Ở Mỹ khi hệ thống AMPS tương tự sử dụng phương thúc FDMA được triển khai vào giữa ngững năm 1980, các vấn đề về dung lượng đã phát sing ở các thị trường di động chính như : New York, Los Angeles và Chicago. Mỹ đã có chiến lược nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: chuyển tới hệ thống TDMA được TIA (Telecommunication Industry Association: Liên hiệp công nghiệp phiên bản mới: IS-136, còn gọi là AMPS số (D-AMPS). Nhưng không giống như IS-54, GSM đã đạt được thành công tại Mỹ. Có lẽ sự thành công này là ở chỗ các nhà phát triển ra hệ thống GSM đã dám thực hiện một hy sinh lớn là để tím kiếm các thị trường Châu Âu và Châu Á họ không thực hiện tương thích giao diện vô tuyến giữa GSM và AMPS. Nhờ vậy các hãng Ericson và Nokia trở thành các hãng dẫn đầu ở cơ sở hạ tầng vô tuyến số và bỏ lại sau các hãng Motorola và Lucent.
Tình trạng trên đã tạo cơ hội cho các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra một phương án mới cho thông tin di động số. Để tìm kiếm hệ thống thông tin di động mới người ta nghiên cứu công nghệ đa thâm nhập theo mã (CDMA). Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự. Được thành lập vào năm 1985, Qualcom, sau đó được gọi là “Thông tin Qualcom” (Qualcom Communication) đã phát triển công nghệ
28
CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Lúc đầu công nghệ này được đón nhận một cách dè dặt do quan niệm truyền thống về vô tuyến là mỗi cuộc thoại đòi hỏi một kênh vô tuyến riêng. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị tại Bắc Mỹ. Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên gọi là IS-95A.
Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại Hàn Quốc và Hồng Kông. CDMA cũng đã được mua hoặc đưa vào thử nghiệm ở Achentina, Brasil, ChiLe, Trung Quốc, Nhật Bản. tại Việt Nam cũng đã có công ty cung cấp di động sử dụng mạng di động công nghệ CDMA.
Các kênh vật lý
Các kênh vật lý tương ứng với tần số và mã kênh. Thông thường trong hệ thống CDMA IS-95 có thể làm việc ở một cặp tần số với một tần số cho đường xuống (từ trạm BTS đến trạm di động MS) và một tần số cho đường lên (từ trạm di động đến trạm BTS) với độ rộng băng tần cho mỗi kênh vào khoảng 1,23 MHz. Băng tần dành cho CDMA nằm trong dải tần từ 824,115 MHz đến 893,970 MHz. Tần số đường xuống bao giờ cũng lớn hơn đường lên 45 MHz. thí dụ kênh thứ nhất của CDMA có thể chiếm băng tần từ 869,415 MHZ đến 870,645 MHz cho đường xuống và 824,415 MHz đến 825,645 MHz. Các tần số trung tâm tương ứng là 870,030 MHz và 825,03 MHZ. Phân bổ kênh CDMA thứ hai cũng có thể từ 870,625 MHZ đến 871,875 MHz cho đường xuống và 825,645 MHz đến 826,875 MHZ cho đường lên. Các tần số trung tâm tương ứng là: 870,030 + 1,23 = 871,26 Mhz và 825,030 + 1,23 = 826,26 MHz. Để tăng cường dung lượng mạng của mạng IS-95 có thể sử dụng kết hợp CDMA với FDMA. Khi đó một hệ thống CDMA có thể có nhiều tần số.
Các kênh Logic
Các kênh logic là các kênh vật lý mang thông tin cụ thể nào đó: có thể là thông tin người dùng (kênh lưu lượng) hay thông tin báo hiệu, điều khiển.
29
Các kênh này được phân chia theo đường xuống (từ BTS đến MS, còn gọi là các kênh đi) và các kênh theo đường lên (từ MS đến BTS, còn được gọi là các kênh về).
Kênh lƣu lƣợng KLL (Traffic Channel)
Kênh lưu lượng có cả ở đường xuống lẫn đường lên. Kênh lưu lượng để truyền:
Thông tin sơ cấp của người sử dụng máy di động như: tiếng đã số hóa, số liệu/FAX (kênh lưu lượng sơ cấp: Primary Traffic).
Thông tin sơ cấp của người sử dụng ghép xen với báo hiệu (báo hiệu trong băng)
Báo hiệu
Thông tin sơ cấp ghép xen với thông tin thứ cấp (Secondary Traffic).
Thông tin bổ xung (Overhead).
Các kênh này bao gồm các khung 20ms. Các khung có thể được phát đi ở các tốc độ khác nhau: 9600, 4800, 2400 và 1200 kbit/s. Kỹ thuật này cho phép ghép kênh thích ứng động với tiếng của người nói chuyện. Khi người nói dừng tốc độ bít giảm còn khi người nói nói chuyện tốc độ bit tăng và hệ thống tức thời dịch đến mức sử dụng bit cao hơn. Nhờ vậy cho phép giảm thiểu nhiễu đối với các tín hiệu CDMA khác và tăng dung lượng hệ thống.
Khi KLL được ấn định cho một trạm di đông, báo hiệu được truyền trực tiếp ở kênh này ( báo hiệu trong băng). Báo hiệu có thể được truyền ở cụm dành riêng (Blank anh Burst) hoặc ghép xen ( Dim anh Burst).
Báo hiệu ở cụm dành riêng được phát ở tốc độ 9600bps và thay thế cho một hay nhiều khung của số liệu lưu lượng chính (thường là tiếng đã được số hóa) với số liệu báo hiệu giống như ở hệ thống FM tương tự
Báo hiệu ở cụm ghép xen được phát đi chung với lưu lượng chính trong một khung với tốc độ truyền dẫn là 9600 bps. Khi bộ mã hóa tiếng
30
(Voicoder) muốn truyền tốc độ cực đại (tương đương 8000bps) nó được phép truyền ở nửa tốc độ này (tương đương 4000 bps), tốc độ bit còn lại được dành cho báo hiệu và phần bổ xung.
Có bốn loại bản tin được phát ở KLL: các bản tin điều khiển bản thân cuộc gọi, các bản tin điều khiển chuyển giao (Handover), các bản tin điều khiển công suất đường xuống, các bản tin bảo mật và nhận thực và các bản tin cung cấp các thông tin đặc biệt từ/tới tạm di động.
Kênh hoa tiêu KHT (Pilot Channel)
Kênh hoa tiêu được sử dụng như một nguồn chuẩn song mang nhất quán cho việc giải điều chế ở các máy thu. Kênh này được phát ở tất cả các ô với các đặc điểm như sau:
* Được phát ở mức công suất khá cao so với các tín hiệu khác để đảm bảo có độ chính xác cao.
* Không bị điều biến bởi thông tin và sử dụng hàm Walsh không (ồm 64 số 0). Vì vậy chỉ bao gồm một cặp mà PN hoa tiêu vuông góc.
* Được sử dụng làm chuẩn sóng mang nhất quán để giải điều chế cho các tín hiệu phát đi từ trạm gốc của ô.
Kênh đồng bộ KDH (Synch Channel)
Kênh đồng bộ được trạm di động sử dụng trong giai đoạn chiếm hệ thống (thâm nhập mạng lần đầu). Sau khi chiếm hệ thống rồi, thông thường trạm di động không sử dụng lại kênh này cho đến khi nó tắt bật lại nguồn. Mỗi khung của kênh đồng bộ có độ dài là một chuỗi PN hoa tiêu. Vì mỗi trạm có một chuỗi hoa tiêu PN dịch so với nhau nên đồng bộ khung của kênh đồng bộ ở các trạm gốc khác nhau. Đồng chỉnh khung với chuỗi PN của trạm gốc cho phép một trạm di động lần đầu chiếm mạng dễ dàng thu được kênh đồng bộ.
31
Chỉ có một bản tin được gửi đi ở kênh đồng bộ, bản tin này được gọi là bản tin của kênh đồng bộ. Bản tin này cung cấp cho trạm di động một số thông số của hệ thông như:
Tốc độ số liệu của kênh tìm gọi
Thời gian của chuỗi PN của trạm gốc so với thời gian của hệ thống. Kênh đồng bộ luôn có tốc độ bit là 1200.
Kênh tìm gọi KTG (Paging Channel)
Khi đã nhận được thông tin từ kênh đồng bộ, trạm di động điều chỉnh đồng bộ của mình đến hệ thống đồng bộ thông thường của hệ thống. Sau đó trạm di động bắt đầu theo dõi kênh tìm gọi. Kênh tìm gọi có tốc độ bit là 48000 hoặc 9600 bps. Ở mỗi tần số cấp phát cho CDMA có thể có tới 7 kênh tìm gọi. Phân tích cho thấy một kênh tìm gọi tốc độ 9600 bps có thể đảm bảo 180 cuộc tìm gọi trong một giây. Mỗi trạm di động chỉ được quyền theo dõi một kênh tìm gọi. Kênh tìm gọi này có thể được quy định một cách ngẫu nhiên trong số tất cả các kênh tìm gọi có thể có. Trạm gốc cũng có thể ấn định kênh tìm gọi cho trạm di động.
Kênh tìm gọi mang thông tin từ trạm gốc đến trạm di động. Tồn tại bốn kiểu bản tin chính: bổ xung, tìm gọi, lệnh và ấn định kênh. Nội dung của các bản tin này như sau:
Cấu hình của hệ thống được truyền ở các bản tin bổ xung: bản tin thông số hệ thông, bản tin thông số thâm nhập, bản tin danh sách trạm lân cận và bản tin danh sách kênh CDMA.
Các bản tin tìm gọi chứa các tìm gọi đến một hay nhiều trạm di động. Các bản tin này thường phát đi khi trạm gốc nhận được cuộc gọi cho một trạm di động và chúng thường được phát đi từ nhiều trạm gốc khác nhau.
Các bản tin ấn định kênh cho phép trạm gốc ấn định một kênh lưu lượng cho các trạm di động, hay thay đổi ấn định kênh tìm gọi cho
32
trạm di động này, hay chuyển trạm di động này sang sử dụng hệ thống tương tự điều tần.
Kênh tìm gọi có một chế độ đặc biệt gọi là chế độ được định khe. Ở chế độ này các bản tin cho một trạm di động chỉ phát đi ở các khoảng thời gian cho trước. Khả năng này cho phép một trạm di động có thể giảm công suất ở các khe thời gian không dành cho nó, nhờ vậy có thể tiết kiệm đáng kể năng lượng của nguồn accu cho các máy cầm tay.
Kênh thâm nhập KTN (Access Channel)
Kênh thâm nhập đảm bảo thông tin từ trạm di động đến các trạm gốc khi trạm di động không sử dụng kênh lưu lượng. Kênh này luôn làm việc ở tốc độ 4800 bps. Các kênh thâm nhập cung cấp các thông tin về: khởi xướng cuộc gọi, trả lời tìm gọi, các lệnh và đăng ký.
Mỗi kênh thâm nhập đều đi cặp với kênh tìm gọi. Các kênh thâm nhập được phân biệt với nhau bởi một mã PN dài ( PN: Pseudo Noise – giả tạp âm). Trạm gốc trả lời kênh truyền dẫn ở kênh thâm nhập bằng cách phát đi một bản tin ở kênh tìm gọi liên kết. Tương tự trạm di động trả lời kênh tìm gọi bằng cách phát đi bản tin ở kênh thâm nhập liên kết.
Kênh tìm gọi sử dụng thủ tục ngẫu nhiên (ALOHA). Nhiều trạm di động liên kết với một kênh tìm gọi có thể đồng thời yêu cầu sử dụng kênh này. Mỗi trạm di động phải chọn ngẫu nhiên cả kênh thâm nhập lẫn đồng bộ thời gian PN từ tập đồng bộ thời gian PN. Nếu hai hay nhiều trạm di động không chọn kênh thâm nhập và đồng bộ thời gian PN giống nhau, thì trạm gốc có thể tiếp nhận truyền dẫn động thời của chúng. Ngược lại các trạm di động phải thâm nhập lại.
33
Tiến hóa của IS-95 đến 2,5G: CDMA20001x (IS-20001x)
Có thể coi cdma pha 1 trên cơ sở IS-2000 1x là nền tảng công nghệ TTDD thế hệ 2,5 vì nó chỉ cung cấp được một số trong số các yêu cầu của IMTS-2000. Thực ra có thể coi tiêu chuẩn IS-95B đã được công bố rộng rãi là công nghệ 2,5 G, còn cdma200 là nền tảng công nghệ 3 G. Tuy nhiên IS- 95B chỉ nhận được ứng dụng hạn chế và công nghiệp viễn thông đã chuyển sang triển khai IS-2000 1x (được coi là pha 1 của cdma2000). Cdma2000 được xây dựng trên nền tảng khác với công nghệ nền tảng ở Châu Âu và đây là nền tảng mà các hệ thống IS-95 A/B đang chuyển từ hệ thống truyền tiếng thoại sang hệ thống truyền số liệu gói tốc độ cao trên cơ sở sử dụng trạm gốc và phổ tần mà các nhà khai thác đang có.
IS -2000 1x (cdma2000 pha 1) và IS-2000 3x (cdma2000 pha 2) hoàn toàn tương thích với cơ sở hạ tầng và các máy thuê bao của IS-95. Nó cũng hỗ trợ tất cả các dịch vụ của IS-95 hiện có như tiếng, số liệu chuyển mạch kênh, SMS. IS-2000 1x hỗ trợ chuyển giao với IS-95 khi sử dụng cùng sóng mang cũng như ở các sóng mang khác nhau.
Từ quan điểm của nhà khai thác, không phụ thuộc vào nền tảng công nghệ truy nhập, để chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 2,5 G cần xem xét các vấn đề sau:
Dung lượng
Vùng phủ
Giá thành
Tính tương thích.
Phần này ta sẽ dùng để nghiên cứu các vấn đề thực hiện đưa vào mạng IS-2000 1x cho số liệu và tiếng (DV : Data and Voice) hay chỉ cho số liêu (DO: Data Only).
34
Giao diện vô tuyến số liệu gói tốc độ cao cdma2000 1xEV-DO
Ta xét đến 1xEV-DO được sử dụng để truyền gói tốc độ cao cho cdma2000 1x. Ta chỉ xét đến kiến thức chung của giao thức và giao diện vô tuyến.
Mô hình tham khảo kiến trúc
Mô hình tham khảo gồm các khối chức năng sau: đầu cuối truy nhập, mạng thâm nhập và đoạn ô. Mô hình tham khảo cũng chứa giao diện vô tuyến giữa đầu cuối truy nhập và mạng truy nhập.
Kiến trúc giao thức
Giao diện vô tuyến được phân lớp với các định nghĩa giao diện cho từng lớp. Nhờ vậy có thể thay đổi từng lớp hoặc từng giao thức riêng. Hình dưới sẽ cho thấy kiến trúc phân lớp của giao diện vô tuyến. Mỗi lớp gồm một hay nhiều giao thúc để thực hiện chức năng của từng lớp. Có thể thực hiện đàm phán riêng cho từng giao thức.
Lớp ứng dụng Lớp luồng Lớp phiên Lớp kết nối Lớp bảo an Lớp MAC Lớp vật lý 1. Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng cung cấp các ứng dụng khác nhau. Nó
35
thức vô tuyến. Nó cũng cung cấp ứng dụng gói mặc định để truyền tải số liệu người sử dụng.
2. Lớp luồng: Lớp luồng đảm bảo việc ghép chung các luồng ứng dụng
khác nhau. Luồng 0 được dành riêng cho báo hiệu và mặc định cho ứng dụng báo hiệu mặc định. Luồng 1, luồng 2 và luồng 3 không sử dụng cho mặc định. Luồng 4 sẽ được xem xét ở phần tiếp theo.
3. Lớp phiên: đảm bảo quản lý địa chỉ, đàm phán giao thức, lập cấu hình
giao thức và các dịch vụ bảo dưỡng trạng thái.
4. Lớp kết nối: Lớp kết nối đảm bảo thiết lập kết nối đường truyền vô
tuyến và các dịch vụ bảo dưỡng.
5. Lớp bảo an: đảm bảo các dịch vụ trao quyền và mật mã.
6. Lớp MAC: Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) định nghĩa
các thủ tục để thu và phát ở lớp vật lý.
7. Lớp vật lý: Lớp vật lý cung cấp các quy định về cấu trúc kênh, tần số,
công suất phát, điều chế và mã hoá cho các kênh đường lên và đường xuống.
Mỗi lớp có thể chứa một hoặc nhiều giao thức. Các giao thức sử dụng các bản tin báo hiệu để mang thông tin đến thực thể đồng cấp ở đầu kia của đường truyền vô tuyến. Khi các giao thức phát bản tin, chúng sử dụng giao thức mang báo hiệu (SNP) để phát các bản tin này.
Phiên và kết nối
Phiên là thuật ngữ đề cập đến một trạng thái được chia sẻ giữa đầu cuối truy nhập và mạng truy nhập. Trạng thái chia sẻ này lưu giữ các giao thức và cấu hình giao thức đã được đàm phán và được sử dụng để liên lạc giữa mạng truy nhập và đầu cuối truy nhập. Nếu không mở phiên thì một đầu cuối truy nhập không thể thông tin với mạng truy nhập.
Kết nối là một trạng thái đặc thù của đoạn nối vô tuyến trong đó đầu cuối truy nhập được ấn định một kênh lưu lượng đường xuống, một kênh lưu
36
lượng đường lên và các kênh MAC đi kèm. Trong thời gian của một phiên đầu cuối truy nhập và mạng truy nhập có thể mở hoặc đóng nhiều lần một kết nối.
Giao thức quản lý phiên mặc định
Giao thức quản lý phiên mặc định cung cấp các phương tiện để điều khiển việc tích cực giao thức quản lý địa chỉ và sau đó là giao thức lập cấu hình phiên trước khi phiên được thiết lập. Giao thức này cũng định kỳ đảm bảo rằng phiên vẫn hợp lệ và quản lý quá trình đóng phiên.
Tính cách thực tại và việc trao đổi bản tin ở mỗi trạng thái của giao thức chủ yếu được quản lý bởi các giao thức do giao thức quản lý phiên mặc định