TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
Sự phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng của các dịch vụ số liệu mà trước nhất la IP đã đặt ra yêu cầu mới đối với công nghiệp viễn thông di động Thông tin di động thế hệ hai mặc dù đã sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thống băng thông hẹp và được xây dung trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng được các dịch vụ mới này Trong bối cảnh đó ITU đã đua ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ bavới tên gọi IMT-2000 IMT-
2000 đã mở rộng đáng kể khả nănh cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện thông tin Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2 (2G) vào những năm 2000 Thông tin di động thế hệ 3xây dựng trên cơ sở IMT-2000 đã được đua vào phục vụ từ năm 2001 Các hệ thông 3G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: tiếng, số liệu tốc độ bít thấp và bít cao, đa phương tiện, video cho người sử dụnglàm việc ở cả các phương tiện công cộng lẫn tư nhân (vùng công sở, vùng dân cư, phương tiện vận tải…) Các tiêu chí để xây dựng IMT-2000 như sau:
1 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz như sau:
2 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:
* Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến
* Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông
3 Sử dụng các phương tiện khai thác khác nhau:
4 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
* Các phương tiện từ nhà ảo (VHE: Vitual Home Enviroment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu
* Đảm bảo chuyển mạng quốc tế
* Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho tiếng, số liệu chuyển mạch kênhvà số liệu chuyển mạch gói
5 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện
Môi trường hoạt đông của IMT-2000 được chia thành bốn vùng với các tốc độ bít Rb phục vụ như sau:
Vùng 1: Trong nhà, ô picô, Rb ¿2Mbps
Vùng 2: Thành phố, ô micro, Rb ¿384Mbps
Vùng 3: Ngoại ô, ô macro, Rb ¿144kbps
Vùng 4: Toàn cầu, Rb ¿9,6kbps
Có thể tổng kết các dịch vụ do IMT-2000 cung cấp ở bảng dưới:
Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết
Dịch vụ di động Di động đầu cuối/ di động cá nhân/ di động dịch vụ Dịch vụ thông tin định vị
Theo dõi di động/ theo dõi di động thông minh
Dịch vụ âm thanh Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-
64kbps) Dịch vụ truyền thanh AM (32- 64kbps)
Dịch vụ truyền thanh FM (64-384kbps)
Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144 kbps)
Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao (144kbps-2Mbps)
Dịch vụ số liệu tốc độ cao ( ¿2Mbps )
Dịch vụ đa phương tiện
Dịch vụ Video (384 kbps) Dịch vụ chuyển động (384 kbps-2Mbps) Dịch vụ chuyển động thời gian thực ( ¿2 Mbps )
Dịch vụ internet đơn giản
Dịch vụ truy nhập Web (384kbps-2Mbps)
Dịch vụ internet thời gian thực
(384kbps-2Mbps) Dịch vụ internet đa phương tiện
Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực (≥2 Mbps )
Bảng 1.1: Tổng kết dịch vụ IMT - 2000
1 2 Các tiêu chuẩn hệ thống thông tin di động thế hệ ba.
*** Hiện nay hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 là:
* WCDMA được xây dung từ 3GPP
* CDMA - 2000 được xây dựng từ 3GPP2
So sánh các thông số giao diện vô tuyến ở 2 tiêu chuẩn nói trên:
Sơ đồ đa truy nhập DS-CDMA băng rộng CD đa sang mang Độ rộng băng tần
0592/14, 7456 Độ dài khung 10ms 5/20ms Đồng bộ giữa các
BTS Dị bộ/đồng bộ Đồng bộ Điều chế ĐX/ĐL QPSK/BPSK QPSK/BPSK
Trải phổ ĐX/ĐL QPSK/OCQPSK(HPSK) QPSK/OCQPSK(HPSK)
Vocoder CS-ACELP/AMR EVRC, QCELP(13kbps)
Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP/ETSI/ARIB 3GPP2/TIA/TTA/ARIB
Bảng 1.2: So sánh các thông số giao diện vô tuyến của 2 tiêu chuẩn trên
OCQPSK(HPSK): Conjugate Structure-Algebaraic Code Excited Linear
Prediction: Dự báo tuyến tính kích thích theo mã đại số-cấu trúc phức hợp EVRC: Ennhanced Variabler Rate Coder: Bộ mã hoá tốc độ thay đổi tăng cường
UMTS là thuật ngữ được ETSI nhóm SMG về hệ thống thông tin di động vô tuyến 3G ở châu Âu đưa ra Các hoạt động nghiên cứu về UMTS trong ETSI được hỗ trợ bởi chương trình có tài trợ của EU, như RACE và ACTS Chương trình RACE gồm hai giai đoạn, bắt đầu vào năm 1988 và kết thúc vào năm
1995 Đối tượng của chương trình này là khám phá và phát triển “testbed” cho các công nghệ giao diện vô tuyến đề cử Trong dự án FRAMES của ACTS, hai kiểu (chế độ) đa truy nhập đã được chọn để nghiên cứu tiếp làm đề xuất cho truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRA) Chúng dựa trên TDMA có và Đến tháng 1/1997, ARIB đã quyết định chấp nhận WCDMA làm công nghệ truy nhập vô tuyến mặt đất cho đề xuất IMT-2000 của mình và nỗ lực cụ thể hóa các chỉ tiêu kỹ thuật của, công nghệ này Dưới ảnh hưởng của sự hỗ trợ mạnh mẽ cho WCDMA trên toàn cầu và quyết định sớm từ ARIB, một thỏa thuận nhất trí của ETSI đã đạt được vào tháng 1/1998 về việc chấp nhận WCDMA làm công nghệ truy nhập vô tuyến mặt đất cho UMTS Sau đó ARIB và ETSI đã phối hợp hai chuẩn của họ để có một công nghệ WCDMA thống nhất Phần này sẽ đề cập các đặc tính chính của RTT mặt đất trong các đề xuất của ETSI và ARIB mà có tể áp dụng cho cả UTRA và IMT-2000
1 2 2 Đặc tính của UTRA/IMT-2000
Phổ tần được đề xuất cho UTRA và IMT-2000 được minh họa trong hình 1.1 và hình 1.2 Có thể thấy, UTRA và IMT-2000 không thể sử dụng toàn bộ phổ tần cho hệ thống vô tuyến di động 3G do các băng tần đã được phân bốn phần cho DECT và PHS
Cụ thể, tín hiệu hướng lên và hướng xuống được hình thành trên hai tần số sóng mang khác nhau f 1 và f 2 , phân cách nhau bởi khoảng dãn băng ở chế độ
FDD Trái lại chế độ TDD dùng chung một kênh tần số f c , nhưng khác khe thời gian như thấy trong hình 1.1 và hình 1.2, cặp băng 1920-1980 Mhz và 2110-
2170 Mhz được phân định cho chế độ FDD ở hướng xuống và hướng lên tương ứng, còn chế độ TDD hoạt động trong băn tần còn lại
Tuy nhiên với các dịch vụ không đối xứng thì chỉ yêu cầu các băng FDD và do đó tuyến TDD linh động hơn có thể tăng gấp đôi dung lượng của tuyến bằng cách phân định mọi khe thời gian cho một hướng truyền Các tham số được thiết kế cho hoạt động FDD và TDD sao cho chúng tương thích lẫn nhau để dễ dàng thực hiện đầu cuối hai chế độ có thể sử dụng dịch vụ của cả nhà khai thác FDD và TDD
Bảng 1.3 chỉ ra các tham số cơ bản của UTRA/IMT-2000 Cả hai hệ thống hoạt động ở tốc độ chip cơ sở 4,096 Mcps, hiện nay đã được đổi thành
3,84 Mcps, tạo ra băng thông 5Mhz Khi dùng bộ lọc dạng xung cos nâng Nyquist với hệ số uốn là 0,22 IMT-2000 có thêm một tốc độ chip thấp hơn là 1,024 Mcps ứng với băng thông 1,25 Mhz Tốc độ chip gia tăng 8,192 Mcps và 16,384 Mcps cũng được đưa ra cho tốc độ bit người sử dụng cao hơn (> 2Mcps)
Hình 1.1: Phần phổ đề xuất của UTRA
Hình 1.2: Phần phổ đề xuất của IMT-2000
UTRA/IMT-2000 thỏa mãn các yêu cầu của hệ thống vô tuyến di động thế hệ 3 bằng cách cung cấp dải tốc độ truy nhập tới 2Mcps Các dịch vụ khác nhau với tốc độ bit và QoS khác nhau đề có thể được hỗ trợ nhờ mã hệ số trải phổ khả biến trực giao OVSF Trái ngược với kênh hoa tiêu chung của hệ thống IS-
95, hệ thống thế hệ 3 UTRA/IMT-2000 dùng các ký hiệu hoa tiêu riêng nằmg trong luồng dữ liệu của người sử dụng Chùng có thể được dùng để hỗ trợ hoạt động của anten thích nghi ở trạm gốc
Dùng kênh hoa tiêu chung hay chèn kênh hoa tiêu riêng vào dữ liệu, vẫn đề dùng tách tương quan Tách tương quan tạo ra chỉ tiêu tốt hơn tách không tương quan Hơn nữa, các mã trải phổ ngắn cho phép thực hiện nhiều kỹ thuật nâng cao chỉ tiêu khác nhau nhờ các bộ triệt nhiễu và thuật toán phối hợp Để hỗ trợ triển khai hệ thống linh động ở môi trường trong nhà và ngoài trời, hoạt
“động đồng bộ giữa các cell với nhau” được sử dụng ở chế độ FDD Do đó không cần nguồn định thời gian như hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
Tuy nhiên, ở chế độ TDD, đồng bộ liên cell được yêu cầu để có thể truy nhập xuyên suốt các khe thời gian của trạm gốc lân cận khi chuyển cell Điều đó thực hiện được bằng cách duy trì đồng bộ giữa các trạm gốc
IMT-2000 (International Mobile Telecommunications in the year 2000) là
“sự bảo trợ” (“umbrella Specification”) của toàn bộ các hệ thống 3G IMT-
2000 là tầm nhìn của hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU-International Telecommunications Union) về sự truy nhập không dây toàn cầu trong thế kỷ
21 IMT-2000 là tên mới cho các hệ thống di động 3G, thay thế cho tên cũ là
“Các hệ thống viễn thông di động đất liền công cộng tương lai’’ (FPLMTS- Future Public Land Mobile Telecommunications Systems) FPLMTS là mục tiêu của sự phát triển hệ thống viễn thông di động bao gồm giao diện không gian và cơ sở hạ tầng
Các thủ tục chính của giao diện không gian IMT-2000 là:
1 Bao phủ toàn bộ và tốc độ là 144kbps trong một cell lớn (ví dụ như trong một khu vực lớn như ở thành phố) ; lưu động (cho xe cộ)
2 Bao phủ vừa phải tại 384kbps trong một cell nhỏ (ví dụ như một vài km vuông)
3 Bao phủ giới hạn tại trên 2Mbps trong một pico cell; cố định
4 Hiệu suất trải phổ cao được so sánh với cá hệ thống hiện thời
5 Tính linh động cao để mở và kết hợp các dịch vụ mới tại các tốc độ bit khác nhau và các thủ tục E /N b 0
Một trong nhiều kỹ thuật phổ biến được phát triển cho IMT-2000 là CDMA băng rộng WCDMA (Wideband CDMA) Nó có hai phiên bản: CDMA
2000 và WCDMA Cả hai phiên bản khác nhau về tốc độ chip, cấu trúc kênh hướng xuống, và sự đồng bộ mạng, nhưng cả hai đều đưa lại sự đàm thoại vô tuyến với dung lượng cao hơn và giá thành thấp hơn các hệ thống 2G và 2, 5G. Phiên bản sau cùng được đưa ra vào tháng 1 năm 1998 bởi hiệp hội tiêu chuẩn viễn thông châu âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute) , bằng sự đề xuất của họ với ITU cho sự trải phổ song công phân chia theo tần số FDD của IMT-2000 Sự đề xuất của ETSI được nhận biết như sự truy nhập vô tuyến mặt đất UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access System) (UMTS- Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống thông tin di động đa năng)
IMT-2000 bao gồm các chuẩn sau:
* IMT-2000 CDMA trải phổ trực tiếp: WCDMA (UTRAN FDD)
* IMT-2000 CDMA đa sóng mang: CDMA 2000
* ITM-2000 CDMA TDD: TDD-SCDMA (UTRAN TDD)
* IMT-2000 TDMA đơn sóng mang: UWC-136 (EDGE-Enhanced Data for GSM Evolution)
* Tất cả các tiêu chuẩn trên không tương thích với nhau
GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG WCDMA
Các kênh trong giao diện vô tuyến
Người ta định nghĩa một bộ các kênh logic khac nhau sử dụng cho các dịch vụ truyền số liệu khac nhau ở phân lớp MAC Mỗi loại kênh logic được xác định bởi một loại thông tin mà nó truyền Kênh logic được chia thành 2 nhóm:
Nhóm kênh điều khiển (CCH): để truyền thông tin điều khiển khiển bao gồm các kênh sau:
Kênh điều khiển quảng bá - BCCH (Broadcast Control Channel).
