Phần 3.2.3 đã giới thiệu về cấu trúc tiêu chuẩn. Phần này sẽ mô tả cụ thể các ví dụ về cấu hình hệ thống và cấu hình thiết bị dựa trên cấu trúc lôgic. Hình 3.8 cho thấy một ví dụ về cấu hình hệ thống W-CDMẠ Thiết bị truy nhập vô tuyến bao gồm: UE, BTS, thiết bị điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và thiết bị xử lý tín hiệu đa ph−ơng tiện (MPE). Mặc dù BTS đ−ợc gọi là nút B, một nút lôgic về mặt cấu trúc, nh−ng nó vẫn đ−ợc xem nh− một BTS về mặt vật lý trong hình vẽ nàỵ Các chức năng xử lý tín hiệu của MPE có thể đ−ợc đặt trong RNC nh− một phần của RNC về mặt cấu trúc, tuy nhiên, thiết bị xử lý tín hiệu đa ph−ơng tiện (MPE) đ−ợc miêu tả nh− một thiết bị riêng
cũng đ−ợc đặt chung trong MPE, và MPE đ−ợc nối tới tổng đài nội hạt nh− minh họa trong hình 3.8. Mạng lõi (CN) là một ví dụ về cấu hình vật lý tích hợp của CS và PS sử dụng chế độ truyền dị bộ (ATM).
Hình 3.8 Cấu hình hệ thống vô tuyến W-CDMA (ví dụ) 3.4.2 BTS
3.4.2.1 Cấu hình chức năng
Hình 3.9 cho thấy cấu hình chức năng của BTS. BTS bao gồm một bộ khuyếch đại thu vô tuyến ngoài trời (OA-RA), một thiết bị điều khiển giám sát bộ khuyếch đại thu vô tuyến ngoài trời (OA-RA-SC), một bộ khuyếch đại công suất phát và một thiết bị điều chế và giải điều chế (MDE). MDE gồm các mô đun chức năng nh− máy thu/phát (TRX), thiết bị điều khiển, giao diện tốc độ cao (highway) và khối xử lý tín hiệu băng gốc (BB). AMP, OA-RA và TRX đ−ợc lắp độc lập cho mỗi séc tơ, còn các mô đun chức năng khác của MDE đ−ợc dùng chung cho các séc tơ.
Thiết bị xử lý đa ph−ơng tiện (MPE)
Thiết bị điều khiển mạng vô tuyến
(RNC) Thiết bị điều khiển
mạng vô tuyến (RNC) Trạm thu phát gốc (BTS) Trạm thu phát gốc (BTS) Trạm thu phát gốc (BTS)
Mạng truy nhập vô tuyến (RAN) Mạng lõi (CN) Vị trí cấu trúc Ví dụ điển hình về cấu hình vật lý hệ thống Tổng đài nội hạt Tổng đài nội hạt Chức năng chuyển mạch kênh Chức năng chuyển mạch gói Nút B
3.4.2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của BTS
Bảng 3.4 trình bày các chỉ tiêu kỹ thuật vô tuyến cơ bản của BTS. Các chỉ tiêu kỹ thuật này tuân theo chuẩn TS25.104 về “ Thu, phát vô tuyến UTRĂBS)FĐ” và TS.25.141 về “ Kiểm tra trạm gốc (FĐ)” đ−ợc xây dựng bởi nhóm chỉ tiêu kỹ thuật đầu cuối (TSG) và nhóm hoạt động RAN (WG) trong 3GPP. Các chỉ tiêu cao hơn đang đ−ợc xây dựng để tăng số sóng mang và dung l−ợng kênh, giảm công suất tiêu thụ và tạo ra các mạch có độ tích hợp cao hơn nữạ
3.4.2.3 Các công nghệ then chốt trong mỗi khối chức năng
Các khối chức năng cơ bản của BTS đ−ợc miêu tả khái quát d−ới đâỵ
Hình 3.9 Cấu hình chức năng của BTS ( ví dụ) AMP
AMP khuyếch đại công suất của các ở tín hiệu đầu ra của MDE ( các tín hiệu đã ghép mã đa truy nhập, các sóng mang) lên mức yêu cầu tại đầu vào anten. Hệ số khuyếch đại khoảng 40 đến 50 dB. Do các chỉ tiêu kỹ thuật của 3GPP yêu cầu phải thỏa mãn một ACLR là 45 dB với sóng mang 5 MHz khi phát đa sóng mang và đa mã nên cần có một AMP chung độ tuyến tính rất caọ Các công nghệ để chống méo dạng sóng cho các AMP bao gồm công nghệ tự điều chỉnh và làm méo tr−ớc. Khuyếch đại tự điều chỉnh ( hình 3.10) là công nghệ có −u thế hơn do hiệu suất chống méo caọ
Bộ khuyếch đại (AMP) Anten
Điều khiển, giám sát từ xa Tới RNC
Máy thu phát (TRX)
Khối điều khiển
Số liệu điều khiển Số liệu thuê bao
Khối xử lý tín hiệu băng gốc
Việc giảm kích th−ớc của AMP có thể đạt đ−ợc bằng cách chế tạo một AMP chung thỏa mãn các yêu cầu nàỵ Kỹ thuật làm méo tr−ớc cũng đ−ợc mong đợi để đạt hiệu suất cao hơn.
