TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG
Lịch sử phát triển của thông tin di động
Ra đời vào những năm 40 của thế kỉ XX thông tin di động được coi như là một thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi phủ sóng
Quan niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế cho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn từ Anten đặt cao, là những cell có diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại tần số Tháng 12/1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương ứng, sử dụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850 M
Hz Tương ứng là sản phẩm thương nghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR của Mỹ đề xuất sử dụng được ra đời vào năm 1983. Đầu những năm 90 thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nước khác nhau Cụ thể là:
1.1.1 Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất
- AMPS (Advance Mobile Phone Service) : Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến
- NAMPS (Narrow AMPS): AMPS băng hẹp.
- TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ.
- ETACS (Extended TACS): TACS mở rộng.
- NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 MHz.
- NMT 900 (Nordic Mobile Telephone 900): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900 MHz.
- NTT (Nippon Telegraph and Telẹphone): Hệ thống do NTT phát triển.
- JTACS (Japenish TACS) :TACS Nhật Bản.
- NTACS (Narow TACS) :TACS băng hẹp. Đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất là tương tự, sử dụng công nghệ FDMA Tuy nhiên, các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu sử dụng ngày càng tăng mà trước hết là về dung lượng Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng như mong muốn (việc liên lạc ngoài biên giới là không thể) Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ thông tin di động tế bào thứ hai phải lựa chọn giải pháp kĩ thuật: kĩ thuật số hay kĩ thuật tương tự Các tổ chức tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kĩ thuật số do nó đảm bảo chất lượng cao hơn trong môi trường nhiễu mạnh và khả năng tiềm tàng về một dung lượng lớn hơn.
1.1.2 Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai
Hệ thống thông tin di động tế bào thứ hai ba tiêu chuẩn chính:
GSM, IS_54 (Bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS) và JDC Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai bao gồm:
- GSM (Global System for Mobile Communication): Hệ thống thông tin di động toàn cầu.
- PCN (Personal Communication Network): Mạng thông tin cá nhân.
- CP-2 (Coreless Phone-2): Điên thoại không dây.
- DETC (Digital Enhanced Coreless Telecommuni cation): Viễn thông không dây số tiên tiến.
- PDC (Personal Digital Cellular): Hệ thống tổ ong số cá nhân.
- PCS (Personal Communication System): Hệ thống thông tin cá nhân.
*) Thông tin di động thế hệ hai có những ưu điểm sau:
Sử dụng kỹ thuật số có ưu điểm sau:
Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.
Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho phép ghép nhiều kênh thoại hơn và dòng bit tốc độ chuẩn. nhiễu kênh về ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn Điều này cuối cùng làm tăng dung lượng của hệ thống.
Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn.
Có nhiều dịch vụ mới nhận thực, số liệu, mật mã hoá kết nối với ISDN.
Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu liên tục đều dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.
Tuy nhiên các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên việc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lại, đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp phải nhiều khó khăn.
Vì vậy mà yêu cầu một hệ thống thông tin di động thứ 3 (3G) ra đời là một điều tất yếu.
1.1.3 Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba
Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy cập CDMA và TDMA cải tiến Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về dịch vụ thông tin di động người ta đã tiến hành nghiên cứu, hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba – 3G.
ITU-R (International Telecommunication Union Radio Sector – Bộ phận vô tuyến của hiệp hội viễn thông quốc tế) đã tiến hành công tác tiêu chuẩn hoá cho các hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT 2000 (trước đây là FPLMTS) Ở Châu Âu,ETSI đã tiến hành tiêu chuẩn hoá phiên bản của hệ thống này với tên gọi UMTS(Universal Mobile Telecommunication System – Hệ thống viễn thông di động toàn cầu) Cả IMT-2000 và UMTS đều thống nhất sử dụng công nghệ W-CDMA cho truy cập giao diện vô tuyến của mình.
So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp toàn cầu Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện được Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao di động đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bất cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giởi đều có thể định vụ được vị trí chính xác của thuê bao Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin da phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây) để truy cập vào mạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh, cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình
Các yêu cầu cho thông tin di động 3G (hay MUTS)
UMTS là viết tất của cụm từ Universal Mobile Telecommunication System,tức là Hệ Thống Viễn Thông di động toàn cầu Thực chất do chính là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (thường gọi là 3G) Hệ thống mới này sẽ hoạt động ở dải tần 2GHz Nó sẽ cung cấp một loạt các dịch vụ băng rộng cho hệ thống thông tin di động bao gồm từ các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp hiện nay cho đến các tốc độ dữ liệu cho thông tin di động có thể lên tới 2 Mbps Hệ thống thông tin di động bao gồm từ các các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tộc cao, video và truyền thanh UMTS sẽ mang tới chi phí thấp và tốc độ dữ liệu cho thông tin di động có thể lên tới 2Mbps Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 vẫn duy trì những tính năng toàn cầu của mạng GSM/GPRS thế hệ thứ 2 đồng thời cung cấp thêm những tính năng tiên tiến UMTS được thiết kế để truyền hình ảnh, đồ họa, thông tin video và các loại thông tin đa phương tiện khác cũng như là thoại và số liệu cho các thuê bao di động. truyến gói chung GPRS (General Packet Radio Service) được coi là điểm hội tụ giữa các công nghệ 2G với bộ phận chuyển mạch gói của mạng UMTS.
Hiệp hội Viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) – nơi đưa ra những tiêu chuẩn sử dụng trong phạm vi công nghệ viễn thông đã giới thiệu một nhóm gọi là IMT-2000 (International Mobile Telecommunication) được giao nhiệm vụ là xác định rõ thế hệ tiếp theo của hệ thống thông tin di động Nhóm này đã định nghĩa một cách chính xác những yêu cầu cho một hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) dựa trên các mục tiêu chính sau:
- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng thông như truy nhập Internet nhanh.
- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới nhu đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệ thống thông tin di động.
- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động.
Với những mục tiêu chính như trên thì có thể thấy thông tin di động thế hệ thứ 3 sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ truyền thông cá nhân đa phương tiện Hộp thư thoại sẽ được thay thế bằng bưu thiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại thông thường trước đây sẽ được bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình Dưới đây là một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3:
Sử dụng dải tần qui định quốc tế 2GHz như sau
Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện.
Nghĩa là mạng phải đảm bảo tốc độ của người sử dụng đến 2Mbit/s Môi trường được chia thành 4 vùng:
- Vùng 1: Trong nhà, ô pico có Rb ≤ 2 Mbit/s
- Vùng 2: Thành phố, ô macro có Rb ≤ 384 Kbit/s
- Vùng 3: Ngoại ô, ô macro có Rb ≤ 144 Kbit/s
- Vùng 4: Toàn cầu có Rb ≤ 29,6 Kbit/s.
Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu. Điều này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng chẳng hạn với tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên hoặc ngược lại.
Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu Nghĩa là đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu.
Tốc độ dữ liệu cao (tối thiểu) 144Kbps trong tất cả môi trường vô tuyến và 2Mbps trong di động chậm và môi trường trong nhà.
Chất lượng thoại tốt (có thể so sánh được với chất lượng thoại kết nối bằng dây).
Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả hệ thống vệ tinh.
Trên đây là những yêu cầu chung cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3
Hiện nay, châu Âu và các quốc gia sử dụng GSM cùng với Nhật đang phát triển W-CDMA (Wide band Code Division Multiple Access): Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng trên cơ sở UMTS, còn Mỹ thì tập trung phát triển thế hệ hai (IS– 95) và mở rộng tiêu chuẩn này cho đến IS – 2000.
Dịch vụ thông tin định vi cá nhân/ di động dịch vụ
Theo dõi di động/theo dõi di động thông minh.
Dịch vụ âm thanh (Audio)
- Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (14-64Kbps)
- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64Kbps)
- Dịch vụ truyền thanh FM
(64-384Kbps) Dịch vụ viễn thông Dịch vụ số liệu
Dịch vụ đa phương tiện
- Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144Kbps)
- Dịch vụ số liệu tương đối cao (144Kpbs-2Mbps)
- Dịch vụ số liệu tốc độ cao (>=2Mbps)
- Dịch vụ hình chuyền động (384Kbps-2Mbps)
- Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực (>=2Mbps) Dịch vụ internet Dịch vụ internet đơn giản
Dịch vụ internet thời gian thực
Dịch vụ internet đa phương tiện
Dịch vụ truy cập web (384Kbps-2Mbps)
Dịch vụ Internet (384Kbps- 2Mbps)
Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực(>+bps)
Ưu điểm của công nghệ WCDMA so với GSM
Lý thuyết CDMA (Code Division Multiple Access) được xây dựng từ những năm 1951 và áp dụng trong thông tin quân sự vào thập niên 60 CDMA là nền tảng cốt lõi để xây dựng công nghệ WCDMA dùng cho 3G.
Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phất và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng hồ thu được.
So với GSM, công nghệ WCDMA có những ưu điểm sau:
CDMA dùng một mã ngẫu nhiên để phân biệt kênh thoại và dùng chung bằng tần cho toàn mạng, có giải thuật mã hoá riêng cho từng cuộc gọi Chỉ thiết bị được gọi mới biết được giá trị mã ngẫu nhiên và giải thuật giải mã qua các kênh báo hiệu Chính vì thế tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn.
Hệ thống CDMA có khả năng chuyển giao mềm Khi thiết bị di động di chuyển vào giữa hai ô, thiết bị đồng thời nhận tín hiệu từ hai trạm phát gần nhất, tổng đài sẽ điều khiển cho hai trạm bắt tay nhau cho đến khi việc chuyển đổi trạm phát thành công Có phần tương tự cơ chế chuyển giao trong GSM nhưng khả năng bắt tay của CDMA cao hơn.
So với hệ thống tương tự AMPS, chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng CDMA có thể tăng lên 6-10 lần.
CDMA cũng có thể giúp tiết kiện năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin.
Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so với GSM GSM sẽ gặp khó khăn về phân bố lại tần số cho các ô.
