Giáo trình Mạng 3G WCDMA UMTS

98 trang phuongnguyen 2810

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Mạng 3G WCDMA UMTS", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mang_3g_wcdma_umts.doc

Nội dung text: Giáo trình Mạng 3G WCDMA UMTS

MỤC LỤC Chương 1 3 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS 3 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 3 1.2. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G 3 1.3. KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 5 1.4. CHUYỂN MẠCH KÊNH (CS), CHUYỂN MẠCH GÓI (PS), DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH KÊNH VÀ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI. 6 1.5. CÁC LOẠI LƯU LƯỢNG VÀ DỊCH VỤ ĐƯỢC 3GWCDMA UMTS HỖ TRỢ 9 1.6. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R3 10 1.7. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4 17 1.8. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 và R6 19 1.9. CHIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS 21 1.10. CẤU HÌNH ĐỊA LÝ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G.24 1.11. TỔNG KẾT 27 Chương 2 28 CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA 28 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG 28 2.2. TRẢI PHỔ VÀ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ 28 2.3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 32 2.4. CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG CDMA 32 2.5. MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG HAY MÁY THU RAKE 34 2.6. CÁC MÃ TRẢI PHỔ SỬ DỤNG TRONG WCDMA 35 2.7. TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG LÊN 37 2.8. TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG XUỐNG 39 2.9. TỔNG KẾT 42 Chương 3 43 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS 43 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG 43 3.2. MỞ ĐẦU 43 3.3. KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC CỦA GIAO DIỆN VÔ TUYẾN WCDMA/FDD 44 3.4. CÁC THÔNG SỐ LỚP VẬT LÝ VÀ QUY HOẠCH TẦN SỐ 46 3.5. CÁC KÊNH CỦA WCDMA 49 3.6. CẤU TRÚC KÊNH VẬT LÝ RIÊNG 57 3.7. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT MÁY PHÁT VÀ MÁY THU WCDMA 58 3.8. PHÂN TẬP PHÁT 59 3.9. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG WCDMA 61 3.10. CÁC KIỂU CHUYỂN GIAO VÀ CÁC SỰ KIỆN BÁO CÁO TRONG WCDMA 64 3.11. CÁC THÔNG SỐ MÁY THU VÀ MÁY PHÁT VÔ TUYẾN CỦA UE 66 3.12. AMR CODEC CHO W-CDMA 66 1
3.13. TỔNG KẾT 67 Chương 4 68 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) 68 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG 68 4.2. TỔNG QUAN TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) 68 4.3. KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN HSPA CHO SỐ LIỆU NGƯỜI SỬ DỤNG 69 4.4. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG (HSDPA) 71 4.5. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN (HSUPA) 82 4.6. CHUYỂN GIAO TRONG HSDPA 88 4.7. TỔNG KẾT 91 Thuật ngữ và viết tắt 93 Tài liệu tham khảo 100 2
Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1. Mục đích chương Hiểu lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G Hiểu được kiến trúc tổng quát của một mạng thông tin di động 3G. Hiểu các kiến trúc mạng 3G WCDMA UMTS: R3, R4 và R5 và chiến lược chuyển dịch GSM lên 3G UMTS 1.1.2. Các chủ đề được trình bầy trong chương Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G Kiến trúc chung của một mạng thông tin di động 3G Các khái niệm về các dịch vụ chuyển mạch kênh và các dịch vụ chuyển mạch gói Các loại lưu lượng và các loại dịch vù mà 3G WCDMA UMTS có thể hỗ trợ Kiến trúc 3G WCDMA UMTS qua các phát hành khác nhau: R3, R4, R5 và R6 Chiến lược chuyển dịch GSM lên 3G UMTS 1.1.3. Hướng dẫn Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương Tham khảo thêm các tái liệu tham khảo cuối tài liệu 1.2. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được cho trên hình 1.1 và lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2 3
AMPS: Advanced Mobile Phone System TACS: Total Access Communication System GSM: Global System for Mobile Telecommucations WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access EVDO: Evolution Data Only IMT: International Mobile Telecommnications IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers WiFi: Wireless Fidelitity WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access LTE: Long Term Evolution UMB: Untra Mobile Broadband Hình 1.1. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G Hình 1.2. Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP Hình 1.3. cho thấy lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 4
Hình 1.3. Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 1.3. KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. Hình 1.4 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi. RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh PS: Packet Switch: chuyển mạch gói SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin Server: máy chủ PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất Hình 1.4. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS 5
Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn. 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS). Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM). Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3G WCDMA UMTS 1.4. CHUYỂN MẠCH KÊNH (CS), CHUYỂN MẠCH GÓI (PS), DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH KÊNH VÀ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH GÓI. 3G cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh như tiếng, video và các dịch vụ chuyển mạch gói chủ yếu để truy nhập internet. Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch) là sơ đồ chuyển mạch trong đó thiết bị chuyển mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối chiếm một tài nguyên mạng nhất định trong toàn bộ cuộc truyền tin. Kết nối này là tạm thời, liên tục và dành riêng. Tạm thời vì nó chỉ được duy trì trong thời gian cuộc gọi. Liên tục vì nó được cung cấp liên tục một tài nguyên nhất định (băng thông hay dung lượng và công suất) trong suốt thời gian cuộc gọi. Dành riêng vì kết nối này và tài nguyên chỉ dành riêng cho cuộc gọi này. Thiết bị chuyển mạch sử dụng cho CS trong các tổng đài của TTDĐ 2G thực hiện chuyển mạch kênh trên trên cơ sở ghép kênh theo thời gian trong đó mỗi kênh có tốc độ 64 kbps và vì thế phù hợp cho việc truyền các ứng dụng làm việc tại tốc độ cố định 64 kbps (chẳng hạn tiếng được mã hoá PCM). Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch) là sơ đồ chuyển mạch thực hiện phân chia số liệu của một kết nối thành các gói có độ dài nhất định và chuyển mạch các gói này theo thông tin về nơi nhận được gắn với từng gói và ở PS tài nguyên mạng chỉ bị chiếm dụng khi có gói cần truyền. Chuyển mạch gói cho phép nhóm tất cả các số liệu của nhiều kết nối khác nhau phụ thuộc vào nội dung, kiểu hay cấu trúc số liệu thành các gói có kích thước phù hợp và truyền chúng trên một kênh chia sẻ. Việc nhóm các số liệu cần truyền được thực hiện bằng ghép kênh thống kê với ấn định tài nguyên động. Các công nghệ sử dụng cho chuyển mạch gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc IP. Hình 1.5. cho thấy cấu trúc của CS và PS. 6
Hình 1.5. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS). Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service) là dịch vụ trong đó mỗi đầu cuối được cấp phát một kênh riêng và nó toàn quyển sử dụng tài nguyên của kênh này trong thời gian cuộc gọi tuy nhiên phải trả tiền cho toàn bộ thời gian này dù có truyền tin hay không. Dịch vụ chuyển mạch kênh có thể được thực hiện trên chuyển mạch kênh (CS) hoặc chuyển mạch gói (PS). Thông thường dịch vụ này được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (thoại). Dịch vụ chuyển mạch gói (PS Service) là dịch vụ trong đó nhiều đầu cuối cùng chia sẻ một kênh và mỗi đầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này khi có thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lượng tin được truyền trên kênh. Dịch vụ chuyển mạch gói chỉ có thể được thực hiện trên chuyển mạch gói (PS). Dịch vụ này rất rất phù hợp cho các dịch vụ phi thời gian thực (truyền số liệu), tuy nhiên nhờ sự phát triển của công nghệ dịch vụ này cũng được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực (VoIP). Chuyển mạch gói có thể thực hiện trên cơ sở ATM hoặc IP. ATM (Asynchronous Transfer Mode: chế độ truyền dị bộ) là công nghệ thực hiện phân chia thông tin cần phát thành các tế bào 53 byte để truyền dẫn và chuyển mạch. Một tế bào ATM gồm 5 byte tiêu đề (có chứa thông tin định tuyến) và 48 byte tải tin (chứa số liệu của người sử dụng). Thiết bị chuyển mạch ATM cho phép chuyển mạch nhanh trên cơ sở chuyển mạch phần cứng tham chuẩn theo thông tin định tuyến tiêu đề mà không thực hiện phát hiện lỗi trong từng tế bào. Thông tin định tuyến trong tiêu đề gồm: đường dẫn ảo (VP) và kênh ảo (VC). Điều khiển kết nối bằng VC (tương ứng với kênh của người sử dụng) và VP (là một bó các VC) cho phép khai thác và quản lý có khả năng mở rộng và có độ linh hoạt cao. Thông thường VP được thiết lập trên cơ sở số liệu của hệ thống tại thời điểm xây dựng mạng. Việc sử dụng ATM trong mạng lõi cho ta nhiều cái lợi: có thể quản lý lưu lượng kết hợp với RAN, cho phép thực hiện các chức năng CS và PS trong cùng một kiến trúc và thực hiện khai thác cũng như điều khiển chất lượng liên kết. 7
