Công nghệ W-Cdma và các giải pháp kĩ thuật

lệnh trên giây. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA. Với phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN). Đặc điểm của CDMA: -Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz. -Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp. -Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.. -Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Công nghệ thông tin di động số thế hệ ba. Công nghệ này liên quan đến những cải tiến đang được thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại và dữ liệu thông qua bất kỳ chuẩn nào trong những chuẩn hiện nay. Đầu tiên là tăng tốc độ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps. Khi số lượng thiết bị cầm tay được thiết kế để truy cập Internet gia tăng, yêu cầu đặt ra là phải có được công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và chất lượng hơn. Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại, và dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ việc gửi nội dung video và multimedia đến các thiết bị cầm tay và điện thoại di động. Các hệ thống thông tin di động số hiện nay đang ở giai đoạn chuyển từ thế hệ 2.5G sang thế hệ 3 (3 - Generation). Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và các dịch vụ thông tin di động, ngay từ đầu những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba. ITU-R đang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở châu Âu ETSI đang tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunnication System). Hệ thống mới này sẽ làm việc ở dải tần 2GHz. Nó sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên đến 2Mbps. Người ta cũng đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tư có tốc độ lên đến 32Mbps. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng trên cơ sở IMT – 2000 với các tiêu chí sau : - Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz với đường lên có dải tần 1885-2025MHz và đường xuống có dải tần 2110-2200MHz. - Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến, tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông. - Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trường khai thác khác nhau. - Có thể hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE – Vitual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch toàn cầu; Đảm bảo chuyển mạng quốc tế; Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói. - Dể dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện. Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay là : GSM, cdmaOne (IS-95), TDMA (IS-136), PDC. Trong quá trình thiết kế hệ thống thông tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ hai được cơ quan chuẩn hóa của từng vùng xem xét để đưa ra các đề xuất tương ứng thích hợp với mỗi vùng Chương 2 CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA. Giới thiệu công nghệ W-CDMA Chương này sẽ giới thiệu về công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạng W-CDMA, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN, các giao diện vô tuyến và đặc trưng riêng của chúng, ta sẽ có cái nhìn tổng quan về mạng W-CDMA 3G . WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - truy cập đa phân mã băng rộng) là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo hình... WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170 MHz. W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình. W-CDMA có các tính năng cơ sở sau : - Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz. - Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang. - Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1. - Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến. Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi trường làm việc khác nhau. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới như : điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác. KBit/s Đối xứng Không đối xứng Đa phương Điểm đến điểm Đa điểm Đa phương tiện di động Quảng bá Truyền hình hội nghị (Chất lượng cao) Truyền hình hội nghị (Chất lượng thấp) Đàm thoại hội nghị Điện thoại Truy nhập Internet WWW Thư điện tử FTP Điện thoại IP vv… Y tế từ xa Thư tiếng Truy nhập cơ sở dữ liệu Mua hàng theo Catalog Video Video theo yêu cầu Báo điện tử Karaoke ISDN Xuất bản điện tử Thư điện tử FAX Các dịch vụ phân phối thông tin Tin tức Dự báo thời tiết Thông tin lưu lượng Thông tin nghỉ ngơi Truyền hình di động Truyền thanh di động Tiếng Số liệu H.ảnh 1.2 2.4 9.6 16 32 64 384 2M Hình 2: Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ các dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các dịch vụ không liên quan đến cuộc gọi như thư điện tử, FPT… Công trình nghiên cứu của các nước châu Âu cho W-CDMA bắt đầu từ đề án CODIT (Code Division Multiplex Testbed : Phòng thí nghiệm đa truy cập theo mã) và FRAMES (Future Radio Multiplex Access Scheme : Kỹ thuật đa truy cập vô tuyến trong tương lai) từ đầu thập niên 90. Các dự án này đã tiến hành thử nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lượng đường truyền. Theo các chuyên gia trong ngành viễn thông, đường tới 3G của GSM là WCDMA. Nhưng trên con đường đó, các nhà khai thác dịch vụ điện thoại di động phải trải qua giai đoạn 2,5G. Thế hệ 2,5G bao gồm những gì? Đó là: dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS và Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE). Cấu trúc mạng W-CDMA Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA. Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM. PLMN,PSTNISDN Internet Các mạng ngoài MSC/VLR GMSC GGSN SGSN HLR CN RNC Node B Node B RNC Node B Node B IUb IUr UTRAN IU USIM USIM CU UE UU Hình 3: Cấu trúc của UMTS — UE (User Equipment) Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần : - Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu. - Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối. — UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network) Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử : - Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu. Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến. - Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó). RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN. — CN (Core Network) - HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm : Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi. - MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) : Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ. - GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài. - SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS). - GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói. — Các mạng ngoài - Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. - Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói. — Các giao diện vô tuyến - Giao diện CU : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh. - Giao diện UU : Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS. - Giao diện IU : Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau. - Giao diện IUr : Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau. - Giao diện IUb : Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. IUb được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn. Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem). Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các node B. Các RNC được kết nối với nhau bằng giao diện Iur và kết nối với node B bằng giao diện Iub. Node B Node B RNC Node B Node B RNC RNS RNS Iub Iur UTRAN MSC/VLR GGSN CN IU CS IU PS UU USIM USIM CU UE Hình 4: Cấu trúc UTRAN Đặc trưng của UTRAN Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN cũng như các giao thức. UTRAN có các đặc tính chính sau : - Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA. - Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi. - Đảm bảo tính chung nhất với GSM. - Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN. Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thường là với một MSC và một SGSN) qua giao diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc ngẽn cho các ô của mình. Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng bịêt - RNC phục vụ (Serving RNC) : SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ mạng lõi. SRNC cũng là kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến. Nó thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một node B nào đó được sử dụng để MS kết nối với UTRAN. - RNC trôi (Drif RNC) : DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các ô được MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân tập vĩ mô. DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ định tuyến số liệu giữa các giao diện IUb và IUr. Một UE có thể không có hoặc có một hay nhiều DRNC. Node B Chức năng chính của node B là thực hiện xữ lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…Nó cũng thực hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng nó giống như trạm gốc của GSM. Giao diện vô tuyến Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic. Cấu trúc giao diện được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với nhau, điều này cho phép thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần còn lại. Giao thức ứng dụng Mạng báo hiệu Mạng số liệu Mạng báo hiệu ALCAP Luồng số liệu Phía điều khiển mạng truyền tải Phía người sử dụng mạng truyền tải Phía người sử dụng mạng truyền tải Lớp vật lý Lớp mạng vô tuyến Lớp mạng truyền tải Hình 5. Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến của UTRAN Giao diện UTRAN – CN, IU Giao diện IU là một giao diện mở có chức năng kết nối UTRAN với CN. Iu có hai kiểu : Iu CS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh và Iu PS để kết nối UTRAN với chuyển mạch gói. · Cấu trúc IU CS IU CS sử dụng phương thức truyền tải ATM trên lớp vật lý là kết nối vô tuyến, cáp quang hay cáp đồng. Có thể lựa chọn các công nghệ truyền dẫn khác nhau như SONET, STM-1 hay E1 để thực hiện lớp vật lý. - Ngăn xếp giao thức phía điều khiển : Gồm RANAP trên đỉnh giao diện SS7 băng rộng và các lớp ứng dụng là phần điều khiển kết nối báo hiệu SCCP, phần truyền bản tin MTP3-b, và lớp thích ứng báo hiệu ATM cho các giao diện mạng SAAL-NNI. - Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải : Gồm các giao thức báo hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630) và lớp thích ứng Q.2150 ở đỉnh các giao thức SS7 băng rộng. - Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng : Gồm một kết nối AAL2 được dành trước cho từng dịch vụ CS. · Cấu trúc IU PS Phương thức truyền tải ATM được áp dụng cho cả phía điều khiển và phía người sử dụng. - Ngăn xếp giao thức phía điều khiển IU PS : Chứa RANAP và vật mang báo hiệu SS7. Ngoài ra cũng có thể định nghĩa vật mang báo hiệu IP ở ngăn xếp này. Vật mang báo hiệu trên cơ sở IP bao gồm : M3UA (SS7 MTP3 User Adaption Layer), SCTP (Simple Control Transmission Protocol), IP (Internet Protocol) và ALL5 chung cho cả hai tuỳ chọn. - Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải IU PS : Phía điều khiển mạng truyền tải không áp dụng cho IU PS. Các phần tử thông tin sử dụng để đánh địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 giống như các phần tử thông tin được sử dụng trong