Hiệu ứng đa đường thường gây ra nhiều khĩ khăn cho các hệ thống truyền dẫn vơ 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 cĩ 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 đĩ. Trong các hệ thống WCDMA, bộ thu RAKE được sử dụng để thực hiện chức 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 cĩ pha và biên độ thay đổi theo kênh trong sơ đồ chịm sao. Sau khi điều chỉnh trễ thời gian và cường độ tín hiệu, các thành phần khác nhau đĩ được kết hợp thành một tín hiệu với chất lượng cao hơn. Quá trình này được gọi là quá trình kết hợp theo tỉ số lớn nhất (MRC), và chỉ cĩ 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 tỉ 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 phadinh bởi vì khi các kênh cĩ đặc điểm khác nhau được kết hợp thì ảnh hưởng của phadinh 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 cĩ được bằng cách kết hợp hai hay nhiều tín hiệu trong quá trình chuyển giao.
2.4.6. Phương pháp song cơng
Trong hệ thống WCDMA sử dụng hai phương pháp song cơng, song cơng phân chia theo tần số FDD và song cơng phân chia theo thời gian TDD. Phương pháp song cơng theo tân số FDD cần hai băng tần cho đường xuống và lên. Phương pháp song cơng theo thời gian chỉ cần một băng tần sử dụng tại hai thời điểm khác nhau. Ở đây ta chỉ nghiên cứu WCDMA FDD. Ở châu Âu và hầu hết các nước châu Á băng tần IMT-2000 là 260 MHz, đường lên 1920-1980 MHz, đường xuống 2110-2170 MHz, cĩ thể sử dụng cho WCDMA FDD. 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.
Cấp phát tần số 3G tại Việt Nam
Khe tần số FDD BSTx BSRx A 2110-2125 MHz 1920-1935 MHz B 2125-2140 MHz 1935-1950 MHz C 2140-2155 MHz 1950-1965 MHz D 2155-2170 MHz 1965-1980 MHz BSTx: máy phát trạm gốc BSRx: máy thu trạm gốc
Tại Việt Nam băng tần 3G được chia thành 8 khe, 4 khe đường lên, 4 khe đường xuống, cung cấp cho 4 nhà khai thác mạng.
2.4.7. Bộ mã hố tiếng đa tốc độ thích ứng ARM CODEC cho WCDMA
Bộ mã hố tiếng đa tốc độ thích ứng cung cấp 8 chế độ mã hĩa từ 12,2kps đến 4,75kps. Các chế độ 12,2kbps, 7,4 kbps và 6,7 kbps cĩ chung một giải thuật với
các sơ đồ mã hố tiếng được tiêu chuẩn hố ở các tiêu chuẩn của các vùng khác trên thế giới. Cơng nghệ ARM CODEC cịn cho phép lựa chọn tốc độ dựa theo chất lượng kênh truyền sĩng. Nếu chất lượng kênh truyền tốt, tốc độ cao nhất 12,2kbps được chọn. Nếu đường truyền xấu, một trong số các tốc độ thấp hơn được lựa tùy thuộc vào chất lượng đường truyền. AMR cũng quy định các cơng nghệ ngoại vi cần thiết cho thơng tin di động. Hai tuỳ chọn được cung cấp là giải thuật VAD phát hiện tích cực tiếng và DTX phát khơng liên tục. Ngồi ra cũng định nghĩa các yêu cầu cho che dấu lỗi khi xẩy ra lỗi.
Với các cơng nghệ vượt trội so với các cơng nghệ mã hĩa tiếng nĩi khác, ARM CODEC được lựa chọn cho hệ thống UMTS.
2.4.8. Điều khiển cơng suất và chuyển giao trong quản lý tài nguyên vơ tuyến
2.4.8.1. Vấn đề quản lý tài nguyên vơ tuyến trong hệ thống WCDMA
Do nguồn tài nguyên vơ tuyến cĩ hạn nên việc quản lý tài nguyên vơ tuyến (RRM) trong mạng di động 3G cĩ nhiệm vụ cải thiện và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên vơ tuyến. Mục đích của việc quản lý tài nguyên vơ tuyến RRM là đảm bảo QoS cho các dịch vụ khác nhau, duy trì vùng phủ sĩng đã được hoạch định, tối ưu dung lượng hệ thống.
