UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network) là mạng truy nhập vô tuyến, thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến đặc biệt là yêu cầu hỗ trợ
chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của WCDMA. Cấu tạo của UTRAN được miêu tả nhưở Hình 2-6.
Hình 2- 6 Cấu trúc mạng UTRAN
Uu
Iu
UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vô tuyến RNS (Radio Network
Subsystem). Mỗi RNS là một mạng con bao gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) và một hay nhiều node B.
Các chức năng chính của UTRAN bao gồm:
- Phát quảng bá thông tin hệ thống.
- Thiết lập các kênh mang báo hiệu và truy cập ngẫu nhiên.
- Quản lý kênh mang vô tuyến (RB).
- Các chức năng an toàn trong mạng UTRAN.
- Quản lý di động lớp UTRAN.
- Xử lý cơ sở dữ liệu.
- Định vị thuê bao.
2.2.2.1Bộđiều khiển mạng vô tuyến RNC
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thường là với một MSC và một SGSN) qua giao diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc ngẽn cho các ô của mình. Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ
nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng bịêt
- RNC phục vụ (Serving RNC): SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cảđường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ mạng lõi. SRNC cũng là kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến. Nó thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một node B nào đó được sử dụng để MS kết nối với UTRAN.
- RNC trôi (Drif RNC): DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các ô được MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân tập vĩ
mô. DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ định tuyến số liệu giữa các giao diện IUb và IUr. Một UE có thể không có hoặc có một hay nhiều DRNC.
2.2.2.2Node B
Chức năng chính của Node B là thực hiện xữ lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…Nó cũng thực hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến nhưđiều khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng nó giống như trạm gốc BTS của hệ thống GSM.
2.2.3 Các giao diện mở chính trong hệ thống UMTS
Các giao diện mở chính trong UMTS bao gồm:
- Giao diện Cu: Đây là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuôn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh.
- Giao diện Uu: Đây là giao diện vô tuyến của WCDMA. Uu là giao diện mà qua
đó UE truy nhập các phần tử cốđịnh của hệ thống và vì thế nó là giao diện mở
quan trọng nhất của UMTS.
- Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN. Giao diện Iu cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau trên một hệ thống mạng duy nhất.
- Giao diện Iur: Giao diện mở Iur cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ
các nhà sản xuất khác nhau.
- Giao diện Iub: Giao diện này kết nối một node B với một RNC. UMTS là hệ
thống thông tin di động đầu tiên trong đó giao diện giữa bộđiều khiển và trạm gốc được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn. Giống như các giao diện mở khác, Iub cho phép sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất trong lĩnh vực này.
2.2.4 Các kiểu kênh trong hệ thống UMTS
Các kênh của hệ thống UMTS được chia thành các loại kênh sau đây:
- Kênh vật lý (PhCH): Kênh mang số liệu trên giao diện vô tuyến. Mỗi PhCH có một trải phổ mã định kênh duy nhất để phân biệt với kênh khác. Một người sử
kênh PhCH dành riêng cho một UE còn kênh chung được chia sẻ giữa các UE trong một ô.
- Kênh truyền tải (TrCH): Kênh do lớp vật lý cung cấp cho lớp 2 để truyền số
liệu. Các kênh TrCH được sắp xếp lên các PhCH.
- Kênh logic (LoCH): Kênh được lớp con MAC của lớp 2 cung cấp cho lớp cao hơn. Kênh LoCH được xác định bởi kiểu thông tin mà nó truyền.
2.2.4.1Các kênh logic
Nói chung các kênh logic (LoCH: Logical Channel) được chia thành hai nhóm: các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thông tin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH: Traffic Channel) để truyền thông tin của người sử dụng.
- Các kênh điều khiển bao gồm:
• Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): Kênh đường DL, phát quảng bá thông tin của hệ thống .
• Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH): Kênh đường DL, phát quảng bá thông tin tìm gọi.
• Kênh điều khiển riêng (DCCH): Kênh hai chiều, phát thông tin điều khiển giữa một UE và mạng.