CS. - Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng Iu PS : Luồng số liệu gói được ghép chung lên một hay nhiều AAL5 PVC (Permanent Virtual Connection). Phần người sử dụng GTP-U là lớp ghép kênh để cung cấp các nhận dạng cho từng luồng số liệu gói. Các luồng số liệu sử dụng truyền tải không theo nối thông và đánh địa chỉ IP. Giao diện RNC – RNC, IUr IUr là giao diện vô tuyến giữa các bộ điều khiển mạng vô tuyến. Lúc đầu giao diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trong quá trình phát triển tiêu chuẩn nhiều tính năng đã được bổ sung và đến nay giao diện IUr phải đảm bảo 4 chức năng sau : - Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC. - Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng. - Hỗ trợ kênh lưu lượng chung. - Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu. Giao diện RNC – Node B, IUb Giao thức IUb định nghĩa cấu trúc khung và các thủ tục điều khiển trong băng cho các từng kiểu kênh truyền tải. Các chức năng chính của IUb : - Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng. - Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vô tuyến. - Xử lý các kênh riêng và kênh chung. - Xử lý kết hợp chuyển giao. - Quản lý sự cố kết nối vô tuyến. Chương 3 CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG W-CDMA. Giới thiệu . Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu các kỹ thuật trong WCDMA, các kỹ thuật mã hóa, điều chế, nguyên lí trải phổ, cấu trúc phân kênh và kỹ thuật truy nhập gói trong WCDMA. Mã hóa Mã vòng Mã khối là bộ mã hóa chia dòng thông tin thành những khối tin (message) có k bit. Mỗi tin được biểu diễn bằng một khối k thành phần nhị phân u = (u1,u2,..,un), u được gọi là vector thông tin. Có tổng cộng 2k vector thông tin khác nhau. Bộ mã hóa sẽ chuyển vector thông tin u thành một bộ n thành phần v = (v1,v2,...,vn) được gọi là từ mã. Như vậy ứng với 2k vector thông tin sẽ có 2k từ mã khác nhau. Tập hợp 2k từ mã có chiều dài n được gọi là một mã khối (n,k). Tỉ số R = k/n được gọi là tỉ số mã, R chính là số bit thông tin đưa vào bộ giải mã trên số bit được truyền. Do n bit ra chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin vào, bộ giải mã không cần nhớ và có thể được thực hiện bằng mạch logic tổ hợp. Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính. Mã vòng là phương pháp mã hóa cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC – Cyclic Redundance Check) và chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin. Mã hóa mã vòng (n,k) dạng hệ thống gồm ba bước : (1). Nhân đa thức thông tin u(x) với xn-k. (2). Chia xn-k.u(x) cho đa thức sinh g(x), ta được phần dư b(x). (3). Hình thành từ mã b(x) + xn-k Tất cả ba bước này được thực hiện bằng mạch chia với thanh ghi dịch (n-k) tầng có hàm hồi tiếp tương ứng với đa thức sinh g(x). — Sơ đồ mạch mã hóa vòng : G1 G1 G1 G1 b1 b1 b1 b1 + + + + b0 b0 b0 b0 + + + + b2 b2 b2 b2 + + + + G2 G2 G2 G2 Gn-k-1 Gn-k-1 Gn-k-1 Gn-k-1 + + + + bn-k-1 bn-k-1 bn-k-1 bn-k-1 Thông tin xn+k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ + + + + Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch Cổng XOR Cổng XOR Cổng XOR Cổng XOR Mối liên kết g = 1 : Có liên kết g = 0 : Không liên kết g g g g Hình 4.1. Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh g(x) = 1 + g1x + g2x2 + ...+ gn-k-1xn-k-1 + xn-k Cổng Cổng Cổng Cổng — Nguyên lý hoạt động : Bước 1 : Cổng đóng cho thông tin qua mạch, k chữ số thông tin u0, u1,...,un-k được dịch vào mạch từ thiết bị đầu cuối để nhân trước u(x) với xn-k. Ngay sau khi thông tin được đưa vào mạch thì n-k chữ số còn lại trong thanh ghi là những con số kiểm tra chẵn lẻ. Bước 2 : Cắt đứt đường hồi tiếp bằng cách điều khiển cho các cổng gi hở (không cho thông tin qua). Bước 3 : Dịch các con số kiểm tra chẵn lẻ và đưa ra đường truyền. Các chữ số kiểm tra này kết hợp với k chữ số thông tin tạo thành vector mã. Mã xoắn Mã xoắn (Convolutional Code) (n,k,m) cũng có n đầu ra, k đầu vào như mã khối (n,k) nhưng n đầu ra của mã xoắn phụ thuộc không chỉ vào k đầu vào tại thời gian đó mà còn phụ thuộc vào m khối bản tin trước đó. Mã xoắn (n,k,m) được xây dựng bởi mạch dãy. Mạch này dùng thanh ghi dịch m bit làm bộ nhớ, các đầu ra của các phần tử nhớ được cộng với nhau theo quy luật nhất định để tạo nên chuổi mã, sau đó các chuổi này được ghép xen với nhau để tạo nên chuổi mã đầu ra. Mã Turbo Mã hóa Turbo chỉ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba khi hoạt động ở tốc độ bit cao với yêu cầu tỉ số lỗi bit BER nằm trong khoảng 10-3 đến 10-6. Bộ mã hóa turbo thực chất là bộ mã xoắn móc nối song song PCCC (Parallel Concatenated Convolutional Code) với các bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái được sử dụng. Điều chế BIT/SK và QPSK Điều chế BIT/SK Trong một hệ thống điều chế BIT/SK (BPSK – Binary Phase Shift Keying) cặp tín hiệu s1(t) và s2(t) được sử dụng để biểu diễn các giá trị nhị phân. Ta có (4.1) Trong đó : Tb : Độ rộng băng thông. Eb : Năng lượng của một bit. : Góc pha thay đổi theo tín hiệu điều chế, là góc pha ban đầu. Một cặp sóng sin đối pha 1800 như trên gọi là một cặp tín hiệu đối cực. Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK Luồng số cơ hai Rb = 1/Tb Si(t) NRZ Luồng số tốc độ bit Rb được đưa qua bộ chuyển đổi về tín hiệu NRZ (0®1, 1®-1), sau đó nhân với sóng mang để được tín hiệu điều chế BIT/SK. Chọn một tín hiệu là cơ sở là trực chuẩn: (4.2) Ta có : (4.3) Khoảng cách giữa hai tín hiệu : 0 Hình 4.3 – Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSK Xác suất lỗi trong BPSK: (4.4) Với : Eb là năng lượng của bit . N0 mật độ xác suất nhiễu trắng. Điều chế QPSK Tín hiệu điều chế QPSK có dạng: (4.5) Trong đó Eb : Năng lượng một bit. Tb : Thời gian một bit. E = 2Eb : Năng lượng tín hiệu phát đi trên một ký hiệu. T = 2Tb : Thời gian của một ký hiệu. fc : Tần số sóng mang, : góc pha ban đầu. i = 1, 2, 3, 4. Biến đổi lượng giác ta có phương trình dạng tương đương như sau : (4.6) Nếu ta chọn Q1và Q2 là các hàm năng lượng cơ sở trực giao chuẩn : (4.7) Ta có thể biểu diễn tín hiệu điều chế QPSK bằng bốn điểm trong không gian tín hiệu với các toạ độ xác định như sau : (4.8) Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong không gian tín hiệu thể hiện ở bảng sau : Cặp bit vào 0 £ t £ T Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu Si Toạ độ các điểm tín hiệu Q1 Q2 00 p/4 S1 + + 01 3p/4 S2 + - 11 5p/4 S3 - - 10 7p/4 S4 - + Xác suất lỗi trong QPSK: Ta thấy xác suất lỗi của BPSK và QPSK là như nhau. Tuy nhiên, với QPSK thì hiệu suất băng thông gấp 2 lần BPSK. Băng thông của QPSK xấp xỉ bằng Rb. Trải phổ trong W-CDMA Giới thiệu Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấp nhiều lần độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền thông tin đi. Sự trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ được gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu.Tại phía thu, việc nén phổ (khôi phục lại thông tin ban đầu) được thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao đồng bộ của mã trải phổ sử dụng ở phía phát. Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Các hệ thống được thiết kế sao cho độ rộng băng tần càng nhỏ càng tốt. Trong W-CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Đối với các hệ thống thông tin trải phổ (SS : Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng trước khi được phát. Tuy độ rộng băng tần tăng lên rất nhiều nhưng lúc này nhiều người sử dụng có thể dùng chung một băng tần trải phổ, do đó mà hệ thống vẫn sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng được các ưu điểm của trải phổ. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát. Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau : - Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) : Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit. - Trải phổ nhảy tần (FHSS : Frequency Hopping Spreading Spectrum) : Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số. Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian một chip TC được cố định không đổi . Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại. - Trải phổ nhảy thời gian (THSS : Time Hopping Spreading Spectrum) : Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quảng trong một hay nhiều khe thời gian. Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Trong hệ thống DSSS, tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu phổ rộng, công suất thấp giống tạp âm. Trong các hệ thống FHSS và THSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào dùng chung tần số hoặc khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh bị xung đột. Nói cách khác DSSS là kiểu hệ thống lấy trung bình, FHSS và THSS là kiểu hệ thống tránh xung đột. Hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA chỉ sử dụng DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phổ DSSS. Nguyên lý trải phổ DSSS Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) : Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit Tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên và tốc độ bit được tính theo công thức sau : RC = 1/TC (4.9) Rb = 1/Tb (4.10) Trong đó : RC : tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên. Rb : tốc độ bit. TC : thời gian một chip. Tb : thời gian một bit. Tb = Tn Tb = Tn Tc Tb : Thời gian một bit của luồng số cần phát Tn : Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ TC : Thời gian một chip của mã trải phổ Hình 6: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Mã trải phổ Các tín hiệu trải phổ băng rộng được tạo ra bằng cách sử dụng các chuỗi mã giả tạp âm PN (Pseudo Noise). Mã giả tập âm còn được gọi là mã giả ngẫu nhiên do có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) và có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định. Tuy nhiên máy thu cần biết mã này để tạo bản sao một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để giải mã bản tin. Vì thế mã giả ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định. Mã giả ngẫu nhiên được tạo ra bằng các bộ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính (LFSR : Linear Feedback Shift Register) và các cổng XOR. ci Si(1) Si(2) g1 g2 gm-1 ci-m Đến bộ điều chế Si(m) Hình 7: Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN Si(j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i. gi = 0 : khóa mở, gi = 1 : khóa đóng. Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính bậc m (m > 0) : (với gm = g0 = 1) (4.11) xm : Đơn vị trễ. Giả sử ta nạp chuỗi giá trị khởi đầu cho thanh ghi dịch : S0 = {S0(1), S0(1), …S0(m)} Giá trị đầu ra trong (m -1) xung đồng hồ đầu tiên là : C0 = S0(m) C1 = S0(m-1) …. Cm-1 = S0(1) Tại xung đồng hồ thứ i (i > m-1) ta có trạng thái của thanh ghi dịch : Si(m) = Si-1(m-1) = Si-2(m-2) = …= Si-m+1(1) (4.12) Si-m+1(1) = g1.Si-m(1) + g2.Si-m(2) + …+ Si-m(m) (gm = 1) => Si(m) = g1.Si-m(1) + g2.Si-m(2) + …+ Si-m(m) (4.13) Áp dụng công thức (4.12), ta có : Si(m) = g1.Si-1(m) + g2.Si-2(m) + …+ Si-m(m) (4.14) Giá trị đầu ra tại xung thứ i chính là giá trị phần tử nhớ Si(m) của thanh ghi dịch : => Ci = g1.Ci-1 + g2.Ci-2 + …+ Ci-m (4.15) Hay : Ci+m = g1.Ci+m-1 + g2.Ci+m-2 + …+ Ci (4.16) Tốc độ của mạch như trên bị hạn chế về tốc độ do tổng thời gian trễ trong các thanh ghi và các cổng loại trừ ở đường hồi tiếp. Để hạn chế thời gian trễ, nâng cao tốc độ của mạch tạo mã ngẫu nhiên ta có thể sử dụng sơ đồ mạch sau : Si(1) Si(2) g2 gm-1 ci Đến bộ điều chế Si(m) Hình 8: Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN tốc độ cao Si(j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i. gi = 0 : khóa mở, gi = 1 : khóa đóng. g1 Các hàm trực giao Các hàm trực giao được sử dụng để cải thiện hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống DSSS. Trong hệ thống thông tin di động W-CDMA mỗi người sử dụng một phần tử trong các hàm trực giao. Hàm Walsh và các chuỗi Hadamard tạo nên một tập các hàm trực giao. Trong W-CDMA các hàm Walsh được sử dụng theo hai cách là mã trải phổ hoặc các ký hiệu trực giao. Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trận vuông đặc biệt gọi được gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn bit “0”, các hàng còn lại có số bit “1” và số bit “0” bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N = 2j, trong đó j là một số nguyên dương. Tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hadamard như sau : Trong đó là đảo cơ số hai của HN. Cấu trúc phân kênh của WCDMA Cũng như trong các hệ thống thông tin di động thế hệ hai, các kênh thông tin trong WCDMA được chia ra làm hai loại tuỳ thuộc vào quan điểm nhìn nhận. Theo quan điểm truyền dẫn ta sẽ có các kênh vật lý còn theo quan điểm thông tin ta sẽ có các kênh truyền tải. Lớp vật lý ảnh hưởng lớn đến sự phức tạp của thiết bị về mặt đảm bảo khả năng xử lý băng tần cơ sở cần thiết ở trạm gốc và trạm đầu cuối. Trên quan điểm các hệ thống thông tin di động thế hệ ba là các hệ thống băng rộng, vì vậy không thể thiết kế lớp vật lý chỉ cho một dịch vụ thoại duy nhất mà cần đảm bảo tính linh hoạt cho các dịch vụ tương lai. Kênh vật lý Kênh vật lý riêng đường lên Kênh vật lý đường lên gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) và một kênh điều khiển vật lý (DPCCH). Kênh điều khiển vật lý (DPCCH) Kênh điều khiển vật lý đường lên được sử dụng để mang thông tin điều khiển lớp vật lý. Thông tin này gồm : các bit hoa tiêu để hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quán, các lệnh điều khiển công suất (TCP : Transmit Control Power), thông tin hồi tiếp (FBI : Feedback Information) và một chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI). Hoa tiêu TFCI FBI TCP Npilot bit NTFCI bit NFBI bit NTPC bit Số liệu Ndata bit Tkhe = 2560 chip, 10.2k bit (k = 0…6) Khe #0 Khe #1 Khe #14 Khe #i Một khung vô tuyến : Tf = 10ms DPDCH DPCCH Hình 9:Cấu trúc khung vô tuyến của DPDCH/DPCCH đường lên Thông số k xác định số bit trên khe của DPDCH/DPCCH đường lên. Mỗi khung có độ dài 10ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip ứng với 666μs, tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất. Như vậy độ rộng khe gần bằng với độ rộng khe ở GSM (577μs). Các bit FBI được sử dụng khi sử dụng phân tập phát vòng kín ở đường xuống. Có tất cả 6 cấu trúc khe cho DPCCH đường lên. Có các tuỳ chọn sau : 0, 1 hay hai bit cho FBI và có hoặc không các bit TFCI. Các bit hoa tiêu và TPC luôn luôn có mặt và số bit của chúng được thay đổi để luôn sử dụng hết khe DPCCH. Cấu trúc các trường của DPCCH : Khuôn dạng tại #i Tốc độ bit kênh (kbit/s) Tốc độ ký hiệu kênh SF Số bit /khung Số bit /khe Npilot NTPC NTFCI NFBI Số khe được phát trên khung vô tuyến 0 15 15 256 150 10 6 2 2 0 15 0A 15 15 256 150 10 5 2 3 0 10 – 14 0B 15 15 256 150 10 4 2 4 0 8 – 9 1 15 15 256 150 10 8 2 0 0 8 – 16 2 15 15 256 150 10 5 2 2 1 15 2A 15 15 256 150 10 4 2 3 1 10 – 14 2B 15 15 256 150 10 3 2 4 1 8 – 9 3 15 15 256 150 10 7 2 0 1 8 – 15 4 15 15 256 150 10 6 2 0 2 8 – 15 5 15 15 256 150 10 5 1 2 2 15 5A 15 15 256 150 10 4 1 3 2 10 – 14 5B 15 15 256 150 10 3 1 4 2 8 – 9 — Kênh số liệu vật lý riêng DPDCH Kênh truyền số liệu cho người sử dụng, tốc độ số liệu của DPDCH có thể thay đổi theo khung. Thông thường đối với các dịch vụ số liệu thay đổi, tốc độ số liệu của kênh DPDCH được thông báo trên kênh DPCCH. DPCCH được phát liên tục và thông tin về tốc độ trường được phát bằng với chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI), là thông tin DPCCH về tốc độ số liệu ở khung DPDCH hiện hành. Nếu giải mã TCFI không đúng thì toàn bộ khung số liệu bị mất. Tuy nhiên độ tin cậy của TCFI cao hơn số liệu nên ít khi xảy ra mất TCFI. Cấu trúc các trường của DPDCH như sau : Khuôn dạng tại #i Tốc độ bit kênh (kbit/s) Tốc độ ký hiệu kênh SF Số bit /khung Số bit /khe Ndata 0 15 15 256 150 10 10 1 30 30 128 300 20 20 2 60 60 64 600 40 40 3 120 120 32 1200 80 80 4 240 240 16 2400 160 160 5 480 480 8 4800 320 320 6 960 960 4 9600 640 640 Kênh vật lý chung đường lên — Kênh truy cập ngẫu nhiên PRACH Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) được sử dụng để mang RACH. - Phát RACH : Phát truy nhập ngẫu nhiên dựa vào phương pháp ALOHA theo phân khe với chỉ thị bắt nhanh. Cứ hai khung thì có 15 khe truy nhập và khoảng cách giữa chúng là là 5120 chip. Các lớp cao cung cấp thông tin về khe truy nhập sử dụng ở hiện thời. Kênh truy nhập #0 #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14 #0 Khung vô tuyến 10ms Khung vô tuyến 10ms 5120 chip Phát truy cập ngẫu nhiên Kênh truy nhập #1 Kênh truy nhập #7 Kênh truy nhập #8 Kênh truy nhập #14 Hình 10: Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng Phát truy cập ngẫu nhiên Phát truy cập ngẫu nhiên Phát truy cập ngẫu nhiên - Phần tiền tố của RACH : Phần tiền tố của cụm truy nhập ngẫu nhiên gồm 256 lần lặp một chữ ký. Tiền tố Tiền tố Tiền tố Tiền tố Tiền tố Phần bản tin Phần bản tin 4096 chip 4096 chip 10ms (Một khung vô tuyến) 20ms (Hai khung vô tuyến) Hình 4.9. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên Tiền tố - Phần bản tin của RACH : Khung vô tuyến phần bản tin 10ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip. Mỗi khe gồm hai phần : phần số liệu mang thông tin lớp 2 và phần điều khiển mang thông tin lớp 1. Cả hai phần được phát đồng thời. Phần số liệu gồm 10.2k bit với k = 0, 1, 2, 3. Phần điều khiển gồm 8 bit hoa tiêu để hỗ trợ sự đánh giá cho tách sóng nhất quán và hai bit TFCI . Tổng số bit TFCI trong bản tin truy nhập ngẫu nhiên là 30. Giá trị của TFCI tương ứng với một khuôn dạng truyền tải nhất định của bản tin truy nhập hiện thời. Số liệu Ndata bit Khe #0 Khe #1 Khe #14 Khe #i Khung vô tuyến phần bản tin TRACH = 10 Hoa tiêu Npilot bit Tslot = 2560 chip, 10.2k bit (k=0..3) Số liệu Điều khiển Hình 11: Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin RACH Các trường số liệu của phần bản tin RACH : Khuôn dạng khe #i Tốc độ bit kênh (kbit/s) Tốc độ ký hiệu kênh (kbit/s) SF Số bit/ khung Số bit/ khe Ndata 0 15 15 256 150 10 10 1 30 30 128 300 20 20 2 60 60 64 600 40 40 3 120 120 32 1200 80 80 Trường điều khiển phần bản tin RACH : Khuôn dạng khe #i Tốc độ bit kênh (kbit/s) Tốc độ ký hiệu kênh (kbit/s) SF Số bit/ khung Số bit/ khe Npilot NTFCI 0 15 15 256 150 10 8 2 — Kênh gói chung PCPCH Kênh gói chung vật lý được sử dụng để mang CPCH. PCPCH thực chất là sự mở rộng của RACH. Sự khác nhau cơ bản so với RACH là kênh này có thể dành trước nhiều khung và có sử dụng điều khiển công suất. - Phát CPCH : Phát CPCH dựa trên nguyên tắc DSMA – CD (DSMA – Collision Detection) với chỉ thị bắt nhanh. Phát truy nhập ngẫu nhiên CPCH gồm một hay nhiều tiền tố truy nhập (AP : Access Preamble) dài 4096 chip, một tiền tố phát hiện tranh chấp (CDP : Collisiion Detection Preamble) dài 4096 chip, một tiền tố điều khiển công suất (PCP : Power Control Preamble) dài từ 0 đến 8 khe và một bản tin có độ dài khả biến Nx10ms. Phần bản tin 0 hay 8 khe N.10ms Tiền tố truy nhập Tiền tố phân giải va chạm DPCCH DPDCH Hình 12: Cấu trúc phát đa truy nhập ngẫu nhiên CPCH - Phần tiền tố truy nhập CPCH : Phần tiền tố truy nhập ngẫu nhiên CPCH tương tự như của RACH. Số chuỗi được sử dụng ở đây có thể nhỏ hơn số chuỗi được sử dụng ở tiền tố RACH. - Phần tiền tố phát hiện tranh chấp : Phần này giống như phần tiền tố RACH. - Phần tiền tố điều khiển công suất : Là các tiền tố điều khiển công suất có độ dài lấy giá trị từ 0 đến 8 khe được thiết lập bởi các bit cao. - Phần bản tin CPCH : Gồm các khung bản tin 10ms, số khung bản tin này do lớp cao hơn quy định. Mỗi khung 10ms được chia ra 15 khe dài 2560 chip, mỗi khe gồm hai phần : phần số liệu mang thông tin các lớp cao và phần điều khiển mang thông tin các lớp thấp. Phần số liệu và phần điều khiển được phát đồng thời. C. Kênh vật lý riêng đường xuống (DPCH) Kênh riêng đường xuống được tạo bởi lớp hai và các lớp trên. Một khung kênh riêng đường xuống dài 10ms được chia ra làm 15 khe, mỗi khe dài 2560 chip tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất. Cấu trúc khung của kênh riêng đường xuống được thể hiện ở hình sau : Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14 Số liệu 1 TPC TFCI Số liệu 2 Hoa tiêu Ndata bit NTPC bit NTFCI bit Ndata2 bit Npilot bit DPDCH DPCCH DPDCH DPCCH Tslot = 2560 chip, 10.2k bit (k = 0..7) Hình 13. Cấu trúc khung của DPCH đường xuống. Một khung vô tuyến Tf = 10ms Kênh vật lý chung đường xuống — Kênh hoa tiêu chung (CPICH) Kênh hoa tiêu chung là kênh vật lý đường xuống có tốc độ cố định để mang chuỗi bit/ký hiệu đã được định nghĩa trước. Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14 Chuỗi ký hiệu đã được định nghĩa trước Tslot = 2560 chip, 20 bit = 10 ký hiệu Hình 14. Cấu trúc khung của DPCH đường xuống Một khung vô tuyến Tf = 10ms Có hai kiểu kênh hoa tiêu chung là kênh hoa tiêu chung sơ cấp và kênh hoa tiêu chung thứ cấp, phân biệt về lĩnh vực sử dụng và các hạn chế đối với tính năng vật lý của chúng. - Kênh hoa tiêu chung sơ cấp : Được ngẫu nhiên hóa bởi mã ngẫu nhiên sơ cấp và luôn được sử dụng cùng một mã định kênh. Mỗi ô có một kênh và chúng được phát quảng bá trên toàn bộ ô. - Kênh hoa tiêu chung thứ cấp : Mã ngẫu nhiên hóa có thể là sơ cấp hoặc thứ cấp và sử dụng mã định kênh tuỳ ý. Một ô có thể không có hoặc có nhiều kênh. Chúng chỉ được phát trong một phần ô. — Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp (P-CCPCH) Là kênh vật lý đường xuống có tốc độ cố định (30 kbit/s) đưọc sử dụng để mang BCH. Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14 Số liệu 18 bit Tslot = 2560 chip, 20 bit Hình 15. Cấu trúc khung của kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp Một khung vô tuyến Tf = 10ms Tx tắt 256 chip — Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp (S-CCPCH) Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp sử dụng để mang thông tin FACH và PCH. Có hai kiểu kênh S-CCPCH là kiểu có mang TFCI và kiểu không mang TFCI. Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14 Số liệu Ndata bit Tslot = 2560 chip, 20.2k bit (k = 0..6) Hình 16. Cấu trúc khung của S-CCPCH Một khung vô tuyến Tf = 10ms TFCI NTFCI bit Hoa tiêu Npilot bit — Kênh đồng bộ (SCH) Kênh đồng bộ là kênh mang tín hiệu tìm ô ở đường xuống. SCH gồm hai kênh con là SCH sơ cấp và SCH thứ cấp. Các khung 10ms của SCH sơ cấp và thứ cấp được chia thành 15 khe, mỗi khe dài 2560 chip. acp acs1.0 acp acs1.1 acp acs1.14 SCH sơ cấp SCH thứ cấp 256 chip 2560 chip Một khung vô tuyến SCH 10ms Khe #0 Khe #1 Khe #14 . . . . Hình17. Cấu trúc khung kênh đồng bộ acp : Mã đồng bộ sơ cấp (Primary Synchrization Code) acsi,k : Mã đồng bộ thứ cấp (Secondary Synchrization Code) SCH sơ cấp gồm một mã đồng bộ sơ cấp PSC (Primary Synchronization) được điều chế 256 chip, mã đồng bộ sơ cấp như nhau trong mọi ô hệ thống. SCH thứ cấp gồm 15 chuỗi mã được điều chế có độ dài 256 chip. Các mã đồng bộ thứ cấp (Secondary Synchrization Code) phát đồng thời với SCH sơ cấp. Mỗi SSC được chọn từ tập của 16 mã dài 256. Chuỗi này ở SCH thứ cấp chỉ thị mã ngẫu nhiên đường xuống của ô thuộc nhóm mã nào. — Kênh vật lý dùng chung đường xuống (PDSCH) Kênh vật lý dùng chung đường xuống (PDSCH) được sử dụng để mang kênh dùng chung đường xuống. PDSCH luôn được dùng chung với nhiều kênh khác trên cơ sở ghép kênh theo mã. Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14 Số liệu Ndata bit Tslot = 2560 chip, 20.2k bit (k=0..6) Hình 18. Cấu trúc khung của PDSCH Một khung vô tuyến Tf = 10ms — Kênh chỉ thị bắt (AICH) Kênh chỉ thị bắt được sử dụng để mang thông tin chỉ thị bắt. Chỉ thị bắt AIs tương ứng với một chữ ký s trên kênh PRACH hoặc PCPCH. AICH gồm một chuỗi lặp của 15 khe truy nhập liên tiếp (AS = Access Slot), mỗi khe dài 40 bit. Mỗi khe gồm hai phần : phần chỉ thị bắt (AI) gồm 32 giá trị thực a0,a1,..,a31 và một phần không sử dụng gồm 8 giá trị thực a32,a33,..a39. AS #0 AS #1 AS #0 AS #14 AS #i a1 a2 a30 a31 a32 a33 a38 a39 Phần AI Phần không sử dụng 5120 chip, 40 bit 20ms AS #0 AS #14 Hình 19. Cấu trúc kênh chỉ thị bắt AICH — Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH) Kênh chỉ thị tìm gọi là kênh vật lý có tốc độ cố định được sử dụng để mang các chỉ thị tìm gọi (PI). Một khung PICH dài 10ms chứa 300 bit, trong đó 288 bit được sử dụng để mang thông tin, 12 bit còn lại không được định nghĩa. ……………………… ……………………… Một khung vô tuyến 10ms 288 bit chỉ thị 12 bit (không định nghĩa) b0 b1 b287 b288 b299 Hình 20. Cấu trúc kênh chỉ thị tìm gọi Kênh truyền tải Kênh truyền tải riêng Kênh truyền tải riêng duy nhất là kênh DCH được sử dụng để mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý riêng cho người sử dụng. Thông tin bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời và các thông tin điều khiển lớp cao. Kênh truyền tải riêng có các tính năng đặc trưng sau : - Điều khiển công suất nhanh theo từng khung. - Thay đổi tốc độ số liệu theo từng khung và khả năng phát đến một phần ô hay một đoạn ô bằng cách thay đổi hướng anten của hệ thống anten thích ứng. - Hỗ trợ chuyển giao mềm. B. Kênh truyền tải chung Có sáu kiểu kênh truyền tải chung được định nghĩa trong UTRA. Các kênh truyền tải chung không có chuyển giao mềm, tuy vậy một số kênh có điều khiển công suất. So với hệ thống thông tin di động thế hệ hai, các kênh này có một số điểm khác như truyền dẫn gói ở các kênh chung, dùng chung một kênh đường xuống để phát số liệu gói… — Kênh quảng bá (BCH) Kênh quảng bá BCH (Broadcast Channel) là một kênh truyền tải được sử dụng để phát các thông tin đặc thù UTRA trong một ô. — Kênh truy nhập đường xuống (FACH) Kênh truy nhập đường xuống FACH (Forward Access Channel) là một kênh truyền tải đường xuống mang thông tin điều khiển đến các UE nằm trong một ô cho trước. Kênh FACH cũng có thể truyền các gói số liệu. Khi có nhiều kênh FACH, các kênh bổ sung có thể có tốc độ bit cao hơn. FACH không sử dụng điều khiển công suất nhanh và các thông tin được phát phải chứa thông tin nhận dạng trong băng. — Kênh tìm gọi (PCH) Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel) là một kênh truyền tải đường xuống mang số liệu liên quan đến thủ tục tìm gọi. — Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH) Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel) là kênh truyền tải đường lên được sử dụng để mang thông tin điều khiển từ UE. Kênh này cũng có thể sử dụng để phát đi các cụm nhỏ số liệu gói từ UE. Để hoạt động đúng, hệ thống phải thu được kênh truy cập ngẫu nhiên từ toàn bộ vùng phủ của ô. — Kênh gói chung đường lên (CPCH) Kênh gói đường lên CPCH (Common Packet Channel) là một mở rộng của kênh RACH để mang số liệu của người sử dụng được phát theo gói trên đường lên. Kênh CPCH cùng với kênh FACH ở đường xuống tạo nên cặp kênh để truyền số liệu. — Kênh đường xuống dùng chung (DSCH) Kênh đường xuống dùng chung DSCH (Dedicated Shared Channel) là kênh truyền tải để mang thông tin của người sử dụng, ngoài ra DSCh cũng có thể mang thông tin điều khiển. DSCH hỗ trợ điều khiển công suất nhanh và có thể được dùng chung cho nhiều người sử dụng. Sắp xếp kênh truyền tải lên kênh vật lý Trong quá trình truyền dẫn thông tin, các kênh truyền tải được đặt lên các kênh vật lý thể hiện ở sơ đồ sau : CÁC KÊNH VẬT LÝ CÁC KÊNH TRUYỀN TẢI Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp (P-CPCH) Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp (S-CPCH) Kênh vật lý truy cập ngẫu nhiên (PRACH) Kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) Kênh điều khiển vật lý riêng (DPCCH) Kênh vật lý đường xuống dùng chung (PDSCH) Kênh gói chung vật lý (PCPCH) Kênh đồng bộ (SCH) Kênh hoa tiêu chung (CPICH) Kênh chỉ thị bắt (AICH) Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH) Kênh phát hiện tranh chấp/chỉ thị ấn định kênh (CD/CA-ICH) BCH FACH PCH RACH DCH DSCH CPCH Hình 21. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý Kênh riêng (DCH) được sắp xếp lên hai kênh vật lý. Kênh số liệu vật lý riêng mang thông tin các lớp cao, còn kênh điều khiển vật lý riêng mang thông tin của lớp vật lý cần thiết. Truy nhập gói trong W-CDMA Tổng quan về truy nhập gói trong W-CDMA Truy nhập gói trong W-CDMA cho phép các vật mang không phải thời gian thực sử dụng động các kênh chung, riêng và dùng chung. Việc sử dụng các kênh khác nhau được điều khiển bởi bộ lập biểu gói PS (Packet Scheduler). Bộ lập biểu gói thường được đặt ở RNC vì tại đây việc lập biểu gói có thể thực hiện hiệu quả cho nhiều ô, ngoài ra ở đây cũng xem xét các kết nối chuyển giao mềm. Bộ lập biểu gói có các chức năng chính sau : - Phân chia dung lượng của giao diện vô tuyến giữa các người sử dụng. - Phân chia các kênh truyền tải để sử dụng cho truyền dẫn số liệu của từng người sử dụng. - Giám sát các phân bổ gói và tải hệ thống. 