Ứng dụng modem 3g ho truyền dữ liệu và hình ảnh

ệ ủ1.3 CÁC LOẠI LƯU LƯỢNG VÀ DỊCH VỤ ĐƯỢC MẠNG 3G HỖ TRỢVì mạng 3G cho phép truy n dề ẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu lượng thông tin số ệ li u khác s phát tri n nhanh.. ả Ph

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

-  -

Ứ NG D NG MODEM 3G CHO TRUYỀ Ụ N D LI U VÀ Ữ Ệ

HÌNH ẢNH

HÀ NỘI – 2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: ĐIỆ N T VIỄN THÔNG Ử

VŨ TRẦ N Đ Ạ I

Chuyên ngành: K ỹ thu t Đi ậ ệ n t ử Vi n thông ễ

NGƯ I HƯ Ờ Ớ NG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: ĐIỆ N T VIỄN THÔNG Ử

M ỤC LỤ C

M C L C 1 Ụ Ụ Danh m c hình v 7 ụ ẽ

Danh mục bảng 9

Chương 1 11

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G - WCDMA 11

I T NG QUAN M NG 3G WCDMA 11 Ổ Ạ 1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRI N LÊN M NG 3G 11 Ể Ạ 1.2 KIẾN TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 12

1.3 CÁC LOẠI LƯU LƯỢNG VÀ D CỊ H VỤ ĐƯỢC MẠNG 3G HỖ TR 14 Ợ 1.4 KIẾN TRÚC CỦA MẠNG 3G WCDMA 16

1.4.1 M ng truy nh p vô tuy n UMTS 16 ạ ậ ế 1.4.2 M ng lõi 18 ạ 1.4.3 Các giao di n 20 ệ II CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA 21

2.1 H Ệ THỐNG TRẢI PHỔ 21

2.2 CHUY N GIAO TRONG H THỂ Ệ ỐNG WCDMA 23

2.3 MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG - MÁY THU RAKE 25

2.4 CÁC MÃ TR I PH S D NG TRONG WCDMA 27 Ả Ổ Ử Ụ III GIAO DIỆN VÔ TUY N WCDMA 28 Ế 3.1 M Ở ĐẦU 28

3.2 GIAO THỨC CỦA GIAO DI N VÔ TUY N WCDMA/FDD 29 Ệ Ế 3.3 CÁC THÔNG S LỐ ỚP VẬT LÝ VÀ QUY HO CH TẠ ẦN SỐ 30

3.3.1 Các thông s lố ớp vật lý 30

3.3.2 Quy ho ch t n s 31 ạ ầ ố 3.4 CÁC KÊNH C A GIAO DI N UTRAN 31 Ủ Ệ 3.5 SƠ ĐỒ Ổ T NG QUÁT MÁY PHÁT VÀ MÁY THU WCDMA 32 3.6 ĐIỀU KHI N CÔNG SU T TRONG WCDMA 33 Ể Ấ 3.6.1 Điều khi n công su t vòng h cho PRACH 34 ể ấ ở

3.6.2 Điều khi n công suể ất vòng kín đường lên 34

3.6.3 Điều khi n công suể ất vòng trong đường lên 35

3.6.4 Điều khi n công suể ất vòng ngoài đường lên 35

3.6.5 Điều khi n công suể ất vòng kín đường xu ng 35 ố 3.7 CÁC S KI N TRONG BÁO CÁO CHUY N GIAO (HANDOVER) 36 Ự Ệ Ể 3.7.1 Chuy n giao cể ứng 36

3.7.2 Chuy n giao m m/ mể ề ềm hơn 37

Chương 2 40

TRUY NH P GÓI TẬ ỐC ĐỘ CAO (HSxPA) 40

2.1 T NG QUAN TRUY NH P GÓI TỔ Ậ ỐC ĐỘ CAO (HSxPA) 40

2.2 TRUY NH P GÓI TẬ ỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XU NG (HSDPA) 42 Ố 2.2.1 Truy n d n kênh chia s 42 ề ẫ ẻ 2.2.2 Lập biểu ph thu c kênh 44 ụ ộ 2.2.3 Điều khi n tể ốc độ và điều ch b c cao 46 ế ậ 2.2.4 HARQ với kế ợt h p m m 48 ề 2.2.5 Ki n trúc 50 ế 2.2.6 HSDPA MIMO 52

2.2.7 Tăng tốc độ đỉ nh bằng MIMO và điều ch b c cao 16QAM/64QAM 54 ế ậ 2.3 TRUY NH P GÓI TẬ ỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN (HSUPA) 54

2.3.1 Lập biểu 55

2.3.2 HARQ với kế ợt h p m m 58 ề 2.3.3 Ki n trúc 58ế 2.3.4 Các loại đầu cuối HSUPA 62

Chương 3 65

KH I SIM5218A VÀ CÁC GIAO TIỐ ẾP NGOẠI VI 65

3.1 T NG QUAN V SIM5218 65 Ổ Ề 3.1.1 Sơ đồ kh i chố ức năng 65

3.1.2 Tính năng cơ bản 66

3.2 GIAO TIẾP NGOẠI VI 68

3.2.1 Cấp nguồn 68 3.2.2 Giao di n th USIM 72 ệ ẻ 3.2.3 Khởi động module 75 3.2.4 Đầu vào/ra chung (GPIO) 75 3.2.5 Giao ti p kh i camera 77 ế ố 3.2.6 Giao ti p th MMC/SD 80 ế ẻ 3.2.7 H ệ thống định v toàn cị ầu (GPS) 81 3.3 LỆNH ĐIỀU KHIỂN AT 84 3.4 VI ĐIỀU KHI N ATMEGA128 88 Ể 3.4.1 T NG QUAN ATMEGA128 88 Ổ 3.4.2 CẤU TRÚC VI ĐIỀU KHI N 91 Ể 3.4.3 B NH Ộ Ớ CHƯƠNG TRÌNH 91 3.4.4 C NG VÀO RA 93 Ổ 3.4.5 B Ộ ĐỊNH THỜI 95 3.4.6 C U TRÚC NG T 98 Ấ Ắ 3.4.7 B TRUY N NH N D LI U N I TIỘ Ề Ậ Ữ Ệ Ố ẾP USART 101 3.5 SƠ ĐỒ KH I THI T K , M CH NGUYÊN LÝ VÀ M CH IN 103 Ố Ế Ế Ạ Ạ Chương 4 108

K T QU VÀ BÀN LU N 108 Ế Ả Ậ 4.1 KẾT QUẢ 108 4.2 K T LU N 110 Ế Ậ 4.3 BÀN LU N Ậ HƯỚNG NGHIÊN C U TI P THEO CỨ Ế ỦA ĐỀ TÀI 110 Tài li u tham kh o 111ệ ả

Đị nh nghĩa các ch vi t t t ữ ế ắ

A-GPS "Standalone" or "Autonomous" GPS

CS-ACELP Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction

FER Frame Error Rate

HS-DPCCH High speed dedicated physical control channel

HS-DPCCH High Speed- Dedicated Physical Control Channel

PWM Pulse-width modulation

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Quá trình phát triển lên 3G

Hình 1.2 L ộ trình tăng tốc độ truy n s li u trong các phiên b n cề ố ệ ả ủa 3GPP

Hình 1.3 Ki n trúc t ng quát cế ổ ủa một mạng di động k t h p c ế ợ ả CS và PS

Hình 1.4 Ki n trúc 3G WCDMA UMTS R3 ế

Hình 1.5 Vai trò logic c a SRNC và DRNC ủ

Hình 1.6 Nguyên lý tr i ph ả ổ

Hình 1.7 Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b)

Hình 1.8 Truyền sóng đa đường và lý l ch tr công su t ị ễ ấ

Hình 1.9 Máy thu RAKE

Hình 1.10 Cây mã định kênh

Hình 1.11 Ki n trúc giao th c vô tuy n cho UTRA FDD ế ứ ế

Hình 1.12 Sơ đồ kh i máy phát tuy n (a) và máy thu vô tuy n (b) ố ế ế

Hình 1.13 Nguyên lý điều khi n công suể ất vòng kín đường lên

Hình 1.14 Nguyên lý điều khi n công suể ất vòng kín đường xu ng ố

Hình 1.15 Thí d v gi i thuụ ề ả ật SHO

Hình 2.1 Tri n khai HSPA v i sóng mang riêng (f2) ho c chung sóng mang v i (f1) ể ớ ặ ớHình 2.2 Ki n trúc giao di n vô tuy n HSDPA và HSUPA cho s liế ệ ế ố ệu ngườ ử ụngi s dHình 2.3 Các chức năng mới trong các ph n t cầ ử ủa WCDMA khi đưa vào HS PA.x