Ngoài ra công nghệ này còn được tăng cường các tính năng sau:
CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ
Nguyên lý trải phổ
Trải phổ (SS – Spread Spectrum) là một kỹ thuật thông tin vô tuyến sử dụng dải thông truyền dẫn lớn gấp nhiều lần so với dải thông của tín hiệu cần truyền hay so với tôc độ của số liệu Trong điều chế trải phổ, mỗi người sử dụng được cấp một chuỗi mã riêng, chuỗi mã này được sử dụng để mã hoá tín hiệu mang tin khi phát. Phía thu sẽ tiến hành giải mã này được sử dụng để mã hoá tín hiệu mang tin khi phát Phía thu sẽ tiến hành giải mã tín hiệu thu được thông qua chuỗi mã này Điều này thực hiện được do tương quan chéo giữa mã của người sử dụng mong muốn và mã của những người sử dụng khác rất thấp Do quá trình mã hoá trải rộng phổ của tín hiệu cần phát nên băng tần của tín hiệu mã lớn hơn rất nhiều so với băng tần cần thiết để mang tin Vì vậy người ta gọi phương pháp này là điều chế trải phổ, tín hiệu thu được gọi là tín hiệu trải phổ.
Một hệ thống thông tin số được gọi là trải phổ nếu thoả mãn các yêu cầu sau:
Tín hiệu sau trải phổ chiến một độ rộng băng truyền dân lớn hơn nhiều lần độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để truyền đi thông tin.
Sự trải phổ được thực hiển bởi mã trải phổ Mã trải phổ này độc lập với tín hiệu.
Tại phía thu việc nén phổ để khôi phục lại tín hiệu ban đầu thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sau được đồng bộ của tín hiệu trải phổ đã được sử dụng ở phía phát.
Nếu ký hiêu Bt là băng tần phát, thi Bi là băng tần của tín hiệu mang tin Ta có định nghĩa về độ tăng ích xử lý PG (Procesing Gain) như sau: PG = Bt/Bi
Giá trị của PG thay đổi từ 100 đến 10.000.000 tức là từ 20dB đến 60 dB. số mang tính chất ngẫu nhiên Các thông số này phải được chứa đựng ở cả bên phát và bên thu Yêu cầu này có thể được thoả mãn bằng việc sử dụng một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên có phổ gần giống như tạp âm Gaussian – chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PN Trọng thực tế, các chuỗi nhị phân ngẫu nhiên có thể được điều chế dễ dàng và có những kết quả giá trị về mặt thực tế.
Các phương pháp trải phổ
Trong trải phổ, thông tin trải phổ là hệ thống thông tin trong đó tín hiệu phát đi được trải rộng phổ nhờ mã trải phổ có băng thông lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu số liệu Các hệ thống trải phổ được chia thành 3 kiểu cơ bản sau:
Trải phổ dãy trực tiếp DSSS (Direct Sequênc Spreading Spectrum).
Trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spreading Spectrum).
Trải phổ nhảy thời gian THSS ( Time Hopping Spreading Spectrum).
Ngoài ra cũng có thể tổng hợp các hệ thống trên thành các hệ thống lai ghép. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng trong từng ứng dụng Phương pháp điều chế thông dụng nhất hiện nay là CDMA trải phổ dãy trực tiếp Phương pháp này đã được ứng dụng rất thành công trong các mạng di động 2G sử dụng công nghệ CDMA Đây cũng sẽ là phương pháp điều chế được nhiều nhà sản xuất hỗ trợ nhất trong việc phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ thứ ba.
Hình 2.2 Phân loại các hệ thống CDMA
DS/FH DS/TH FH/TH DS/FH/TH
MC-CDMA MT-CDMA TDMA/
2.2.1 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS
Trong hệ thống DSSS, mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ, mã này là một tín hiệu được tạo ra bởi quá trình điều chế tuyến tính với một chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ cao Tín hiệu điều chế ban đầu được nhân với mã trải phổ này để tạo ra một chuỗi tín hiệu có tốc độ cao hơn rất nhiều so với tốc độ ban đầu, và do đó phổ tín hiệu cũng rộng ra tương ứng.
Hình 2.4 Sơ đồ khôi bộ phát DSSS
Tại phía thu, để nén phổ tín hiệu, người ta dùng bộ tách sóng nhất quán sử dụng một chuỗi mã trải phổ được tạo ra ở phía thu Để thực hiện được nén phổ, đầu thu không chỉ phải cần biết chuỗi mã trải phổ mà còn phải đồng bộ mã tín hiệu thu được với chuỗi mã tạo ra nói trên Việc đồng bộ này cần phải được thực hiện ở giai đoạn đầu của quá trinh thu và duy trì cho tới khi toàn bộ tín hiệu đã được thu Chức năng đồng bộ này được thực hiện ở khối synchroníation/tracking Tín hiệu ban đầu sẽ được khôi phục sau khi nén phổ và giải điều chế.
Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ thu DSSS
Phương pháp DSSS có nhiều ưu điểm và ứng dụng Chính nhờ sự ngẫu nhiên của mã trải phổ mà hệ thống DSSS có được khả năng bảo mật, chống nhiễu cao, cho kết quả thông tin trung thực, tỷ lệ BER thấp trong khi chỉ cần S/N nhỏ Song đây là một hệ thống phức tạp đòi hòi đồng bộ chính xác dãy mã trải phố thu được với dãy mã ở phía phát, dẫn đến đòi hỏi một máy thu phức tạp Chính vì vậy tốc độ mã không nâng cao được (khoảng 100 Mc/s) và băng tần trải phổ đạt được không lớn (vài trăm MHz) Các hệ thống DSSS thường sử dụng điều chế BPSK và QPSK.
Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ phát sử dụng điều chế BPSK
Tốc độ của tín hiệu mã (Code Signal) được gọi là tốc độ chip, một chip tương ứng với một symbol trong tín hiệu mã trải phổ Trong hình trên, thời gian của
10 chip mã tương ứng với thời gian của 1 bit tín hiệu Tức là tốc độ chip tăng 10 lần tốc độ dữ liệu.
Hình 2.7 Tín hiệu trải phổ điều chế BPSK
Tín hiệu PN đóng vai trò như một “mã” được biết trước ở cả máy phất lẫn máy thu chủ định biết trước mã nên nó có thể nén phổ tín hiệu SS để nhận được bản tin.
Hình 2.8 Sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK
Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ phát DSSS sử dụng điều chế QPSK
Hình 2.10 Các dạng sóng ở hệ thống DSSS-QPSK Ưu điểm của DSSS-QPSK so với DSSS-BPSK là lợi hơn về động rộng băng tần được sử dụng, PG tổng, SNR Khi so sánh thường ta giữ một số thông số như nhau ở hai hệ thống vật lý so sánh thông số còn lại Chẳng hạn tín hiệu số có thể được phát đi trong hệ thống DSSS-QPSK chỉ sử dụng nửa độ rộng băng tần so với độ rộng băng tần mà hệ thống DSSS-QPSK đòi hỏi khi có cùng PG và SNR Hay nói cách khác với cùng độ rộng băng tần, PG và SNR thì hệ thống DSSS-QPSK có thể phát gấp hai lần số liệu so với hệ thống DSSS-QPSK có cùng độ rộng băng tần và PG như hệ thống DSSS-BPSK thì hệ thống DSSS-QPSK có ưu việt hơn về tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) dẫn đến xác suất lỗi thấp hơn.
Nhược điểm của hệ thống DSSS-QPSK là phức tạp hơn hệ thống DSSS- BPSK Ngoài ra nếu các sóng mạng được sử dụng để giải điều chế ở máy thu không thực sự trực giao thì sẽ xảy ra xuyên âm giữa hai nhánh và gây thêm sự suy giảm chất lượng của hệ thống.
2.2.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS
Trong hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS, tần số sóng mang của tín hiệu điều chế được thay đổi theo chu kỳ Sau một khoảng thời gian, tần số sóng mang lại
“nhảy” sang một tần số khác Dạng nhảy tần được quyết định bởi tín hiệu mã Tập hợp các tần số mà sóng mang có thể “nhảy” tới được gọi là tập nhảy tần. fn fn-1 fn-2 f3 f2 f1
Hình 2.11 Trải phổ nhảy tần FHSS
Việc chiếm dụng tần số của hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS rất khác biệt so với hệ thống DSSS Hệ thống DSSS sẽ chiếm toàn bộ dải tần số khi phát, còn hệ thống FHSS chỉ sử dụng một phần nhỏ của dải tần khi phát, nhưng vị trí của phần dải tần bị chiếm trong toàn bộ dải tần sẽ thay đổi theo thời gian.
Dữ liệu Điều chế băng gốc Up converter
Bộ tạo mã Tổ hợp tần số
Down converter Giải điều chế
Bộ tạo mã Đồng bộ tracking
Hình 2.12 Sơ đồ khối thu – phát hệ thống trải phổ FHSS
Có hai phương pháp nhảy tần được phân loại dựa trên tốc độ nhảy tần của sóng mạng:
Phương pháp nhảy tần nhanh (F-FHSS): tốc độ nhảy tần lớn hơn nhiều so với tốc độ symbol Đối với phương pháp này, tần số sóng mang sẽ thay đổi nhiều lần trong quá trình truyền một symbol Vì sao một bit được phát đi trên nhiều tần số khác nhau.
Phương pháp nhảy tần chậm (S-FHSS): tốc độ nhảy tần nhỏ hơn nhiều so với tộc độ symbol, tức là sẽ có nhiều symbol được truyền đi trong một bước tần số.
Dải tần phất trong FHSS không chỉ phụ thuộc vào dải tần tín hiệu mang tin mà còn phụ thuộc vào dạng tín hiệu nhảy tần và tần số nhảy tần.
2.2.3 Hệ thống trải phổ nhảy thời gian THSS
Mã tạo từ hàm trực giao
Hàm trực giao là hàm luôn tồn tại hai thành phần vuông góc với nhau, một thành phần là hàm sin, một thành phần là hàm cos.