Hình 3.10 Cấu hình cơ bản của bộ khuyếch đại tự điều chỉnh Bảng 3.4 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của BTS
Các mục Các chỉ tiêu
Hệ thống truy nhập vô tuyến DS-CDMA FĐ Băng tần thu/phát Băng tần IMT-2000 Khoảng cách tần số thu/phát 190MHz
Khoảng cách sóng mang Dòng quét sóng mang 200 kHz
Tốc độ chip 3,84 Mc/s
Tốc độ ký hiệu (symbol) 7,5 ks/s~ 960 ks/s
Ph−ơng pháp điều chế Điều chế số liệu: QPSK, điều chế trải phổ: QPSK Ph−ơng pháp giải điều chế Tách sóng nhất quán có hỗ trợ của tín hiệu hoa tiêu Tốc độ truyền số liệu Tối đa 384 kbit/s ( 2 Mbit/s)
Công suất phát cực đại 20W± 2dB/sóng mang/sectơ (10W± 2dB/sóng mang/sectơ/anten khi phân tập phát)
Độ ổn định tần số ± 0,05 ppm hoặc nhỏ hơn Độ rộng băng thông chiếm
dụng 5MHz hoặc nhỏ hơn (99% độ rộng băng thông)
Tỷ lệ công suất nhiễu sang
kênh lân cận (ACLR) Sóng mang 5 MHz: 45 dB hoặc cao hơn/Độ rộng băng 3,84MHz Sóng mang 10MHz: 50 dB hoặc cao hơn/ Độ rộng băng 3,84 MHz
Độ nhạy tham chiếu Tốc độ dữ liệu 12,2 kbit/s Mức tín hiệu đầu vào: -121 dBm Tỷ lệ lỗi bít 10-3 hoặc thấp hơn
Mạch điều khiển Bộ khuyếch đại chính Bộ phối ghép định h−ớng Mạch phát ký hiệu hoa tiêu
Bộ phối ghép định
h−ớng
Bộ khuyếch đại chính Bộ phối ghép định h−ớng
Mạch tách ký hiệu hoa tiêu Bộ khuyếch đại phụ
Mạch điều chỉnh véctơ Mạch vòng phát
hiện méo tín hiệu
Mạch vòng loại bỏ méo tín hiệu
OA-RA và OA-RA-SC
Bộ khuyếch đại thu sử dụng trong OA-RA th−ờng bao gồm các bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA) mắc song song để tăng độ tin cậỵ Hệ số khuyếch đại khoảng 40 dB. Vì đ−ợc lắp ngoài trời nên các OA-RA đều có các bộ phận bảo vệ chống sét. Hình 3.11 trình bày một ví dụ về một cấu hình kết nối OA-RA trong một trạm có sử dụng phân tập phát. Do độ suy hao thấp nên bộ lọc thu và khối song công nhỏ đ−ợc sử dụng.
Hình 3.11 Cấu hình cơ bản của bộ khuyếch đại thu vô tuyến ngoài trời (OA-RA)
TRX
TRX biến đổi các tín hiệu phát trải phổ băng gốc từ dạng số sang dạng t−ơng tự, biến đổi chúng thành các tín hiệu cao tần ( RF) nhờ điều chế pha bốn trạng thái, tách sóng theo ph−ơng pháp nhất quán các tín hiệu thu từ OA-RA, biến đổi chúng từ tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số và gứi chúng đến BB. Mỗi séc tơ có một TRX độc lập. Nó có cấu hình dự phòng với một TRX và TRX dự phòng sẽ đ−ợc tự động chuyển sang trạng thái hoạt động trong tr−ờng hợp có bất cứ sự cố nàọ Một tủ TRX có thể đặt máy thu phát cho 6 séctơ.
BB
BB là một khối chức năng thực hiện: hiệu chỉnh lỗi tr−ớc (FEC), đóng khung, điều chế số liệu, điều chế trải phổ với các tín hiệu phát. Đối với tín hiệu thu BB thực hiện các chức năng: giải trải phổ, đồng bộ chip, giải mã hiệu chỉnh lỗi, tách/ghép số
Khối song công Khối song công Anten thu phát Anten thu phát Bộ lọc tách nguồn Ví dụ cấu hình của trạm có phân tập phát
liệu, MRC trong quá trình chuyển giao từ séc tơ đến séc tơ và một số b−ớc xử lý tín hiệu khác.
Ng−ợc với TRX, có phần cứng riêng biệt cho mỗi séc tơ, tài nguyên phần cứng của tấm mạch (card) xử lý tín hiệu băng gốc có thể đ−ợc phân chia cho bất kỳ séc tơ hoặc sóng mang nàọ Việc chia sẻ tấm mạch này trong BTS cho phép phân chia linh hoạt các kênh để phù hợp với các dịch vụ và l−u l−ợng khác nhaụ Ngay cả với một BTS thế hệ đầu tiên đã có thể cung cấp khả năng xử lý băng gốc cho trên 720 kênh thoại trong một ngăn máy, điều này cho phép BTS hoạt động tại dung l−ợng kênh vô tuyến lớn nhất với một cấu hình ba séc tơ, hai sóng mang. Các nghiên cứu sâu hơn đang đ−ợc tiến hành để đạt đ−ợc mật độ cao hơn, công suất tiêu thụ thấp hơn, nhằm tăng dung l−ợng nhiều hơn.
Giao diện cao tốc (Highway)
BTS và RNC đ−ợc nối với nhau qua một đ−ờng truyền 2 Mbit/s hoặc một đ−ờng mega-link ATM. Việc truyền dẫn số liệu điều khiển và số liệu thuê bao với hiệu suất cao có đ−ợc nhờ công nghệ truyền dẫn ATM.
Chức năng điều khiển
Khối này thực hiện chức năng phát/thu các tín hiệu điều khiển cuộc gọi đến/từ RNC, quản lý các kênh vô tuyến và thiết lập/giải phóng các kênh vô tuyến. Phần mềm điều khiển (CC, giám sát bảo d−ỡng và điều khiển) và các thông số hệ thống khác có thể đ−ợc l−u trữ trong một bộ nhớ qua thẻ nhớ, nhờ đó việc nâng cấp phần mềm có thể quản lý tại một trung tâm. Chức năng ở các tầng và phần mềm ứng dụng cũng đ−ợc phân lớp để cho phép phát triển các ứng dụng độc lập với nhau giúp cho việc nâng cao hoặc cải tiến chức năng dễ dàng hơn. Chức năng giao diện bảo d−ỡng là một chức năng tiêu chuẩn nh− Kiến trúc ngắt yêu cầu theo mục tiêu chung (CORBA). Hệ thống cũng có chức năng nạp ch−ơng trình khởi đầu (IPL) và chức năng truyền tệp từ xa và có khả năng giám sát và điều khiển trạng thái của các tấm mạch đ−ợc lắp trong BTS cũng nh− giám sát và điều khiển thông tin trạm ngoài BTS và thiết bị ngoại vi thông qua một giao diện điều khiển/giám sát bên ngoàị
3.4.3 RNC
RNC có các chức năng: Xử lý tín hiệu điều khiển, khai thác và bảo d−ỡng (O&M), tách/ghép kênh chung, chuyển mạch ATM, chuyển giao-phân tập v.v…RNC đ−ợc nối tới tổng đài nội hạt MPE và BTS, thực hiện điều khiển kết nối đ−ờng truyền vô tuyến và điều khiển chuyển giaọ
Hình 3.12 minh họa cấu hình của RNC và mỗi chức năng của RNC theo khốị Bảng 3.5 mô tả tóm tắt các nhiệm vụ xử lý của mỗi khối chức năng. Cần phải chú ý rằng hình 3.12 là một sơ đồ khối chức năng. Thực tế, có thể ghép nhiều chức năng trên một cấu hình phần cứng hoặc phần mềm.
RNC cần có khả năng thích nghi linh hoạt với các vùng phục vụ, từ các thành phố có mật độ l−u l−ợng cao đến các vùng ngoại ô với mật độ l−u l−ợng thấp hơn. Do đó, nó cần có khả năng xử lý thấp nhất là hàng chục nghìn cuộc gọi giờ bận (BHCA), khả năng chuyển mạch ít nhất là vài Gbit/s, khả năng quản lý hàng tá BTS và cần có đủ độ linh hoạt để thích ứng với các thiết kế cho các vùng khác nhaụ Về khả năng xử lý kết nối cuộc gọi cũng cần h−ớng tới đảm bảo cả cho chức năng O&M. Vì thế RNC có một chức năng giao diện O&M tiêu chuẩn giống nh− CORBẠ
Hình 3.12 Cấu hình chức năng của RNC
Định tuyến IP
Định tuyến IP
Bảng 3.5 Khái quát về các khối chức năng của RNC
Tên Chức năng
ATM-SW Chuyển mạch ATM
BTSIF Giao diện BTS
Switch IF Giao diện chuyển mạch
MPE IF Giao diện MPE
PAGE Khối xử lý tín hiệu nhắn tin
FCM Mô đun đồng bộ xung nhịp khung DHT Trung kế chuyển giao phân tập AAL2 Tách và ghép tế bào AAL2
CNT Khối điều khiển
PRC Khối xử lý
SDM Mô đun dữ liệu hệ thống
DB Khối ch−ơng trình gỡ rối (Debugger)
HD ổ đĩa cứng
MSU Khối kết cuối báo hiệu di động BSU Khối kết cuối báo hiệu BTS
ISU Khối kết cuối báo hiệu giao diện Iu RSU Khối kết cuối báo hiệu RNC
MPSU Khối kết cuối báo hiệu MPE
OSU Khối kết cuối báo hiệu hệ điều hành Router IF Giao diện định tuyến IP để giám sát
M-MUX Ghép MAC
DCI Giao diện nguồn xung nhịp số EMC Khối điều khiển khẩn (dự phòng)
3.4.4 MPE
MPE có các chức năng xử lý tín hiệu gói bao gồm chức năng chuyển đổi giao thức cho số liệu PS, cũng nh− các chức năng xử lý tín hiệu thoại để chuyển đổi số liệu thoại từ dạng nhiều tốc độ thích ứng (AMR) sang dạng tín hiệu PCM. Nh− đã minh họa trong hình 3.9 ở phần 3.4.1, chức năng xử lý tín hiệu gói là một phần của RAN và chức
năng RNC đ−ợc thực hiện trong MPE, là một thiết bị vật lý riêng biệt. Do vậy, quá trình xử lý tín hiệu gói đ−ợc tiến hành qua kết nối với các RNC. Các tài nguyên phần cứng cho quá trình xử lý tín hiệu đ−ợc tập trung trong MPE và có thể đ−ợc chia sẻ cho các RNC. Các chức năng xử lý tín hiệu đối với các dịch vụ chuyển mạch kênh nh− xử lý tín hiệu thoại đ−ợc xem nh− các chức năng của mạng lõi (CN) trong các tiêu chuẩn kỹ thuật và vì thế chúng đ−ợc thực hiện với sự tham gia của tổng đài nội hạt. Khi MPE là một khối phần cứng tích hợp các chức năng xử lý tín hiệu của RAN và CN thì nó có khả năng thực hiện cả hai chức năng trong một khối thiết bị đơn lẻ.
