đồ án :AN NINH BÁO HIỆU SIP.Nâng cao hiệu năng hệ thống WCDMA trên cơ sở khai thác các phương pháp phân tập

đồ án :AN NINH BÁO HIỆU SIP.Nâng cao hiệu năng hệ thống WCDMA trên cơ sở khai thác các phương pháp phân tậpĐồ án tập trung vào các phương pháp phân tập cho WCDMA. Theo đó, đồ án được tổ chức và trình bày trong 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động WCDMAĐề cập đến cấu trúc, chức năng đặc điểm của các phần tử trong hệ thống WCDMA, đưa ra kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến và các kênh được tạo nên ở giao diện này. Chương 2: Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyếnTrình bày ngắn gọn khái niệm, các nguyên lý cơ bản và mô hình hoạt động của các kỹ thuật phân tập. Trình bày các định nghĩa cơ bản, cấu trúc và các đặc điểm của các sơ đồ MIMO. Chương 3: Cải thiện hiệu năng WCDMA dựa trên các phương pháp phân tậpTrình bày các kỹ thuật cải thiện hiệu năng cho WCDMA. Phân tích các mô hình phân tập được áp dụng trong hệ thống WCDMA. Từ đó làm sáng tỏ khả năng cải thiện vùng phủ và dung lượng của các phương pháp phân tập. Chương 4: Giải thuật mô phỏng Từ các kết quả đã được trình bày, trong phạm vi khuôn khổ cho phép, đồ án lựa chọn và thực hiện xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng kênh MIMO, cho phép khảo sát hiệu năng dung lượng theo số ăng ten thu phát.Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọc đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo.Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến, khoa Viễn thông I và các bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Khoa viễn thông I

-===***===

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

AN NINH BÁO HIỆU SIP

Người hướng dẫn : Th.S Nguyễn Thanh Trà

Người thực hiện : Dương Văn Tiến

Lớp : D2004VT1

Hà Nội - 2008

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học, kỹ thuật đặc biệt là các lĩnh vực truyềnthông có thể giúp cho con người đơn giản hơn trong xử lý các vấn đề trong cuộc sống.Cùng với sự phát triển đó, yêu cầu của con người cũng không ngừng tăng lên Đó lànhững yêu cầu về sự linh hoạt, tiện lợi trong sử dụng, đa dạng phong phú về loại hìnhdịch vụ, chất lượng và độ an toàn thông tin Thông tin vô tuyến mà đặc biệt là thông tin diđộng là loại hình duy nhất hội tụ được tất cả các yếu tố đó

Như vậy, nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng tăng, điều nàyđồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia tăng, hay nói cách khác tồntại mâu thuẫn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyên vốn có của thông tin vôtuyến Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượngtruyền dẫn phụ thuộc vào môi trường dẫn đến hạn chế trong việc triển khai các dịch vụ

Do đó, một bài toán đặt ra là cần phải nâng cao hiệu năng của hệ thống mà không cầntăng công suất và độ rộng băng tần

Để sử dụng hiệu quả băng tần, phải tăng hiệu suất sử dụng băng tần Một trong nhữnggiải pháp cho vấn đề này là sử dụng công nghệ WCDMA WCDMA được xem là mộtgiải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệthống di động trước đây Công nghệ WCDMA sử dụng các kỹ thuật phân tập để đối phóvới phađinh đa đường và truyền đi thuận lợi bằng đa truyền dẫn và các anten thu Cácphương pháp phân tập có thể cải thiện chất lượng truyền dẫn và tăng dung lượng hệ thốngbằng việc khai thác độ lợi được đưa ra bởi việc lắp đặt anten đa truyền dẫn MIMO là một

kĩ thuật cho phép lợi dụng tính chất phân tập không gian để cải thiện hiệu năng hệ thống.Dựa trên những kiến thức chuyên môn đã lĩnh hội được trong quá trình học tập, cùng

với sự định hướng của thầy ks Nguyễn Viết Đảm, đồ án đã chọn chủ đề nghiên cứu về các phương pháp cải thiện hiệu năng cho WCDMA, cụ thể là: “Nâng cao hiệu năng hệ

thống WCDMA trên cơ sở khai thác các phương pháp phân tập”.

Đồ án tập trung vào các phương pháp phân tập cho WCDMA Theo đó, đồ án được tổchức và trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động WCDMA

Đề cập đến cấu trúc, chức năng đặc điểm của các phần tử trong hệ thốngWCDMA, đưa ra kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến và các kênh được tạonên ở giao diện này

Chương 2: Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến

Trình bày ngắn gọn khái niệm, các nguyên lý cơ bản và mô hình hoạt độngcủa các kỹ thuật phân tập Trình bày các định nghĩa cơ bản, cấu trúc và cácđặc điểm của các sơ đồ MIMO

Chương 3: Cải thiện hiệu năng WCDMA dựa trên các phương pháp phân tập

Trình bày các kỹ thuật cải thiện hiệu năng cho WCDMA Phân tích các môhình phân tập được áp dụng trong hệ thống WCDMA Từ đó làm sáng tỏ khảnăng cải thiện vùng phủ và dung lượng của các phương pháp phân tập

Chương 4: Giải thuật mô phỏng

Từ các kết quả đã được trình bày, trong phạm vi khuôn khổ cho phép, đồ ánlựa chọn và thực hiện xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng kênhMIMO, cho phép khảo sát hiệu năng dung lượng theo số ăng ten thu phát.Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài

liệu của thầy giáo Ks Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong

bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dungđược giao ở mức độ và phạm vi nhất định Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ

án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọcđóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ks Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong

bộ môn Vô tuyến, khoa Viễn thông I và các bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian họctập và làm đồ án

Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2008

Sinh viên thực hiện:

Vũ Minh Ngọc

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU iii

MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN 1

DI ĐỘNG WCDMA 1

1.1 Mở đầu 1

1.2 Cấu trúc và chức năng của các phần tử trong hệ thống WCDMA 3

1.2.1 Cấu trúc hệ thống 3

1.2.2 Chức năng của các phần tử trong hệ thống 4

1.3 Sự phát triển của mạng WCDMA UMTS 7

1.3.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 7

1.3.2 Kiến trúc 3G WCDMA R5 cho vùng đa phương tiện IP 9

1.4 Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến 10

1.4.1 Các giao thức của giao diện vô tuyến 10

1.4.2 Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến 11

1.5 Tóm tắt các kênh của WCDMA 12

1.5.1 Các kênh logic 12

1.5.2 Các kênh truyền tải 13

1.5.3 Các kênh vật lý 15

1.6 Kết luận 19

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 20

2.1 Mở đầu 20

2.2 Phân tập thu 20

2.2.1 Phân tập vĩ mô 21

2.2.2 Phân tập vi mô 22

2.2.2.1 Phân tập không gian 22

2.2.2.2 Phân tập tần số 23

2.2.2.3 Phân tập thời gian 23

2.2.2.4 Phân tập phân cực 24

2.3 Phân tập phát 25

2.3.1 Phân tập phát đa sóng mang 26

2.3.2 Phân tập phát trực giao 27

2.3.3 Phân tập phát không gian – thời gian 27

2.3.4 Phân tập phát chuyển mạch thời gian 28

2.4 MIMO và phân tập 29

2.4.2 Sơ đồ kết hợp thu tỷ lệ cực đại (MRRC) 30

2.4.3 Sơ đồ với Alamouti hai anten phát và một máy thu 32

2.4.4 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu 36

2.4 Kết luận 39

CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CHO WCDMA DỰA TRÊN CÁC PHƯƠNG PHÁP

