Công nghệ WCDMA và giải pháp nâng cấp mạng GSM lên WCDMA

ốc độ truyền dữ liệu trong EDGE người ta sử dụng kỹ thuật điều chế 8PSK thay thế cho GMSK trong GSM. Dạng tín hiệu điều chế của 8PSK : Trong đó : wo : Tần số góc sóng mang. ES : Năng lượng tín hiệu. T : Chu kỳ tín hiệu. A : Hằng số. Giản đồ tín hiệu điều chế : I Q I Q GMSK 8PSK - Cấu hình đài t nh đài trạm. Hình 3.1212. Giản đồ tín hiệu hai loại điều chế Sử dụng điều chế 8PSK có tốc độ bit gấp ba lần tốc độ bit của điều chế GMSK, do đó tốc độ truyền dữ liệu của EDGE gấp ba lần so với GSM. Tuy nhiên điều chế 8PSK trong EDGE thay đổi theo thời gian nên việc thiết kế các bộ khuếch đại rất phức tạp. Hiệu suất công suất của điều chế 8PSK chỉ bằng 4/7 của điều chế GMSK nên công suất của máy thu phát EDGE phải lớn gần gấp đôi so với GSM. Điều này ảnh hưởng đến việc chế tạo thiết bị đầu cuối và các trạm thu phát công suất nhỏ như Micro BTS, Pico BTS... Do phần lớn các dịch vụ tốc độ cao đều nằm ở đường xuống nên đế hạn chế tính phức tạp cho máy máy đầu cuối, người ta đã đưa ra giải pháp : đường lên sẽ phát tín hiệu sử dụng điều chế GMSK nhằm hạn chế tính phức tạp cho máy đầu cuối còn đường xuống sử dụng điều chế 8PSK. 3.5.3.Giao tiếp vô tuyến Trong công nghệ EDGE ngoài việc thay thế kỹ thuật điều chế, các thông số vật lý khác của giao diện vô tuyến tương tự như trong GSM. Thủ tục vô tuyến của EDGE chính là các thủ tục được sử dụng trong GSM/GPRS. Điều này hạn chế tối thiểu việc xây dựng thêm các thủ tục mới cho EDGE. Tuy nhiên để hỗ trợ cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao, một vài thủ tục sẽ được thay đổi cho phù hợp. Có hai dạng truyền dữ liệu của EDGE cần xem xét là : truyền chuyển mạch gói và truyền chuyển mạch kênh. 3.5.3.1.Truyền dẫn chuyển mạch gói EDGE – EGPRS Hiện tại GPRS cung cấp tốc độ truyền dữ liệu từ 9,6Kbps đến 21,4Kbps cho một khe thời gian. EDGE sẽ cho phép truyền với tốc độ từ 11,2Kbps đến 59,2Kbps cho một khe thời gian và nếu ghép nhiều khe sẽ cho tốc độ truyền tối đa là 384Kbps. Để đảm bảo tốc độ truyền cũng như bảo vệ thông tin, thủ tục kiểm soát kênh vô tuyến LLC trong EDGE sẽ có một số thay đổi cơ bản xoay quanh việc cải tiến mẫu RLC về sự tương hợp đường kết nối và gia tăng tốc độ dự phòng. Sự tương hợp đường kết nối là việc lựa chọn mô hình điều chế và mã hóa để phù hợp với chất lượng đường truyền vô tuyến. Sự gia tăng tốc độ dự phòng cũng là một biện pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ. Tương ứng với mỗi mẫu mã hóa, thông tin sẽ được thiết lập và gởi đi với mã hóa ít nhất để đạt tốc độ cao nhất. Tuy nhiên nếu ở bộ phận giải mã bị sai, nhiều bit mã sẽ được thêm vào và gởi cho đến khi nào việc giải mã thành công. Dĩ nhiên, việc thêm mã sẽ làm cho tốc độ truyền giảm và trễ truyền dẫn tăng. EGPRS cung cấp mẫu tương hợp kết nối và gia tăng dự phòng để làm cơ sở cho việc đo lường chất lượng đường truyền nhằm đảm bảo việc khai thác dịch vụ truyền dẫn với độ trễ ngắn hơn và giảm yêu cầu bộ nhớ. 3.5.3.2.Truyền dẫn chuyển mạch kênh EDGE – ECSD Chuẩn GSM hiện tại có thể cung cấp truy nhập vô tuyến truyền dẫn trong suốt và không trong suốt. Truyền trong suốt yêu cầu tốc độ bit cố định hàng dãy từ 9,6 đến 64 Kbps, còn truyền không trong suốt thay đổi từ 4,8 đến 57,6Kbps. Tốc độ thực tế của truyền không trong suốt phụ thuộc vào chất lượng kênh và kết quả của việc truyền lại khi sai sót. EDGE không ảnh hưởng gì đến việc truyền này trong hệ thống chuyển mạch GSM nên tốc độ bit cũng không thay đổi. Tuy nhiên các thành phần trong mã hóa kênh sẽ có một số thay đổi để có tốc độ cao hơn. Trong tương lai khi EDGE sử dụng dịch vụ thời gian thực thông qua giao thức internet thì sẽ có tác động mạnh không những trên truy nhập vô tuyến mà cả trên trường chuyển mạch truyền thống. 