Hai phương thức song công được sử dụng trong kiến trúc WCDMA: song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD). Phương pháp FDD cần hai băng tần cho đường lên và đường xuống. Phương thức TDD chỉ cần một
khác nhưng cả hai phương thức đều có tổng hiệu suất gần giống nhau. Chế độ TDD không cho phép giữa máy di động và trạm gốc có trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây ra đụng độ giữa các khe thời gian thu và phát. Vì vậy mà chế độ TDD phù hợp với các môi trường có trễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD vận hành ở các Picocell. Một ưu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đường lên và đường xuống có thể rất khác nhau, vì vậy mà phù hợp cho các ứng dụng có đặc tính bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống, chẳng hạn như duyệt Web. Trong quá trình hoạch định mạng, các ưu điểm và nhược điểm của hai phương pháp này có thể bù trừ. Đồ án này chỉ tập trung nghiên cứu chế độ FDD.
- Băng tần được WRC quyết định dành cho IMT-2000
Hình 3.5: Phổ tần số cho hệ thống 3G
* WRC-92: 1885 - 2025 MHz và 2110 - 2200 MHz (trong đó, 1980-2010 MHz và 2170-2200 MHz còn được phân bổ cho thành phần vệ tinh của IMT-2000).
* WRC-2000: 806 - 960 MHz, 1710 - 1885 MHz và 2500 - 2690 MHz (trong đó, 2500-2520 MHz và 2670-2690 MHz còn được phân bổ cho thành phần vệ tinh của IMT- 2000).
của các hệ thống UMTS không bị giới hạn cứng, có nghĩa là một người sử dụng có thể bổ sung mà không gây ra nghẽn bởi số lượng phần cứng hạn chế. Hệ thống GSM có số lượng các liên kết và hoạch định trước nhờ sử dụng các mô hình thống kê. Trong hệ thống UMTS bất cứ người sử dụng nào sẽ gây ra một nhiễu bổ sung cho những người sử dụng đang có mặt trong hệ thống, ảnh hưởng đến tải của hệ thống. Nếu có đủ số mã thì mức tăng nhiễu do tăng tải là cơ cấu giới hạn dung lượng chính trong mạng. Việc các Cell bị co hẹp lại do tải cao và việc tăng dung lượng của các Cell lân cận nó có mức nhiễu thấp là các hiệu ứng thể hiện đặc điểm dung lượng xác định nhiễu trong các mạng CDMA. Chính vì thế mà trong các mạng CDMA có đặc điểm “dung lượng mềm”. Đặc biệt, khi quan tâm đến chuyển giao mềm thì các cơ cấu này làm cho việc hoạch định mạng trở nên phức tạp.
3.3.4. Phân tập đa đường – Bộ thu RAKE
Truyền sóng vô tuyến trong kênh di động mặt đất được đặc trưng bởi các sự phản xạ, sự suy hao khác nhau của năng lượng tín hiệu. Các hiện tượng này gây ra do các vật cản tự nhiên như tòa nhà, các quả đồi... dẫn đến hiệu ứng truyền sóng đa đường.
Hiệu ứng đa đường thường gây ra nhiều khó khăn cho các hệ thống truyền dẫn vô tuyến. Một trong những ưu điểm của các hệ thống DSSS là tín hiệu thu qua các nhánh đa đường với trễ truyền khác nhau và cường độ tín hiệu khác nhau lại có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống. Để kết hợp các thành phần từ các nhánh đa đường một cách nhất quán, cần thiết phải tách đúng các thành phần đó.
năng này. Một bộ thu RAKE bao gồm nhiều bộ thu được gọi là “finger”. Bộ thu RAKE sử dụng các bộ cân bằng và các bộ xoay pha để chia năng lượng của các thành phần tín hiệu khác nhau có pha và biên độ thay đổi theo kênh trong sơ đồ chòm sao. Sau khi điều chỉnh trễ thời gian và cường độ tín hiệu, các thành phần khác nhau đó được kết hợp thành một tín hiệu với chất lượng cao hơn. Quá trình này được gọi là quá trình kết hợp theo tỷ số lớn nhất (MRC), và chỉ có các tín hiệu với độ trễ tương đối cao hơn độ rộng thời gian của một chip mới được kết hợp. Quá trình kết hợp theo tỷ số lớn nhất sử dụng tốc độ chip là 3.84Mcps tương ứng với 0.26μs hoặc là chênh lệch về độ dài đường dẫn là 78m. Phương pháp này giảm đáng kể hiệu ứng Fading bởi vì khi các kênh có đặc điểm khác nhau được kết hợp thì ảnh hưởng của Fading nhanh được tính bình quân. Độ lợi thu được từ việc kết hợp nhất quán các thành phần đa đường tương tự với độ lợi của chuyển giao mềm có được bằng cách kết hợp hai hay nhiều tín hiệu trong quá trình chuyển giao.