PHÂN TẬP 40

3.1 Mở đầu 40

3.2 Các kỹ thuật cải thiện vùng phủ 40

3.2.1 Kịch bản giới hạn vùng phủ sóng đường lên và đường xuống 41

3.2.2 Phân tích quỹ đường truyền 42

3.3 Các kỹ thuật cải thiện dung lượng 43

3.3.1 Kịch bản giới hạn dung lượng đường lên và đường xuống 44

3.3.2 Phân tích cân bằng tải 45

3.4 Phân tập thu bậc cao 46

3.4.1 Ảnh hưởng của phân tập thu bậc cao 47

3.4.2 Xem xét thực tế 49

3.5 Phân tập phát 50

3.5.1 Mô hình vòng lặp kín 50

3.5.1.1 Xác định thông tin phản hồi 52

3.5.1.2 Mô hình vòng lặp kín 1 53

3.5.1.3 Mô hình vòng lặp kín 2 54

3.5.2 Mô hình vòng lặp hở 57

3.5.3 Ảnh hưởng của phân tập phát 58

3.5.4 Xem xét thực tế 61

3.6 MIMO trong UTRA FDD 61

3.6.1 Cơ sở toán học 61

3.6.2 Ảnh hưởng của MIMO 62

3.6.3 Một số thuật toán MIMO trong tiêu chuẩn 3G 63

3.6.3.1 Điều khiển tốc độ mỗi ăng ten 63

3.6.3.2 Điều khiển tốc độ nhóm con với hai lần STTD 64

3.6.3.3 Các thuật toán MIMO khác được đề xuất 68

3.6.4 MIMO trong UTRA FDD đường lên 69

3.6.4.1 Mô hình hệ thống 70

3.6.4.2 Các sơ đồ đa ăng ten 70

3.6.4.3 Phân tích 72

3.6.4.4 Vùng phủ tế bào 74

3.6.4.5 Dung lượng tế bào 76

3.7 Kết luận 80

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT VÀ MÔ PHỎNG 81

4.1 Mở đầu 81

4.2 Mô hình tín hiệu 81

4.3 Giải pháp dung lượng kênh MIMO 82

4.4 Các lưu đồ thuật toán 85

4.5 Các kết quả mô phỏng 86

4.8 Kết luận 92

KẾT LUẬN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các phần tử của mạng PLMN 4

Hình 1.3 Kiến trúc mạng phân bố phát hành UMTS R4 8

Hình 1.4 Kiến trúc của phát hành UMTS R5 10

Hình 1.6 Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 15

Hình 1.7 Tổng kết các kiểu kênh vật lý 15

Hình 1.8 Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 18

Hình 1.9 Ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 19

Hình 2.1 Sơ đồ phân tập không gian 22

Hình 2.2 Sơ đồ phân tập tần số 23

Hình 2.4 Sơ đồ phân tập phân cực 24

Hình 2.5 Phân tập phát đa sóng mang 26

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống phân tập phát không gian và thời gian (STTD) 27

Hình 2.7 Nguyên lý của bộ mã hóa STTD 28

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống phân tập phát chuyển mạch theo thời gian 28

Hình 2.9 Kênh SISO 29

Hình 2.10 Kênh MIMO 29

Hình 2.11 MRRC hai nhánh 31

Hình 2.12 Sơ đồ phân tập hai nhánh phát với một máy thu của Alamouti 33

Hình 2.13 Sơ đồ phân tập phát hai nhánh với hai máy thu Alamouti 36

Hình 3.2 Đặc điểm kiến trúc phát đường xuống hỗ trợ phân tập phát vòng lặp kín 51

Hình 3.3 Định dạng bản tin tín hiệu phản hồi 52

Hình 3.4 Quá trình chọn lọc tại UE cho mô hình vòng lặp kín 2 56

Hình 3.5 Sơ đồ mã hóa STTD(a) và giải mã STTD(b) 57

Hình 3.6 Nguyên lý sơ đồ mã hóa phân tập phát không gian – thời gian WCDMA 58

Hình 3.7 So sánh ăng ten phát đơn với phân tập phát vòng lặp hở STTD và phân tập phát vòng lặp kín mô hình 1 60

Hình 3.8 Kiến trúc phát điều khiển tốc độ mỗi ăng ten 64

Hình 3.9 Kiến trúc phát cho hai lần phân tập phát không gian – thời gian 65

Hình 3.10 Máy thu MMSE-SIC cho DSTTD-SGRC 66

Hình 3.11 So sánh thông lượng giữa DSTTD, STTD và SISO 67

Hình 3.12 So sánh thông lượng với số lượng các ăng ten thu khác nhau 68

Hình 3.13 Mô hình hệ thống SIMO và phân tập MIMO 71

Hình 3.14 Công suất thu theo tỉ số mất mát đường và công suất phát cực đại 75

Hình 3.15 Công suất phát dự kiến cho các cấu hình ăng ten khác nhau 77

Hình 3.16 Nhiễu tăng đối với số lượng người sử dụng 64 kbps trong môi trường phađinh Rayleigh phẳng 78

Hình 3.17 Số lượng người sử dụng theo tỉ số nhiễu trong môi trường phađinh Rayleigh phẳng 79Hình 4.1 Giải thuật tạo ma trận kênh MIMO 85Hình 4.2 Giải thuật mô phỏng dung lượng kênh MIMO 86

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh WCDMA và GSM 1

Bảng 1.2 Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA 2

Bảng 1.3 Danh sách các kênh logic 13

Bảng 1.4 Danh sách các kênh truyền tải 14

Bảng 1.5 Danh sách các kênh vật lý 15

Bảng 2.1 Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát hai anten 34

Bảng 2.2 Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu 37

37 Bảng 2.3 Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu 37

Bảng 3.1 Ví dụ về quỹ đường truyền cho một dịch vụ dữ liệu bất đối xứng 41

Bảng 3.2 Các quỹ đường truyền minh họa tác động của tốc độ dữ liệu dịch vụ 42

Bảng 3.3 Kịch bản giới hạn dung lượng đường lên và đường xuống 44

Bảng 3.4 Sự thay đổi trong thông lượng đường lên với dịch vụ trộn 45

Bảng 3.6 Giảm tỉ số Eb/N0 của dịch vụ thoại kết hợp với phân tập thu bậc cao 48

Bảng 3.7 So sánh dung lượng đường lên giữa tế bào phân tập thu bậc cao 4 nhánh và 2 nhánh 48

Bảng 3.9 Đặc điểm của hai mô hình vòng lặp kín 51

Bảng 3.10 Pha điều chỉnh φI, tương ứng các lệnh phản hồi cho khe i của khung vô tuyến UL 53

Bảng 3.11 Trường con FSMpo của bản tin tín hiệu mô hình vòng lặp kín 2 55

Bảng 3.12 Trường con FSMph của bản tin tín hiệu mô hình vòng lặp kín 2 55

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A

B

C

D

gian

E

F

G

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

L

M

N

O

P

PARC Per-Antenna Rate Control Điều khiển tốc độ mỗi ăng ten

Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

người sử dụng

Q

độ vuông góc)

R

S

Channel

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp

T

Indicator

Chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải

TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity Nhận dạng thuê bao di động tạm thời

