Một mạng xương sống là cơ sở hạ tầng đường trục của mạng để kết nối những thành phần mạng chính lại với nhau. Một hệ thống mạng xương sống thường là một mạng thơng tin tốc độ cao như ATM hay FDDI. Hệ thống WCDMA sử dụng một mạng trục cĩ thể cung cấp khả năng truyền IP điểm nối điểm.
Nổi bật của sử dụng truyền thơng IP cho phép mang đến người dùng gắn sẵn thiết bị mạng IP. Tiêu biểu là giá thiết bị thấp hơn do phần lớn được rao bán nhiều và tuỳ chọn, giảm giá cả thực hiện bảo dưỡng, và cho phép sử dụng một phần mềm chuẩn bảo dưỡng và giám sát chất lượng.
Chương 3:
KỸ THUẬT CỦA MẠNG 3G WCDMA 3.1. Các kỹ thuật cơ bản trong mạng 3G WCDMA
3.1.1. Kỹ thuật trải phổ và đa truy nhập theo mã
3.1.1.1. Các hệ thống thơng tin trải phổ
Trong các hệ thống thơng tin thơng thường độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này. Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này cĩ thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết cĩ cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc vào kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v...).
Trong các hệ thống thơng tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng. Khi chỉ cĩ một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy khơng cĩ hiệu quả. Tuy nhiên ở mơi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này cĩ thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống trở nên sử dụng băng tần cĩ hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ.
Một hệ thống thơng tin số được coi là SS nếu:
9 Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thơng tin.
9 Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.
Cĩ ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum). Cũng cĩ thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nĩi trên. WCDMA sử dụng DSSS. DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ cĩ tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát. Hình 3.1 minh họa quá trình trải phổ trong đĩ Tb=15Tc hay Rc=15Rb. Hình 3.1a cho thấy sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ DSSS trong đĩ luồng số cần truyền x cĩ tốc độ Rb đựơc nhân với một mã trải phổ c tốc độ Rc để được luồng đầu ra y cĩ tốc độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb
của luồng vào. Các hình 3.1b và 3.1c biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số. Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khơi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=y×c
Hình 3.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)
3.1.1.2. Áp dụng DSSS cho CDMA
Trong cơng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã dựa trên CDMA, một tập mã trực giao được sử dụng và mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ riêng. Các mã trải phổ này phải đảm bảo điều kiện trực giao sau đây:
1. Tích hai mã giống nhau bằng 1: ci×ci=1
2. Tích hai mã khác nhau sẽ là một mã mới trong tập mã: ci×cj=ck
Bảng 3.1. cho thấy ví dụ sử dụng bộ mã gồm tám mã trực giao: c0, c1, …, c7. Bảng 3.2 và 3.3 cho thấy ví dụ khi nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được 1 và nhân hai mã khác nhau trong bảng 3.1 ta được một mã mới..
Bảng 3.1. Thí dụ bộ tám mã trực giao C0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 C1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 C2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 C3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 C4 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 C5 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 C6 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 C7 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 Tb=15Tc Tb=15Tc Tb=15Tc Tb Tc Tc x(t) c(t) y(t) t t t b) Quá trình xử lý tín hiệu trong miền thời gian
Y(f) C(f) X(f) B=Rb f f f c) Quá trình xử lý tín hiệu trong miền tần số x y = c x Rb Ct Rc a) Sơ đồ trải phổ DSSS
Bảng 3.2. Thí dụ nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được một
C1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
x x x x x x x x x
C1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
C1 x C1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1
Bảng 3.3. Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập 8 mã
C1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
x x x x x x x x x
C3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1
=C2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nếu ta xét một hệ thống gồm K người sử dụng được xây dựng trên cơ sở CDMA, thì sau trải phổ các người sử dụng này sẽ phát vào khơng gian tập các tín hiệu y như sau:
∑ ∑ (3.1)
Ta xét quá trình xử lý tín hiệu này tại một máy thu k. Nhiệm vụ của máy thu này là phải lấy ra xk và loại bỏ các tín hiệu khác (các tín hiệu này được gọi là nhiễu đồng kênh vì trong hệ thống CDMA chúng được phát trên cùng một tần số với xk). Nhân (3.1) với xk và áp dụng quy tắc trực giao nĩi trên ta được:
∑ (3.2)
Thành phần thứ nhất trong (3.2) chính là tín hiệu hữu ích cịn thành phần thứ hai là nhiễu của các người sử dụng cịn là nhiễu của các người sử dụng khác được gọi là MAI (Multiple Access Interferrence: nhiễu đa người sử dụng). Để loại bỏ thành phần thứ hai máy thu sử dụng bộ lọc tương quan trong miền thời gian kết hợp với bộ lọc tần số trong miền tần số. Hình 3.2 xét quá trình giải trải phổ và lọc ra tín hiệu hữu ích tại máy thu k trong một hệ thống CDMA cĩ K người sử dụng với giả thiết cơng suất phát từ K máy phát như nhau tại đầu vào máy thu k. Hình 3.2a cho thấy sơ đổ giải trải phổ DSSS. Hình 3.2b cho thấy phổ của tín hiệu tổng được phát đi từ K máy phát sau trải phổ, hình 3.2c cho thấy phổ của tín hiệu này sau giải trải phổ tại máy thu k và hình 3.2d cho thấy phổ của tín hiệu sau bộ lọc thơng thấp với băng thơng băng Rb.
Từ hình 3.2 ta thấy tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio) là tỷ số giữa diện tích hình chữ nhật được tơ đậm trên hình 3.2b và tổng diện tích các hình chữ
nhật trắng trên hình 3.2c: SIR=S1/S2. Tỷ số này tỷ lệ với tỷ số Rc/Rb. vì thế tỷ số Rc/Rb được gọi là độ lợi xử lý.
Hình 3.2. Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu.
3.1.2. Giao diện vơ tuyến của 3G WCDMA
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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