Chuyển mạch hay Router IP (Internet Protocol) cũng là một công nghệ thực hiện phân chia thông tin phát thành các gói được gọi là tải tin (Payload). Sau đó mỗi gói được gán một tiêu đề chứa các thông tin địa chỉ cần thiết cho chuyển mạch. Trong thông tin di động do vị trí của đầu cuối di động thay đổi nên cần phải có thêm tiêu đề bổ sung để định tuyến theo vị trí hiện thời của máy di động. Quá trình định tuyến này được gọi là truyền đường hầm (Tunnel). Có hai cơ chế để thực hiện điều này: MIP (Mobile IP: IP di động) và GTP (GPRS Tunnel Protocol: giao thức đường hầm GPRS). Tunnel là một đường truyền mà tại đầu vào của nó gói IP được đóng bao vào một tiêu đề mang địa chỉ nơi nhận (trong trường hợp này là địa chỉ hiện thời của máy di động) và tại đầu ra gói IP được tháo bao bằng cách loại bỏ tiêu đề bọc ngoài (hình 1.6). Hình 1.6. Đóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền tunnel Hình 1.7 cho thấy quá trình định tuyến tunnel (chuyển mạch tunnel) trong hệ thống 3G UMTS từ tổng đài gói cổng (GGSN) cho một máy di động (UE) khi nó chuyển từ vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt (SGSN1) này sang một vùng phục vụ của một tổng đài gói nội hạt khác (SGSN2) thông qua giao thức GTP. Hình 1.7. Thiết lập kết nối tunnel trong chuyển mạch tunnel Vì 3G WCDMA UMTS được phát triển từ những năm 1999 khi mà ATM là công nghệ chuyển mạch gói còn ngự trị nên các tiêu chuẩn cũng được xây dựng trên công nghệ này. Tuy nhiên hiện nay và tương lai mạng viễn thông sẽ được xây dựng trên cơ sở internet vì thế các chuyển mạch gói sẽ là chuyển mạch hoặc router IP. 8
1.5. CÁC LOẠI LƯU LƯỢNG VÀ DỊCH VỤ ĐƯỢC 3GWCDMA UMTS HỖ TRỢ Vì TTDĐ 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh. Ngoài ra TTDĐ 3G cũng được sử dụng cho các dịch vụ tiếng. Nói chung TTDĐ 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông đa phương tiện. Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ. QoS ở W-CDMA được phân loại như sau: Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (thoại chẳng hạn). Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ (phân phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming) Loại tương tác (Interactive, nrt): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỷ lệ lỗi thấp (trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn). Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được thực hiện trên nền cơ sở (e-mail, tải xuống file: Video Download) Môi trường hoạt động của 3WCDMA UMTS được chia thành bốn vùng với các tốc độ bit Rb phục vụ như sau: Vùng 1: trong nhà, ô pico, Rb 2Mbps Vùng 2: thành phố, ô micro, Rb 384 kbps Vùng 2: ngoại ô, ô macro, Rb 144 kbps Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 12,2 kbps Có thể tổng kết các dịch vụ do 3GWCDMA UMTS cung cấp ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ ở 3GWDCMA UMTS Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết Dịch vụ di Dịch vụ di động Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động dịch động vụ Dịch vụ thông tin - Theo dõi di động/ theo dõi di động thông định vị minh Dịch vụ âm thanh - Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64 kbps) - Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps) - Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps) Dịch vụ Dịch vụ số liệu - Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144 viễn thông kbps) - Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao (144 kbps- 2Mbps) - Dịch vụ số liệu tốc độ cao ( 2Mbps) 9
Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết Dịch vụ đa - Dịch vụ Video (384 kbps) phương tiện - Dịch vụ hình chuyển động (384kbps- 2 Mbps) - Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực ( 2 Mbps) Dịch vụ Internet Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps-2Mbps) đơn giản Dịch vụ Dịch vụ Internet Dịch vụ Internet (384 kbps-2Mbps) Internet thời gian thực Dịch vụ internet Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực đa phương tiện ( 2Mbps) 3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5. Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói). Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh. Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP. Dưới đây ta xét ba kiến trúc 3G WCDMA UMTS nói trên. 1.6. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R3 WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet. UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí. Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.8). UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module). UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó. Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi trường nhà). HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị). 10
Hình 1.8. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 1.6.1. Thiết bị người sử dụng (UE) UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng. Có thể nói đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng. Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS. Điều này đạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các card thông minh. 1.6.1.1. Các đầu cuối (TE) Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó được chuyển thành đầu cuối. Các nhà sản xuất chính đã đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trên các khái niệm mới, nhưng trong thực tế chỉ một số ít là được đưa vào sản xuất. Mặc dù các đầu cuối dự kiến khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ít phím hơn so với 2G. Lý do chính là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di động, modem và máy tính bàn tay. Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện. Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến (giao diện WCDMA). Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS. Giao diện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối. Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh. Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng các đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theo cùng một cách. Các tiêu chuẩn này gồm: Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình) Đăng ký mật khẩu mới Thay đổi mã PIN Giải chặn PIN/PIN2 (PUK) 11
Trình bầy IMEI Điều khiển cuộc gọi Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng sẽ chọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) là thiết kế và giao diện. Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cung cấp (màn hình nút chạm), các phím và menu. 1.6.1.2. UICC UMTS IC card là một card thông minh. Điều mà ta quan tâm đến nó là dung lượng nhớ và tốc độ bộ xử lý do nó cung cấp. Ứng dụng USIM chạy trên UICC. 1.6.1.3. USIM Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng trên card. Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC. Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh). Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng. USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS. Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao. Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký. 1.6.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN. Nó gồm các phần tử đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng. UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng. Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B. 1.6.2.1. RNC RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC). 12
Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn. Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC. Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9. RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào. Người sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC). Khi người sử dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN. Vai trò logic của SRNC và DRNC được mô tả trên hình 1.9. Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur. Chỉ một trong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur. Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC). Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó. Hình 1.9. Vai trò logic của SRNC và DRNC 1.6.2.2. Nút B Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòng trong". Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối. 1.6.3. Mạng lõi Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE. Miền PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác và miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM. Các nút B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP. Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP. 13