Hình 3.13 minh họa cấu hình chức năng của MPẸ Nó cho thấy cấu hình chức năng chứ không hẳn là cấu hình phần cứng. Bảng 3.6 mô tả vắn tắt các chức năng đ−ợc thực hiện bởi mỗi khối chức năng. MPE phải có khả năng xử lý ít nhất hàng trăm nghìn BHCA, khả năng chuyển mạch thấp nhất là vài Gbit/s và khả năng xử lý cho hàng tá RNC, để đáp ứng linh hoạt với các vùng khác nhaụ
Hình 3.13 Cấu hình chức năng của MPE
Bus trong hoặc chuyển mạch Cung cấp xung nhịp RMSU Cấp nguồn SPU cố định
Bảng 3.6 Khái quát các chức năng của mỗi khối chức năng trong MPE
Tên Mô tả
CNT Khối điều khiển
RMSU Khối kết cuối báo hiệu RNC/MMS
SV-CNT Khối điều khiển-giám sát
SPU Khối xử lý tín hiệu
HW Khối Highway ( kết cuối đ−ờng
truyền RNC/MMS) Bus bên trong (Internal bus) hoặc
khối chuyển mạch
Khối truyền dẫn tín hiệu bên trong thiết bị
CLK Xung nhịp (tạo ra các bít xung nhịp
chuẩn)
Khối nguồn Cấp nguồn
OSU Khối kết cuối báo hiệu hệ điều
hành
EMC Khối điều khiển khẩn (dự phòng)
MMS: Dịch vụ tin nhắn đa ph−ơng tiện
3.4.5 Anten BS
3.4.5.1 Anten BS cho IMT-2000
IMT-2000 sử dụng băng tần 2 GHz và nó cần có các anten BS mới tiên tiến hơn. Do đó, các anten BS đ−ợc thiết kế với các yêu cầu nhỏ gọn ( đ−ờng kính anten nhỏ hơn) để giảm thiểu khó khăn về cơ khí khi lắp đặt anten. Việc phân chia tần số cũng nhằm mục đích giảm số l−ợng anten cần lắp đặt. Các mẫu bức xạ định h−ớng theo séctơ ở các anten BS trong IMT-2000 cũng đ−ợc thiết kế đặc biệt để phù hợp với dung l−ợng thuê baọ Hình 3.14 so sánh sự t−ơng quan giữa số séctơ và dung l−ợng thuê bao trong W-CDMA với mẫu bức xạ của anten phân chia séc tơ lý t−ởng, trong đó độ định h−ớng đ−ợc ký hiệu bằng f(θ), hình vẽ này cho thấy dung l−ợng thuê bao tăng tỷ lệ thuận với số séc tơ. Tuy nhiên, dung l−ợng thuê bao trong thực tế sẽ nhỏ hơn tr−ờng hợp anten phân chia séc tơ lý t−ởng khoảng 20 % do có nhiễu chồng lấn ở khu vực lân cận của các séc tơ. Độ rộng búp sóng giả định trong các cấu hình phân chia 3 séc tơ và 6 séc tơ t−ơng ứng là 1200 và 600.
Hình 3.14 Số séctơ và dung l−ợng thuê bao
Hình 3.15 minh họa sự t−ơng quan giữa cấu trúc anten và độ rộng búp sóng. Trong tr−ờng hợp A, một anten l−ỡng cực đ−ợc đặt ở giữa một mặt phản xạ phẳng (khoảng cách với anten = 0,25 b−ớc sóng) và độ rộng búp sóng là 1200 với độ rộng mặt phản xạ bằng 0,7 b−ớc sóng. Búp sóng không thể hẹp hơn nữa ngay cả khi độ rộng của mặt phản xạ tăng. Trong tr−ờng hợp B, hai anten l−ỡng cực đ−ợc đặt cách nhau 0,5 b−ớc sóng trên một mặt phản xạ phẳng và các sóng đ−ợc kết hợp có cùng pha và biên độ ( khoảng cách với anten = 0,25 b−ớc sóng). Độ rộng búp sóng khoảng 600 và nó gần nh− độc lập với độ rộng của mặt phản xạ. Khi độ rộng búp sóng không phụ thuộc vào độ rộng mặt phản xạ của anten thì có thể sử dụng một mặt phản xạ có độ rộng bằng 0,5 b−ớc sóng để giảm bán kính anten, nh−ng thực tế độ rộng này phải bằng 0,7 đến 1 b−ớc sóng do phải xét đến tỷ lệ sóng bức xạ ng−ợc từ mặt tr−ớc đến mặt sau của anten. Trong tr−ờng hợp C, mặt phản xạ có dạng hình bán trụ, với một anten l−ỡng cực