Các hàm trực giao được sử dụng để cải thiện suất băng tần của hệ thống trải dụng theo hai cách: tạo mã trải phổ hoặc tạo ra các ký hiệu trực giao.
Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trận vuông đặc biệt được gọi là các ma trận Hadamard Các ma trận này chứa một hàng toàn số “0” và các hàng còn lại có số số “1” và số số “0” bằng nhau Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N=2j trong đó j là một số nguyên dương.
Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hađamar Các ma trận này chứa một hàng toàn số “0” và các hàng còn lại có số số “1” và số số “0” bằng nhau Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N=2 j trong đó là một số nguyên dương.
Các tổ hợp ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hadamard như sau:
Trong đó : N= 2 j là môt số nguyên dương và Hn là đảo cơ số hai của Hn.
Đặc điểm thông tin di động CDMA
2.5.1 Khả năng đa truy nhập.
Nếu có nhiều người truyền tín hiệu trải phổ trong cùng một thời điểm, máy thu vẫn có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi người sử dụng do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các mã này có mức tương quan chéo đủ nhỏ Việc tương quan giữa tín hiệu thu đươc với một dãy mã trải phổ ứng với một người sử dụng nào đó sẽ làm cho phổ tín hiệu của người sử dụng đó co hẹp lại trong khi đó các tín hiệu của người sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần truyền dẫn Do đó, trong băng tần thông tin, chỉ có công suất tín hiệu của người sử dụng đang quan tâm là lớn.
2.5.2 Khả năng chống nhiễu đa đường
Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đường khác nhau ngoài trực tiếp do các nguyên nhân phản xạ Trong miền tần số, các tín hiệu đa đương này có biên độ và pha khác nhau sẽ làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số và làm giảm tín hiệu tổng ở các tần số khác Trong miền thời gian hiện tượng này làm tín hiệu bị giãn rộng. Đối với tín hiệu băng rộng, chính hiện tượng này làm tín hiệu bị giãn rộng Đối với tín hiệu băng rộng, chính hiện tượng này tạo nên sự phân tập tần số một cách tự nhiên, chỉ có tác dụng chống fading chọn lọc.
Tín hiệu được truyền đi chỉ có thể được nén phổ và giữ liệu ban đầu được khôi phục khi máy thu biết mã trải phổ đã sử dụng cho thông tin đó.
2.5.4 Khả năng loại trừ nhiễu
Việc tương quan chéo giữa mã trải phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải rộng công suất của tín hiệu băng hẹp Nhờ vậy có thể giảm được công suất nhiễu trong băng tần thông tin.
2.5.5 Xác suất phát hiện thấp.
Vì mật độ công suất của tín hiệu trải phổ thấp nên tín hiệu trải phổ khó có thể bị phát hiện bị một máy thu không mong muốn.
CÔNG NGHỆ WCDMA
Giới thiệu về hệ thống WCDMA
Cuối năm 1977, hai tổ chức tiêu chuẩn là ETSI của Châu Âu và ARIB của Nhật Bản đã thỏa thuận cùng liên kết xây dựng một tiêu chuẩn chung đáp ứng các yêu cầu đặt ra của IMT-2000, đó là tiêu chuẩn WCDMA, WCDMA hỗ trợ tốc độ
384 Kbps trên toàn bộ vùng phủ sóng và tốc độ 2 Kbps ở các vùng phủ sóng hữu hạn Các tham số chính của WCDMA được liệt kê ở bảng sau:
Bảng 3.1 Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA
Phương thức ghép kênh Phân chia tần số/phân chia thời gian
Tốc độ chip 3.84 Mcps Độ dài khung 10ms Điều khiển trải phổ QPSK cân bằng (đường xuống)
Dual channel QPSK (đường lên)
Trải phổ phức hợp Điều chế dữ liệu QPSK (đường xuống)
BPSK (đường lên) Điều chế nhất quán Sử dụng kênh pilot dành riêng hoặc được dồn kênh theo thời gian (ở đường lên và đường xuống); không sử dụng kênh pilot chung đường xuống Đa tốc độ Trải phổ theo nhiều hệ số và nhiều mã
Hệ số trải phổ 4-256 (đường lên) và 4-512 (đường xuống) Điều khiển công suất Mạch vòng mở và vòng kín nhanh (1,6Khz)
Trải phổ đường xuống Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân kênh, chuỗi Gold 2 18 để phân biệt ô và phân biệt người sử dụng.
Trải phổ đường lên Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân biệt, chuỗi Gold 2 41 để phân biệt người sử dụng (kênh I và kênh Q dịch thời gian với nhau)
Chuyển giao Chuyển giao mềm
Chuyển giao giữa các tần số
3.2 Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế, các hệ thống 2G sẽ được chuyển đổi từng bước lên thế hệ 3G Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này ở hình 3.1.
Hình 3.1 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA
* HSCSD: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao
* GPRS: Dịch vụ vô tuyến gói chung
* EDGE: Số liệu gói tốc độ cao GSM
* WCDMA: Đa truy nhập phân chia theo bảng mã băng rộng
Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là đảm bảo chất lượng dịch vụ số tốt liệu tốt hơn Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu: chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switched) và chuyển mạch gói (PS: packet Switched) như sau:
* Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch kênh đảm bảo:
* Dịch vụ bản tin ngắn SMS
* Số liệu dị bộ cho tốc độ 14,4 Kbps
* Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4 Kbps
* Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch gói đảm bảo:
* Chứa cả chế độ dịch vụ kênh
* Sử dụng các chức năng IWF/PDSN như:
- Cổng vào cho mạng số liệu gói
- IWF/PDSN có thể đặt tại MSC hay BSC độc lập Để thực hiện kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụng giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP: wireless Application Protoncol)
Giai đoạn tiếp theo để tăng tốc độ số liệu có thể sử dụng công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) và EDGE Bước trung gian này được gọi là thế hệ 2,5G.
GSM HSCSD GPRS EDGE WCDMA người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn Có thể kết hợp động từ
1 đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ số liệu cực đại là 64Kbps cho một người sử dụng Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến 8x14,1 Kbps, như vậy có thể đạt đến tốc độ trên 100Kbps.
Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ở IWF (Internetworking Function: Chức năng kết nối mạng) của tổng đài MSC và ở chức năng TAF (Terminal Adaption Function: Chức năng thích ứng đầu cuối) của MS. Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này Kênh tốc độ cao chứa một số kênh con ở giao diện vô tuyến Các kênh tốc độ cao chứ một số kênh con ở giao diện vô tuyến. Các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng số ở IWF và TAF (hình 3.2).
* PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
* ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ
* Mạng số liệu công cộng
* BTS: Trạm thu phát gốc
* BSC/TRAU: Bộ điều khiển trạm gốc/ Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ
* MSC: Trung tâm chuyển mạch di động
* IWF: Chức năng kết nối mạng
Hình 3.2 Cấu trúc hệ thống HSCSD
Một tính năng đặc biệt của HSCSD là hỗ trợ các kết nối đối xứng (số khe phát ở đường xuống bằng khe phát ở đường lên đối với một người sử dụng) và không đối xứng (số khe phát ở đường xuống nhiều hơn số khe phát ở đường lên).
HSCSD sử dụng điều chế 8-PSK cho phép đạt được tốc độ truyền số liệu cao hơn Tuy nhiên, do sử dụng cơ chế chuyển mạch kênh nên hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất kém Bởi khi một người sử dụng yêu cầu các khe thời gian, các khe này chỉ dành duy nhất cho người sử dụng đó, không được chia sử cho người dùng khác kể cả khi không có số liệu truyền trên đó HSCSD chỉ được sử dụng ở những mạng có nhu cầu cao về truyền dữ liệu nhanh nên khả năng triển khai là hạn chế.
2 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS
GPRS là dịch vụ số liệu gói tốc độ cao hơn cho GSM, GPRS khác HSCSD ở chỗ nhiều người sử dụng có thể cùng sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến, vì thế hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất cao Một MS ở chế độ GPRS chỉ dành được tài nguyên vô tuyến khi nó có số liệu cần phát Khi không có dữ liệu để phát, tài nguyên vô tuyến được dùng cho những người sử dụng khác Nhờ vậy mà băng tần được sử dụng rất hiệu quả Cấu trúc mạng GPRS được mô tả ở hình 3.3.
Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ đến 115 Kbps Tuy nhiên, đây là tốc độ đỉnh, nếu nhiều người sử dụng thì tốc độ sẽ thấp hơn Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho lưu lượng chuyển mạch kênh, nên việc đưa dịch vụ chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị cho mạng (hình 2.3) Mạng GPRS kết nối với các mạng số liệu công cộng như mạng IP/X-25 Nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) và nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN) thực hiện thu và phát các gói số liệu giữa các MS và các thiết bị đầu cuối số liệu cố định của mạng số liệu công cộng (PDN) Các nút GGSN còn cho phép phát thu các gói số liệu đến các MS ỏ các mạng thông tin di động GSM khác.
Giao diện vô tuyến của 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.
* SMS: Dịch vụ bản tin ngắn
* SGSN: Điểm hỗ trợ GPRS phục vụ
* GGSN: Điểm hỗ trợ GPRS cổng
* MT: Kết cuối di động
* TE: Thiết bị kết cuối
* PLMM: Mạng di động mặt đất công cộng
* PND: Mạng số liệu công cộng
* BSS: Phân hệ trạm gốc
Hình 3.3 Cấu trúc mạng GPRS
3 Số liệu tốc độ cao GSM( EDGE)
Cấu trúc EDGE nói chung giống như GPRS Tuy nhiên, ở đây có sử dụng chức năng thay đổi cơ chế điều chế (Ví dụ như thay đổi 8 - PSK) sang GMSK, 16 QAM, ) cho tốc độ bít mềm dẻo và có thể cao hơn so với ở GPRS.