1.6.3.1. SGSN SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao. Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao. Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm: IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế) Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói) Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói) Số liệu vị trí lưu trên SGSN: Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area) Số VLR Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực 1.6.3.2. GGSN GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng) là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí. Số liệu thuê bao lưu trong GGSN: IMSI Các địa chỉ PDP Số liệu vị trí lưu trong GGSN: Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến GGSN nối đến Internet thông qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp. 1.6.3.3. BG BG (Border Gatway: Cổng biên giới) là một cổng giữa miền PS của PLMN với các mạng khác. Chức năng của nút này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài. 14
1.6.3.4. VLR VLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao của HLR cho mạng phục vụ (SN: Serving Network). Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây. Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng. Số liệu sau đây được lưu trong VLR: IMSI MSISDN TMSI (nếu có) LA hiện thời của thuê bao MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp. Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế được gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC. 1.6.3.5. MSC MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình. Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khả năng hơn. Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và MSC. Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC. 1.6.3.6. GMSC GMSC có thể là một trong số các MSC. GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS. Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS. 1.6.3.7. Môi trường nhà Môi trường nhà (HE: Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác. Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp. Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm đều được liệt kê ở đây. 15
Bộ ghi định vị thường trú (HLR) HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động. Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng. Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuê bao có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói). Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy nhập đến các thông tin được lưu khác. Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê bao. Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng. HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùng một nút vật lý. HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao. Như: thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi. Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện VLR và SGSN nào đang phụ trách người sử dụng. Trung tâm nhận thực (AuC) AUC (Authentication Center) lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý. Tuy nhiên cần đảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV: Authetication Vector) cho HLR. AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạo khóa từ f0 đến f5. Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ. Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR) EIR (Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity). Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối. Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: danh mục trắng, xám và đen. Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập mạng. Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng. Khi một đầu cuối được thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen vì thế nó bị cấm truy nhập mạng. Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấm các seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn. 1.6.4. Các mạng ngoài Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cần thiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác. Các mạng ngoài có thể là các 16
mạng điện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di động mặt đất công cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet. Miền PS kết nối đến các mạng số liệu còn miền CS nối đến các mạng điện thoại. 1.6.5. Các giao diện Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diện khác nhau. Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản xuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ.  Giao diện Cu. Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE  Giao diện Uu. Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong UMTS. Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối.  Giao diện Iu. Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nó gồm hai phần, IuPS cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN có thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập CN.  Giao diện Iur. Đây là giao diện RNC-RNC. Ban đầu được thiết kế để đảm bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới được bổ sung. Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau: 1. Di động giữa các RNC 2. Lưu thông kênh riêng 3. Lưu thông kênh chung 4. Quản lý tài nguyên toàn cục  Giao diện Iub. Giao diện Iub nối nút B và RNC. Khác với GSM đây là giao diện mở. 1.7. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4 Hình 1.10 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4. Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào. Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server. 17
Hình 1.10. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MSC Server. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW. Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói. Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP). Từ hình 1.10 ta thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP. Cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP. Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ có một cổng các phương tiện khác (MGW) được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server). MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này. Để thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vô tuyến được truyền tại tốc độ 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN. Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau. Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248. Giao thức này được ITU và IETF cộng tác phát triển. Nó có tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO: Media Gateway Control). Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ. 3GPP đề nghị sử dụng (không bắt buộc) giao thức Điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) được xây dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU. 18
Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server. Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể đầu tư. Để làm thí dụ ta xét trường hợp khi một RNC được đặt tại thành phố A và được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B. Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt. Nếu không có cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi có MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố A. Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được điều khiển tại MSC Server ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng. Từ hình 1.10 ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: Home Subscriber Server). HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Ngoài ra còn có các giao diện (không có trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS. Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM. Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện. Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này được thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW). Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn). Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP. Bộ giao thức này được gọi là Sigtran. 1.8. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 và R6 Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện IP (hình 1.11). Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi. Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng. Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu. 19
Hình 1.11. Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6 Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP. Từ hình 1.11 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MGW riêng. Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway). Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được tăng cường rất nhiều. Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác nhân của người sử dụng SIP. Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều. CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến và từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và định tuyến. CSCF hoạt động như một đại diện Server /hộ tịch viên. SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS và UMTS R3 và R4. Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn). Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng. 20
Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị . Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN. T-SGW hỗ trợ các giao thức Sigtran. Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút đảm bảo tương tác báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn. Trong nhiều trường hợp T- SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng. MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương tiện. MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 có chức năng giống như ở R4. MGW được điều khiển bởi Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF). Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248. MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP. Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miền chuyển mạch kênh trong R3 và R4. Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các phiên bản R3 và R4 sang R5. Một số các cuộc gọi thoại có thể vẫn sử dụng miền CS một số các dịch vụ khác chẳng hạn video có thể được thực hiện qua R5 IMS. Cấu hình lai ghép được thể hiện trên hình 1.12. Hình 1.12. Chuyển đổi dần từ R4 sang R5 1.9. CHIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS Trong phần này ta sẽ xét chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS của hãng Alcatel. Alcatel dự kiến phát triển RAN từ GSM lên 3G UMTS theo ba phát hành: 3GR1, 3GR2 và 3GR3. Với mỗi phát hành, các sản phẩm mới và các tính năng mới được đưa ra. 1.9.1. 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các đặc tả kỹ thuật vào tháng 6 năm 2000. Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA-FDD và sẽ 21
được triển khai chồng lấn lên GSM. Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS phát hành 3GR1 được chia thành ba giai đoạn được ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3 (R: Release: phát hành). Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năng mới được đưa ra. Các nút B được gọi là MBS (Multistandard Base Station: trạm gốc đa tiêu chuẩn). Tuy nhiên MBS V1 chỉ đơn thuần là nút B, chỉ MBS V2 mới thực sự đa tiêu chuẩn và chứa các chức năng của cả nút B và BTS trong cùng một hộp máy. Tương tự RNC V2 và OMC-R V2 được đưa ra để phục vụ cho cả UMTS và GSM. Hình 1.13 cho thấy kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS được phát triển trong giai đoạn triển khai UMTS ban đầu (3GR1.1). Hình 1.13. Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1) 1.9.2. 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM Trong giai đoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp đầu tiên giữa hai mạng sẽ được thực hiện bằng cách đưa ra các thiết bị đa tiêu chuẩn như: Nút B kết hợp BTS (MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2). Các chức năng khai thác và bảo dưỡng mạng vô tuyến cũng có thể được thực hiện chung bởi cùng một OMC-R (V2). Hình 1.14 mô tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai. 22
Hình 1.14. Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1). 1.9.3. 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất Trong kiến trúc RAN của phát hành này được xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP. Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống UMTS và GSM. Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ. Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP. GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng. Kiến trúc RAN của 3GR1.3 được thể hiện trên hình 1.15. Hình 1.15. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1 23
1.10. CẤU HÌNH ĐỊA LÝ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải được tổ chức theo một cấu trúc địa lý nhất định để mạng có thể theo dõi được vị trí của thuê bao. 1.10.1. Phân chia theo vùng mạng Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào đó phải được thực hiện thông qua tổng đài cổng. Các vùng mạng di động 3G được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC hoặc GGSN. Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến đến GMSC hoặc GGSN. Tổng đài này làm việc như một tổng đài trung kế vào cho mạng 3G. Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di động. GMSC/GGSN cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngoài đến nơi nhận cuối cùng: các trạm di động bị gọi. 1.10.2. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN Một mạng thông tin di động được phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 1.16a). hay SGSN (1.16b) Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR hay SGSN. Hình 1.16. Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động cần gọi. Ở mỗi vùng phục vụ MSC/VLR thông tin về thuê bao được ghi lại tạm thời ở VLR. Thông tin này bao gồm hai loại: Thông tin về đăng ký và các dịch vụ của thuê bao. Thông tin về vị trí của thuê bao (thuê bao đang ở vùng định vị hoặc vùng định tuyến nào). 1.10.3. Phân chia theo vùng định vị và vùng định tuyến Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị: LA (Location Area) (hình 1.17a). Mỗi vùng phục vụ của SGSN được chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area) (1.17b). 24
Hình 1.17. Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng định vị (LA: Location Area) và định tuyến (RA: Routing Area) Vùng định vị (hay vùng định tuyến là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR (hay SGSN) mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do và không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR (hay SGSN) quản lý vị trí này. Có thể nói vùng định vị (hay vùng định tuyến) là vị trí cụ thể nhất của trạm di động mà mạng cần biết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nó. Ở vùng định vị này thông báo tìm sẽ được phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị (LAI: Location Area Identity) hay nhận dạng vùng định tuyến (RAI Routing Area Identity). Vùng định vị (hay vùng định tuyến) có thể bao gồm một số ô và thuộc một hay nhiều RNC, nhưng chỉ thuộc một MSC (hay một SGSN). 1.10.4. Phân chia theo ô Vùng định vị hay vùng định tuyến được chia thành một số ô (hình 1.18). Hình 1.18. Phân chia LA và RA Ô là một vùng phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI: Cell Global Identity). Trạm di động nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC: 25
Base Station Identity Code). Vùng phủ của các ô thường được mô phỏng bằng hình lục giác để tiện cho việc tính toán thiết kế. 1.10.5. Mẫu ô Mẫu ô có hai kiểu: vô hướng ngang (omnidirectional) và phân đoạn (sectorized). Các mẫu này được cho trên hình 1.19. Hình 1.19. Các kiểu mẫu ô Ô vô hướng ngang (hình 1.19a) nhận được từ phát xạ của một anten có búp sóng tròn trong mặt ngang (mặt phẳng song song với mặt đất) và búp sóng có hướng chúc xuống mặt đất trong mặt đứng (mặt phẳng vuông góc với mặt đất). Ô phân đoạn (hình 1.19b) là ô nhận được từ phát xạ của ba anten với hướng phát xạ cực đại lệch nhau 1200. Các anten này có búp sóng dạng nửa số 8 trong mặt ngang và trong mặt đứng búp sóng của chúng chúc xuống mặt đất. Trong một số trường hợp ô phân đoạn có thể được tạo ra từ phát xạ của nhiều hơn ba anten. Trong thực tế mẫu ô có thể rất đa dạng tùy vào địa hình cần phủ sóng. Tuy nhiên các mẫu ô như trên hình 1.19 thường được sử dụng để thiết kế cho sơ đồ phủ sóng chuẩn. 1.10.6. Tổng kết phân chia vùng địa lý trong các hệ thống thông tin di động 3G Trong các kiến trúc mạng bao gồm cả miền chuyển mạch kênh và miền chuyển mạch gói, vùng phục mạng không chỉ được phân chia thành các vùng định vị (LA) mà còn được phân chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area). Các vùng định vị (LA: Location Area) là khái niệm quản lý di động của miền CS kế thừa từ mạng GSM. Các vùng định tuyến (RA: Routing Area) là các thực thể của miền PS. Mạng lõi PS sử dụng RA để tìm gọi. Nhận dạng thuê bao P-TMSI (Packet- Temporary Mobile Subsscriber Identity: nhận dạng thuê bao di động gói tạm thời) là duy nhất trong một RA. Trong mạng truy nhập vô tuyến, RA lại được chia tiếp thành các vùng đăng ký UTRAN (URA: UTRAN Registration Area). Tìm gọi khởi xướng UTRAN sử dụng URA khi kênh báo hiệu đầu cuối đã được thiết lập. URA không thể nhìn thấy được ở bên ngoài UTRAN. 26
Quan hệ giữa các vùng được phân cấp như cho ở hình 1.20 (ô không được thể hiện). LA thuộc 3G MSC và RA thuộc 3G SGSN. URA thuộc RNC. Theo dõi vị trí theo URA và ô trong UTRAN được thực hiện khi có kết nối RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) cho kênh báo hiệu đầu cuối. Nếu không có kết nối RRC, 3G SGSN thực hiện tìm gọi và cập nhật thông tin vị trí được thực hiện theo RA. Hình 1.20. Các khái niệm phân chia vùng địa lý trong 3G WCDMA UMTS. 1.11. TỔNG KẾT Chương này trước hết xét tổng quan quá trình phát triển thông tin di động lên 4G. Nếu công nghệ đa truy nhập cho 3G là CDMA thì công nghệ đa truy nhập cho 4G là OFDMA. Sau đó kiến trúc mạng 3G được xét. Mạng lõi 3G bao gồm hai vùng chuyển mạch: (1) vùng chuyển mạch các dịch vụ CS và (2) vùng chuyển mạch các dịch vụ PS. Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS được xét: R3, R4, R5 và R6. R3 bao gồm hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong đó kết nối giữa các nút chuyển mạch gọi là TDM (ghép kênh theo thời gian). R4 là sự phát triển của R3 trong đó miền chuyển mạch kênh chuyển thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng bằng IP. R5 và R6 hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện IP hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói. Để đáp ứng được nhiệm vụ này ngoài miền chuyển mạch gói, mạng được bổ sung thêm phân hệ đa phương tiên IP (IMS). Cốt lõi của IMS là CSCF thực hiện khởi đầu kết nối đa phương tiện IP dựa trên giao thức khởi đầu phiên (SIP Session Initiation Protocol). Ngoài ra IMS vẫn còn chứa chuyển mạch mềm để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch kênh (MGCF). Hiện nay mạng 3GWCDMA UMTS đang ở giai doạn chuyển dần từ R4 sang R5 (hình 1.12). Cuối chương trình bày cấu trúc địa lý của một mạng thông tin di đông 3G có chứa cả vùng chuyển mạch kênh và vùng chuyển mạch gói. 27