Hình 2.4 C u trúc th i gian mã c a HS-ấ ờ ủ DSCH

Hình 2.5 L p bi u ph thu c kênh cho HSDPA ậ ể ụ ộ

Hình 2.6 Nguyên lý l p bi u HSDPA c a NodeB ậ ể ủ

Hình 2.13 Sơ đồ MIMO 2x2

Hình 2.14 Nguyên lý l p bi u HSUPA c a nút B ậ ể ủ

Hình 2.15 Chương trình khung lập bi u cể ủa HSUPA

Hình 2.16 Ki n trúc m ế ạng được lập c u hình E-DCH (và HS-DSCH) ấHình 2.17 Các kênh c n thi t cho m t UE có kh ầ ế ộ ả năng HSUPA

Hình 2.18 C u trúc kênh t ng th v i HSDPA và HSUPA ấ ổ ể ớ

Hình 3.1 T ng quan h th ng cổ ệ ố ủa SIM5218A

Hình 3.15 Các dòng AVR khác nhau: Tiny, AVR và Mega

Hình 3.16 Cấu trúc vi điều khi n AVR ể

B ng 2.2 Các loả ại đầu cuối HSDPA khác nhau

B ng 2.3 Các loả ại đầ cuốu i R6 HSUPA

B ng 3.1 Giao di n USIMả ệ

B ng 3.2 Miêu t chân (Amphenol)ả ả

B ng 3.3 Chân GPIO c a SIM5218Aả ủ

B ng 3ả 4 Ý nghĩa trạng thái c a LEDủ

B ng 3.5 M c logic c a GPIO4 ả ứ ủ

B ng 3ả 6 Định nghĩa chân của giao ti p cế ảm biến

B ng 3.7 Chân MMC/SD cả ủa SIM5218A

B ng 3.8 Chân MMC/SD ả

B ng 3.9 ả Thông s k thu t cố ỹ ậ ủa GPS

B ng ả 3.10 C u hình cho các chân c ng ấ ổ

B ng 3.11 ả Địa chỉ các port

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, thế ới đã chứ gi ng kiến s phát triự ển vượt bậc của công nghệ, trong đó có công nghệ điện tử và viễn thông Phát triển từ ạng di động thế ệ ứ m h th

nh t, s dấ ử ụng công nghệ đa truy nhập theo tần số (FDMA) là hệ thống tế bào tương tựdung lượng th p và ch có d ch v thoấ ỉ ị ụ ại Đến năm 1980, đáp ứng nhu c u s d ng ngày ầ ử ụcàng tăng, các nhà phát tri n công ngh đưa ra hệ ốể ệ th ng 2G là GSM (Global System for Mobile Communication, D-AMPS (TDMA) và IS-95 (CDMA băng hẹp)

Tuy nhiên, trong h ệ thống thông tin di động 2G, tốc đ truy n dữ ệộ ề li u th p ấ(10kbps) và tài nguyên hạn hẹp Vì thế, vào năm 2000, chuẩn IMT 2000 đã ra đời, đị- nh nghĩa mạng di động th h th ế ệ ứ 3 (3G) Khi mạng 3G được tri n khai ể (đặc bi t t i các ệ ạphiên b n HSxPA)ả , rất nhiều các ứng dụng cũng ra đời Ngoài d ch vị ụ thoại truy n thề ống, 3G còn cung cấp các dịch vụ khác như Video call, streaming, internet di động và các dịch

v background ụ

Dựa trên các ưu điểm của mạng 3G về truyền dẫn dữ liệu tốc đ cao và các ứộ ng

dụng thương mại của thiết bị SIM5218A, em đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng Modem 3G

cho truy n dề ữ ệ li u và hình ảnh” Trong đồ án này, em trình bày việc nghiên cứu và thiết

k thiế ết bị đầ cuố ạng bảng mạch u i d nhằm giám sát, điều khiể , truyền n/nhận dữ ệu đế li n

m ng internet ạ công cộng thông qua mạng điện thoại 3G

Để hoàn thành được đ án này, em đã nh n đư c s quan tâm, ồ ậ ợ ự giúp đỡ ậ t n tình c a ủ

thầy giáo hướng dẫ PGS.TS Nguyễn n Văn Đ c, ầ đã chỉ ảo cho em rất nhiều về ặt ứ th y b m

kiến thứ , kỹc thuật và đưa ra định hướng, ý tưởng thực hiện cũng như tạo điều kiện cho

em về thi t bị và nơi ế làm vi c ệ Em cũng xin gửi l i cờ ảm ơn chân thành đến các bạn trong phòng L (Phòng 413-C9) ng viên, giúp em ab đã độ đỡ hoàn thành đồ án này

Hà Nội, tháng 9 năm 2011

HỌC VIÊN

Vũ Trần Đại

Chương 1

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G - WCDMA

I TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA

WCDMA UMTS là m t trong các tiêu chuộ ẩn của IMT-2000 được phát tri n tể ừ GSM đểđáp ứng các tiêu chu n c a m ng th h ba WCDMA UMTS s d ng mẩ ủ ạ ế ệ ử ụ ạng đa truy nhập

vô tuyến trên cơ sở W-CDMA và mạng lõi được phát tri n tể ừ GSM/GPRS Mạng 3GUMTS có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần

-s ố (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex) C hai giao diả ện này đều sử ụ d ng tr i phả ổ chuỗi trực ti p (DSế -CDMA) Gi i pháp thả ứ nhất sẽ được tri n khai r ng rãi còn gi i pháp th hai chể ộ ả ứ ủ ế y u sẽ được tri n khai cho các ô nh (Micro và Pico) ể ỏ

Giải pháp FDD sử ụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190 dMHz: đường lên có băng tần n m trong d i ph t ằ ả ổ ừ 1920 MHz đến 1980 MHz, đường

xuống có băng tần nằm trong dải phổ ừ 2110 MHz đến 2170 Mhz Mặc dù 5 MHz là độ t

rộng băng danh định, tuy nhiên có thể chọn độ ộng băng từ 4,4 MHz đến 5 MHz với nấc rtăng là 200 KHz Việc chọn độ ộng băng đúng đắn cho phép ta tránh đượ r c nhi u giao ễthoa, nh t là khi kh i 5 MHz ti p theo thu c nhà khai thác khác ấ ố ế ộ

Giải pháp TDD sử ụng các tần số ằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và từ 2010 MHz d n

đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xu ng s d ng chung mố ử ụ ột băng tần

Giao di n vô tuy n cệ ế ủa W-CDMA hoàn toàn khác v i GSM và GPRS, W CDMA sớ - ử dung phương thức tr i ph chu i tr c ti p v i t c đ chip là 3,84 Mcps Trong WCDMA ả ổ ỗ ự ế ớ ố ộmạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) Các ph n tầ ử ủ c a UTRAN r t khác vấ ới các phầ ử ở ạn t m ng truy nh p vô tuyậ ến

của GSM Vì thế kh ả năng sử ụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế Một số dnhà s n xuả ất cũng đã có kế ho ch nâng c p các GSM BTS cho ạ ấ WCDMA Đối với các nhà

sản suất này có thể chỉ tháo ra một số ộ thu phát GSM từ BTS và thay vào đó các bộ thu b phát m i cho WCDMA M t sớ ộ ố ấ r t ít nhà s n su t còn l p kả ấ ậ ế hoạch xa hơn Họ ch t o ế ạ

các BSC đồng th i cho c ờ ả GSM và WCDMA Tuy nhiên đa phần các nhà sản su t ph i ấ ảthay th GSM BSC b ng RNC m i cho WCDMA ế ằ ớ

W-CDMA sử ụng rất nhiều kiế trúc của mạng GSM, GPRS hiện có cho mạng của d n mình Các ph n tầ ử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng c p tấ ừ ạ m ng hi n có ệ

để ỗ ợ đồ h tr ng th i WCDMA và GSM ờ

NMT (900)

TACS

GSM (900)

Mx WCDMA

SMR

GSM (1800)

GSM (1900)

IS-136 TDMA (800) IS-95 CDMA (800)

IS-136 (1900) IS-95 (J-STD-008) (1900)