Việc phân bố tài nguyên và định cỡ quá tải của các mạng di động thế hệ trước đối với 3G khơng cịn khả thi nữa do các nhu cầu người sử dụng khơng dự đốn trước và các yêu cầu khác nhau của các dịch vụ khác nhau. Vì thế, quản lý tài nguyên bao gồm 2 phần, đặt cấu hình và đặt lại cấu hình tài nguyên vơ tuyến. Việc đặt cấu hình tài nguyên vơ tuyến cĩ nhiệm vụ phân phát tài nguyên vơ tuyến một cách hợp lý cho các yêu cầu mới đang đưa đến hệ thống để cho mạng khơng bị quá tải và duy trì tính ổn định. Tuy nhiên, nghẽn cĩ thể xuất hiện trong mạng 3G vì sự di chuyển của người sử dụng. Việc đặt lại cấu hình cĩ nhiệm vụ cấp phát lại nguồn tài nguyên trong phạm vi của mạng khi hiện tượng nghẽn bắt đầu xuất hiện. Chức năng này cĩ nhiệm vụ đưa hệ thống bị quá tải trở về lưu lượng tải mục tiêu một cách nhanh chĩng và cĩ thể điều khiển được.
Quản lý nguồn tài nguyên vơ tuyến cĩ thể chia thành các chức năng : Điều khiển cơng suất, chuyển giao, điều khiển thu nhận, điều khiển tải (điều khiển nghẽn) và lập lịch cho gĩi tin.
2.4.8.2. Điều khiển cơng suất
Trong mạng WCDMA rất nhiều người sử dụng cùng hoạt động trên cùng một tần số, nên nhiễu đồng kênh là một vấn đề nghiêm trọng, vì vậy điều chỉnh cơng suất trên đường lên và đường xuống để giảm thiểu mức nhiễu này nhằm đảm bảo QoS yêu cầu.
Trong hệ thống GSM áp dụng điều khiển cơng suất chậm (tần số xấp xỉ 2Hz). Trong hệ thống IS-95, điều khiển cơng suất nhanh với tần số 800Khz được hỗ trợ ở đường lên, nhưng trên đường xuống, một vịng điều khiển cơng suất tương đối chậm (xấp xỉ 50Hz) điều khiển cơng suất truyền. Trong WCDMA, điều khiển cơng suất nhanh với tần số 1,5KHz được sử dụng trên cả đường lên và đường xuống. Điều khiển cơng suất nhanh khép kín là một vấn đề quan trọng của hệ thống WCDMA.
Mục đích của việc điều khiển cơng suất:
Khắc phục hiệu ứng gần xa trên đường lên.
Tối ưu dung lượng hệ thống bằng việc điều khiển nhiễu.
Làm tăng tối đa tuổi thọ pin của đầu cuối di động.
Hiệu ứng gần xa trên đường lên: chúng ta xét 1 ơ cĩ hai thuê bao đang phục vụ như hình vẽ, thuê bao 1 gần trạm gốc hơn thuê bao 2. Tín hiệu từ hai MS khác nhau truyền đi trên cùng một băng tần đến trạm gốc. Nếu khơng cĩ điều khiển cơng suất, cả hai thuê bao sẽ phát cùng một cơng suất cố định, tuy nhiên do MS1 gần trạm gốc hơn MS2 nên cơng suất thu tại trạm gốc của MS1 sẽ lớn hơn MS2. Do đĩ tỷ số SRN của MS1 lớn hơn nên chất lượng kênh tốt hơn. Nếu như tỷ số SRN của MS 2 khơng đảm bảo thì kênh truyền sẽ khơng được kết nối. Do đĩ, điều khiển cơng suất để đảm bảo rằng các tín hiệu đến từ các đầu cuối khác nhau cĩ cùng cơng
suất hay cĩ cùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) khi chúng đến BS và làm tăng tối đa dung lượng của hệ thống. Do tác dụng làm giảm nhiễu đồng kênh nên cơng suất phát của máy di động thấp làm tăng tuổi thọ của pin
Hình 2.23 Hiệu ứng gần-xa (điều khiển cơng suất trên đường lên)
Đối với đường xuống, khơng cĩ hiệu ứng gần xa do mơ hình một tới nhiều. Điều khiển cơng suất cĩ nhiệm vụ bù nhiễu bên trong cell gây ra bởi các thuê bao, đặc biệt là nhiễu gần biên giới của của các cell này. Hơn thế nữa, điều khiển cơng suất trên đường xuống cĩ nhiệm vụ làm giảm thiểu tồn bộ nhiễu bằng cách giữ QoS tại mức giá trị mục tiêu.