3.5.4.Các kế hoạch cần thực hiện khi áp dụng EDGE trên mạng GSM EDGE chủ yếu tác động đến phần truy xuất vô tuyến của mạng GSM cụ thể là ở trạm thu phát vô tuyến gốc BTS, đài kiểm soát gốc BSC nhưng không ảnh hưởng đến các ứng dụng và giao tiếp dựa vào chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Các giao tiếp đang tồn tại được giữ lại thông qua trung tâm chuyển MSC và các node hỗ trợ GPRS (SGSN, GGSN). Trong EDGE tốc độ bit sẽ được tăng lên đến 384Kbps. Tốc độ này chủ yếu ảnh hưởng đến giao tiếp không gian cụ thể là làm giảm khả năng phân tán thời gian và vận tốc di chuyển của máy đầu cuối. Mặt khác giao tiếp A-bis giữa trạm thu phát và BSC trong GSM chỉ đạt tốc độ 16Kbps, với EDGE tốc độ này phải đạt đến 64Kbps nên phải gán nhiều khe thời gian cho kênh thoại. Để giải quyết vấn đề này ta có thể sử dụng mã hóa kênh CS3, CS4 cho phép đạt đến tốc độ 28,8Kbps. Trong giao tiếp giữa MSC và BSC tốc độ cho phép là 64Kbps nên MSC không cần có sự thay đổi. Các node chuyển mạch gói của GPRS là SGSN và GGSN sử dụng các giao thức chuyển mạch gói sẽ không ảnh hưởng đến tốc độ cao của EDGE nên cũng không cần thay đổi cả phần cứng lẫn phần mềm. Tóm lại, do thay đổi cách điều chế để tăng tốc độ truyền nên việc thay đổi các phần tử trong mạng GSM để tương thích với EDGE chủ yếu xảy ra ở các máy đầu cuối, trạm thu phát gốc BSS. Các hệ thống chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói như MSC, SGSN, GGSN sẽ không cần phải thay đổi. Để có thể thực hiện EDGE trên mạng GSM hiện tại, việc cần thiết là phải tiến hành từng bước thông qua các kế hoạch phủ sóng, kế hoạch tần số, quản lý kênh, điều khiển công suất … để không làm ảnh hưởng đến việc khai thác. 3.5.4.1.Kế hoạch phủ sóng (Coverage Planning) Trong EDGE, nếu tỷ lệ sóng mang trên nhiễu thấp sẽ không làm rớt mạch như trong GSM mà chỉ làm giảm tạm thời tốc độ truyền dữ liệu EDGE. Một tế bao EDGE sẽ đồng thời phục vụ cho nhiều người sử dụng với tốc độ yêu cầu khác nhau. Tốc độ bit trong trung tâm tế bào sẽ cao và bị giới hạn ở biên tế bào. 3.5.4.2.Kế hoạch tần số (Frequency Planning) Hiện nay mạng GSM đang dùng mẫu sử dụng lại tần số 4/12. Tuy nhiên việc áp dụng các tính năng nhảy tần, mẫu đa sử dụng lại tần số MRP và truyền không liên tục DTX thì thông số sử dụng lại có thể thấp hơn hoặc là 3/9. Đối với EDGE nhờ kỹ thuật tương hợp đường kết nối nên vẫn có thể sử dụng mẫu tần số 3/9 vì việc ảnh hưởng tỉ số nhiễu cùng kênh không tác động lớn đến chất lượng mạng. 3.5.4.3.Điều khiển công suất Các hệ GSM hiện nay đang sử dụng tính năng điều khiển công suất tự động ở máy đầu cuối và trạm thu phát vô tuyến gốc BTS. Tính năng này cho phép giảm công suất khi thuê bao tiến lại gần trạm và tăng công suất khi thuê bao rời xa trạm hay có vật cản giữa máy đầu cuối và trạm BTS. Việc tự động điều chỉnh công suất sẽ làm tăng tuổi thọ hệ thống và pin máy đầu cuối đồng thời nâng cao chất lượng cuộc gọi do cân bằng công suất đường lên và đường xuống cũng như hạn chế nhiễu giao thoa giữa hai kênh kế cận. EDGE cũng hỗ trợ chức năng này mặc dù có thể có một số điểm khác biệt so với GSM. 3.5.4.4.Quản lý kênh Sau khi đưa vào sử dụng EDGE, một số tế bào sẽ bao gồm hai kiểu thu phát : GSM chuẩn và EDGE. Mỗi kênh vật lý trong tế bào có thể là : - Thoại GSM và dữ liệu chuyển mạch kênh. - Dữ liệu gói GPRS. - Dữ liệu chuyển mạch kênh EDGE ECSD. - Dữ liệu gói EDGE, cho phép hỗn hợp giữa GPRS và EGPRS. Kết luận chương 3: Trong GPRS tốc độ truyền dữ liệu không phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu của từng kênh cụ thể mà có thể thay đổi. Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian để đạt được tốc độ hơn 100kbps. Tuy nhiên đây là tốc độ cực đại, nếu nhiều người sử dụng thì tốc độ bit sẽ thấp hơn. Giao diện vô tuyến GPRS sử dụng các tính năng cơ bản của giao diện vô tuyến GSM. Như vậy cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều có thể sử dụng cùng sóng mang. Tuy nhiên mạng đường trục của GPRS được thiết kế sao cho nó không phụ thuộc vào giao diện vô tuyến. Chương 3 này giới thiệu về dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) và dịch vụ vô tuyến gói chung nâng cao (EDGE). Các giải pháp kỹ thuật trong bước tiến triển từ GSM sang GPRS và hiệu quả đạt được. Giải pháp GPRS cho mạng GSM Việt Nam.Chương tiếp theo sẽ trình bày về công nghệ WCDMA CHƯƠNG 4 CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA Giới thiệu chương Công nghệ EDGE là một bước cải tiến của chuẩn GPRS để đạt tốc độ truyền dữ liệu theo yêu cầu của thông tin di động thế hệ ba. Tuy nhiên EDGE vẫn dựa trên cấu trúc mạng GSM, chỉ thay đổi kỹ thuật điều chế vô tuyến kết hợp với dịch vụ chuyển mạch vô tuyến gói chung (GPRS) nên tốc độ vẫn còn hạn chế. Điều này gây khó khăn cho việc ứng dụng các dịch vụ truyền thông đa phương tiện đòi hỏi việc chuyển mạch linh động và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn. Để giải quyết vấn đề này, giải pháp đưa ra là nâng cấp EDGE lên chuẩn di động thế hệ ba W-CDMA. W-CDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ ba (3G) 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 4.1 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… 4.1.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 4.3. 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. 4.1.1.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 4.5. Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến của UTRAN 4.1.1.1.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. 4.1.1.2.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. - Hõ trợ kênh lưu lượng chung. - Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu. 4.1.1.3.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. - Xữ lý các kênh riêng và kênh chung. - Xữ lý kết hợp chuyển giao. - Quản lý sự cố kết nối vô tuyến. 4.2.Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA 4.2.1.Mã hóa 4.2.1.1.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). — Nguyên lý hoạt động : Bước 1 : Cổng đóng cho thông tin qua mạch, k chử 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. — 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 vẽ 4.6. Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh g(x) = 1 + g1x + g2x2 + ...+ gn-k-1xn-k-1 + xn-k Cổng Cổng Cổng Cổng 4.2.1.2.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. 4.2.1.3.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. 4.2.2.Điều chế BIT/SK và QPSK 4.2.2.1.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 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 4.7. 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: Ta có : Khoảng cách giữa hai tín hiệu : 0 Hình 4.8 – Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSK Xác suất lỗi trong BPSK: Với : Eb là năng lượng của bit . N0 mật độ xác suất nhiễu trắng. 4.2.2.2.Điều chế QPSK Tín hiệu điều chế QPSK có dạng: 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 : Nếu ta chọn Q1và Q2 là các hàm năng lượng cơ sở trực giao chuẩn : 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 : 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. 4.3.Trải phổ trong W-CDMA 4.3.1.Giới thiệu 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. 4.3.2.