Các lớp giao thức và các loại kênh logic, kênh truyền tải, kênh vật

lý, và sự sắp xếp các loại kênh này

Chương II: Các kỹ thuật quan trọng trong WCDMA Trình bày về kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, là cơ sở của công nghệ WCDMA Giới thiệu các loại mã trải phổ Chương này cũng trình bày các công nghệ mã hóa, điều khiển công suất, chuyển giao trong WCDMA

Chương III: Trình bày những yếu tổ ảnh hưởng đến hiệu suất và QoS mạng trong mạng truy nhập vô tuyến, bao gồm các loại nhiễu, fadinh, suy hao do môi trường,

và yếu tố quy hoạch định cỡ mạng ban đầu

Chương IV: Giới thiệu các thông số chỉ thị hiệu suất KPI giúp cho nhà khai thác đánh giá được hoạt động của mạng truy nhập vô tuyến

Chương V: Trình bày các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến như chức năng điều khiển thu nhận, điều khiển nghẽn, điều khiển công suât, và vai trò của chúng đối với việc đảm bảo hiệu suất và chất lượng dịch vụ Chương này cũng giới thiệu hai

kỹ thuật nhằm tăng dung lượng hệ thống là phân tập dàn ăng-ten thích ứng và sử dụng thiết bị triệt nhiễu nhiều tầng

CHƯƠNG I: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

WCDMA 1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động 3G WCDMA

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống WCDMA

Cấu trúc này bao gồm các phần tử mạng logic và các giao diện Hệ thống này có thể được phân chia thành 3 phần lớn là Thiết bị người sử dụng (UE), mạng giao diện truy cập vụ tuyến mặt đất UTRAN và mạng lõi (CN)

Các ký hiệu:

CN( core network):mạng lõi

UE(user equipment): thiết bị người dùng

UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network):mạng truy cập vô tuyến mặt đất toàn cầu

CS(Circuit switch): chuyển mạch kênh

PS(Packet switch): chuyển mạch gói

RNS(Radio network subsystem): hệ thống con mạng vô tuyến

RNC(Radio network controller): bộ điều khiển mạng vô tuyến

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

Hình 1.2 Cấu trúc UE

Cu

UE

1.2.2 Mạng lõi

Các phần tử chính của mạng lõi như sau:

- MSC/VLR là tổng đài MSC và cơ sở dữ liệu để cung cấp dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nó Chức năng của MSC là sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh CS và chức năng của VLR là lưu giữ bản sao về hồ sơ người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ Phần mạng được truy nhập qua MSC/VLR thường được gọi là vùng CS

- GMSC ( Gateway MSC) là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS PLMN với mạng

CS bên ngoài

- SGSN : có chức năng giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói PS Phần mạng được truy nhập qua SGSN thường được gọi là miền dịch vụ chuyển mạch gói PS

- GGSN có chức năng giống như GMSC nhưng có liên quan đến các dịch vụ chuyển mạch gói PS

- HLR là một cơ sở dữ liệu được đặt tại hệ thống chủ nhà của người sử dụng để lưu giữ thông tin chính về hồ sơ dịch vụ của người sử dụng gồm có: thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và thông tin về các dịch vụ

bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

Hình 1.3 Cấu trúc mạng lõi CN

1.2.3 Mạng truy cập vô tuyến

Mục đích chính của việc xây dựng một mạng truy cập vô tuyến tách biệt là để cung cấp một kết nối giữa thiết bị đầu cuối di động và cô lập các vấn đề vô tuyến đối với mạng lõi, tạo ra lợi thế là một mạng lõi có thể hỗ trợ nhiều công nghê truy nhập

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến

là WCDMA và hai thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế nhau

UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến ( RNS : Radio Network Subsystem) Một RNS là một mạng con và gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và một hay nhiều nút B Các RNC kết nối với nhau bằng giao diện Iur Các RNC và các nút B được kết nối với nhau bằng giao diện Iub

Các đặc tính chính của UTRAN:

- Hỗ trợ UTRA (Truy cập vô tuyến mặt đất UMTS) và tất cả các chức năng liên quan Đặc biệt là vấn đề chuyển giao mềm và các thuật toán quản lí tài nguyên vô tuyến đặc thù W-CDMA

- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng cùng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến hai vùng PS và CS của mạng lõi

- Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết

- Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN

Các thành phần của UTRAN:

ƒ Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: RNC là phần tử chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN Nó giao diện với CN( thông thường là với một MSC và một SGSN) và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC (giao thức này định nghĩa các bản tin và thủ tục giữa

MS và UTRAN Nó đóng vai trò như BSC

Vai trò logic của RNC: RNC điều khiển nút B được biểu thị như là RNC Điều khiển của nút B RNC Điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh nghẽn cho các ô của mình

Khi một kết nối MS-UTRAN sử dụng nguồn tài nguyên từ nhiều RNS, RNC tham dự vào kết nối này có hai vai trò logic riêng biệt