2. Lưu lượng số liệu gói Truy nhập gói sử dụng cho các dịch vụ không theo thời gian thực, nhìn từ quan điểm giao diện vô tuyến nó có các thuộc tính điển hình sau : - Số liệu gói có dạng cụm, tốc độ bit yêu cầu có thể biến đổi rất nhanh. - Số liệu gói cho phép trễ lớn hơn các dịch vụ thời gian thực. Vì thế số liệu gói là lưu lượng có thể điều khiển được xét theo quan điểm mạng truy nhập vô tuyến. - Các gói có thể được phát lại bởi lớp điều khiển kết nối vô tuyến (RLC). Điều này cho phép sử dụng chất lượng đường truyền vô tuyến kém hơn và tỷ số lỗi khung cao hơn so với các dịch vụ thời gian thực. Lưu lượng gói được đặc trưng bởi các thông số sau : - Quá trình đến của phiên. - Số cuộc gọi đến phiên. - Thời gian đọc giữa các cuộc gọi. - Số gói trong một cuộc gọi gói. - Khoãng thời gian giữa hai gói trong một cuộc gọi gói. - Kích thước gói. Phiên dịch vụ gói Cuộc gọi gói Thời gian đọc Thời gian Kích thước gói Hình 22. Đặc trưng của một phiên dịch vụ gói Các phương pháp lập biểu gói Chức năng lập biểu gói là phân chia dung lượng giao diện vô tuyến khả dụng giữa các người sử dụng. Bộ lập biểu gói có thể quyết định tốc độ bit phân bổ và thời gian phân bổ. Thuật toán lập biểu gói trong W-CDMA được thực hiện theo hai phương pháp : phân chia theo mã và phân chia theo tần số. Trong phương pháp phân chia theo mã, khi có nhu cầu tăng dung lượng thì tốc độ bit phân bổ cho người sử dụng sẽ giảm đi. Trong phương pháp phân chia theo thời gian biểu dung lượng được dành cho một số ít người theo từng thời điểm, như vậy người sử dụng có thể có tốc độ bit cao nhưng chỉ có thể sử dụng trong thời gian ngắn. Trong trường hợp số người sử dụng tăng thì phải đợi truyền dẫn lâu hơn. Thực tế quá trình lập biểu gói là sự kết hợp của hai phương pháp trên. Lập biểu phân chia theo thời gian Khi bộ lập biểu phân chia thời gian phân bổ các tốc độ gói, cần xét đến hiệu năng vô tuyến. Thông thường các dịch vụ tốc độ bit cao đòi hỏi ít năng lượng bit hơn, vì thế phân chia theo thời gian có ưu điểm là Eb/No thấp hơn. Ngoài ra thời gian trễ trung bình trong phương pháp này là ngắn hơn so với phương pháp phân chia theo mã. Nhược điểm chính của phương pháp phân chia thời gian là : - Thời gian truyền dẫn ngắn trong khi việc thiết lập và giải phóng kết nối đòi hỏi thời gian dài thậm chí đến vài khung. - Việc sử dụng phân bổ theo thời gian bị hạn chế bởi dải tốc độ cao do hạn chế công suất của MS ở đường lên. - Phương pháp này sử dụng các tốc độ bit cao và tạo ra lưu lượng dạng cụm, điều này dẫn đến sự thay đổi cao ở các mức nhiễu so với lập biểu phân chia theo mã. B. Lập biểu phân chia theo mã Trong lập biểu phân chia theo mã tất cả người sử dụng được ấn định một kênh khi họ cần chúng. Nếu nhiều người sử dụng gói yêu cầu lưu lượng thì tốc độ bit phải thấp hơn ở lập biểu theo thời gian. Các ưu điểm chính của phương pháp này là : - Trong lập biểu phân chia theo mã, việc thiết lập và giải phóng sẽ gây ra ít tổn thất dung lượng hơn do tốc độ bit thấp và thời gian truyền dẫn lâu hơn. Do tốc độ bit thấp việc phân bổ tài nguyên ở lập biểu gói phân chia theo mã đòi hỏi nhiều thời gian hơn ở lập biểu gói phân chia theo thời gian. Điều này cho phép dự báo được mức nhiễu. - Lập biểu phân chia theo mã có thể là tĩnh hoặc động. Trong lập biểu tĩnh, tốc độ bit được phân bổ duy trì cố định trong suốt thời gian kết nối. Trong lập biểu động, tốc độ bit có thể thay đổi để phù hợp với lưu lượng gói. - Phương pháp lập biểu này đòi hỏi các khả năng của MS thấp hơn. Kết luận: Công nghệ điện thoại di động phổ biến GSM đang gặp nhiều cản trở và sẽ sớm bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến hơn.Các ứng dụng truyền thông hữu ích như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao... cùng nhiều ứng dụng dịch vụ viễn thông tiên tiến khác đang được triển khai thực hiện trên mạng di động 3G. Theo các chuyên gia trong ngành viễn thông, đường tới 3G của GSM là WCDMA. Nhưng trên con đường đó, các nhà khai thác dịch vụ điện thoại di động phải trải qua giai đoạn 2,5G. Thế hệ 2,5G bao gồm những gì? Đó là: dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS và Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE). Với sự giúp đỡ của hệ thống quản lý mạng ta có thể phân tích hiệu năng quá khứ, hiện tại và tương lai. Ta có thể phân tích hiệu năng của các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến và các thông số của chúng bằng cách sử dụng các kết quả của chỉ thị hiệu năng chính. Trong giai đoạn đầu của quá trình xây dựng mạng W-CDMA chỉ có một số thông số là được điều chỉnh tự động và vì thế cần phải duy trì quá trình tối ưu hóa của hệ thống GSM. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access - truy cập dữ liệu kết nối tín hiệu từ vệ tinh tới trạm mặt đất tốc độ cao) là gói dịch vụ cải tiến từ chuẩn WCDMA với khả năng tải dữ liệu lên đến 8 - 10 Mb/giây.HSDPA là giao diện vô tuyến gói UMTS mới trong đó một kênh chung chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DS) được chia sẻ bởi nhiều người dùng khác nhau. Trong khuôn khổ đề tài, em đã chưa giải quyết hoàn chỉnh vấn đề tối ưu cho mạng CDMA băng rộng, nếu có điều kiện thì HSDPA là hướng đi tiếp của đề tài