Hình 1.1 Quá trình phát triển lên 3G

L ộ trình tăng tốc độ truy n s li u trong các phiên b n c a 3GPPề ố ệ ả ủ

Hình 1.2 L ộ trình tăng tốc độ truy n s li u trong các phiên b n cề ố ệ ả ủa 3GPP

Mạng thông tin di động 3G là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số ệu gói và tiếng Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ li

là các chuyển mạch sử ụ d ng công ngh ệ ATM Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ ần được thay thế ằng chuyển mạch gói Các dịch vụ ể ả ố ệ d b k c s li u

lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP b ng các chuy n m ch gói Hình dưằ ể ạ ới đây mô tả ế ki n trúc t ng quát c a m ng ổ ủ ạ3G k t h p c CS và PS trong m ng lõi ế ợ ả ạ

nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: t ừ lưu lượng tiếng đến lưu lượng s liố ệu dung lượng l n ớ

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn c u) có thầ ể ử ụ s d ng hai ki u RAN Ki u thể ể ứ nh t sử ụấ d ng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được g i là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: m ng truy nh p vô ọ ạ ậtuyến mặ ất đ t của UMTS) Kiểu thứ hai sử ụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi d

là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: m ng truyạ nhập vô tuyến dưa trên công ngh EDGE c a GSM) ệ ủ

Vì mạng 3G cho phép truy n dề ẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu lượng thông tin số ệ li u khác s phát tri n nhanh Ngoài ra ẽ ể m ng ạ 3G cũng được sử ụ d ng cho các dịch

v tiụ ếng Nói chung mạng 3G hỗ ợ các dịch vụ tr tryền thông đa phương tiện Vì thế ỗi m

kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ QoS

ở W-CDMA được phân loại như sau:

• Loại hội thoại (Conversational, real time): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nh ỏ(tho i ch ng h n) ạ ẳ ạ

• Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiề đòi hỏi dịch vụ ồng với trễu lu nh ỏ(phân phối truyền hình th i gian thờ ực chẳng h n: Video Streaming) ạ

• Loại tương tác (Interactive, non real time : ) Đòi hỏi trả ời trong một thời gian l

nhất định và t l l i th p (trình duy t Web, truy nh p server ch ng h n) ỷ ệ ỗ ấ ệ ậ ẳ ạ

• Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ ỗ ực nhất được thực hiện trên n l

nền cơ sở (e-mail, tải xu ng file: Video Download) ố

Môi trường hoạt động c a 3WCDMA ủ được chia thành b n vùng v i các t c đ bit Rố ớ ố ộ b

3G WCDMA UMTS được xây d ng theo ba phiên b n ự ả chính được g i là R3, R4, R5 ọTrong đó mạng lõi R3 và R4 bao g m hai mi n: mi n CS (Circuit Switch: chuy n m ch ồ ề ề ể ạkênh) và mi n PS (Packet Switch: chuy n m ch gói) Viề ể ạ ệc kế ợt h p này phù h p cho giai ợđoạn đầu khi PS chưa đáp ứng t t các d ch v th i gian thố ị ụ ờ ực như thoại và hình nh Khi ảnày mi n CS sề ẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số ệu đượ li c truy n trên mi n PS R4 ề ềphát triển hơn R3 ở ch miỗ ền CS chuy n sang chuy n mể ể ạch mềm vì thế toàn b m ng ộ ạtruy n t i gi a các nút chuy n mề ả ữ ể ạch đều trên IP

B ng 1.1 ả Phân loại các dịch v 3GWDCMA UMTS ụ ở

- Theo dõi di động/ theo dõi di động thông minh

D ch v âm thanhị ụ - D ch v âm thanh chị ụ ất lượng cao (16-64 kbps)

D ch v Internet (384 kbps-2Mbps)ị ụ

Dịch vụ internet đa Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực (≥

Ki uể Phân lo iạ Dịch vụ chi ti tế

Một mạng UMTS bao gồm ba ần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy phnhập vô tuyến mặt đất UTRAN, mạng lõi (CN: Core Network) (hình 1.4) UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao USIM (UMTS Subscriber Identity Module) UTRAN gồm các hệ thống m ng vô tuyạ ến (RNS: Radio Network System) và m i RNS bao gỗ ồm RNC (Radio Network Controller:

b ộ điều khiển mạng vô tuyến) và các NodeB B kết nối đế nó Mạng lõi CN bao gồm n

miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment) HE bao gồm các

cơ sở ữ ệ d li u: AuC (Authentication Center: Trung tâm nh n th c), HLR (Home Location ậ ựRegister: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: B ghi nhộ ận

d ng thiạ ết bị)

Hình 1.4 Ki n trúc 3G WCDMA UMTS R3 ế

1.4.1 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN là phân đoạn liên kết giữa người sử ụng và CN, gồm các phần tử d thực hiện

qu n lý ả các cuộc truy n thông UMTS trên giao di n vô tuyề ệ ến và điều khi n ể cuộc gọi đó UTRAN được định nghĩa giữa hai giao di n ệ

• Giao diện Iu gi a UTRAN và CN, g m hai ph n: IuPS cho mi n chuy n m ch gói ữ ồ ầ ề ể ạ

và IuCS cho miền chuyển m ch kênh; ạ

• Giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử ụng Giữa hai giao diện này là dRNC và NodeB

1.4.1.1 RNC

RNC kết nối đến một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng Đây cũng chính là điểm truy nh p d ch v mà UTRAN cung cậ ị ụ ấp cho CN Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển

m ch kênh (MSC) ạ

RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào vi c nó phệ ục vụ nút nào Người sử ụ d ng được k t n i vào m t RNC ph c v SRNC (ế ố ộ ụ ụ Serving RNC) Khi ngườ ử ụi s d ng chuy n ểvùng đến một RNC khác nhưng vẫn k t n i vế ố ới RNC cũ, một RNC trôi DRNC (Drift RNC) s cung c p tài nguyên vô tuyẽ ấ ến cho ngườ ử ụng, nhưng RNC phụi s d c vụ ẫ v n quản

lý k t n i cế ố ủa ngườ ử ụng đếi s d n CN Vai trò logic của SRNC và DRNC được mô tả trên hình 1.5 Khi UE thực hiện chuyển giao mềm giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub

và có ít nh t mấ ộ ết k t n i qua Iur Chố ỉ ộ m t trong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao

diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin gi a các Iub và Iur ữ

Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC) Mỗi nút B có

một RNC điều khi n,RNC này ể chịu trách nhi m cho các tài nguyên vô tuy n cệ ế ủa nó

Hình 1.5 Vai trò logic c a SRNC và DRNC ủ1.4.1.2 Node B

Trong WCDMA ạm gốc được gọ tr i là NodeB và m t nhiộ ệm vụ ủ c a nó là th c hiự ện kết nối

vô tuyến vật lý với đầu cuối UE NodeB nhận tín hi u trên giao di n Iub t RNC và giaoệ ệ ừ

tiếp với UE thông qua tín hiệu vô tuyến (giao diện Uu) NodeB cũng thực hiện một sốthao tác qu n lý tài nguyên vô tuyả ến cơ sở như "điều khi n công su t vòng trong" Tính ể ấnăng này để phòng ng a hi u ng g n xa Nừ ệ ứ ầ ghĩa là nế ấ ảu t t c các đ u cu i đ u phát cùng ầ ố ề

một công suất, thì các đầu cuối gần Node B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuố ởi xa NodeB kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công su t hoấ ặc tăng công su t sao cho Nodeấ B luôn thu được công suất đồng đề ừ ấu t t t cả các đầu cu i ố

1.4.2 Mạng lõi

Mạng lõi (CN) được chia thành ba phần, miền PS, miền CS và HE Miền PS đảm b o các ả

dịch vụ ữ ệ d li u (data) cho người sử ụng bằng các kết nối đế Internet và các mạng số d n

liệu khác M ền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối iTDM Các nút trong CN được kết n i v i nhau bố ớ ằng đường trục của nhà khai thác, thường s d ng các công ngh truy n d n t c đ ử ụ ệ ề ẫ ố ộ cao như ATM hoặc IP Mạng đường tr c ụtrong mi n CS s d ng TDM còn trong miề ử ụ ền PS sử ụ d ng IP

1.4.2.1 SGSN

SGSN (Serving GPRS Support Node: nút hỗ ợ tr GPRS ph c vụụ ) là nút chính của miền chuyển mạch gói Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn SGSN ch u trách nhi m cho t t cị ệ ấ ả ế k t nối PS của tấ ả t c các thuê bao

Nó lưu hai kiểu d liữ ệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao

S liố ệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

• IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nh n dậ ạng thuê bao di động

1.4.2.2 GGSN

GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ ợ tr GPRS cổng) k t nố ới các mạế i v ng số

liệu khác Tất cả các cuộc truyền thông số ệu từ li thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN Cũng như SGSN, nó lưu cả hai ki u s li u: thông tin thuê bao và thông tin v trí ể ố ệ ị

S liố ệu thuê bao lưu trong GGSN:

• IMSI

• Các địa ch ỉPDP

S li u v ố ệ ị trí lưu trong GGSN:

• Địa ch SGSN hiỉ ện thuê bao đang nối đến

GGSN nối đến Internet thông qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp

1.4.2.3 VLR

VLR (Visitor Location Register: bộ ghi định vị ạ t m trú) là b n sao c a HLR cho mả ủ ạng

phục vụ (SN: Serving Network) Dữ ệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ li thuê bao được copy t ừ HLR và lưu ở đây Cả MSC và SGSN đều có VLR n i v i chúng ố ớ

S liố ệu sau đây được lưu trong VLR:

• IMSI

• MSISDN

• TMSI (n u có) ế

• LA hi n th i c a thuê bao ệ ờ ủ

• MSC/SGSN hi n th i mà thuê bao nệ ờ ối đến

Ngoài ra VLR còn lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp C SGSN ả

và MSC đều được th c hi n trên cùng m t nút v t lý v i VLR vì th ự ệ ộ ậ ớ ế được g i là ọVLR/SGSN và VLR/MSC

1.4.2.4 MSC

MSC th c hiự ện các kết nối CS giữa đầu cu i và m ng Nó th c hiố ạ ự ện các chức năng báo

hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình Chức năng của MSC trong WCDMA giống chứ năng MSC trong GSM, nhưng nó hỗ ợc tr nhiều khả năng hơn Các kế ối CS đượt n c thực hi n trên giao di n CS giệ ệ ữa UTRAN và MSC Các MSC được

nối đến các mạng ngoài qua GMSC

1.4.2.5 GMSC

GMSC có th là m t trong s các MSC GMSC ch u trách nhi m th c hiể ộ ố ị ệ ự ện các chức năng

định tuyến đến vùng có MS Khi m ng ngoài tìm cách k t nạ ế ối đến PLMN c a m t nhà ủ ộkhai thác, GMSC nh n yêu c u thi t l p kậ ầ ế ậ ết nối và h i HLR v MSC hi n th i qu n lý ỏ ề ệ ờ ả

MS

1.4.2.6 B ộ ghi định vị thường trú (HLR)

HLR là một cơ sở ữ ệ d li u có nhi m v quệ ụ ản lý các thuê bao di động M t mộ ạng di động

có thể chứa nhi u HLR tùy thu c vào sề ộ ố lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong m ng ạ

Cơ sở ữ ệ d li u này ch a IMSI, ít nh t m t MSISDN (Mobile Station ISDN: s thuê bao có ứ ấ ộ ốtrong danh b ạ điện tho i) và ít nh t mạ ấ ột địa chỉ PD CảP IMSI và MSISDN có th s d ng ể ử ụlàm khoá để truy nh p đ n các thông tin ậ ế khác Để đị nh tuyến và tính cước các cu c g i, ộ ọHLR còn lưu giữ thông tin v SGSN và VLR nào hiề ện đang chịu trách nhi m qu n lý thuê ệ ảbao Ngoài ra HLR còn quản lý các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ s ố

liệu và thư thoạ cùng với các ịi, d ch v hụ ạn chế như ạh n ch chuy n m ng ế ể ạ

HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được th c hi n trong cùng m t nút vự ệ ộ ật

lý HLR lưu giữ ọ m i thông tin v ề ngườ ử ụng và đăng ký thuê bao Như: thông tin tính i s dcước, các dịch v ụ nào được cung c p và các dịấ ch v nào b t chốụ ị ừ i và thông tin chuy n ểhướng cu c gộ ọi Nhưng thông tin quan trọng nh t là hiấ ện VLR và SGSN nào đang phụtrách ngườ ử ụi s d ng

1.4.3 Các giao diện

Vai trò các các nút khác nhau của mạng ch đư c đỉ ợ ịnh nghĩa thông qua các giao diện khác nhau Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà s n xu t có thả ấ ể ế k t nối các

ph n c ng khác nhau cầ ứ ủa họ

• Giao diện Cu Giao diện Cu là giao di n chu n cho các card thông minh Trong ệ ẩ

UE đây là nơi kế ốt n i gi a USIM và UE ữ

• Giao diện Uu Giao diện Uu là giao di n vô tuy n c a WCDMA trong UMTS ệ ế ủĐây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào các ph n t c a m ng Giao di n ầ ử ủ ạ ệnày n m giằ ữa NodeB và đầu cu i ố

• Giao diện Iu Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN Nó gồm hai phần, IuPS cho

miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh CN có thể ết nối đế k n nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS Nhưng một UTRAN chỉ có thể ế k t

nối đến một điểm truy nh p CN ậ

• Giao diện Iur Đây là giao diện RNC-RNC Ban đầu được thi t k m b o ế ế để đả ảchuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng

mới được bổ sung Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:Di động giữa các RNC, lưu thông kênh riêng, lưu thông kênh chung, quản lý tài nguyên toàn

cục

• Giao diện Iub Giao di n Iub n i NodeB và RNC ệ ố

II CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA

Đối v i m t tín hi u sớ ộ ệ ố, độ ộng băng tầ r n c n thi t có cùng giá tr v i t c đ bit c a ầ ế ị ớ ố ộ ủnguồn Độ ộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ r thuộc và kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v )

Trong các hệ ố th ng thông tin tr i phả ổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ ộng băng tầ r n

của tín hiệu được mở ộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát Khi chỉ có r

một người sử ụng trong băng tần SS, sử ụng băng tần như vậy không có hiệu quả Tuy d dnhiên ở môi trường nhiều người sử ụng, các người sử ụng này có thể dùng chung một d dbăng tần SS (tr i ph ) và hi u su t s dả ổ ệ ấ ử ụng băng tần tăng lên mà vẫn duy trì được các ưu điểm c a tr i ph ủ ả ổ

M t h th ng thông tin s ộ ệ ố ố được coi là SS n u: ế

• Tín hiệu được phát chiếm độ ộng băng tầ ớn hơn độ ộng băng tầ ố r n l r n t i thi u c n ể ầthiết để phát thông tin

• Tr i ph ả ổ được thực hi n b ng mệ ằ ột mã độc lập vớ ố ệi s li u

Có ba ki u hể ệ th ng SS cơ bảố n: chu i tr c ti p (DSSS: Direct-Sequence Spreading ỗ ự ếSpectrum), nh y t n (FHSS: Frequency Hopping Spreading Spectrum) và nh y th i gian ẩ ầ - ẩ ờ(THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum) Cũng có thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các h thệ ống nói trên WCDMA sử ụ d ng DSSS DSSS đạt được tr i phả ổ ằ b ng cách nhân lu ng sồ ố ầ c n truy n v i m t mã tr i ph có tề ớ ộ ả ổ ốc đ ộchip (Rc=1/Tc, Tc là th i gian ờ

một chip) cao hơn nhiều tốc đ bit (Rộ b=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số ần cphát Hình 1.6 minh họa quá trình trải phổ trong đó Tb=15Tc hay Rc=15Rb Hình 1.6a cho

thấy sơ đồ đơn giản của b trộ ải phổ DSSS trong đó luồng số ần truyền x có tố c c độ Rbđược nhân v i m t mã tr i ph c t c đ Rớ ộ ả ổ ố ộ c để được luồng đầu ra y có tốc độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb của luồng vào Các hình 1.6b và 1.6c biểu thị quá trình trải phổtrong miền thời gian và mi n t n s ề ầ ố

Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khôi phục lại luồng x bằng cách nhân

lu ng này v i mã tr i ph c giồ ớ ả ổ ống như phía phát: x=y×c

Hình 1.6 Nguyên lý tr i ph ả ổ

x, y và c ký hi u t ng quát cho tín hi u vào, ra và mã tr i ph ; ệ ổ ệ ả ổ

x(t), y(t) và c(t) ký hi u cho các tín hi u vào, ra và mã tr i ph ệ ệ ả ổ trong miền th i gian; ờ