• Kênh điều khiển chung (CCCH): Kênh hai chiều, phát thông tin điều khiển giữa nhiều UE và mạng.
- Các kênh lưu lượng bao gồm:
• Kênh lưu lượng riêng (DTCH): Kênh hai chiều, dành riêng cho một UE để
truyền thông tin người dùng.
• Kênh lưu lượng chung (CTCH): Kênh hai chiều, truyền thông tin của một UE cho một, một nhóm hoặc tất cả người dùng.
2.2.4.2Các kênh truyền tải
Các kênh truyền tải bao gồm:
- Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH): Kênh chung đường UL, để phát thông tin
điều khiển và số liệu người dùng.
- Kênh dành riêng (DCH): Kênh hai chiều ấn định riêng cho người dùng đề phát số liệu.
- Kênh quảng bá (BCH): Kênh chung đường DL để phát thông tin quảng bá. - Kênh truy nhập đường xuống (FACH): Kênh chung đường DL để phát thông
tin điều khiển và số liệu người dùng.
- Kênh tìm gọi (PCH): Kênh chung đường DL để phát tín hiệu tìm gọi.
Sự chuyển đổi giữa kênh logic và kênh truyền tải được biểu diễn ở Hình 2-7:
Hình 2- 7 Chuyển đổi giữa các kênh logic và kênh truyền tải
2.2.4.3Các kênh vật lý
Một kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cả pha tương đối (đối với đường lên). Kênh vật lý (Physical Channel) bao gồm các kênh vật lý riêng (DPCH: Dedicated Physical channel) và kênh vật lý chung (CPCH: Common Physical Channel).
- Các kênh vật lý riêng bao gồm:
• Kênh vật lý số liệu riêng (DPDCH): Mang dữ liệu từ UE tới Node B.
• Kênh vật lý điều khiển riêng (DPCCH): Mang thông tin điều khiển tử UE tới Node B.
- Các kênh vật lý chung bao gồm:
• Kênh kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp (PCCPCH): Mang thông tin quảng bá của hệ thống.
• Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp (SCCPCH): Mang thông tin của kênh tìm gọi và kênh truy nhập cho phép.
• Kênh đồng bộ (SCH): Dùng để đồng bộ khe thời gian, đồng bộ khung và tìm kiếm mã Scambling.
• Kênh vật lý chia sẻ đường xuống (PDSCH): Dùng để mang kênh truyền tải DSCH.
• Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên (PRACH): Dùng để mang kênh truyền tải RACH.
• Kênh vật lý gói chung (PCPCH): Dùng để mang kênh truyền tải CPCH.
• Kênh chỉ thị bắt (AICH): Sử dụng để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên của PRACH.
• Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH): mang thông tin để tìm kiếm một UE.
Chuyển đổi giữa kênh truyền tải và kênh vật lý được biểu diễn như Hình 2-8:
Chương III
Quy hoạch mạng vô tuyến cho hệ thống WCDMA
Cũng giống như quá trình triển khai mạng vô tuyến trong các hệ thống 2G, việc triển khai mạng vô tuyến WCDMA có thểđược chia làm ba giai đoạn chính. Đầu tiên, mạng cần được tính toán, quy hoạch với những giả thiết đầu bài thiết kếđể có thểđưa ra được các thông số chính cần thiết cho quá trình triển khai mạng như quy mô mạng, dung lượng, vùng phủ cũng như các loại dịch vụ mà mạng sẽ cung cấp. Sau đó là triển khai mạng dựa trên các tính toán và thiết kếở bước đầu tiên, cuối cùng là lúc bắt đầu quá trình tối ưu mạng sau khi đã triển khai nhằm đảm bảo mạng sẽ hoạt động tốt khi chính thức đưa vào hoạt động. Trong giới hạn của luận văn, chúng ta sẽ chỉ tập trung nghiên cứu giai đoạn đầu tiên của việc triển khai hệ thống mạng vô tuyến WCDMA đó là tính toán vùng phủ,dung lượng và cuối cùng là ước lượng số lượng các trạm thu phát sóng của hệ thống để đưa ra được một phương án tối ưu trong quá trình quy hoạch mạng. Sau khi kết thúc giai đoạn này, ta có thể tính được một cách tương đối chính xác mật độ trạm thu phát sóng cần thiết và cấu hình của các trạm tại các vùng quan tâm.