Kênh điều khiển nhắn tin - PCCH (Paging Control Channel)
Kênh điều khiển dành riêng - DCCH (Dedicated Control Channel).
Kênh điều khiển chung - CCCH (Common Control Channel).
Kênh điều khiển phân chia kênh - SHCCH (Shared Channel Control Channel).
Kênh điều khiển dành riêng cho ODMA - ODCCH (ODMA Dedicated Control Channel).
Kênh điều khiển chung cho ODMA - OCCCH (ODMA Common Control Channel).
2.1.2 Nhóm kênh lưu lượng (TCH: Trafic Channel )
* Kênh lưu lượng dành riêng - DTCH (Dedicated Trafic Channel).
* Kênh lưu lượng dành riêng cho ODMA - ODTCH (ODMA Dedicated Trafic Channel).
* Kênh lưu lượng chung - CTCH (Common Trafic Channel).
Kênh điều khiển quảng bá-BCCH
Là kênh hướng xuống dùng để truyền quảng bá thông tin điều khiển của hệ thống.
Kênh điều khiển nhắn tin-PCCH
Là kênh hướng xuống dùng để truyền thông tin nhắn tin và được sử dụng khi:
* Mạng không biết được vị trí của cell chứa trạm di động MS (Mobile Station).
* MS trong một cell ở trạng thái kết nối (sử dụng thủ tục chế độ ngủ).
Kênh điều khiển chung- CCCH
Là kênh hai chiều (cả hướng lên và hướng xuống) dùng để điều khiển thông tin giữa mạng và các
MS Kênh được sử dụng để:
* Khi MS không có sự kết nối RRC với mạng.
* Khi máy di động sử dụng kênh truyền dẫn chung để truy cập một cell mới sau quá trình lựa chọn lại cell.
Kênh điều khiển dành- riêng DCCH
* Là kênh hai chiều điểm điểm dùng để truyền thông tin điều khiển riêng giữa MS và mạng.
* Kênh được thiết lập thông qua thủ tục cải đặt kết nối RRC.
Kênh điều khiển chung cho ODMA
Là kênh hai chiều dùng truyền thông tin điều khiển giữa các MS.
Kênh điều khiển dành riêng cho ODMA
Là kênh hai chiều điểm điểm dùng truyền thông tin điều khiển riêng giữa các MS Kênh này được thiết lập thông qua thủ tục cài đặt kết nối RRC.
Bả ng 2.1: kênh điều khiển logic
Kênh lưu lượng dành riêng- DTCH
Là kênh điểm điểm dành riêng cho một MS để truyền thông tin của người sử dụng Kênh DTCH có thể có ở cả hướng xuống và hướng lên.
Kênh lưu lượng dành riêng cho
Là kênh điểm điểm dành riêng cho một MS để truyền thông tin của người sử dụng giữa các MS với nhau
Một kênh đơn hướng điểm- đa điểm để truyền thông tin dành riêng cho người sử dụng cho tất cả hay một nhóm các MS đặc biệt.
Bả ng 2.2 : Kênh lưu lượng logic 2.2.2 Kênh truyền dẫn
Các kênh truyền dẫn (Transport Channel) có nhiệm vụ truyền thông tin giữa phân lớp MAC và lớp vật lý Kênh chuyển vận được phân chia thành hai nhóm:
* Kênh truyền dẫn dành riêng.
2.2.2.1 Kênh truyền dẫn dành riêng
Kênh truyền dẫn dành riêng DCH (Dedicated Channel) là một kênh thực hiện truyền thông tin điều khiển và thông tin người sử dụng giữa UTRAN và
UE DCH được truyền trên toàn bộ cell hoặc chỉ truyền trên một phần cell đang sử dụng Thông thường chỉ có một kênh truyền dẫn dành riêng sử dụng cho đường lên hoặc đường xuống ở chế độ FDD hay TDD.
DCH được mô tả bởi khả năng thay đổi tốc độ nhanh (10ms), sự điều khiển công suất nhanh và sự đánh địa chỉ vốn có của các MS.
Là kênh truyền dẫn hướng xuống dùng để phát quảng bá thông tin của hệ thống và của các cell riêng biệt BCH thường được truyền qua toàn bộ cell với tốc độ cố định thấp và có dạng kiểu truyền đơn.
Kênh truy nhập đường xuống- FACH
Là kênh truyền dẫn hướng xuống truyền thông tin điều khiển tới trạm di động khi hệ thống biết được vị trí cell của trạm di động FACH được truyền qua toàn bộ cell hay một phần của cell sử dụng anten định hướng tầm xa(các anten dạng búp) và nó cũng có thể được truyền bằng cách sử dụng điều khiển công suất chậm Ở TDD, nó có thể truyền các gói tin ngắn của người sử dụng.
Là kênh hướng xuống PCH luông truyền qua toàn bộ cell, được dùng để truyền thông tin điều khiển tới trạm di động khi hệ thống không biết vị trí cell của trạm di động Ở FDD, quá trình truyền PCH được kết hợp với quá trình truyền các chỉ thị nhắn tin của lớp vật lý để hỗ trợ các quy trình ở chế độ ngủ (sleep-mode) một cách có hiệu quả.
Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH
Là kênh hướng lên, RACH thường thu được từ toàn bộ cell, thực hiện truyền thông tin điều khiển tới trạm di động Ở FDD, RACH được đặc trưng bởi nguy cơ xung đột (collision risk) và bởi việc sử dụng điều khiển công suất vòng mở sử dụng cho việc truyền dẫn Ở TDD, nó cũng có thể truyền các gói tin ngắn của người sử dụng.
Channel) Ở FDD, CPCH là kênh truyền dẫn đường lên kết hợp với một kênh riêng đường xuống tạo ra điều khiển và các lệnh điều khiển CPCH (ví dụ như dừng khẩn cấp) Nó được đặc trưng bởi nguy cơ xung đột ban đầu và việc sử dụng điều khiển công suất mạch vòng trong cho việc truyền dẫn. Ở TDD, có kênh dùng chung đường lên USCH, là kênh truyền dẫn đường lên được dùng chung bởi một vài UE thực hiện truyền số liệu điều khiển dành riêng hoặc lưu lượng.
Kênh chia sẻ hướng xuống DSCH
Là kênh truyền dẫn hướng xuống được dùng chung bởi một vài UE thực hiện truyền số liệu điều khiển dành riêng hoặc lưu lượng Ở FDD nó được kết hợp với một hoặc vài kênh DCH hướng xuống Nó có thể được truyền trên toàn bộ cell hay chỉ trên một phần cell đang sử dụng, ví dụ các anten dạng búp.
Bả ng 2.3: Kênh vận truyền dẫn
Cả FDD và TDD đều có một số kênh truyền dẫn giống nhau, tuy nhiênFDD không có kênh dùng chung đường lên (USCH) và TDD không có kênh gói chung (CPCH) Kênh truyền dẫn CPCH ở FDD thực hiện các lệnh điều khiển công suất cần thiết, các lệnh này không được yêu cầu ở TDD Ngược lạiUSCH thực hiện các lệnh cần thiết ở TDD mà không được yêu cầu ở FDD.
Các kênh truyền dẫn là các kênh được mã hóa và làm phù hợp với tốc độ dữ liệu cung cấp bởi kênh vật lý Sau đó kênh truyền dẫn được ánh xạ với kênh vật lý
Kênh vật lý (PCH-Physical Channel) có cấu trúc như các khung vô tuyến và các khe thời gian Khung vô tuyến là một khối xử lý bao gồm 15 khe thời gian có chiều dài 38400 chip, và khe thời gian là một khối chứa các trường bit có chiều dài 2560 chip Cấu hình khe thời gian biến đổi tùy thuộc tốc độ bit của kênh vật lý Vì thế số bit trên một khe có thể khác nhau đối với các kênh vật lý khác nhau và trong một vài trường hợp có thể biến đổi theo thời gian
Một kênh vật lý tương ứng với một mã, một tần số sóng mang cụ thể, và trên hướng lên sẽ có thêm một thành phần quan hệ pha (0 hoặc π/2 ), các luồng thông tin khác nhau có thể truyền trong nhánh I và Q
Kênh vật lý được chia thành kênh vật lý hướng lên (ULPCH- UplinkPhysical Channel) và kênh vật lý hướng xuống (DLPCH- Downlink PhysicalChannel) Cấu trúc của kênh vật lý được minh họa ở hình 2.1
Kênh vật lý hướng lên
(uplink PCH) Kênh vật lý hướng xuống
Kênh vật lý dành riêng
(DPCH) Kênh vật lý điều khiển chung (CCPCH)
Kênh dữ liệu vật lý dành riêng (DPCCH)
Kênh điều khiển vật lý dành riêng (DPDCH)
Kênh truy nhập ngẫu nhiên (PRACH)
Kênh vật lý dành riêng (DPCH)
CCPCH thứ cấp Kênh vật lý điều khiển chung (CCPCH)
Hình 2 1 : Cấu trúc kênh vật lý
Tốc độ chip mã trải phổ
3,84Mcps (Các tốc độ chip cao hơn cũng được sử dụng)
Hệ số trải phổ biến đổi 256,128,64,16,8,4
Tốc độ dữ liêụ 16,32,64,128,256,512,1024 kbps
Thời gian một khe 0,625 ms
Thời gian một khung 10ms(15khe)
Số chip trên một khe 2560
Số ký tự trên một khe 10,20,40,80,160,320,640
* Chỉ cung cấp cho các kênh CCPCH sơ cấp, SCH và RACH.
Bả ng 2.4: Các thông số của kênh vật lý 2.3.1.1 Kênh vật lý hướng lên
Kênh vật lý hướng lên (ULPCH) được chia thành hai loại:
* Kênh vật lý điều khiển chung CCPCH (Common Control Physical Channel).
2.3.1.2 Kênh vật lý dành riêng hướng lên DPCH
Kênh vật lý dành riêng DPCH được chia thành hai loại sau:
* Kênh dữ liệu vật lý dành riêng uplink DPDCH (Dedicated Physical Data Channel).
* Kênh điều khiển vật lý dành riêng uplink DPCCH (Dedicated Physical Control Channel)
Kênh uplink DPDCH được dùng để mang dữ liệu được phát ra tại lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) và lớp trên nó (kênh truyền dẫn dành riêng DCH) Có thể có 0, 1 hay một vài kênh uplink DPDCH trên mỗi kết nối ở lớp 1.
Kênh uplink DPCCH được dùng để mang thông tin điều khiển phát ra tại lớp 1 Thông tin điều khiển bao gồm:
* Các bit hoa tiêu (pilot) để hỗ trợ đánh giá việc xác định kênh trong quá trình phát hiện tương quan.
* Các lệnh điều khiển công suất phát (TPC-Transparent Power_Control).
* Các lệnh thông tin phản hồi (FBI: Feed Back Information).
CÁC CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT BỊ CỦA
Xử lý đa phương tiện
WCDMA UMTS cho phép truyền dẫn số liệu tốc độ cao đặt nền tảng cho thông tin đa phương tiện trong các môi trường di động Để sử lý đa phương tiện phù hợp với thông tin di động cần xét đến những đặc tính và hạn chế của truy nhập vô tuyến. Các công nghệ cơ sở xử lý tín hiệu thực hiện thông tin đa phương tiện: Nhóm chuyên gia hình ảnh động MPEG-4 (Moving Picture Experts Group-4), mã hoá tiếng đa tốc thích ứng (ARM: Adaptive Multirate) và 3G- 324.MPEG-4 được coi như là công nghệ then chốt đối với WCDMA UMTS được phát triển để sử dụng trong thông tin di động và được tiêu chuẩn hoá trên cơ sở các phương pháp mã hoá hiện có khác nhau AMR có chất lượng cao được thiết kế sử dụng trong các điều kiện khác nhau như trong nhà và di động 3G-324M được 3GPP tiếp nhận như là một công nghệ của hệ thống đầu cuối để thực hiện các dịch vụ nghe nhìn.
3.1.2 Xử lý đa phương tiện
Phương pháp mã hoá ảnh MPEG-4 được sử dụng trong các dịch vụ WCDMA UMTS khác nhau như điện thoại có hình và phân phối truyền hình MPEG-4 được xây dựng trên quan điểm kết hợp các công nghệ mã hoá ảnh hiện có.
3.1.2.2 Các phương pháp mã hoá video khác nhau
Các phương pháp mã hoá video được tiêu chuẩn hoá quốc tế bao gồm H.261, MPEG-1, MPEG-2, H263 và MPEG-4.
CHƯƠNG 2 3.1.2.2.1 Mã hoá video H263 Đây là phương pháp mã hoá video mức độ cực thấp cho điện thoại có hình trên các mạng tương tự do ITU-T tiêu chuẩn vào năm 1992 Phương pháp này sử dụng modem 28,8kbps và tiếp nhận một phần các công nghệ mới được phát triển cho MPEG-1 Dự báo nén chuyển động giữa các khung theo đơn vị 0,5pise1 là chức năng cơ sở bắt buộc Một chức năng cơ sở khác là mã hoá ba kích thước gồm cả EOB cho phép mở rộng mã hoá độ dài khả biến hai kích thước thông thường (đoạn chạy và mức) Ngoài ra, dự báo lén chuyển động giữa các khung theo đơn vị khối 8x8 pisel và sử lý giảm méo khối trong các hình ảnh được bổ xung thêm như các tuỳ chọn1.
Với các chức năng bổ xung này,H263 hiện nay đang được sử dụng trong một số thiết bị cho điện thoại có hình và hội nghị truyền hình ISDN.
CHƯƠNG 3 3.1.2.2.2 Mã hoá vi deo MPEG-4
Mã hoá videoMPG-4 được phát triển trên cơ sở rất nhiều cải thiện cho mã hoá H.263 bao gồm cả tăng cường chống nỗi. Phương pháp mã hoá này tương thích ngược với chức năng cơ sở của H263.
Nếu MPEG-2 được thiết kế chủ yếu dễ sử lý ảnh trên máy tính , phát quảng bá số thông tin tốc độ cao, ngoài các dịch vụ này,MPEG-4 được tiêu chuẩn với tập trung chủ yếu lên các ứng dụng viễn thông, nhất là thông tin di động Năm 1999, MPEG-4 thiết lập một phương pháp mã hoá video rất tổng quát như làtiêu chuẩn ISO/IEC Vì thế MPEG-4 được công nhận như là một công nghệ then chốt cho các dịch vụ đa phương tiện trên cơ sở hình ảnh bao gồm thư video, phân phối video và điện thoại có hình trong WCDMA UMTS
Máy tính MPEG - 4 Quảng bá
Thông tin điện thoại có hình di độnghội nghị video di động
Phạm vi ứng dụng của MPEG-4
* Lý lịch và mức Để đảm bảo tính chao đổi và tương tác của số liệu sau mã hoá, các chức năng của MPEG-4 được phân loại theo lý lịch, còn mức dộ phức tạp được phân loại theo mức giống nhau như ở MPEG-2 Các lý lịch được định nghĩa bao gồm : Đơn các chức năng chung Dự báo nén di động giữa các khung bằng 8x8 pise (được định nghĩa như là tuỳ chọn trong H.263) được coi như là lý lịch đơn giản
Với sử lý đơn giản, cấc ảnh QCIF được sử lý theo mức 1 và
0 và CIF được sử lý theo mức 2.
Các lý lịch lõi và chính định nghĩa một vùng bất kỳ trong video như là một đối “tượng” để cải thiện chất lượng ảnh hoặc
Quảng bá TV di động phân phối thông tin di động
( vi deo và âm thanh)
Máy tính thử video đa phương tiện theo yêu cầu Internet di động kết hợp đối tượng này và số liệu mã hoá khác MPEG-4 cung cấp các lý lịch khác, chẳng hạn lý lịch đượ soạn thảo bằng các ảnh do máy tính tạo ra (CG: Computer Generated)
3.1.3 Mã hoá tiếng đa tốc độ thích ứng của WCDMA UMTS
Vì có rất nhiều sơ đồ mã hoá tiếng được đề xuất, các tổ chức quốc tế như TIA, TTC, ETSI, ARIB đã tiến hành nựa chọn công nghệ mã hoá tiếng phù hợp nhất cho thông tin di động3G Mã hoá tiếng đa tốc độ thích ứng (ARM:Adaptive MutiRate) được coi là công nghệ vượt trội so với các công nghệ mã hoá tiếng khác Vì thế nó được chọn là sơ đồ mã hoá tiếng choWCDMA.
Các công nghệ tiết kiệm công xuất
Các UE phải nhẹ, nhỏ sử dụng pin hoặc ac quy Trong nhiều năm, người ta đã cố gắng giảm kích thước của các thiết bị và giảm tiêu thụ công xuất Nhiều công nghệ giảm tiêu thụ công xuát đã được áp dụng cho các hệ thống vô tuyến như: điều khiển thu gián đoạn.
WCDMA đòi hỏi các chức năng sử lý tín hiệu phức tạp hơn các hệ thống thông thường để đảm bảo nhiều thể loại dịch vụ và ứng dụng tốc độ cao Tuy nhiên kích thước của ăcquy vẫn phải giống như các hệ thống thông thường, do yêu cầu thu nhỏ kích thước đầu cuối Mặc dù các cố gắng mới đây nhằm làm cho acquy mỏng hơn, nhẹ hơn và có dung lượnglớn hơn, vẫn cần phải có phương pháp tiết kiệm công xuất tích hợp trong từng thiết bị tạo nên UE như: Khối vô tuyến, khối băng tần cơ sở và hiển thị để không thua kém các thiết bị 2G về thời gian sử dụng và kích thước.
3.2.1.Tiết kiệm công suất trong các thiết bị
WCDMA thực hiện TPC cẩn thận để giảm nhiễu và tăng dung lượng Để khai thác chức năng này cho việc giảm công suất tiêu thụ, việc giảm méo và cải thiện hiệu suất khi công suất cực đại trong AMP công suát là chưa đủ Vấn đề then chốt để kéo dài thời gian thông tin là phải cải thiện hiệu suất tổng thể, từ công suất phát thấp đến công suất phát cao Để được công suất phát cực đại, độ tuyến tính và hiệu suất lớn nhất, các phần tử lưỡng cực SiGe và GaSa được sử dụng.
Vì các tín hiệu trải phổ băng rộngcần được đồng bộ và giải điều chế với độ nhậy cao, vấn đề quan trọng là phải đạt được
NF thấp trong tầng đầu máy thu Vì WCDMA sử dụng truy nhập song công nên không thể sử dụng các chuyển mạch RF có tổn hao nhỏ như ở cấc thiết bị TDD Vì thế các thiết bị thu phát lai ghép được sử dụng trên cơ sở kết hợp bộ lọc điện môi hay bộ duplexer băng rộng sử dụng công nghệ SAW với bộ lọc phát/thu Để tăng thời gian chờ, yêu cầu các khối vô tuyến là phải triệt sự tăng lòng trong LNA máy thu để nhận được đủ khuếch đại cho bù trừ tổn hao Ngoài ra, người ta đang nghiên cứu tiến hành phát thu biến đổi trực tiếp Vô tuyến phần mềm các công nghệ thu khác để thích hợp các phần tử vô tuyến nhằm thu nhỏ kích thước và giảm tiêu thụ công suất.
WCDMA cũng yêu cầu các hoạt động giải điều chế thông qua các bộ MF (lọc phối hợp), tìm ô và quá trình giải trải phổ nhanh, nagy cả trong chế độ thu không liên tục Vì tất cả yêu cầu trên đều dẫn đến tăng dòng thu, nên vấn đề then chốt cho việc tiết kiệm công suất là: Các khối DSP (Digital Signal
Pocessor),CPU và các LSI (Large Scale Intergration) của khối sử lý băng tần cơ sở phải khống chế cẩ thận.
Trước hết cần giảm dòng cơ sở khi tắt thu (dòng tối) Để vậy cần giảm dò và thiết kế tiết kiệm công suất cho giao diện giữa các thiết bị BB như CPU, DSP và bộ nhớ
Vấn đề thứ hai là cần quản lý được công suất các mạch điện trong từng phần tử như cấp nguồn phù hợp cho DSP và CPU theo hoạt động giải điều chế trong quá trình thu dán đoạn và điều khiển ngủ trong chế độ thu (giảm hay nén tần số đồng hồ, tắt nguồn luôi khối RF, rút ngắn thời gian làm ấm) Rất nhiều nỗ lực sáng tạo nhằm đạt được các ICđiều khiển công suất để đièu khiển cấp nguồn cho từng đơn vị bởi CPU và các mạch điều khiển nguồn đồng hồ
Ngoài việc tiết kiệm công suất trong thiết bị vô tuyến, tiết kiệm công suất trong thiết bị hiển thị cũng là một vấn đề quan trọng Cần giảm công suất tiêu thụ cả mạch điện điều khiển màn hình do dòng tiêu thụ xẽ tăng khi màn hình to hơn, hiển thị mầu Để giảm tiêu thụ công suất trong chế độ chờ hiển thị được chuyển vaò hiển thị mờ trong ché độ chờ và chế độ hiển thị có thể thay đổi được.
3.2.1.3.Điều khiển thu gián đoạn
Thu gián đoạn là một công nghệ chỉ tích cực UE trong chế độ rỗi khi cần thu tín hiệu từ BTS để tiết kiệm acquy.
Trong WCDMA, thu gián đoạn được thực hiện bằng cách sử dụng PICH để cải thiện hiệu năng tiêt kiệm acquy của UE trong chế độ rỗi BTS phát đi các PI trong khoảng thời gian ngắn để thông báo cho UE về cuộc gọi sắp tới Thông thường,
UE trong chế độ rỗi chỉ nhận được định thời của PI và khi nó được PI trên S – CCPCH liên kết với PICH.
Trong các hệ thống tổ ong, ta cần biết thông tin về thuê bao vào máy di động để có thể nhận dạng nó cho các cuộc gọi vào và tính cước ITU gọi môi trường để ghi nhớ thông tin về thuê bao là UIM (User Identity Modude:Modul nhận dạng thuê bao) trong các khuyến nghị cho IMT2000.UIM là một thẻ IC có CPU bên trong.Có hai loại : Một có kích thước như thẻ tín dụng và một có kích thước cắm rút UIM đã được đưa vào GSM và được sử dụng rộng rãi với tên gọi SIM (Subscriber Indentity Module:Modul nhận dạng thuê bao)
Trong một số hệ thống thế hệ hai khác như PDC ở nhật và IS-95 CDMA, thông tin thuê bao được lưu giữ trong bộ nhớ vĩnh cửu của chính máy di động Trong các hệ thống này cần có thiết bị đặc chủng để viết và xoá thông tin thuê bao.
Sử dụng UIM có hai cái lợi: Dễ dàng thay đổi các máy di động và có thể tăng cường tính an ninh Nếu thông tin thuê bao được viết vào chính máy di động, không thể thay đổi máy di động khi máy hoạt động không tốt cho đến khi thông tin này được viết lại vào máy mới bằng một thiết bị đặc biệt, UIM cho phép người sử dụng thay đổi máy di động mỗi khi cần với việc chỉ đơn giản rút UIM ra khỏi máy cũ và cắm vào máy mới Ưu điểm này khong chỉ nhận thấy khi máy di động không làm việc, mà thuê bao có thể có nhiều máy di động, (máy cầm tay, PDA có lắp trong tính năng điện thoại di động ) UIM cho phép người sử dụng thay đổi máy linh hoạt Các thẻ IC có cấu chúc bền vững đối với các tác động điện và cơ khí làm giảm tính an ninh và cần có PIN (Personnal Identity Number) giống như mật khẩu để truy nhập và viết vào dữ liệu cần nhớ An ninh được duy trì ở mức độ rất cao bởi hai tính năng trên.
Ngoài các thông tin, UIM lưu dữ số thoại người sử dụng, số thoại,dịch vụ bản tin ngắn (SMS, cước gọi tích luỹ Một chức năng quan trọng của UIM là chức năng nhận thực Nhận thực là chức năng chứng minh rằng thuê bao hợp lệ để trả lời yêu cầu từ mạng Trong các hệ thống thông thường, chức năng này được cài đặt ngay trong chính thuê bao UIM không chỉ đảm bảo chức năng nói trên mà còn kiểm tra xem có phải yêu cầu đến từ mạng có thẩm quyền hay không.Bằng cách này đầu cuối và mạng có thể nhận thực lẫn nhau.
UIM được tiêu chuẩn hoá một cách chặt chẽ có thể sử dụng nó cho mọi máy không phụ thuộc vào công nghệ sản suất đó
Trao đổi thông tin giữa UIM và UE được thực hiện qua thông tin nối tiếp bán song công Ngoài tốc độ truyền cơ sở 9600bps, tuỳ theo đàm phán tốc độ truyền dẫn có thể lên tới 111500bps Tồn tại hai loại giao thức truyền dẫn: Truyền ký tự dị bộ (giao thức T=0) Và truyền khối dị bộ (giao thức T= 1). Máy di động phải hỗ trợ cả hai giao thức này.
Hình dưới cho thấy cấu chúc của một thẻ IC thông thường. EPROM (bộ nhớ vĩnh cửu có thể viết lại bằng điện) lưu giữ thông tin thuê bao, số điện thoại và các số liệu khác ROM (không thể viết lại) lưu giữ các chương trình CPU để điều khiển thẻ.
ROM Lưu giữ chương trình và giải thuật mật mã
Bộ nhớ tạm thời để xử lý số liệu
EPROM Lưu giữ số liệu thuê bao và các số liệu khác
Hình 3.1: Cấu trúc của một thẻ IC thông thường
Các công nghệ hiển thị trên máy đầu cuối
Các mô hình máy di động hiện nay được trang bị một màn hình LCD nhỏ để hỗ trợ dịch vụ Internet như i-mode Vì các máy điện thoại di động có nguồn luôi là acquy, nên các phần tử của nó phải tuân thủ các yêu cầu nghiêm ngặt về tiêu thụ nguồn.
Vì thế các máy điện thoại di động sử dụng các STN LSD (STN: Super Twisted Nematic) tiêu thụ công suất ít, nói chung các STN LCD kém các hệ thống ma trận tích cực như TFT LCD (TFT: Thin Film Transistor) về tốc độ hưởng ứng và tương phản mầu. Tuy nhiên đối với các hệ thống 2G, STN LCD là đủ vì điện thoại di động 2G chủ yếu để phân phối thông tin dựa trên văn bản.
WCDMA không chỉ hỗ trợ phân phối thông tin trên văn bản mà còn các dịch vụ giải trí như: Phân phối video và các trò chơi chất lượng cao Các này đòi hỏi hiển thị có tốc độ hưởng ứng không chậm hơn 60ms STN LCD thông thường có tốc độ hưởng ứng khoảng 400ms và số mầu không đủ ứng cử mạnh nhất choWCDMA là các hiển thị ma trận tích cực cho tốc độ hưởng ứng nhanh 60ms và tương phản mầu sắc nét Hiển thị ma trận tích cực được sử dụng nhiều nhất là TFT LCD, nó có tốc độ hưởng ứng nhanh và có khả năng hiển thị nhiều mầu Tuy nhiên có tiêu thụ nguồn gấp 40 lần STN Giải pháp cho vấn đề này là phát triển TFD LCD Các TFD LCD chỉ tiêu thụ 4mw khi hiển thị ảnh tĩnh (gần bằng STN LCD).
STN LCD Bán trong suốt
Si-TFT Tinh thể t 0 thấp Kích thước màn hình Kiểu 2 Kiểu 2,6 Kiểu 2 Kiểu 2,4
Pixel 120x160pixel 160x240pixel 560x220pixel 852x222pixel
Số màu 256 màu 4096 màu 260.000 màu 2600.000 màu Độ tương phản 10:1 15:1 5:1 - Độ chói Tỉ lệ phản xạ:30
Thời gian hưởng ứng 400ms 60ms 50ms Vài ms
Tiêu thụ công suất 2mw 4mw 80mw 440mw
Bảng 3.1: Các đặc tính của các màn hình cho điện thoại di động
3.4.2 Hiển thị phát quang điện tử (EL) hữu cơ
Vấn đề gặp phải với các LCD mầu bán trong suốt là cần ánh sáng nền dẫn đến tăng tiêu thụ công suất và khó làm film mỏng và nhẹ hơn Một ứng cử để giải quyết ván đề này là sử dụng hiển thị EL hữu cơ làm bộ phát sáng EL phát sáng và các vật liệu phát đỏ, chàm và lục đã được phát triển, nhờ vậy EL hữu cơ có thể hiển thị toàn bộ mầu Cấu chúc cơ sở của EL hữu cơ giống như LED và nó có thể hưởng ứng nhanh hơn tinh thể lỏng (phải dựa trên thay đổi tổ chức phần tử) Các đầu cuối di động WCDMA bắt đầu tiếp nhận công nghệ EL hữu cơ với tốc độ hưởng ứng chỉ vải us Đây có thể xẽ là giải pháp mạnh nhằm giảm độ dầy và trọng lượng của hiển thị Điều này rất cần thiết cho thông tin dung lượng cao.
3.4.3 Các vấn đề tương lai và triển vọng của công nghệ hiển thị
Trong các máy điện thoại di động WCDMA, các hiển thị kiểu ma trận tích cực làm ứng cử mạnh Tuy nhiên cần giảm tiếp tiêu thụ công suất Thực tế người ta đang cố gắng tăng tốc độ hưởng ứng của các STN LCD tiêu thụ công suất thấp Theo một số báo cáo hiện đã phát triển được các STN LCD có các thuộc tính giống nhau như các hiển thị ma trận tích cực Các bộ hiển thị EL hữu cơ đã được phát triển để mỏng hơn và vượt trội các LCD nếu công xuất tiêu thụ giảm, đạt được bộ chói tốt hơn và kéo dài tuổi thọ của các vật liệu hữu cơ
TĂNG DUNG LƯỢNG KÊNH BẰNG GHÉP KÊNH THEO MÃ TRẢI PHỔ THÍCH ỨNG
Tổng quan về sơ đồ kênh vật lý
4.1.1 Sơ đồ tổng quan Ở đây ta chỉ xét sơ đồ tổng quan kênh vật lý hướng xuống WCDMA như cho ở hình 5.1 dưới đây:
Hình 4.1: Sơ đồ tổng quát kênh vật lý hướng xuống WCDMA
Trước hết luồng số cần truyền b (t) i với tốc độ bit R b được đưa ra bộ xử lý tín hiệu số để mã hóa khối tuyến tính, mã hóa xoắn hoặc mã hóa turbo, đan xen và phối hợp tốc độ Đầu ra của bộ xử lý tín hiệu số thu được luồng số có tốc độ bit kênh R Thông thường tốc độ R lớn hơn R b khoảng 2 lần Sau đó luồng số này được đưa lên bộ nối tiếp- song song (S/P) để chuyển thành hai luồng độc lập d (t) (I) i và d (t) i (Q) cho nhánh I và nhánh Q với tốc độ ký hiệu R s cho mỗi luồng Tiếp theo hai luồng này được trải phổ bằng một mã định kênh C (t) i có tốc độ chip R c =3.84Mcps Sau mã hóa định kênh và trải phổ hai luồng nhánh I và Q được đưa lên ngẫu nhiên hóa (để đơn giản ta gọi là trải phổ mức hai) bằng cách nhân phức với mã nhận dạng BTS (hay nút B theo thuật ngữ củaWCDMA) phức S (t) D,n Sau trải phổ mức hai, luồng phức được chia thành hai
Hai luồng này được qua bộ tạo dạng xung và nhân với hai sóng mang trực giao: cos(w t) c ở nhánh I và -sin(w t) c ở nhánh Q và cộng với nhau để được tín hiệu sau điều chế QPSK: S(t).
Tổng quát ta có thể biểu diễn tín hiệu S(t) dạng phức sau điều chế như sau: S(t)=d (t).C (t).S (t)e i i D,n jwct (4.1)
Trong đó d (t) i và S (t) D,n là các tín hiệu phức hợp được biểu diễn như sau: d (t)=d (t)+jd (t) i (I) i i (Q) (4.2) và S (t)=S (t)+jS (t) D,n (I) D,n (Q) D,n (4.3) Để tăng dung lượng kênh ta có thể sử dụng sơ đồ ghép đa mã như cho ở hình 4.2
Hình 4.2: Truyền dẫn đa mã cho hướng xuống 4.1.2 Mã định kênh
Các mã định kênh là các mã OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor: Hệ số trải phổ biến đổi trực giao) Về căn bản đây là các mã Walsh có độ dài khác nhau để đảm bảo tính trực giao giữa các kênh thậm chí cả khi chúng hoạt động ở các tốc độ số liệu khác nhau OVSF được tổ chức theo dạng hình cây như ở hình 4.3, trong đó hệ số trải phổ đối với sơ đồ hình 4.2 bằng: c s
SF=R /R Đối với hệ số trải phổ SF = 1, sẽ chỉ có một mã định kênh C ch,1,0 =(1) , nghĩa là một từ với một chip ở mức logic 1 Đối với SF = 2, sẽ có hai mã ch,2,0
C =(1,1) và C ch,2,1 =(1,-1) Đối với SF =4, ta có bốn mã:
Tổng quát ta có thể viết như sau: ch,1,0
C =1 ch,2,0 ch,1,0 ch,1,0 ch,1,0 ch,1,0 ch,2,1
(n+1) (n+1) n n ch,1 ,0 ch,2 ,0 ch,2 ,0 ch,1 ,1 ch,2 ,0 ch,2 ,0 ch,1 ,2 ch,2 ,1 ch,2 ,1 ch,1 ,3 ch,2 ,1 ch,2 ch,2 ,2 -2 ch,2 ,2 -1 ch,2 ,2 -1 ch,2 ,2 -1
(4.4) Để sử dụng thêm một mã định kênh trong một ô ta phải tuân theo quy định như sau: chưa sử dụng mã nào trên đường nối từ mã định chọn đến gốc cây và chưa có mã nào được sử dụng trong các nhánh cây ở phía trên mã định chọn.Chẳng hạn đối với kênh có tốc độ bit kênh bằng 1920 kbit/s (tương ứng với tốc độ bit cần truyền vào khoảng 960 kb/s), ta có tốc độ ký hiệu
R 20kb/s/20kb/s s và hệ số trải phổ SF=3.84 10 3 /960 = 4 Nếu ta sử dụng cả bốn mã này cho một kênh đa mã thì tốc độ truyền dẫn tối đa có thể đạt được tốc độ bit kênh là 1920kbit/s x4 v80kbit/s ( hay R b ≈ 3840kbit/s).
Vì các mã Walsh có các hàm tự tương quan không tối đa và các hàm tương quan chéo khác không trong môi trường vô tuyến phading, nên chúng không thích hợp cho các mã đa truy nhập Để được tự tương quan và tương quan chéo tốt, sau khi được trải phổ bằng các mã định kênh là các mã Walsh luồng số được ngẫu nhiên hõa bằng mã ngẫu nhiên hóa để nhận dạng nguồn phát Mã ngẫu nhiên hóa ở WCDMA/FDD là một đoạn 3800 chip/10ms của mã
Gold có độ dài 2 -1 18 cho đường xuống và 2 -1 25 cho đường lên khi mã dài được sử dụng.
Các chuỗi mã ngẫu nhiên đường xuống được cấu trúc bằng cách kết hợp hai chuỗi thực vào chuỗi phức Chuỗi thực S (i) (I) D,n , được xây dựng trên cơ sở chuỗi mã Gold C long,n (i) còn chuỗi thực S (i) (Q) D,n là phiên bản dịch 131072 chip của chuỗi mã Gold long,n
C (i) Chuỗi mã Gold C long,n (i) được xây dựng trên cơ sở cộng modul 2 theo vị trí bit hai chuỗi m, x(i) và y(i), có đa thức tạo mã là 1+X +X 7 18 và
1+X +X +X +X vì thế nó có độ dài là 2 -1&2143 18
Quan hệ của chuỗi mã ngẫu nhiên dài cho đường xuống với chuỗi Gold long,n
C (i) được xác định như sau:
S (i)=S (i)+jS (i)=C D,n (I) D,n (Q) D,n long,n (i)+jC long,n ((i+131072)mod(2 -1)) 18 (4.5)
Phần dưới đây ta sẽ xét thủ tục để xác định chuỗi C long,n (i) Hai chuỗi m x(i) và y(i) được khởi động ban đầu bằng 18 chip sau: x(0)=1,x(1)=x(2)= =x(16)=x(17)=0 (546) y(0)=y(1)= =y(16)=y(17)=1 (4.7)
2 -19 18 chip còn lại được xác định theo phương trình đệ quy sau: x(i+18)=x(i+17)+x(i)mod2 (4.8)
Chuỗi Gold thứ n C long,n (i) , n = 0,1,… , 2 -2 18 được xác định như sau:
Các chuỗi nhị phân được biến đổi vào các chuỗi giá trị thực C long,n (i) lưỡng cực bằng chuyển đổi sau: long,n long,n long,n
Nhóm Mã sơ cấp Mã thứ cấp
Bảng 4.1: Phân cấp các mã ngẫu nhiên hoá cho đ ư ờng xuống
Vì tổng số mã ngẫu nhiên khả dụng nhận dạng BTS là 8192, nên để dễ dàng nhận dạng BTS người ta chia các mã này thành 512 tập, mỗi tập có 16 mã trong một tập lại gồm một mã sơ cấp và 15 mã thứ cấp 8 tập (với 8x16 mã) hợp thành một nhóm mã tạo thành tổng số 64 nhóm Mỗi BTS được ấn định một mã ngẫu nhiên duy nhất (thông thường là mã sơ cấp) Phân cấp mã ngẫu nhiên được cho ở bảng 5.1.
4.1.4 Chất lượng truyền dẫn kênh
Chất lượng truyền dẫn kênh WCDMA có thể được xác định bằng tỷ số giữa năng lượng bit và tổng nhiễu đồng kênh và tạp âm như sau :
Trong đó G =R /R p c b là độ lợi xử lý, N , 0 là tổng mật độ phổ công suất tạp âm nhiệt và nhiễu, B là độ rộng băng tần kênh, K là người sử dụng trong ô, P ri là công suất thu nhiễu, υP(1+β) là hệ số tích cực tiếng và β) là hệ số nhiễu từ ô khác. Phân tích phương trình (4.12) ta thấy tỷ số tín hiệu trên tạp âm và nhiễu phụ thuộc điều kiện truyền sóng và tỷ lệ nghịch với tốc độ số liệu R b của người sử dụng Vì thế ta có thể tăng tốc độ bit R b trong điều kiện truyền tốt.
Đề xuất tăng dung lượng kênh bằng ghép luồng thích ứng theo mã trải phổ
Từ trình bảy ở trên ta thấy kênh truyền dẫn WCDMA có các đặc điểm sau:
Trải phổ hai lớp (bằng mã định kênh OVSF và ngẫu nhiên hóa).
Số lượng mã định kênh OVSF hạn chế, vì thế phải chọn lựa mã hợp lý nếu không sẽ thiếu.
Sơ đồ không cho phép thay đổi linh hoạt tốc độ bit khi điều kiện truyền sóng thay đổi Vì thế phải thiết kế dung lượng cố định cho điều kiện truyền sóng xấu, nên dẫn đến lãng phí dung lượng khi điều kiện truyền sóng tốt. Để khắc phục hai nhược điểm sau cùng nêu trên ta có thể sử dụng thêm một lớp trải phổ thứ ba đặt trước trải phổ định kênh như trình bày ở hình 4.4. Luồng số sau xử lý tín hiệu số và biến đổi S/P (hình 4.1) được đưa lên bộ phân kênh ký hiệu để chia các nhánh I và Q thành n luồng Sau đó từng cặp luồng nhánh I và Q được trải phổ phức bằng mã ngẫu nhiên hõa phức
Tiếp theo các luồng nhánh được cộng mức theo từng chip với nhau để được hai luồng tổng I và Q có tốc độ ký hiệu bằng R /n s Sau cùng quá trình tiếp diễn như đã xét ở sơ đồ 1.
Trong trường hợp này, ta được tín hiêu sau điều chế S(t) như sau:
Hình 4.4: Sơ đồ đề xuất thích ứng dung lượng và cải thiện phân bố mã định kênh c n jωt t ij j i D,n j=1
(4.13) Trong đó S (t) j là mã ngẫu nhiên hóa phức cho nhánh j d (t)=d (t)+jd (t) ij (I) ij ij (Q) (4.14)
Thông số n được chọn thích ứng theo tốc độ R b của luồng số cần truyền với điều kiện SF=R /(R /n)=const c s để đảm bảo mã kênh C (t) i tương ứng không đổi.
Thí dụ về chọn n thích ứng môi trường cho trường hợp thông tin phát đến hai MS như hình 4.5.
Hình 4.5: Thí dụ về ghép trải phổ thích ứng điều kiện truyền sóng
CÔNG NGHỆ HSDPA CHO WCDMA
Mở đầu
Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA (Hight Speed Downlink Packet Access) là một tính năng mới được đề cập trong các phiên bản của 3GPP cho hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA/UTRA-FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiên tiến cho hệ thống thông tin di động 3,5G HSDPA bao gồm một tập các tính năng mới kết hợp chặt chẽ với nhau để cải thiện dung lượng mạng, và tăng tốc độ dữ liệu đỉnh lên trên 10Mbps đối với lưu lượng gói đường xuống Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép có thể đưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện QoS của các dịch vụ hiện có, và đạt chi phí thấp nhất Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của WCDMA/HSDPA là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của 3GPP, với các tính năng tiên tiến, bao gồm:
Điều chế và mã hóa thích ứng AMC (Adaptive Modulation and Coding).
Kỹ thuật phát đa mã (Multi- Code).
H-ARQ nhanh (Hybrid- Automatic Repeat Request – Yêu cầu lặp tự động lai).
HSDPA là giao diện vô tuyến gói UMTS mới trong đó một kênh chung chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DS) được chia sẻ bởi nhiều người dùng khác nhau Ngoài ra, giải pháp HSDPA còn hỗ trợ truyền tải dữ liệu tốc độ cao tại tầng vật lý, HSDPA cho phép tốc độ truyền tải tối đa là 3,7Mbps cho mỗi thiết bị người dùng thuộc nhóm 6 máy dạng máy thu phân tập Rake cổ điển và lên đến 14Mbps cho mỗi thiết bị người dùng thuộc nhóm 10 máy thu tiên tiến. Các đặc trưng của HSDPA gồm:
Sử dụng thời gian đan xen truyền dẫn ngắn (TTI-2ms) (Transmission Time Interval: đan xen thời gian truyền dẫn ).
Ứng dụng điều chế thích ứng và mã hóa 16-QAM.
Ứng dụng công nghệ H-ARQ. Được xây dựng và phát triể từ tháng 6 năm 2004 bởi Nortel Network, giải pháp HSDPA đang tạo ra một thay đổi lớn trong công nghệ truyền thông di động 3G Đến đầu năm 2005, giải pháp HSDPA của Nortel Network đã được các công ty truyền thông hàng đầu như Ericsson, Nokia, Alcatel, LG, Samsung ứng dụng cho các sản phẩm mạng và thiết bị cầm tay của mình.