- RNC phục vụ (SRNC-Serving RNC) : đối với mỗi MS, đây là RNC kết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và

cả bao hiệu RANAP ( Radio Access Network Application Part: Phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ/tới mạng lõi SRNC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến: giao thức báo hiệu giữa UE và UTRAN Nó xử lí số liệu từ lớp L2

từ/tới giao diện vô tuyến Các thao tác quản lí tài nguyên vô tuyến như sắp xếp các thông số vật mang truy nhập vô tuyến vào các thông số kênh truyền tải của một nút B nào đó được MS sử dụng

để kết nối với UTRAN

- RNC trôi ( DRNC- Drif RNC) là một RNC bất kì khác với SRNC

để điều khiển các ô được MS sử dụng Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở tầm vĩ mô DRNC không thực hiện xử

lí L2 đối với số liệu tới/từ giao diện vô tuyến mà chỉ định tuyến số liệu trong suốt giữa các giao diện Iub và Iur Một UE không có thể

có hoặc có một hay nhiều DRNC

ƒ Nút B (Trạm gốc) : Các chức năng chính của nút B là thực hiện xử lí L1 của giao diện vô tuyến ( mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ….)

Nó cũng thực hiện một phần khai thác quản lí tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong Về phần chức năng, nó giống như trạm gốc ở GSM Lúc đầu nút B được sử dụng như là một thuật ngữ tạm thời trong quá trình chuẩn hoá nhưng sau đó thì không thay đổi tên đó nữa

Hình 1.4 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS

1.2.4 Các mạng ngoài và giao diện

Các mạng ngoài có thể được chia thành 2 nhóm:

ƒ Các mạng chuyển mạch kênh CS: các mạng này đảm bảo các kết nối chuyển mạch kênh giống như các dịch vụ điện thoại Ví dụ PSTN, ISDN

ƒ Các mạng chuyển mạch gói PS: các mạng này đảm bảo các kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói Ví dụ như mạng INTERNET

Trong sơ đồ cấu trúc trên, các tiêu chuẩn UMTS không định nghĩa chi tiết các chức năng bên trong các phần tử mạng nhưng lại đưa ra định nghĩa về giao diện giữa các phần tử mạng, cụ thể như sau:

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

ƒ Giao diện Uu: đây là giao diện vô tuyến W-CDMA và là giao diện mà qua đó

UE truy nhập các phần tử cố định của hệ thống Vì thế nó là giao diện mở quan trọng nhất ở UMTS

ƒ Giao diện Iu : đây là giao diện giữa UTRANvà CN Giống như các giao diện tương ứng ở GSM là giao diện A (ở chuyển mạch kênh) và Gb( ở chuyển mạch gói), Iu cung cấp khả năng cho các nhà khai thác mạng có thể lắp đặt các thiết

bị của các nhà sản xuất khác nhau trong UTRAN và CN

ƒ Giao diện Iur : đây là một giao diện mở, cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau

ƒ Giao diện Iub: kết nối giữa một nút B và một RNC UMTS là hệ thống điện thoại di động đầu tiên trong đó giao diện giữa bộ điều khiển và trạm gốc được tiêu chuẩn hoá như là một giao diện mở hoàn toàn

Qua các phân tích trên, có thể đưa ra sơ đồ khối cấu trúc tổng quan của mạng UMTS có tương thích với GSM Sơ đồ khối này rất quan trọng bởi vì nó đưa ra quá trình phát triển từ GSM pha 2+ đến UMTS ở đây có thể nhìn thấy các giao diện khác nhau của GSM và UMTS nhập vào một mạng xương sống

Trong sơ đồ khối này, MSC và GMSC là cho mạng GSM chuyển mạch kênh Bởi vì GSM pha 2 + sẽ bao gồm cả GPRS nên điều khiển dữ liệu gói nên có cả SGSN

và GGSN Các thành phần mạng lõi khác như AuC, HLR , VLR và EIR vẫn cung cấp

cả mạng số liệu gói và chuyển mạch kênh Do đó mạng lõi UMTS được cấu trúc từ mạng GSM pha 2 + được nâng cấp tăng công suất lên để có thể điều khiển lưu lượng UMTS mức cao hơn, tốc độ bít lớn hơn Dưới mạng lõi UMTS là GSM BSS và UMTS

RNS Mạng UMTS sử dụng cùng một mạng lõi với GSM và có giao diện giữa RNC và MSC, SGSN và RNC là Iucs, Iups và Iur

Hình 1.5 Cấu trúc tổng quan của mạng UMTS phát triển từ GSM

1.3 Cấu trúc phân lớp của WCDMA và cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến

Cấu trúc phân lớp của W-CDMA được xây dựng trên cơ sở tiêu chuẩn của UMTS như sau:

Hình 1.6 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA

Cấu trúc phân lớp giới thiệu khái niệm tầng truy cập và tầng không truy cập Một số diểm chính về cấu trúc này như sau:

- Tầng truy cập chứa tất cả chức năng truy cập vô tuyến chi tiết

- Tầng truy cập cung cấp các dịch vụ ở UE và mạng lõi đến tầng không truy cập

- Tầng không truy cập cung cấp các dịch vụ UMTS/IMT-2000 đến người sử dụng Phân lớp chức năng của hệ thống UMS/IMT-2000 thành tầng truy cập và tầng không truy cập chỉ ra sự phân chia chức năng giữa UTRAN và mạng lõi ; UTRAN điều khiển tất cả các thử tục vô tuyến trong khi đó mạng lõi điều khiển các thủ tục về dịch vụ, bao gồm cả quản lí di động MM và điều khiển cuộc gọi

Các giao thức trên giao diện vô tuyến cần thiết để thiết lập, đặt lại cấu hình và giải phóng các dịch vụ mang vô tuyến

Giao diện vô tuyến ở UTRAN được chia thành 3 lớp giao thức :

- Lớp vật lý L1

- Lớp kết nối số liệu L2 Lớp hai được chia thành các lớp con : MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường), RLC( Radio Link Control : Điều khiển kết nối vô tuyến), PDCP (Packet Data Convergence Protocol : Giao thức hội

tụ số liệu gói) và BMC ( Broadcast/Multicast Control: Điều khiển quảng bá đa phương)

- Lớp mạng L3 gồm có RRC ( Radio Resource Control: Điều khiển tài nguyên vô tuyến)

Cấu trúc giao thức giao diện vô tuyến W-CDMA được cho như ở hình sau đây

Hình 1.7 Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến WCDMA

1.3.1 Lớp vật lý

Lớp vật lý: cung cấp các dịch vụ cho lớp MAC qua các kênh truyền tải Lớp vật

lý có tối thiểu một số chức năng sau:

- Mã hoá sửa lỗi trước, ghép xen và phối hợp tốc độ

- Đo đạc

- Thực thi chuyển giao mềm, kết nối/phân bố

- Ghép/định vị các dịch vụ trên các kênh mã vật lý riêng

- Điều chế, trải phổ và giải điều chế và giải trải phổ các kênh vật lý

- Đồng bộ tần số và thời gian (chip, bit, khe và khung)

- Điều khiển công suất vòng kín nhanh

- Kết nối và đo công suất của các kênh vật lý

- Xử lí tần số vô tuyến RF

1.3.2 Các kênh vật lý

Các kênh vật lý truyền thông tin qua giao diện vô tuyến Trong chế độ FDD của UMTS, một kênh vật lý được xác định bằng tần số sóng mang và mã của nó

Có hai loại kênh vật lí cơ bản là các kênh riêng và các kênh chung Loại đầu được

UE sử dụng trong suốt một cuộc gọi Loại sau mang thông tin tới tất cả các UE trong một ô và được các UE sử dụng để truy cập mạng

Các kênh riêng: có 2 loại kênh vật lý riêng

ƒ Kênh điều khiển vật lý riêng DPCCH mang thông tin điều khiển lớp vật

lý Nó chứa các kí tự hoa tiêu, kí tự điều khiển công suất TPC, chỉ thị kết nối định dạng truyền TFCI

- Các kí tự hoa tiêu cho phép bộ thu đánh giá đáp ứng xung của kênh vô tuyến và thực hiện tách sóng nhất quán Chúng cần thiết khi các anten tương thích được sử dụng có chùm hẹp Các kì tự hoa tiêu là một từ hoa tiêu có chu kì 0.667 ms

- TPC tạo ra các lệnh điều khiển công suất vòng lặp kín nhanh, được sử dụng ở cả đường lên và đường xuống Kí tự TPC có trong mọi gói truyền, chúng có cấu trúc nhị phân mà giá trị nó chỉ ra sẽ tăng hoặc giảm công suất truyền

- TFCI thông báo cho bộ thu các tham số tức thời của các kênh truyền tải khác nhau như tốc độ dữ liệu hiện tại đang sử dụng TCFI cũng chứa thông tin phản hồi FBI ở đường lên để cung cấp vòng lặp phản hồi cho phân tập phát và phân tập lựa chọn

ƒ Kênh dữ liệu vật lý riêng DPDCH truyền tải lưu lượng người sử dụng cũng như thông tin điều khiển từ lớp 2 và các lớp cao hơn

Cấu trúc khung, các sơ đồ trải phổ và sắp xếp ghép kênh đối với đường lên và đường xuống là khác nhau DPCCH và DPDCH được ghép theo thời gian DPCCH và DPDCH được ghép trong một khe định kì để trải phổ và truyền dẫn ở BS Ngược lại truyền lên từ UE có DPCCH và DPDCH truyền song song trên thành phần cầu phương của bộ điều chế QPSK đơn kênh

Các kênh chung : các kênh chung đường xuống và các kênh chung đường lên

- Các kênh chung đường xuống :

ƒ Kênh hoa tiêu chung CPICH (Common Pilot Channel) cung cấp việc tham khảo giải điều chế chung cho tất cả hoặc một phần của ô

ƒ Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp P-CCPCH( Primary Common Control Physical Channel) mang các thông tin tổng quan của mạng

ƒ Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp S-CCPCH( Secondary Common Control Physical Channel ) dành cho tìm gọi và dữ liệu gói

ƒ Kênh chỉ thị tìm gọi PIPC

ƒ Kênh đồng bộ SCH (Synchronisation Channel ) mà mỗi UE sủ dụng khi khởi tìm ô

ƒ Kênh chỉ thị bắt AICH (Acquisition Indication Channel ) bắt điều khiển việc

sử dụng các kênh đường lên chung

- Các kênh chung đường lên:

ƒ Kênh gói chung vật lý PCPCH

ƒ Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý PRACH

1.3.3 Các kênh truyền tải

Kênh truyền tải được đặc trưng bởi cách thức và các đặc tính truyền số liệu Có hai kiểu kênh truyền tải là các kênh riêng và các kênh chung Điểm khác nhau giữa chung là : kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm người sử dụng trong ô, còn tài nguyên kênh riêng được ấn định bởi một mã và một tần số nhất định để dành riêng cho một người sử dung duy nhất

Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý riêng cho một người sử dụng bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời cũng như thông tin điều khiển lớp cao Lớp vật lý không thể nhận biết được nội dung thông tin được mang trên kênh DCH, vì thế thông tin điều khiển lớp cao và số liệu của người sử dụng được xử lý như nhau Các thông số của lớp vật lý do UTRAN thiết lập có thể thay đổi giữa số liệu và điều khiển

Các kênh quen thuộc trong GSM : kênh lưu lượng TCH hay điều khiển liên kết không tồn tại ở lớp vật lý UTRA Kênh truyền tải riêng mang cả số liệu dịch vụ và thông tin điều khiển lớp cao hơn: các lệnh chuyển giao và các báo cáo đo đặc từ UE Nhờ việc hỗ trợ tốc độ bit thay đổi và ghép kênh nên

ở WCDMA không cần kênh truyền tải tách biệt

Kênh truyền tải riêng được đặc trưng bởi các tính năng như: điều khiển công suất nhanh, thay đổi tốc độ số liệu nhanh theo từng khung và khả năng phát đến một phần ô hay đoạn ô bằng cách thay đổi hướng anten của hệ thống anten thích ứng Các kênh riêng hỗ trợ chuyển giao mềm

ƒ Các kênh truyền tải chung: Gồm 6 kiểu kênh truyền tải chung Các kênh này gồm có một số điểm khác với các kênh trong thế hệ thứ hai, chẳng hạn truyền dẫn gói ở các kênh chung và một kênh dùng chung đường xuống để phát số liệu gói Các kênh chung không có chuyển giao mềm nhưng một số kênh có điều khiển công suất nhanh

1) Kênh quảng bá BCH ( Broadcast Channel) là một kênh truyền tải được

sử dụng để phát các thông tin đặc thù UTRAN hoặc ô Trong một mạng thông thường số liệu quan trọng nhất là các mã truy nhập ngẫu nhiên và các khe thời gian có thể cấp phát hay các kiểu phân tập phát được sử dụng bằng các kênh khác đối với một ô cho trước Vì UE có thể đăng ký đến ô này nếu nó có thể giải mã kênh quảng bá, nên cần phát kênh này ở công suất khá cao để mạng có thể đạt đến tất cả mọi người sử dụng trong vùng phủ yêu cầu Từ quan điểm thực tiễn, tốc độ thông tin trên kênh quảng bá bị giới hạn bởi khả năng giải mã tốc độ số liệu của kênh quảng

bá của các UE tốc độ thấp Điều này dẫn đến việc sử dụng tốc độ số liệu thấp và cố định cho kênh quảng bá UTRA

2) Kênh truy nhập đường xuống FACH (Forward Access Channel) là một kênh truyền tải đường xuống mang thông tin điều khiển đến các UE nằm trong một ô cho trước, chẳng hạn sau khi BS thu được một bản tin truy nhập ngẫu nhiên Các số liệu gói cũng có thể phát trên kênh FACH Trong một ô có thể có nhiều FACH Một FACH phải có tốc độ bit đủ thấp để tất cả các UE đều thu được Khi có nhiều kênh FACH, các kênh

bổ sung có thể có tốc độ bit cao hơn FACH không sử dụng điều khiển công suất nhanh và để thu đúng các bản tin được phát phải chứa thông tin nhận dạng trong băng

3) Kênh tìm gọi PCH ( Paging Channel) là kênh truyền tải đường xuống mang số liệu liên quan đến thủ tục tìm gọi, chẳng hạn khi mạng muốn khởi đầu thông tin với UE Ta xét thí dụ đơn giản nhất về cuộc gọi đến UE: mạng phát tin tìm gọi tất cả các ô thuộc vùng định vị nơi có UE cần tìm Tuỳ theo cấu hình hệ thống, bản tin tìm gọi có thể được phát trong một ô hoặc một trăm ô UE phải có khả năng thu được thông tin tìm gọi trong toàn bộ vùng phủ sóng của ô Việc thiết kế kênh tìm gọi ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của UE ở chế độ chờ

4) Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel) là kênh truyền tải đường lên được sử dụng để mang thông tinđiều khiển từ UE như yêu cầu thiết lập một kết nối Cũng có thể sử dụng kênh này để phát

đi các cụm nhỏ số liệu gói từ UE Để hoạt động đúng, hệ thống phải thu được kênh truy nhập ngẫu nhiên từ toàn bộ vùng phủ của ô Điều này cũng có nghĩa tốc độ số liệu thực tế phải đủ thấp, ít nhất là đối với truy nhập hệ thống lần đầu và các thủ tục điều khiển khác

5) Kênh gói chung đường lên CPCH ( Common Packet Channel) là sự mở rộng của kênh RACH để mang số liệu của người sử dụng được phát theo

gói trên đường lên FACH ở đường xuống cùng với kênh này tạo nên cặp kênh để truyền số liệu Trong lớp vật lý, điểm khác nhau căn bản của CPCH so với RACH là việc sử dụng điều khiển công suất nhanh, cơ chế phát hiện tranh chấp trên cơ sở vật lý và thủ tục giám sát trạng thái CPCH So với một hoặc hai khung của bản tin RACH, truyền dẫn CPCH đường lên có thể kéo dài nhiều khung

6) Kênh đường xuống dùng chung DSCH (Downlink Shared Channel) laf kênh truyền tải để mang thông tin người sử dụng và/hoặc thông tin điều khiển Nhiều người sử dụng có thể dùng chung kênh này Xét về nhiều mặt nó giống như kênh truy nhập đường xuống nhưng kênh dùng chung

hỗ trợ sử dụng điều khiển công suất nhanh cũng như tốc độ bit thay đổi theo khung Kênh này luôn liên kết với kênh DCH đường xuống

Các kênh truyền tải cần thiết cho việc hoạt động của mạng là RACH, FACH và PCH còn việc sử dụng DSCH và CPCH là lựa chọn và có thể được quyết định bởi mạng

Cấu trúc khung của kênh truyền tải: các kênh UTRA sử dụng cấu trúc khung 10

ms Chu kỳ dài hơn được sử dụng là chu kỳ khung của hệ thống Số khung hệ thống SFN (System Frame Number) là một số 12 bit được một số thủ tục sử dụng khi có thời gian dài hơn một khung Các thủ tục lớp vật lý như: thủ tục tìm gọi hay thủ tục truy nhập ngẫu nhiên là các thủ tục cần chu kỳ dài hơn 10 ms

1.3.4 Giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC

Các chức năng của lớp MAC bao gồm:

- Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải tương ứng

- Chọn khuôn dạng truyền tải tương ứng ( từ tổ hợp khuôn dạng truyền tải) cho từng kênh truyền tải phụ thuộc vào tốc độ nguồn tức thời

- Xử lí ưu tiên giữa các dòng số liệu trong một UE

- Xử lí ưu tiên giữa các UE bằng lập biểu động

- Nhận dạng các UE tại các kênh truyền tải chung

- Ghép/ phân kênh các PDU ( Protocol Data Unit : đơn vị số liệu giao thức ) của lớp cao hơn vào/ từ các khối truyền tải đưa đến/ từ lớp vật lý ở các kênh truyền tải chung

- Ghép/ phân kênh các PDU của lớp cao hơn vào/ từ các khối truyền tải đưa đến/ từ lớp vật lý ở các kênh truyền tải riêng

- Giám sát khối lượng lưu lượng

- Chuyển mạch động kiểu kênh truyền tải Thực hiện chuyển mạch giữa các kênh truyền tải chung và riêng trên cơ sở quyết định chuyển mạch từ RRC

- Mật mã hoá Trong mật mã MAC, thông số thay đổi theo thời gian cho thuật toán mật mã hoá được tăng theo cùng chu kì như số khung của hệ thống nghĩa là 10 ms một lần Mỗi kênh logic được mật mã hoá riêng biệt

1.3.5 Các kênh logic

Các dịch vụ truyền số liệu của lớp MAC được đảm bảo trên các kênh logic Một tập các kiểu kênh logic được định nghĩa cho các dịch vụ truyền số liệu được MAC cung cấp Mỗi kiểu kênh logic được định nghĩa theo kiểu thông tin được truyền Nói chung các kênh logic được phân chia thành 2 nhóm Các kênh điều khiển sử dụng để truyền thông tin phần điều khiển và các kênh lưu lượng để truyền thông tin phần người

sử dụng

Có các kênh logic sau:

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

ƒ Kênh điều khiển tìm gọi PCCH(Paging Control Channel) : kênh đường xuống để truyền thông tin tìm gọi

ƒ Kênh điều khiển riêng DCCH ( Dedicated Control Channel): kênh hai chiều điểm đến điểm để phát thông tin điều khiển giữa một UE và mạng Kênh này được thiết lập trong thủ tục thiết lập kết nối RRC