U

System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG WCDMA 1.1 Mở đầu

WCDMA là sự phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho mạng thế hệ ba.WCDMA có hai giải pháp được đề xuất cho giao diện vô tuyến: ghép song công phânchia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theothời gian (TDD: Time Division Duplex) Cả hai giao diện này đều sử dụng công nghệ đatruy nhập phân chia theo mã băng rộng trải phổ chuỗi trực tiếp Giải pháp FDD được triểnkhai rộng rãi còn giải pháp TDD chủ yếu dùng cho các ô quy mô nhỏ như ô micro hay ôpico

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

190 MHz: đường lên sử dụng dải tần trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz, đườngxuống sử dụng dải tần trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 MHz Mặc dù sóng mang 5MHz là sóng mang danh định nhưng ta có thể sử dụng sóng mang từ 4,4 MHz đến 5 MHzvới nấc tăng là 200 KHz Việc chọn độ rộng băng đúng đắn cho phép ta tránh được nhiễugiao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác

Giải pháp TDD sử dụng các tần số trong dải từ 1900 đến 1920 MHz và từ 2010đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần

Điều khiển chất lượng Các thuật toán quản lý tài

nguyên vô tuyến RRM

Quy hoạch mạng (quy hoạchtần số)

Phân tập tần số Sử dụng máy thu Rake Nhẩy tần

Số liệu gói Thời hạn gói dựa trên tải Thời hạn gói dựa trên TS với

GPRS

Phân tập phát đường xuống Được hỗ trợ để cải thiện

dung lượng đường xuống

Không được hỗ trợ theo tiêuchuẩn nhưng có thể áp dụngGiao diện không gian của WCDMA hoàn toàn khác với GSM và GPRS, WCDMA

sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps Ở WCDMAmạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Nework).Các phần tử của mạng UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vô tuyếnGSM Vì vậy khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế, một số nhàsản xuất cũng đã có kế hoạch nâng cấp các GSM BTS cho WCDMA nhưng con số nàyrất hạn hữu, đa số các nhà sản xuất thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA

Tốc độ chip của hệ thống là 3,84 Mcps, độ dài khung là 10 ms, mỗi khung chia rathành 15 khe (2560 chip/slot) Hệ số trải phổ từ 256 đến 4 ở đường lên và từ 512 đến 4 ởđường xuống Do đó tốc độ ký hiệu điều chế tương ứng biến đổi từ 960 ksps đến 15 kspsđối với đường lên FDD Để phân biệt các kênh từ cùng một nguồn, sử dụng mã định kênhdựa trên cơ sở kỹ thuật hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF) Đường xuống, mã Goldvới chu kỳ 10 ms được sử dụng để phân biệt các ô khác nhau Đường lên mã Gold hoặccác mã ngắn luân phiên với chu kỳ 256 chip được dùng để phân biệt các UE khác nhau

Bảng 1.2 Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA

Độ rộng băng tần (MHz) 5/10/15/20

Tốc độ chip (Mcps) 1,28/3,84/7,68/11,52/15,36

Đồng bộ giữa các BTS Dị bộ/đồng bộ

Điều chế đường lên/đường xuống QPSK/BPSK

Trải phổ đường lên/đường xuống QPSK/OCQPSK

Về mặt mã hoá kênh thì có ba tuỳ chọn được hỗ trợ: mã vòng, mã xoắn và mãturbo Việc tuỳ chọn loại mã hoá kênh nào là tuỳ thuộc vào các lớp trên

WCDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mang GSM/GPRS hiện có cho mạng củamình, các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng cấp từ mạng

GSM/GPRS hiện có để có thể hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM/GPRS trong giai đoạnđầu triển khai WCDMA.

Từ những vấn đề trên, để có cái nhìn tổng quan về mạng WCDMA và để có thểhiểu rõ hơn nội dung ở các chương sau, chương này được tổ chức như sau:

Phần 1.1: Giới thiệu

Phần 1.2: Trình bày cấu trúc chức năng của các phần tử trong hệ thống WCDMA Phần 1.3: Sự phát triển của mạng WCDMA UMTS

Phần 1.4: Trình bày kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến

Phần 1.5: Tóm tắt các kênh của WCDMA

và mạng lõi (CN: Core Network) để thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộcgọi và kết nối số liệu Ngoài ra hệ thống WCDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE:User Equipment) thực hiện giao diện người dùng với hệ thống

Mạng truy nhập vô tuyến gồm các phần tử sau:

 Nút B: để chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện IuB và Uu Nó cũng tham giaquản lý tài nguyên vô tuyến (Thuật ngữ nút B cũng có cùng ý nghĩa như trạm gốcBTS)

 RNC (Radio Network controller): Bộ điều khiển mạng vô tuyến Chức năng là sởhữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng của mình RNC là điểmtruy nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN, chẳng hạnquản lý tất cả các kết nối đến UE

Hình 1.1 Các phần tử của mạng PLMN

Các phần tử chính của mạng lõi:

 Các trung tâm chuyển mạch kênh MSC (Moblie Service Switching Center)

 Các nút hỗ trợ chuyển mạch gói SGSN (Serving GPRS Support Node)

 Điểm hỗ trợ GPRS cổng GGSN (Gateway GPRS Support Node)

 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng

 Các cơ sở dữ liệu cần thiết cho mạng thông tin di động như: HLR, AUC và EIR

1.2.2 Chức năng của các phần tử trong hệ thống

Chức năng của các phần tử trong mạng truy nhập vô tuyến UTRAN:

Mạng vô tuyến UTRAN bao gồm hai hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến (RNS:Radio Network Subsystem) Mỗi RNS bao gồm các node B và một bộ điều khiển mạng

vô tuyến RNC, mỗi RNC có thể kết nối với một hoặc nhiều Node B Các Node B đượckết nối với RNC thông qua giao diện Iur Dưới đây là chức năng của từng phần tử:

 Node B: chuyển đổi dòng dữ liệu giữa các giao diện Iub và Uu Do đó chức năngchủ yếu của node B là thực hiện xử lý lớp vật lý của giao diện vô tuyến (mã hoákênh, đan xen, thích ứng tốc độ, điều khiển công suất ) Ngoài ra node B còntham gia khai thác và quản lý tài nguyên vô tuyến Về chức năng nó giống trạmgốc ở GSM

Iub

Iur

 RNC: điều khiển node B cho trước được xem như CRNC CRNC điều kiển tải và ứnghẽn cho các ô của mình Khi một kết nối MS-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên

từ nhiều RNC thì các RNC tham dự vào kết nối này sẽ có hai vai trò riêng biệt:

- RNC phục vụ (Serving RNC): là RNC kết cuối cả đoạn nối Iu để truyền tải

số liệu người sử dụng lẫn báo hiệu RANAP tương ứng cho số liệu người sửdụng từ/tới mạng lõi SRNC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên

vô tuyến: giao thức báo hiệu giữa UE và UTRAN Tại mọi thời điểm UEchỉ có một SRNC

- RNC trôi (DRNC): là một RNC bất kỳ khác với SRNC để đièu khiển các ôđược UE sử dụng Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ởphân tập vĩ mô (chuyển giao) DRNC không thực hiện xử lý số liệu lớpđoạn nối đối với số liệu từ/tới giao diện vô tuyến mà chỉ định tuyến số liệutrong suốt giữa các giao diện Iub và Iur Tại mọi thời điểm một UE có thể

có hoặc không có một hay nhiều DRNC

Chức năng của các phần tử trong mạng lõi:

Các phần tử chính của mạng lõi được trình bày trong hình 1.1, các phần tử này thực hiệncác chức năng liên quan đến chuyển mạch định tuyến và kết cuối số liệu Chức năng cụthể của từng phần tử như sau:

 Trung tâm chuyển mạch di động/bộ ghi định vị tạm trú (MSC/VLR): là tổng đài(MSC: Mobile Service Switching Center) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp cácdịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nó Chức năng của MSC

là sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh, còn chức năng của VLR là lưu giữbản sao về lý lịch của người sử dụng khách cũng như vị trí chính xác hơn của UEtrong hệ thống đang phục vụ Phần mạng được truy nhập qua MSC/VLR thườngđược gọi là vùng CS

 GMSC (Gateway MSC): là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS PLMH và mạng

CS ở bên ngoài Trên thực tế GMSC thường được tích hợp vào cùng MSC/VLR

 SGSN (Serving GPRS Support Node): điểm hỗ trợ GPRS đang phục vụ Có chứcnăng giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói

PS Phần mạng được truy nhập qua SGSN thường được gọi là vùng PS SGSNtrong WCDMA khác với SGSN trong GPRS ở giao diện với RNC Các giao diệnIuPS được đưa vào WCDMA UMTS để tăng cường cho Gb là giao diện giữa BSS

và SGSN trong GPRS Giao diện Iu-PS có khả năng hỗ trợ các dịch vụ thời gianthực Một điểm khác nữa giữa SGSN 2,5G và SGSN 3G là chức năng nén và mật

mã, SGSN 2,5G tối ưu hoá sự sử dụng đoạn nối vô tuyến bằng cách nén tiêu đềTCP/IP còn ở 3G thì không cần WCDMA UMTS có hai GTP tunnel để mang các

bó số liệu của người sử dụng: GTP-U Tunnel giữa GGSN và SGSN và một Tunnelkhác giữa SGSN và RNC còn ở GPRS chỉ có một tunnel giữa GGSN và SGSN

 GGSN (Gateway GPRS Support Node): có chức năng giống GMSC nhưng liênquan đến các dịch vụ PS GGSN là điểm neo cho UE và có thể được coi như mộtRouter mặc định Việc chọn GGSN dựa trên APN (Acces Point Name : tên điểmtruy nhập) Khi UE yêu cầu thiết lập một PDP context, APN được đặt vào yêu cầu.Trên cơ sở yêu cầu APN, SGSN hỏi DNS để xác định GGSN đích để chuyển yêucầu Trả lời DNS xác định GGSN và PDP context được thiết lập với GGSN này

Nút B

RNC

SRNC (DRNC )

DRNC

SRNC Nút B

GGSN trong WCDMA UMTS giống với GGSN trong GPRS, nhưng cần lưu ýGGSN trong GPRS chỉ hỗ trợ một PDP context cho một người sử dụng còn GGSNtrong WCDMA UMTS có thể hỗ trợ nhiều PDP context cho một người sủ dụng,

nó cũng có khả năng ấn định một địa chỉ IP cho nhiều PDP context của một UE,điều này là không thể có trong GPRS

 Ngoài ra còn có các phần tử như HLR, EIR, AUC

Thiết bị người dùng UE:

Thiết bị người sử dụng UE là thiết bị đầu cuối di động UE gồm hai phần, thiết bị di đông

ME và USIM:

 ME (Mobile Equipment): gồm đầu cuối vô tuyến và các đấu nối trên mạng quagiao diện Uu Các đầu cuối di động ban đầu ít nhất phải là song mode và có khảnăng hỗ trợ cả WCDMA cũng như GSM/GPRS, vì giai đoạn đầu vùng phủ củaWCDMA còn hạn chế

 Module nhận dạng thiết bị USIM (User Subcriber Identify Module): là một thẻthông minh chứa nhận dạng thuê bao để thực hiện các thuật toán nhận thực, lưugiữ các khoá nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho các đầu cuối

1.3 Sự phát triển của mạng WCDMA UMTS

Kiến trúc mạng lõi của phát hành 3GPP rất khác với kiến trục mạng lõi củaGSM/GPRS Vì thế phải nâng cấp mạng lõi để có thể hỗ trợ được các giao diện mới củamạng truy nhập vô tuyến, tuy nhiên không cần thiết phải có một kiến trúc mạng hoàn toànmới Trong các phát hành 3GPP 4 và GPP 5 được xét dưới đây ta sẽ thấy những điểmtăng cường đáng kể cho mạng lõi

1.3.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Phát hành 3GPP 4 tạo ra tăng cường đáng kể cho kiến trúc mạng lõi Về nguyêntắc, MSC được chia thành các bộ phận thành phần nhờ vậy có thể triển khai theo cáchphân bố như cho ở hình vẽ 1.3 dưới đây Ở kiến trúc này MSC được chia thành MSCServer và cổng các phương tiện (MGW) MSC Server chứa toàn bộ phần mềm quản lý diđộng và điều khiển cuộc gọi bình thường phần mềm này được chứa ở MSC tiêu chuẩn.MGW không chứa các phần mềm nói trên mà chỉ có nhiệm vụ thiết lập điều khiển và giảiphóng các luồng phương tiện dưới sự điều khiển của MSC Server

Hình 1.3 Kiến trúc mạng phân bố phát hành UMTS R4

Báo hiệu cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện trực tiếp giữa MSC Server vàRNC còn đường truyền phương tiện được thiết lập giữa MGW và RNC Trong quá trìnhRNC được kết nối, hai thực thể này đóng vai trò thiết bị vậy lý giống như trong trườnghợp RNC kết nối với một MSC truyền thống Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từRNC và định tuyến các cuộc gọi này đến các nơi nhận trên một đường trục gói Thôngthường đường trục gói này được xây dựng trên cơ sở IP, vì thế lưu lượng đường trục làtiếng trên nền IP (VoIP) Nếu vùng PS cũng sử dụng đường trục IP thì chỉ cần một đườngtrục IP duy nhất và như vậy có thể tiết kiệm đáng kể giá thành cho nhà khai thác mạng

Khi cuộc gọi cần được định tuyến đến một mạng khác, mạng PSTN chẳng hạn, thì

ở đầu phía PSTN sẽ có một MGW khác được điều khiển bởi MSC Server cổng, MGWnày chuyển đổi tiếng được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn cho mạng PSTN Như vậyviệc chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm kết nối với PSTN và ở mạng đường trụcgói chỉ cần truyền tiếng ở độ rộng băng tần nhỏ hơn, điều này cho phép giảm giá thànhcủa mạng

Giao thức giữa MSC Server hay GMSC Server và MGW là giao thức ITU H.248,giao thức này còn được gọi là MEGACO Giao thức MSC Server và GMSC Server có thể

là giao thức điều khiển cuộc gọi thích hợp bất kỳ

Trong nhiều trường hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server.Ngoài ra MGW có khả năng giao diện với cả RAN và PSTN Khi này cuộc gọi đến hoặc

từ PSTN có thể chuyển nội hạt, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể các chi phí Từ hình 1.3

ta cũng thấy rằng HLR cũng có thể được gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: HomeSubscriber Server) HSS và HLR có chức năng tương đương, ngoại trừ giao diện với HSS

là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng trên cơ sở báohiệu số 7 Ngoài ra còn có các giao diện giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN vớiHLR/HSS

1.3.2 Kiến trúc 3G WCDMA R5 cho vùng đa phương tiện IP

Kiến trúc này được xây dựng trên các công nghệ gói và điện thoại IP cho đồng thờicác dịch vụ thời gian thực và không thời gian thực Kiến trúc này cho phép hỗ trợ chuyểnmạch toàn cầu và tương hợp với các mạng ngoài như: mạng thông tin di động thế hệ 2hiện có, mạng số liệu công cộng và mạng VoIP đa phương tiện

Trong sự phát triển này, cả tiếng và số liệu được xử lý như nhau trên toàn bộđường truyền từ đầu cuối của người dùng đến nơi nhận cuối cùng Có thể coi kiến trúcnày là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu Hình 1.4 minh hoạ kiến trúc này

Từ hình 1.4 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt, chỉ có mộtgiao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tạiSGSN và không có MGW riêng

Ta cũng thấy có một số phần tử mạng mới như: chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Funtion), chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng đa phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), cổng báo hiệu truyền tải (T-SWG: Transport Signalling Gateway) và cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway)

Hình 1.4 Kiến trúc của phát hành UMTS R5

Một nét quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị người sử dụng được tăng cườngrất nhiều Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE Trong thực tế UE hỗ trợ giao thức khởi

đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol) UE trở thành tác nhân của người sử dụng

SIP Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều

Cần lưu ý rằng phát hành cấu trúc toàn IP của R5 là sự tăng cường của mạng R4

Nó đưa thêm vào một vùng mới trong mạng đó là vùng đa phương tiện IP Vùng mới nàycho phép mang cả tiếng và số liệu trên IP trên toàn tuyến nối đến máy cầm tay Vùng này

sử dụng vùng chuyển mạch gói PS cho mục đích truyền tải

1.4 Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến

1.4.1 Các giao thức của giao diện vô tuyến

Các giao thức giao diện vô tuyến chịu trách nhiệm:

√ Lớp 1: lớp vật lý WCDMA

√ Lớp 2: lớp liên kết số liệu bao gồm: (1) điều khiển truy nhập môi trường (MAC),(2) điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), giao thức hội tụ số liệu gói (PDCP) và (2)điều khiển quảng bá/đa phương (BMC) RLC được chia thành hai: (1) RLC-Utrong mặt phẳng người sử dụng và (2) RLC-C trong mặt phẳng điều khiển

√ Lớp 3: RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) trong mặtphẳng điều khiển (C-plane)

1.4.2 Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến

Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến và kết nối giữa các giao thức được minhhọa trên hình 1.5 Mỗi khối thể hiện một trường hợp của giao thức tương ứng Đườngkhông liền nét thể hiện các giao diện điều khiển, qua đó giao thức RRC điều kiển và lậpcấu hình các lớp dưới SAP giữa MAC và các lớp vật lý cung cấp các kênh truyền tải(TrCH), còn SAP giữa RLC và MAC cung cấp các kênh logic (LoCH) Các TrCH chịutrách nhiệm truyền tải giữa lớp vật lý và các thực thể đồng cấp lớp 2 Các LoCH chịutrách nhiệm chuyển các thông tin đặc thù trên giao diện vô tuyến Các bản tin báo hiệuđược truyền tải trên giao diện vô tuyến gồm các bản tin báo hiệu do RRC tạo ra, và cácbản tin báo hiệu NAS được tạo ra tại các lớp con cao hơn của lớp 3 và được đặt lên RRC

Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: Điều khiểntruy nhập môi trường) và RLC (Radio Link Control: Điều khiển liên kết), PDCP (PacketDât Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC (Broadcast/MulticastContol: Điều khiển quảng bá/đa phương)

Lớp 3 và RLC được chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (CP) và mặtphẳng người sử dụng (UP) PDCP và BMC chỉ có mặt ở mặt phẳng UP

UP: Mặt phẳng người sử dụng

CP: Mặt phẳng điều khiển

Hình 1.5 Kiến trúc giao thức vô tuyến cho UTRA FDD

Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến Lớp vật lý được sử dụng đểtruyền dẫn ở giao diện vô tuyến Mỗi kênh vật lý ở lớp này được xác định bằng một tổhợp tần số, mã ngẫu nhiên hóa và pha (chỉ cho đường lên) Các kênh được sử dụng vật lý

để truyền thông tin của các lớp cao trên giao diện vô tuyến, tuy nhiên cũng có một sốkênh vật lý chỉ dành cho hoạt động của lớp vật lý

1.5 Tóm tắt các kênh của WCDMA

Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải truyền các thông tin nàyqua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic MAC sắp xếp các kênhnày lên kênh truyền tải trước khi đưa đên lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên cáckênh vật lý

1.5.1 Các kênh logic

Nói chung các kênh logic được chia thành hai nhóm: các kênh điều khiển (CCH:Control Channel) để truyền thông tin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH: TrafficChannel) để truyền thông tin của người sử dụng Các kênh logic và ứng dụng của nó đượctổng kết ở bảng 1.3

Bảng 1.3 Danh sách các kênh logic

Kênh đường xuống để phát quảng bá thôngtin hệ thống

PCCH (Paging Control Channel: Kênh điều khiểntìm gọi)

Kênh đường xuống để phát quảng bá thôngtin tìm gọi

CCCH (Common ControlChannel: Kênh điều khiểnchung)

Kênh hai chiều để phát thông tin điều khiểngiữa các mạng và các UE Được sử dụngkhi không có kết nối RRC hoặc khi truynhập một ô mới

DCCH (Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển riêng)

Kênh hai chiều điểm đến điểm để phátthông tin điều khiển riêng giữa UE vàmạng Được thiết lập bởi thiết lập kết nốicủa RNC

Kênh hai chiều điểm đến điểm riêng chomột UE để truyền thông tin của người sửdụng DTCH có thể tồn tại cả ở đường lênlẫn đường xuống

CTCH (Common Trafic Channel: Kênh lưu lượng chung)

Kênh một chiều điểm đa điểm để truyềnthông tin của một người sử dụng cho tất haymột nhóm người sử dụng quy định hoặc chỉcho một người sử dụng Kênh này chỉ có ởđường xuống

1.5.2 Các kênh truyền tải

Các kênh logic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải Tồn tại haikiểu kênh truyền tải: các kênh riêng và cá kênh chung Điểm khác nhau giữa chúng làkênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hay một nhóm người sử dụng trong ô,còn kênh riêng được ấn định riêng cho một người sử dụng duy nhất Các kênh truyền tảichung bao gồm: BCH (Broadcast Channel: Kênh quảng bá), FACH (Forward Access

Channel: Kênh truy nhập đường xuống), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), RACH(Random Access Channel: Khênh truy nhập ngẫu nhiên), CPCH (Common PacketChannel: Kênh gói chung), DSCH (Dowling Shared Channel: Kênh chia sẻ đườngxuống) Kênh riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH (Deicated Channel: Kênh riêng).Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng được cho ở bảng 1.4.