Cuộc cách mạng của thị trường thông tin di động đưa ra các yêu cầu nâng cấp cải tiến về cả dung lượng lẫn tốc độ truyền dẫn dữ liệu Để tăng khả năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, 3GPP đã phát triển và chuẩn hóa trong phiên bản R5 một công nghệ mới, HSDPA, cho phép cải thiện tốc độ truyền dẫn dữ liệu đường xuống và được xem như là sự phát triển mang tính cách mạng của mạng truy nhập vô tuyến WCDMA.
Khái niệm HSDPA dựa trên một kênh truyền tải mới, kênh HS-DSCH (Hight Speed Dowlink Shared Channel - Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao), trong đó một số lượng lớn tài nguyên mã và công suất được gán cho một người sử dụng tại một TTI nào đó theo phương pháp ghép theo mã và/hoặc thời gian Ngoài ra, HSDPA sử dụng điều chế và mã hóa thíc ứng AMC, H-ARQ nhanh, và lập lịch gói nhanh (PS: Packet Scheduling) Những tính năng này được phối hợp chặt chẽ và cho phép thích ứng các tham số truyền dẫn theo mỗi khoảng thời gian TTI nhằm liên tục hiệu chỉnh sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến.
Các lớp dịch vụ được khuyến nghị cho HSPDA bao gồm: 1) Streaming; 2) tương tác; 3) Các dịch vụ cơ bản khác Môi trường chúng ta tin tưởng sẽ được ưu tiên trong khi xem xét đầu tư nâng cấp lên HSPDA sẽ là môi trường thành phố HS-DSCH có thể cho phép cải thiện đáng kể dung lượng cho các dịch vụ gói khi hoạt động trong các ô macrocell lẫn microcell.
Công nghệ 3G WCDMA hiện nay (theo R99/R4 của 3GPP) cho phép tốc độ dữ liệu gói lên đến 2Mbps Tuy nhiên, các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống
Không tận dụng các ưu thế của dữ liệu gói vốn rất phổ biến đối với đường trục hữu tuyến.
Thiết kế dịch vụ 2Mbps hiện nay là không hiệu quả và cũng chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu.
Không thể xử lý tốc độ dữ liệu cao lên đến 10Mbps.
Do đó, R5 tiếp tục được phát triển để khắc phục những hạn chế này R5 là một sự phát triển quan trọng của mạng vô tuyến 3G kể từ khi WCDMA được chấp nhận là công nghệ mạng vô tuyến 3G từ năm 1997 Trong khi đó, công nhệ tương đương với WCDMA/HSDPA được gọi là CDMA 2000-DO (Data Only) trong pha đầu tiên, và CDMA 2000-DV (Data anh Voice) trong pha thứ hai Chúng ta có thể tổng kết các tính năng kỹ thuật của công nghệ WCDMA/HSDPA như sau:
- Tương đương với CDMA 2000xEV (HDR).
- Điều chế và mã hóa thích ứng.
- Sóng mang tốc độ dữ liệu cao (HDRC) trong băng tần 5Mhz.
- 64 QAM cho phép tốc độ đỉnh ~ 10,8 Mbps.
- 16 QAM hỗ trợ tốc độ đỉnh ~ 7,2Mbps.
- Khả năng sửa lỗi gần với giới hạn lý thuyết.
- Tự động thích ứng liên tục theo điều kiện kênh bằng cách thêm thông tin khi cần.
- Sử dụng AMC khi được kết hợp với H-ARQ nhằm cải thiện dung lượng của hệ thống.
- Các kỹ thuật được sử dụng cho phép HSDPA hỗ trợ tốc độ 10Mbps.
- Trong một hệ thống dữ liệu và thoại được tích hợp với người sử dụng thoại(12,2kbps) tải khoảng 30 Erl/sector và thông lượng sector của dữ liệu vẫn khoảng 1Mbps.
Mục đích của HSPDA là hỗ trợ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao bằng cách sử dụng một kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH) và hỗ trợ thoại được tích hợp trên kênh DCH và dữ liệu tốc độ cao trên kênh HS-PDSCH trên cùng một sóng mang (tương tự như DSCH trong R99).
Nguyên lý HSDPA
HSDPA gồm các giải pháp: thực hiện đan xen thời gian truyền dẫn ngắn TTI = 2ms, mã hóa và điều chế thích ứng AMC, truyền dẫn đa mã, lớp vật lý tốc độ cao L1, yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ Trong giải pháp HSDPA, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ được chuyển từ bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) tới Node B nhằm giúp người sử dụng dễ dàng truy nhập vào các chức năng thống kê giao diện vô tuyến Kỹ thuật sắp xếp gói tin tiên tiến sẽ giúp điều chỉnh được tốc độ dữ liệu người sử dụng sao cho thích hợp với các điều kiện vô tuyến tức thời.
Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE-User Equipment) sẽ định kỳ gửi một chỉ thị chất lượng kênh CQI (Channel Quality Indicator) tới Node B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuật điều chế và mã hóa, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có thể hỗ trợ khi ở dưới các điều kiện vô tuyến hiện thời, UE gửi một báo nhận (Ack/Nack) ứng với mỗi gói giúpNode B biết được thời điểm lặp lại quá trình truyền dữ liệu Cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh tương ứng cho từng UE trong một cell, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp các gói của UE một cách công bằng.Nguyên lý hoạt động của HSDPA được mô tả trong hình 5.1.
Hình 5.1: Mô tả đơn giản nguyên lý hoạt động của HSDPA
Vấn để chủ chốt là xác định chất lượng kênh đường xuống cho mỗi người sử dụng độc lập Ví dụ tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp âm ( E /N s 0 ), và chất lượng bộ tách UE Node B có thể ước lượng tốc độ dữ liệu được hỗ trợ cho mỗi
UE bằng cách giám sát các lệnh điều khiển công suất phát (TPC-Transmit Power Control) được gửi theo kênh dành riêng (DCH) liên kết với UE đó. Ngoài ra, UE có thể được yêu cầu phát theo chu kỳ một một giá trị chỉ thị chất lượng kênh CQI đặc thù của HSPDA trên kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao (HS-DPCCH- High Speed Dedicated Physical Control Channel) đường lên, kênh này cũng mang cả thông tin báo hiệu chấp nhận/ không chấp nhận (Ack/Nack) ở dạng gói dựa trên L1 cho mỗi liên kết Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ thống chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa những người sử dụng khác nhau Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC- Medium Access Control) được đặt tại Node B, do đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết nối, lập lịch gói do đó cho phép truy nhập nhanh hơn, cũng như điều khiển chất lượng tuyến kết nối, lập lịch gói hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng như điều khiển chất lượng QoS chặt chẽ hơn So sánh với phương pháp DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều kiện công suất nhanh và hệ số trải phổ là cố định Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hóa Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16QAM, cũng như hoạt động đa mã mở rộng, kênh HS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120 kbps tới 10Mbps Quá trình điều chế và mã hóa thích ứng cơ bản có một dải động khoảng 20 dB, và được mở rộng hơn nữa bởi đa mã khả dụng Bảng 7.1 chỉ ra kết nối giữa một khuôn dạng truyền tải và kết nối tài nguyên (TFRC) có thể và tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng.
TFRC Tốc độ dữ liệu
(15 mã) QPSK, tỷ lệ mã hóa
QPSK, tỷ lệ mã hóa
QPSK, tỷ lệ mã hóa
16 QAM, tỷ lệ mã hóa
16 QAM, tỷ lệ mã hóa
Bảng 5.1: Ví dụ tốc độ dữ liệu của HSDPA
Sau đây chúng ta sẽ lần lượt đi sâu phân tích chi tiết giải pháp kỹ thuật sử dụng trong HSDPA cũng như các lợi ích mang tính cách mạng do chúng đem lại như đã mô tả tóm tắt ở trên.
Những cải tiến quan trọng trong HSDPA so với WCDMA
Hình 5.2: mô tả các tính năng cơ bản của HS-PDSCH được bổ xung hoặc bị loại đi so với công nghệ WCDMA Với kênh truyền tải mới này, hai tính năng quan trọng nhât của công nghệ WCDMA như điều khiển cống suất vòng kín và hệ số trải phổ biến thiên không còn được sử dụng.
Hình 5.2: Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so với WCDMA
Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh nhằm giữ ổn định chất lượng tín hiệu nhận được ( E /N b 0 ) bằng cách tăng cống suất phát chống lại sự suy hao của tín hiệu thu được Điều này sẽ tạo ra các giá trị đỉnh trong công suất phát và tăng nền nhiễu đa truy nhập, do đó sẽ làm giảm dung lượng của toàn mạng. Hơn nữa, sự hoạt động của điều khiển công suất yêu cầu luôn luôn phải đảm bảo một mức dự trữ nhất định trong tổng số công suất phát của Node B để thích ứng với các biến đổi của nó Loại bỏ được điều khiển công suất sẽ tránh được các hiệu ứng tăng cống suất kể trên cũng như không cần tới dự trữ công suất phát của cell Tuy nhiên do không sử dụng điều khiển công suất, HSDPA yêu cầu các kỹ thuật thích ứng liên kết khác để thích ứng với các tham số tín hiệu phát nhằm liên tục bám theo các biến thiên của kênh truyền vô tuyến.
Một trong những kỹ thuật thích ứng liên kết sẽ được đề cập ở đây là điều chế và mã hóa thích ứng AMC Với kỹ thuật AMC, điều chế và tỷ lệ mã hóa được thích ứng một cách liên tục với chất lượng kênh thay cho việc hiệu chỉnh công suất Truyền dẫn sử dụng nhiều mã Walsh cũng được sử dụng trong quá trình thích ứng liên kết Sự kết hợp của hai kỹ thuật thích ứng liên kết trên đã thay hế hoàn toàn kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên (Variable Spreading Factor) trong WCDMA do khả năng thích ứng chậm đổi với sự biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao.
Do HSDPA không còn sử dụng điều khiển công suất vòng kín, phải tối thiểu hóa sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến trong mỗi khoảng thời gian TTI, vấn đề này được thực hiện nhờ việc giảm độ rộng của TTI từ 10ms ở WCDMA xuống còn 2ms ở HSDPA Với sự bổ xung kỹ thuật H-ARQ nhanh, nó cho phép phát lại một cách nhanh chóng nhất các block dữ liệu đã bị mất hoặc bị lỗi và khả năng kết hợp với thông tin “mềm” ở lần phát đầu tiên với các lần phát lại sau đó Để thu thập được thông tin chất lượng kênh hiện thời cho phép các kỹ thuật thích ứng liên kết lập lịch gói theo dõi giám sát một cách liên tục các điều kiện vô tuyến hiện tại của thuê bao di động, chức năng MAC chịu trách nhiệm giám sát kênh HS-DSCH được chuyển từ RNC đến Node B Thông tin về chất lượng kênh nhanh cho phép bộ lập lịch gói phục vụ user chỉ khi điều kiện của user là thích hợp Quá trình lập lịch gói nhanh và đặc tính chia sẻ theo thời gian của kênh HS-DSCH về bản chất có thể xem như phân tập lựa chọn đa người sử dụng (Multiuser Selection Diversity) với những lợi ích rất to lớn đối với việc cải thiện thông lượng của cell Việc dịch chuyển chức năng lập lịch đến Node B là thay đổi chính về kiến trúc nếu so sánh với phiên bản R99.
Cấu trúc HSDPA
Không giống như tất cả các kênh truyền tải theo kiến trúc R99, chúng đều chấm dứt tại RNC, kênh HS-DSCH chấm dứt ngay tại Node B(xem hình 5.3).Với mục đích điều khiển kênh HS-DSCH, lớp MAC sẽ điều khiển các tài nguyên của kênh này (do đó được gọi là MAC-hs) nằm ngay tại Node B, do đó cho phép nhận được các bản tin về chất lượng kênh hiện thời để có thể liên tục theo dõi giám sát chất lượng tín hiệu cho các thuê bao tốc độ thấp Vị trí này của MAC-hs tại Node B cũng cho phép kích hoạt giao thức H-ARQ từ lớp vật lý, nó giúp cho các quá trình phát lại diễn ra nhanh hơn. Đặc biệt, lớp MAC-hs chịu trách nhiệm quản lý chức năng H-ARQ cho mỗi user, phân phối tài nguyên HS-DSCH giữa tất cả các MAC-d theo sự ưu tiên của chúng (ví dụ, lập lịch gói), và lựa chọn khuôn dạng truyền tải thíc hợp cho mỗi TTI (ví dụ, thíc ứng liên kết) Các lớp giao diện vô tuyến nằm trên MAC không thay đổi so với kiến trúc R99 bởi vì HSDPA chỉ tập trung vào việc cải tiến truyền tải của các kênh logic.
MAC-hs cũng lưu giữ dữ liệu của user được phát qua giao diện vô tuyến, điều đó đã tạo ra một số thách thức đối với việc tối ưu hóa dung lượng bộ nhớ đệm của Node B làm nảy sinh yêu cầu phải có một cơ chế điều khiển luồng ( được gọi là HS-DSCH Frame Protocol) nhằm giữ cho các bộ nhớ đệm tại Node luôn đầy.
Hình 5.3: Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH
Ngoài ra, HS-DSCH không hỗ trợ chuyển giao mềm do sự phức tạp trong việc đồng bộ hóa quá trình phát từ các cell khác đến HS-PDSCH có thể hỗ trợ tùy chọn phủ toàn bộ hoặc phủ một phận cell.
Cấu trúc kênh HSDPA
Trong cấu trúc kênh của HSDPA có thêm một kênh vận tải mới, kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH) để mang dữ liệu người dùng, kênh vật lý tương ứng được gọi là HS-PDSCH.
Trong hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA, kênh DSCH có tính chất đặc thù và rất hữu dụng cho việc truyền lưu lượng gói lớn ở đường xuống. DSCH cung cấp các tài nguyên mã mà chúng có thể được chia sẻ bởi nhiều người sử dụng khác nhau theo phương thức ghép theo thời gian Việc chia sẻ các tài nguyên cho phép cải thiện dung lượng và tránh được sự thiếu hụt về mã định kênh khi xảy ra trường hợp mỗi user được cấp phát một kênh DCH Nó có thể được xem như một sự phát triển của kênh DSCH HS-DSCH được xếp vào nhóm các kênh vật lý được ký hiệu là HS-DSCHs và được chia sẻ giữa tất cả các user theo phương thức ghép theo thời gian Hệ số trải phổ của kênh HS- DSCHs được cố định là 16, và MAC-hs có thể sử dụng một số mã (còn được gọi là đa mã), tối đa lên đến 15 mã Hơn nữa, bộ lập lịch có thể được ghép theo mã bằng cách truyền các HS-DSCHs tách biệt tới các user khác nhau trong cùng TTI
Mã nguồn kênh HS-DSCH bao gồm một hay nhiều mã kênh với các thông số hỗn hợp dàn trải tới 16 loại Tối đa 15 mã như vậy có thể sắp xếp trong kênh dành cho yêu cầu điều khiển và các sóng mang dữ liệu Mã nguồn tương thích được chia sẻ trong miền thời gian, chẳng hạn nó được sắp xếp dành cho một người sử dụng tại một thời điểm Cũng có thể chia sẻ mã nguồn bằng cách thực hiện phân chia theo mã; trong trường hợp này, có thể có hai hoặc bốn người sử dụng cùng chia sẻ mã nguồn trong một khoảng đan xen thời gian truyền dẫnTTI (Sở dĩ HS-DSCH cung cấp khoảng thời gian đan xen truyền dẫn ngắnTTI=2ms nhằm giảm trễ thích nghi liên kết, tăng thời gian xử lý sắp xếp gói…).Ngoài dữ liệu ngừời sử dụng, Node B còn thực hiện truyền dẫn báo hiệu điều khiển nhằm thông báo sắp xếp cho người dùng kế tiếp Báo hiệu này được
Shared Control Channel) là kênh dùng chung cho các người sử dụng, và nó được thực hiện bằng cách truyền dẫn hai khe thời gian HS-SCCH TTI.Cấu trúc kênh đường lên và đường xuống của HSDPA được miêu tả trong hình 6.4. Kênh HS-SCCH được mã hóa bởi một mặt nạ người dùng đặc trưng, đồng thời nó chứa đựng cả lớp điều khiển thông tin mức thấp hơn, bao gồm các chức năng điều khiển, sắp xếp mã, mã hóa kênh và yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ cụ thể nó mang những thông tin sau:
Mặt nạ ID của UE: để xác định user được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo.
Thông tin liên quan đến khuôn dạng truyền tải: mô tả các mã định kênh, và phương thức/ kỹ thuật điều chế đựoc sử dụng Tỉ lệ mã hóa thực được trích ra từ kíc cỡ của block truyền tải và các tham số khuôn dạng truyền tải khác.
Thông tin liên quan đến H-ARQ: ví dụ như chu kỳ phát tiếp theo sẽ là một block mới hay là một block được phát lại (do có lỗi trước đó) và thông tin về các phiên bản thừa.
Thông tin điều khiển này chỉ được sử dụng cho UE sẽ được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo, như vậy kênh báo hiệu này là một kênh chia sẻ theo thời gian cho tất cả các user
RNC cũng có thể chỉ rõ công suất được khuyến nghị cho HS-SCCH có thể là hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tùy theo một chiến lược điều khiển công suất nào đó mặc dầu các tiêu chuẩn của 3GPP không thiết lập bất kỳ mô hình điều khiển công suất nào cho HS-SCCH.
Trên mỗi cấu trúc kênh là liên kết kênh vật lý dành riêng tốc độ thấp(DPCH) cho cả hai hướng lên và hướng xuống Kênh liên kết hướng xuống thực hiện tải tín hiệu sóng mang vô tuyến tới báo hiệu lớp 3 tương tự như nhiệm vụ yêu cầu điều khiển công suất ỏ kênh hướng lên Thực chất kênh hướng lên được sử dụng như một kênh phản hồi (Feedback channel), có chức năng truyền tải các báo nhận TCP (Transmit Power Control Protocol: Giao thức điều khiển truyền dẫn) tức thời Nếu cần thiết, một dịch vụ khác như dịch vụ thoại cũng có thể được tải trên kênh DCCH.
Ngoài ra giải pháp HSDPA còn cung cấp thêm kênh điều khiển vất lý dành riêng HS-DPCCH ở hướng lên nhằm mang các thông tin điều khiển cần thiết ở hướng lên, được gọi là, sự xác nhận H-ARQ (ARQ Acknowledgements), và các thông báo chỉ thị chất lượng kênh CQI Để hỗ trọ hoạt động điều khiển công suất của HS-DPCCH, mỗi người sử dụng sẽ được cấp phát một kênh DPDCH liên kết.
Hình 5.4: Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA
Điều chế, mã hóa thích ứng AMC và kỹ thuật phát đa mã
HSDPA sử dụng các kỹ thuật thích ứng khác để thay thế các kỹ thuật điều khiển công suất và hệ số trải phổ biến thiên vốn được sử dụng trong hệ thống
WCDMA Để đối phó với dải động của E /N b 0 tại đầu cuối UE, HSDPA thích ứng quá trình điều chế, tỉ lệ mã hóa và số mã định kênh với các điều kiện vô tuyến hiện thời Sự kết hợp của hai kỹ thuật đầu tiên được gọi là Điều chế và
Mã hóa thích ứng AMC.
Trong thông tin di động, tỉ lệ tạp âm và nhiễu (SINR) của tín hiệu nhận được tại một thiết bị người sử dụng luôn biến đổi trong khoảng 30-40dB do fading nhanh và các đặc điểm về địa hình trong một cell Nhằm cải thiện dung lượng của hệ thống, tốc độ dữ liệu đỉnh, vùng phủ sóng… tín hiệu truyền tới người dùng được xác định nhằm tính toán quá trình thay đổi chất lượng tín hiẹu thông qua quá trình xử lý liên kết thích ứng Theo truyền thông, WCDMA ứng dụng chức năng điều khiển công suất nhanh cho các liên kết thích ứng Ngược lại HSDPA lưu công suất phát không đổi qua TTI đồng thời sử dụng điều chế thích ứng và mã hóa (AMC) như một phương pháp liên kết thích ứng đan xen nhằm điều khiển công suất cải thiện hiệu suất phổ Node B sẽ xác định tốc độ truyền dẫn dữ liệu dựa trên các báo cáo về chất lượng chỉ thị kênh CQI cũng như các thống kê công suất trên các kênh dành riêng Tốc độ dữ liệu được điều chỉnh bằng các thay đổi sơ đồ điều chế, tốc độ mã hóa cũng như số lượng mã hóa kênh HS-PDSCH (Hight-Speed Physical Downlink Shared Channel- kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao) Sử dụng điều chế thích ứng và mã hóa AMC cho phép người sử dụng tiến gần hơn tới Node B, có thể yêu cầu điều chế với tỉ lệ mã hóa cao hơn (chẳng hạn như điều chế 16-QAM với tỉ lệ mã hóa 3/4).
Bên cạnh QPSK, HSDPA kết hợp chặt chẽ với phương thức điều chế 16QAM để tăng tốc độ dữ liệu đỉnh của các user phục vụ dưới điều kiện vô tuyến thích hợp Việc hỗ trợ cho QPSK có tính chất bắt buộc đối với thông tin di động, còn đối với 16QAM là một tùy chọn cho mạng và UE Sử dụng đồng thời cả hai phương thức điều chế này, đặc biệt là phương thức điều chế cấp cao16QAM, đưa ra một số thách thức nhất định đối với độ phức tạp của bộ thu đầu cuối, nó cần xác định được biên độ tương ứng của các ký hiệu nhận được trong khi đối với phương pháp điều chế QPSK truyền thống chỉ yêu cầu tách pha tín hiệu Một bộ mã hóa turbo dựa trên bộ mã hóa turbo R99 với tỉ lệ mã hóa 1/3,mặc dù các tỉ lệ mã hóa hiệu dụng khác trong phạm vi (xấp xỉ từ 1/6 đến 1/1) cũng có thể có được bằng các kỹ thuật ghép, chích và lặp mã Kết quả là tạo ra một dải tỉ lệ có tới 64 giá trị khác nhau Sự kết hợp của một kiểu điều chế và một tỉ lệ mã được gọi là Lược đồ Mã hóa và Điều chế MCS Bảng 7.2 chỉ ra một số tập MSC thường được sử dụng cho HSDPA và tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng với mỗi MSC.