- Các yêu cầu về phủ sóng - Các yêu cầu về dung lượng - Các yêu cầu về chất lượng - Kiểu vùng, môi trường truyền sóng vô tuyến...
Định cỡ mạng - Hoạch định vùng phủ và dung lượng - Tính toán thông số chất lượng của mạng - Tối ưu - Số lượng trạm gốc. - Cấu hình trạm gôc. - Chọn lựa sites - Chọn cấu hình trạm gốc - Các thông số cụ thể của cell cho các thuật toán RRM. - Vùng phủ và dung lượng của mạng.
- Thông số QoS của mạng.
Các thông số RRM điều chỉnh Thông số chất lượng mạng
đo được
Đầu vào Đầu ra
Hình 3- 1 Quá trình quy hoạch mạng
toán vùng phủ và dung lượng phải được tính toán đồng thời và cân bằng vì việc tăng vùng phủ sẽ làm tăng nhiễu, ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống còn việc giảm nhiễu có thể làm giảm vùng phủ của hệ thống. Ngoài ra, sự đa dạng của các dịch vụ
cung cấp cũng yêu cầu quá trinh quy hoạch cần phải tính toán đến một số chỉ tiêu tương ứng với từng dịch vụ. Đối với mỗi dịch vụ, các chỉ tiêu về chất lượng dịch vụ
QoS sẽđược thiết lập cho phù hợp, trong thực tế các yêu cầu này sẽ quyết định mật độ
trạm.
3.1 Tính toán vùng phủ của mạng
Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu về quỹ đường truyền vô tuyến trên cả hướng lên và hướng xuống của WCDMA. Kết quả của việc tính toán này cho ta biết được tổn hao đường truyền lớn nhất cho phép, từ đó sẽ quyết định được phạm vi hoạt động của một ô tế bào và tính được số trạm thu phát sóng cần thiết. Có một số điểm khác của WCDMA trong việc tính toán quỹ đường truyền so với các hệ
thống truy nhập vô tuyến dựa trên TDMA/FDMA như GSM. Nó bao gồm dự trữ sự
thay đổi nhiễu, dự trự fadinh nhanh, việc tăng công suất phát trong điều khiển công suất và hệ số khuếch đại chuyển giao mềm.
Trong quá trình tính toán, ta cần phải sử dụng một số giả thiết cũng như mô hình tính toán đã được chấp nhận rộng rãi trên thế giới. Các giả thiết này tập trung vào một số kịch bản tương ứng với từng vùng triển khai mạng. Sự chính xác trong việc tính toán phụ thuộc vào các giả thiết và các thông số trong mô hình tính toán. Một giả
thiết quan trọng nữa khi tính toán là sựđồng nhất các thông số trên tất cả các ô tế bào của mạng. Tuy nhiên, trong thực tế khi một mạng được triển khai, sự đồng nhất giữa các ô là khó có thểđạt được do nhiễu thay đổi đối với mỗi người dùng và mỗi ô bởi vì sự khác nhau giữa các nhà sản xuất thiết bị người dùng (UE), việc điều khiển công suất không hoàn hảo, các điều kiện kênh truyền khác nhau, các cấu hình thông số vô tuyến (RF) khác nhau và các tốc độ bit của từng loại dịch vụ khác nhau.
3.1.1 Tính toán quỹđường truyền vô tuyến
Việc tính toán quỹ đường truyền có thể được định nghĩa một cách đơn giản là việc tính toán tất cả các tổn hao cũng như tăng ích của tất cả các phần tử trong liên kết
truyền tin. Nó sẽ tính toán vùng phủ và dung lượng hệ thống bằng cách xem xét và phân tích tất cả các loại nhân tố ảnh hưởng trong đường truyền của cả tín hiệu hướng lên và hướng xuống, sau đó sẽ thu được tổn hao đường truyền lớn nhất cho phép của liên kết đối với một số lượng cuộc gọi cho phép nào đó.