X(f), Y(f) và C(f) ký hi u cho các tín hi u vào, ra và mã tr i ph trong mi n t n s ; ệ ệ ả ổ ề ầ ố

Tb là th i gian m t bit c a luờ ộ ủ ồng số ầ c n phát,

Rb=1/Tb là tốc độ bit của lu ng s c n truy n; ồ ố ầ ề

Tc là th i gian m t chip c a mã tr i ph ờ ộ ủ ả ổ,

Rc=1/Tc là tốc độ chip của mã tr i ph Rả ổ c=15Rb và Tb=15Tc

Thông thường chuyển giao (HO: Handover) được hiểu là quá trình trong đó kênh lưu lượng c a mủ ột UE được chuy n sang mể ột kênh khác để đả m b o chả ất lượng truy n d n ề ẫTuy nhiên trong CDMA khái ni m này ch thích h p cho chuy n giao cW ệ ỉ ợ ể ứng còn đố ới i vchuy n giaể o mềm khái ni m này phệ ức tạp hơn, ta sẽ xét c th trong phụ ể ần dưới đây

Có th chia HO thành các ki u HO sau: ể ể

• HO nội h th ng xệ ố ẩy ra bên trong một hệ thống WCDMA Có thể chia nhỏ HO này thành

- HO n i h th ngộ ệ ố giữa các ô thu c cùng m t t n s sóng mang WCDMA ộ ộ ầ ố

- HO giữa các t n s (IF-HO)ầ ố giữa các ô hoạt động trên các tần số WCDMA khác nhau

• HO giữa các h th ng (IS-HO) giữệ ố a các ô thu c hai công ngh truy nh p vô ộ ệ ậtuyến (RAT) khác nhau hay các chế độ truy nhập vô tuyến (RAN) khác nhau Trường hợp thường xuyên x y ra nhẩ ất đối v i ki u th nh t là HO gi a các h ớ ể ứ ấ ữ ệ

thống WCDMA và GSM/EDGE Tuy nhiên cũng có thể là IS HO giữa WCDMA

• Chuyể n giao m m (SHO) và chuy n giao m m hơn ( ề ể ề hình 1.7) là các thủ ục ttrong đó UE luôn duy trì ít nhất một đường vô tuy n n i đ n UTRAN Trong ế ố ếchuyển giao mềm UE đồng thời được nối đến một hay nh ều ô thuộc các nút B ikhác nhau c a cùng m t RNC (SHO n i RNC) hay thuủ ộ ộ ộc các RNC khác nhau (SHO gi a các RNC) Trong chuy n giao mữ ể ềm hơn UE được nối đến ít nh t là hai ấđoạn ô c a cùng m t nút B SHO và HO mủ ộ ềm hơn chỉ có th x y ra trên cùng m t ể ẩ ộ

t n s sóng mang và trong cùng m t h ầ ố ộ ệ thống

Hình 1.7 Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b)Phụ thu c sựộ tham gia trong SHO, các ô trong m t h thộ ệ ống WCDMA được chia thành các tập sau đây:

• T p tích c cậ ự bao gồm các ô ện đang tham gia vào mộ ế ối SHO củ hi t k t n a UE

gồm tất cả các ô được giám sát/đo liên tục bởi UE và hiện thời không có trong tập tích c c ự

t p tích cậ ực lẫn tập lân c n ậ

SHO là một tính năng chung của hệ ống WCDMA trong đó các ô lân cận họat độ th ng trên cùng m t tộ ần số Trong chế độ ế k t nối, UE liên tục đo các ô phục vụ và các ô lân cận (do RNC chỉ ẫ d n) trên tần số sóng mang hi n th i UE so sánh các k t quệ ờ ế ả đo với các ngưỡng

HO do RNC cung c p và g i báo cáo k t quấ ử ế ả đo đến RNC khi th c hi n các tiêu chuự ệ ẩn báo cáo Vì th SHO là ki u chuyế ể ển giao được đánh giá bởi đầu cuối di động (MEHO:

Mobile Estimated HO) Tuy nhiên gi i thu t quyả ậ ết định SHO l i do ạ RNC điều khi nể Dựa trên các báo cáo kết quả đo nhận được từ UE (ho c đ nh k hoặ ị ỳ ặc được kh i t o b i m t ở ạ ở ộ

s ố các sự ện nhất định), RNC lệnh cho UE bổ sung hay loại bỏ ột số ô khỏi tập tích ki m

cực của mình (b n tin ASU: Active Set Update - c p nhả ậ ật tập tích c c) ự

2.3 MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG - MÁY THU RAKE

Phađinh đa đường trên kênh vô tuy n dế ẫn đến tán th i và ch n l c t n s làm h ng tín ờ ọ ọ ầ ố ỏ

hiệu thu Để đánh giá hiện tượng tán thời trên đường truyền vô tuyến, người ta phát đi

một xung hẹp (xung kim) và đo đáp ứng xung này tại phía thu Đáp ứng này là bức tranh

th hiể ện sự ph thuụ ộc công suất của các đư ng truyền khác nhau đến máy thu vào thời ờgian trễ ủ c a các đường truyền này Đáp ứng này được gọi là lý l ch tr công suị ễ ất Hình 1.8a cho th y truyấ ền sóng đa đường và hình 1.8b là thí d v lý l ch tr công su t ụ ề ị ễ ấ

Hình 1.8 Truyền sóng đa đường và lý l ch tr công su t ị ễ ấChuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên được phát đi ở WCDMA có thuộc tính là các phiên bản dịch thời của nó tại phía thu hầu như không tương quan Như vậy một tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu theo nhiều đường khác nhau (thời gian trễ khác nhau) có

th ể được phân giải vào các tín hiệu phađinh khác nhau bằng cách lấy tương quan tín hiệu thu ch a nhi u phiên b n dứ ề ả ịch th i cờ ủa chuỗi giả ngẫu nhiên Máy thu sử ụ d ng nguyên lý này được g i là máy thu phân tọ ập đa đường hay máy thu RAKE (hình 1.9)

Hình 1.9 Máy thu RAKE Trong máy thu RAKE để nhận được các phiên b n d ch th i c a chu i ng u nhiên, tín ả ị ờ ủ ỗ ẫ

hiệu thu phải đi qua đường trễ trước khi được lấy tương quan và được kết hợp Đường trễbao g m nhiồ ều mắt tr có th i gian trễ ờ ễ ằ b ng th i gian m t chip Tờ ộ c Máy thu dịch định thời

bản sao mã trải phổ ừng chip cho từng ký hiệu thông tin để ải trải phổ ký hiệu trong t givùng m t ký hi u và t o nên lý l ch tr công suộ ệ ạ ị ễ ất (hình 1.8b) Với tham kh o lý l ch trả ị ễ công su t (b c tranh thấ ứ ể ệ hi n công suất và trễ ủ c a các đường truyền), máy thu chọn các đường truy n có công suề ất vượt ngưỡng để ế ợp RAKE trên cơ sở ố lượ k t h s ng b ộ tương quan, bộ ước tính kênh và b bù trộ ừ thay đổi pha (được gọi là các “finger” của máy thu RAKE) Trong trường h p áp d ng thu phân t p không gian hay phân t p gi a các đo n ợ ụ ậ ậ ữ ạ

ô, lý l ch tr công suị ễ ất được tạo ra cho mỗi nhánh và các đường truyền được chọ ừ lý n t

lịch trễ công suấ ổng hợp của tất cả các nhánh Trong thực tế, vì các tín hiệu trải phổt t

gồm nhiễu của các ngư i sử ụng khác và các tín hiệu đa đường của kênh người sử ụờ d d ng, nên giá trị ngưỡng được lập dựa trên m c công suứ ất tạp âm nền và các đường truy n có ềSIR hi u d ng (có công suệ ụ ất thu vượt ngưỡng) được chọn Vì MS chuyển động (ho c môi ặtrường truyền sóng thay đổi khi MS c nh), nên v ố đị ị trí đường truy n (th i gian trề ờ ễ) được

kết hợp ại AKE cũng sẽ thường xuyên thay đổi, máy phải định kỳ ập nhật lý lịch trễt R cđường truy n và c p nhề ậ ật các đường truy n đư c k t h p t i ề ợ ế ợ ạ RAKE trên cơ sở lý l ch m i ị ớ(quá trình này được g i là tìm kiọ ếm đường truyền vì nó liên quan đến tìm kiếm đường truyền để ế ợ ạ k t h p t i RAKE)