Ngoài kỹ thuật AMC, phát đa năng mã cũng có thể xem như một công cụ thích ứng liên kết Nếu user có các điều kiện kênh vô tuyến phụ tốt, Node B có thể lợi dụng điều kiện này bằng cách phát nhiều mã song song với nhau, nhằm đạt được thông lượng dữ liệu đỉnh khá lớn Ví dụ với MCS 5 và một bộ 15 đa mã, có thể đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh tối đa lên tới 10,8 Mbps.
Với kỹ thuật phát đa mã, toàn bộ dải động của AMC có thể được tăng lên một lượng 10.log (15) 12dBs 10 Toàn bộ dải động thích ứng liên kết do AMC kết hợp với phát đa mã xấp xỉ 30dB Chú ý rằng, dải động của kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên trong WCDMA xấp xỉ 20dB, có nghĩa là bé hơn khoảng 10dB so với dải động thích ứng liên kết trong HSDPA.
MSC Điều chế Eff Tốc độ mã
Số bit/TTI Tốc độ đỉnh
Bảng 5.2: Ví dụ về MSC của HSDPA và tốc độ bít tối đa khả dụng
Thích ứng liên kết
Chức năng thích ứng liên kết của Node B có vai trò thích ứng điều chế, khuôn dạng mã hóa, và số lượng đa mã với các điều kiện vô tuyến hiện thời Để hiểu được các nguyên tắc điều khiển chức năng này, trước tiên cần xem xét hiệu quả phổ tần của các MCS khác nhau.
Hình 5.5 mô tả E /N b 0 nhận được đối với mỗi bit dữ liệu (với mỗi mã định kênh có SF) tại BLER%, các giá trị MSC được mô tả trong bảng 5.2 với user đi bộ, tốc độ 3km/h Trên hình vẽ E /N b 0 được biểu diễn là đường bao thấp hơn này được tính theo dung lượng kênh của kênh AWGN băng tần hạn chế theo lý thuyết của Shannon Với lưu ý rằng, dung lượng kênh theo lý thuyết mô tả giới hạn chất lượng tối ưu Từ kết quả mô phỏng, có thể kết luận rằng việc sử dụng của hầu hết các mẫu MCS đều cho kết quả tốt hơn lý thuyết, có nghĩa là có thể tiết kiệm mức thấp nhất về chi phí nếu xét theo tỉ lệ E /N s 0 thu được với mỗi bit dữ liệu.
Hình 5.5: năng lượng bít tín hiệu nhận được trên mật độ phổ tạp âm so với tỉ lệ dữ liệu đỉnh (PDR-Peak Data Rate) trên mã
Hình vẽ bao gồm dung lượng Shannon lý thuyết và dung lượng theo kết quả mô phỏng mức liên kết tại BLER%, use đi bộ với tốc độ 3km/h
Hình 5.6 mô tả sự kết hợp giữa số lượng đa mã và MSC cho nhằm đạt được thông lượng truyền dẫn cao nhất Các kết quả tính toán với tập các giá trịMSC cho ở bảng 5.2 Với mật độ phân giải rất mịn của tỉ lệ mã hóa, khi tất các các đa mã khả dụng đã được sử dụng hết, giá trị E /N s 0 càng lớn khi sử dụngMSC bậc càng cao.
Hình 5.6: Số mã tối ưu và MSC là một hàm của mỗi TTI.Giả thiết chất lượng kênh lý tưởng , user đi bộ 3km/h
Tiếp theo,chúng ta sẽ đi phân tích hơn các phương pháp thích ứng liên kết được sử dụng trong HSDPA Như đã mô tả ở trên, chức năng thích ứng liên kết phải lựa chọn được MSC và số lượng đa mã để thích ứng chúng với giá trị s 0
E /N tức thời.Tuy nhiên,tiêu chí lựa chọn có thể dựa trên các tài nguyên biến thiên sau:
Chỉ thị chất lượng kênh CQI: UE gủi theo đường lên một bản tin về CIQ chứa các thông tin tuyệt đối về chất lượng tín hiệu tức thời nhận được bởi user đó CQI cho biết kích thước block truyền tải, số mã và phương thức điều chế từ một tập các phương thức điều chế mà UE có khả năng hỗ trợ RNC ra lệnh UE thông báo về CQI với một chu kỳ lấy từ tập [2,4,8,10,20,40,80,160] ms và cũng có thể hủy bỏ các thông báo này.
Đo lường công suất của kênh DPCH liên kết: mỗi người sử dụng được xếp trên một suất phát của chúng có thể được sử dụng để dự đoán thông tin về trạng thái tức thời của chất lượng kênh truyền Thông tin này sẽ được sử dụng để thích ứng liên kết cũng như lập lịch gói Với giải pháp này, Node B yêu cầu một bản các giá trị tương ứng E /N s 0 , độ lệch công suất phát giữa DPCH và HS-DSCH với các MSC khác nhau cùng với một giá trị đích BLER(Block Error Rate- Tỉ lệ lỗi khối) cho trước.
Xác nhận H-ARQ: việc xác nhận tương ứng với giao thức H-ARQ cũng có thể cung cấp các thông tin về chất lượng kênh, mặc dù tham số này thì ít được sử dụng hơn hai tham số trước bởi vì có thể nhận được tham số này khi user đã được phục vụ Do đó, nó không cung cấp thông tin chất lượng kênh tức thời.
Kích thước bộ nhớ đệm: độ lớn dữ liệu được lưu giữ trong buffer của MAC-hs cũng có thể được sử dụng kết hợp với các tham số trên để lựa chọn các tham số phát. Để tối ưu hóa chức năng thích ứng liên kết, có thể phải kết hợp tất cả các nguồn thông tin nêu trên với nhau Nếu chỉ lựa chọn một trong số chúng, tham số CQI có thể xem như một giải pháp lựa chọn hấp dẫn nhất do tính đơn giản,tính chính xác và tính trực giao của nó.
H-ARQ nhanh
Khi vận hành HSDPA ở lân cận hiệu suất phổ cao nhất, tỉ lệ lỗi khối BLER sau lần truyền dẫn đầu tiên được khuyến nghị trong khoảng từ 10-20%.
Cơ chế yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ được ứng dụng trong giải pháp HSDPA nhằm giảm trễ và tăng hiệu suất của quá trình tái truyền dẫn dữ liệu Thực tế H- ARQ là một giao thức dạng dừng lại và chờ SAW (Stop And Wait).
Trong cơ chế SAW, phía truyền dẫn luôn luôn ở quá trình truyền dẫn các block đang hiện hành cho tới khi thiết bị người sử dụng hoàn toàn nhận được dữ liệu Để tận dụng thời gian khi Node B chờ các báo nhận, có thể thiết lập N tiến trình SAW-ARQ song song được thiết lập tối đa là 8 (N=8), tuy nhiên thông thường chọn giá trị N từ 4-6 Thời gian trễ nhỏ nhất cho phép giữa quá trình truyền dẫn dữ liệu lần đầu tiên trong HSDPA là 12ms Điều khiển H-ARQ lớp 1 được đặt tại Node B, do đó việc lưu trữ các gói dữ liệu phi báo nhận cùng với chức năng sắp xếp các gói của quá trình tái truyền dẫn là không phụ thuộc vào RNC Như vậy sẽ tránh được trễ tài nguyên truyền dẫn, ngoài ra các trễ này sẽ thất hơn trễ gây ra bởi quá trình tái truyền dẫn RLC thông thường.
HSDPA kết hợp chặt chẽ với chức năng phát lại ở lớp vật lý cho phép cải thiện đáng kể chất lượng dịch vụ và tăng khả năng chống lại các lỗi thích ứng liên kết Bởi vì chức năng H-ARQ được đặt tại thực thể MAC-hs của Node B, quá trình phát lại các khối truyền tải sẽ nhanh hơn đáng kểt sovới sự phát lại lớp RLC bởi vì RNC hoặc Iub không tham gia vào quá trình này.
Giao thức phát lại được chọn lựa trong HSDPA là Dứng và Chờ SAW do sự đơn giản của kiểu giao thức này đối với ARQ Trong SAW, bộ phát cố gắng phát block truyền tải hiện tại cho đến khi nó được nhận thành công trước khi khởi tạo quá trình phát block tiếp theo Do có thể xảy ra trường hợp phát hiện liên tục tới một UE nào đó, N tiến trình SAW-ARQ có thể hoạt động song song để phục vụ cho UE đó, và các tiến trình khác nhau sẽ phát trong các TTI tách biệt Số tiến trình SAW-ARQ tối đa cho mỗi UE là 8 Theo ước lượng RTT lớp
1, trễ giữa thời điểm phát và thời điểm phát lại lần thứ nhất khoảng 12ms, có nghĩa là nó yêu cầu 6 tiến trình SAW phát liên tục tới một UE riêng lẻ Giao thức SAW dựa trên sự không đồng bộ đường xuống và đồng bộ đường lên. Điều này có nghĩa là ở đường xuống, HS-SCCH phải xác định được tiến trình H-ARQ đang phát trên kênh HS-DSCH, tronh khi ở đường lên, các xác nhận tiến trình SAW được gắn liền với việc định thời gian Hình 5.7 là một ví dụ với
N kênh giao thức SAW phát một chuỗi các gói lần lượt P1, P2,…,P6.
Kỹ thuật SAW là điểm khác nhau cơ bản so với kỹ thuật phát lại trong WCDMA bởi vì bộ mã UE kết hợp các thông tin “mềm” của nhiều quá trình phát lại của cùng một block ở cấp độ bit Chú ý rằng, kỹ thuật này đưa ra một số yêu cầu về mở rộng dung lượng bộ nhớ của UE, do đó phải lưu giữ các thông tin “mềm” của những lần phát giải mã khôn thành công Các phương pháp H-ARQ như sau:
Kết hợp khuông (CC: Chase Combining): mỗi lần phát lại chỉ đơn giản là
Độ dư gia tăng (IR: Incremental Redudancy): Sự phát lại bao gồm cả thông tin dư thừa bổ xung và thông tin này được phát kèm theo nếu có lỗi giải mã trong lần phát đầu tiên.
Hình 5.7: Hoạt động của giao thức SAW 4 kênh
Sắp xếp gói tin
Trong HSDPA, việc sắp xếp các gói tin được thực hiện tại lớp truy nhập trung bình MAC-hs Chức năng điều khiển trung bình MAC-hs được đặt tại Node-B, tại đây các quyết định sắp xếp gói tin sẽ được thiết lập tức thời Mặt khác, đan xen thời gian TTI và 2ms Một chương trình sắp xếp gói tin điển hình là Round-Robin trong chương trình sắp xếp thời gian nơi người sử dụng được phục vụ tuần tự sẽ đề nghị tất cả đều nhận được thời gian cấp phát trung bình như nhau.
Tuy nhiên, tỉ lệ sắp xếp cao kết hợp với dãy các điều chế và mã hóa thích ứng AMC lại thích hợp với giải pháp HSDPA Một phương pháp sắp xếp gói tin phổ biến là đối Với chương trình sắp xếp này, yêu cầu phục vụ được xác định bởi chất lượng kênh lân cận tức thời cao nhất Chẳng hạn, chương trình sắp xếp sẽ cố gắng dò theo fading nhanh của kênh vô tuyến Khi quá trình lựa chọn dựa trên các điều kiện liên quan, người sử dụng vẫn nhận được một thời gian định vị xấp xỉ bằng nhau, tuy nhiên khả năng hệ thống chương trình sắp xếp gói cân có thể dễ dàng nâng lên ở mức 50%.