3.3.5. Trạng thái cell
Nhìn dưới góc độ UTRA, UE có thể ở chế độ “rỗi” hoặc ở chế độ “kết nối”. Trong chế độ “rỗi”, máy di động được bật và bắt được kênh điều khiển của một cell nào đó, nhưng phần UTRAN của mạng không có thông tin nào về UE. UE chỉ có thể được đánh địa chỉ bởi một thông điệp (chẳng hạn như thông báo tìm gọi) được phát quảng bá
trạng thái cho một UE bao gồm cả các chế độ GSM/GPRS.
Hình 3.7: Các chế độ của UE và các trạng thái điều khiển
Nhìn chung việc ấn định các kênh khác nhau cho một người sử dụng và việc điều khiển tài nguyên vô tuyến được thực hiện bởi giao thức Quản lý tài nguyên vô tuyến. Trong chế độ “kết nối” của UTRA, có 4 trạng thái RRC mà UE có thể chuyển đổi giữa chúng: Cell DCH, Cell FACH và URA PCH.
Trong trạng thái Cell DCH, UE được cấp phát một kênh vật lý riêng trên đường lên và đường xuống.
Trong 3 trạng thái khác UE không được cấp phát kênh riêng. Trong trạng thái Cell FACH, UE giám sát một kênh đường xuống và được cấp phát một kênh FACH trên đường lên. Trong trạng thái này, UE thực hiện việc chọn lựa lại Cell. Bằng cách gửi thông điệp cập nhật Cell, RNC biết được vị trí của UE ở mức Cell.
Trong trạng thái Cell PCH và URA PCH, UE chọn lựa kênh tìm gọi (PCH) và sử dụng việc tiếp nhận không liên tục (DRX) để giám sát kênh PCH đã chọn lựa thông qua một kênh liên tiếp PICH. Trên đường lên không có hoạt động nào liên quan đến trạng thái này. Sự khác nhau giữa 2 trạng thái này như sau: trong trạng thái Cell PCH vị trí của
Chế độ kết nối UTRA RRC Chế độ kết nối GSM Chế độ kết nối GPRS Chế độ rỗi Ngh ỉ ở tr on g C ell U T R A N N gh ỉ ở tr on g C ell G SM /G PR S Cell DCH Cell FACH Cell PCH URA PCH
3.3.6. Cấu trúc Cell
Trong suốt quá trình thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chú nhiều hơn đến sự phân tập của môi trường người sử dụng. Các môi trường nông thôn ngoài trời, đô thị ngoài trời, hay đô thị trong nhà được hỗ trợ bên cạnh các mô hình di động khác nhau gồm người sử dụng tĩnh, người đi bộ đến người sử dụng trong môi trường xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao. Để yêu cầu một vùng phủ sóng rộng khắp và khả năng roaming toàn cầu, UMTS đã phát triển cấu trúc lớp các miền phân cấp với khả năng phủ sóng khác nhau. Lớp cao nhất bao gồm các vệ tinh bao phủ toàn bộ trái đất. Lớp thấp hơn hình thành nên mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN. Mỗi lớp được xây dựng từ các Cell, các lớp càng thấp các vùng địa lý bao phủ bởi các Cell càng nhỏ. Vì vậy các Cell nhỏ được xây dựng để hỗ trợ mật độ người sử dụng cao hơn. Các cellmacro đề nghị cho vùng phủ mặt đất rộng kết hợp với các microcell để tăng dung lượng cho các vùng mật độ dân số cao. Các picocell được dùng cho các vùng được coi như là các “điểm nóng” yêu cầu dung lượng cao trong các vùng hẹp ( ví dụ như sân bay…). Những điều này tuân theo hai nguyên lý thiết kế đã biết trong việc triển khai các mạng tế bào: các Cell nhỏ hơn có thể được sử dụng để tăng dung lượng trên một vùng địa lý, các Cell lớn hơn có thể mở rộng vùng phủ sóng.