Hình 2.24 Bù nhiễu bên trong cell (điều khiển cơng suất ở đường xuống)
Trên hình vẽ, MS2 phải chịu nhiều nhiễu bên trong cell hơn MS1. Vì thế để đáp ứng mục tiêu chất lượng giống nhau, cần nhiều năng lượng cấp phát cho cho các kênh đường xuống giữa BS và MS2.
Các loại kiểu điều khiển cơng suất trong các hệ thống WCDMA : Điều khiển cơng suất vịng mở, điều khiển cơng suất vịng kín, và điều khiển cơng suất vịng bên ngồi.
* Điều khiển cơng suất vịng mở
Điều khiển cơng suất vịng mở được sử dụng trong UMTS FDD cho việc thiết lập năng lượng ban đầu cho MS. Trạm di động sẽ tính tốn suy hao đường truyền giữa các trạm gốc và trạm di động bằng cách đo cường độ tín hiệu nhận sử dụng mạch điều khiển độ tăng ích tự động (AGC). Tuỳ theo sự tính tốn suy hao đường truyền này, trạm di động cĩ thể quyết định cơng suất phát đường lên của nĩ. Điều khiển cơng suất vịng mở cĩ ảnh hưởng trong hệ thống TDD bởi vì đường lên và đường xuống là tương hỗ, nhưng khơng ảnh hưởng nhiều trong các hệ thống FDD bởi vì các kênh đường lên và đường xuống hoạt động trên các băng tần khác nhau và hiện tượng Phadinh Rayleigh trên đường lên và đường xuống độc lập nhau. Vậy điều khiển cơng suất vịng mở chỉ cĩ thể bù một cách đại khái suy hao do khoảng cách. Đĩ là lý do tại sao điều khiển cơng suất vịng mở chỉ được sử dụng như là việc thiết lập năng lượng ban đầu trong hệ thống FDD.
* Điều khiển cơng suất vịng kín
Điều khiển cơng suất vịng kín, hay cịn được gọi là điều khiển cơng suất nhanh trong các hệ thống WCDMA, cĩ nhiệm vụ điều khiển cơng suất phát của MS (đường lên), hay là cơng suất của trạm gốc (đường xuống) để chống lại phadinh của các kênh vơ tuyến và đạt được chỉ tiêu tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR được thiết lập bởi vịng bên ngồi. Chẳng hạn như trên đường lên, trạm gốc so sánh SIR nhận được từ MS với SIR mục tiêu trong mỗi khe thời gian (0,666ms). Nếu SIR nhận được lớn hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “0” đến MS thơng qua kênh điều khiển riêng đường xuống. Nếu SIR nhận được thấp hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “1” đến MS. Bởi vì tần số của điều khiển cơng suất vịng kín rất nhanh nên cĩ thể bù được phadinh nhanh và cả phadinh chậm.
* Điều khiển cơng suất vịng bên ngồi
Điều khiển cơng suất vịng bên ngồi cần thiết để giữ chất lượng truyền thơng tại các mức yêu cầu bằng cách thiết lập mục tiêu cho điều khiển cơng suất vịng kín nhanh. Mục đích của nĩ là cung cấp chất lượng yêu cầu. Tần số của điều khiển cơng suất vịng bên ngồi thường là 10-100Hz.
Điều khiển cơng suất vịng bên ngồi so sánh chất lượng nhận được với chất lượng yêu cầu. Thơng thường, chất lượng được định nghĩa là tỷ lỗi bit mục tiêu xác định (BER) hay Tỷ số lỗi khung (FER). Mối quan hệ giữa SIR mục tiêu và mục tiêu chất lượng tuỳ thuộc vào tốc độ di động và hiện trạng đa đường. Nếu chất lượng nhận tốt hơn, cĩ nghĩa là mục tiêu SIR đủ cao để đảm bảo QoS yêu cầu. Để giảm thiểu khoảng trống, mục tiêu SIR sẽ phải giảm. Tuy nhiên, nếu chất lượng nhận xấu hơn chất lượng yêu cầu, mục tiêu SIR phải tăng lên để đảm bảo QoS yêu cầu.