Bảng 1.4 Danh sách các kênh truyền tải

DCH (Deicated Channel:

Kênh riêng)

Kênh hai chiều để phát số liệu của người sử dụng Được

ấn định riêng cho người sử dụng Có khả năng thay đổitốc độ và điều khiển công suất nhan

BCH (Broadcast Channel:

Kênh quảng bá)

Kênh chung đường xuống để phát thông tin quảng bá(như thông tin hệ thống, thông tin ô)

FACH (Forward Access

Channel: Kênh truy nhập

đường xuống)

Kênh chung đường xuống để phát thông tin điều khiển và

số liệu của người sử dụng Kênh chia sẻ chung cho nhiều

UE Được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớpcao hơn

PCH (Paging Channel:

Kênh tìm gọi)

Kênh chung đường xuống để phát tín hiệu tìm gọi

RACH (Random Access

Channel: Khênh truy nhập

ngẫu nhiên)

Kênh chung đường lên để phát thông tin điều khiển và sốliệu của người sử dụng Áp dụng trong truy nhập ngẫunhiên và được sử dụng để truyền số liệu thấp của người sửdụng

CPCH (Common Packet

Channel: Kênh gói chung)

Kênh chung đường lên để phát số liệu người sử dụng Ápdụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng trướchết để truyền số liệu cụm

Các kênh logic được sắp xếp lên các kênh truyền tải được cho trên hình 1.6

Hình 1.6 Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 1.5.3 Các kênh vật lý

Mỗi kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cảpha tương đối (đối với đường lên) Kênh vật lý bao gồm các kênh vật lý riêng (DPCH:Dedicated Physical Channel) và kênh vật lý chung (CPCH: Common Physical Channel).Các kênh vật lý được tổng kết ở hình 1.7 và bảng 1.5

Hình 1.7 Tổng kết các kiểu kênh vật lý

Bảng 1.5 Danh sách các kênh vật lý

và pha kênh 0 sau điều chế BPSKDPDCH (Dedicated

Physical Data Channel:

Kênh vật lý số liệu riêng)

Khi sử dụng DPCH, mỗi UE được ấn định ít nhất mộtDPDCH Kênh được sử dụng để phát số liệu người sửdụng từ lớp cao hơn

DPCCH (Dedicated

Physical Control Channel:

kênh vật lý điều khiển

riêng)

Khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ được ấn định mộtDPDCH Kênh được sử dụng để điều khiển lớp vật lý củaDPCH DPCCH là kênh đi kèm với DPDCH chứa: các kýhiệu hoa tiêu, các ký hiệu điều khiển công suất(TPC:Transmission Power Control), chỉ kết hợp khuôn dạngtruyền tải Các ký hiệu hoa tiêu cho phép máy thu đánhgiá hưởng ứng xung kim của kênh vô tuyến và tách sóngnhất quán Các ký hiệu này cũng cần cho hoạt động củaăng ten thích ứng có búp sóng hẹp TPC để điều khiểncông suất vòng kín cho cả đường lên và đường xuống.TFCI thông tin cho máy thu về các thông số tức thời củacác kênh truyền tải: các tốc độ số liệu hiện thời trên cáckênh số liệu khi nhiều dịch vụ số liệu được sử dụng đồngthời Ngoài ra TFCI có thể bỏ qua nếu tốc độ số liệu cốđịnh Kênh cũng chứa thông tin hồi tiếp (FBI: FreebackInfomation) ở đường lên để đảm bảo vòng hổi tiếp chophân tập phát và phân tập chọn lựa

Common Packet Channel:

kênh vật lý gói chung)

truyền tải CPCH

CPICH ( Common Pilot

Channel: Kênh hoa tiêu

chung)

Kênh chung đường xuống Có hai kiểu kênh CPICH: CPICH (Primary CPICH: CPICH thứ cấp) và S-CPICH(Secondary CPICH: CPICH thứ cấp) P-CPICH đảm bảotham chuẩn nhất quán cho toàn bộ ô để UE thu được toàn

P-bộ SCH, P-CCPCH, AICH và PICH vì các kênh nàykhông có hoa tiêu riêng như ở trường hợp DPCH KênhS-CPICH đảm bảo tham khảo nhất quán chung trong mộtphần ô hoặc đoạn ô cho trường hợp sử dụng ăng ten thôngminh có búp sóng hẹp Chẳng hạn có thể sử dụng S-CPICH làm tham chuẩn cho S-CCPCH và các kênhDPCH đường xuống

P-CCPCH (Primary

Common Control Physical

Channel: Khênh vật lý

điều khiển chung sơ cấp)

Kênh chung đường xuống Mỗi ô có một kênh để truyềnBCH

S-CCPCH (Secondary

Common Control Physical

Channel: Khênh vật lý

điều khiển chung thứ cấp)

Kênh chung đường xuống Mỗi ô có thể có một hay nhiềuS-CCPCH Được sử dụng để truyền BCH và FACH

SCH(Synchorronization

Channel: Kênh đồng bộ)

Kênh chung đường xuống Có hai kiểu kênh SCH: SCH

sơ cấp và SCH thứ cấp Mỗi ô chỉ có một SCH sơ cấp vàthứ cấp Được sử dụng để tìm ô

PDSCH (Physical

Dowling Shared channel:

Kênh vật lý chia sẻ đường

gọi) từng nhóm cuộc gọi kết cuối Khi nhận được thông báo

này, UE thuộc nhóm kết cuối cuộc gọi thứ n sẽ thu khung

vô tuyến trên S-CCPCHAP-AICH (Access

Các kênh truyền tải được sắp xếp lên các kênh vật lý như trên hình 1.8

Hình 1.8 Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

Hình 1.9 cho thấy việc ghép hai kênh truyền tải lên một kênh vật lý và cung cấp chỉ thị lỗicho từng khỗi truyền tải tại phía thu

Hình 1.9 Ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

Các phần sau đây trình bày đến các biện pháp phân tập hiện nay đang áp dụngtrong thông tin vô tuyến Các phương pháp này là cơ sở để cải thiện hiệu năng củaWCDMA

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP CƠ BẢN TRONG

THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2.1 Mở đầu

Phân tập là một kỹ thuật truyền dẫn trong đó thông tin được truyền đồng thời trênnhiều đường độc lập để đạt được độ tin cậy truyền dẫn cao Có nhiều cách để nhận đượcphân tập Phân tập thời gian có thể nhận được bằng cách mã hóa và đan xen Thông tinđược mã hóa và các ký hiệu mã hóa này được truyền phân tán trong các khoảng thời giannhất quán khác nhau sao cho các phần khác nhau của từ mã chỉ bị tác động của cácphađinh độc lập Trong kênh có nhiều anten phát và/hoặc anten thu được đặt đủ cách xanhau, ta cũng có thể nhận được phân tập không gian Trong mạng thông tin tổ ong diđộng, có thể áp dụng phân tập vĩ mô bằng cách cho phép máy di động nhận được tín hiệu

từ hai hay nhiều trạm gốc Vì phân tập là một tài nguyên quan trọng nên các hệ thống vôtuyến sử dụng nhiều kiểu phân tập khác nhau Trong chương này ta sẽ xét phân tập thờigian và phân tập không gian, trong đó trọng tâm là phân tập không gian

Phân tập anten hay phân tập không gian có thể được thực hiện bằng cách đặt nhiềuanten tại máy phát hay máy thu Nếu các anten được đặt đủ cách xa nhau, thì khuyếch đạikênh giữa các cặp anten khác nhau sẽ bị pha đinh khác nhau và các đường truyền sẽ độclập với nhau Khoảng cách cần thiết giữa các anten phụ thuộc vào môi trường tán xạ địaphương và vào tần số Đối với máy di động do gần mặt đất có nhiều các vật tán xạ kênh

sẽ ít tương quan trên các khoảng cách ngắn hơn vì thế thông thường chỉ cần khoảng cáchgiữa hai anten vào khoảng 1/2 bước sóng là đủ Đối với trạm gốc anten được đặt trên cáctháp cao, ta cần khoảng cách giữa hai anten lớn hơn: khoảng vài chục bước sóng

Với mục đích và phạm vi nghiên cứu của đồ án, chương này được được trình bàynhư sau: phần 2.2 giới thiệu về khái niệm và mô hình của các kỹ thuật phân tập thu Phần2.3 trình bày về các kỹ thuật phân tập phát trong thông tin vô tuyến Phần 2.4 trình bàytổng quan về MIMO phân tập và các sơ đồ kết hợp điển hình

2.2 Phân tập thu

Các kỹ thuật phân tập thu được sử dụng để giảm pha đinh và cải thiện độ tin cậycủa thông tin mà không cần tăng công suất phát và độ rộng băng tần

Ý niệm cơ bản của phân tập thu là nếu hai mẫu tín hiệu độc lập, thì các mẫu này sẽ

bị pha đinh không tương quan Điều này có nghĩa là xác suất tất cả các mẫu này đồng thời

thấp hơn một mức nhất định sẽ thấp hơn nhiều so với xác suất của một mẫu riêng lẽ Nhưvậy, nếu ta kết hợp các mẫu một cách hợp lý thì ta sẽ được tín hiệu tổng hợp ít bị ảnhhưởng của pha đinh hơn nhiều so với so với một tín hiệu đơn lẽ Tồn tại nhiều kiểu phântập khác nhau: thời gian, tần số, không gian, góc, đa tia, phân cực.

Trong thực tế, các kỹ thuật phân tập thu có thể được áp dụng ở trạm gốc BS hoặc ởmáy di động MS mặc dù mọi kiểu áp dụng đều có các vấn đề riêng Thông thường máythu phân tập chỉ được sử dụng ở trạm gốc vì giá thành của của bộ kết hợp phân tập cao,nhất là khi sử dụng nhiều máy thu Ngoài ra, công suất phát của MS bị giới hạn bởi tuổithọ của ắc-quy BS có thể tăng công suất phát hoặc độ cao ăng ten để cải thiện vùng phủsóng cho MS Thông thường, các hệ thống phân tập được sử dụng ở máy thu chứ không ởmáy phát vì không cần thêm năng lượng cho hệ thống phân tập thu Do tính đảo lẫn giữađường truyền tuyến lên và tuyến xuống nên các hệ thống phân tập thực hiện ở MS cũnggiống như các hệ thống phân tập ở BS

Như đã đề cập ở trên, có thể thực hiện phân tập theo nhiều cách: phân tập thờigian, phân tập tần số, phân tập không gian, phân tập góc, phân tập đa đường và phân tậpphân cực Để nhận được lợi ích toàn diện của phân tập phát, sự kết hợp phải được thựchiện ở phía thu Các bộ kết hợp phải được thiết kế sao cho sau khi đã hiệu chỉnh trễ vàpha cho các đường truyền khác nhau, các mức tín hiệu vào phải được cộng theo véc-tơcòn tạp âm thì cộng ngẫu nhiên Như vậy, khi lấy trung bình tỉ số tín hiệu trên tạp âmSNR đầu ra sẽ lớn hơn đầu vào ở một máy thu

2.2.1 Phân tập vĩ mô

Phân tập vĩ mô được sử dụng để giảm pha đinh phạm vi lớn gây ra do che tối Do

sự thay đổi của địa hình (đồi, núi, các vật chắn,…) giữa các máy thu BS và máy phát MS,cường độ tín hiệu trung bình địa phương thay đổi Nếu sử dụng hai ăng ten thu cách biệt,

bộ kết hợp tín hiệu từ hai ăng ten này của máy thu BS có thể giảm pha đinh dài hạn Các

hệ thống di động tổ ong đạt được như vậy bằng cách chuyển giao khi cường độ tín hiệuthu yếu Với các hệ thống WCDMA, phân tập vĩ mô (chuyển giao mềm) đóng vai trò rấtquan trọng để đảm bảo chất lượng hệ thống vì tái sử dụng tần số bằng một và điều khiểncông suất nhanh

Ở đường lên, phân tập vĩ mô rất có lợi vì càng nhiều BS tách tín hiệu thì xác suấtđạt được ít nhất một tín hiệu tốt càng cao Khi này phân tập mang tính chọn lọc: mạng sẽchọn ra một khung tốt nhất thu được từ các máy thu của các BS

Ở đường xuống, phân tập vĩ mô xảy ra theo cách khác vì chỉ một máy thu ở MSthu nhiều tín hiệu từ các BS khác nhau Thông thường, chỉ một tín hiệu chỉ coi là hữu íchcòn các tín hiệu khác được coi là nhiễu Tuy nhiên ở CDMA dung lượng được cải thiệntrên nguyên lý giống như máy thu RAKE ở kênh đa tia, trong đó sự thay đổi mức thu cókhuynh hướng giảm vì tăng số đường truyền có thể phân biệt được Với phân tập vĩ mô,khả năng máy thu RAKE đạt được độ lợi từ phân tập bổ sung phụ thuộc vào các chốtRAKE Nếu máy thu không thể thu thập đủ năng lượng từ hai hay ba BS do chốt RAKE

có hạn, các đường truyền dẫn bổ sung đến MS có thể ảnh hưởng xấu đến tổng dung lượng

do nhiễu tăng Đây là lý do mà thông thường số chốt RAKE cần thiết để thu được đủ nănglượng trong hầu hết trường hợp được coi là bốn

2.2.2 Phân tập vi mô

Phân tập vi mô sử dụng hai hay nhiều ăng ten cùng một trạm nhưng được thiết kế

để thu các tia khác nhau từ các trạm khác Phân tập vĩ mô được sử dụng để phòng ngừapha đinh sâu Dưới đây là các phương pháp sử dụng để nhận được các tín hiệu khôngtương quan cho việc kết hợp

2.2.2.1 Phân tập không gian

Trong phân tập không gian tín hiệu đồng thời được truyền trên nhiều đường khácnhau Nếu các ăng ten đặt gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập gần(microdiversity) Nếu các ăng ten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập xa

(macrodiversity) Hai ăng ten đặt cách nhau một khoảng ngắn d có thể cung cấp hai tín hiệu với tương quan giữa các pha đinh thấp Khoảng cách d phụ thuộc vào độ cao ăng ten

h và tần số Tần số càng cao thì phải đặt các ăng ten gần nhau hơn do suy hao lớn Thông thường, khoảng cách d bằng vài bước sóng là đủ để nhận được các tín hiệu không tương

quan

Hình 2.1 Sơ đồ phân tập không gian

Phân tập không gian là dạng phân tập được sử dụng phổ biến nhất ở thông tin diđộng Các hệ thống thông tin di động FDMA và TDMA sử dụng FDD (ghép kênh songcông theo tần số) chỉ cho phép sử dụng phân tập không gian thu ở BS Các hệ thống thôngtin di động sử dụng TDD (ghép khênh song công theo thời gian) và WCDMA cho phép

sử dụng cả phân tập không gian thu lẫn phân tập không gian phát Đây là một ưu điểm lớn

vì phân tập không gian thu chỉ áp dụng cho BS mà không thể áp dụng cho MS, phân tậpkhông gian phát sẽ áp dụng cho MS