Chương 2 CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1. Mục đích chương Hiểu tổng quan trải phổ và phương pháp đa truy nhập của WCDMA Hiểu điều khiển công suất, chuyển giao mềm và máy thu phân tập đa đường (RAKE) Hiểu các dạng mã trải phổ và các sơ đồ điều chế của WCDMA 2.1.2. Các chủ đề được trình bầy trong chương Nguyên lý trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã Điều khiển công suất Chuyển giao Máy thu phân tập đa đường (máy thu RAKE) Các dạng mã trải phổ và các sơ đồ điều chết được sử dụng cho WCDMA 2.1.3. Hướng dẫn Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương Tham khảo thêm các tài liệu tham khảo cuối tài liệu giảng dạy của khóa học 2.2. TRẢI PHỔ VÀ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ 2.2.1. 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. Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả. Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ. 28
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 (R b=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát. Hình 2.1 minh họa quá trình trải phổ trong đó T b=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 R c để được luồng đầu ra y có tốc độ R c lớn hơn nhiều so với tốc độ R b của luồng vào. Các hình 2.1b và 2.1b 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; Tb là thời gian một bit của luồng số cần phát, Rb=1/Tb là tốc độ bit của luồng số cần truyền; Tc là thời gian một chip của mã trải phổ, Rc=1/Tc là tốc độ chip của mã trải phổ. Rc=15Rb và Tb=15Tc. Hình 2.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 29
2.2.2. Áp dụng DSSS cho CDMA Trong công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã dựa trên CDMA, một tập mã trực giao được sử dụng và mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ riêng. Các mã trải phổ này phải đảm bảo điều kiện trực giao sau đây: 1. Tích hai mã giống nhau bằng 1: ci ci=1 2. Tích hai mã khác nhau sẽ là một mã mới trong tập mã: ci cj=ck 1 N 3. Có số bit 1 bằng số bit -1 trong một mã Ck 0 , trong đó N là số chip và N k 1 Ck là giá trị chip k trong một mã Bảng 2.1. cho thấy thí dụ sử dụng bộ mã gồm tám mã trực giao: c0, c1, , c7. Bảng 2.2 và 2.3 cho thấy thí dụ khi nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được 1 và nhân hai mã khác nhau trong bảng 2.1 ta được một mã mới Bảng 2.1. Thí dụ bộ tám mã trực giao c0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 c2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 c3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 c4 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 c5 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 c6 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 c7 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 Bảng 2.2. Thí dụ nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được một c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 c1 c1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 Bảng 2.3. Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập 8 mã c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 c3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 = c2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 30
Nếu ta xét một hệ thống gồm K người sử dụng được xây dựng trên cơ sở CDMA, thì sau trải phổ các người sử dụng này sẽ phát vào không gian tập các tín hiệu y như sau: K K y  yi ci xi (2.1) i 1 i 1 Ta xét quá trình xử lý tín hiệu này tại một máy thu k. Nhiệm vụ của máy thu này là phải lấy ra xk và loại bỏ các tín hiệu khác (các tín hiệu này được gọi là nhiễu đồng kênh vì trong hệ thống CDMA chúng được phát trên cùng một tần số với xk). Nhân (2.1) với xk và áp dụng quy tắc trực giao nói trên ta được: K  xk xk ci xi (2.2) i 1 i k Thành phần thứ nhất trong (2.2) chính là tín hiệu hữu ích còn thành phần thứ hai là nhiễu của các người sử dụng còn là nhiễu của các người sử dụng khác được gọi là MAI (Multiple Access Interferrence: nhiễu đa người sử dụng). Để loại bỏ thành phần thứ hai máy thu sử dụng bộ lọc tương quan trọng miền thời gian kết hợp với bộ lọc tần số trong miền tần số. Hình 2.2 xét quá trình giải trải phổ và lọc ra tín hiệu hữu ích tại máy thu k trong một hệ thống CDMA có K người sử dụng với giả thiết công suất phát từ K máy phát như nhau tại đầu vào máy thu k. Hình 2.2a cho thấy sơ đồ giải trải phổ DSSS. Hình 2.2b cho thấy phổ của tín hiệu tổng được phát đi từ K máy phát sau trải phổ, hình 2.2c cho thấy phổ của tín hiệu này sau giải trải phổ tại máy thu k và hình 2.2d cho thấy phổ của tín hiệu sau bộ lọc thông thấp với băng thông băng Rb. Hình 2.2. Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu. 31
Từ hình 2.2 ta thấy tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio) là tỷ số giữa diện tích hình chữ nhật được tô đậm trên hình 2.2.b và tổng diện tích các hình chữ nhật trắng trên hình 2.2.c: SIR=S 1/S2. Tỷ số này tỷ lệ với tỷ số R c/Rb. vì thế tỷ số Rc/Rb được gọi là độ lợi xử lý (TA: Processing Gain). 2.3. 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. 2.4. 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:  HO nội hệ thống xẩy ra bên trong một hệ thống WCDMA. Có thể chia nhỏ HO này thành o HO nội hệ thống giữa các ô thuộc cùng môt tần số sóng mang WCDMA o HO giữa các tần số (IF-HO) giữa các ô hoạt động trên các tần số WCDMA khác nhau  HO giữa các hệ thống (IS-HO) giữa các ô thuộc hai công nghệ truy nhập vô tuyến (RAT) khác nhau hay các chế độ truy nhập vô tuyến (RAM) khác nhau. Trường 32
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:  Chuyển giao cứng (HHO) là các thủ tục HO trong đó tất cả các đường truyền vô tuyến cũ của một UE được giải phóng trước khi thiết lập các đường truyền vô tuyến mới  Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn (xem hình 2.3) là các thủ tục trong 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 cùng một RNC (SHO nội RNC) hay thuộc các RNC khác nhau (SHO giữa các RNC). 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:  Tập tích cực bao gồm các ô (đoạn ô) hiện đang tham gia vào một kết nối SHO của 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 được phát hiện. Tập này bao gồm các ô được UE phát hiện nhưng không thuộc 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 33
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). 2.5. 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). 34
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 T c. 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). 2.6. 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 35
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 (HS-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. 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 C ch,8,4=+1-1+1-1+1-1+1-1, không được sử dụng mã C ch,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 36
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. 2.7. TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG LÊN 2.7.1. 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 C c=Cch,256,0, trong đó k=0. Nếu chỉ một kênh DPDCH được phát trên đường lên, thì DPDCH 1 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 DPDCH n được trải phổ bởi mã C d,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  c cho DPCCH và  d 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  c và d 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 37
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 90 0. 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  giữa DPDCH và DPCCH. Hình 2.9. Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dung ngẫu nhiên hóa phức,  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 2 24 mã ngẫu nhiên hóa dài đường lên và 2 24 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. 38
2.7.2. 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. 2.8. TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG XUỐNG 2.8.1. 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 C ch,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 G p 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. 39
Hình 2.11. Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống 2.8.2. 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. 2.8.3. 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 S dl,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). 40
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 2.8.4. 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 41
2.9. TỔNG KẾT Các hệ thống CDMA được xây dựng trên cơ sở trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Việc sử dụng trải phổ cùng với các mã trực giao cho phép nhiều đầu cuối di động có thể dùng chung một tần số. Khi này tính trực giao của các mã và trải phổ cho phép một máy thu đầu cuối có thể dễ dàng tách ra được tín hiệu của mình. Do sử dụng chung một tần số nên có thể áp dụng chuyển giao mềm cho CDMA. Trong chuyển giao mềm một máy di động có thể kết nối đến nhiều trạm gốc trên cùng một tần số nhưng với mã trải phổ khác nhau. Ưu điểm của chuyển giao mềm là không làm mất cuộc gọi trong quá trình chuyển giao mặc dù nó làm giảm phần nào dụng lượng ô và tăng thêm tính phức tạp hệ thống. Nhưng cũng vì sử dụng chung một tần số nên có thể xẩy ra hiện tượng gần xa, trong đó máy di động gần trạm gốc sẽ gây nhiễu cho các người sử dụng khác. Để khắc phục nhược điểm này phải áp dụng điều khiển công suất nhanh cho CDMA trong đó mày di động gần trạm gốc sẽ được điều chình phát công suất thấp hơn máy di động ở xa trạm gốc. Điều khiển công suất nhanh trong WCDMA được thực hiện 1500 lần trong một giây. Một đặc điểm nữa của CDMA là các mã ngẫu nhiên hóa mang tính trực giao khá cao nên các đường truyền đến máy thu có độ trễ khác nhau thời gian chip hoặc lớn hơn thời gian này đều độc lập với nhau và vì thế có thể sử dụng phân tập đa đường (hay máy thu RAKE) trong CDMA. Nguyên tắc của máy thu RAKE là chọn một số đường (một số ngón) có công suất thu lớn hơn ngưỡng, đồng chỉnh pha các đường này rồi cộng công suất thu của chúng với nhau. WCDMA sử dụng hai tầng trải phổ: (1) trải phổ bằng mã định kênh, (2) trải phổ bằng mã nhận dạng nguồn phát. Mã định kênh được xây dựng trên cơ sở mã hệ số trải phổ trực giao khả biến (OVSF), trong đó hệ số trải phổ SF=R s/Rc với Rs là tốc độ ký hiệu và R c là tốc độ chip. Mã ngẫu nhiên hóa được cấu trúc từ mã Gold. WCDMA sử dụng điều chế QPSK cho đường xuống và BPSK cho đường lên. Để giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu điều chế, ngẫu nhiên hóa phức được sử dụng. 42
Chương 3 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG 3.1.1. Mục đích chương Hiểu tổng quan về WCDMA/FDD Hiểu kiến trúc WCDMA và các kênh của nó Hiểu được các kỹ thuật phân tập phát trong WCDMA 3.1.2. Các chủ đề được trình bầy trong chương Kiến trúc giao diện vô tuyến của 3G WCDMA/FDD Các thông số lớp vật lý và quy hoạch tần số của WCDMA/FDD Các kiểu kênh của WCDMA/FDD Sơ đồ tổng quát của một thiết bị thu phát WCDMA Các sơ đồ phân tập phát được sử dụng cho WCDMA Các sơ đồ điều chế và chuyển giao trong WCDMA Các thông số quan trọng máy thu và máy phát vô tuyên của UE Mã hóa tiếng AMR 3.1.3. Hướng dẫn Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương Tham khảo thêm các tài liệu tham khảo cuối tài liệu giảng dạy của khóa học 3.2. MỞ ĐẦU 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). Hiện nay mới chỉ có WCDMA/FDD được triển khai vì thế trong khóa học này ta sẽ chỉ xét WCDMA/FDD 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 43
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 các thông tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh truyền tải. Nhiều kênh truyền tải được ghép chúng vào kênh vật lý. Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập CDMA kết hợp với FDMA/FDD. Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và một mã trải phổ. Ngoài ra kênh vật lý đường lên còn được đặc trưng bởi góc pha. Trong phần dưới đây ta trước hết ta xét kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến sau đó ta sẽ xét giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD, sau đó sẽ xét các kênh này. 3.3. KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC CỦA GIAO DIỆN VÔ TUYẾN WCDMA/FDD Kiến trúc giao diện vô tuyến của WCDMA được cho trên hình 3.1. 44
UP: Mặt phẳng người sử dụng CP: Mặt phẳng điều khiển Hình 3.1. Kiến trúc giao thức vô tuyến cho UTRA FDD. Ngăn xếp giao thức của giao diện vô tuyến bao gồm 3 lớp giao thức: Lớp vật lý (L1). Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến như điều chế và mã hóa, trải phổ v.v Lớp liên kết nối số liệu (L2). Lập khuôn số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp Lớp mạng (L3). Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến Mỗi khối thể hiện một trường hợp của giao thức tương ứng. Đường không liền nét thể hiện các giao diện điều khiển, qua đó giao thức RRC điều khiển và lập cấu hình các lớp dưới. Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) và RLC (Radio link Control: điều khiển liên kết), PDCP (Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC (Broadcast/Multicast Control: Điều khiển quảng bá/đa phương ). Lớp 3 và RLC được chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C-Plane) và mặt phẳng người sử dụng (U-Plane). PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U. Trong mặt phẳng C lớp 3 bao gồm RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) kết cuối tại RAN và các lớp con cao hơn: MM (Mobility Management) và CC (Connection Management), GMM (GPRS Mobility Management), SM (Session Management) kết cuối tại mạng lõi (CN). Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến. Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. Mỗi kênh vật lý ở lớp này được xác định bằng một tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên hoá (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên). Các kênh được sử dụng vật lý để truyền thông tin của các lớp cao trên giao diện vô tuyến, tuy nhiên cũng có một số kênh vật lý chỉ được dành cho hoạt động của lớp vật lý. 45
Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải chuyển các thông tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic. MAC sắp xếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý. 3.4. CÁC THÔNG SỐ LỚP VẬT LÝ VÀ QUY HOẠCH TẦN SỐ 3.4.1. Các thông số lớp vật lý Các thông số lớp vật lý của WCDMA được cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Các thông số lớp vật lý W-CDMA W-CDMA Sơ đồ đa truy nhập DS-CDMA băng rộng Độ rộng băng tần (MHz) 5/10/15/20 Mành phổ 200 kHz Tốc độ chip (Mcps) (1,28)/3,84/7,68/11,52/15,36 Độ dài khung 10 ms Đồng bộ giữa các nút B Dị bộ/đồng bộ Mã hóa sửa lỗi Mã turbo, mã xoắn Điều chế DL/UL QPSK/BPSK Trải phổ DL/UL QPSK/OCQPSK (HPSK) Bộ mã hóa thoại CS-ACELP/(AMR) Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP/ETSI/ARIB DL: Downlink: đường xuống; UL: Uplink: đường lên OCQPSK (HPSK): Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying (Hybrid PSK) = khóa chuyển pha vuông góc trực giao CS-ACELP: Conjugate Structure-Algebraic Code Excited Linear Prediction = Dự báo tuyến tính kích thích theo mã lđại số cấu trúc phức hợp 3GPP: Third Generation Parnership Project: Đề án của các đối tác thế hệ ba ETSI: European Telecommunications Standards Institute: Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ARIB: Association of Radio Industries and Business: Liên hiệp công nghiệp và kinh doanh vô tuyến 3.4.2. Quy hoạch tần số Các băng tần sử dụng cho WCDMA FDD trên toàn cầu được cho trên hình 3.2a. WCDMA sử dụng phân bố tần số quy định cho IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) (hình 3.2b) như sau. Ở châu Âu và hầu hết các nước châu Á băng tần IMT-2000 là 2 60 MHz (1920-1980 MHz cộng với 2110-2170 MHz) có thể sử dụng cho WCDMA/ FDD. Băng tần sử dụng cho TDD ở châu Âu thay đổi, băng tần được cấp theo giấy phép có thể là 25 MHz cho sử dụng TDD ở 1900- 1920 (TDD1) và 2020-2025 MHz (TDD2). Băng tần cho các ứng dụng TDD không 46
cần xin phép (SPA= Self Provided Application: ứng dụng tự cấp) có thể là 2010-2020 MHz. Các hệ thống FDD sử dụng các băng tần khác nhau cho đường lên và đường xuống với phân cách là khoảng cách song công, còn các hệ thống TDD sử dụng cùng tần số cho cả đường lên và đường xuống. UMTS quy định khai thác song công phân chia theo tần số là chế độ tiêu chuẩn cho thông tin thoại và số liệu. Hoạt động đồng thời và liên tục của các mạch điện phát và thu là các thay đổi đáng kể nhất so với họat động của GSM. Hình 3.2. Phân bố tần số cho WCDMA/FDD. a) Các băng có thể dùng cho WCDMA FDD toàn cầu; b) Băng tần IMT-2000. Băng tần cho họat động FDD cho các băng I, II và III được cho trên hình 3.3. Băng I (B1) là ấn định băng chính ở Châu Âu. Quy định dành hai cấp phát 60MHz với khoảng cách song công chuẩn 190MHz, tuy nhiên quy định cũng cho phép song công khả biến, trong đó khoảng cách phát thu nằm trong khoảng 130 đến 250MHz. Hệ thống song công khả biến đặt ra các yêu cầu bổ sung đối với thiết kế máy phát thu vì các bộ tổ tần số máy phát và máy thu phải hoạt động độc lập với nhau. Băng II (B2) tái sử dụng băng hiện có của hệ thống thông tin di động cá nhân và dự định để sử dụng ở Mỹ để đảm bảo đồng tồn tại UMTS và GSM. Khoảng cách song công chỉ bằng 80MHz đối với băng II vì thế đặt ra các yêu cầu khó khăn hơn đối với phần cứng của máy thu phát. 47
Hình 3.3 Cấp phát băng tần WCDMA/FDD Hình 3.4 cho thấy cấp phát băng thông theo đầu thầu tại Vương Quốc Anh. Phổ tần được chia cho năm nhà khai thác như sau:  Cấp phép A (Hutchison) nhận cấp phát băng kép 14,6 MHz (tương đương 3 5MHz với băng bảo vệ nhỏ hơn)  Cấp phép B Vodafon) nhận cấp phát băng kép 14,8MHz (tương đương 3 5MHz với băng bảo vệ nhỏ hơn)  Cấp phép C (BT3G) nhận cấp phát băng kép 10MHz (2 5MHz) và băng đơn 5MHz tại 1910 MHz  Cấp phép D (One2One) nhận cấp phát băng kép 10MHz (2 5MHz) và băng dơn 5MHz tại 1900MHz  Cấp phép E (Orange) nhận cấp phát băng kép (2 5MHz) và băng đơn 5MHz tại 1905MHz. Hình 3.4. Thí dụ cấp phát băng tần cho năm nhà khai thác tại Vương Quốc Anh Cấp phát tần số của Đức khác với cấp phát tần số ở Anh ở chỗ, các 10MHz băng kép được cấp phát cho sáu nhà khai thác (6 10MHz), tất cả bốn kênh TDD1 được cấp phát (1900 đến 1920 MHz) cùng với một trong số các kênh TDD2 (hình 3.5). 48
Hình 3.5. Cấp phát tần số cho sáu nhà khai thác tại Đức Tại Việt Nam băng tần 3G được cấp phát tần số theo tám khe tần số như cho trong bảng 3.2, trong đó hai hoặc nhiều nhà khai thác có thể cùng tham gia xin cấp phát chung một khe. Bảng 3.2. Cấp phát tần số 3G tại Việt Nam Khe tần số FDD TDD BSTx* BSRx BSTx/BSRx A 2110-2125 MHz 1920-1935 MHz 1915-1920 MHz B 2125-2140 MHz 1935-1950 MHz 1910-1915 MHz C 2140-2155 MHz 1950-1965 MHz 1905-1910 MHz D 2155-2170 MHz 1965-1980 MHz 1900-1905 MHz * BSTx: máy phát trạm gốc BSRx: máy thu trạm gốc Lý do cấp phát các kênh 5MHz khác nhau tại các nước khác nhau là ở chỗ các nhà khai thác phải quy hoạch mã và phải tránh việc sử dụng các mã gây ra nhiễu kênh lân cận trong cùng một nước hoặc các nhà khai thác khác trong nước liền kề. Vì thế cần phải nghiên cứu quan hệ giữa các tổ hợp mã trải phổ và hoạt động của các kênh lân cận. 3.5. CÁC KÊNH CỦA WCDMA Các kênh của WCDMA được chia thành các loại kênh sau đây: 49
 Kênh vật lý (PhCH). Kênh mang số liệu trên giao diện vô tuyến. Mỗi PhCH có một trải phổ mã định kênh duy nhất để phân biệt với kênh khác. Một người sử dụng tích cực có thể sử dụng các PhCH riêng, chung hoặc cả hai. Kênh riêng là kênh PhCH dành riêng cho một UE còn kênh chung được chia sẻ giữa các UE trong một ô.  Kênh truyền tải (TrCH). Kênh do lớp vật lý cung cấp cho lớp 2 để truyền số liệu. Các kênh TrCH được sắp xếp lên các PhCH  Kênh Logic (LoCH). Kênh được lớp con MAC của lớp 2 cung cấp cho lớp cao hơn. Kênh LoCH được xác định bởi kiểu thông tin mà nó truyền. 3.5.1. Các kênh logic, LoCH Nói chung các kênh logic (LoCH: Logical Channel) được chia thành hai nhóm: các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thông tin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH: Traffic Channel) để truyền thông tin của người sử dụng. Các kênh logic và ứng dụng của chúng được tổng kết trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Danh sách các kênh logic Nhóm kênh Kênh logic Ứng dụng BCCH (Broadcast Control Kênh đường xuống để phát quảng bá CCH (Control Channel: Kênh điều khiển thông tin hệ thống Channel: Kênh quảng bá) điều khiển) PCCH (Paging Control Kênh đường xuống để phát quảng bá Channel: Kênh điều khiển tìm thông tin tìm gọi gọi) CCCH (Common Control Kênh hai chiều để phát thông tin Channel: Kênh điều khiển điều khiển giữa mạng và các UE. chung) Được sử dụng khi không có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ô mới DCCH (Dedicated Control Kênh hai chiều điểm đến điểm để Channel: Kênh điều khiển phát thông tin điều khiển riêng giữa riêng). UE và mạng. Được thiết lập bởi thiết lập kết nối của RRC DTCH (Dedicated Traffic Kênh hai chiều điểm đến điểm riêng TCH (Traffic Channel: Kênh lưu lượng cho một UE để truyền thông tin của Channel: Kênh riêng) người sử dụng. DTCH có thể tồn tại lưu lượng) cả ở đường lên lẫn đường xuống CTCH (Common Traffic Kênh một chiều điểm đa điểm để Channel: Kênh lưu lượng truyền thông tin của một người sử chung) dụng cho tất cả hay một nhóm người sử dụng quy định hoặc chỉ cho một người sử dụng. Kênh này chỉ có ở đường xuống. 50
3.5.2. Các kênh truyền tải, TrCH Các kênh lôgic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải. Tồn tại hai kiểu kênh truyền tải: các kênh riêng và các kênh chung. Điểm khác nhau giữa chúng là: kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm các người sử dụng trong ô, còn kênh kênh riêng được ấn định riêng cho một người sử dụng duy nhất. Các kênh truyền tải chung bao gồm: BCH (Broadcast channel: Kênh quảng bá), FACH (Fast Access Channel: Kênh truy nhập nhanh), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), DSCH (Down Link Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống), CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung). Kênh riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng). Kênh truyền tải chung có thể được áp dụng cho tất cả các người sử dụng trong ô hoặc cho một người hoặc nhiều người đặc thù. Khi kênh truyền tải chung được sử dụng để phát thông tin cho tất cả các ngừơi sử dụng thì kênh này không cần có địa chỉ. Chẳng hạn kênh BCH để phát thông tin quảng bá cho tất cả các người sử dụng trong ô. Khi kênh truyền tải chung áp dụng cho một người sử dụng đặc thù, thì cần phát nhận dạng người sử dụng trong băng (trong bản tin sẽ được phát). Kênh PCH là kênh truyền tải chung được sử dụng để tìm gọi một UE đặc thù sẽ chứa thông tin nhận dạng người sử dụng bên trong bản tin phát. Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng dược cho ở bảng 3.3. Bảng 3.3. Danh sách các kênh truyền tải Kênh truyền tải ứng dụng DCH (Dedicated Kênh hai chiều được sử dụng để phát số liệu của người sử Channel: Kênh riêng) dụng. Được ấn định riêng cho người sử dụng. Có khả năng thay đổi tốc độ và điều khiển công suất nhanh BCH (Broadcast Kênh chung đường xuống để phát thông tin quảng bá (chẳng Channel: Kênh quảng hạn thông tin hệ thống, thông tin ô) bá) FACH (Forward Kênh chung đường xuống để phát thông tin điều khiển và số Access Channel: Kênh liệu của người sử dụng. Kênh chia sẻ chung cho nhiều UE. truy nhập đường Được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn xuống) PCH (Paging Channel: Kênh chung dường xuống để phát các tín hiệu tìm gọi Kênh tìm gọi) RACH (Random Kênh chung đường lên để phát thông tin điều khiển và số liệu Access Channel) người sử dụng. áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng để truyền số liệu thấp của người sử dụng CPCH (Common Kênh chung đường lên để phát số liệu người sử dụng. áp Packet Channel: Kênh dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng trước hết gói chung) để truyền số liệu cụm. DSCH (Dowlink Kênh chung đường xuống để phát số liệu gói. Chia sẻ cho Shared Channel: Kênh nhiều UE. Sử dụng trước hết cho truyền dẫn số liệu tốc độ chia sẻ đường xuống) cao. 51
Các kênh logic được chuyển thành các kênh truyền tải như cho trên hình 3.6. Hình 3.6. Chuyển đổi giữa các LoCH và TrCH trên đường lên và đường xuống 3.5.3. Các kênh vật lý Một kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cả pha tương đối (đối với đường lên). Kênh vật lý (Physical Channel) bao gồm các kênh vật lý riêng (DPCH: Dedicated Physical channel) và kênh vật lý chung (CPCH: Common Physical Channel). Các kênh vật lý được tổng kết ở hình 3.7 và bảng 3.4. Hình 3.7. Tổng kết các kiểu kênh vật lý 52
Bảng 3.4. Danh sách các kênh vật lý Tên kênh ứng dụng DPCH (Dedicated Physical Kênh hai chiều đường xuống/đường lên được ấn định Channel: Kênh vật lý riêng) riêng cho UE. Gồm DPDCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng). Trên đường xuống DPDCH và DPCCH được ghép theo thời gian với ngẫu nhiên hóa phức còn trên đường lên được ghép mã I/Q với ngẫu nhiên hóa phức DPDCH (Dedicated Khi sử dụng DPCH, mỗi UE được ấn định ít nhất một Physical Data Channel: DPDCH. Kênh được sử dụng để phát số liệu người sử Kênh vật lý số liệu riêng dụng từ lớp cao hơn DPCCH (Dedicated Khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ được ấn định một Physical Control Channel: DPCCH. Kênh được sử dụng để điều khiển lớp vật lý Kênh vật lý điều khiển của DPCH. DPCCH là kênh đi kèm với DPDCH chứa: riêng) các ký hiệu hoa tiêu, các ký hiệu điều khiển công suất (TPC: Transmission Power Control), chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải. Các ký hiệu hoa tiêu cho phép máy thu đánh giá hưởng ứng xung kim của kênh vô tuyến và thực hiện tách sóng nhất quán. Các ký hiệu này cũng cần cho hoạt động của anten thích ứng (hay anten thông minh) có búp sóng hẹp. TPC để điều khiển công suất vòng kín nhanh cho cả đường lên và đường xuống. TFCI thông tin cho máy thu về các thông số tức thời của các kênh truyền tải: các tốc độ số liệu hiện thời trên các kênh số liệu khi nhiều dịch vụ được sử dụng đồng thời. Ngoài ra TFCI có thể bị bỏ qua nếu tốc độ số liệu cố định. Kênh cũng chứa thông tin hồi tiếp hồi tiếp (FBI: Feeback Information) ở đường lên để đảm bảo vòng hồi tiếp cho phân tập phát và phân tập chọn lựa. PRACH (Physical Random Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh Access Channel: Kênh vật truyền tải RACH lý truy nhập ngẫu nhiên) PCPCH (Physical Common Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh Packet Channel: Kênh vật truyền tải CPCH lý gói chung) CPICH (Common Pilot Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh CPICH: P- Channel: Kênh hoa tiêu CPICH (Primary CPICH: CPICH sơ cấp) và S-CPICH chung) (Secondary CPICH: CPICH thứ cấp). P-CPICH đảm bảo tham chuẩn nhất quán cho toàn bộ ô để UE thu được SCH, P-CCPCH, AICH và PICH vì các kênh nay không có hoa tiêu riêng như ở các trường hợp kênh DPCH. Kênh S-CPICH đảm bảo tham khảo nhất quán 53