3.3 Cấu trúc hệ thống WCDMA
3.3.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống UMTS
Cấu trúc hệ thống UMTS hiện tại đang được nghiên cứu, về cơ bản gồm có 3 phần chính:
* Thiết bị người sử dụng UE
Hình 3.4 Các phần tử của mạng UMTS
* USIM (User Sim Card): Thẻ sim Card của người sử dụng.
* MS (Mobile Station): Máy di động.
* MSC (Mobile Server Swiching Center): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động.
* VLR (Visitor Location Register): Bộ ghi định vị tạm trú.
* SGSN (Servicing GPRS (General Packet Radio Service) Suport Node): Điểm hỗ trợ GPRS (Dịch vụ vô tuyến gói chung) đang phục vụ.
* GMSC (Gateway GPRS Suport Node): Nút hỗ trợ GPRS cổng.
* HLR (Home Location Register): Bộ ghi định vị thường trú.
* UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS.
* CN (Core Network): Mạng lõi.
Nguyên tắc phân lớp trong hệ thống WCDMA
3.4.1 Nguyên tắc phân lớp trong hệ thống WCDMA
Xét tổng thể, các hệ thống cdmaone, cdma2000, WCDMA đều xây dựng dựa trên mô hình OSI, trợ giúp chức năng của lớp vật lý, lớp tuyến và lớp mạng Lớp vật lý có nhiệm vụ truyền dẫn từng bit qua kênh vô tuyến Lớp tuyến thực hiện việc chuyển không có lỗi các bit 0 và 1 từ lớp vật lý lên lớp mạng Lớp tuyến phân dữ liệu thành các khung (độ dài khung tuỳ thuộc chuẩn của cdmaone, cdma2000 hay WCDMA) rồi truyền theo trình tự, phát hiện lỗi khi nhận khung từ phía đối phương để yêu cầu đối phương truyền lại khung và thực hiện truyền lại khung nếu được đối phương yêu cầu Lớp mạng nhận thông tin từ các host, biến đổi chúng thành các gói và định hướng các gói tới đích Lớp mạng còn làm nhiệm vụ điều khiển tuyến cho các gói, đảm trách xử lý cuộc gọi Trong các hệ thống này, các ứng dụng báo hiệu thông tin trực tiếp với lớp ba (lớp mạng) Các lớp trên là rỗng Tương tự các ứng dụng lưu lượng (thoại hoặc số liệu) thông tin trực tiếp với lớp một (lớp vật lý ) Do đó chỉ có lớp vật lý là trợ giúp cho ứng dụng lưu lượng.
Hình 3.6 Phân lớn hệ thống CDMA tổng quát
Xét cụ thể cấu trúc phân lớp của WCDMA được xây dựng dựa trên cơ sở của hệ thống UMTS.
Trong các lớp được chia như trên thì lớp vật lý là lớp quan trọng nhất vì nó trực tiếp trợ giúp ứng dụng lưu lượng.
3.4.2 Lớp vật lý trong WCDMA
Kênh truyền tải được truyền dẫn nhờ kênh vật lý Kênh vật lý được tổ chức dưới dạng các siêu khung, khung vô tuyển, khe thời gian như chỉ ra trong hình vẽ dưới đây Lý thuyết của cấu trúc khung phân cấp này cũng giống phần nào lớp khung GSM TDMA Tuy nhiên, nếu với GSM mỗi người sử dụng TDMA có 1 vị trí khe riêng thì trong W-CDMA số người có thể sử dụng đồng thời phụ thuộc vào tốc độ bit yêu cầu của thuê bao và hệ số trải phổ hợp của chúng Các mức di động có thể phát liên tục hoặc gián đoạn ở mọi khe thời gian, ví dụ như khi dùng bộ tách thoại (VAD).
Siêu khung UTRA/IMT-2000 gồm 72 khung vô tuyến, với 16 khe thời gian trong mỗi khung Độ dài của mỗi khe thời gian là 0,625ms, tạo ra 10ms và 720ms cho khung vô tuyến và siêu khung tương ứng Độ dài khung 10ms cũng phù hợp với độ dài khung của mã thoại ITU-G729 cho thông tin thoại trong khi nó là “tích con” của nhiều độ dài khung mã thoại toàn tốc và tốc độ một nửa của hệ thống GSM Ta cũng thấy rằng việc xếp ghép của luồng hình của mã Videophone H.263 có thể được xếp trên các khung vô tuyến 10ms để hỗ trợ các dịch vụ hình tương tác khi đang di chuyển Trên đường xuống của UTRA, kênh DPDCH và DPCCH được nối bằng cách ghép thời gian Trên đường lên chúng được xếp ghép thành các nhánh modem I và Q Ở chế độ FDD, kênh vật lý đường xuống được định nghĩa bởi mã trải phổ và tần số của nó Hơn nữa, ở đường lên các kênh bốn pha và “in pha” trực giao của modem được dùng để phát thông tin điều khiển và dữ liệu đồng thời song song trên nhánh I và Q của modem và do đó pha sóng mang tương đối (I hoặc Q) được biết sẽ tạo thành phần nhận dạng của kênh vật lý Trái lại, ở chế độ TDD, 1 kênh vật lý được xác định bởi mã trải phổ, tần số và khe thời gian của nó Khuôn dạng kênh vật lý của UTRA và IMT-2000 cũng có những khác nhau nhưng không được đề cập thêm ở đây.
Các kênh trong WCDMA
Trong UTRAN, số liệu được tạo ra ở các lớp cao được truyền tải trên đường vô tuyến bởi các kênh truyền tải bằng cách sắp xếp các kênh này lên các kênh vật lý khác nhau Lớp vật lý được yêu cầu để hỗ trợ các kênh truyền tải với các tốc độ bit thay đổi nhằm cung cấp các dịch vụ với độ rộng băng tần theo yêu cầu và để ghép nhiều dịch vụ trên cùng một kết nối Có hai loại kênh truyền tải: kênh truyền tải riêng và kênh truyền tải chung.
Kênh truyền tải riêng duy nhất là kênh riêng DCH Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý riêng cho một người sử dụng, bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời (các khung tiếng) cũng như thông tin điều khiển lớp cao (các lệnh chuyển giao và các báo cáo đo đạc từ UE) Lớp vật lý không thể nhận biết được nội dung thông tin được mang ở kênh DCH nên thông tin điều khiển lớp cao và số liệu người sử dụng được xử lý như nhau Nhờ việc hỗ trợ tốc độ bit thay đổi và ghép kênh nên ở WCDMA không cần kênh truyền tải tách biệt cho số liệu và điều khiển giống như ở GSM.
Kênh truyền tải riêng được đặc trưng bởi các tính năng như: điều khiển công suất nhanh, thay đổi tốc độ số liệu nhanh theo từng khung và khả năng phát đến một
UTRAN định nghĩa 6 kiểu kênh truyền tải chung Các kênh này có một số điểm khác với các kênh trong GSM chẳng hạn như truyền dẫn gói ở các kênh chung và một số kênh dùng chung đường xuống để phát số liệu gói Các kênh truyền tải chung không có khả năng chuyển giao mềm nhưng một số kênh có điều khiển công suất nhanh. a Kênh quảng bá (BCH- Broadcast Channel) Được sử dụng để phát các thông tin đặc thù UTRAN hoặc ô Trong một mạng, thường thì số liệu quan trọng nhất là các mã truy nhập ngẫu nhiên và các khe thời gian có thể cấp phát hay các kiểu phân tập phát được sử dụng bằng các kênh khác đối với một ô cho trước.Vì UE chỉ có thể đăng ký đến ô này nếu nó có thể giải mã được kênh quảng bá nên cần phải phát kênh này ở công suất khá cao để có thể phủ sóng đến tất cả các thuê bao trong vùng phủ yêu cầu Tốc độ thông tin ở kênh quảng bá bị giới hạn bởi khả năng giải mã số liệu kênh quảng bá của các UE tốc độ thấp.
Vì vậy kênh quảng bá phải có tốc độ số liệu thấp và cố định. b Kênh truy nhập đường xuống (FACH- Forward Access Channel)
Kênh truy nhập là một kênh truyền tải đường xuống mang thông tin điều khiển đến các UE nằm trong một ô cho trước Các số liệu gói cũng có thể phát trên kênh FACH và trong mỗi ô có thể có nhiều kênh FACH Một kênh FACH phải có tốc độ bit đủ thấp để tất cả các UE đều thu được Trong trường hợp có nhiều kênh FACH thì các kênh bổ xung có thể có tốc độ bit cao hơn Kênh FACH không sử dụng điều khiển công suất nhanh và để thu đúng các bản tin được phát phải chứa thông tin nhận dạng trong băng. c Kênh tìm gọi (PCH- Paging Channel)
Kênh tìm gọi là một kênh truyền tải đường xuống mang số liệu liên quan đến thủ tục tìm gọi, chẳng hạn khi mạng muốn khởi đầu thông tin với UE Việc thiết kế kênh tìm gọi ảnh hưởng đến mức tiêu thụ công suất của UE ở chế độ chờ UE càng ít thường xuyên điều chỉnh máy thu của mình để thu đúng các bản tin tên gọi thì acquy của nó càng tồn tại lâu ở chế độ chờ. d Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH- Ran dom Access Channel)
Kênh truy nhập ngẫu nhiên là kênh truyền tải đường lên được sử dụng để mang thông tin điều khiển từ UE như: yêu cầu thiết lập một kết nối Kênh này cũng có thể được sử dụng để phát đi các cụm nhỏ số liệu gói từ UE Để có thể hoạt động đúng thì hệ thống phải thu được kênh RACH từ mọi vị trí trong vùng phủ của ô Do vậy tốc độ số liệu thực tế phải đủ thấp. e Kênh gói chung đường lên (CPCH- Com mon Packet Channel)
Kênh gói chung đường lên là mở rộng của kênh RACH để mang số liệu của người sử dụng được phát theo gói ở đường lên FACH ở dường xuống cùng với kênh này tạo thành một cặp kênh để truyền số liệu Khác với RACH, kênh này sử dụng điều khiển công suất nhanh, cơ chế phát hiện tranh chấp trên cơ sở vật lý và thủ tục giám sát trạng thái CPCH So với một hoặc hai khung của bản tin RACH, truyền dẫn CPCH đường lên có thể kéo dài nhiều khung. f Kênh đường xuống dùng chung (DSCH- Dedicated Shared Channel)
Kênh đường xuống dùng chung là kênh truyền tải được sử dụng để mang thông tin của người sử dụng và hoặc thông tin điều khiển chung cho nhiều người.
Nó gần giống kênh FACH nhưng hỗ trợ điều khiển công suất nhanh cũng như tốc độ bit thay đổi theo khung Không cần thiết phải thu được kênh này trong toàn bộ vùng phủ của ô và có thể sử dụng các chế độ khác nhau của các phương pháp phân tập phát được sử dụng cho kênh DCH đường xuống Kênh dùng chung đường xuống luôn liên kết với kênh DCH đường xuống.
3.5.1.3 Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý
Mỗi kênh truyền tải đều đi kèm với một chỉ thị khuôn dạng truyền tải (TFI) tại mọi thời điểm mà các kênh truyền tải sẽ nhận được số liệu từ các mức cao hơn Lớp vật lý kết hợp thông tin TFI từ các kênh truyền tải khác nhau vào chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI) TFCI được phát trên kênh điều khiển để thông báo cho máy thu biết kênh nào đang tích cực ở khung hiện thời Thông báo này không cần thiết khi sử dụng cơ chế phát hiện khuôn đang kênh truyền tải mù (DBFD) được thực hiện bằng cách kết nối với các kênh riêng đường xuống Máy thu giải mã TFCI rồi chuyển nó lên mức cao hơn cho tìm kênh trong tất cả các kênh truyền tải đang có thể tích cực ở kết nối Hình 3.8 biểu thị sự sắp xếp hai kênh truyền tải lên một
Có thể có nhiều kênh CCTRCH trên một kết nối cho trước nhưng trong trường hợp này chỉ có một kênh điều khiển vật lý được phát.
Kênh điều khiển vật lý
Kênh số liệu vật lý
Kênh điều khiển vật lý
Kênh số liệu vật lý
Hình 3.8 Giao diện giữa các lớp cao và lớp vật lý
Một kênh vật lý điều khiển một hay nhiều kênh số liệu vật lý tạo nên một kênh truyền tải đa hợp được mã hoá (CCTrCh: Coded Compositel) Có thể có nhiều kênh CCTrCh trên một kết nối cho trước nhưng trong trường hợp này chỉ có một kênh điều khiển vật lý được phát Các kênh truyền tải được sắp xếp lên các kênh vật lý khác nhau, một số kênh truyền tải được mang bởi kênh vật lý giống nhau hay thậm chí còn dùng một kênh vật lý Sau đây là sự sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý.
Khối truyÒn tải Khối truyÒn tải và chỉ thị lỗi
Khối truyÒn tải và chỉ thị lỗi
TFI TFI TFI Khối truyÒn tải và chỉ thị lỗi
Khối truyÒn tải và chỉ thị lỗi
Giải mã và giải ghÐp kênh
Mã hoá và ghÐp kênh
Các kênh truyền tải Các kênh vật lý
BCH Kênh vật lý điểu khiển chung sơ cấp (PCCPCH)
FACH Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp (SCCPCH)
RACH Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên (PRACH)
DCH Kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH)
Kênh điều khiển vật lý riêng (DPCCH) DSSH Kênh vật lý đường xuống dùng chung (PDSCH)
CPDH Kênh gói chung vật lý (PCPCH)
Kênh đồng bộ (SCH)Kênh hoa tiêu chung (CPICH)Kênh chỉ thị bắt (AICH)Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH)Kênh chỉ thị trạnh thái CPCH (CSICH)
3.5.2.1 Các kênh vật lý đường lên a Các kênh vật lý riêng đường lên ( DPDCH và DPCCH)
Truyền dẫn đường lên gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riên DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) với hệ số trải phổ thay đổi từ 256 đến 4 và một kênh điều khiển vật lý DPDCH (Dedicated Physical Data Channel duy nhất với hệ số trải phổ cố định bằng 256.
Tốc độ số liệu của DPDCH có thể thay đổi theo khung Đối với tốc độ số liệu thay đổi thì thông thường tốc độ số liệu của kênh DPDCH được thông báo ở kênh DPDCH DPDCH được phát liên tục và thông tin về tốc độ số liệu ở khung DPDCH hiện hành được phát bằng chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải TFCI (Tranfer Forming Composed Indicator) Do vậy, nếu giải mã TFCI không đúng thì toàn bộ khung số liệu bị mất và vì TFCI chỉ thị khuôn dạng số liệu của cùng khung nên việc mất TFCI không ảnh hưởng lên các khung khác Độ tin cậy của TFCI cao hơn độ tin cậy của việc phát hiện số liệu của người sử dụng ở kênh DPDCH Vì thế ít khi xảy ra mất TFCI. công suất Như vậy độ rộng khe rất rộng so với độ rộng khe bằng 577 s ở GSM. Mỗi khe có 4 trường dành cho: các bit hoa tiêu hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quán, một chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải TFCI, các bit điều khiển công suất phát TPC (Transmit Power Control) và các bit thông tin phản hồi FBI ( Feedback Information) Các bit FBI được sử dụng khi sử dụng phân tập phát vòng kín ở đường xuống Có sáu cấu thúc khe cho kênh DPDCH đường lên Tồn tại các tuỳ chọn sau: 0,1 hay hai bit cho FBI và có hoặc không có các bit TFCI Các bit hoa tiêu và TPC luôn có mặt và so bit của chúng được thay đổi để luôn sử dụng hết khe DPDCH Kênh DPDCH chỉ có một trường Ndata còn kênh DPDCH có 4 trường như hình vẽ.
DPDCH Số liệu Ndata bit
Hình 3.9 Cấu trúc khung vô tuyến kênh DPDCH/ DPDCH đường lên
Thông số k trong hình 3.9 xác định số bit trên khe chứa kênh vật lý riêng đường lên.
Nó liên quan đến hệ số trải phổ kênh vật lý như sau SF%6/2 k và do vậy SF của kênh DPDCH có thể thay đổi từ 256 xuống 4 Lưu ý rằng DPDCH và DPDCH đường lên trên cùng một kết nối lớp 1 nói chung có các tốc đọ bit khách nhau: có hệ số trải phổ khác nhau và các giá trị k khác nhau. b Kênh vật lý chung đường lên
Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH)
FBI NFBI bit TPC NTPC bit
Điều chế và ngẫu nhiên hóa trong WCDMA
Hình 3.22 Quan hệ giữa trải phổ đều chế và ngẫu nhiên
3.6.1 Điều chế và ngẫu nhiên hoá các kênh vật lý
Sự khác nhau giữa các trải phổ điều chế và ngẫu nhiên hoá là: trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu nhằm tăng độ rộng băng tần của tín hiệu phát và chống nhiễu, còn quá trình ngẫu nhiên hoá được sử dụng để phân biệt các
UE và các trạm cơ sở BS Ở W-CDMA, quá trình trải phổ thực hiện bằng các mã định kênh và quá trình ngẫu nhiên hoá được thực hiện bằng các mã ngẫu nhiên hoá. Ngẫu nhiên hoá được thực hiện sau khi trải phổ nên độ rộng băng tần của tín hiệu không thay đổi nhưng cho phép phân biệt các tín hiệu từ các nguồn khác nhau Tốc độ chíp W-CDMA là 3,84Mcps.
Các kết nối đường xuống trong một đoạn ô và kênh vật lý đường lên của một
UE được phân biệt bằng các mã định kênh Các mã định kênh ở đây chính là các mã trải phổ ở UTRA được xây dựng dựa trên cơ sở kỹ thuật hệ số trải phổ khả biến trực giao OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) Kỹ thuật này cho phép thay đổi các hệ số trải phổ khác nhau và đảm bảo tính trực giao giữa các mã trải phổ có độ dài khác nhau Các mã định kênh Cch,SF,k (ch là kênh, SF là hệ số trải phổ và 0
) lấy từ cây mã cho phép nén phổ theo hệ số trải phổ nhỏ nhất Một kênh vật lý có thể sử dụng một mã trong cây nếu không có kênh vật lý nào khác được phát đang sử dụng cùng cây mã đang sử dụng một mã nhánh dưới, nghĩa là sử dụng hệ số trải phổ cao hơn được tạo ra từ mã trải phổ dự định sử dụng Cấu trúc cây của mã định kênh được mô tả ở hình 3.23.
Hình 3.23.Cấu trúc cây của mã định kênh
Mã ngẫu nhiên hoá được sử dụng để phân biệt các đường truyền dẫn từ các người sử dụng khác nhau Để phân biệt các ô người ta sử dụng các mã ngẫu nhiên hoá sau đây.
* Chế độ FDD: các mã Gold với các chu kỳ 10ms (38400 chip ở 3,84 Mcps) được sử dụng với độ dài mã bằng 2 18 -1 chip.
* Chế độ TDD: Các mã ngẫu nhiên hoá có độ dài 16 chip được sử dụng. Để phân biệt các UE thì các họ ngẫu nhiên hoá sau đây được sử dụng:
* Chế độ FDD: các mã Gold với chu kỳ 10ms hoặc các mã S(2) có chu kỳ
* Chế độ TDD: các mã có chu kỳ 16 chip cùng với chuỗi chèn giữa có độ dài phụ thuộc môi trường.
3.6.2 Định kênh và trải phổ kênh vật lý đường lên.