Khái ni m tr i phệ ả ổ được áp dụng cho các kênh v t lý, khái ni m này bao g m hai thao ậ ệ ồtác Đầ tiên là thao tác định kênh, trong đó mỗu i ký hi u s liệ ố ệu được chuy n thành m t ể ộ

s ố chip nhờ ậy tăng độ ộng phổ tín hiệu Số chip trên một ký hiệu (hay tỷ ố ữa tố v r s gi c độchip và tốc đ ộ ký hiệu) được gọi là hệ ố ả s tr i ph (SF: Spectrum Factor), hay nói mổ ột cách khác SF=Rs/Rc trong đó Rs là tốc đ ký hiệộ u còn Rc là tốc đô chip

H s trệ ố ải phổ là một giá trị kh biả ến, ngoại trừ đối với kênh chia sẻ đường xuống vật lý

tốc đ cao (HS PDSCH) trong HSDPA có SF=16 Thao tác thứ hai là thao tác ngẫu nhiên ộ hóa để ăng tính trực giao trong đó mộ t t mã ngẫu nhiên hóa được ‘tr n’ v i tín hi u tr i ộ ớ ệ ả

-ph Mã ngổ ẫu nhiên hoá được xây dựng trên cơ sở mã Gold

Trong quá trình định kênh, các ký hi u s liệ ố ệu được nhân v i m t mã OVSF (Orthogonal ớ ộVariable Spread Factor: mã tr c giao hự ệ ố s kh biả ến) đồng bộ ề ờ v th i gian v i biên c a ký ớ ủ

hiệu Trong 3GPP, OVSF (hình 1.10) được sử ụng cho các tố d c đ ký hiệu khác nhau và ộđược ký hi u là Cệ ch,SF,ktrong đó SF là hệ ố ả s tr i ph cổ ủa mã và k là số ứ ự th t mã (0 k≤ ≤SF-1) Các mã định kênh có các tính ch t trấ ực giao và được s dử ụng để phân bi t các thông ệtin được phát đi cùng từ m t ngu n: (1) các k t nộ ồ ế ối khác nhau trên đường xu ng trong ốcùng một ô trên đường xu ng và gi m nhiố ả ễu nội ô, (2) các kênh số ệ li u vật lý đường lên

t mừ ột UE Trên đường xuống các mã OVSF trong mộ ô bị ạn chế vì thế ần được quả h c n

lý bởi RNC, tuy nhiên điều này không xẩy ra đố ới đười v ng lên

Cần lưu ý khi chọn mã định kênh để chúng không tương quan với nhau Chẳng hạn khi đã chọn mã Cch,8,4=+1-1+1-1+1-1+1-1, không được sử ụ d ng mã Cch,16,8=+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1; vì hai mã này hoàn toàn giống nhau (tích của chúng bằng 1) và chúng s gây nhi u cho nhau ẽ ễ

Các mã OVSF chỉ hi u qu ệ ả khi các kênh được đ ng b hoàn h o t i m c ký hi u M t ồ ộ ả ạ ứ ệ ấtương quan chéo do truyền sóng đa đường được bù tr b i thao tác ng u nhiên hóa b ừ ở ẫ ổ

sung V i thao tác ng u nhiên hóa, ph n thớ ẫ ầ ực (I) và phần ảo (Q) c a tín hi u tr i ph ủ ệ ả ổ được nhân b sung v i mã ng u nhiên hóa ph c Mã ng u nhiên hóa phổ ớ ẫ ứ ẫ ức được sử ụng để dphân bi t các ngu n phát: (1) các ệ ồ ô khác nhau đố ới đười v ng xu ng và (2) các UE khác ốnhau đố ới đười v ng lên Các mã này có các tính chất tương quan tố và luôn đượ ử ụt c s d ng

để ‘tr n’ v i các mã tr i ph ộ ớ ả ổ nhưng không làm ảnh hưởng độ ộ r ng ph tín hiổ ệu và băng thông truy n d n ề ẫ

Hình 1.10 Cây mã định kênh Đường truy n gi a NodeB và UE trong WCDMA ch a nhi u kênh Có th chia các kênh ề ữ ứ ề ểnày thành hai loại: (1) kênh riêng để truyền lưu lượng và (2) kênh chung mang các thông tin điều khi n và báo hiể ệu Đường truy n t ề ừ UE đến NodeB được g i ọ là đường lên, còn đường ngượ ạ ừ nút B đến UE được l i t c gọi là đường xu ng ố

III GIAO DIỆN VÔ TUYẾN WCDMA

3.1 MỞ ĐẦU

Giao di n vô tuy n cệ ế ủa WCDMA/FDD được xây d ng trên ba ki u kênh: kênh logic, ự ểkênh truy n t i và kênh về ả ật lý Kênh logic được hình thành trên cơ sở đóng gói các thông tin từ ớp cao trướ l c khi sắp xếp vào kênh truy n t i Nhi u kênh truy n tề ả ề ề ải được ghép chung vào kênh vật lý Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập WCDMA

kết hợp với FDMA/FDD Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và một mã trải phổ Ngoài ra kênh vật lý đường lên còn được đặc trưng bởi góc pha Trong phần

dưới đây xét ki n trúc giao th c c a giao di n vô tuy n sau xét giao diế ứ ủ ệ ế ện vô tuy n c a ế ủWCDMA/FDD và các kênh này

Ki n trúc giao diế ện vô tuyến của WCDMA được cho trên hình 1.11

Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) và RLC (Radio link Control: điều khi n liên k t), PDCP (Packet Data ể ế

Convergence Protocol: Giao thức hộ ụ ố ệi t s li u gói) và BMC (Broadcast/Multicast Control: Điều khi n quể ảng bá/đa phương ).

Lớp 3 và RLC được chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C Plane) và mặ- t

phẳng ngườ ử ụi s d ng (U-Plane) PDCP và BMC ch có m t ph ng UP ỉ ở ặ ẳ Trong mặt ph ng ẳ

lớp 3 bao gồm RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) kết cuối tại RAN và các lớp con cao hơn: MM (Mobility Management) và CC (Connection Management), GMM (GPRS Mobility Management), SM (Session Management) k t cuế ối

t i m ng lõi (CN) ạ ạ

L p 1 vớ ật lý là lớp thấp nhấ ở giao diện vô tuyến Lớp vật lý được sử ụng đểt d truyền dẫn

ở giao di n vô tuy n M i kênh v t lý lệ ế ỗ ậ ở ớp này được xác định b ng m t t h p t n s , mã ằ ộ ổ ợ ầ ố

ngẫu nhiên hoá (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên) Các kênh ật lý được sử ụv d ng

để truy n thông tin c a các l p cao trên giao di n vô tuyề ủ ớ ệ ến, tuy nhiên cũng có mộ ốt s kênh v t lý ch ậ ỉ được dành cho hoạt động của lớp v t lý ậ

Để truy n thông tin giao di n vô tuy n, các l p cao ph i chuy n các thông tin này qua ề ở ệ ế ớ ả ể

lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử ụng các kênh logic MAC sắp xếp các kênh này dlên các kênh truyền tải trước khi đưa đế ớn l p vật lý để ớ l p này sắp xếp chúng lên các kênh

Điều ch DL/ULế QPSK/BPSK

(* BSTx: máy phát tr m g c ** BSRx: máy thu tr m g c) ạ ố ạ ố

Lý do c p phát các kênh 5MHz khác nhau tấ ại các nước khác nhau là: các nhà khai thác

phải quy hoạch mã và tránh việc sử ụng các mã gây ra nhiễu kênh lân cận trong cùng d

một nước hoặc các nhà khai thác khác trong nước liền kề Vì thế ần phải nghiên cứu cquan h giệ ữa các tổ ợ h p mã tr i ph và hoả ổ ạt động của các kênh lân cận

Các kênh của WCDMA được chia thành các loại kênh sau đây:

• Kênh vật lý (PhCH) Kênh mang số ệu trên giao diện vô tuyến Mỗi PhCH có một li

trải phổ mã định kênh duy nhất để phân biệt với kênh khác Một người sử ụng tích d

cực có thể ử ụng các PhCH riêng, chung hoặc cả hai Kênh riêng là kênh PhCH s ddành riêng cho m t UE còn kênộ h chung được chia sẻ ữ gi a các UE trong m t ô ộ