ƒ Kênh điều khiển chung CCCH ( Common Control Channel): kênh hai chiều để truyền thông tin giữa mạng và các UE Kênh logic này luôn được sắp xếp lên các kênh truyền tải RACH/FACH

ƒ Kênh lưu lượng riêng DTCH ( Dedicated Traffic Channel):kênh điểm đến điểm dành riêng cho một UE để truyền thông tin của người sử dụng DTCH có cả ở đường lên và đường xuống

ƒ Kênh lưu lượng chung CTCH ( Common Traffic Channel): kênh điểm

đa điểm một chiều để truyền thông tin riêng của người sử dụng cho một nhóm UE qui định

1.3.6 Giao thức điều khiển kết nối vô tuyến RLC

Các chức năng của RLC gồm có:

- Phân đoạn và lắp ráp lại Chức năng này thực hiện phân đoạn và lắp ráp lại các PDU lớp cao có độ dài khả biến vào/từ các khối tải trọng RLC nhỏ hơn ( các PU)

- Móc nối Nếu các nội dung của RLC SDU không lấp kín một số nguyên các RLC

PU, đoạn đầu của RLC SDU có thể được đặt vào RLC PU ở móc nối với đoạn cuối cùng của RLC SDU

- Đệm: khi không áp dụng móc nối và số liệu còn lại cần phát không thể lấp kín toàn

bộ RLC PDU có kích thước cho trước, phần dư của trường số liệu được lấp kín bằng các bit đệm

- Truyền số liệu của người sử dụng

- Hiệu chỉnh lỗi Chức năng này được thực hiện bằng cách phát lại ở chế độ truyền số liệu có công nhận

- Truyền PDU lớp cao theo trình tự

- Phát hiện kép Chức năng này phát hiện các RLC PDU thu kép và đảm bảo PDU tổng lớp cao chỉ truyền một lần đến lớp cao

- Điều khiển dòng Chức năng này cho phép máy thu RLC điều khiển tốc độ mà tại tốc độ này thực thể RLC đồng cấp có thể phát thông tin

- Phát hiện lỗi và khôi phục giao thức

- Mật mã hoá và chức năng treo/ thực hiện lại cho truyền số liệu

1.3.7 Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC

Hầu hết các báo hiệu điều khiển giữa UE và UTRAN là điều khiển tài nguyên

vô tuyến RRC Các bản tin RRC mang các thông số cần thiết cho thiết lập, trao đổi và giải phóng lớp 2 và lớp 1 của các thực thể giao thức Các bản tin RRC mang trong phần tải trọng của mình tất cả các báo hiệu lớp cao và tính di động cần thiết của thiết bị ở chế độ kết nối được điều khiển bởi báo hiệu RRC ( đo, chuyển giao, cập nhật ô…)

1.3.8 Giao thức hội tụ số liệu gói PDCP

Giao thức này chỉ có ở phần người sử dụng và chỉ dành cho các dịch vụ ở vùng chuyển mạch gói Nó chứa các phương pháp nén cần thiết để đạt được hiệu suất phổ tần tốt hơn đối với các dịch vụ đòi hỏi phải truyền các gói IP

1.3.9 Giao thức điều khiển quảng bá/ đa phương BMC

Giao thức điều khiển quảng bá/ đa phương là giao thức lớp 2 đặc thù dịch vụ chỉ tồn tại ở phần người sử dụng Giao thức được thiết kế để thích ứng với các dịch vụ quảng bá và đa phương bắt nguồn từ vùng quảng bá ở giao diện vô tuyến Trông phiên

bản 99, dịch vụ duy nhất sử dụng giao thức này là dịch vụ phát quảng bá ô SMS Dịch

vụ này trực tiếp lấy từ GSM

1.3.10 Sắp xếp các kênh trong WCDMA

1.3.10.1 Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải

Để sắp xếp các kênh logic và các kênh truyền tải ở đường lên và đường xuống, có các kết nối giữa các kênh logic và các kênh truyền tải như sau:

- PCCH kết nối đến PCH

- BCCH được kết nối đên BCH và cũng có thể được kết nối đến FACH

- DCCH và DTH có thể được kết nối đến hoặc RACH và FACH, CPCH và FACCH, RACH và DSCH, DCH hoặc DCH ở đường lên và đường xuống

1.3.10.2 Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

Trong UTRAN, số liệu được tạo ra ở các lớp cao được truyền tải trên đường vô tuyến bởi các kênh truyền tải bằng cách sắp xếp các kênh này lên các kênh vật lý khác nhau Lớp vật lý được yêu cầu để hỗ trợ các kênh truyền tải với tốc độ bit thay đổi nhằm cung cấp các dịch vụ với độ rộng băng tần theo yêu cầu và để ghép nhiều dịch vụ trên cùng một kết nối

Mỗi kênh truyền tải đều đi kèm với một chỉ thị khuôn dạng truyền tải TFI tại mọi thời điểm khi các kênh truyền tải nhận được số liệu từ các lớp cao hơn Lớp vật lý kết hợp thông tin TFI từ các kênh truyền tải khác nhau vào chỉ thị khuôn dạng truyền tải TFCI TFCI được phát trên kênh điều khiển để thông báo cho máy thu rằng kênh nào đang tích cực trong khung hiện thời Thông báo này không cần thiết khi sử dụng cơ chế phát hiện khuôn dạng kênh tải mù BTFD được thực hiện bằng kết nối với các kênh riêng đường xuống Máy thu giải mã TFCI, chuyển nó đến lớp cao hơn cho từng kênh trong tất cả các truyền tải đang tích cực trong kết nối

Một kênh vật lý điều khiển một hay nhiều kênh số liệu vật lý tạo nên một kênh truyền tải đa hợp được mã hoá Có thể có nhiều kênh này trên một kết nối cho trước nhưng trong trường hợp này chỉ có một kênh vật lý điều khiển được phát

Các kênh truyền tải được sắp xếp lên các kênh vật lý khác nhau nhưng một số kênh truyền tải được mang bởi kênh vật lý giống nhau hay thậm chí là cùng một kênh vật lý

Kênh riêng (DCH) được sắp xếp lên hai kênh vật lý Kênh dữ liệu vật lý riêng DPDCH mang các thông tin bao gồm số liệu của người sử dụng, còn kênh điều khiển vật lý riêng DPCCH mang thông tin cần thiết của lớp vật lý Cả hai kênh riêng này cần thiết để hỗ trợ hiệu quả tốc độ bit thay đổi trong lớp vật lý Tốc độ bit trên kênh DPCCH không đổi còn tốc độ bit ở kênh DPDCH có thể thay đổi theo khung

Việc sắp xếp các kênh trong WCDMA được thể hiện như hình vẽ sau đây:

Hình 1.8 Sắp xếp các kênh trong WCDMA

1.4 Tóm tắt chương

Chương này giới thiệu tổng quan cấu trúc mạng WCDMA cũng như mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Trong đó mạng lừi WCDMA cơ bản giống với mạng lừi hệ thống 2.5G; trong khi mạng truy cập vụ tuyến UTRAN được xây dựng mới hoàn toàn

và tách biệt với mạng lừi Điều này cho phép cô lập các vấn đề về vô tuyến đối với mạng lừi và tạo lợi thế là một mạng lừi cú thể hỗ trợ nhiều cụng nghệ truy nhập UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến ( RNS : Radio Network Subsystem) Một RNS là một mạng con và gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và một hay nhiều nút B RNC là phần tử chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN, còn nút B thực hiện xử lí Lớp 1 của giao diện vô tuyến UTRAN sử dụng cơ chế truyền tải chính là ATM Trong chương này cũng trình bày cấu trúc phân lớp và cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến Giao diện vô tuyến ở UTRAN được chia thành 3 lớp giao thức tương ứng với 3 lớp dưới của mô hình OSI Trong đó lớp RRC (tương ứng với lớp 3 của OSI) cùng với các lớp RLC và lớp MAC (tương ứng với lớp 2 của OSI) có các cơ chế đảm bảo QoS của dịch vụ

CHƯƠNG II : CÁC KỸ THUẬT QUAN TRỌNG TRONG

WCDMA 2.1 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS

2.1.1 Khái quát về kỹ thuật trải phổ

Kỹ thuật trải phổ là nền tảng cho công nghệ W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access - là công nghệ truy cập vô tuyến cơ bản cho hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS/ IMT-2000) W-CDMA là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng trong đó việc tách riêng thông tin thoại hoặc số liệu của mỗi người sử dụng bằng cách ghép thông tin với các bit giả ngẫu nhiên gọi là chip Chuỗi bit giả ngẫu nhiên có tốc độ là 3,84 Mcps ( hàng triệu chip mỗi giây), kết quả là các bit thông tin băng hẹp của người sử dụng được trải ra thành độ rộng băng tần là 5 MHz Trong quá trình trải phổ, các kí tự thông tin có độ rộng băng tần tương đối hẹp được ghép với mã trải phổ Tín hiệu trải phổ tạo ra có một băng tần rộng hơn phụ thuộc vào vào số chíp cho mỗi kí tự Trong quá trình giải trải phổ hay còn gọi là quá trình nén,

mã trải phổ được ghép với tín hiệu đã bị trải phổ để phục hồi lại kí tự dữ liệu ban đầu Quá trình nén chuyển các tín hiệu băng rộng trở lại thành các tín hiệu băng hẹp ban đầu của kí tự dữ liệu Các mã trải phổ đặc biệt được thiết kế để cho phép các kí tự từ nhiều người sử dụng có thể chiếm giữ cùng một phổ tần ở cùng một thời điểm trong khi vẫn cho phép phục hồi các thông tin gốc

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 công, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp 2 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 trong trường hợp này phụ thuộc vào kiểu điều chế (BIT/SK, QPSK )