3.6.2.1 Các kênh vật lý riêng đường lên (DPCCH/DPDCH)
Hai kênh vật lý DPDCH và DPCCH được truyền dẫn song song (đa mã) và điều chế QPSK song kênh (hay ghép kênh theo mã I-Q) Các mã trải phổ định kênh được tạo góc quay giới hạn ở 90 0 giữa 2 chip liên tiếp trong cùng một ký hiệu. Góc quay 180 0 chỉ xẩy ra kho giữa hai ký hiệu liên tiếp Phương pháp này làm giảm tỉ số giữa các giá trị công suất đỉnh và giá trị công suất trung bình PAR (Peak toAverage) của tín hiệu truyền so với truyền dẫn QPSK thông thường.
Hình 3.24 Ghép kênh mã I-Q cùng với ngẫu nhiên hoá phức
Hai kênh vật lý riêng đường lên không được ghép theo thời gian mà ghép theo mã I-Q vì chế độ phát đường lên có thể không liên tục (DTX- Disscontinuous Tranmission) (chẳng hạn dịch vụ thoại) gây nhiễu âm đối với thiết bị âm thanh đặt gần đầu cuối không được bảo vệ Ví dụ trong các chu kỳ im lặng không cần phát đi bất cứ thông tin nào, chỉ có thông tin cho mục đích bảo dưỡng đường truyền được phát (chẳng hạn điều khiển công suất với tốc độ kênh và 1,5kHz) Với tốc độ này việc phát hoa tiêu và các ký hiệu điều khiển công suất ghép theo thời gian trên đường lên sẽ gây nhiễu âm thanh ở giữa băng tần thoại Do đó ghép kênh theo mã I-
Q được sử dụng để loại bỏ hiện tượng này.
Sơ đồ tổng quát trải phổ và ghép kênh vật lý đường lên DPCCH và các kênhDPDCH được cho trong hình 3.25 Trước hết các kênh DPDCH và DPCCH cơ số hai được trình bày ở các chuỗi giá trị thực tức là sắp xếp sao cho bit “0” được đặt vào “+1”, còn“1” được đặt vào “-1” DPCCH được trải phổ đến tốc độ chip bằng khi được đánh trọng số, các luồng chip giá trị thực ở các nhánh I và Q được cộng và được xử lý như các luồng chip giá trị phức Sau đó tín hiệu giá trị phức nàu được ngẫu nhiên hoá bằng một mã ngẫu nhiên hoá giá trị phức Sau đó tín hiệu giá trị phức này được ngẫu nhiên hoá bằng một mã ngẫu nhiên hoá giá trị phức Slong,n hoặc
Sshort,n Mã ngẫu nhiên hoá được đồng bộ với các khung vô tuyền có nghĩa là chip ngẫu nhiên hoá đầu tiên tương ứng với mở đầu của một khung vô tuyển.
Hình 3.25 Sơ đồ tổng quát trải phổ và ghép kênh vật lý đường lên DPCCH và DPDCH 3.6.2.2 Kênh PCPCH
Kênh này như đã nói phần trước bao gồm hai phần: phần tiền tố và phần bản kênh cc, còn phần số liệu được trải phổ bằng mã định kênh cd.
Sau khi định kênh các tín hiệu giá trị thực được đánh trọng số bằng các hệ số khuếch đại, c cho phần điều khiển và d cho phần số liệu Tại mọi thời điểm, ít nhất một trong số các giá trị c và d có biên độ 1 Sau khi đánh trọng số các luồn chip giá trị thực trên các nhánh I và Q được xử lý như một luồng chip phức Tín hiệu giá trị phức sau đó được ngẫu nhiên hoá phức Sc-msg,n Mã ngẫu nhiên hoá 10ms của phần bản tin (chip ngẫu nhiên hoá đấu tiên tương ứng với khởi đầu khung vô tuyến của phần bản tin).
Hình 3.26 Phần bản tin của PCPCH 3.6.2.3 Kênh PRACH
Kênh này gồm hai phần: phần tiền tố và phần bản tin Ta chỉ xét phần bản tin của kênh này vì phần tiền tố chỉ dùng mã ngẫu nhiên không dùng mã định kênh. Phần bản tin bao gồm phần số liệu và phần điều khiển Các bít của hai phần này trước khi trải phổ được sắp xếp sao cho giá trị “0” được đặt vào “+1”, giá trị 1 được đặt vào “-1” Phần điều khiển trải phổ đến tốc độ chip bằng mã định kênh cc, còn phần số liệu được trải phổ bằng mã định kênh cd.
Sau khi định kênh các tín hiệu giá trị thức được đánh trọng số bằng các hệ số khuếch đại, c cho phần điều khiển và d cho phần số liệu Tại một thời điểm, ít nhất một trong số các giá trị c và d có biên độ 1 Sau khi đánh trọng số các luồng chip giá trị thực trên các nhánh I và Q được xử lý như một luồng chip phức Tín hiệu giá trị phức sau đó được ngẫu nhiên hoá bằng mã ngẫu nhiên hoá phức Sr-mgs,n.
Mã ngẫu nhiên hoá 10ms được đồng bộ với các khung 10ms của phần bản tin.
Hình 3.27 Sơ đồ phần bản tin của PRACH
3.6.3 Ngẫu nhiên hoá kênh vật lý đường lên
Có hai loại mã trên đường lên là: mã dài và mã ngắn Mã dài được cắt thành các độ dài khung 10ms để đạt được 38400chip với tốc độ 3,84Mchip/s Độ dài mã ngắn là 256 chip Các mã dài được sử dụng nếu BS sử dụng máy thu RAKE Còn các mã ngắn được sử dụng các bộ tách đa người sử dụng hoặc các máy thu loại nhiễu được sử dụng Cả hai họ mã đều chứa hàng triệu mã nên không cần quy hoạch mã đường lên Các mã ngắn này được chọn từ họ mã S(2) mở rộng Các mã dài được chọn từ bộ mã Gold Chuỗi ngẫu nhiên hoá giá trị phức trong trường hợp mã ngắn được tạo ra bằng cách kết hợp hai chuỗi và trong trường hợp mã dài là từ một mã chuỗi trong đó chuỗi thứ hai là phiên bản trễ của chuỗi thứ nhất.
Điều khiển công suất và chuyển giao trong WCDMA
Tại thời điểm bật nguồn, MS sẽ sử dụng kênh SCH sơ cấp đồng bộ khe thời gian với trạm gốc nào có công suất phát lớn nhất Sau đó, bằng kênh SCH thứ cấp,
MS thực hiện đồng bộ khung và xác định nhóm mã của trạm gốc bằng cách tương quan hoá tín hiệu thu được tại vị trí của mã đồng bộ thứ cấp với 16 khả năng có thể của mã đồng bộ thứ cấp này Để đạt được đồng bộ khung, 16 chuỗi giải điều chế phải tương quan với 16 mã dịch theo chu kỳ của chuỗi điều chế kênh SCH thứ cấp, tạo ra tổng số 256 giá trị tương quan khác nhau Bằng cách xác định cặp mã/dịch pha có độ tương quan lớn nhất, MS sẽ xác định được nhóm mã và khung đồng bộ.
Sau đó, MS sẽ xác định mã scrambling mà trạm gốc sử dụng bằng cách thực hiện tương quan theo symbol của kênh CCPCH với tất cả các mã scrambing trong nhóm mã đã được xác định trước đó.
Sau khi xác định được mã scrambing, MS có thể xác định được kênh CCPCH sơ cấp, thực hiện đồng bộ đa khung và đọc các thông tin trên kênh BCCH.
3.7.2 Điều khiển công suất Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là vấn đề rất quan trọng Vì các người sử dụng dùng chung một tần số tại cùng một số thời điểm nên một người sử dụng không được phát một công suất cao đến mức các người sử dụng khác bị lấn át. Chẳng hạn, nếu một người sử dụng gần trạm gốc phát cùng công suất với một người sử dụng ở biên giới ô thì tại trạm gốc tín hiệu từ người sử dụng gần đó sẽ lớn đến mức nó chồng lấn hoàn toàn tín hiệu từ người sử dụng ở xa Do đó, tín hiệu của người sử dụng ở xa không thể khôi phục được và đó chính là hiện tượng gần xa. Để tránh hiện tượng này thì UE phải được hướng dẫn để hiệu chỉnh mức công suất phát sao cho mọi đường truyền dẫn từ mọi người sử dụng trong ô đến được trạm gốc với cùng mức công suất Điều khiển công suất ngoài việc chống lại được hiện tượng gần xa còn chống được các hiệu ứng của phađinh Rayleigh Vì vậy, điều khiển công suất được sử dụng ở cả đường lên và đường xuống W-CDMA sử dụng hai kỹ thuật điều khiển công suất chính: điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín. liên quan đến công suất phát Cụ thể, trạm gốc phát quảng bá công suất phát trên kênh CPICH, thiết bị đầu cuối sử dụng thông tin này và mức công suất thu được để đánh giá công suất nên được sử dụng ở đường lên Điều khiển công suất vòng hở chỉ đánh giá rất thô công suất lý tưởng mà đầu cuối nên sử dụng Do vậy, điều khiển công suất vòng hở chỉ được sử dụng khi UE thực hiện thâm nhập lần đầu nhờ kênh PRACH hoặc PCPCH. Điều khiển công suất vòng kín: UE hoặc trạm gốc đo tỉ số SIR và so sánh tỉ số này với giá trị SIR đích Sau đó, trạm gốc hoặc UE ra lệnh cho đầu xa tăng công suất phát nếu SIR quá nhỏ và giảm công suất nếu SIR quá cao Điều khiển công suất vòng kín cũng được biết đến như điều khiển công suất nhanh vì các lệnh điều khiển công suất và các thay đổi xảy ra ở tốc độ 1,5 lần/s Trong mọi trường hợp thì tốc độ này đủ nhanh để vượt qua các thay đổi suy hao đường truyền và các hiệu ứng phađinh Reyleigh ngoại trừ trường hợp UE đang di chuyển ở tốc độ cao.
Các lệnh điều khiển công suất vòng kín được gửi trên các kênh điều khiển vật lý mà được kết hợp với các kênh số liệu vật lý Ví dụ: ở đường lên có kênh DPDCH kết hợp với kênh DPCCH Bên cạnh các thông tin khác, DPCCH mang các lệnh điều khiển công suất đến trạm gốc Lệnh điều khiển công suất được gửi đều đặn ở một khe thời gian trong khung 10ms (15khe) Mỗi lệnh điều khiển công suất có thể chỉ thị cho phía gửi giữ nguyên công suất phát hoặc giảm hoặc tăng công suất phát theo các mức: 1dB, 2dB hoặc 3dB Tương tự, ở đường xuống các chỉ thị điều khiển công suất được gửi ở kênh DPCCH.
Cũng có một kiểu điều khiển công suất khác, đó là: điều khiển công suất vòng ngoài Mục đích chính của phương pháp này là duy trì chất lượng dịch vụ ở một mức tối ưu Như vật, mục đích chính của phương pháp này là duy trì SIR tại phía thu ở mức tối ưu Tuy nhiên, giá trị SIR đích là một hàm của chất lượng được yêu cầu cho dịch vụ được hỗ trợ Nếu chúng ta sử dụng tỉ số lỗi khung (FER) ở giao diện vô tuyến để đo chất lượng dịch vụ thì SIR là một hàm của FER.
FER có thể chấp nhận được thay đổi theo dịch vụ Ví dụ: dịch vụ thoại sử dụng bộ mã hoá AMR tốc độ 12,2Kbps có thể hỗ trợ FER bằng 1% mà không giảm cấp dịch vụ Dịch vụ dữ liệu phi thời gian thực có thể hỗ trợ tốc độ các tốc độ FER cao hơn trước khi truyền lại để sửa lỗi Tuy nhiên, các dịch vụ phi thời gian thực có độ trễ lớn hơn và thông lượng thấp hơn, nhưng các ảnh hưởng này hoàn toàn có thể chấp nhận được.
Thuật toán chuyển giao đòi hỏi phải có rất nhiều thông tin cần đo Bảng 3.3 chỉ ra tất cả các thông số cần thiết trong quá trình chuyển giao.
Bảng 3.3 Các tham số cần thiết trong quá trình chuyển giao.
Công suất mã tín hiệu thu RSCP (Received
Công suất thu trên một mã được đo ở bit pilot của kênh CPICH sơ cấp Điểm chuẩn để đo RSCP là đầu nối anten của MS Công suất mã tín hiệu thu TDD
Công suất thu trên một mã được đo trên kênh CCPCH từ một cell TDD Điểm chuẩn để đo là đầu nối anten của MS Công suất mã tín hiệu thu RSCP sau kết nối vô tuyến
Công suất thu trên một mã được đo ở bit pilot của kênh DPCCH sau kết nối vô tuyến Điểm chuẩn để đo RSCP là đầu nối anten của MS SIR Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được định nghĩa là
(RSCP/ISCP) x(SF/2), trong đó ISCP là công suất mã tín hiệu nhiễu, nhiễu của tín hiệu thu được đo tại bit pilot Chỉ thành phần không trực giao của nhiễu mới được đo SF là hệ số trải phổ.
SIR được đo trên kênh DPCCH sau kết nối vô tuyến. Điểm chuẩn để đo SIR là đầu nối anten của MS RSSI RSSI là chỉ thị ddook dài tín hiệu thu Phép đo này phải được thực hiện trên sóng mang đường xuống Điểm chuẩn để đo RSSI là đầu nối anten của MS CPICH Eb/No Năng lượng thu trên một chiip được chia bởi mật độ công suất trong băng Nó khác với tỷ số RSCP/ISCP Phép đo này phải được thực hiện trên kênh CPICH sơ cấp Điểm chuẩn để đo Eb/No là đầu nối anten của MS
Hệ số BLER (block Tính toán hệ số BLER phải dựa vào sự đánh giá phần
Công suất phát MS Là công suất tổng cộng của MS trên một sóng mang. Điểm chuẩn để đo là đầu nối anten của MS.
W-CDMA/UMTS có 4 loại chuyển giao: ba kiểu chuyển giao mềm và chuyển giao cứng:
* Chuyển giao giữa các cung trong ô hay chuyển giao mềm hơn (Intersector hay Softer Handoff).
* Chuyển giao giữa các ô hay chuyển giao mềm (Intercell hay Solf Handoff).
* Chuyển giao mềm -mềm hơn (Soft - Softer Handoff).
* Chuyển giao cứng (Hard Handoff).
3.7.3.1 Chuyển giao cùng một tần số (Intra- frequency Handover)
* Chuyển giao mềm: Khi ở trạng thái đang đàm thoại, liên tục đo mức tín hiệu của các trạm gốc lân cận và so sánh tín hiệu này với một tập hợp các mức ngưỡng và kết quả gửi kết quả so sánh lên trạm gốc hiện thời Dựa trên thông tin này, trạm gốc ra lệnh cho MS thêm vào hoặc loại bỏ các trạm gốc hiện thời Dựa trên thông tin này, trạm gốc ra lệnh cho MS thêm vào hoặc loại bỏ các trạm gốc khỏi tập tích cực (active set) Tập tích cực là tập hợp các trạm gốc cùng gửi dữ liệu đến MS MS nhận các tín hiệu này và kết hợp chúng như kết hợp các tín hiệu đa đường Trong quá trình đó tín hiệu MS sẽ xác định được độ lệch khung (frame offset) của kênh CCPCH của các ứng cử viên chuyển giao so với giá trị của trạm gốc hiện thời Khi cần thực hiện chuyển giao mềm, độ lệch khung cùng với độ lệch khung giữa kênh DPDCH/DPCCH và kênh CCPCH sơ cấp của trạm gốc hiện thời sẽ được sử dụng để tính toán giá trị bù khung yêu cầu giữa kênh DPDCH/DPCCH và kênh CCPCH thứ cấp của trạm gốc sẽ nhận chuyển giao Độ lệch khung này được chọn sao cho độ lệch khung giữa các kênh DPDCH/DPCCH của trạm gốc hiện thời và trạm gốc nhận chuyển giao tại đầu thu MS là nhỏ nhất Chú ý rằng độ lệch khung giữa kênh DPDCH/DPCCH và kênh CCPCH sơ cấp chỉ có thể được điều chỉnh theo từng bước của một symbol kênh DPDCH/DPCCH nhằm duy trì tính trực giao của đường xuống.
* Chuyển giao mềm hơn: Chuyển giao mềm hơn là chuyển giao mềm giữa các sector trong cùng một trạm gốc Chuyển giao mềm hơn về nguyên tác cũng được thực hiện giống như chuyển giao mềm Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa hai loại chuyển giao này là các tín hiệu, các sector thu được từ MS trong chuyển giao mềm hơn sẽ được kết hợp lại ở trạm gốc, còn tín hiệu các trạm gốc thu được từ MS trong chuyển giao mềm sẽ được kết hợp lại ở trạm gốc, còn tín hiệu các trạm gốc thu được từ MS trong chuyển giao mềm sẽ được kết hợp ở BSC.
* Chuyển giao mềm - mềm hơn: UE thông tin với hai sector của cùng một cell và một sector của cell khác.
Thiết lập cuộc gọi trong hệ thống WCDMA
Thủ tục thiết lập một cuộc gọi trong hệ thống WCDMA được cho trong hình 3.37 Thủ tục này bắt đầu yêu cầu thâm nhập từ UE Yêu cầu thâm nhập này hoặc được phát trên kênh truyền tải RACH hoặc kênh truyền tải CPCH Bản tin được phát là một yêu cầu để thiết lập một kết nối RRC trước khi thực hiện các giao dịch báo hiệu hay thiết lập vật mang.
RNC trả lời bằng bản tin thiết lập kết nối RRC Bản tin này được phát ở kênh logic CCH Nếu một kênh truyền tải DCH được cấp phát thì bản tin thiết lập kết nối RRC sẽ chỉ ra một mã ngẫu nhiên để UE sử dụng ở đường lên UE tự xác định mã định kênh và mã này được thể hiện ở đường lên.
UE trả lởi RNC bằng bản tin hoàn thành thiết lập kết nối được gửi trên kênh logic DCCH đường lên Sau đó, UE phát một bản tin dành cho mạng lõi Bản tin này được phát trong bản tin truyền trực tiếp khởi đầu RRC, vì khi này chưa có thiết lập quan hệ báo hiệu trực tiếp giữa UE và mạng lõi Phần tải trọng của bản tin này được truyền trực giữa UE và mạng lõi Bản tin này chỉ thị RNC và mạng lõi là cần thiết lập một quan hệ báo hiệu mới giữa UE và mạng lõi.
RNC sắp xếp bản tin truyền trực tiếp khởi đầu RRC vào bản tin UE khởi đầu RANAP và gửi bản tin này đến mạng lõi Trong trường hợp này bản tin được gửi đến MSC Việc chọn MSC hay SGSN phụ thuộc vào thông tin mào đầu trong bản tin truyền khởi đầu từ UE Phần bản tin của bản tin truyền trực tiếp khởi đầu được sắp xếp vào phần tải tin của bản tin UE khởi đầu của RANAP.
Tiếp theo, MSC sẽ khởi đầu các thủ tục bảo vệ Thủ tục này bắt đấu bằng nhận thực trên nguyên tắc hiệu lệnh, trả lời giống như ở GSM Ở đây có một điểm khác là
UE và mạng nhận thực lẫn nhau Nghĩa là mạng không chỉ phát một số ngẫu nhiên đến
UE để nhận được một trả lời đúng mà còn phát một thẻ bài nhận thực mạng (AUTN),thẻ bài này được tính toán độc lập tại USIM và HLR AUTRN này phải trùng vớiAUTN ở mạng Yêu cầu nhận thực được phát đến UE trong bản tin truyền trực tiếp của
RANAP và giao thức RRC Nếu nhận thực thành công thì UE phát bản tin trả lời nhận thực để MSC kiểm tra Bản tin này cũng được truyền đi nhờ các khả năng truyền trực tiếp của RANAP và RRC Tiếp theo, mạng lõi sẽ kích hoạt các thủ tục mật mã và kiểm tra tính trung thực, các thủ tục này đều do mạng lõi khởi xướng nhưng được thực hiện giữa UE và UTRAN Bởi vậy, MSC gửi bản tin lệnh chế độ bảo vệ RANAP đến UE.