2.2.2.2 Phân tập tần số

Đối với phân tập tần số truyền đi cùng một tín hiệu trên nhiều tần số khác nhauhoặc trên một dãy phổ tần rộng bị tác động bởi pha đinh lựa chọn tần số (frequency-selective pha đinh)

Hình 2.2 Sơ đồ phân tập tần số

Tín hiệu thu từ hai tần số cách nhau một khoảng bằng độ rộng băng tần nhất quán

B c là các tín hiệu không tương quan Để phân tập tần số ở thành phố và ngoại vi cho thôngtin di động, phân cách tần số phải bằng 300kHz (hoặc lớn hơn) Nhảy tần của hệ thốngGSM và MC hỗ trợ phân tập tần số

2.2.2.3 Phân tập thời gian

Phân tập thời gian truyền đi cùng một chuỗi tín hiệu ở những thời điểm khác nhau.Nếu cùng một tín hiệu được phát tại các khe thời gian khác nhau (lớn hơn thời gian tươngquan của kênh), thì các tín hiệu thu sẽ là các tín hiệu không tương quan (do được thu dướicác điều kiện pha đinh khác nhau) Phân tập thời gian đạt được bằng cách lấy trung bìnhhóa phađinh của kênh theo thời gian Thông thường thời gian nhất quán của kênh có độdài vào khoảng từ 10 đến 100 ký hiệu và vì thế kênh có tương quan rất cao trên nhiều kýhiệu liên tiếp

Để đảm bảo các ký hiệu được mã hóa được truyền với các độ lợi kênh độc lập hoặchầu như độc lập người ta thực hiện đan xen các từ mã (xem hình 2.3 Để đơn giản ta sẽ

xét kênh phađinh phẳng Ta phát đi một từ mã x=[x1,x2,….,xN]T bao gồm N ký hiệu và tínhiệu thu khi này sẽ là:

yn=hnxn+ηn, n=1,2,….,N

Hình 2.3 Đan xen để dãn cách ký hiệu liền kề

Coi rằng đan xen lý tưởng sao cho các ký hiệu liền kề xn được truyền khá cách xa nhau, ta

có thể coi rằng hn độc lập Thông số N thường được gọi là các nhánh phân tập Các tạp

âm cộng η1, η2,…, ηN là các biến ngẫu nhiên có phân bố đồng dạng độc lập với Νc(0,N0)

2.2.2.4 Phân tập phân cực

Trong phân tập phân cực tín hiệu được truyền đi bằng cách dùng những sóng phâncực khác nhau

Hình 2.4 Sơ đồ phân tập phân cực

Các thành phần phân cực ngang và phân cực đứng E x và E y được phát đi từ hai ăngten phân cực chéo tại BS và thu được từ hai ăng ten phân cực chéo tại MS có thể cung cấp

hai tín hiệu không tương quan Phân tập phân cực dẫn đến giảm công suất 3 dB ở phíaphát do phải phân chia công suất cho hai ăng ten phân cực.

2.3 Phân tập phát

Cũng giống như phân tập thu, phân tập phát dựa trên ý niệm là phía phát sẽ phát đicác mẫu tín hiệu không tương quan để các mẫu này sẽ bị pha đinh không tương quan ởphía thu Phân tập phát cho phép giảm tỉ số E I b/ t yêu cầu hay công suất phát yêu cầu trênkênh và nhờ vậy tăng dung lượng hệ thống

UTRA sử dụng hai kiểu phân tập phát để cải thiện chất lượng số liệu của người sửdụng Các phương pháp này được phân loại thành vòng hở và vòng kín Phần này sẽ trìnhbày thủ tục hồi tiếp cho phân tập phát vòng kín

Trường hợp phân tập phát vòng kín, BS sử dụng hai ăng ten để phát số liệu củangười sử dụng Việc sử dụng hai ăng ten này dựa trên hồi tiếp từ MS được phát ở các bithồi tiếp (FB: Freedback Bit) ở kênh DPCCH đường lên Bản thân phân tập phát vòng kín

có hai chế độ hoạt động

Ở chế độ 1, các lệnh hồi tiếp của MS điều khiển pha để đạt được thu công suất cựcđại ở MS trên cở sở trượt giá trị trung bình trên hai lệnh hồi tiếp liên tiếp BS giữ nguyênpha của ăng ten 1 và điều chỉnh pha của ăng ten 2 Ở phương pháp này, thiết lập 4 phacách nhau được áp dụng cho ăng ten 2

Ở chế độ 2, cả biên dộ và pha đều được điều chỉnh Tốc độ bào hiệu được giữnguyên, nhưng lệnh được trải rộng trên 4 bit ở bốn khe DPCCH đường lên với một bitcho điều chỉnh biên độ và ba bit cho điều chỉnh pha Như vậy sẽ có tổ hợp 8 pha và haibiên độ và tổng cộng có 16 tổ hợp truyền dẫn báo hiệu từ BS Các giá trị biên độ đượcquy định là 0,2 và 0,8 còn các giá trị dịch pha được phân bố đều từ −1350 đến +1800 Ởchế độ này ba khe cuối cùng của khung chỉ chứa thông tin pha, còn thông tin biên độ ởbốn khe trước Như vậy chu kỳ lệnh có thể là 15 khe như ở chế độ 1, trong đó giá trị trungbình của biên giới khung hơi thay đổi bằng cách trung bình hóa các lệnh từ khe 13 đếnkhe 0 để tránh sự không liên tục trong quá trình điều khiển

Có thể phân tập phát theo các cách: phân tập phát đa sóng mang, phân tập phát trựcgiao, phân tập phát không gian thời gian, phân tập phát chuyển mạch thời gian

2.3.1 Phân tập phát đa sóng mang

Phân tập phát được thực hiện trên đường xuống nhiều sóng mang, trong đó một tậpsóng con mang được phát trên một ăng ten Các đặc tính của phương phát phân tập đasóng mang là:

 Các ký hiệu thông tin sau mã hóa được phân chia lên nhiều sóng mang 1,25MHz

 Phân tập tần số tương ứng với trải phổ trên toàn bộ độ rộng băng tần

 Cả phân tập thời gian và phân tập tần số đều sử dụng bộ mã hóa/lặp ký hiệu vàđan xen

 Máy thu RAKE thu năng lượng từ tất cả các băng

 Có thể ấn định chung một mã Walsh cho kênh đường xuống ở tất cả sóngmang

 Điều khiển công suất nhanh

Ở các máy phát đa sóng mang 3x1,25 MHz, các ký hiêu thộng tin nối tiếp sau mã hóađược chia thành ba luống song song và mỗi luồng được trải phổ bằng một mã Walsh vàmỗi chuỗi PN dài tốc độ 1,2288 Mcps Các sóng mang A, B và C được tạo ở đầu ra củamáy phát (hình 2.5)

Hình 2.5 Phân tập phát đa sóng mang

Sau khi sử lý các ký hiệu đã mã hóa nối tiếp bằng các sóng mang song song, đasóng mang được ăng ten phát, phân tập kiểu này được gọi là phân tập phát đa sóng mang(MCTD: MultiCarrier Transmit Diversity) Ở MCTD, các sóng mang được chia thành cáctập con, sau đó mỗi tập con sóng mang được phát trên một ăng ten trong đó bộ lọc tần sốđảm bảo tính trực giao gần như hoàn hảo giữa các ăng ten Quá trình này đảm bảo cảithiện tính phân tập và vì thế làm tăng dung lượng đường xuống