Hình 3- 2 Quỹđường truyền vô tuyến trong WCDMA
3.1.1.1Đánh giá suy hao đường truyền
Giá trị suy hao đường truyền lớn nhất theo đường lên được tính toán theo công thức:
LUL=PUE + GBS + GUE – Lf + GSHO – Mpc – Mf – Mi-UL – Lp – Lb – SBS
Giá trị suy hao đường truyền lớn nhất theo đường xuống được tính toán theo công thức:
LDL=PBS – Lf + GBS + GUE + GSHO – Mpc – Mf – Mi-DL – Lp – Lb – SUE
Trong đó:
- LUL: Suy hao đường truyền theo đường lên (dB). - LDL: Suy hao đường truyền theo đường xuống (dB). - PUE: Công suất phát của UE (dB).
- GBS ,GUE: Hệ số tăng ích của antenna trên NodeB và của UE (dBi). - Lf: Suy hao do feeder.
- GSHO: Tăng ích chuyển giao mềm (dB). - Mpc: Dự trữđiều khiển công suất.
- Mi-UL,Mi-DL: Dự trữ nhiễu theo đường lên và đường xuống (liên quan
đến dung lượng thiết kế của hệ thống). - Lp: Suy hao do đâm xuyên.
- Lb: Suy hao do cơ thể.
- SBS, SUE: Độ nhạy thu của antenna trên NodeB và của UE.
3.1.1.2Công suất phát của Node B
Trong hệ thống WCDMA, công suất phát của NodeB là một tham số hệ thống, nó khác nhau đối với các dịch vụ riêng biệt. Nó được quyết định để phù hợp với từng loại dịch vụ và vùng phủ của dịch vụ. Thông thường công suất phát tối đa của BS là 43 dBm (20W).
Để đảm bảo hoạt động thông thường các kênh dùng chung không được vượt quá 25% tổng công suất phát của một cell trong mọi trường hợp (kể cả có kênh điều khiển dịch vụ HSDPA, HS - SCCH).
Công suất của kênh hoa tiêu CPICH trong khoảng từ 5% tới 10% tổng công suất phát của 1 cell (giá trị thường được sử dụng là 8%), các kênh còn lại có công suất phát phụ thuộc vào kênh hoa tiêu.
Các bảng sau chỉ ra mức công suất phát của các kênh dùng chung:
Bảng 3- 1 Công suất các kênh dùng chung khi không có dịch vụ HSDPA
Kênh truyền Cấu hình công suất Hiệu suất hoạt động
Kênh hoa tiêu CPICH 8% tổng công suất phát 100%
Kênh chính điều khiển vật lý dùng chung sơ cấp PCCPCH
-3,1dB so với kênh hoa tiêu 90% Kênh phụđiều khiển vật lý dùng
chung thứ cấp SCCPCH
-1.25 dB so với kênh hoa tiêu 100% Kênh đồng bộ chính PSCH -1.8dB so với kênh hoa tiêu 10% Kênh đồng bộ phụ SSCH -3.5dB so với kênh hoa tiêu 10%
Bảng 3- 2 Công suất các kênh dùng chung khi có dịch vụ HSDPA
Kênh truyền Cấu hình công suất Hiệu suất hoạt động
Kênh hoa tiêu CPICH 8% tổng công suất phát 100%
Kênh chính điều khiển vật lý dùng chung sơ cấp PCCPCH
Kênh phụđiều khiển vật lý dùng chung thứ cấp SCCPCH
-0.25 dB so với kênh hoa tiêu 100% Kênh đồng bộ chính PSCH -1.8dB so với kênh hoa tiêu 10% Kênh đồng bộ phụ SSCH -3.5dB so với kênh hoa tiêu 10%