UE đáp lại RNC bằng bản tin RRC, hoàn thành chế độ bảo vệ, và RNC gửi đến MSC bản tin RANAP, hoàn thành chế độ bảo vệ.
Tại thời điểm này, thông tin thiết lập cuộc gọi thực sự như: số thoại bị gọi được gửi ở bản tin thiết lập từ UE đến MSC thông qua báo hiệu truyền trực tiếp Nếu lần thử cuộc gọi được bắt đầu thì MSC trả lời bằng bản tin đang tiến hành gọi Tiếp theo, cần phải thiết lập một RAB để truyền tải luồng thoại thực tế từ người sử dụng.
RAB là một vật mang giữa UE và mạng lõi để truyền tải số liệu của người sử dụng Nó được sắp xếp thành một hoặc nhiều vật mang vô tuyến ở giao diện vô tuyến Mỗi vật mang có một số nhận dạng riêng để sử dụng trong báo hiệu giữa UE và mạng lõi Mạng lõi phát yêu cầu thiết lập RAB thông qua bản tin yêu cầu ấn định RAB của RANAP Dựa vào thông tin trong bản tin ấn định RAB và RNC có thể thiết lập một vật mang vô tuyến Sau đó, RNC gửi đến MSC bản tin hoàn thành ấn định RAB Khi này, tồn tại một đường mang vật từ UE đến MSC Phần còn lại của thủ tục thiết lập cuộc gọi gần giống như trong GSM Nó liên quan đến các bản tin báo chuông (Alerting), kết nối và khẳng định kết nối được truyền ở báo hiệu truyền trực tiếp.
Cần phải chú ý rằng, dịch vụ tiếng vẫn là dịch vụ chuyển mạch kênh Mặc dù thông tin thoại được đóng gói để truyền qua giao diện vô tuyến và vì nó cũng được đóng gói để truyền qua giao diện Iub và Iu nên cần thiết lập một vật mang riêng trong thời gian có cuộc gọi thậm chí cả khi phát không liên tục được tích cực và các gói thoại đang không được phát.
Hình 3.37 Thủ tục thiết lập một cuộc gọi trong WCDMA
Giải pháp chuyển giao giữa mạng 3G và 2G
Để nhà khai thác cung cấp được vùng phủ sóng liên tục ở những khu vực không phủ sóng WCDMA, chẳng hạn những vùng nông thôn, chuyển giao giữa mạng WCDMA và GSM sẽ là một giải pháp mở rộng vùng phủ sóng vô tuyến.
Thêm nữa, trong trường hợp ở những vùng có cả mạng WCDMA và mạngGSM, ta có thể thực hiện chuyển giao giữa hai hệ thống này để cân bằng hoặc kiểm soát tải lưu lượng giữa các hệ thống Ví dụ kết nối thoại được chuyển giao sang mạng GMS để cho phép các kết nối số liệu GSM/EDGE của chuyển mạch kênh CS được mạng WCDMA điều khiển.
Tại các khu vực chồng lấn vùng phủ sóng GSM và WCDMA, việc chuyển giao cho phép cân bằng tải giữa hai hệ thống này, rất tốt cho việc chống nghẽn trên phần mạng GSM và trên phần mạng WCDMA Việc quy hoạch vô tuyến như vậy sẽ đảm bảo:
- Tại các khu vực tập trung thuê bao và có nhu cầu sử dụng các ứng dụng số liệu cao thì WCDMA sẵn sàng đáp ứng.
- Vùng phủ sóng GSM rộng sẽ đảm bảo tính liên tục về vùng phủ sóng, đảm bảo kết nối liên tục ngay cả khi máy đầu cuối di động với tốc độ cao.
- Hai lớp mạng GSM và WCDMA sẽ bổ trợ cho nhau về tải và dung lượng. Chuyển giao giữa hệ thống GSM và hệ thống WCDMA được khởi tạo từ mạng vô tuyến GSM và chuyển giao từ hệ thống WCDMA sang hệ thống GSM được khởi tạo từ mạng vô tuyến WCDMA (UTRAN)
3.9.1 Chuyển giao trên kết nối chuyển mạch kênh (CS).
Chuyển giao giữa GMS và 3G là chuyển giao cho thoại hoặc kết nối số liệu GSM trong chuyển mạch kênh (CS) giữa mạng GSM và 3G.
Nếu kết nối chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) cùng đồng thời tồn tại ở các thiết bị đầu cuối UE thì các tiêu chuẩn chuyển giao của kết nối chuyển mạch kênh CS luôn luôn có quyền ưu tiên hơn những tiêu chuẩn lựa chọn lại ceell 3G của kết nối chuyển mạch gói PS.
Loại chuyển giao nàu có những ưu điểm sau đây:
- Mở rộng vùng phủ sóng liên tục cho mạng 3G bằng mạng GSM sẵn có.
- Mở rộng dung lượng cho mạng GSM bằng việc chia tải giữa mạng 3G và GSM.
- Cung cấp các dịch vụ 3G cho các máy đầu cuối 2 chế độ (GSM và 3G).
3.9.1.2 Chuyển giao từ mạng WCDMA sang GSM
Loại chuyển giao này được thực hiện hoặc là do mất vùng phủ sóngWCDMA hoặc là vì mục đích cân bằng tải và lưu lượng. kênh và cường độ tín hiệu giảm xuống dưới ngưỡng cho trước, thì mạng WCDMA yêu cầu máy đầu cuối thực hiện việc đo cell GSM Cụ thể là máy đầu cuối được chỉ dẫn gửi báo cáo kết quả đo đạc khi chất lượng của cell GSM bên cạnh vượt mức ngưỡng cho trước và chất lượng của cell WCDMA không thỏa mãn.
Khi mạng UTRAN nhận được bản tin báo cáo kết quả đo đạc, mạng bắt đầu thực hiện quá trình chuyển giao, với điều kiện thỏa mãn tất cả các tiêu chuẩn cho quá trình chuyển giao, với điều kiện là khi đó máy đầu cuối không liên quan đến các dịch vụ cần đến mạng WCDMA Sau đó mạng UTRAN yêu cầu BSS đích dự trữ nguồn tài nguyên BSS đích chuẩn bị bản tin yêu cầu chuyển giao bao gồm chi tiết cụ thể các tài nguyên vô tuyến được cấp phát.
Hình 3.38 Các thủ tục chuyển giao từ WCDMA sang GSM
Khi máy đầu cuối nhận được yêu cầu chuyển giao, nó sẽ di chuyển sang cellGSM đích và thiết lập kết nối vô tuyến phù hợp với các tham số có trong bản tin yêu cầu chuyển giao Máy đầu cuối xác nhận quá trình chuyển giao thành công bằng cách gửi bản tin chuyển giao thành công đến BBS sau khi mạng GSM bắt đầu giải phóng kết nối vô tuyến với WCDMA.
3.9.1.3 Chuyển giao từ mạng GSM sang WCDMA
Loại chuyển giao này được coi là ít quan trọng hơn chuyển giao từ WCDMA sang GSM bởi vì vùng phủ sóng WCDMA nói chung thường nằm trên và nhỏ hơn vùng phủ sóng của GSM.
Chuyển giao này được thực hiện hoặc là khi mất sóng mạng GSm mà vùng phủ sóng WCDMA đã sẵn sàng, hoặc là tại đó có nhu cầu cải thiện QoS, hoặc là để mở rộng dung lượng.
Giai đoạn đầu tiên của việc thực hiện chuyển giao này là cố gắng để xóa bỏ sự gián đoạn về vùng phủ sóng của cả hai mạng và để cân bằng tải lưu lượng bằng cách làm giảm sự quá tải trên lớp GSM đối với các cuộc gọi thoại.
Hình 3.39 Các thủ tục chuyển giao từ GSM sang WCDMA
Giai đoạn thứ hai sẽ cung cấp nhiều dịch vụ hơn và chuyển giao căn cứ trên tải để cho phép cân bằng số lượng thuê bao giữa GSM và WCDMA.
Hình 3.39 mô tả chuỗi bản tin để thực hiện chuyển giao từ mạng GSM sang
Khi các tiêu chuẩn về chuyển giao sang WCDMA thỏa mãn thì BSS bắt đầu cấp phát tài nguyên vô tuyến cho cell WCDMA BSS cũng gửi thông tin đến mạng UTRAN về khả năng sử dụng công nghệ WCDMA của máy đầu cuối kèm trong những bản tin trên.
Khi tài nguyên vô tuyến của cell WCDMA đích được cấp phát, mạng UTRAN sẽ phiên dịch bản tin yêu cầu chuyển giao sang mạng UTRAN mà bản tin này sẽ bao gồm nhận dạng cấu hình được định nghĩa trước đối với dịch vụ đang sử dụng Sau đó bản tin này được gửi đi một cách trong suốt đến máy đầu cuối thông qua mạng lõi và BSS.
Phương án khả thi chuyển đổi lên 3G
4.2.1 Phân tích các phương án chuyển đổi
Bốn công nghệ cellular 2G chính hiện nay là:
1 Cellular số Mỹ (USDC) tiêu chuẩn IS-54 và IS-136: được coi là tiêu chuẩn TDMA của Bắc Mỹ, tuy nhiên nó cũng được triển khai ở châu Mỹ Latinh, Châu á Thái Bình Dương và Đông Âu.
2 Hệ thống GSM: theo tên gọi có nghĩa là hệ thống toàn cầu cho điện thoại di động, là hệ thống 2G xuất hiện đầu tiên, được đưa ra vào năm 1992 GSM dựa trên kỹ thuật chuyển mạch kênh Dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ thấp (