• Kênh truyền t i (TrCH) ả Kênh do lớp vật lý cung cấp cho lớp 2 để truyền số ệu liCác kênh TrCH được s p x p lên các PhCH ắ ế

• Kênh Logic (LoCH) Kênh được lớp con MAC của lớp 2 cung cấp cho lớp cao hơn Kênh LoCH được xác đ nh b i ki u thông tin mà nó truy n ị ở ể ề

Hình 1.12 cho thấy sơ đ kh i củồ ố a máy phát vô tuy n (hình 1.12a) và máy thu vô tuyế ến (hình 1.12b) trong W CDMA Lớp 1 ớp vật lý) bổ sung CRC cho từng khố- (l i truyền tải (TB: Transport Block) là đơn vị ố ệ s li u g c c n x lý nhố ầ ử ận đượ ừ ớp MAC đểc t l phát hi n ệ

l i ỗ ở phía thu Sau đó số ệu được mã hoá kênh và đan xen Số ệu sau đan xen được bổ li lisung thêm các bit hoa tiêu và các bit điều khi n công su t phát (TPC: Transmit Power ể ấControl), được sắp xếp lên các nhánh I và Q của QPSK và được trải phổ hai lớp (trải phổ

và ng u nhiên hoá) Chu i chip sau ngẫ ỗ ẫu nhiên hoá được giới hạn trong băng tần 5 MHz

bằng bộ ọc Niquist cosin tăng căn hai (hệ ố ốc bằng 0,22) và được biế l s d n đổi vào tương

t bự ằng bộ ế bi n đ i số vào tương tự (D/A) để đưa lên điều chế vuông góc cho sóng mang ổTín hi u trung tệ ần (IF) sau điều chế được biến đổi nâng t n vào sóng vô tuy n (RF) trong ầ ếbăng tần 2 GHz, sau đó được đưa lên khuyếch đại trước khi chuyển đến anten để phát vào không gian

Tại phía thu, tín hiệu thu được bộ khuyếch đại đại tạp âm thấp (LNA) khuyếch đại, được

biến đổi vào trung tần (IF) thu rồi được khuyếch đại tuyến tính bởi bộ khuyếch đại AGC (t ự điều khuyếch) Sau khuyếch dại AGC tín hiệu được giải điều chế để được các thành

phần I và Q Các tín hiệu tương tự ủa các thành phần này được biến đổi vào số ại bộ c t

biến đổi A/D, được lọc bởi bộ ọc Nyquist Cosine tăng căn hai và được phân chia theo l

thời gian vào một số thành phần đường truyền có các thời gian trễ truyền sóng khác nhau Máy thu RAKE ch n các thành ph n lọ ầ ớn hơn một ngưỡng cho trước Sau gi i tr i phả ả ổ cho các thành phần này, chúng được kết hợp bởi b k t h p máy thu RAKE, tín hi u t ng ộ ế ợ ệ ổđược giải đan xen, giải mã kênh (gi i mã s a lả ử ỗi), được phân kênh thành các kh i truy n ố ề

tải TB và được phát hi n l i Cuệ ỗ ối cùng chúng được đưa đế ớp cao hơn n l

Hình 1.12 Sơ đồ kh i máy phát tuy n (a) và máy thu vô tuy n (b) ố ế ế

CDMA rất nhạy cảm với điều khi n công suể ất: để ệ h thống WCDMA hoạt động bình thường, c n có m t cơ ch ầ ộ ế điều khi n công su t t t đ duy trì t s tín hi u trên nhi u ể ấ ố ể ỉ ố ệ ễ(SIR) t i m c cho phép Vì nhiạ ứ ều ngườ ử ụi s d ng cùng truyền đồng th i trên cùng m t tờ ộ ần

s , nên m c nhi u ph thu c vào s ố ứ ễ ụ ộ ố lượng ngườ ử ụi s d ng

T n t i hai kiồ ạ ểu điều khi n công su t: ể ấ

• Điều khi n công su t vòng h : cho các kênh chung ể ấ ở

• Điều khi n công su t vòng kín: cho các kênh riêng DPDCH/DPCCH và chia s ể ấ ẻDSCH

Điều khi n công su t vòng h ể ấ ở thường được UE th c hi n ự ệ trước khi truy nh p m ng và ậ ạNodeB trong quá trình thiết lập đường truyền vô tuyến sử ụng để ước lượng công suất dcần phát trên đường lên dựa trên các tính toán tổn hao đường truyền trên đường xuống và

t s tín hi u trên nhi u yêu c u ỷ ố ệ ễ ầ

Điều khi n công su t vòng kín có nhiêm v gi m nhi u trong h th ng b ng cách duy trì ể ấ ụ ả ễ ệ ố ằchất lượng thông tin giữa UE và UTRAN (đường truy n vô tuy n) g n nh t v i m c chất ề ế ầ ấ ớ ứlượng t i thi u ố ể đáp ứng được yêu c u c a t ng ki u d ch v ầ ủ ừ ể ị ụ mà ngườ ử ụng đòi hỏi s d i Điều khi n công su t vòng kín bao g m hai phể ấ ồ ần: điều khi n công su t nhanh vòng trong ể ấ

tốc độ 1500 Hz và điều khi n công su t ch m vòng ngoài tể ấ ậ ốc độ 10-100Hz

3.6.1 Điều khiển công suất vòng hở cho PRACH

Dựa trên tính toán của PC vòng hở, UE thiết lập các công suất ban đầu cho tiền tố kênh truy nh p ngậ ẫu nhiên vật lý (PRACH) Trong thủ ụ t c truy nh p ng u nhiên, UE thi t lậ ẫ ế ập công su t phát kh i tấ ở ạo đầu tiên như sau:

Preamble_Initial_power = CPICH_Tx_power – CPICH _RSCP + UL_interference + UL_required_CI (3.2)

trong đó CPICH_Tx-power là công su t phát c a P-CPICH, CPICH _RSCP là công su t ấ ủ ấP-CPICH thu tại UE, CPICH_Tx_power – CPICH _RSCP là ước tính suy hao đường truyền từ nút B đến UE UL_interferrence (được gọi là ‘tổng công suất thu băng rộng’) được đo tại NodeB và được phát qu ng bá trên BCH, UL_required_CI là h ng s ả ằ ố tương

ứng v i t s tín hi u trên nhiớ ỷ ố ệ ễu được thi t l p trong quá trình quy ho ch m ng vô tuy n ế ậ ạ ạ ế

3.6.2 Điều khiển công suất vòng kín đường lên

Sơ đồ điều khi n công suể ất vòng kín đường lên:

Hình 1.13 Nguyên lý điều khi n công suể ất vòng kín đường lên

3.6.3 Điều khiển công suất vòng trong đường lên

Phương pháp điều khi n công su t nhể ấ anh vòng kín lên như sau (hình 1.13) NodeB thường xuyên ước tính t s tín hi u trên nhiỷ ố ệ ễu thu được (SIR= Signal to Interference Ratio) trên hoa tiêu đường lên trong UL DPCCH và so sánh nó v i t s ớ ỷ ố SIR đích (SIRđích) N u SIRế ướctính cao hơn SIRđích thì nút B thiết lập bit điều khiển công suất trong DPCCH TPC=0 để ệ l nh UE h th p công suấạ ấ t (Tùy vào thi t l p cấế ậ u hình: 1dB ch ng ẳ

h n)ạ , trái lại nó thiết lập bit điều khiển công suất trong DPCCH TPC=1 đ ra lệnh UE ểtăng công suất (1dB ch ng h n) Chu k -l nh-ph n ẳ ạ ỳ đo ệ ả ứng này được th c hi n 1500 l n ự ệ ầtrong m t giây (1,5 KHz) ộ ở W-CDMA Tốc đ ộ này sẽ cao hơn mọi sự thay đổi t n hao ổđường truy n và th m chí có th ề ậ ể nhanh hơn phađinh nhanh khi UE chuyển động t c đ ố ộ

th p ấ

3.6.4 Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên

Điều khi n công su t vòng ngoài th c hiể ấ ự ện điều ch nh giá tr SIRỉ ị đích ở nút B cho phù hợp

với yêu cầu của từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng các đư ng truyền vô ờtuyến như nhau Chất lư ng củợ a các đư ng truyền vô tuyến thường được đánh giá bằng tỷờ

s ố bit lỗi (BER: Bit Error Rate) hay tỷ ố khung lỗi (FER: Frame Error Rate) Lý do cần s

đặ ạt l i SIRđíchnhư sau SIR yêu cầu (tỷ ệ ới E l v c/N0) ch ng h n là FER=1% phẳ ạ ụ thuộc vào

tốc độ của UE và đặc điểm truyền nhiều đường Nếu ta đặt SIRđích đích cho trường hợp

xấu nhất (cho tốc cao độ nhất) thì sẽ lãng phí dung lượng cho các kết nố ở ối t c đ thấộ p Như vậ ốy t t nhất là để SIRđích th nả ổi xung quanh giá trị ối thiểu đáp ứng được yêu cầ t u chất lượng Để ự th c hiện điều khi n công su t vòng ngoài, m i khung s li u của người ể ấ ỗ ố ệ

s dử ụng được gắn chỉ th ị chất lượng khung là CRC Nếu kiểm tra CRC cho thấy BLERướctính> BLERđích thì SIRđích s b giẽ ị ảm đi một nấc bằng ∆SIR, trái lại nó sẽ được tăng lên mộ ất n c b ng ∆ằ SIR Lý do đặt điều khi n vòng ngoài RNC vì chể ở ức năng này

th c hi n sau khi thự ệ ực hiện k t h p các tín hi u chuy n giao m m ế ợ ệ ở ể ề

3.6.5 Điều khiển công suất vòng kín đường xuống

Điều khi n công suể ất vòng kín được minh h a trên hình 1ọ 14 UE nhận được BLER đích

t lừ ớp cao hơn do RNC thiết lập cùng với các thông số điều khiển khác Dựa trên BLER đích nhận được từ RNC, nó th c hiự ện điều khi n công su t vòng ngoài b ng cách tính ể ấ ằ

toán SIR đích cho điều ki n công suể ất vòng kín nhanh đường xu nố g UE ước tính SIR đường xu ng t các ký hi u hoa tiêu cố ừ ệ ủa DL DPCCH Ước tính SIR này được so sánh với SIR đích Nếu ước tính này lớn hơn SIR đích, thì UE thiết lập TPC=0 trong UL DPCCH và gửi nó đến nút B, trái l i nó thi t l p TPC=1 Tạ ế ậ ốc đ diộ ều khi n cể ông suất vòng trong là 1500Hz

Hình 1.14 Nguyên lý điều khi n công suể ất vòng kín đường xu ng ố

Chuyển giao là quá trình được thực hiện khi UE đã có kết nối vô tuyến để duy trì chất lượng truy n d n Trong WCDMA có th có chuy n giao c ng ho c chuy n giao m m ề ẫ ể ể ứ ặ ể ề

Ngoài ra HHO s d ng cho: ử ụ

• HO giữa các hệ ố th ng (gi a UTRAN và GSM) ữ

• HO giữa các tần số sóng mang khác nhau của UTRAN

3.7.2 Chuyển giao mềm/ mềm hơn

Chuyển giao mềm (hoặc mềm hơn) sử ụng nhiều kết nối từ d một UE đến nhiều nút B Danh sách các nút B tham gia vào k t nế ối với UE trong chuy n giao mể ềm/mềm hơn được

gọi là “tập tích cực” Có thể quy định được kích thước cực đ i của tập tích cực Thực chất ạchuyển giao là quá trình trong đó một ô (đoạn ô) hoặc được kết nạp vào tập tích cực hoặc

b loị ại ra khỏi tập tích cực Định kỳ hoặc tại các sự ện báo cáo (sự ện 1A, 1B và ki ki 1C

chẳng h n), SRNC nhạ ận được kết qu ả đo từ UE để đưa ra quyết định chuy n giao Sau khi ểquyết định chuyển giao, SRNC giửi bản tin lập lại cấu hình liên kết vô tuyến đã được

đồng b n các Nodeộ đế B liên quan và đồng th i g i b n tin RRC v l p l i c u hình kênh ờ ử ả ề ậ ạ ấ

vật lý đến UE để các nút B này và UE thực hiện chuyển giao Chuyển giao mềm cho phép tăng số đường truyền thu được trên đường xuống và đường lên nh vờ ậy tăng tỷ ố s tín hi u ệtrên nhi u (S ): Eễ IR c/I0 (Ec là năng lượng chip còn I0 là mật độ ph ổ công suất nhiễu) và lượng tăng này được gọi là độ ợ l i chuyển giao Sơ đồ ổng quát SHO đượ t c cho trên hình 1.15

Hình 1.15 Thí d v gi i thuụ ề ả ật SHO

R1a, R1blà dải báo cáo cho các sự ện 1a và 1b được thiết lập bởi RNC; H ki 1a, H1b làh ng ằ

s tr ố ễ được quy định cho các sự ệ ki n 1a và 1b

Trong thí d trong trên hình 3.5 ụ ta sử ụ d ng các s ki n báo cáo 1A, 1B và 1C ự ệ

T hình 1.15 ta th y: ừ ấ

• Lúc đầu Ch có ô 1 và ô 2 n m trong t p tích c c ỉ ằ ậ ự

• Tại sự kiện A (Ec/I0)P-CPICH1 > (Ec/I0)P-CPICH3- (R1a-H1a/2) trong đó (Ec/I0)P-CPICH1 là

t s ỷ ố tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của ô 1 mạnh nhất, (Ec/I0)P-CPICH3 là tỷ ố s tín

hi u trên nhi u kênh hoa tiêu c a ô 3 n m ngoài t p tích c c, Rệ ễ ủ ằ ậ ự 1alà hằng s d i báo ố ảcáo (do RNC thi t l p), Hế ậ 1alà thông số ễ ự ện và (R tr s ki 1b-H1a/2) 1à cửa sổ ế k t nạp cho sự ệ ki n 1A Nếu bất đẳng thức này tồn tại trong kho ng th i gian ả ờ ∆T thì ô 3 được k t n p vào t p tích c c ế ạ ậ ự

• Tại sự kiện C (Ec/I0)P-CPICH4 > (Ec/I0)P-CPICH2 +H1c, trong đó (Ec/I0)P-CPICH4 là tỷ ố s tín hi u trên nhi u c a ô 4 n m ngoài t p tích c c và (Eệ ễ ủ ằ ậ ự c/I0)P-CPICH2là tỷ ố tín hiệ s u trên nhi u c a ô 2 tễ ủ ồi nhất trong t p tích c c, Hậ ự 1clà thông số ễ ự ện 1C Nếu tr s kiquan h này t n t i trong th i gian T và t p tích cệ ồ ạ ờ ∆ ậ ực đã đầy thì ô 2 bị ạ lo i ra khỏi

t p tich c c và ô 4 s ậ ự ẽ thế chỗ ủ c a nó trong t p tích c c ậ ự

• Tại sự kiện B (Ec/I0)P-CPICH1 < (Ec/I0)P-CPICH3- (R1b+H1b) trong đó (Ec/I0)P-CPICH1 là

t s ỷ ố tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của ô 1 yếu nhất trong tập tích cực, (Ec/I0)PCPICH3 là tỷ ố tín hiệu trên nhiễu của ô 3 mạnh nhất trong tập tích cực và s

R1b là hằng số ải báo cáo (do RNC thiết lập), H d 1blà thông số ố ễ và (R s tr 1b+H1b)

là cửa sổ ạ lo i cho sự kiện 1C N u quan h này t n t i trong kho ng th i gian ế ệ ồ ạ ả ờ ∆T thì ô 3 b ị loại ra kh i t p tích c c ỏ ậ ự

Tổng kết chương:

WCDMA là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng sử ụ d ng cho ph n giao ầ

diện vô tuyến cho hệ thống thông tin di động thế ệ 3 UMTS Các thông số ổi bật đặc h ntrưng cho WCDMA như sau:

• WCDMA là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã tr i ph dãy tr c tiả ổ ự ếp băng

rộng DS CDMA, nghĩa là các bit thông tin được trải ra trong một băng tần rộ- ng

bằng cách nhân dữ ệu người dùng với các bit giả li ngẫu nhiên (gọi là chip), các bit này xu t phát tấ ừ các mã trải phổ CDMA Để ỗ ợ ố h tr t c đ ộ bit cao (lên t i 2Mbps), ớ

c n s d ng các k t nầ ử ụ ế ối đa mã và hệ ố ải phổ s tr khác nhau

• WCDMA có tốc đ chip là 3.84 Mcps dộ ẫn đến băng thông của sóng mang x p x ấ ỉ5MHz, nên được g i là h thọ ệ ống băng rộng Còn các h th ng DS-CDMA vệ ố ới băng