2.4.8.3 Chuyển giao
Đối với hệ thống thơng tin di động tế bào thì chuyển giao (HO: Handover) là một phần quan trọng. Do các trạm di động luơn luơn di chuyển nên gây ra sự biến đổi chất lượng kết nối giữa trạm di động với trạm gốc, các mức nhiễu trong hệ thống cũng thây đổi hoặc là làm thay đổi trạm gốc phục vụ. Chuyển giao đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vơ tuyến khi người sử dụng di động di chuyển từ qua ranh giới các ơ tế bào.
Trong các hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất như AMPS, quá trình chuyển giao thuộc loại chuyển giao cứng, tức là ngắt trước khi kết nối. Sang hệ thống thơng tin di động thế hệ 2 như GSM và PACS bao gồm các thuật tốn chuyển giao được kết hợp chặt chẽ trong các hệ thống này và trễ chuyển giao tiếp tục được giảm đi. Khi đưa ra cơng nghệ CDMA, một ý tưởng khác được đề nghị để cải thiện quá trình chuyển giao được gọi là chuyển giao mềm, tức là nối trước khi ngắt.
* Các kiểu chuyển giao trong các hệ thống WCDMA 3G
Cĩ thể chia chuyển giao trong các mạng di động WCDMA thành các kiểu sau:
Chuyển giao bên trong hệ thống (Intra-system HO): Chuyển giao bên trong hệ thống xuất hiện trong phạm vi một hệ thống. Nĩ cĩ thể chia nhỏ thành chuyển giao bên trong tần số (Intra-frequency HO) và chuyển giao giữa các tần số (Inter- frequency HO). Chuyển giao trong tấn số xuất hiện giữa các cell thuộc cùng một sĩng mang WCDMA, cịn chuyển giao giữa các tần số xuất hiện giữa các cell hoạt động trên các sĩng mang WCDMA khác nhau.
Chuyển giao giữa các hệ thống (Inter-system HO): Kiểu chuyển giao này xuất hiện giữa các cell thuộc về 2 cơng nghệ truy nhập vơ tuyến khác nhau (RAT) hay Các chế độ truy nhập vơ tuyến khác nhau (RAM). Trường hợp phổ biến nhất cho kiểu đầu tiên dùng để chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE. Chuyển giao giữa 2 hệ thống CDMA cũng thuộc kiểu này. Một ví dụ của chuyển giao Inter-RAM là giữa các chế độ UTRA FDD và UTRA TDD.
Cĩ các thủ tục của chuyển giao:
Chuyển giao cứng (HHO- Hard Handover): HHO là một loại thủ tục chuyển giao trong đĩ tất cả các liên kết vơ tuyến cũ của một máy di động được giải phĩng trước khi các liên kết vơ tuyến mới được thiết lập. Đối với các dịch vụ thời gian thực, thì điều đĩ cĩ nghĩa là cĩ một sự gián đoạn ngắn xảy ra, cịn đối với các dịch vụ phi thời gian thực thì HHO khơng ảnh hưởng gì. Chuyển giao cứng diễn ra như là chuyển giao trong cùng tần số và chuyển giao ngồi tần số.
Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn (Softer HO): là các thủ tục trong đĩ UE luơn duy trì ít nhất một đường vơ tuyến nối đến UTRAN. Trong chuyển giao mềm UE đồng thời được nối đến một hay nhiều ơ thuộc các nút B khác nhau của cùng một RNC (SHO nội RNC) hay thuộc các RNC khác nhau (SHO giữa các RNC). Trong chuyển giao mềm hơn UE được nối đến ít nhất là hai
đoạn ơ của cùng một nút B. Cả chuyển giao mềm và mềm hơn chỉ cĩ thể xẩy ra trên cùng một tần số sĩng mang và trong cùng một hệ thống.