Do các nhu cầu và các đặc tính của một môi trường văn phòng trong nhà khác với yêu cầu của người sử dụng đang đi với tốc độ cao tại vùng nông thôn, diễn đàn UMTS đã phát triển 6 môi trường hoạt động. Đối với mỗi mô hình mật độ người sử dụng có thể trên 1km2 và các loại Cell được dự đoán cho các mô hình có tính di động thập, trung bình, cao.
3.4. Giới thiệu về kiến trúc mạng 3G
di động, nó sẽ là công nghệ xây dựng cơ sở hạ tầng và kiến trúc mạng tế bào của hầu hết mạng 3G trên thế giới, hình thành kết nối giữa thiết bị di động của người sử dụng cùng với mạng lõi.
Thiết bị người sử dụng - UE
Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần:
- Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
Mạng truy nhập vô tuyến - UTRAN
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy cập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
- Node B: Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu. Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó). RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.
- MSC/VLR: Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.
- GMSC: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng kết nối với mạng ngoài.
- SGSN: Node hỗ trợ GPRS (dịch vụ vô tuyến gói chung) đang phục vụ, có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN: Node hỗ trợ GPRS cổng, có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
Để kết nối MSC với mạng ngoài cần có thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng (IWF). Ngoài ra, mạng lõi còn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho các mạng di động như: AuC, EIR.
Các mạng ngoài
- Mạng CS: Mạng đảm bảo các kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. Ví dụ: Mạng ISDN, PSTN.
- Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói. Ví dụ: mạng Internet.
Các giao diện vô tuyến
- Giao diện Cu: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.
- Giao diện Uu: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.
- Giao diện Iub: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. Iub được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn.
3.4.2. Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN
Nhiệm vụ chính của UTRAN là tạo và duy trì các kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) để thực hiện thông tin giữa thiết bị di động (UE) với mạng lõi (CN). UTRAN nằm giữa hai giao diện mở Uu và Iu. Nhiệm vụ của UTRAN là phối hợp với mạng lõi thực hiện các dịch vụ mạng qua các giao diện này.
Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN, các chức năng và giao thức. UTRAN có các đặc tính chính sau:
- Hỗ trợ các chức năng truy cập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.
- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng PS và CS của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
UTRAN (hình 3.9) bao gồm nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS. Mỗi RNS bao gồm một số trạm gốc (node B), giao diện Uu và một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC. RNC kết nối với node B bằng giao diện Iub. Các RNS giao tiếp với nhau sử dụng giao diện mở Iur mang cả thông tin báo hiệu và lưu lượng.
Hình 3.9: Cấu trúc UTRAN
3.4.2.1. Bộ điều 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 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 nghẽn cho các cell của mình.
Khi một kết nối MS-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt:
- RNC phục vụ (Serving RNC): 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 MS sử dụng để kết nối với UTRAN.
- RNC trôi (Drift RNC): là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các cell được MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở 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.
3.4.2.2. Node B (Trạm gốc)
Chức năng chính của node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của giao diện vô
Node BNode B RNCRNC Node BNode B Node BNode B RNCRNC RNS RNS Iub Iur UTRAN MSC/VLR SGSN CN IU PS USIM ME CU UE
3.4.2.3. Các chức năng điều khiển của UTRAN
Để có thể điều khiển và quản lý các kênh mang vô tuyến (RB), UTRAN thực hiện các chức năng khác ngoài chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến RRM.
Các chức năng đó 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.
3.4. 3. Giao diện vô tuyến
Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử lôgic. Cấu trúc giao diện được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập lôgic với nhau, điều này cho phép thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần còn lại.
Giao thức ứng dụng
Mạng
báo hiệu báo hiệuMạng số liệuMạng
ALCAP Luồng số liệu Phía điều khiển mạng truyền tải Phía người sử dụng mạng truyền tải Phía người sử dụng mạng truyền tải Lớp mạng vô tuyến Lớp mạng truyền tải
Giao diện Iu kết nối UTRAN với CN. Iu là một giao diện mở để chia hệ thống thành UTRAN đặc thù và CN, CN chịu trách nhiệm chuyển mạch, đinh tuyến và điều khiển dịch vụ. Iu có thể có hai trường hợp khác nhau:
- Iu CS (Iu chuyển mạch kênh): để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh.