Các thiết bị đầu cuối di động thế hệ 3 rất đa dạng về chủng loại, từ các kiểu thiết bị di động cầm tay, các loại card PC dành riêng cho thông tin số liệu, điện thoại thấy hình có thể hiển thị hình ảnh video, cho tới các loại PDA (Personal Digital Assistant). Trong khi tính đa dạng về chủng loại này có thể đ−ợc phân loại dựa vào sự kết hợp các tính năng của chúng thì các đặc tính đáng quan tâm của thiết bị đầu cuối di động 3G bao gồm tính năng đa ph−ơng tiện về phần cứng (ví dụ nh− màn hình), khả năng truyền dẫn trong giao diện vô tuyến và khả năng đáp ứng nhiều ứng dụng đa ph−ơng tiện. Hình 3.21 mô tả một ví dụ về khả năng truyền dẫn của giao diện vô tuyến trên trục hoành và tính năng đa ph−ơng tiện của phần cứng (ví dụ nh− màn hình) trên trục tung. Hình vẽ cho thấy, ngay cả đối với các kiểu điện thoại cầm tay mà tr−ớc đó đều tập trung vào tính năng thoại truyền thống thì ngày nay cũng cần nhu cầu rất ớn về nâng cao tốc độ truyền dẫn do cài đặt các ứng dụng th− điện tử và trình duyệt Web nh− i- mode. Mặc dù các camera và bộ mã hóa video dành cho các dịch vụ video có thể vẫn ch−a thực sự cần thiết. Tần số (GHz) (a) 0,9/1,5 GHz Tần số (GHz) (b) 2 GHz Mức yêu cầu Mức yêu cầu S uy hao ph ản x ạ (d B) S uy hao ph ản x ạ (d B)
Hình 3.21 Mối quan hệ giữa các khả năng truyền dẫn vô tuyến và các tính năng đa ph−ơng tiện
Điều tạo nên sự khác biệt giữa các thiết bị đầu cuối 3G so với bất kỳ thiết bị đầu cuối nào khác, đó là khả năng truyền tốc độ cao. Tuy nhiên, cần có sự cân bằng giữa tốc độ truyền (kéo theo những đòi hỏi cao về phần cứng nh− bộ nhớ và khả năng xử lý), kích th−ớc của thiết bị đầu cuối và khả năng di động. Với công nghệ W-CDMA, nhiều dòng điện thoại đi động hy vọng sẽ đạt tốc độ lên tới 384 Kbit/s, dễ dàng đạt đ−ợc truyền gói tốc độ 384 Kbit/s vì việc tăng tốc độ tải xuống ít có ảnh h−ởng đến phần cứng nhờ truyền dẫn băng rộng. Trong các môi tr−ờng mà ở đó đòi hỏi tốc độ đ−ờng truyền lên nhanh hơn, thì cần có các thiết bị đầu cuối khác nh− SOHO (Small Office Home Office) và thiết bị đầu cuối trên ph−ơng tiện giao thông nh− trong hình 3.22, ví dụ: các thiết bị đầu cuối đ−ợc kết nối với nhau nhờ một máy chủ và nhiều máy tính còn các hệ thống dẫn đ−ờng cho xe hơi đ−ợc kết nối với nhau qua Bluetooth và LAN (Local Area Network). Các thiết bị đầu cuối này ít bị hạn chế hơn về kích th−ớc và giá thành và nhờ đó có thể tăng tốc độ truyền đ−ờng lên theo nhu cầu.
Hiển thị hình ảnh tĩnh + CODEC thoại Màn hiển thị lớn có hỗ trợ Video + CODEC Video + Camera Màn hiển thị cho PDA có hỗ trợ video + CODEC Video + Camera Dạng Videophone
Nâng cao các tính năng đa ph−ơng tiện
Dạng PDA Dạng điện thoại di động Dạng dành riêng cho số liệu Không có màn hiển thị (ví dụ sử dụng kết hợp với các PC)
Tính năng đa ph−ơng tiện ( ví dụ màn hiển thị) Khả năng truyền dẫn vô tuyến ( ví dụ: truyền gói) Nâng cao khảnăng truyền Đ−ờng xuống Đ−ờng lên Đầu cuối trên xe Đầu cuối SOHO
Hình 3.22 mô tả các ứng dụng đ−ợc cài đặt trong thiết bị đầu cuối trên trục hoành và tính năng đa ph−ơng tiện trên trục tung. Thậm trí nếu tính năng đa ph−ơng tiện về phần cứng của thiết bị đầu cuối ( ví dụ nh− màn hình) là cao thì mọi tiềm năng vẫn không thể đ−ợc đánh giá cao nếu không có các dịch vụ ứng dụng nhiều chức năng. Theo hình 3.22 thiết bị đầu cuối có tính năng đa ph−ơng tiện v−ợt trội sẽ có nhiều ứng dụng hơn. Đặc biệt là điện thoại video và các loại PDA không chỉ đòi hỏi màn hình độ phân giải cao có hỗ trợ video, mà còn cần có bộ nhớ lớn và khả năng xử lý cao vì chúng thu các dịch vụ cao cấp nh− video và có nhiều ứng dụng.
Hình 3.22 Mối quan hệ giữa khả năng đa ph−ơng tiện và các ứng dụng hỗ trợ Dạng PDA Dạng Videophone Dạng Mobilephone Đầu cuối SOHO Dạng dành riêng cho số liệu Khả năng đa ph−ơng tiện
( ví dụ màn hiển thị)
Màn hiển thị lớn có hỗ trợ Video + CODEC Video +
Camera Hiển thị cho PDA
Hỗ trợ Video + CODEC Video + Camera Hiển thị hình ảnh tĩnh + CODEC thoại
Hiển thị đơn giản + CODEC thoại Không hiển thị Cài đặt các ứng dụng (ví dụ) Phát video Thoại Không cài các ứng dụng
Hình 3.23 Giới thiệu một số loại điện thoại di động W-CDMA
Hình 3.23 Ví dụ về một số các thiết bị đầu cuối di động W-CDMA 3.5.2 Các đặc tính kỹ thuật truy nhập vô tuyến và các công nghệ phần cứng
3.5.2.1 Các đặc tính thu phát của UE và ví dụ về một số cấu hình phần cứng
Nh− đã trình bày ở phần tr−ớc, các thiết bị đầu cuối W-CDMA rất đa dạng về chủng loại. Tuy nhiên, các đặc tính truy nhập vô tuyến đều phải t−ơng thích với 3GPP. Bảng 3.7 và 3.8 cho thấy các đặc tính thu và phát vô tuyến chủ yếu của UE.
Bảng 3.7 Các đặc tính phần phát của UE
Các tham số Đặc tính
Tần số phát 1920 MHz ~ 1980 MHz Tốc độ kí hiệu 15~960 ks/s
Phân kênh BPSK (Đ−ờng xuống: QPSK) Ph−ơng pháp điều chế
Ngẫu nhiên HPSK(Đ−ờng xuống: QPSK)
Loại 3 +24 dBm
Công suất ra cực đại UE
Loại 4 +21 dBm
Lỗi tần số ±0,1 ppm với các sóng mang BS có AFC thu Công suất phát ra tối thiểu -50dBm/3,84 MHz
Độ rộng băng tần chiếm dụng 5MHz
Băng rộng 5 MHz -33dBc Tỷ lệ công suất rò sang kênh
lân cận (ACLR) Băng rộng 10 MHz -43 dBc 9kHz≤f<150kHz -36dBm/1kHz 150kHz≤f<30MHz -36dBm/10kHz 30MHz≤f<1GHz -36dBm/100kHz 1GHz≤f<12,75GHz -30dBm/1MHz Bức xạ giả (bức xạ các thành phần tần số hài) 1893,5 MHz≤f<1919,6GHz -41dBm/300 kHz
Bảng 3.8 Các đặc tính phần thu của UE
Các tham số Đặc tính
Tần số thu 2110 MHz ~ 2170 MHz
Độ nhạy tham chiếu DPCH Ec -117 dBm
Mức vào cực đại Công suất đầu vào tổng -25 dBm DPCH_Ec của sóng mong muốn -103 dBm Độ chọn lọc kênh lân
cận (ACS)
Sóng nhiễu từ kênh lân cận -52 dBm DPCH_Ec của sóng mong muốn -114 dBm
Sóng mang rỗi 10MHz -56dBm
Các đặc tính khóa kênh
Sóng mang rỗi 15MHz -44dBm
DPCH_Ec của sóng mong muốn -114 dBm Đáp ứng hài
Công suất sóng nhiễu không điều chế -44 dBM
9kHz≤f<1 GHz - 57dBm/100kHz 1GHz ≤ f < 12,75GHz -47dBm/1MHz 1920 MHz ≤ f < 1980MHz -60dBm/3,84 MHz Bức xạ hài Rx 2110 MHz ≤ f < 2170MHz -60dBm/3,84 MHz
Hình 3.24 minh họa một ví dụ về cấu hình phần cứng của UE có những đặc tính vô tuyến sau.
Công suất ra cực đại của UE: Các đặc tính 3GPP quy định: Loại 1: +33 dBm;
loại 2: +27 dBm; loại 3:+24 dBm và loại 4: +21dBm ( ví dụ, tại Nhật Bản, công suất ra cực đại UE tuân theo luật Vô tuyến là: +24dBm).
Bức xạ các thành phần hài vô tuyến: Đặc tính này chủ yếu tuân theo khuyến
nghị SM.329 của ITU-R. Ngoài ra, mức bức xạ hài còn đ−ợc quy định bởi các đặc tính của 3GPP.
Độ nhạy tham chiếu: Đây là quy định về công suất thu yêu cầu để đạt đ−ợc BER=10-3 dựa trên quá trình thu một kênh đo tham chiếu, đó là kênh DTCH 12,2 kbit/s và kênh DCCH 2,5kbit/s đ−ợc ghép trên một kênh DL DPCH 30kbit/s. Theo kết quả mô phỏng thì tỷ số Eb/No yêu cầu (bao gồm cả hệ số khuếch đại mã hóa kênh) trong kênh này là 5,3dB. Giá trị thu yêu cầu là -117 dBm khi NF = 9dB.
Độ chọn lọc kênh lân cận (ACS- Adjacent Channel Selectivity): ACS th−ờng đ−ợc định nghĩa là tỷ số công suất của sóng mong muốn trên công suất của sóng nhiễu (dBc). Trong các hệ thống 3GPP, phải tính đến tác dụng của độ lợi trải phổ đối với các
sóng nhiễu và theo các chỉ tiêu kỹ thuật thì tỷ số công suất của sóng mong muốn trên công suất của sóng nhiễu phải đạt 51dBc.
Hình 3.24 Ví dụ về cấu hình của UE
Ngoài các đặc tính thu phát nói đến ở trên, còn có các đặc tính thu trong điều kiện môi tr−ờng có pha đinh, các đặc tính vô tuyến khi sử dụng chức năng giao diện vô tuyến ( lớp 1) và các đặc tính vô tuyến của UE liên quan đến các chức năng cần để điều khiển giao diện vô tuyến , đ−ợc mô tả trong bảng 3.9.
Liên quan đến các đặc tính vô tuyến UE t−ơng ứng với các chức năng cần để điều khiển giao diện vô tuyến, bảng 3.10 biểu thị các tham số cần đo khi làm báo cáo các tham số vô tuyến trong UE.
Màn hiển thị Chức năng truyền vô tuyến
Chức năng ứng dụng Phím Loa Micro IC nguồn Codec kênh Codec thoại Codec video CPU Trải phổ Giải trải phổ Mạch tạo mã Mạch t−ơng quan Tổng hợp tần số MOD trực giao DEM trực giao Các phần khác Giao diện bên ngoài Song công Đồng hồ Tách sóng
Bảng 3.9 Các đặc tính chức năng của UE
Các đặc tính thu trong môi tr−ờng pha đinh và các đặc tính vô tuyến sử dụng chức năng giao diện vô tuyến ( lớp 1)
Các đặc tính vô tuyến của UE liên quan đến các chức năng cần có để điều khiển giao diện vô tuyến
- Giải điều chế DCH d−ới các điều kiện lan truyền khác nhau, gồm pha đinh nhiều tia và dao động đ−ờng truyền động.
- Giải điều chế DCH khi sử dụng nhiều loại phân tập truyền dẫn .
- Thực hiện giải điều chế DCH và khả năng phối hợp các lệnh TPC khi các tín hiệu thu đến từ nhiều BTS trong quá trình chuyển giao mềm.
- Điều khiển công suất “vòng trong” và “vòng ngoài”.
- Giải điều chế DCH khi chế độ nén đ−ợc kích hoạt
- Thực hiện lựa chọn lại ô
- Chuyển giao mềm và chuyển giao cứng
- Truy nhập ngẫu nhiên
- Định thời phát và định thời thu
- Đo đạc
Bảng 3.10 Các tham số cần đo về UE
• CPICH RSCP • CPICH Ec/Io
• Kênh truyền tải BLER • Công suất phát của UE
• Độ trễ tín hiệu giữa SFN-CFN • Độ trễ tín hiệu giữa SFN-SFN • Độ trễ tín hiệu giữa UE-RX-TX
Các tham số kỹ thuật của phần cứng sau đây cần phải đ−ợc giải quyết để đảm bảo các chức năng vô tuyến của UE trong W-CDMA:
• Độ méo thấp, khuếch đại công suất (AMP) hiệu quả cao;
• Máy phát phải nhanh, chính xác và điều khiển công suất có dải động lớn. • Đồng bộ với tín hiệu phát của BS thông qua thuật toán tìm nhận ô nhanh (dải
động thu và MF).
• Máy thu có độ nhạy cao trong điều kiện môi tr−ờng “ Pha đinh nhiều tia” ( thu RAKE).
3.5.2.2 Các công nghệ tiết kiệm năng l−ợng (nguồn)
Các thiết bị UE đang bị giới hạn theo các yêu cầu: nhẹ, nhỏ gọn và thời gian hoạt động của pin dài. Qua nhiều năm, đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu để giảm kích th−ớc thiết bị và giảm công suất tiêu thụ. Các kỹ thuật tiết kiệm năng l−ợng đã đ−ợc áp dụng vào hệ thống vô tuyến, chẳng hạn nh− kỹ thuật điều khiển thu ngắt quãng.
W-CDMA đòi hỏi các chức năng xử lý tín hiệu phức tạp hơn các hệ thống thông th−ờng để cung cấp nhiều dịch vụ và ứng dụng hơn ở tốc độ cao. Tuy nhiên, kích th−ớc của pin lại cần phải t−ơng đ−ơng với kích th−ớc của pin ở điện thoại thông th−ờng do yêu cầu nhỏ gọn. Mặc dù gần đây đã có rất nhiều nỗ lực nghiên cứu để làm cho pin mỏng hơn, nhẹ hơn và dung l−ợng tăng (đã có các loại pin mới nhằm đáp ứng các yêu cầu này nh− pin ion lithium và pin polyme lithium), nh−ng điều quan trọng là phải có ph−ơng án tiết kiệm năng l−ợng trong mỗi khối thiết bị của UE bao gồm: khối RF, khối xử lý tín hiệu băng gốc và màn hình hiển thị- để sao cho các thiết bị di động 3G không thua kém gì các thiết bị di động 2G về mặt thời gian sử dụng và kích th−ớc.
(1) Tiết kiệm năng l−ợng trong các khối thiết bị
Các khối thiết bị phần phát
W-CDMA thực hiện quá trình điều chỉnh công suất (TPC) rất chặt chẽ để giảm nhiễu và tăng dung l−ợng. Quá trình TPC cũng có tác dụng làm giảm công suất tiêu thụ ở máy di động, tuy nhiên, TPC không thể làm giảm méo và tăng hiệu suất khi công suất đạt cực đại trongbộ khuếch đại công suất (AMP), yếu tố quyết định để tăng thời gian đàm thoại và nâng cao hiệu suất tổng. Để khắc phục những hạn chế đó, nhằm đạt công suất phát với độ tuyến tính và hiệu suất cực đại, các hợp chất GaAs và các nguyên tố l−ỡng cực SiGe đã đ−ợc sử dụng trong việc chế tạo AMP.
Các khối thiết bị phần thu
Do các tín hiệu điều chế trải phổ băng rộng cần đ−ợc đồng bộ và giải điều chế với độ nhạy cao nên phải đạt đ−ợc hệ số NF thấp ở phía đầu vào t−ơng tự. Vì W-CDMA hoạt động dựa trên chế độ song công (đ−ờng thu và đ−ờng phát khác nhau) hoàn toàn nên các loại chuyển mạch RF suy hao nhỏ và nhiều thiết bị khác không thể sử dụng chung đ−ợc cho cả phần phát và phần thu giống nh− ở các thiết bị đầu cuối TDMA.
Do vậy, các khối thiêt bị thu phát kết hợp đ−ợc thiết kế trên cơ sở kết hợp giữa một bộ lọc điện môi hay một khối song công băng rộng sử dụng công nghệ lọc SAW với một bộ lọc phát/thu. Để tăng đ−ợc thời gian chờ thì đòi hỏi bộ RF phải hạn chế việc tăng dòng điện trong bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) ở phía thuđể có đ−ợc độ khuếch đại đủ bù cho suy hao. Ngoài ra, ng−ời ta đang nghiên cứu về khả năng chuyển đổi thu phát một cách trực tiếp, về phần mềm vô tuyến và các công nghệ khác để tích hợp các linh kiện RF, nhằm làm giảm hơn nữa kích th−ớc và công suất tiêu thụ của thiết bị.
W-CDMA còn đòi hỏi các kỹ thuật giải điều chế nhanh thông qua các MF, kỹ thuật tìm nhận ô, quá trình giải trải phổ ngay cả trong chế độ thu ngắt quãng nh− đ−ợc mô tả ở phần sau. Do những đòi hỏi này làm tăng dòng điện thu nên việc tiết kiệm năng l−ợng tiêu thụ dựa chủ yếu vào việc kiểm soát tỉ mỉ của bộ xử lý tín hiệu số (DSP), bộ xử lý trung tâm (CPU) và các mạch tích hợp cỡ lớn (LSI) băng gốc.
Việc quan trọng đầu tiên là phải giảm dòng nền (dòng tối) khi bộ thu tắt. Muốn vậy phải giảm dòng rò và có thiết kế tiết kiệm năng l−ợng cho giao diện giữa những thiết bị băng gốc nh− CPU, DSP và bộ nhớ.
Việc thứ hai là phải quản lý công suất của các mạch trong mỗi linh kiện. Chẳng hạn nh− cung cấp điện vừa đủ cho DSP và CPU theo tiến trình giải điều chế trong quá trình thu ngắt quãng và chuyển sang chế độ chờ khi chế độ thu tắt (Ví dụ giảm hoặc dừng tần số đồng hồ, tắt nguồn cung cấp cho RF, rút ngắn thời gian khởi động). Ng−ời ta đang nỗ lực sản xuất ra các IC điều khiển công suất, điều khiển nguồn điện cho mỗi bộ phận nhờ CPU và các mạch điều khiển cung cấp tín hiệu đồng hồ.
Ngoài những nỗ lực kể trên, để giảm năng l−ợng tiêu thụ cho thiết bị vô tuyến, cũng cần phải tiết kiệm năng l−ợng tiêu thụ cho màn hình hiển thị. Vấn đề đặt ra là phải giảm công suất tiêu thụ bởi mạch điều khiển màn hình để cho phép tăng dòng tiêu thụ bởi màn hình màu kích th−ớc lớn hơn và cho phần xử lý video. Để giảm công suất tiêu thụ trong chế độ chờ, màn hình đ−ợc chuyển thành màn hình “con”và chế độ hiển thị đ−ợc thay đổi.
(2) Điều khiển thu ngắt quãng
Công nghệ thu ngắt quãng cho phép chỉ kích hoạt UE khi nó cần thu các tín hiệu từ BS để cho pin đ−ợc tiết kiệm. ở W-CDMA, ng−ời ta sử dụng kênh PICH để thu ngắt
quãng, nhằm cải thiện việc kéo dài thời gian sử dụng pin của UE ở chế độ “rỗi”, BS gửi