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 Rb = 1/Tb 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 4.9. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 4.3.3.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 4.10. 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). 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) (*) 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) Áp dụng công thức (*), ta có : Si(m) = g1.Si-1(m) + g2.Si-2(m) + …+ Si-m(m) 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 Hay : Ci+m = g1.Ci+m-1 + g2.Ci+m-2 + …+ Ci 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 4.11. 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 4.4.Truy nhập gói 4.4.1.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. 4.4.2.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. Phiên dịch vụ gói Cuộc gọi gói Thời gian đọc Thời gian Kích thước gói Hình 4.26. Đặc trưng của một phiên dịch vụ gói - 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. 4.4.3.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. 4.4.3.1.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 ngăn 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. 4.4.3.2.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 độngs, 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. 4.5.Quy hoạch mạng WCDMA Mở đầu Quá trình lan truyền tín hiệu từ trạm gốc BTS đến máy di động MS, công suất tín hiệu bị suy hao do môi trường truyền dẫn, tạp nhiễu từ những thiết bị khác, tạp nhiễu bản thân thiết bị... Phần này trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền lan tín hiệu, đưa ra mô hình tính suy hao đường truyền, sơ đồ mức tín hiệu tính toán đường truyền, dung lượng mạng 4.5.1 Suy hao đường truyền trong quá trình truyền lan tín hiệu Các điều kiện đường truyền dẫn rất quan trọng trong việc thực hiện thiết bị đầu cuối cũng như thiết kế cấu hình ô. Trong số ba thành phần của điều kiện truyền dẫn, suy hao đường truyền do khoảng cách, pha đinh che chắn, pha đinh đa đường thì suy hao đường truyền do khoảng cách và pha đinh che chắn xác định cấu hình ô và ước lượng vùng phủ sóng. Thành phần pha đinh đa đường, yếu tố làm thay đổi mức tín hiệu thu một cách nhanh chóng, ảnh hưởng tới các thiết kế thiết bị đầu cuối, bao gồm việc lựa chọn các kỹ thuật bù pha đinh. 4.5.1.1. Tạp âm và can nhiễu Tạp âm và can nhiễu giới hạn rất nhiều dải hoạt động của các thiết bị vô tuyến. Trong các hệ thống đa người dùng hay những hệ thống vô tuyến dùng chung một băng thông thì vấn đề này lại càng quan trọng. Để đảm bảo việc thiết kế hệ thống với mức tín hiệu thu có thể chấp nhận được, người ta phải biết rõ đặc tính tạp âm và nhiễu và từ đó đưa ra các phương pháp đánh giá được chất lượng của hệ thống và toàn tuyến thông tin. 4.5.2. Mô hình tính suy hao đường truyền 4.5.2.1. Mô hình Hata - Okumura Mô hình này là quan hệ thực nghiệm được rút ra từ báo cáo kỹ thuật của Okumura cho phép sử dụng các kết quả vào các công cụ tính toán. Báo cáo của Okumura bao gồm một chuỗi các lưu đồ được sử dụng để lập mô hình thông tin vô tuyến. Dựa trên các đo lường được thực hiện bởi Y.Okumura ở Tokyo tại tần số 1920 MHz, các đo lường này vừa khớp với mô hình toán học của M.Hata. Trong mô hình này, ban đầu suy hao đường truyền được tính bằng cách tính hệ số điều chỉnh anten cho các vùng đô thị là hàm của khoảng cách giữa trạm gốc, trạm di động và tần số. Hệ số này được đưa vào suy hao không gian tự do. Kết quả được điều chỉnh bằng các hệ số cho độ cao anten trạm gốc và trạm di động. Ngoài ra, các hệ số điều chỉnh được cấp cho hướng phố, các vùng ngoại ô, các vùng mở và các địa hình không đều. Mô hình chỉ áp dụng cho 4 thông số thỏa điều kiện: ● Tần số sóng mang fc : 150 ÷ 1500 (Mhz) ● Khoảng cách từ trạm gốc d : 1 ÷ 20 (km) ● Độ cao anten trạm gốc hb : 30 ÷ 200 (m) ● Độ cao anten trạm di động hm : 1 ÷ 10 (m) Tuỳ theo từng vùng phục vụ khác nhau, suy hao tuyến Lp tương ứng mỗi vùng khác nhau. - Vùng thành phố: Lp(dB) = 69,55 + 26,16lgfc + (44,9 – 6,55lghb)lgr – 13,82lghb - a(hm) (4.1) Trong đó: a(hm) là hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB) được tính trong 2 trường hợp khác nhau: + Đối với thành phố nhỏ và trung bình: a(hm) ={ a(hm) (dB)= (1,11lgfc -0,7)hm – (1,56lgfc – 0,8) (4.2) + Đối với thành phố lớn: 8.29[lg(1,54hm)]2 – 1,1 (fc ≤ 200 MHz) [dB] (4.3) 3,2[lg11,75hm)]2 – 4,97 (fc ≥ 400 MHz) [dB] (4.4) Như vậy bán kính cell được tính : (4.5) - Vùng ngoại ô: Với vùng ngoại ô hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố là: Lno (dB)= Lp - 2 (4.6) - Vùng nông thôn: Với vùng nông thôn hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố là: Lnt(dB) = Lp – 4,78.(lgfc)2 +18,33(lgfc) - 40,94 (4.7) Các phép đo của Okumura chỉ đúng cho các kiểu toà nhà ở Tokyo và cần có số liệu để có khả năng dự đoán các nhân tố môi trường trên cơ sở tính chất vật lý của các toà nhà xung quanh máy thu di động. Ngoài ra, do kỹ thuật Okumura dùng để hiệu chỉnh mặt đất bất thường và các đặc điểm khác của đường truyền cụ thể nên cần có các diễn giải thiết kế. Điều này làm cho mô hình Hata-Okumura không phù hợp cho việc sử dụng máy tính. 4.5.2.2 Mô hình Walfisch-Ikegami (hay COST 231) Hình 4.2 Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami. Mô hình Walfisch-Ikegami chứa 3 phần tử: tổn hao không gian tự do, nhiễu xạ mái nhà và tổn hao tán xạ, tổn hao do nhiều vật chắn. Các thông số đưa vào công thức mô hình được giới thiệu ở hình 4.2. Trong đó: w: bề rộng đường phố (m) b: cự ly giữa các dãy nhà phố chắn đường truyền sóng (m) : góc tới của sóng trên mặt phẳng phương vị so với trục đường h: chiều cao anten trạm di động (m) h: chiều cao anten trạm gốc (m) d: khoảng cách trạm di động và trạm gốc (m) hr: chiều cao toà nhà (m) Mô hình chỉ áp dụng cho 4 thông số thỏa điều kiện: ● Tần số sóng mang fc : 800 ÷ 2000 (Mhz) ● Khoảng cách từ trạm gốc d : 0,02 ÷ 5 (km) ● Độ cao anten trạm gốc h : 4 ÷ 50 (m) ● Độ cao anten trạm di động h: 1 ÷ 3 (m) Các biểu thức sử dụng cho mô hình như sau: (4.8) Trong đó: Lf : là tổn hao không gian tự do, được xác định: Lf (dB) = 32,4 +20lgr + 20lgfc (4.9) Lrts: là nhiễu xạ mái nhà - phố và tổn hao tán xạ, được xác định: Lrts (dB) = (-16,7) -10lgW + 10lgfc + 20lg∆h + Lo (4.10) với: ∆h= hr - h (m) Lo là sai số do tán xạ và nhiễu xạ, được xác định bởi: Lmsd: là tổn hao các vật che chắn, được xác định: Lmsd = Lbsh + ka + kdlgr + kflgfc – 9lgb (4.11) với: với thành phố lớn. với thành phố trung bình. Với trường hợp tia nhìn thẳng (LOS): Lp (dB) = 42,6 + 26lgr + 20lgfc (2.12 ) Với trường hợp tia không nhìn thẳng (NLOS): Lp(dB) = 32,4 + 20lgr + 20lgfc + Lrts + Lmsd (4.13) Như vậy bán kính cell tính theo mô hình Walfisch – Ikegami là : (4.14) Có thể sử dụng các giá trị mặc định sau cho mô hình: b = 20 ÷ 50m; W = b/2; Ф = b/2; hr = 3 x (số tầng) + h với: h= 3 m cho nóc nhà có độ cao, 0 m cho nóc nhà phẳng. Ta tính toán tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfisch-Ikegami theo các số liệu dưới đây và so sánh kết quả: fc = 880 MHz hr = 30 m hm = 1,5 m Ф = 90 độ hb = 30 m b = 30 m nóc nhà = 0 m W = 15 m Tổn hao đường truyền dự đoán theo mô hình Hata thấp hơn 13-16 dB so với mô hình Walfisch-Ikegami. Tuy nhiên, mô hình Hata bỏ qua ảnh hưởng của độ rộng đường phố, nhiễu xạ phố và các tổn hao tán xạ. Các ảnh hưởng này được xét đến ở mô hình Walfisch-Ikegami. Mô hình Walfisch-Ikegami sẽ được sử dụng cho phương án tính toán thiết kế vì mô hình này thích hợp với điều kiện với môi trường đô thị Việt Nam, tính toán dễ dàng bằng chương trình trên máy tính. Khoảng cách Tổn hao đường truyền (dB) Mô hình Hata Mô hình Walfisch-Ikegami 1 2 3 4 5 126,16 136,77 142,97 147,37 150,79 139,45 150,89 157,58 162,33 166,01 Bảng 4.1 So sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfisch-Ikegami Vùng phủ sóng sẽ được tính toán dựa trên diện tích cần phủ sóng và bán kính của cell bằng cách áp dụng mô hình Walfisch-Ikegami. Chất lượng dịch vụ và dung lượng phục vụ của hệ thống sẽ tính toán dựa trên phương trình tính dung lượng cực của đường truyền hướng lên. Từ đó sẽ tính toán được số trạm BTS cần thiết để đáp ứng dung lượng của hệ thống. 4.5.2.3 Quan hệ giữa suy hao đường truyền dẫn và vùng phủ sóng 200 1000 180 160 140 120 Chiều cao antenBS:100m Chiều cao anten MS: 1,5m 1,5 GHz 900 MHz 450 MHz 1 10 100 Khoảng cách (km) Hình 4.3 Quan hệ giữa suy hao đường truyền dẫn và vùng phủ sóng Hình 4.3 cho thấy quan hệ giữa suy hao đường truyền truyền sóng và khoảng cách thu được bởi công thức Hata - Okumura, trong đó giả thiết độ cao anten của BS và MS tương ứng là 100m và 1,5m. Sử dụng sơ đồ này, có thể tính được một khoảng cách mà suy hao đường truyền Llà 50%. 4.5.2.4. Một số khái niệm cần quan tâm - Đơn vị lưu lượng Erlang: Một đơn vị lưu lượng Erlang là một mạch thông tin hoạt động trong một giờ. - Cấp phục vụ (G0S): Đại lượng biểu thị số % cuộc gọi không thành công đối với hệ thống tiêu hao còn trong hệ thống đợi G0S là số % thuê bao thực hiện sự gọi trở lại. Đối với hệ thống hoạt động bình thường, cấp phục vụ được đánh giá bằng xác suất tắc nghẽn là 0,02 khi khởi tạo cuộc gọi trong giờ cao điểm. Đây là giá trị trị trung bình. - Diện tích cell: sau khi tính được bán kính cell ta có thể xác định diện tích cell theo bảng sau Loại cell Diện tích cell Diện tích sector Tròn πR2 πR2/3 Lục giác 2.598R2 2.598R2/3 Bảng 4.2: Công thức tính diện tích cell - BHCA (Busy Hour Call Attempts): Số lần gọi của thuê bao trong giờ cao điểm - Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao: Giả thiết về hệ thống mà các thuê bao không hề gọi lại khi cuộc gọi không thành công. - Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu đợi: Giả thiết về hệ thống mà các thuê bao sẽ kiên trì gọi lại cho đến khi thành công. - Vùng phủ sóng: Hệ thống phải phục vụ một vùng nhất định. Tuy nhiên do địa hình phức tạp nên độ phủ sóng không được 100% với 2 lý do: + Công suất phát xạ phải rất mạnh để các máy thu ở địa điểm bị chắn khuất vẫn làm việc được. Như vậy giá thành thiết bị phải lớn và giá cước của thuê bao phải cao. + Công suất phát càng lớn thì càng khó kiểm soát sự giao thoa sóng giữa các máy thu phát cùng một tần số ở các cell lân cận. Việc tái sử dụng lại tần số là một đặc thù của mạng cellular. Khi số thuê bao tăng thì ta chia nhỏ thêm các cell và muốn có nhiều thuê bao được dùng chung một tần số thì công suất phải giảm nhỏ thích hợp. Vì vậy các hệ thống thông tin cố gắng bao phủ 90% diện tích trong vùng bằng phẳng và 75% diện tích trong vùng đồi núi hoặc có nhiều vật che khuất. - Tăng ích khi chia sector: là thông số bổ chính về mức can nhiễu tăng lên do các sector khác gây nên cho sector xét. Gọi là tăng ích khi chia sector vì việc tăng sector làm tăng số người dùng. Khi số sector ở một mặt bằng tăng lên, thì mỗi sector nhỏ đi làm giảm can nhiễu mỗi sector gây ra cho sector khác. Nhưng số sector gây nhiễu cho sector xét lại tăng lên. - Mật độ dân số: Đây là một đơn vị để xác định số lượng khách hàng tiềm năng có thể sẽ sử dụng dịch vụ trên một đơn vị diện tích. 4.5.3. Dung lượng kết nối vô tuyến Hệ thống CDMA có lợi thế hơn hẳn so với các hệ thống khác như FDMA, TDMA đó là khả năng mở rộng dung lượng thuê bao. Dung lượng của hệ thống CDMA phụ thuộc vào điều kiện địa lý, mức nhiễu, các đặc tính truyền sóng và một số điều kiện khác. Để thiết kế tính toán số kênh của hệ thống WCDMA ta dùng phương pháp sau: + Tỷ số năng lượng tín hiệu trong mỗi bit với mật độ phổ công suất nhiễu (Eb/No) quyết định đặc tính kết nối giữa trạm gốc và đầu cuối . Mức tạp âm là sự kết hợp của tạp âm nền và nhiễu gây ra bởi đầu cuối của hệ thống khác. Vì vậy số lượng cuộc gọi đồng thời trong mỗi sector hoặc ô bị hạn chế bởi tỷ số Eb/No. Giới hạn của kênh lưu lượng vật lý kết nối giữa trạm gốc và trạm đầu cuối tính theo công thức sau: N = (4.15) Trong đó: : Tăng ích dải quạt hóa là tỷ số trong điều kiện điều khiển công suất không hoàn hảo. = (4.16) Với: : Hằng số có giá trị 0,1ln10 : Phương sai điều khiển công suất W : Độ rộng dải tần sóng mang (Hz) R :Tốc độ truyền (bps) : Hệ số tích cực thoại f : tỷ số năng lượng nhiễu từ cell khác đến cell xét Giá trị N thay đổi phù hợp với các giá trị giả định của mỗi tham số. Vậy N tuỳ thuộc vào phương pháp và giả định tính toán để đánh giá hiệu năng có thể ứng dụng được trong môi trường hoạt động. Giá trị tính toán N ở trên là số lượng kênh lớn nhất có thể cho phép sử dụng để kết nối đồng thời giữa đầu cuối và sector hoặc Ommi-Cell trong trường hợp không có chuyển vị mềm. Do đó số lượng kênh lưu lượng hoạt động trong mỗi sóng mang WCDMA được tính như sau: Ns = N x tải của ô (cell) (4.17) 4.5.4 Suy giảm đường truyền lớn nhất cho phép Suy giảm đường truyền lớn nhất cho phép xác định như sau: La = Pm – Pmin + Gb – Lc – Lb – Lh (4.18) Với : Pmin = N0 + Fb + (Eb/N0’)req + 10lgB. Trong đó : La : Tổn hao đường truyền cho phép. Pm : Công suất phát xạ hiệu dụng của MS. Pmin : Cường độ tín hiệu tối thiểu yêu cầu. Gb : Hệ số khuếch đại của Anten phát BS. Lc : Tổn hao cáp Anten thu BS. Lb : Tổn hao cơ thể. Lh : Tổn hao truy nhập tòa nhà. B : Tốc độ bit (Bps) N0 : Tạp âm nền của BS. Fb : Hệ số tạp âm máy thu. Eb/N0’ : Độ dự trữ cần thiết của anten phát BS. 4.5.5.Tối ưu mạng Tối ưu mạng là quá trình phân tích cấu hình và hiệu năng mạng nhằm cải thiện chất lượng mạng tổng thể và đảm bảo tài nguyên của mạng được sử dụng một cách có hiệu quả. Giai đoạn đầu của quá trình tối ưu là định nghĩa các chỉ thị hiệu năng chính. Chúng gồm các kết quả đo ở hệ thống quản lý mạng và số liệu đo thực tế để xác định chất lượng dịch vụ. 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 hệ thống thông tin di động thế hệ ba việc tối ưu hóa mạng rất quan trọng vì mạng thế hệ ba cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng. Điều chỉnh tự động phải cung cấp câu trả lời nhanh cho các điều khiển thay đổi lưu lượng trong mạng. 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 Kết luận chương 4 Trong tính toán thực tế, ngoài việc lấy một số tham số của nhà cung cấp thiết bị, một phần lớn các tham số khác còn lấy theo các giá trị điển hình. Điều này dẫn đến kết quả thiết kế dừng ở mức định cở mạng sơ bộ. Tuy nhiên, trong thực tế việc triển khai một hệ thống thống tin (lắp mới hoặc mở rộng) luôn cần có thêm bước hiệu chỉnh, tối ưu mạng sau khi lắp đặt, chạy thử dựa trên các kết quả đo đạt thực tế. Ngoài ra, việc tính toán sử dụng mô hình Walfisch-Ikegami chưa tính đến các tổn hao do cây cối và kết quả chỉ tính cho dịch vụ thoại mà chưa tính cho dịch vụ truyền dữ liệu, đồng thời việc quy hoạch theo dung lượng chưa đảm bảo tối ưu về phương diện vùng phủ. . PHẦN MÔ PHỎNG Phần này giới thiệu lưu đồ thuật toán mô phỏng - tính toán các bước quy hoạch mạng di động và cùng các cửa sổ giao diện chương trình mô phỏng viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 6.0. 1. Lưu đồ tính toán 1.1.Lưu đồ thuật toán tổng quát Sai Bắt đầu Thực hiện tính toán Kiểm tra thông số nhập Đúng In kết quả Kết thúc Nhập các thông số yêu cầu Bắt đầu - Tính bán kính Cell - Tính diện tích Cell In kết quả Kiểm tra thông số nhập Sai Đúng Kiểm tra thông số nhập Sai Đúng Tính suy hao đường truyền cho phép đối với vùng phủ của cell In kết quả Nhập các thông số truyền sóng (chọn mô hình truyền sóng Walfisch-Ikegami cho Tp nhỏ và trung bình) Nhập: - Thông số truyền dẫn - Thông số trạm BTS - Thông số trạm MS 1.2.lưu đồ thuật toán chi tiết 2. Kết quả chương trình 2.1.Giao diện chính 2.2.Tính suy hao đường truyền : 2.3. Tính kích thước Cell : 2.4. Tính dung lượng kênh : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trước sự bùng nổ về nhu cầu truyền thông không dây cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ, công nghệ GSM đang được phát triển để có thể hỗ trợ và đáp ứng. Tuy nhiên, tốc độ của mạng GSM hiện thời vẫn còn quá chậm và không đáp ứng được, điều này đòi hỏi các nhà khai thác phải có được công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và tốt hơn. Việc sử dụng hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) sẽ nâng được tốc độ dữ liệu trên mạng GSM lên đến 57.6KBps, tuy nhiên công nghệ này vẫn chưa đáp ứng thích đáng yêu cầu về mặt kỹ thuật. Giải pháp GPRS, EDGE trên mạng GSM và sau đó nâng cấp lên W-CDMA là một giải pháp khả thi và thích hợp với các nước đang phát triển như nước ta vì có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng mạng GSM đồng thời có quỹ đầu tư để tiến lên 3G. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS tạo ra tốc độ cao chủ yếu nhờ vào sự kết hợp các khe thời gian, tuy nhiên kỹ thuật này vẫn dựa trên phương thức điều chế GMSK nên hạn chế tốc độ truyền. Giải pháp dịch vụ vô tuyến gói chung nâng cao EDGE đã khắc phục được hạn chế này bằng cách thay thế phương thức điều chế GMSK bằng 8PSK, điều này giúp nâng cao tốc độ của mạng GPRS lên 2 đến 3 lần. Khó khăn chủ yếu liên quan đến các kỹ thuật vô tuyến trên máy đầu cuối do việc thay đổi kỹ thuật điều chế. Tuy nhiên EDGE là vẫn hoạt động dựa trên trên cơ sở chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói hạn chế ở tốc độ 384KBps nên sẽ khó khăn trong việc ứng dụng các dịch vụ đòi hỏi việc chuyển mạch linh động hơn và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn. Lúc này giải pháp đưa ra là nâng cấp lên hệ thống WCDMA. Việc nâng cấp các hệ thống thông tin di động lên thế hệ ba có thể đáp ứng được các yêu cầu hiện tại. Trong tương lai, khi mà công nghệ 3G không đáp ứng được yêu cầu thì công nghệ thông tin di động thế hệ tư là giải pháp tiếp theo với tốc độ lên tới 34Mbps. Điểm mấu chốt trong thông tin di động thế hệ tư là thay đổi phương pháp đa truy cập kinh điển bằng các phương pháp đa truy cập cho hiệu suất cao hơn như phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), đa truy cập phân chia theo cơ hội (ODMA)... Trong khuôn khổ đề tài em tìm hiểu tổng quát giải pháp nâng cấp mạng GSM lên W-CDMA. Do có nhiều chuẩn nâng cấp cũng như nhiều giải pháp nâng cấp của các tập đoàn viễn thông khác nhau nên đề tài chỉ đưa ra được những bước cơ bản nhất trong lộ trình nâng cấp về kiến trúc hệ thống và kỹ thuật vô tuyến số trên cơ sở lý thuyết mà không thể đi sâu vào các giải pháp chi tiết. Đồng thời việc đưa ra giải pháp CDMA băng thông rộng tối ưu cho GSM Việt Nam chưa thực hiện được.