chung trong một phần ô hoặc đoạn ô cho trường hợp sử dụng anten thông minh có búp sóng hẹp. Chẳng hạn có thể sử dụng S-CPICH làm tham chuẩn cho S-CCPCH (kênh mang các bản tin tìm gọi) và các kênh DPCH đường xuống. P-CCPCH (Primary Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có một kênh để truyền Common Control Physical BCH Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp) S-CCPCH (Secondary Kênh chung đường xuống. Một ô có thể có một hay Common Control Physical nhiều S-CCPCH. Được sử dụng để truyền PCH và Channel: Kênh vật lý điều FACH khiển chung thứ cấp) SCH (Synchrronization Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh SCH: SCH Channel: Kênh đồng bộ) sơ cấp và SCH thứ cấp. Mỗi ô chỉ có một SCH sơ cấp và thứ cấp. Được sử dụng để tìm ô PDSCH (Physical Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có nhiều PDSCH Downlink Shared Channel: (hoặc không có). Được sử dụng để mang kênh truyền tải Kênh vật lý chia sẻ đường DSCH xuống) AICH (Acquisition Kênh chung đường xuống đi cặp với PRACH. Được sử Indication Channel: Kênh dụng để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên của PRACH. chỉ thị bắt) PICH (Page Indication Kênh chung đường xuống đi cặp với S-CCPCH (khi Channel: Kênh chỉ thị tìm kênh này mang PCH) để phát thông tin kết cuối cuộc gọi) gọi cho từng nhóm cuộc gọi kết cuối. Khi nhận được thông báo này, UE thuộc nhóm kết cuối cuộc gọi thứ n sẽ thu khung vô tuyến trên S-CCPCH AP-AICH (Access Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH để điều Preamble Acquisition khiển truy nhập ngẫu nhiên cho PCPCH Indicator Channel: Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập) CD/CA-ICH (CPCH Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH. Được sử Collision Detection/ dụng để điều khiển va chạm PCPCH Channel Assignment Indicator Channel: Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh) CSICH (CPCH Status Kênh chung đường xuống liên kết với AP-AICH để phát Indicator Channel: Kênh thông tin về trạng thái kết nối của PCPCH chỉ thị trạng thái CPCH) 54
Các các kênh truyền tải được chuyển thành các kênh vật lý như trên hình 3.8. Hình 3.8. Chuyển đổi giữa các kênh truyền tải và các kênh vật lý Hình 3.9 cho thấy việc ghép hai kênh truyền tải lên một kênh vật lý và cung cấp chỉ thị lỗi cho từng khối truyền tải tại phía thu. TFI= Transport Format Indicator: Chỉ thị khuôn dạng truyền tải TFCI= Transport Format Combination Indicator: Chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải Hình 3.9. Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý 55
3.5.4. Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói CPCH Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói CPCH được cho trên hình 3.10a và 3.10b. Hình 3.10. Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói Các trủ tục truy nhập ngẫu nhiên trên hình 3.10a như sau. UE khởi xướng thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH bằng cách phát đi một AP (tiền tố truy nhập). Nếu chấp nhận (OK), nút B phát AICH (chỉ thị phát hiện bắt) đến UE. Sau đó UE có thể phát bản tin trên kênh RACH (kênh truy nhập ngẫu nhiên). Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên CPCH như sau. Dựa trên thông tin khả dụng của từng kênh PCPCH do CSICH thông báo, UE khởi xướng thủ tục truy nhập CPCH trên kênh chưa sử dụng bằng cách phát đi một AP (tiền tố truy nhập). Nếu được nút B chấp nhận (OK) UE phát đi một CP (tiền tố phát hiện va chạm) để thông báo rằng nó đã chiếm kênh này. Cuối cùng nút B phát đi CD/CA-ICH (chỉ thị phát hiện va chạm và ấn định kênh) đến UE. Sau đó UE có thể phát gói trên kênh CPCH (kênh gói chung) 3.5.5. Thí dụ về báo hiệu thiết lập cuộc gọi sử dụng các kênh logic và truyền tải Hình 3.11 cho thấy báo hiệu thiết lập lập cuộc gọi sử dụng kênh logic và kênh truyền tải. Đầu tiên UE sử dụng kênh logic CCCH truyền trên kênh truyền tải RACH để yêu cầu đường truyền báo hiệu (RRC). RNC trả lời bằng kênh logic CCCH trên kênh truyền tải FACH. Sau khi có kết nối RRC, UE sẽ trao đổi báo hiệu với RNC qua kênh logic DCCH trên kênh truyền tải DCH. Sau khi nhận được lệnh "truyền trực tiếp" từ UE, RNC phát lệnh yêu cầu dịch vụ CM (Connection Management: quản lý kết nối) trên giao thức RANAP (Radio Access Application Part: phần ứng dụng truy nhập mạng vô tuyến) để khởi đầu báo hiệu thiết lập kênh mang lưu lượng Tùy thuộc vào yêu cầu của UE lệnh báo hiệu này có thể được chuyển đến MSC hoặc SGSN (trong trường hợp xét là MSC). Sau khi thực hiện các thủ tục an ninh, các thủ tục thiết lập kênh mang được thực hiện. 56
Hình 3.11. Báo hiệu thiết lập cuộc gọi. 3.6. CẤU TRÚC KÊNH VẬT LÝ RIÊNG Cấu trúc kênh vật lý riêng được trình bày trên hình 3.12. Trong mô hình này mỗi cặp hai bit thể hiện một cặp I/Q (một ký hiệu) của điều chế QPSK. Từ hình vẽ ta thấy, cấu trúc khung bao gồm một chuỗi các khung vô tuyến, mỗi khung bao gồm 15 khe (dài 10 ms, chứa 38400 chip) và mỗi khe chứa 2560 chip (dài 0,667 ms) bằng một chu kỳ điều khiển công suất (tần số điều khiển công suất là 1500 lần trong một giây). 57
Hình 3.12. Cấu trúc kênh vật lý riêng cho đường lên và đường xuống Cấu trúc kênh vật lý riêng đường lên cho một khe (một chu kỳ điều khiển công suất) được cho trên hình 3.12. Thông tin riêng lớp cao hơn bao gồm số liệu người sử dụng và báo hiệu được mang bởi DPDCH đường lên và thông tin điều khiển tạo ra bởi lớp 1 được mang bởi DPCCH. DPCCH bao gồm các ký hiệu hoa tiêu quy định trước (được sử dụng để ước tính kênh và tách sóng nhất quán), các lệnh điều khiển công suất (TPC: Transmit Power Control), thông tin phản hồi (FBI: Feedback Information) cho phân tập phát vòng kín và kỹ thuật phân tập chọn trạm (SSDT: Site Selection Diversity Technique), TFCI (tùy chọn). Có thể không có, một hay một số (nhiều nhất là 6) kênh DPDCH trên một liên kết vô tuyến, nhưng chỉ có một DPCCH cho liên kết này. DPDCH (hoặc các DPDCH) và DPCCH được ghép chung theo mã I/Q với ngẫu nhiên hóa phức. Cấu trúc kênh vật lý riêng đường xuống được mô tả trên hình 3.12.Trên đường xuống kênh riêng (DPCH) đường xuống bao gồm DPDCH đường xuống và DPCCH đường xuống ghép theo thời gian với ngẫu nhiên hóa phức. Số liệu riêng được tạo ra tại các mức cao hơn trên DPDCH được ghép theo thời gian với các bit hoa tiêu, các lệnh TPC và các bit TFCI (tùy chọn) được tạo ra tại lớp vật lý. TFCI có thể có hoặc không có, nếu không có các bit TFCI, DTX (phát không liên tục) được sử dụng trong trường tương ứng. 3.7. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT MÁY PHÁT VÀ MÁY THU WCDMA Hình 3.13 cho thấy sơ đồ khối của máy phát vô tuyến (hình 3.13a) và máy thu vô tuyến (3.13b) trong W-CDMA. Lớp 1 (lớp vật lý) bổ sung CRC cho từng khối truyền tải (TB: Transport Block) là đơn vị số liệu gốc cần xử lý nhận được từ lớp MAC để phát hiện lỗi ở phía thu. Sau đó số liệu được mã hoá kênh và đan xen. Số liệu sau đan xen được bổ sung thêm các bit hoa tiêu và các bit điều khiển công suất phát (TPC: Transmit Power Control)), được sắp xếp lên các nhánh I và Q của QPSK và được trải phổ hai lớp (trải phổ và ngẫu nhiên hoá). Chuỗi chip sau ngẫu nhiên hoá được giới hạn trong băng tần 5 MHz bằng bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai (hệ số dốc bằng 0,22) và được biến đổi vào tương tự bằng bộ biến đổi số vào tương tự (D/A) để đưa lên điều chế vuông góc cho sóng mang. Tín hiệu trung tần (IF) sau điều chế được 58
biến đổi nâng tần vào sóng vô tuyến (RF) trong băng tần 2 GHz, sau đó được đưa lên khuyếch đại trước khi chuyển đến anten để phát vào không gian. Tại phía thu, tín hiệu thu được bộ khuyếch đại đại tạp âm thấp (LNA) khuyếch đại, được biến đổi vào trung tần (IF) thu rồi được khuyếch đại tuyến tính bởi bộ khuyếch đại AGC (tự điều khuyếch). Sau khuyếch dại AGC tín hiệu được giải điều chế để được các thành phần I và Q. Các tín hiệu tương tự của các thành phần này được biến đổi vào số tại bộ biến đổi A/D, được lọc bởi bộ lọc Nyquist cosine tăng căn hai và được phân chia theo thời gian vào một số thành phần đường truyền có các thời gian trễ truyền sóng khác nhau. Máy thu RAKE chọn các thành phần lớn hơn một ngưỡng cho trước). Sau giải trải phổ cho các thành phần này, chúng được kết hợp bởi bộ kết hợp máy thu RAKE, tín hiệu tổng được giải đan xen, giải mã kênh (giải mã sửa lỗi), được phân kênh thành các khối truyền tải TB và được phát hiện lỗi. Cuối cùng chúng được đưa đến lớp cao hơn. Hình 3.13. Sơ đồ khối máy phát tuyến (a) và máy thu vô tuyến (b) 3.8. PHÂN TẬP PHÁT Khi nhiều anten thu được sử dụng, ta nói máy thu sử dụng phân tập anten thu (Rx). Phân tập Rx có thể được sử dụng tại nút B để tăng dung lượng đường lên và vùng phủ sóng. Do giá thành và không gian chiếm lớn, phân tập anten thu không phổ biến tại máy đầu cuối. Để khắc phục nhược điểm này WCDMA sử dụng phân tập phát cho máy đầu cuối. Tồn tại hai kỹ thuật phân tập phát ở WCDMA: Phân tập vòng hở và phân tập vòng kín. 59