WCDMA UMTS là một trong các tiêu chuẩn của IMT-2000 nhằm phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ ba. WCDMA UMTS sử dụng mạng đa truy nhập vơ tuyến trên cơ sở WCDMA và mạng lõi được phát triển từ GSM/GPRS. WCDMA cĩ thể cĩ hai giải pháp cho giao diện vơ tuyến: ghép song cơng phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song cơng phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex). Cả hai giao diện này đều sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS- CDMA). Giải pháp thứ nhất sẽ được triển khai rộng rãi cịn giải pháp thứ hai chủ yếu sẽ được triển khai cho các ơ nhỏ (Micro và Pico).
Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sĩng mang phân cách nhau 190MHz: đường lên cĩ băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz, đường xuống cĩ băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 Mhz. Mặc dù 5 MHz là độ rộng băng danh định, ta cũng cĩ thể chọn độ rộng băng từ 4,4 MHz đến 5 MHz với nấc
c) Phổ của tín hiệu thu sau giải trải phổ XK
b) Phổ của đầu vào máy thu k của các tín hiệu trải phổđược phátđi từK máy phát d) Phổ của tín hiệu giải trải phổ sau bộ lọc B=Rb XK(f) XK(f) X3(f) X2(f) X1(f) XK(f) X3(f) X2(f) X1(f)
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) bằng X(f) (diện tích chữ nhật tơ đậm trên hình b)
chia cho MAI (diện tích chữ nhật trắng trên hình c)
Lọc thơng thấp B=Rc
XK (ước tính x)
a) Sơ đồ giải trải phổ DSSS
K K K Ck f S1 S2 MAI XK(f) XK(f) SIR=S1/S2
tăng là 200 KHz. Việc chọn độ rộng băng đúng đắn cho phép ta tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác.
Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và từ 2010 MHz đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần.
Giao diện vơ tuyến của WCDMA/FDD (để đơn giản ta sẽ bỏ qua ký hiệu FDD nếu khơng xét đến TDD) hồn tồn khác với GSM và GPRS, WCDMA sử dung phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps. Trong WCDMA mạng truy nhập vơ tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vơ tuyến của GSM. Vì thế khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế. Một số nhà sản xuất cũng đã cĩ kế hoạch nâng cấp các GSM BTS cho WCDMA.
Đối với các nhà sản suất này cĩ thể chỉ tháo ra một số bộ thu phát GSM từ BTS và thay vào đĩ các bộ thu phát mới cho WCDMA. Một số rất ít nhà sản suất cịn lập kế hoạch xa hơn. Họ chế tạo các BSC đồng thời cho cả GSM và WCDMA. Tuy nhiên đa phần các nhà sản suất phải thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA.
WCDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM, GPRS hiện cĩ cho mạng của mình. Các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN cĩ thể được nâng cấp từ mạng hiện cĩ để hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM.
Giao diện vơ tuyến của WCDMA/FDD được xây dựng trên ba kiểu kênh: kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý. Kênh logic được hình thành trên cơ sở đĩng gĩi các thơng tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh truyền tải. Nhiều kênh truyền tải được ghép chúng vào kênh vật lý. Kênh vật lý được xây dựng trên cơng nghệ đa truy nhập CDMA kết hợp với FDMA/FDD. Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và một mã trải phổ. Ngồi ra kênh vật lý đường lên cịn được đặc trưng bởi gĩc pha. Trong phần dưới đây trước hết ta xét kiến trúc giao thức của giao diện vơ tuyến sau đĩ ta sẽ xét giao diện vơ tuyến của WCDMA/FDD, sau đĩ sẽ xét các kênh này.
3.1.2.1. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của giao diện vơ tuyến WCDMA/FDD
Kiến trúc giao diện vơ tuyến của WCDMA được cho trên hình 3.3. Ngăn xếp giao thức của giao diện vơ tuyến bao gồm ba lớp giao thức:
9 Lớp vật lý (L1): đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vơ tuyến như điều chế và
9 Lớp liên kết nối số liệu (L2): lập khuơn số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo
truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp.
9 Lớp mạng (L3): đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến .
UP: Mặt phẳng người sử dụng CP: Mặt phẳng điều khiển
Hình 3.3. Kiến trúc giao thức vơ tuyến cho UTRA FDD.
Mỗi khối thể hiện một trường hợp của giao thức tương ứng. Đường khơng liền nét thể hiện các giao diện điều khiển, qua đĩ giao thức RRC điều khiển và lập cấu hình các lớp dưới.
Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: điều khiển truy nhập mơi trường) và RLC (Radio link Control: điều khiển liên kết), PDCP (Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gĩi) và BMC (Broadcast/Multicast Control: Điều khiển quảng bá/đa phương tiện).
Lớp 3 và RLC đựơc chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C-Plane) và mặt phẳng người sử dụng (U-Plane). PDCP và BMC chỉ cĩ ở mặt phẳng người dùng.
Trong mặt phẳng điều khiển lớp 3 bao gồm RRC kết cuối tại RAN và các lớp con cao hơn: MM (Mobility Management) và CC (Connection Management), GMM (GPRS Mobility Management), SM (Session Management) kết cuối tại mạng lõi (CN).
PDCP MAC RLC RLC RLC RLC RRC RLC RLC RLC RLC PDCP BMC PHY
Báo hiệu CP Thơng tin UP CC, MM, GMM, SMS, SS Giao thức UP Điều khiển L3 L2/PDCP L2/BMC L2/RLC
Điểm truy nhập dịch vụ (SAP) cho thơng tin đồng cấp
Các lớp con cao hơn của
Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vơ tuyến. Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện vơ tuyến. Mỗi kênh vật lý ở lớp này được xác định bằng một tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên hố (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên). Các kênh được sử dụng vật lý để truyền thơng tin cuả các lớp cao trên giao diện vơ tuyến, tuy nhiên cũng cĩ một số kênh vật lý chỉ được dành cho hoạt động của lớp vật lý.
Để truyền thơng tin ở giao diện vơ tuyến, các lớp cao phải chuyển các thơng tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic. MAC sắp xếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý.
3.1.2.2. Các thơng số lớp vật lý và quy hoạch tần số a. Các thơng số lớp vật lý
Các thơng số lớp vật lý của WCDMA đựơc cho trong bảng 3.4
Bảng 3.4. Các thơng số lớp vật lý W-CDMA
W-CDMA
Sơ đồ đa truy nhập DS-CDMA băng rộng Độ rộng băng tần (MHz) 5/10/15/20
Mành phổ 200 kHz
Tốc độ chip (Mcps) (1,28)/3,84/7,68/11,52/15,36 Độ dài khung 10 ms
Đồng bộ giữa các nút B Dị bộ/đồng bộ Mã hĩa sửa lỗi Mã turbo, mã xoắn Điều chế DL/UL QPSK/BPSK
Trải phổ DL/UL QPSK/OCQPSK (HPSK) Bộ mã hĩa thoại CS-ACELP/(AMR) Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP/ETSI/ARIB
DL: Downlink: đường xuống;
UL: Uplink: đường lên
OCQPSK (HPSK): Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying (Hybrid PSK) = khĩa chuyển pha vuơng gĩc trực giao
CS-ACELP: Conjugate Structure-Algebraic Code Excited Linear Prediction = Dự báo tuyến tính kích thích theo mã lđại số cấu trúc phức hợp
3GPP: Third Generation Parnership Project: Đề án của các đối tác thế hệ ba
ETSI: European Telecommunications Standards Institute: Viện tiêu chuẩn viễn thơng Châu Âu
ARIB: Association of Radio Industries and Business: Liên hiệp cơng nghiệp và kinh doanh vơ tuyến.
b. Quy hoạch tần số
Các băng tần sử dụng cho WCDMA FDD trên tồn cầu được phân bổ như sau:
Bảng 3.5: Phân bổ băng tần trên tồn cầu.
Băng
cống tác
Tên Tổng phổ Đường lên
(MHz) Đường xuống (MHz) Băng VII 2600 2x70 MHz 2500-2570 2620-2690 Băng 3G mới Băng I 2100 2x60 MHz 1920-1980 2110-2170 Băng IMT 2000 (băng WCDMA chủ Băng II 1900 2x60 MHz 1850-1910 1930-1990 Băng PCS tại Mỹ và Châu Mỹ La Tinh Băng IV 1700/2100 2x45 MHz 1710-1755 2100-2155 Băng 3G mới Mỹ và Châu Mỹ La Tinh Băng II 1800 2x75 MHz 1720-1785 1805-1880 Châu Âu, châu Á và Brazil
Băng IX 1700 2x35 MHz 1750-1785 1845-1800 Nhật
Băng VIII 900 2x35 MHz 880-915 925-960 Châu Âu và châu Á Băng V 850 2x25 MHz 824-849 869-894 Mỹ, châu Mỹ và châu Á
Băng VI 800 2x10 MHz 830-840 875-885 Nhật
WCDMA sử dụng phân bố tần số quy định cho IMT-2000. Ở châu Âu và hầu hết các nước châu Á băng tần IMT-2000 là 2×60 MHz (1920-1980 MHz cộng với 2110-2170 MHz) cĩ thể sử dụng cho WCDMA/ FDD. Băng tần sử dụng cho TDD ở châu Âu thay đổi, băng tần được cấp theo giấy phép cĩ thể là 25 MHz cho sử dụng TDD ở 1900-1920 (TDD1) và 2020-2025 MHz (TDD2). Băng tần cho các ứng dụng TDD khơng cần xin phép (SPA= Self Provided Application: ứng dụng tự cấp) cĩ thể là 2010-2020 MHz. Các hệ thống FDD sử dụng các băng tần khác nhau cho đường lên và đường xuống với phân cách là khoảng cách song cơng, cịn các hệ thống TDD sử dụng cùng tần số cho cả đường lên và đường xuống.
UMTS quy định khai thác song cơng phân chia theo tần số là chế độ tiêu chuẩn cho thơng tin thọai và số liệu. Hoạt động đồng thời và liên tục của các mạch điện phát và thu là các thay đổi đáng kể nhất so với họat động của GSM.
Băng tần cho hoạt động FDD cho các băng I, II và III được cho trên bảng 3.6. Băng I (B1) là ấn định băng chính ở Châu Âu. Quy định dành hai cấp phát 60MHz với khoảng cách song cơng chuẩn 190MHz, tuy nhiên quy định cũng cho phép song cơng khả biến, trong đĩ khoảng cách phát thu nằm trong khoảng 130 đến 250MHz. Hệ thống song cơng khả biến đặt ra các yêu cầu bổ sung đối với thiết kế máy phát thu vì các bộ tổ tần số máy phát và máy thu phải hoạt động độc lập vơi nhau. Băng II (B2) tái sử dụng băng hiện cĩ của hệ thống thơng tin di động cá nhân và dự định để sử dụng ở Mỹ để đảm bảo đồng tồn
tại UMTS và GSM. Khoảng cách song cơng chỉ bằng 80MHz đối với băng II vì thế đặt ra các yêu cầu khĩ khăn hơn đối với phần cứng của máy thu phát.
Hình 3.4: Cấp phát băng tần WCDMA/FDD
Tại Việt Nam băng tần 3G được cấp phát tần số theo tám khe tần số như cho trong bảng 3.7, trong đĩ hai hoặc nhiều nhà khai thác cĩ thể cùng tham gia xin cấp phát chung một khe. Bảng 3.6. Cấp phát tần số 3G tại Việt Nam Khe tần số FDD TDD BSTx* BSRx** BSTx/BSRx A 2110-2125 MHz 1920-1935 MHz 1915-1920 MHz B 2125-2140 MHz 1935-1950 MHz 1910-1915 MHz C 2140-2155 MHz 1950-1965 MHz 1905-1910 MHz D 2155-2170 MHz 1965-1980 MHz 1900-1905 MHz * BSTx: máy phát trạm gốc ** BSRx: máy thu trạm gốc
Lý do cấp phát các kênh 5MHz khác nhau tại các nước khác nhau là ở chỗ các nhà khai thác phải quy hoạch mã và phải tránh việc sử dụng các mã gây ra nhiễu kênh lân cận trong cùng một nước hoặc các nhà khai thác khác trong nước liền kề. Vì thế cần phải nghiên cứu quan hệ giữa các tổ hợp mã trải phổ và hoạt động của các kênh lân cận.
3.1.2.3. Các kênh của WCDMA
Các kênh của WCDMA được chia thành các loại kênh sau đây:
Kênh vật lý (PhCH): kênh mang số liệu trên giao diện vơ tuyến. Mỗi PhCH cĩ một
trải phổ mã định kênh duy nhất để phân biệt với kênh khác. Một người sử dụng tích cực cĩ thể sử dụng các PhCH riêng, chung hoặc cả hai. Kênh riêng là kênh PhCH dành riêng cho một UE cịn kênh chung được chia sẻ giữa cácUE trong một ơ.
Đường lên B3 1710-1785MHz Đường xuống B3 1850-1880MHz Đường lên B2 1850-1910MHz Đường xuống B2 1930-1990MHz Đường lên B1 1920-1980MHz Đường xuống B1 2110-2170MHz
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 thơng tin mà nĩ truyền.
a. Các kênh logic (LoCH)
Nĩi chung các kênh logic (LoCH: Logical Channel) được chia thành hai nhĩm: các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thơng tin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH: Traffic Channel) để truyền thơng tin của người sử dụng. Các kênh logic và ứng dụng của chúng được tổng kết như sau:
CCH: Control Channel: Kênh điều khiển
9 BCCH: (Broadcast Control Channel: Kênh điều khiển quảng bá): kênh
đường xuống để phát quảng bá thơng tin hệ thống.
9 PCCH: (Paging Control Channel: Kênh điều khiển tìm gọi): kênh đường
xuống để phát quảng bá thơng tin tìm gọi.
9 CCCH: (Common Control Channel: Kênh điều khiển chung): kênh hai
chiều để phát thơng tin điều khiển giữa mạng và UE. Được sử dụng khi khơng cĩ kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ơ mới.
9 DCCH: (Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển riêng): kênh hai
chiều điểm đến điểm để phát thơng tin điều khiển riêng giữa UE và mạng. Được thiết lập bởi thiết lập kết nối của RRC.
TCH: Traffic Channel: Kênh lưu lượng
9 DTCH: (Dedicated Traffic Channel: Kênh lưu lượng riêng): kênh hai chiều điểm đến điểm riêng cho một UE để truyền thơng tin của người sử dụng. DTCH cĩ thể tồn tại cả đường lên lẫn đường xuống.
9 CTCH: (Common Traffic Channel: Kênh lưu lượng chung): kênh một chiều điểm đa điểm để truyền thơng tin của một người sử dụng cho tất cả hay một nhĩm người sử dụng quy định hoạc chỉ cho một người sử dụng. Kênh này chỉ cĩ ở đường xuống.
b. Các kênh truyền tải (TrCH)
Các kênh logic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải. Tồn tại hai kiểu kênh truyền tải: các kênh riêng và các kênh chung. Điểm khác nhau giữa chúng là: kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhĩm các người sử dụng trong
ơ, cịn kênh kênh riêng được ấn định riêng cho một người sử dụng duy nhất. Các kênh truyền tải chung bao gồm: BCH (Broadcast channel: Kênh quảng bá), FACH (Fast Access Channel: Kênh truy nhập nhanh), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), DSCH (Down Link Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống), CPCH (Common Packet Channel: Kênh gĩi chung). Kênh riêng chỉ cĩ một kênh duy nhất là DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng). Kênh truyền tải chung cĩ thể được áp dụng cho tất cả các người sử dụng trong ơ hoặc cho một người hoặc nhiều người đặc thù.
Khi kênh truyền tải chung được sử dụng để phát thơng tin cho tất cả các ngừơi sử dụng thì kênh này khơng cần cĩ địa chỉ. Chẳng hạn kênh BCH để phát thơng tin quảng bá cho tất cả các người sử dụng trong ơ. Khi kênh truyền tải chung áp dụng cho một người sử dụng đặc thù, thì cần phát nhận dạng người sử dụng trong băng (trong bản tin sẽ được phát). Kênh PCH là kênh truyền tải chung được sử dụng để tìm gọi một UE đặc thù sẽ chứa thơng tin nhận dạng người sử dụng bên trong bản tin phát. Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng như sau:
9 DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng): kênh hai chiều được sử dụng để phát số liệu của người sử dụng, được ấn định riêng cho người sử dụng. Cĩ khả năng thay đổi tốc độ và điều khiển cơng suất nhanh.
9 BCH (Broadcast channel: Kênh quảng bá): kênh chung đường xuống để phát thơng tin quảng bá (như thơng tin hệ thống, thơng tin ơ).
9 FACH (Forward Access Channel: Kênh truy nhập đường xuống): kênh chung đường xuống để phát thơng tin điều khiển và số liệu của người sử dụng. Kênh chia sẻ chung cho nhiều UE. Được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn
9 PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi): kênh đường xuống để phát tín hiệu tìm gọi
9 RACH (Random Access Channel): kênh chung đường lên để phát thơng tin điều
khiển và số liệu người sử dụng. Áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng trước hết để truyền số liệu cụm.
9 DSCH (Dowlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống): kênh chung
đường xuống để phát số liệu gĩi. Chia sẻ cho nhiều UE. Sử dụng trước hết cho truyền dẫn số liệu tốc độ cao.
Hình 3.5: Chuyển đổi giữa các LoCH và TrCH trên đường lên và đường xuống
c. Các kênh vật lý
Một kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cả