Trong các hệ thống thông tin trải phổ SS, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi phát Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả Tuy nhiên trong môi trường nhiều người sử dụng, nhiều người có thể sử dụng chung một băng tần SS và hệ thống

sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ Phổ của tín hiệu sau khi xử lí được trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết sau đó bộ điều chế

sẽ chuyển phổ này đến dải tần được cấp cho truyền dẫn Một hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu: tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu để phát thông tin và trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với

số liệu

Kỹ thuật trải phổ được ứng dụng đầu tiên trong các hệ thống thông tin quân sự nhờ những ưu điểm nổi bật như khả năng chống nhiễu cao, xác xuất phát hiện thấp, sau này được đưa vào các ứng dụng dân sự Như trên đã nói, ở đây xin trình bày lại cụ thể hơn, kỹ thuật trải phổ được nhận dạng bởi hai đặc điểm quan trọng:

- Băng tần truyền dẫn lớn hơn nhiều so với băng tần thông tin

- Băng tần truyền dẫn được xác định bởi mã trải phổ hay mã giả ngẫu nhiên, độc lập với thông tin được gửi đi và có phổ rộng hơn nhiều so với băng tần tín hiệu dữ liệu Dãy mã trải phổ mã hoá tín hiệu thông tin Điều này làm cho công suất tín hiệu bị trải rộng ra trên một băng tần rất lớn, dẫn đến mật độ công suất thấp hơn

Tỷ số giữa băng tần truyền dẫn Bt với băng tần thông tin Bi được gọi là tăng ích

do xử lý Gp của hệ thống trải phổ:

Gp = Bt / Bi

Máy thu khôi phục lại thông tin ban đầu bằng việc tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao của mã trải phổ đã sử dụng ở phía phát Như vậy, máy thu chỉ có thể khôi phục tín hiệu thông tin khi nó biết dãy mã trải phổ được sử dụng

Tín hiệu trải phổ có nhiều thuộc tính khác biệt so với các tín hiệu băng hẹp như :

- Khả năng đa truy nhập : Nếu nhiều người truyền tín hiệu trải phổ cùng một thời điểm, máy thu vẫn có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi người sử dụng do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các mã này có mức tương quan chéo đủ nhỏ Việc tương quan giữa tín hiệu thu được với một dãy mã trải phổ ứng với một người sử dụng nào đó sẽ chỉ làm cho phổ tín hiệu của người sử dụng đó co hẹp trong khi các tín hiệu của người sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần truyền dẫn Do đó, trong băng tần thông tin, chỉ có công suất tín hiệu của người sử dụng đang quan tâm là lớn

- Khả năng chống nhiễu đa đường :Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đường khác nhau ngoài đường trực tiếp do các nguyên nhân phản xạ Các tín hiệu đa đường này có biên độ và pha khác nhau sẽ làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số và giảm tín hiệu tổng ở các tần số khác Trong miền thời gian, hiện tượng này làm tín hiệu bị dãn rộng Đối với các tín hiệu băng rộng, chính hiện tượng này tạo nên sự phân tập tần số một cách tự nhiên, có tác dụng chống Fading chọn lọc

- Khả năng bảo mật : Tín hiệu được truyền đi chỉ có thể được nén phổ và dữ liệu ban đầu được khôi phục khi máy thu biết mã trải phổ đã sử dụng cho thông tin đó Đồng thời, phổ của tín hiệu được trải rộng do đó công suất tín hiệu được trải đều và mỏng trên toàn bộ miền trải phổ Vì vậy, việc phát hiện sự tồn tại của tín hiệu rất khó

và cũng khó có thể tách sóng được tín hiệu đối với các máy thu không được phép (máy thu ngoài phạm vi cuộc liên lạc) Vì vậy khả năng bảo mật thông tin cao

- Khả năng loại trừ nhiễu: Việc tương quan chéo giữa mã trải phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải rộng công suất của tín hiệu băng hẹp Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong băng tần thông tin

- Khả năng chống nhiễu phá: Cơ sở lý luận của khả năng chống nhiễu phá tương

tự như khả năng chống nhiễu đa đường Chỉ khác là nhiễu phá do con người gây ra

Có ba kỹ thuật trải phổ cơ bản:

ƒ Trải phổ chuỗi trực tiếp DS (Direct Sequency): tín hiệu mang thông tin được nhân trực tiếp mã trải phổ tốc độ cao

ƒ Trải phổ nhẩy tần FH/SS (Frequency Hopping- Spread Spectrum): sóng mang

có tần số thay đổi tại mỗi thời điểm tín hiệu thông tin được truyền đi tuỳ thuộc vào mã trải phổ

ƒ Trải phổ nhẩy thời gian TH (Time Hopping): một khối các bit số liệu được nén

và phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian trong một khung chứa một số lượng lớn các khe thời gian Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung

Hiện nay điều đáng quan tâm về các hệ thống SS là các ứng dụng đa truy nhập

mà ở đó nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn Trong hệ thống DSSS tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách nén phổ Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm Trong hệ thống thông tin di động W- CDMA chỉ sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp DSSS nên ở đây chỉ nghiên cứu về kỹ thuật trải phổ trực tiếp DSSS